灭火机器人结构设计与控制【含3张cad图纸+文档全套资料】
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28.第一章 电机和运动控制系统
图1-24是
无刷直流电机
与霍尔设备(HED
)简略的爆炸视图。
此IC能够感应的极性转子的磁场，然后发送适当的信号到功率晶体管T1和T2上，以使电机的转子连续旋转。
运行原理如下：
1。当转子不动时，HED检测到转子的北磁极，使它产生一个信号，触发晶体管T2。这将导致电流流过，从而激励绕组W2形成吸引电磁转子的磁极—南极 。进而吸引了转子的北极使得转子绕逆时针（CCW）方向旋转。
2。转子的惯性使其转过它的中间位置，HED检测转子的南磁极，从而切换到晶体管T1，使在绕组W1中流动的电流进而形成一个寻找北定子的磁极，该磁极吸引转子的南极，使其继续在CCW方向旋转。晶体管以正确的顺序进行，以确保在定子绕组W2和W1上的励磁总是使得PM转子磁产生所需的扭矩以保持转子在不断旋转。该 绕组以围绕着定子的方式通电。
此外在实际的无刷电机中，2或3 HEDS以90或120度间隔开。它们把信号发送到运动控制器，实际上触发功率晶体管，驱动电枢绕组在指定的电机电流和电压电平。
在分解图图1-24无刷电机说明了一个微型直流无刷电机的设计，其中包括霍尔效应。该定子形成为铜线圈的无铁芯套筒与聚合物树脂和玻璃纤维粘结在一起，以形成一个刚性结构，类似于杯型转子。它被固定在钢叠片内的电动机壳体内。
这种操作方法允许起动电流的范围值和具体转速（rpm/ V）取决于线径和次数。各个终端电阻可以得到，从而允许用户用一个特定的应用程序来选择最佳的电机。霍尔效应传感器和被磁化的小磁铁盘被装在马达壳体内的圆盘状的分区。
无刷电机中的位置传感器
这两个磁传感器和解析器可以检测到转子在无刷电机中的位置。在图1-25的图表中显示了三个磁传感器如何检测到转子在三相电整流无刷直流电动机的位置。在这个例子中，磁传感器位于底铃电机的里面。这廉价的版本足够满足简单的控制的要求了。
图1-26所示是另外一种设计，当需要更高的定位 的精度要求时，端盖上的分解器用来检测转子位置。来自旋转变压器的高分辨率信号可以用来产生电动机控制器内的正弦电机电流。通过三个电机绕组中的电流是独立的，分别为120°相位位置。
图1-25磁传感器作为转子位置指示器：1-固定无刷电机绕组 2-永久磁铁电动机转子3-三相电整流场 4-三磁传感器 5-电子电路板
图1-26解析器作为转子位置指示器：1-静止电机绕组 2-永磁电机的转子 3-三相电整流场 4-三个磁传感器 5-电子电路板
无刷电机的优势
无刷直流电机相对于有刷流电动机至少有四个不同的优势，这归 于无刷电机用电子换向的方式替换机械式换向。
•没有必要更换刷子或从马达上删除引起的电刷磨损的坚韧不拔的残留物。
•无电刷引起电弧，无刷电机就不能在易燃或存在爆炸性气体，灰尘或液体的环境中产生火和爆炸的可能。
•通过替换机械换向使电磁干扰（EMI）最小化，用电子换向不需要的无线电频率源。
•用电子换向的无刷电机运行速度更快，更有效。可以实现高达50,000 RPM转速的相当于约5000rpm旋转刷式直流马达的上限。
无刷直流电机的劣势
无刷直流伺服电动机的至少四个缺点
•无刷永磁直流伺服电机不能简单的通过扭转电源的极性反转。供给到所述励磁线圈的电流的顺序必须被扭转。
•无刷直流伺服电机的成本比同等有刷直流伺服电机高。
•需要额外的系统布线给电子换向电路供电。
•运动控制器和驱动器电子需要操作一个无刷直流伺服电机，这个比常规直流伺服电动机是更复杂更昂贵
因此，一个无刷电动机的选择通常基于特定的应用需求或危险的操作环境。
无刷旋转伺服电机的特性
由于各种各样的市售产品的电机，很难对直流特性旋转伺服电机进行总结。
然而，他们通常提供0.62磅 - 英尺的连续转矩额定值（0.84米）至5.0磅 - 英尺（6.8米），1.9磅 - 英尺的峰值扭矩额定值（2.6 纳米）到14磅 - 英尺（19牛米），和0.73马力的连续额定功率 （0.54千瓦），以2.76马力（2.06千瓦）。最高速度可以从1400变化到7500转，并且这些马达的重量可以从5.0磅（2.3千克）到23磅（10公斤）。反馈通常可以是由解析器或编码器获得。
直线伺服电机
线性马达基本上是一个放在一个平面上的回转马达，但是它运行原则一样。一种永久磁铁直流线性马达类似于一个永久磁铁式旋转电机，同时一个
交流异步鼠笼电机类似于感应直线电机。旋转电动机中产生扭矩的电磁力同样可以在线性马达产生相同的扭矩。线性马达的控制方法一样并且使用可编程的位置控制器作为旋转电机。
图1-27为一线性伺服电机的运行原则
在直线电机未发明出来之前，只有使用气动或液压缸，或用滚珠螺杆或皮带和滑轮才能实现线性运动。滚珠螺杆或皮带和皮带轮。
线性马达有两个机械组件：线圈和磁铁，如图1-27 。绕组中的电流在磁通场中流动产生一个力。铜绕组传导电流（ I），同时组件生成的磁通密度（B）。当电流和磁通密度互动，一个力（F）在如图1-27所示的方向产生，其中F = I *B。
即使是很小的电机运行也会有效率，并且如果线圈圈数很多，磁铁磁力很强可以产生很大一个力。除了绕组的相差120度电位，它们还必须不断地切换或换向，以维持运动。
这里仅讨论闭环伺服系统无刷直线电动机。这些电机中有两种类型可在市场中购买到：钢芯（也称为铁心）和环氧核心（也称为 无铁芯） 。这些线性伺服电机具有的特点和特性在不同的应用择优选择。
钢芯电机的线圈绕在硅钢上的目的是使用磁体组或其他方法产生的力最大化。图1-28是一个钢芯无刷直线电机。在这些电机的钢机构集中于用磁通产生非常高的力密度。磁体组件包括安装 在钢基片的上表面上的稀土磁铁棒，它们被设置成具有交替 极性（即，N，S，N，S）。
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