第三章执行元件的选择与设计

第三章执行元件的选择与设计 第一节执行元件的种类 特点及基本要求 执行元件是工业机器人 CNC机床 各种自动机械 信息处理计算机外围设备 办公室设备 车辆电子设备 医疗器械 各种光学装置 家用电器 音响设备 录音机 摄像机 电冰箱 等机电一体化系统 或产品 必不可少的驱动部件 执行元件是处于机电一体化系统的机械运行机构与微电子控制装置的接点 联接 部位的能量转换元件 能在微电子装置的控制下 将输入的各种形式的能量转换为机械能 一 执行元件的种类及特点 一 执行元件的种类及特点 1 电气式执行元件电气式执行元件包括控制用电动机 步进电动机 DC和AC伺服电动机 静电电动机 滋致伸缩器件 压电元件 超声波电动机以及电磁铁等 其中 利用电磁力的电动机和电磁铁 因其实用 易得而成为常用的执行元件 对控制用电动机的性能除了要求稳速运转性能之外 还要求具有良好的加速 减速性能和伺服性能等动态性能以及频繁使用时的适应性和便于维修性能 一 执行元件的种类及特点 2 液压式执行元件主要包括往复运动的油缸 回转油缸 液压马达等 其中油缸占绝大多数 数字式液压式执行元件 电 液伺服马达和电 液步进马达 优点 比电动机的转矩大 可以直接驱动运行机构 转矩 惯量比大 过载能力强 适合于重载的高加减速驱动 电 液式马达在强力驱动和高精度定位时性能好 使用方便 一 执行元件的种类及特点 3 气压式执行元件气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外 与液压式执行元件无什么区别 具有代表性的气压执行元件有气缸 气压马达等 气压驱动且可得到较大的驱动力 行程和速度 但由于空气粘性差 具有可压缩性 故不能在定位精度较高的场合使用 一 执行元件的种类及特点 一 执行元件的种类及特点 1 惯量小 动力大 2 体积小 重量轻 3 便于维修 安装 4 宜于微机控制 二 对执行元件的基本要求 二 对执行元件的基本要求 1 惯量小 动力大 表征执行元件惯量的性能指标有 表征执行元件输出动力的性能指标有 直线运动为质量回转运动为转动惯量 推力转矩功率 二 对执行元件的基本要求 1 惯量小 动力大 如对直线运动来说 设加速度为 则推力为 而对回转运动来说 设角速度为 角加速度为 则转矩 功率为 这里 和表征了执行元件的加速性能 二 对执行元件的基本要求 1 惯量小 动力大 另一种表征执行元件动力大小的综合性指标是比功率 比功率 包含了功率 加速性能与转速三种因素 二 对执行元件的基本要求 2 体积小 重量轻 常用功率密度 比功率密度来评价这项指标 设执行元件的重力为 则功率密度 比功率密度 第二节常用的控制用电动机 控制用电动机有力矩电动机 脉冲 步进 电动机 变颇调速电动机 开关磁阻电动机和各种AC DC电动机等 控制用电动机是电气伺服控制系统的动力部件 是将电能转换为机械能的一种能量转换装置 由于其可在很宽的速度和负载范围内进行连续 精确地控制 因而在各种机电一体化系统中得到了广泛的应用 控制用电动机有回转和直线驱动电动机 通过电压 电流 频率 包括指令脉冲 等控制 实现定速 变速驱动或反复起动 停止的增量驱动以及复杂的驱动 而驱动精度随驱动对象的不同而不同 机电一体化系统或产品中常用的控制用电动机是指能提供正确运动或较复杂动作的伺服电动机 一 控制用电动机的基本要求 1 性能密度大 即功率密度和比功率大 功率密度PG P G比功率 TN2 Jm2 快速性能好 即加速转矩大 频响特性好 3 位置控制精度高 调速范围宽 低速运行平稳无爬行现象 分辨力高 振动噪声小 4 适应起 停频繁的工作要求 5 可靠性高 寿命长 二 控制用电动机的种类 特点及选用 一般动力用电动机 Y系列三相异步电动机 ST系列单相交流同步电动机 控制用电动机 直流力矩电动机 步进电动机 变频调速电机 二 控制用电动机的种类 特点及选用 ST系列永磁交流伺服电动机 直流伺服电动机 开关磁阻电动机 二 控制用电动机的种类 特点及选用 二 控制用电动机的种类 特点及选用 二 控制用电动机的种类 特点及选用 二 控制用电动机的种类 特点及选用 二 控制用电动机的种类 特点及选用 二 控制用电动机的种类 特点及选用 第三节直流与交流伺服电机及驱动 直流电动机的基本结构也是由定子 转子和结构件 端盖 轴承等 三大部分所组成 图是一台电磁式直流电动机的结构示意图 一 直流电动机结构 1 定子定子包括机座 主磁极 换向磁极 前 后端盖和电刷装置等几个部分 2 转子 电枢 转子是直流电动机实现能量转换的枢纽 又称为 电枢 电枢包括电枢铁心 电枢绕组及换向器 一 直流电动机结构 一 直流电动机的运转原理 二 直流电动机工作原理与运行特性 ia 一 直流电动机的工作原理 二 直流电动机工作原理与运行特性 1 外部输入是直流电 而线圈内是交流电 换向片 与电刷配合 起逆变作用 2 ia与ea二者方向始终相反 ea从外施电源吸收电能 是反电势 3 由电枢电流ia建立的电枢磁场是恒定的 4 T的方向和电枢转向一致 是驱动转矩 1 电磁转矩T 二 直流电动机的电磁转矩和电压平衡方程 CT 转矩常数 2 电枢电动式E Ce 电动势常数 二 直流电动机工作原理与运行特性 3 电枢回路电压平衡方程式 或 二 直流电动机的电磁转矩和电压平衡方程 二 直流电动机工作原理与运行特性 三 直流电动机的机械特性 硬机械特性 机械特性曲线的工作段接近于水平 软 反之 二 直流电动机工作原理与运行特性 n 转速 n0 理想空载转速 n 改变的转速 该式表示电机接上负载时的输出转速 1 当电动机稳定运行时 此时工作点对应下图的a点上 三 直流电动机的机械特性 二 直流电动机工作原理与运行特性 2 电动机负载增加 转速下降时 此时工作点对应图中b点上 平衡 电动机的机械负载变化时 通过E的的变化反映到电枢电路 引起电流变化 三 直流电动机的机械特性 二 直流电动机工作原理与运行特性 从直流电动机的转速方程中可以看出 直流电动机的转速与电源电压U 磁通 和电枢绕组Ra有关 四 直流电动机的调速 调压调速 n0正比于U n不受U的影响 调解U可以平滑的调解电动机转速 且机械特性硬度不受影响 如图所示 二 直流电动机工作原理与运行特性 1 直流伺服电动机的特性及选用 优点 较高的响应速度 精度和频率 优良的控制特性 缺点 使用电刷和换向器 寿命较低 需要定期维修 三 直流伺服电机及驱动 三 直流伺服电机及驱动 三 直流伺服电机及驱动 宽调速直流伺服电动机应根据负载条件来选择 加在电动机轴上的有两种负载 即负载转矩和负载惯量 当选用电动机时 必须正确地计算负载 即必须确认电动机能满足下列条件 在整个调速范围内 其负载转矩应在电动机连续额定转矩范围以内 工作负载与过载时间应在规定的范围以内 应使加速度与希望的时间常数一致 由于负载转矩起减速作用 如果可能加减速应选取相同的时间常数 三 直流伺服电机及驱动 2 直流伺服电动机与驱动 直流伺服电动机为直流供电 为调节电动机转速和方向 需要对其直流电压的大小和方向进行控制 目前常用晶体管脉宽调速驱动和晶闸管直流调速驱动两种方式 三 直流伺服电机及驱动 脉宽调制 PWM 直流调速原理 三 直流伺服电机及驱动 电动机双向调速原理 三 直流伺服电机及驱动 由定子 固定部分 和转子 旋转部分 两个部分组成 定子构成 由机座和装在机座内的圆筒形铁心以及其中的三相定子绕组组成 机座 是用铸铁或铸钢制成的 1三相异步电动机的结构 四 交流 AC 伺服电动机及其驱动 铁心 是由互相绝缘的硅钢片叠成的 铁心的内圆周表面冲有槽 用以放置定子绕组 定子绕组 是起电磁作用的三相对称的线圈 1三相异步电动机的结构 四 交流 AC 伺服电动机及其驱动 三相异步电动机的转子铁心是圆柱状的 也是用硅钢片叠成 表面冲有槽 用来放置转子绕组 转子铁心装在转轴上 轴上加机械负载 分为鼠笼式和绕线式两种 鼠笼式异步电动机若去掉转子铁心 嵌放在铁心槽中的转子绕组 就象一个 鼠笼 它一般是用铜或铝铸成 1三相异步电动机的结构 四 交流 AC 伺服电动机及其驱动 2三相异步电动机工作原理 e方向用右手定则确定 f方向用左手定则确定 磁场旋转 四 交流 AC 伺服电动机及其驱动 磁极旋转 导线切割磁力线产生感应电动势 导线长 切割速度 右手定则 2 线圈比磁场转得慢 三相异步机的结构 转子 在旋转磁场作用下 产生感应电动势或电流 三相定子绕组 产生旋转磁场 旋转磁场的产生 A Y C B Z 异步机中 旋转磁场代替了旋转磁极 电流出 电流入 X 合成磁场方向 向下 同理分析 可得其它电流角度下的磁场方向 A 旋转方向 取决于三相电流的相序 改变电机的旋转方向 换接其中两相 旋转磁场的旋转方向 旋转磁场的转速大小 一个电流周期 旋转磁场在空间转过360 电流频率为fHz 则磁场1 f秒旋转1圈 每秒旋转f圈 每分钟旋转 n1称为同步转速 转差率的概念 转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差 即 电流频率 极对数 电动机转速和旋转磁场同步转速的关系 电动机转速 额定转速 提示 如果 电磁转矩T 转子中各载流导体在旋转磁场的作用下 受到电磁力所形成的转距之总和 常数 每极磁通 转子电流 转子电路的功率因数 转矩公式的推导 牛顿 米 同步型和感应型 异步型 伺服电动机称为交流伺服电动机 其基本原理是检测交流 AC 伺服电动机及其驱动SM 同步 型和IM 感应 型的气隙磁场的大小和方向 用电力电子变换器代替整流子和电刷 并通过与气隙磁场方向相同的磁化电流和与气隙磁场方向垂直的有效电流来控制其主磁通量和转矩 四 交流 AC 伺服电动机及其驱动 四 交流 AC 伺服电动机及其驱动 交 直 交变频伺服调速系统 四 交流 AC 伺服电动机及其驱动 四 交流 AC 伺服电动机及其驱动 矢量控制就是要同时控制电动机输入电流I1的幅值和相位 当要求转矩加大为原来的两倍时 则要求I2也为原来的两倍 第四节步进电动机及其驱动 一 步进电动机的特点与种类 1 步进电动机的特点 步进电动机又称脉冲电动机 它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件 其输入一个电脉冲就转动一步 即每当电动机绕组接受一个电脉冲 转子就转过一个相应的步距角 转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比 并在时间上与输入脉冲同步 只要控制输入电脉冲的数量 频率以及电动机绕组的通电顺序 电动机即可获得所需的转角 转速及转向 很容易用微机实现数字控制 特点 步进电动机的工作状态不易受各种干扰因素 如电源电压的波动 电流的大小与波形的变化 温度等 的影响 步进电动机的步距角无长期累积误差 转子转过一定步数以后也会出现累积误差 但转子转过一转以后 其累积误差变为 零 控制性能好 在起动 停止 反转时不易 丢步 一 步进电动机的特点与种类 2 步进电动机的种类 运转形式 旋转式步进电动机直线步进电动机励磁相数 三相 四相 五相 六相步进电机旋转式转子结构 可变磁阻 VR VariableReluctance 型又称反应式步进电动机永磁 PM PermanentMagnet 型PM型步进电动机混合 HB Hybrid 型HB型步进电动机 一 步进电动机的特点与种类 定子1与转子2由铁心构成 没有永久磁铁 定子上嵌有线圈 转子朝定子与转子之间磁阻最小方向转动 定子与转子均不含永久磁铁 故无励磁时没有保持力 缺点 制造成本高 效率低 转子的阻尼差 噪声大 优点 制造材料费用低 结构简单 转子直径小 步距角小 高速响应好 随着加工技术的进步 可望成为多用途的机种 一 步进电动机的特点与种类 转子2采用永久磁铁 定子1用软磁钢制成 绕组3轮流通电 建立的磁场与永久磁铁的恒定磁场相互吸引与排斥产生转矩 由于采用了永久磁铁 即使定子绕组断电也能保持一定转矩 具有记忆能力 可用作定位驱动 特点是励磁功率小 效率高 造价便宜 需要量也大 由于转子磁铁的磁化间距受到限制 难于制造 故步距角较大 一 步进电动机的特点与种类 转子由永久磁铁和左右两齿盘组成 左右齿盘均由硅钢片叠加而成 类似反应式转子 因此混合型具有可变磁阻和永磁型共同的优点 一 步进电动机的特点与种类 二 步进电动机的工作原理 三相单三拍 三相六拍 二 步进电动机的工作原理 步距角的大小与通电方式和转子齿数有关 其大小可用下式计算 二 步进电动机的工作原理 转子齿数 拍数 电动机相数 二 步进电动机的工作原理 三 步进电动机的运行特性及性能指标 1 分辨力在一个电脉冲作用下 即一拍 电动机转子转过的角位移 即步距角 越小 分辨力越高 2 静态特性步进电动机的静态特性是指它在稳定状态时的特性 包括静转矩 矩 角特性及静态稳定区 三 步进电动机的运行特性及性能指标 3 动态特性 三 步进电动机的运行特性及性能指标 1 动态稳定区步进电动机从A相通电状态切换到B相 或AB相 通电状态时 不致引起丢步 该区域被称为动态稳定区 由于每一条曲线依次错开一个电角度 故步进电动机在拍数越多的运行方式下 其动态稳定区就越接近于静态稳定区 裕量角 r也就越大 在运行中也就越不易丢步 三 步进电动机的运行特性及性能指标 2 起动转矩 A相与B相矩 角特性曲线之交点所对应的转矩 三 步进电动机的运行特性及性能指标 3 最高连续运行频率及矩 频特性 步进电动机在连续运行时所能接受的最高控制频率被称为最高运行频率 以fmax表示 电动机在连续运行状态下 其电磁转矩随控制频率的升高而逐步下降 这种转矩与控制频率之间的变化关系称为矩 频特性 在不同控制频率下电动机所产生的转矩称为动态转矩 三 步进电动机的运行特性及性能指标 4 空载起动频率与惯 频特性空载起动频率 在空载状态下 转子从静止状态能够不失步地起动时的最大控制频率 也称之为空载起跳频率 惯 频特性 步进电机带动惯性负载时的起跳频率与负载转动惯量之间的关系 三 步进电动机的运行特性及性能指标 4 步进电动机技术指标实例 三 步进电动机的运行特性及性能指标 三 步进电动机的运行特性及性能指标 步进电机技术参数 三 步进电动机的运行特性及性能指标 四 步进电动机的驱动与控制 1 环形脉冲分配器 步进电动机的各相绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作 这种使电动机绕组的通电顺序按一定规律变化的部分称为脉冲分配器 又称为环形脉冲分配器 软环分采用小规模集成电路搭接而成的三相六拍环形脉冲分配器专用环形分配器器件 四 步进电动机的驱动与控制 四 步进电动机的驱动与控制 四 步进电动机的驱动与控制 四 步进电动机的驱动与控制 四 步进电动机的驱动与控制 2 功率放大器 1 单电压功率放大电路 四 步进电动机的驱动与控制 特点 结构简单 但R串在大电流回路中要消耗能量 使放大器功率降低 同时由于绕组电感L较大 电路对脉冲电流的反应较慢 因此 输出脉冲波形差 输出功率低 这种放大器主要用于速度要求不高的小型步进电动机中 四 步进电动机的驱动与控制 2 高低压功率放大电路 四 步进电动机的驱动与控制 四 步进电动机的驱动与控制 3 恒流源功率放大电路 恒流源功率放大电路的特点是在较低的电压上有一定的上升率 因而可用在较高频率的驱动上 由于电源电压较低 功耗将减小 效率有所提高 由于恒流源管工作在放大区 管压降较大 功耗很大 故必须注意对恒流源管采用较大的散热片散热 四 步进电动机的驱动与控制 4 斩波恒流功率放大电路 四 步进电动机的驱动与控制 5 调频调压功放电路 四 步进电动机的驱动与控制 3 细分驱动 在每次输入脉冲切换时 不是将绕组电流全部通入或切除 而是只改变相应绕组中额定电流的一部分 则电动机转过的每步运动也只有步距角的一部分 四 步