1、12022-10-42.1 概述概述 2.2 直流伺服电动机及其控制直流伺服电动机及其控制2.3 交流伺服电动机及其控制交流伺服电动机及其控制2.4 步进电动机及其控制步进电动机及其控制2.5 特种电动机及其应用特种电动机及其应用2.6 运动控制系统中的传动机构运动控制系统中的传动机构2.7 驱动系统设计驱动系统设计22022-10-42.1 概述概述图图2.1 驱动器种类驱动器种类32022-10-42.2 直流伺服电动机及其控制直流伺服电动机及其控制2.2.1 直流伺服电动机的分类和特点直流伺服电动机的分类和特点表表2.1分类方式分类方式主要类型主要类型主要结构特点主要结构特点按转子电枢励
2、按转子电枢励磁方式分磁方式分电磁式电磁式转子电枢磁场由励磁绕组产生，是一种普遍使用的伺服电动机，特别是大功率转子电枢磁场由励磁绕组产生，是一种普遍使用的伺服电动机，特别是大功率电动机应用更为广泛。电动机应用更为广泛。永磁式永磁式转子电枢磁场由永磁体产生，具有体积小、伺服性能好、响应快、功率体积比转子电枢磁场由永磁体产生，具有体积小、伺服性能好、响应快、功率体积比大、功率重量比大、稳定性好等优点。大、功率重量比大、稳定性好等优点。按定子励磁方按定子励磁方式分式分他激式他激式励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电。励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电。
3、串激式串激式励磁绕组与电枢绕组之间通过电刷和换向器形成串联回路励磁绕组与电枢绕组之间通过电刷和换向器形成串联回路。并激式并激式励磁绕组与电枢绕组相并联，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励磁绕组与电枢绕组相并联，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。励直流电动机相同。复激式复激式有并励和串励两个励磁绕组，若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通有并励和串励两个励磁绕组，若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。42022-10-42.2.2 直流伺
4、服电动机的控制特性直流伺服电动机的控制特性 图图2.2 直流伺服电动机工作原理图直流伺服电动机工作原理图 传统的有刷直流伺服电动机主要由定子磁极、转子电枢、传统的有刷直流伺服电动机主要由定子磁极、转子电枢、碳刷及换向片等结构组成，如图碳刷及换向片等结构组成，如图2.2所示。所示。52022-10-4他激式直流伺服电动机的电枢等效电路如图他激式直流伺服电动机的电枢等效电路如图2.3所示。所示。aiau2.3 电枢电压控制时的电枢等效电路电枢电压控制时的电枢等效电路 机械工程自动控制系统中常采用的直流伺服电动机转机械工程自动控制系统中常采用的直流伺服电动机转子电枢线圈的感抗子电枢线圈的感抗La较小
5、，为分析简化起见，忽略其影响，较小，为分析简化起见，忽略其影响，设设La=0，则电枢回路中的电压平衡方程式为，则电枢回路中的电压平衡方程式为aaaa(2.1)Eui R62022-10-4aeC(2.2)E 转子在磁场中以角速度转子在磁场中以角速度切割磁力线时，电枢反电切割磁力线时，电枢反电动势动势Ea与角速度与角速度之间存在如下关系之间存在如下关系:式中，式中，Ce是电动势常数，仅与电动机结构有关；是电动势常数，仅与电动机结构有关；是定子是定子磁场中每极气隙磁通量。磁场中每极气隙磁通量。aaaeC(2.3)ui Raaaa(2.1)Eui RaeC(2.2)E 此外，电枢电流切割磁场磁力线所
6、产生的电磁转矩此外，电枢电流切割磁场磁力线所产生的电磁转矩Tm，可由下式表达：可由下式表达：emmaC,Tiemam(2.5)CTi即 式中，式中，Cm是转矩常数，仅与电动机结构有关。是转矩常数，仅与电动机结构有关。72022-10-4aaaeC(2.3)ui Remam(2.5)CTi(2.6)直流伺服电动机运行特性的一般表达式直流伺服电动机运行特性的一般表达式ae(2.7)CumemdaaC(2.8)TTuR称为理想空载角速度。可见，角速度与电枢电压成正比。称为理想空载角速度。可见，角速度与电枢电压成正比。Td称为启动瞬时转矩，其值也与电枢电压成正比。称为启动瞬时转矩，其值也与电枢电压成正
7、比。（1）当）当Tm0(空载空载)时：时：（2）当）当 0(启动启动)时：时：82022-10-4a0em2em(2.9)C CRT 如果把角速度如果把角速度看作是电磁转矩看作是电磁转矩Tem的函数，即的函数，即=f(Tem)，则可得到直流伺服电动机的机械特性表达式则可得到直流伺服电动机的机械特性表达式a0eCu式中，式中，0是常数，是常数，。(2.6)aeme(2.10)CukT 如果把角速度如果把角速度看作是电枢电压看作是电枢电压ua的函数，即的函数，即=f(ua)，则可得到直流伺服电动机的调节特性表达式则可得到直流伺服电动机的调节特性表达式a2emC CRk式中，式中，k是常数，即是常数
8、，即 。92022-10-4 根据式根据式(2.9)和式和式(2.10)，给定不同的，给定不同的ua值和值和Tm值，可分值，可分别绘出直流伺服电动机的机械特性曲线和调节特性曲线，别绘出直流伺服电动机的机械特性曲线和调节特性曲线，如图如图2.4和图和图2.5所示。所示。图图2.4 直流伺服电动机机械特性直流伺服电动机机械特性 图图2.5 直流伺服电动机调节特性直流伺服电动机调节特性a0em2em(2.9)C CRTame(2.10)CukT102022-10-4 电动机的驱动电路、电动机内部的摩擦及负载的变动电动机的驱动电路、电动机内部的摩擦及负载的变动等因素对直流伺服电动机特性的影响等因素对直
9、流伺服电动机特性的影响（1）驱动电路对机械特性的影响：）驱动电路对机械特性的影响：图图2.6 含驱动电路的电枢等效回路含驱动电路的电枢等效回路 图图2.7 驱动电路内阻对机械特性的影响驱动电路内阻对机械特性的影响aiaaaai0m2em(2.12)C CRREuiRRT 在考虑了驱动电路的影响后，直流伺服电动机的机械特在考虑了驱动电路的影响后，直流伺服电动机的机械特性表达式发生了变化性表达式发生了变化:a0em2em(2.9)C CRT112022-10-4（2）直流伺服电动机内部的摩擦对调节特性的影响：）直流伺服电动机内部的摩擦对调节特性的影响：（3）负载变化对调节特性的影响：）负载变化对调
10、节特性的影响：图图2.5 直流伺服电动机调节特性直流伺服电动机调节特性图图2.8 摩擦及负载变动对调节特性的影响摩擦及负载变动对调节特性的影响 122022-10-4aiau2.3 电枢电压控制时的电枢等效电路电枢电压控制时的电枢等效电路aaa aaad()()()()(2.15)di tu tR i tLE ttae()(2.16)E tKt a()()(2.17)T tK i tdd()()()()(2.18)dtT tJBtT tt电压平衡方程电压平衡方程：感应电动势方程感应电动势方程：电磁转矩方程电磁转矩方程：转矩平衡方程转矩平衡方程：J、B分别为等效到电动机控制轴上的转动惯量和阻尼系
11、数分别为等效到电动机控制轴上的转动惯量和阻尼系数；Ke、Kt分别为感应电动势系数和电磁转矩系数分别为感应电动势系数和电磁转矩系数;Td(t)为电动机空载转矩和负载等效到电动机轴上的转矩之和。为电动机空载转矩和负载等效到电动机轴上的转矩之和。数学模型：数学模型：132022-10-4aaaaaaaetad()()()()()()(2.19)()()()()()()UsR IsL sIsE sE sKsT sK IsT sJssBsT st2aaaaaet()(2.20)()()KsUsL JsL BR J sR BK K 为了把输入为了把输入/输出关系式写成传递函数形式输出关系式写成传递函数形式
12、，需要对需要对各个方程进行拉普拉斯变换各个方程进行拉普拉斯变换，得到如下代数方程组得到如下代数方程组：消除中间变量后，可以得到以电枢电压消除中间变量后，可以得到以电枢电压Ua(s)为输入变量，为输入变量，电动机转速电动机转速(s)为输出变量为输出变量的传递函数为的传递函数为：142022-10-4t2aaaaaet()()()KsUsL JsL BR J sR BK KaaaLTRamatR JTK KJTBe2ammaamm1/()()()(1)KsT TTUsT T sTsTT令令:电动机电磁时间常数；电动机电磁时间常数；电动机机电时间常数；电动机机电时间常数；电动机机械系统时间常数。电动
13、机机械系统时间常数。则上则上式式可写为可写为:152022-10-4eam1/()()1KsUsT s 若忽略电枢电感及粘性阻尼系数，则直流伺服电动机的若忽略电枢电感及粘性阻尼系数，则直流伺服电动机的传递函数可近似为传递函数可近似为 类似地，可以得到以类似地，可以得到以电动机空载转矩和负载等效到电动机电动机空载转矩和负载等效到电动机轴上的转矩之和轴上的转矩之和Td(t)作为输入变量，电动机转速作为输入变量，电动机转速(t)作为输出作为输出变量的传递函数为：变量的传递函数为：e2ammaamm1/()()()(1)KsT TTUsT T sTsTTadetm()1()1RsT sK KT s a
14、aa,LJTTBR162022-10-4（1）设计良好的机械系统，以减小等效转动惯量）设计良好的机械系统，以减小等效转动惯量J；（2）给电动机供电的电源内阻应尽可能小，以降低）给电动机供电的电源内阻应尽可能小，以降低 电枢回路的电阻电枢回路的电阻Ra。（3）附加速度负反馈，以加大等效反电动势系数）附加速度负反馈，以加大等效反电动势系数Ke。由此可见，直流伺服电动机通常可近似为一阶惯性环节，由此可见，直流伺服电动机通常可近似为一阶惯性环节，其过渡过程时间的快慢主要取决于机电时间常数其过渡过程时间的快慢主要取决于机电时间常数Tm。根据。根据Tm的定义，通常应从以下几方面考虑：的定义，通常应从以下几
15、方面考虑：amatR JTK Keam1/()()1KsUsT s172022-10-42.2.3 直流伺服电动机的选择与使用直流伺服电动机的选择与使用PID控制器PWM调制电路三角波发生器H桥式功率放大电路直流伺服电动机光电编码器工作对象-+给定输入位置反馈PWM功率放大器图图2.9 位置位置控制系统控制系统182022-10-42.2.4 无刷直流无刷直流伺伺服电动机服电动机(1)具有直流电动机线性调节的优良特性具有直流电动机线性调节的优良特性。(2)由直流电源供电由直流电源供电，没有电刷和换向器没有电刷和换向器，它的绕组里电它的绕组里电流的通、断和方向的变化是通过电子换向电路实现的。流的
16、通、断和方向的变化是通过电子换向电路实现的。无刷直流电动机具有两个特点无刷直流电动机具有两个特点：192022-10-42.3 交流伺服电动机及其控制交流伺服电动机及其控制图图2.10 交流伺服电动机及其驱动器交流伺服电动机及其驱动器202022-10-4伺服电动机一般线路图伺服电动机一般线路图图图2.11 伺服电动机一般主环路线路图伺服电动机一般主环路线路图212022-10-4表表2.2 交流伺服电动机技术数据交流伺服电动机技术数据小惯量（小惯量（MAMA,MSMA）中惯量中惯量(MDMA)大惯量大惯量(MHMA)额定功率额定功率(KW)0.03150.75150.515额定转矩额定转矩(
17、NM)0.0953.1815.83.574.823.82.384.823.8最大转矩最大转矩(NM)0.289.547.610.714.471.4614.471.4电机电机惯量惯量不带制不带制动器动器0.0251.6917.82.826.1760.71426170带制动带制动器器0.0291.8819.73.133.7966.715.227.2176额定转速额定转速rpm300030003000200020002000200020002000最高转速最高转速rpm500050004500300030003000300030003000制动器制动器DC24V电源（外备）无极性电源（外备）无极性编
18、码器编码器2500P/R增量式、增量式、17位增量式、位增量式、17位绝对式位绝对式使用环境使用环境（无结露）；湿度：（无结露）；湿度：85%RH以下（无结露）以下（无结露）耐振：耐振：2500P/R增量式增量式:5G以下；以下；17位增量式：位增量式：2.5G以下；以下；17位绝对式：位绝对式：2.5G以下以下重量重量(kg)增量式增量式/17位编位编码器无码器无制动器制动器0.2/0.334.517.34.86.8255.38.926.7增量式增量式/17位编位编码器有码器有制动器制动器0.47/0.535.119.26.58.728.56.99.530.2222022-10-4 关于伺服
19、电动机的选择要从伺服电动机的关于伺服电动机的选择要从伺服电动机的额定功率额定功率、额定转矩额定转矩和和额定转速额定转速等几个方面考虑：等几个方面考虑：max(1.52)PP峰值 但是，只考虑功率要求是不充分的，还必须考虑转矩但是，只考虑功率要求是不充分的，还必须考虑转矩和转速。通常，伺服电动机的最高转速和最大转矩应分别和转速。通常，伺服电动机的最高转速和最大转矩应分别满足以下两个条件：满足以下两个条件：(1)折合到伺服电动机转子轴上的负载峰值转速必须不折合到伺服电动机转子轴上的负载峰值转速必须不大于伺服电动机的最高转速；大于伺服电动机的最高转速；(2)折合到伺服电动机转子轴上负载转矩与伺服电动
20、机折合到伺服电动机转子轴上负载转矩与伺服电动机转子加速时的惯性转矩之和必须不大与伺服电动机的最大转子加速时的惯性转矩之和必须不大与伺服电动机的最大转矩。转矩。首先，伺服电动机的最大功率应大于给定任务的峰值首先，伺服电动机的最大功率应大于给定任务的峰值功率，通常选择的安全系数为功率，通常选择的安全系数为1.5或或2，即，即232022-10-42.4 步进电动机及其控制步进电动机及其控制 按线圈激励设计的不同按线圈激励设计的不同，步进电动机可分为步进电动机可分为二相二相、三三相相、四相四相和和五相五相等；等；一般二相电动机的步距角为一般二相电动机的步距角为0.9o/1.8o、三相的为、三相的为0
21、.75o/1.5o、五相电动机的为、五相电动机的为0.75o/1.5o等。等。按其传动设计方式按其传动设计方式的不同，的不同，步进电动机又有旋转型步进电动机又有旋转型和和直线型直线型等；等；按电磁设计一般分为变磁阻式按电磁设计一般分为变磁阻式(VR型型，也称为反应式，也称为反应式)、永磁式、永磁式(PM型型)和混合式和混合式(HB型型)步进电动机步进电动机。步进电动机步进电动机是一种将电脉冲转化为角位移的执行元件。是一种将电脉冲转化为角位移的执行元件。(a)二相步进电动机(b)三相步进电动机图2.13 相数分类的步进电动机242022-10-4表表2.3 VR型和型和PM型步进电动机的比较型步
22、进电动机的比较比较项目比较项目变磁阻式步进电动机变磁阻式步进电动机永磁式步进电动机永磁式步进电动机旋转力产生的机理定子的磁极吸引磁性材料导致转子旋转转子由永久磁铁制成，用定子磁极同转子磁极的磁性吸引力旋转无励磁时的状态定子没有励磁时(线圈不通电)不产生转矩即使无励磁，因永久磁铁的作用，有转矩特征和主要用途大输出，高精度；用于数控机床、各种机器的驱动源等。价格便宜，步进角大，适合于速度较低的步进动作。252022-10-42.4.1 步进电动机的主要性能指标步进电动机的主要性能指标主要性能指标包括：步距角及静态步距角误差、最大静转矩、主要性能指标包括：步距角及静态步距角误差、最大静转矩、启动频率
23、和连续运行频率启动频率和连续运行频率、矩频特性矩频特性等。等。步距角是指步进电动机在一个步距角是指步进电动机在一个(即一拍即一拍)电脉冲的作用下电脉冲的作用下，转子所转过的角位移转子所转过的角位移，也称为步距也称为步距，它的大小与定子控制绕它的大小与定子控制绕组的相数、转子的齿数和通电的方式有关组的相数、转子的齿数和通电的方式有关，步距角的计算公步距角的计算公式为式为：s=齿距齿距/拍数拍数=齿距齿距/Km=360o/Kmz (2.21)(1)步距角和静态步距步距角和静态步距角角误差误差式中，式中，s是步进电动机的步距角是步进电动机的步距角；K为状态系数为状态系数，当相邻两当相邻两次通电的相数
24、相同次通电的相数相同(如采用单三拍或双三拍通电方式运行如采用单三拍或双三拍通电方式运行)时时，K=1，而采用相邻两次通电的相数不同而采用相邻两次通电的相数不同(如单、双六拍通电方如单、双六拍通电方式运行式运行)时时，K=2；m为控制绕组的相数为控制绕组的相数；z为转子的齿数。为转子的齿数。262022-10-4例如例如，步进电动机的转子齿数步进电动机的转子齿数z=40，控制绕组相数控制绕组相数m=3，当按三相单三拍运行时当按三相单三拍运行时，由式由式(2.21)可得可得s36031 340 可见可见，步进电动机的相数和转子齿数越多步进电动机的相数和转子齿数越多，步距角就越小步距角就越小，控制越
25、精确。控制越精确。s=齿距齿距/拍数拍数=齿距齿距/Km=360o/Kmz (2.21)272022-10-4 启动频率启动频率是指在一定负载转矩下能够不失步地启动的最是指在一定负载转矩下能够不失步地启动的最高脉冲频率。启动频率的大小与驱动电路和负载大小有关高脉冲频率。启动频率的大小与驱动电路和负载大小有关，步距角越小步距角越小，负载负载(包括负载转矩和转动惯量包括负载转矩和转动惯量)越小越小，则启动则启动频率越高。频率越高。连续运行频率连续运行频率是指步进电动机启动后，当控制脉冲频率是指步进电动机启动后，当控制脉冲频率连续上升时，能不失步运行的最高频率，它的值也与负载有关。连续上升时，能不失
26、步运行的最高频率，它的值也与负载有关。(3)启动频率和连续运行频率启动频率和连续运行频率 静转矩是指步进电动机处于静止状态下的电磁转矩。静止静转矩是指步进电动机处于静止状态下的电磁转矩。静止状态下状态下，转子的转矩与转角之间的关系称为转子的转矩与转角之间的关系称为矩角特性矩角特性。转角是。转角是指转子偏离零位的角度指转子偏离零位的角度，称为称为失调角失调角。通常。通常，定子齿与转子齿定子齿与转子齿对齐对齐(或者说齿中心线重合或者说齿中心线重合)的位置的位置，称为称为零位零位。因此。因此，矩角特矩角特性表示步进电动机的静转矩与失调角之间的关系。性表示步进电动机的静转矩与失调角之间的关系。(2)最
27、大最大静静转矩转矩282022-10-4 当步进电动机控制绕组的电脉冲时间间隔大于电动机当步进电动机控制绕组的电脉冲时间间隔大于电动机机电过渡过程机电过渡过程(指由于机械惯性及电磁惯性而形成的过渡过指由于机械惯性及电磁惯性而形成的过渡过程程)所需的时间时所需的时间时，步进电动机进入连续运行状态步进电动机进入连续运行状态，这时电这时电动机产生的转矩称为动机产生的转矩称为动态转矩动态转矩。步进电动机的动态转矩和。步进电动机的动态转矩和脉冲频率的关系称为脉冲频率的关系称为矩频特性矩频特性，如图如图2.14为某步进电动机为某步进电动机的矩频特性图，从图中可以看出，步进电动机的输出转矩的矩频特性图，从图
28、中可以看出，步进电动机的输出转矩随运行频率的升高而下降，但不是直线关系。随运行频率的升高而下降，但不是直线关系。(4)矩频特性矩频特性图图2.14 某步进电动机的矩频特性图某步进电动机的矩频特性图 292022-10-42.4.2 步进电动机的控制特性步进电动机的控制特性(1)点点-位控制位控制：点点-位控制位控制，就是控制电动机拖动负载从一个位置就是控制电动机拖动负载从一个位置运行到另一个位置。对步进电动机而言运行到另一个位置。对步进电动机而言，就是控制电动就是控制电动机从一个锁定位置运行若干步到达另一个位置机从一个锁定位置运行若干步到达另一个位置后后进入锁进入锁定状态。定状态。(2)加减速
29、控制加减速控制：步进电动机的转速取决于脉冲频率、转子齿数和相步进电动机的转速取决于脉冲频率、转子齿数和相数数，与电压、负载、温度等因素无关。当步进电动机选与电压、负载、温度等因素无关。当步进电动机选定后定后(即转子齿数和相数一定即转子齿数和相数一定)，其转速只与输入脉冲频其转速只与输入脉冲频率成正比率成正比，改变脉冲频率就可以改变转速改变脉冲频率就可以改变转速。(3)闭环控制闭环控制：步进电动机的控制主要有如下三种情况。步进电动机的控制主要有如下三种情况。302022-10-42.4.3 步进电动机的选择与使用步进电动机的选择与使用 步进电动机规格的选择主要考虑步进电动机规格的选择主要考虑步距
30、角步距角(涉及到相数涉及到相数)、静力矩和电流三大要素静力矩和电流三大要素。一般情况下，使用单片机产生所一般情况下，使用单片机产生所需频率的控制脉冲和方向控制信号，而各相定子绕组中电需频率的控制脉冲和方向控制信号，而各相定子绕组中电压或电流的控制任务，则由配套的步进电动机驱动器来完成。压或电流的控制任务，则由配套的步进电动机驱动器来完成。驱动器接线示意图如图驱动器接线示意图如图2.16所示：所示：VDDGND312022-10-4u（1）供电电源的接）供电电源的接线端子线端子VDD：直流：直流电源正端（电源正端（18V-40V），），220V的交流电需的交流电需经由一个整流桥得到经由一个整流桥
31、得到输入电压；输入电压；GND：直：直流电源地线（与输入流电源地线（与输入信号信号CW-，CP-不共不共地）。地）。u（2）连接电动机的）连接电动机的接线端子接线端子A+、A-接接电动机线电动机线A相；相；B+、B-接电动机线接电动机线B相（相（该驱动器只能驱动二该驱动器只能驱动二相步进电动机）。相步进电动机）。VDDGND322022-10-4u(3)控制信号接线端子控制信号接线端子CP+、CW+为输入控为输入控制信号的公共阳端；制信号的公共阳端；CW-为方向控制信号为方向控制信号输入端输入端(此端子加低电此端子加低电平，电动机立即按反平，电动机立即按反方向旋转方向旋转)；CP-为脉为脉冲信
32、号输入端（在冲信号输入端（在CP停止施加时，电动机停止施加时，电动机锁定，要保证锁定，要保证CP为高为高电平，使内部光耦截电平，使内部光耦截止），止），脉冲信号幅值脉冲信号幅值要 求 高 电 平 电 压 为要 求 高 电 平 电 压 为4.05.5V，低电平为，低电平为00.5V，脉冲信号工，脉冲信号工作状态作状态(即占空比即占空比)为为50%或或50%以下。以下。VDDGND332022-10-4 控制信号输入电流为控制信号输入电流为5mA20mA，一般使用输入电流，一般使用输入电流15mA。控制输入端。控制输入端(CW-和和CP-)的具体接线方法如图的具体接线方法如图2.17所示，脉冲信号
33、所示，脉冲信号(CP-)和方向信号和方向信号(CW-)输入回路上的外部输入回路上的外部电阻电阻(R)阻值由输入电压确定，如果输入电压超过阻值由输入电压确定，如果输入电压超过5V，参，参照表照表2.4进行加装外接电阻进行加装外接电阻R用以限流。用以限流。0.68K1.8K输入信号电压输入信号电压外部电阻外部电阻(R)阻值阻值5V不加外部电阻不加外部电阻12V24V表表2.4 加装外接电阻加装外接电阻R的参考值的参考值 图图2.17 控制输入信号的接线方法控制输入信号的接线方法342022-10-42.5 特种电动机及其应用特种电动机及其应用 2.5.1 力力矩电动机矩电动机 力矩电动机是一种能够
34、长期处于堵转状态工作的低转力矩电动机是一种能够长期处于堵转状态工作的低转速、大转矩的特殊电动机。它可以不需要齿轮减速而直接速、大转矩的特殊电动机。它可以不需要齿轮减速而直接驱动负载驱动负载，并由输入控制电压信号直接调节负载的转速并由输入控制电压信号直接调节负载的转速，具有反应速度快、转矩和转速波动小、特性线性度好、能具有反应速度快、转矩和转速波动小、特性线性度好、能在很低转速下稳定运行等优点。在很低转速下稳定运行等优点。图图2.19 交流力矩电动机交流力矩电动机 352022-10-42.5.2 直线直线电动机电动机 直线电动机是一种作直线运动的电动机。它可以看成直线电动机是一种作直线运动的电
35、动机。它可以看成是从旋转电动机演化而来的。如图是从旋转电动机演化而来的。如图2.20所示，设想把旋转所示，设想把旋转电动机沿径向剖开并拉直，就得到了直线电动机。旋转电电动机沿径向剖开并拉直，就得到了直线电动机。旋转电动机的径向、周向和轴向，在直线电动机中分别称为法向动机的径向、周向和轴向，在直线电动机中分别称为法向、纵向和横向。、纵向和横向。(a)旋转电动机旋转电动机 b)直线电动机直线电动机图图2.20 旋转电动机到直线电动机的演化旋转电动机到直线电动机的演化362022-10-42.6 运动控制系统中的传动机构运动控制系统中的传动机构 2.6.1 谐波齿轮传动机构谐波齿轮传动机构 谐波齿轮
36、减速器是利用行星齿轮传动原理发展起来的谐波齿轮减速器是利用行星齿轮传动原理发展起来的一种新型减速器。谐波齿轮传动（简称谐波传动）是依靠一种新型减速器。谐波齿轮传动（简称谐波传动）是依靠柔性零件产生弹性机械波来传递动力和运动的一种行星齿柔性零件产生弹性机械波来传递动力和运动的一种行星齿轮传动，其特点是啮合过程无齿侧间隙，因而无空回程。轮传动，其特点是啮合过程无齿侧间隙，因而无空回程。用于现代机械工程自动控制系统中的传动机构主要有用于现代机械工程自动控制系统中的传动机构主要有各种各种齿轮齿轮传动传动机构、滚珠丝杠、齿轮齿条机构、机构、滚珠丝杠、齿轮齿条机构、齿型齿型带传带传动机构、连杆传动机构动机
37、构、连杆传动机构和液压传动结构和液压传动结构等等。372022-10-4 图图2.21所示的是一种最简单的谐波传动工作原理图。它主所示的是一种最简单的谐波传动工作原理图。它主要由三个基本构件组成：要由三个基本构件组成：（1）带有内齿圈的刚性齿轮（刚轮）带有内齿圈的刚性齿轮（刚轮），它相当于行星系中的中心轮；，它相当于行星系中的中心轮；（2）带有外齿圈的柔性齿轮）带有外齿圈的柔性齿轮（柔轮），它相当于行星齿轮；（柔轮），它相当于行星齿轮；（3）波发生器，它相当于）波发生器，它相当于行星架。作为减速器使用，通常采用波发生器主动、刚轮固定、行星架。作为减速器使用，通常采用波发生器主动、刚轮固定、柔轮
38、输出形式。柔轮输出形式。图图2.21 谐波齿轮传动机构谐波齿轮传动机构382022-10-42.6.2 滚珠丝杠滚珠丝杠和直线导轨和直线导轨 图图2.22 滚珠丝杠滚珠丝杠和直线导轨的和直线导轨的产品照片产品照片392022-10-42.6.3 同步齿型带和带传动机构同步齿型带和带传动机构 同步齿型带同步齿型带(带齿的皮带带齿的皮带)、V型带型带(三角皮带三角皮带)、平、平型带、链、绳索型带、链、绳索(钢丝绳钢丝绳)等机构都是长距离传递等机构都是长距离传递运动的机构。运动的机构。同步齿型带与同步齿型带与V型带相比不需要很大的张紧，因型带相比不需要很大的张紧，因为有齿的啮合，所以传动效率较高。为
39、有齿的啮合，所以传动效率较高。链传动机构在长距离传动中有较高的刚度，但在链传动机构在长距离传动中有较高的刚度，但在高速运转时由于多边形效应而存在振动噪音问题高速运转时由于多边形效应而存在振动噪音问题。绳索传动与其它传动相比刚度最低，但由于其传绳索传动与其它传动相比刚度最低，但由于其传递线路限制较少，所以在许多场合作为简单传动递线路限制较少，所以在许多场合作为简单传动使用。使用。402022-10-4 图图2.23是用电动机通过齿型带传动机构驱动滑板，是用电动机通过齿型带传动机构驱动滑板，实现直线运动的传送机构简图。实现直线运动的传送机构简图。图图2.23 同步齿型带传动机构同步齿型带传动机构4
40、12022-10-42.7 驱动系统设计驱动系统设计 式中，式中，I为电动机与负载折合到电动机上的总转动惯量为电动机与负载折合到电动机上的总转动惯量；Tf为复合摩擦力矩为复合摩擦力矩；为电动机所需的角加速度为电动机所需的角加速度。2.7.1 一般性设计原则一般性设计原则（1）电动机的选择）电动机的选择 一旦电动机的类型确定之后，电动机具体型号的确定一旦电动机的类型确定之后，电动机具体型号的确定主要依据负载所需的力矩大小，系统力矩取决于转动惯量、主要依据负载所需的力矩大小，系统力矩取决于转动惯量、负载摩擦力矩和所需的加速度。其计算公式为负载摩擦力矩和所需的加速度。其计算公式为gf(2.23)TI
41、T422022-10-4 电动机的力矩选择包括两个重要的参数：所需的电动机的力矩选择包括两个重要的参数：所需的连续连续力矩和峰值力矩力矩和峰值力矩:连续力矩连续力矩Tc是电动机能够提供的连续工作力矩；是电动机能够提供的连续工作力矩；峰值力矩用峰值力矩用Tp表示，是所需瞬时的最大力矩。表示，是所需瞬时的最大力矩。确定力矩大部分情况下是通过分析计算或测量。为了计确定力矩大部分情况下是通过分析计算或测量。为了计算力矩，设计者必须知道下列参数：算力矩，设计者必须知道下列参数：u负载折合到电动机轴上的转动惯量负载折合到电动机轴上的转动惯量ILu电动机自身的转动惯量电动机自身的转动惯量Imu所需的电动机最
42、大角加速度所需的电动机最大角加速度u折合到电动机轴上的摩擦力矩（或重力力矩）折合到电动机轴上的摩擦力矩（或重力力矩）Tf432022-10-4pmLf()(2.24)TIIT峰值力矩峰值力矩可以通过下列方程来计算：可以通过下列方程来计算：而而连续力矩连续力矩Tc可以用所需力矩的均方根来计算，通常等于可以用所需力矩的均方根来计算，通常等于摩擦力矩（或重力力矩）摩擦力矩（或重力力矩）Tf，即，即Tc=Tf。一旦确定了所需的力矩，就可以选择电动机了。对于交一旦确定了所需的力矩，就可以选择电动机了。对于交流伺服电动机，同样驱动力矩的电动机又可分为大惯量、中流伺服电动机，同样驱动力矩的电动机又可分为大惯
43、量、中惯量和小惯量电动机，根据系统惯量和对响应速度的要求来惯量和小惯量电动机，根据系统惯量和对响应速度的要求来选择。选择。442022-10-41/2Lm(/)(2.25)nII 在现代机械自动控制系统中，减速器一般直接选用现有在现代机械自动控制系统中，减速器一般直接选用现有的产品而不自行设计。减速器的作用除了能减速之外，另外的产品而不自行设计。减速器的作用除了能减速之外，另外一个非常重要的作用就是可以增大输出力矩。怎样选取最佳一个非常重要的作用就是可以增大输出力矩。怎样选取最佳速比的减速器？下面我们就讨论这个问题。速比的减速器？下面我们就讨论这个问题。假定选用减速器的速比为假定选用减速器的速
44、比为n:1，增加了电动机输出力矩，增加了电动机输出力矩，相当于减少了负载惯量和摩擦力矩的值。摩擦力矩减少至原相当于减少了负载惯量和摩擦力矩的值。摩擦力矩减少至原来的来的1/n，负载惯量减少至原来的，负载惯量减少至原来的1/n2。减速器最优速比的计算公式为减速器最优速比的计算公式为其中，其中，IL为负载折合到电动机轴上的转动惯量；为负载折合到电动机轴上的转动惯量；Im为电动机为电动机自身的转动惯量。自身的转动惯量。（2）减速器的选择）减速器的选择452022-10-4 当位置传感器的分辨率增加时，可以提高系统当位置传感器的分辨率增加时，可以提高系统反馈精度，但分辨率不是越高越好，分辨率高的传反馈
45、精度，但分辨率不是越高越好，分辨率高的传感器其价格也贵，有时候高分辨率的作用也发挥不感器其价格也贵，有时候高分辨率的作用也发挥不出来，与系统控制器的工作频率有关。下面举例说出来，与系统控制器的工作频率有关。下面举例说明传感器分辨率的选择。明传感器分辨率的选择。（3）位置传感器的选择）位置传感器的选择462022-10-4 一个电动机所需的转速为一个电动机所需的转速为6000r/min，位置精度为，位置精度为0.4o。控制器所允许的编码器最高脉冲输出频率为控制器所允许的编码器最高脉冲输出频率为500kHz。问编。问编码器所允许的分辨率的范围是多少？码器所允许的分辨率的范围是多少？既然电动机最大速
46、度既然电动机最大速度m是是6000r/min，即，即100r/s，控制器最高频率控制器最高频率fm为为500kHz，那么最大分辨率是，那么最大分辨率是:Rmax=fm/m=500000/100=500(脉冲脉冲/转转)。另一方面，传感器分辨率应当高于所允许的位置误差，另一方面，传感器分辨率应当高于所允许的位置误差，一般为其一般为其24倍。所允许的位置误差为倍。所允许的位置误差为0.4o，则相，则相应地有：应地有：Rmin=360/0.2=1800(脉冲脉冲/转转)。编码器分辨率应当在编码器分辨率应当在18005000脉冲脉冲/转之间。可以转之间。可以选择选择4000脉冲脉冲/转。目前市场上出售
47、的伺服电动机上的编转。目前市场上出售的伺服电动机上的编码器对一般精度要求的系统都是够用的。码器对一般精度要求的系统都是够用的。472022-10-42.7.2 设计举例设计举例 一个具有惯量为一个具有惯量为IL=1.610-3kgm2以及摩擦力矩以及摩擦力矩Tf=0.2Nm的旋转平台需在的旋转平台需在60ms内旋转内旋转20o。运动是每秒内重复。运动是每秒内重复5次。平台次。平台间接地由一个直流电动机驱动，相应的参数分别为：电动机自间接地由一个直流电动机驱动，相应的参数分别为：电动机自身的转动惯量身的转动惯量Im=10-4kgm2，力矩常数，力矩常数Kt=0.1Nm/A，负载摩擦，负载摩擦力矩
48、力矩Tf=0.4Nm，电阻，电阻r=2，峰值力矩，峰值力矩Tp=2Nm，连续力矩，连续力矩Tc=0.5Nm。所需的位置精度为。所需的位置精度为0.1o。运动控制器允许编码器最。运动控制器允许编码器最高频率为高频率为500 KHz。设计目标如下：。设计目标如下：（1）确定电动机与负载之间的最优减速比；）确定电动机与负载之间的最优减速比；（2）确定电动机是否能够执行所需要的运动；）确定电动机是否能够执行所需要的运动；（3）确定编码器的分辨率。）确定编码器的分辨率。482022-10-41/234 1/2Lm(/)(1.6 10)/10 4nII根据题意，作如下分析：根据题意，作如下分析：（1）减速
49、比）减速比 减速比由式（减速比由式（2.25）得）得:1/2Lm(/)(2.25)nII即最优减速比为即最优减速比为4：1。492022-10-4242Lm/2 10(kg m)IInIf0.2/40.05(N m)T mL42080n（2）电动机功率）电动机功率 电动机和负载总的转动惯量为电动机和负载总的转动惯量为:相似地，负载摩擦力矩反映到电动机上的值为相似地，负载摩擦力矩反映到电动机上的值为:减速器增加了电动机的旋转角度：减速器增加了电动机的旋转角度：502022-10-43o(40 10)1.4o35rad/s2oa/35/0.021750(rad/s)T电机速度/(rad/s)时间/
50、ms0204060TaTo 假定速度轮廓为具有等时间间隔加速度、恒速以及减速度假定速度轮廓为具有等时间间隔加速度、恒速以及减速度的梯形，如图的梯形，如图2.24所示。电动机旋转的角度为所示。电动机旋转的角度为80o(1.4rad)，则，则其运行的最大速度计算为：其运行的最大速度计算为：即即所以其加速度为：所以其加速度为：图图2.24 电动机速度曲线图电动机速度曲线图512022-10-4为了确定所需要的峰值力矩，由式（为了确定所需要的峰值力矩，由式（2.24），得），得4pmLf()1750(2 10)0.05=0.4(N m)TIIaT 显然，所需的峰值力矩小于电动机所能达到的峰值力矩显然，
