1、数控技术及装备全册配套最数控技术及装备全册配套最 完整精品课件完整精品课件1 数控技术及装备 、机械制造中数控技术与装备的内涵？意义？、机械制造中数控技术与装备的内涵？意义？ 2、对产生运动的电机的控制；、对产生运动的电机的控制； 3、实现对空间位置和角度的测量；、实现对空间位置和角度的测量； 4、如何控制？因而产生对计算机的硬件与软件需求；、如何控制？因而产生对计算机的硬件与软件需求； 5、控制哪几个运动？直线运动和旋转运动！、控制哪几个运动？直线运动和旋转运动！ 6、控制的精度的何如？需要对系统进行建模并分析！、控制的精度的何如？需要对系统进行建模并分析！ 7、数控装备的机械结构？、数控装
2、备的机械结构？ 概述概述 第一章第一章 电机控制中的测量元件电机控制中的测量元件 1 1、光电编码器、光电编码器 2 2、旋转变压器、旋转变压器 3 3、霍尔元件、霍尔元件 4 4、激光测量系统、激光测量系统 5 5、陀螺仪测角、陀螺仪测角 6、测速发电机、测速发电机 旋转编码器旋转编码器 角度编码器角度编码器 第一部分第一部分 光电编码器光电编码器 1 1、旋转编码器、旋转编码器 光电脉冲编码器的结构 两个光栏板， 彼此之间错开 m+/4个节距， 当码盘基片随 转轴转动时， 产生a,b两相 相位差为90 的交变信号。 旋转编码器工作原理旋转编码器工作原理 光电码盘随被测轴一起转动，在光源的照
3、射下， 透过光电码盘和光拦板形成忽明忽暗的光信号， 光敏元件把此光信号转换成电信号a、b、z， 通过信号处理装置的整形、放大等处理后输出 如图所示的6项A、B、C 和取反信号。 输出信号的作用及其处理输出信号的作用及其处理 A A、B B 两相的作用两相的作用 细分处理、角位移、转速、转向 Z Z 相的作用相的作用 周向定位基准、圈数 、 、 的作用的作用 利用 A 、 差分输入消除远距离传输的共模 干扰 第一部分第一部分 光电编码器光电编码器 A ABC 常用的脉冲编码器每转输出的脉冲数有：2000 p/r，2500 p/r，3000 p/r ，高分辨率的脉冲编码器 20000 p/r，25
4、000 p/r，30000 p/r。 第一部分第一部分 光电编码器光电编码器 讨论： 1、如何提高旋转编码器的精度？ 2、如何提高旋转编码器的可靠性 第一部分第一部分 光电编码器光电编码器 光栅检测装置基本结构示意图光栅检测装置基本结构示意图 1光源， 2透镜， 3指示光栅， 4光电元件， 5驱动电路，6标尺光栅 2 2、角度编码器、角度编码器 第一部分第一部分 光电编码器光电编码器 光栅尺光栅尺 透射光栅透射光栅 优点：1）光源垂直入射，信号幅值比较大，信噪比好，光电转换器 （光栅读数头）的结构简单；2）光栅每毫米的线纹数多，减轻了电 子线路的负担 。 缺点：玻璃易破裂，热胀系数与机床金属部
5、件不一致，影响测量精度。 透射光栅尺的长度一般都在12m，常见的线纹密度为每毫米4、10、 25、50、100、200、250线。 反射光栅反射光栅 优点：光栅和机床金属部件的线膨胀系数一致，可用钢带做成长达数 米的长光栅。安装面积小，调整方便，适应于大位移测量场所。 缺点：为了使反射后的莫尔条纹反差较大，每毫米内线纹不宜过多， 常用线纹数为4、10、25、40、50。 透射光栅 反射光栅 第一部分第一部分 光电编码器光电编码器 光栅检测装置的结构光栅检测装置的结构 光栅读数头光栅读数头 与标尺光栅配合起光电转换作用，将位 移量转换成脉冲信号输出。 有垂直入射读数头、分光读数头、镜像读数头和反
6、射读 数头等。 圆光栅圆光栅 测量角位移 圆光栅刻有辐射形的线纹，相互间的夹角相等。圆周内 线纹的数制一般有二进制、十进制和六十进制等三种形 式。直径为270mm，360进制的圆光栅，一周内有刻线 10,800条。 第一部分第一部分 光电编码器光电编码器 光栅原理光栅原理（莫尔条纹） 放大作用； 使栅距的节距误差平均化； 根据莫尔条纹的移动方向可以辨别光栅的移动方向 第一部分第一部分 光电编码器光电编码器 莫尔条纹节距W 与光栅节距和倾角之间的关系： 2 sin/ W W由于很小，因此 莫尔条纹的特点： 光栅横向移动一个节距 ，莫尔条纹正好沿刻线上下移动 一个节距W，用光电元件检测莫尔条纹信号
7、的变化就可以 测量光栅的位移。 光栅尺横向莫尔条纹及其参数光栅尺横向莫尔条纹及其参数 第一部分第一部分 光电编码器光电编码器 2 sin/ W 细莫尔条纹干涉原理 第一部分第一部分 光电编码器光电编码器 是由光线通过线纹衍射后产生的是由光线通过线纹衍射后产生的 干涉结果干涉结果 ，平面的光波照射到，平面的光波照射到 扫描扫描 板上，通过衍射分成板上，通过衍射分成1，0， -1光波，它们在相位栅标尺上被光波，它们在相位栅标尺上被 衍射，光强的大部分反射在衍射，光强的大部分反射在1， 和和-1衍射级次中。这些光波在扫衍射级次中。这些光波在扫 描掩膜光栅上再次相遇，重新衍描掩膜光栅上再次相遇，重新衍
8、 射和干涉，此时，主要生成射和干涉，此时，主要生成2个个 序列波，它们以不同的角度离开序列波，它们以不同的角度离开 扫描掩膜。光电元件将这些光强扫描掩膜。光电元件将这些光强 转变成电信号。转变成电信号。 第一部分第一部分 光电编码器光电编码器 讨论：角度编码器与旋转编码器的异同点？讨论：角度编码器与旋转编码器的异同点？ 第二部分转变压器第二部分转变压器 旋转变压器结构示意图 1转子轴， 2外壳，3分解器定子， 4分解器定子绕组， 5变压器一次线圈， 6变压器转子，7分解器转子绕组， 8 分解器转子，9变压器二次线圈， 10定子线轴 旋转变压器原理 机 sin s kUU 防止气隙磁通畸变加上相
9、互垂直的绕组 第二部分转变压器第二部分转变压器 旋转变压器工作原理旋转变压器工作原理 分解器绕组的结构保证了定子与转子之间的气隙磁通呈正、余弦规律 分布。因此，当转子旋转时，转子绕组内产生感应电势随转子偏转角 机呈正弦规律变化。 即： 或 其中，Us ，Uc 为定子正弦、余弦绕组上的激磁电压，k为变压比。 旋转变压器的应用旋转变压器的应用 鉴相方式鉴相方式 在旋转变压器定子的两相正交绕组上分别加上幅值相等、频率相同的 正弦、余弦激磁电压 ， 转子旋转后，两个激磁电压 在转子绕组中产生的感应电压线性叠加得 总感应电压为： 因此，只要检测出转子输出电压的相位角，就知道了转子的转角。 第二部分转变压
10、器第二部分转变压器 机 cos c kUU 机 sin s kUU ） 机机机 tkUkUkUU mcs cos(cossin tUU ms sintUU mc cos 鉴幅方式鉴幅方式 给定子的两个绕组分别通上频率、相位相同但幅值不同的 激磁电压 ， 则在转子绕组上得到感应电压为 不断修改激磁调幅电压幅值的电气角电，使之跟踪机的变 化，并测量感应电压幅值即可求得机械角位移机 。 第二部分转变压器第二部分转变压器 tUU ms sinsin 电 tUU mc sincos 电 tkUkUkUU mcs sincos(cossin） 机电机机 多级旋转变压器 n上述在一转的360内电气变化与机械
11、角变 化完全对应。 n增加定子或者转子的极对数，在一圈之 内使电气角周期性变化若干次数，达到 提高精度的目的。 讨论：讨论： 1、如何提高精度？、如何提高精度？ 2 2、与脉冲编码器相比可靠性如何？、与脉冲编码器相比可靠性如何？ 第二部分转变压器第二部分转变压器 第三部分霍尔元件测量电机磁场第三部分霍尔元件测量电机磁场 Vh=B Ic Rh/d B:磁通密度，Ic:控制电流，Rh:霍尔 常数，d:半导体厚度 B S N W1 W2 B Ic Vh 在电流在电流Ic恒定、半导体恒定、半导体 材料和几何尺寸确定材料和几何尺寸确定 的情况下、电势的大的情况下、电势的大 小与磁通小与磁通B成线性关成线
12、性关 系系 。 1 1、测量原理、测量原理 假定在某一半导体中电流Ic以箭头所 示方向流动，若磁通B与导体面垂直 通过，则在半导体的一侧产生电动势： 2 2、测量方法、测量方法 电机在旋转过程中 的不同位置，霍尔 元件的输出电压呈 正弦变化，说明电 机磁场的变化规律。 通过标定，就可测 量电机的磁场。 第三部分霍尔元件测量电机磁场第三部分霍尔元件测量电机磁场 霍尔元件测量的电机磁场 Vh2 Vh1 Ic Vh Vh Vh1 B Vh2 3、霍尔元件的特性参数、霍尔元件的特性参数 a) 灵敏度灵敏度 在1000高斯的磁通下通0.1毫安电流所输出的毫伏电 压值。 高的灵敏度是霍尔元件的首要条件，但
13、霍尔元件越薄 输入阻抗就越大，电流流动受阻。因此，需要末级放 大。 b) 输入阻抗输入阻抗 电源电流Ic的阻抗 c) 输出阻抗输出阻抗 输出感应电势端的阻抗 d) 不平衡电压不平衡电压 无磁通时的输出电压值，由不对称造成的 飘移。 e) 工作温度工作温度 可以使用的温度范围。 第三部分霍尔元件测量电机磁场第三部分霍尔元件测量电机磁场 4 4、霍尔元件的制作、霍尔元件的制作 一般地，霍尔元件厚度都在几微米以下。霍尔元件越薄，输出电压就一般地，霍尔元件厚度都在几微米以下。霍尔元件越薄，输出电压就 越大，即霍尔元件越灵敏，但输入阻抗就越大越大，即霍尔元件越灵敏，但输入阻抗就越大 。 a) 蒸附法蒸附
14、法 在真空中将半导体铟化娣蒸附到陶瓷类基板报上并行成薄膜，并在上埋 电极。 b) 研磨法研磨法 在单晶体板上利用光刻法，制成霍尔元件，然后装在磁性基板上并进霍尔元件，然后装在磁性基板上并进 行研磨。行研磨。 c) 离子注入法离子注入法 镓化砷为原材料，用鉻作参杂物制成半绝缘的单晶体，采用离子注入法 在其表面形成多层活性层而制成元件。厚度小于0.4微米。 霍尔元件最大的缺点是随温度变化。霍尔元件最大的缺点是随温度变化。 第三部分霍尔元件测量电机磁场第三部分霍尔元件测量电机磁场 5 5、霍尔元件的集成电路、霍尔元件的集成电路 将测量用的霍尔元件与开关功能的晶体管或者放大电路一起制成一个封 装的集成
15、电路使用。 第四部分激光测量系统第四部分激光测量系统 受激吸收与受激发射 1激光的产生激光的产生 2 2激光的特点激光的特点 1)1) 高高单单色性色性 激光的谱线宽度很窄,比普通光源提高 了几万倍，是最好的单色光源。 2)2) 高平行度高平行度 激光是向特定方向发射的,它的发散角 很小,已达到几分,甚至可小到1秒。 3)3) 高亮度高亮度 激光的光能高度集中,亮度特别高，一 台红宝石激光束的亮度比太阳表面亮度亮 200 亿倍 。 4)4) 高相干性高相干性 相干性是相干光波在叠加区产生稳定的 干涉条纹所表现的性质，可用时间相干性和空间相干 性来描述。时间相干性是指光源在不同时刻发出的光束的相
16、干性， 激光的相干长度可达几十公里, 比普通光源提高了几十万倍。空间相 干性是指同一时间内由光源不同部位发出的光波的相干性,激光在任何 传播方向上都具有良好的空间相干性。 第四部分激光测量系统第四部分激光测量系统 3.3.激光干涉仪原理激光干涉仪原理 （1）迈克尔逊干涉仪结构 迈克尔干涉仪 由四个光学元件（两块平板玻璃P1P2和两块平面反射镜 M1M2）和一个精密的移动机构组成。 第四部分激光测量系统第四部分激光测量系统 （2）迈克尔逊干涉仪的测量原理 由光源S来的光，被半反射膜分成二束走向不同的光。根据平面镜成像 的性质，光线S2在M M2之间的光路可以用它在M中的虚像 M2 来代替。这 样
17、，M2位于参考镜M1的附近。M1和M2构成一“虚平板”，中间为空气介 质，虚平板的厚度为h, 在观擦系统中看到的干涉图样就是由虚平板所 产生的干涉现象。两相干光束之间的光程差为两相干光束之间的光程差为2 2h h，当2h=K，即 h=1/2时，观察屏P上的光的强度最大，呈亮条纹。当h=（2K+1）/4 时，观察屏P上的光强度为零，出现暗条纹。 在迈克尔逊干涉仪中，M2是固定的，而M1则是由精密丝杠带动可以平移。 改变M1和M2之间的距离h，也即改变S1和S2的光程差。当光程差发生变化光程差发生变化 时，观察屏上的干涉条纹将明暗交替变化。M1每平移/2距离，干涉条 纹则移动一个条纹间隔，明亮变化
18、一次。因此，只要对条纹计数，便可 以测得M1的距离。 第四部分激光测量系统第四部分激光测量系统 （3）迈克尔逊干涉仪的改进 图示迈克尔逊干涉仪使用的光源是白光，而激光干涉仪采 用激光作光源。这样，干涉一般不需要补偿板P2，另外，采 用光电元件计数，光电元件将光强的变化转换为电压的 变化。设动镜M1的起始位置出现暗条纹，M1位移X后，光强 既非最强，亦非最弱，则表明X既不是/2的整数倍，也不 是/4的整数倍。经光电元件转换出的电压UX可写为 UX=UMsin2X/(/2) 此式描述一正弦波， 将此正弦波 整形为方波，送入计数器即可读出条纹的明亮变化次数k。 第四部分激光测量系统第四部分激光测量系
19、统 3. 3. 双频激光干涉仪双频激光干涉仪 双频激光干涉 仪是同一激光 器发出的光分 成频率不同的 两束光（即拍 频信号）产生 干涉 双频激光干涉仪的工作原理 第四部分激光测量系统第四部分激光测量系统 第五部分陀螺仪测角第五部分陀螺仪测角 三自由度陀螺仪 可绕Z轴,X轴轴转动 进动性和定轴性进动性和定轴性 进动：三自由度陀螺仪以角速度绕自转轴转动，在受到 某一轴方向的外力矩作用下，将同时绕着与这一轴垂直 的方向以角速度转动称为进动。 进动角速度： =M/H M为进动轴方向的外力矩； H为陀螺仪自旋角动量矩H=C。C为陀螺仪自旋转动惯 量。 第五部分陀螺仪测角第五部分陀螺仪测角 章动：三自由度
20、陀螺仪以角速度绕自转轴转动，在受到外 力矩作用下，自转轴将发生偏斜运动称为章动。 此时，其进动角速度= -/(H)sint =/(H)(1-cost) =/(H)(1-cost) =H/A A为陀螺仪绕X轴（赤道的）的转动惯量 当角速度足够大时，角动量矩H很大，进动角速度、 可以忽略比不计，这就是三自由度陀螺仪的定轴性。 定轴性的特点使得装有三自由度陀螺仪的惯性平台有了一个参定轴性的特点使得装有三自由度陀螺仪的惯性平台有了一个参 考轴。无论惯性平台本身如何摆动摇晃，这个参考轴是不变的，考轴。无论惯性平台本身如何摆动摇晃，这个参考轴是不变的， 我们可以利用位移传感器测量惯性平台与定轴的角度，得出
21、平我们可以利用位移传感器测量惯性平台与定轴的角度，得出平 台本身的各种倾角，来控制平台的姿态。台本身的各种倾角，来控制平台的姿态。 第五部分陀螺仪测角第五部分陀螺仪测角 讨论讨论 1、从测量原理和结构来看，影响从测量原理和结构来看，影响陀螺仪陀螺仪精度的精度的 有哪些因素？有哪些因素？ 2、 陀螺仪主要陀螺仪主要应用在哪些场合？应用在哪些场合？ 第五部分陀螺仪测角第五部分陀螺仪测角 第六部分第六部分 测速发电机测速发电机 1、直流测速发电机、直流测速发电机 工作原理工作原理 空载感应电势： 有负载时输出电压： napNE 00 )60/( n R R C U z a e 1 0 直流测速发电机
22、 工作原理 n测速发电机转速，Ce与电机极对 数和电枢绕组有关的系数，0电枢 磁通，Ra电枢回路总电阻，Rz测 速发电机负载电阻。 直流测速发电机的输出特性 第六部分第六部分 测速发电机测速发电机 尽管对于不 同负载电阻， 测速发电机 的输出特性 不同。 在理想状态 下，直流发 电机的输出 电压与转速 称线性关系。 2、交流异步测速发电机、交流异步测速发电机 工作原理：工作原理： 在在N1绕组上施加稳定的交流电绕组上施加稳定的交流电 压，测量另一与之垂直绕组上的压，测量另一与之垂直绕组上的 感应电压感应电压U2 第六部分第六部分 测速发电机测速发电机 交流异步测速发电机的工作原理 输出电压 n
23、CU 12 C1为比例常数 绕组产生磁场-转子导体 在磁场中运动运动产生电 流转子电流产生磁场- 磁场产生感应电流 主要误差主要误差 a) 线性误差 b) 相位误差 c) 剩余电压 第六部分第六部分 测速发电机测速发电机 转子杯电流对定子 的作用 异步测速发电机相 量图 第六部分第六部分 测速发电机测速发电机 讨论：讨论： 1、直流测速发电机的误差原因？、直流测速发电机的误差原因？ 2、测速发电机的使用范围。、测速发电机的使用范围。 3、与旋转变压器的区别？、与旋转变压器的区别？ 第二章第二章 电机的控制电机的控制 1 1、直流电机的控制、直流电机的控制 2 2、无刷直流电机的控制、无刷直流电
24、机的控制 3 3、交流伺服电机的控制、交流伺服电机的控制 4 4、矢量变换原理、矢量变换原理 5、直线电机和平面电机、直线电机和平面电机 二、原理二、原理 1 1、几个基本概念、几个基本概念 磁感应强度：磁感应强度： B B 表述磁场的大小和方向的量：表述磁场的大小和方向的量： （单位实验绕组所受的最大力矩）（单位实验绕组所受的最大力矩） 磁通量：磁通量： 通过一给定曲面通过一给定曲面 的总磁力线数。的总磁力线数。 第一部分直流电机的控制第一部分直流电机的控制 F力 磁 场 电 流 B I 运动力 磁 场 电 动 势 右手定则右手定则 反电动势反电动势 E=vBL 磁场强度：磁场强度：H H
25、H H = =B B / / ：介质的磁导率（与介质相关的常数）介质的磁导率（与介质相关的常数） 自感电动势：自感电动势：由于导体本身电流的变化引起磁通量的变化而产生的感应由于导体本身电流的变化引起磁通量的变化而产生的感应 电动势：电动势： = -= -L L d dI I/d/dt t 互感电动势：互感电动势：由于其他导体电流的变化引起通过本绕组磁通量的变化而由于其他导体电流的变化引起通过本绕组磁通量的变化而 产生的感应电动势：产生的感应电动势： 12 12= - = -M M d dI I2 2/d/dt t，21 21= - = -M M d dI I1 1/d/dt t 左手定则左手定
26、则 磁场对载流导线的作用力：磁场对载流导线的作用力： df =I dL B 对于恒定磁场和绕组：对于恒定磁场和绕组： F=BIL 右旋钻定则右旋钻定则 I_- B-F 第一部分直流电机的控制第一部分直流电机的控制 一、直流电机用于控制电机的优点：一、直流电机用于控制电机的优点： 1 1、转矩可以十分简单地计算，系统设计十分、转矩可以十分简单地计算，系统设计十分 简单；简单； 2 2、响应高，适应大的角加速度、响应高，适应大的角加速度 ； 3 3、瞬时力矩大：永久磁铁的励磁在转子大电、瞬时力矩大：永久磁铁的励磁在转子大电 流通过时也不产生畸变。流通过时也不产生畸变。 直流电机的原理简图 S N
27、d T rs sBc F r B I I F F 2 2、运动原理、运动原理 第一部分直流电机的控制第一部分直流电机的控制 N 弧极区弧极区 S 弧极区弧极区 + + + + + + + + + . . . . . . . . . 中性区 有刷直流电机 直流电机的绕组的磁力线和电流示意图 控制时，需要控制时，需要 靠整流子将电靠整流子将电 枢绕组的导线枢绕组的导线 电流的流动变电流的流动变 成上述分布的。成上述分布的。 按照上述电磁理论可得：按照上述电磁理论可得： 速度速度 v=R 电机转矩：电机转矩： T=ZRBLI=KT Ia 反电动势：反电动势： E=vBLZ/2=Ke 第一部分直流电机
28、的控制第一部分直流电机的控制 3 3、等效电路图、等效电路图 Ra Ia E=Ke V 电压方程：电压方程： V=RaIa+Ke 转矩：转矩： T=KT Ia =KT /Ra(V-Ke) E=vBLZ / 2 第一部分直流电机的控制第一部分直流电机的控制 整流子（换向片） 绝缘体 绕组 电刷 短路绕组应处于 无磁通区（中性 区），免受感应 电动式。 4、控制与结构图、控制与结构图 5、直流电机的动特性、直流电机的动特性 考虑转子的惯性影响：考虑转子的惯性影响：J d/dt 考虑电感的影响：考虑电感的影响：LdIa/dt 电机扭矩：电机扭矩：T =To + Jd/dt (1) 电枢电压：电枢电压
29、：V =Ia Ra + Ke + LdIa/dt (2) 电机扭矩：电机扭矩：T =Kt Ia (3) (1)(2) (3) 即可分析电机动特性即可分析电机动特性 6、直流电机特点：、直流电机特点： 控制电磁的旋转方向，使两个磁场的力最大并能够产生控制电磁的旋转方向，使两个磁场的力最大并能够产生 旋转。要解决的问题：力矩的旋转。要解决的问题：力矩的脉动、死点、发热、损耗、脉动、死点、发热、损耗、 可靠性可靠性等问题。等问题。从电机的结构、材料等所有的方式。从电机的结构、材料等所有的方式。 第一部分直流电机的控制第一部分直流电机的控制 第一部分直流电机的控制第一部分直流电机的控制 三、直流伺服电
30、机的控制三、直流伺服电机的控制 1、直流电机的作为、直流电机的作为伺服电机伺服电机的关键就是使加在电枢上的 电压发生变化。即由V=R aIa+Ke 公式得：=(V-=(V- RaIa)/Ke，改变电压从而改变速度改变电压从而改变速度。 直流伺服电机控制结构图直流伺服电机控制结构图 TG PG DC 伺服放大器 偏差计算 D/A变换 位置检测 位置指令 速度指令 电流指令 速度检测 电流检测 DC电源 速度指令电压 第一部分直流电机的控制第一部分直流电机的控制 2 2、伺服放大器、伺服放大器 两种放大方式：两种放大方式： 电压控制电压控制 电流控制电流控制 电流信号发 生器PWM 电流指令 电流
31、反馈 Tr1 Tr2 Tr3 Tr4 电刷 整流子 绝缘体 绕组 电刷 由伺服放大器供电 （1）电压控制：电压控制：晶体管线性放大工作区，小功率晶体管线性放大工作区，小功率500瓦以下；瓦以下； 晶体管开关方式：大功率晶体管，晶体管开关方式：大功率晶体管，PWM 电枢平均电压：电枢平均电压：V = E (tp - tn) / (tp+ tn) （2）电流控制：电流控制：电流控制与电压控制仅增加了差动放大器，电流控制与电压控制仅增加了差动放大器， 将指令将指令值和反馈值之差放大，再变成电压控制。值和反馈值之差放大，再变成电压控制。 第一部分直流电机的控制第一部分直流电机的控制 tp tn 电流波
32、形 -E E 电压指令 -E E 电压指令 三角波 三角波 + - 第二部分第二部分 无刷直流电机的控制无刷直流电机的控制 一、无刷直流电机原理一、无刷直流电机原理 利用元件检测转子的位置（磁场的位置），控制定子绕组利用元件检测转子的位置（磁场的位置），控制定子绕组 的通电次序。以使定子电磁场与转子磁场相互作用产生旋的通电次序。以使定子电磁场与转子磁场相互作用产生旋 转扭矩。转扭矩。 位置的检测用霍尔元件和光电元件。位置的检测用霍尔元件和光电元件。 T r 1 T r 1 T r 3 T r 4 T r 5 T r 6 U V W W VU T6 T1 T2 T5 T2 T3 光 旋转 方向
33、指令 1 6 W V 电流的磁场方向 电流的磁 场方向 旋 转 磁 场方向 S N 通电顺序：100110-100101-101001-011001- 011010-010110 第二部分第二部分 无刷直流电机的控制无刷直流电机的控制 2、利用霍尔元件测量的控制原理、利用霍尔元件测量的控制原理 a S N b SN c S N 霍尔元件 霍尔元件 霍尔元件 W1 W2 V h 1 Vh2 Vh B Ic Vh Vh1 Vh2 B Tr2 W2 W1 Tr1 B S N W1 W 2 S HG1 HG2 HG2 HG1 Tr1 stato r Tr2 Tr3 Tr4 W 1 W 2 W4 W3
34、N S Vh1 Vh2 Vh3 Vh4 通电: HG2(N)-Vh3-Tr2-W2 HG1(S)-Vh2-Tr3-W3 HG2(S)-Vh4-Tr4-W4 HG1(N)-Vh1-Tr1-W1 二相（二相（4相）式霍尔电机相）式霍尔电机 第二部分第二部分 无刷直流电机的控制无刷直流电机的控制 第三部分第三部分 交流伺服电机控制原理交流伺服电机控制原理 一、交流电机的调速原理一、交流电机的调速原理 调速的关键是转矩控制调速的关键是转矩控制 电动机调速的任务是控制转速，转速通过转矩来改变，电动机调速的任务是控制转速，转速通过转矩来改变， 从转矩到转速是一个积分环节从转矩到转速是一个积分环节机械惯量，
35、即：机械惯量，即： 式中GD电动机和负载机械的飞轮力矩； n转速； Td、 TL电动机的电磁转矩和负载转矩。 Ld TT dt dnGD 375 2 从式可看出，除转矩外，再没有其他控制量可影响转速。快速从式可看出，除转矩外，再没有其他控制量可影响转速。快速 准确地控制转矩，使转矩实际值准确地控制转矩，使转矩实际值Td对其给定值对其给定值Td*响应如图所响应如图所 示。示。 转矩转矩-转速关系是一个小惯量环节转速关系是一个小惯量环节，传递函数为，传递函数为: m转矩环等效时间常数。转矩环等效时间常数。 (s)T s T d m d * * 1 1 T d T Ot * d T T O 图图41
36、转转矩矩响响应应波波型型 a) 小小惯惯性性 b)大大惯惯性性 a )b * d T d T 如果如果Td对对Td*的响应如图的响应如图4-14-1b)b)所示，它是一个振荡环节，且阻所示，它是一个振荡环节，且阻 尼较小，无论怎样设计速度调节器都很难获得满意结果。从上尼较小，无论怎样设计速度调节器都很难获得满意结果。从上 述讨论可以看出，述讨论可以看出，调速的关键是转矩控制调速的关键是转矩控制。 sTm 1 s m 1 1 d T L T sT sT V Rn Rn Rn 1 速度调节器转矩控制电动机 * nn 控制对象 图42速度环框图 二、二、 统一的电动机转矩公式统一的电动机转矩公式 电
37、动机，无论是直流还是交流，都由定子和转子两部分组电动机，无论是直流还是交流，都由定子和转子两部分组 成。它们分别产生定子磁通势矢量和转子磁能磁通势矢量（图成。它们分别产生定子磁通势矢量和转子磁能磁通势矢量（图 4-3） ，将其合成，得合成磁通势矢量，由它产生，将其合成，得合成磁通势矢量，由它产生磁链矢量磁链矢量 （通过通过Ns个线圈的磁力线总数）个线圈的磁力线总数） ，好像空间有两块磁铁，一，好像空间有两块磁铁，一 块是固定的，另一块是可转动的。块是固定的，另一块是可转动的。当这两块磁铁的磁通势矢量当这两块磁铁的磁通势矢量 方向一致时，不产生转矩，转子不动；若方向不一致，它们将方向一致时，不产
38、生转矩，转子不动；若方向不一致，它们将 互相吸引，产生转矩，使转子转动。互相吸引，产生转矩，使转子转动。 通通 势势 矢矢 量量 图图 cF sFrF cs rc rs 图图43电电动动机机磁磁 定子磁通势矢量定子磁通势矢量：由定子绕组通三相交流电产生的旋转由定子绕组通三相交流电产生的旋转 磁场的磁通势，是由三个绕组的磁势的基波磁势合成的。磁场的磁通势，是由三个绕组的磁势的基波磁势合成的。 旋转速度为旋转速度为：n1=60f/p，n1为同步速度。为同步速度。 由于单相绕组的磁势是矩型分布，除基波外，还有其他由于单相绕组的磁势是矩型分布，除基波外，还有其他 频率的谐波成分（由富里埃级数展开），频
39、率的谐波成分（由富里埃级数展开），谐波磁势谐波磁势一般一般 对电机运行带来不利，采用短距和分布绕组就是达到消对电机运行带来不利，采用短距和分布绕组就是达到消 除谐波磁势这一目的。除谐波磁势这一目的。 转子磁能磁通势矢量转子磁能磁通势矢量：电机负载运行时，电机转子以低电机负载运行时，电机转子以低 于于n1的同步速度的同步速度n运行，这样气隙磁势的速度与转子相运行，这样气隙磁势的速度与转子相 差一个速度差一个速度n=n1-n=sn1，转子将以转子将以sn1速度切割气隙速度切割气隙 磁场，在转子的导条中产生电流，这个电流也产生旋转磁场，在转子的导条中产生电流，这个电流也产生旋转 的磁场。的磁场。 转
40、子的磁场频率为：转子的磁场频率为：f2=np/60, 旋转速度为：旋转速度为：n2=n+n=n1， 这表明转子的旋转频率落后于磁场旋转频率，有一这表明转子的旋转频率落后于磁场旋转频率，有一 个滑差个滑差s。以保证转子能够切割定子磁场的磁力线。以保证转子能够切割定子磁场的磁力线。 但转子磁通势矢量与定子磁通势矢量旋转速度相同。但转子磁通势矢量与定子磁通势矢量旋转速度相同。 由电磁场理论知道，作用在绕组上的转矩等于：由电磁场理论知道，作用在绕组上的转矩等于： rs m d E T 式中 磁场能量（由于存在气隙，磁场能量几乎全部 储存在气隙中）； 从 到 的夹角。 m E s F r F 式中式中B
41、磁感应强度磁感应强度 H磁场强度。磁场强度。 在气隙里，在气隙里，B比例于比例于H，而而H比例于合成磁通势比例于合成磁通势 ，所，所 以以 式中式中 合成磁通势矢量合成磁通势矢量 的数值；的数值； 比例系数。比例系数。 磁场能量的增量磁场能量的增量 HBEm c F )( 2c em FKE c F c F e K rs rsrsc FFFFFcos2 222 合成磁通势：合成磁通势： 将其代入式将其代入式 得电动机转矩公式为得电动机转矩公式为 式中式中Km比例系数比例系数 由于由于 和和 电动机转矩公式还可以改写为电动机转矩公式还可以改写为 rs rS md FFKTsin rs m d E
42、 T rc c rs s FFsinsin cs c rs r FFsinsin cs cS md FFKTsin rc c md FrFKTsin 这是统一的电动机转矩公式，适合于各种电动机这是统一的电动机转矩公式，适合于各种电动机 从这些公式可以看出，电动机的转矩等于三个磁通势矢量从这些公式可以看出，电动机的转矩等于三个磁通势矢量F Fs s 、 F Fr r和和F Fc c中任两矢量的模和它们间夹角的正弦值之积，中任两矢量的模和它们间夹角的正弦值之积，即矢量平行即矢量平行 四边形的面积四边形的面积。它只与这些矢量的大小与相对位置有关，而与它。它只与这些矢量的大小与相对位置有关，而与它 们
43、的绝对位置、是否转动无关，我们可以从便于实现出发，按任们的绝对位置、是否转动无关，我们可以从便于实现出发，按任 一公式控制电动机转矩。一公式控制电动机转矩。 Fc Fr Fr Fr rs cs 讨论：讨论： 1 1、交流电机的运动原理。、交流电机的运动原理。 2 2、直流电机与交流电机的磁场有什么异同？、直流电机与交流电机的磁场有什么异同？ 第三部分第三部分 交流伺服电机控制原理交流伺服电机控制原理 一、交流电动机矢量控制基本概念一、交流电动机矢量控制基本概念 n交流电动机的磁通势矢量交流电动机的磁通势矢量Fs、Fr和和Fc都在空间以都在空间以 同步速度旋转，彼此相对静止，欲控制转矩，必同步速
44、度旋转，彼此相对静止，欲控制转矩，必 须控制任两磁通势矢量的大小和相对位置。须控制任两磁通势矢量的大小和相对位置。 n通常的变频调速系统的控制量是交流电动机的定通常的变频调速系统的控制量是交流电动机的定 子电压幅值和频率（电压控制型）或定子电流幅子电压幅值和频率（电压控制型）或定子电流幅 值和频率（电流控制型），它们都是标量，故称值和频率（电流控制型），它们都是标量，故称 为标量控制系统。在标量控制系统中，只能按电为标量控制系统。在标量控制系统中，只能按电 动机稳态运行规律进行控制，不能控制任意两个动机稳态运行规律进行控制，不能控制任意两个 磁通势矢量的大小和相对位置，转矩控制性能差。磁通势矢
45、量的大小和相对位置，转矩控制性能差。 n欲改善转矩控制性能，必须对定子电压或电流实欲改善转矩控制性能，必须对定子电压或电流实 施矢量控制，既控制大小，又控制方向。施矢量控制，既控制大小，又控制方向。 n交流电动机的所有矢量（磁通势、磁链、电压、交流电动机的所有矢量（磁通势、磁链、电压、 电流等）都在空间以同步速度旋转，它们在定电流等）都在空间以同步速度旋转，它们在定 子坐标系（静止系）上的各分量，即在定子绕子坐标系（静止系）上的各分量，即在定子绕 组上的物理量，都是交流量，控制和计算不方组上的物理量，都是交流量，控制和计算不方 便。便。 n如果采用坐标变换，使人从静止坐标系进入同如果采用坐标变
46、换，使人从静止坐标系进入同 步旋转坐标系，站在旋转坐标系上看，电动机步旋转坐标系，站在旋转坐标系上看，电动机 各矢量都变成了静止矢量，它们在坐标系上各各矢量都变成了静止矢量，它们在坐标系上各 分量都是直流量，可以很方便地从统一转矩公分量都是直流量，可以很方便地从统一转矩公 式出发，找到转矩和被控矢量各分量的关系，式出发，找到转矩和被控矢量各分量的关系， 实时地算出转矩控制所需的被控矢量（电压或实时地算出转矩控制所需的被控矢量（电压或 电流等矢量）各分量间的关系，实时地算出转电流等矢量）各分量间的关系，实时地算出转 矩控制所需的被控矢量的直流分量的值（直流矩控制所需的被控矢量的直流分量的值（直流
47、 给定量）。给定量）。 测量交流量 计算被控矢量的 直流控制分量 交流量控制 坐标变换坐标变换 （静止系）（旋转系）（静止系） 图46矢量控制过程框图 动）（静 静）（动 由于这些被控矢量的直流分量在物理上不存在，由于这些被控矢量的直流分量在物理上不存在， 我们还必须再经过坐标变换，从旋转坐标系回我们还必须再经过坐标变换，从旋转坐标系回 到到静止系，把上述直流给定量变换成物理上到到静止系，把上述直流给定量变换成物理上 存在的交流给定量，在定子坐标系对交流量进存在的交流给定量，在定子坐标系对交流量进 行控制，使其实际值等于给定值。整个矢量控行控制，使其实际值等于给定值。整个矢量控 制过程或用下图
48、所于框图表示：制过程或用下图所于框图表示： 矢量控制的关键是静止坐标系和旋转坐标系之间的矢量控制的关键是静止坐标系和旋转坐标系之间的 坐标变换，坐标变换，实现该变换的关键是实现该变换的关键是找到两坐标系之间找到两坐标系之间 的夹角的夹角。 （夹角实现夹角实现坐标关系） 矢量控制系统分为两类矢量控制系统分为两类 ： 1. 1. 按转子位置定向的矢量控制系统按转子位置定向的矢量控制系统 该系统的基准该系统的基准 旋转坐标系的水平轴位于电动机转子旋转坐标系的水平轴位于电动机转子圆的圆的轴线上，轴线上，随转子随转子 一起旋转一起旋转，这时静止和旋转坐标系之间的夹角就是转子位，这时静止和旋转坐标系之间的
49、夹角就是转子位 置角。置角。永磁同步电动机和无换向器电动机永磁同步电动机和无换向器电动机的矢量控制系统的矢量控制系统 属于这一类属于这一类。 2. 2. 按磁通定向的矢量控制系统按磁通定向的矢量控制系统 该系统的基准旋该系统的基准旋 转坐标系的水平轴位于电动机磁通和磁链轴线上，转坐标系的水平轴位于电动机磁通和磁链轴线上，与磁场与磁场 一起旋转一起旋转，这时静止和旋转坐标系之间的夹角不能直接测，这时静止和旋转坐标系之间的夹角不能直接测 取，需通过计算获得，系统较复杂，但易维持磁链恒定，取，需通过计算获得，系统较复杂，但易维持磁链恒定， 使电动机运行经济合理。通常的使电动机运行经济合理。通常的同步
50、电动机和异步电动机同步电动机和异步电动机 矢量控制系统属于这一类矢量控制系统属于这一类。 n旋转磁场是电机运动的根本。产生旋转磁场不一旋转磁场是电机运动的根本。产生旋转磁场不一 定非要三相，除单相以外，两相及多相对称绕组定非要三相，除单相以外，两相及多相对称绕组 通以相应的平衡电流都能够产生旋转磁场。通以相应的平衡电流都能够产生旋转磁场。 n如果使两通以直流电的绕组同时以同步转速旋转，如果使两通以直流电的绕组同时以同步转速旋转， 则产生的合成磁势则产生的合成磁势F Fc c也以同速旋转。也以同速旋转。 n无论是多相、三相、两相异步或者同步电机（直无论是多相、三相、两相异步或者同步电机（直 流电
