机电一体化概论 2-2

第2章机电一体化的系统组成,2.1机械单元2.2伺服与驱动单元2.3检测单元2.4控制单元2.5接口技术,参考教材：第2章,2.2伺服与驱动单元,2.2.1伺服与驱动单元基础2.2.2步进电机2.2.3伺服电机,2.2.1伺服与驱动单元基础,伺服与驱动单元是将输入的其他形式能量转换成机械能的装置，可以根据单元输入的控制指令，产生相应的机械运动。,雷达天线自动瞄准跟踪控制系统,性能稳定动作灵敏控制精度高,特点：,伺服与驱动单元基本组成,1.伺服与驱动单元组成,（1）控制元件,系统反馈信号与给定的输入信号和指令进行比较，将得到的偏差信号送给驱动元件处理，一般由电子电路或微处理器构成。,（2）驱动元件,将控制元件的输出信号进行变换和放大，以驱动伺服元件工作，是单元正常运行的前提和保证。在机电一体化系统中，常采用各种电力电子器件构成驱动电路。,（3）伺服元件,将输入的各种形式能量转换成机械能，以带动系统产生机械动作。在机电一体化系统中，常采用直流伺服电动机、交流伺服电动机和步进电动机作为伺服元件。,（1）按系统输入能源不同：可分为电气、液压和气动三种类型,电气伺服与驱动单元,将电气系统中的电磁能转换成机械能的一种能量转换装置，由直流伺服电动机、步进电动机、交流伺服电动机等伺服元件构成。,2.伺服与驱动单元分类,将液压系统中的压力能转换成机械能的一种能量转换装置，其包括液压马达和液压缸等伺服元件。,液压伺服与驱动单元,气动伺服与驱动单元,将压缩空气的压力能转换成机械能的一种能量转换装置，其包括气缸和气动马达等伺服元件。,（2）按系统控制方式不同，分为开环控制系统和闭环控制系统。,开环控制系统,打印头移动开环控制系统,当操作者在计算机中给出打印指令，即输入控制信号，打印机的字车步进电机驱动电路工作，驱动字车步进电机，使载有打印头的字车移动到需要打印位置，并通过打印头电磁铁的吸合或释放来控制打印针击打色带，从而完成文件打印。,闭环控制系统,操作者设定空调温度，此温度设定值与温度传感器检测到的室温值相比较，产生的偏差值送至控制板处理，控制板发出控制指令，驱动变频制冷压缩机中的直流无刷伺服电动机工作，从而使制冷压缩机启动，调节空调房间的室温。温度传感器再次检测空调房间的室温，当室温基本达到预设值时，控制器发出命令，使制冷压缩机停止工作。,变频空调温度闭环控制系统,在工作时应满足如下要求：（1）精度高（2）惯量小（3）稳定性好,3.伺服与驱动单元的工作要求,发展方向主要为：（1）技术性能向高精度、高速度、智能化方向发展。（2）单元规模将向高集成、体积小方向发展。（3）控制信号将向数字化方向发展。,4.伺服与驱动单元的发展方向,2.2.2步进电机,步进电机是一种机电执行元件，其作用是将电脉冲信号转换成相应角位移或直线位移信号。当输入一个电脉冲信号时，步进电机就转过一个角度，脉冲依次地输入，电机就一步步地转动。由于步进电机输入的是电脉冲信号，所以又称为脉冲电动机。,反应式步进电动机,混合式步进电动机,1.特点,（1）由于输入信号的特殊性，使其易于与计算机通信，可直接实现数字控制。（2）步距值不受外界干扰因素影响。步进电机的输出角位移与脉冲数成正比；单位时间内输入的脉冲个数越多，脉冲频率越高，转过的角度累积值越大，转速越快，电机转速与脉冲频率成正比。,（3）步距误差不长期积累。步进电机每转一步所转过的实际步距值与理论步距值间会有一些误差。随步数增加，总会有一定的误差累积，但每转一圈的累积误差却为零。（4）调速范围大，调速平滑性好。,2.基本结构,定子由六个凸极组成，在相对的凸极上套有一相能产生磁场的绕组，三相绕组的首端轮流接收电脉冲信号，尾端连在一起；转子铁心上冲槽，不装有绕组。,三相反应式步进电动机为例：,定子,转子,定子由六个凸极组成，在相对的凸极上套有一相能产生磁场的绕组，三相绕组的首端轮流接收电脉冲信号，尾端连在一起；转子铁心上冲槽，不装有绕组。,三相反应式步进电动机为例：,定子由六个凸极组成，在相对的凸极上套有一相能产生磁场的绕组，三相绕组的首端轮流接收电脉冲信号，尾端连在一起；转子铁心上冲槽，不装有绕组。,三相反应式步进电动机为例：,定子由六个凸极组成，在相对的凸极上套有一相能产生磁场的绕组，三相绕组的首端轮流接收电脉冲信号，尾端连在一起；转子铁心上冲槽，不装有绕组。,三相反应式步进电动机为例：,定子由六个凸极组成，在相对的凸极上套有一相能产生磁场的绕组，三相绕组的首端轮流接收电脉冲信号，尾端连在一起；转子铁心上冲槽，不装有绕组。,三相反应式步进电动机为例：,3.工作原理,三相反应式步进电动机，通电方式为三相单三拍A-B-C-A，其工作过程如下：,当只有A相绕组通入电脉冲时，在绕组周围会产生磁场，载流导体在磁场中产生电磁力，在电磁力作用下，转子齿1、3被吸引，从而转过一个角度，与定子凸极相对，即定子凸极AA与转子齿1、3相对。,三相反应式步进电动机，通电方式为三相单三拍A-B-C-A，其工作过程如下：,当只有A相绕组通入电脉冲时，在绕组周围会产生磁场，载流导体在磁场中产生电磁力，在电磁力作用下，转子齿1、3被吸引，从而转过一个角度，与定子凸极相对，即定子凸极AA与转子齿1、3相对。,3.工作原理,三相反应式步进电动机，通电方式为三相单三拍A-B-C-A，其工作过程如下：,当A相断电，只有B相绕组通入电脉冲时，在绕组上也产生电磁力，在电磁力作用下，转子齿2、4被吸引，从而逆时针方向转过一个角度，与定子凸极BB相对。,3.工作原理,三相反应式步进电动机，通电方式为三相单三拍A-B-C-A，其工作过程如下：,当B相断电，只有C相绕组通入电脉冲，在绕组电磁力作用下，转子齿3、1被吸引，从而逆时针方向转过一个角度，与定子凸极CC相对。,3.工作原理,三相反应式步进电动机，通电方式为三相单三拍A-B-C-A，其工作过程如下：,当C相断电，A相绕组又重新通入电脉冲时，在电磁力作用下，转子齿2、4被吸引，从而逆时针方向转过一个角度，与定子凸极AA相对。,定子绕组如此的反复通入电脉冲，转子就一步一步的逆时针转动。,步距角：转子每前进一步转过的角度。,齿距角：转子前进一个齿所对应的角度。,思考题,改变步进电动机的绕组通电顺序,4.驱动单元,加到步进电机控制绕组上的电脉冲信号，是通过步进电机的驱动单元提供的。,由计算机等控制器发出脉冲指令，送至变频信号源，由变频信号源输出具有一定频率的脉冲串，脉冲串经环形脉冲分配器按一定规律分配给三相电路，且保持三相脉冲间存在一定的相位差，再经功率放大器将脉冲进行功率放大，从而驱动三相步进电机动作。,5.应用领域与实例,制袋机,教学机器人,数控钻床,应用实例:应用二维绘图仪在绘图纸上绘制出一个“好”字。首先在计算机的编程软件中编写一段程序，下载存入驱动卡的单片机中，使其发出变频脉冲信号，送至驱动单元，驱动轴、轴的步进电机动作，从而带动绘图工作台与绘图笔相对移动，这样在绘图纸上“好”字就勾勒出来。,二维绘图仪伺服与驱动单元实物图,2.2.3伺服电机,伺服电机是一种机电执行元件，其作用是将输入的电压信号转换成轴上的转速信号或转角信号，从而带动控制对象动作。,SZ系列直流伺服电机,BL(3)系列交流伺服电机,伺服电机与步进电机性能比较,伺服电机按所接电流种类的不同，可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两种类型。,伺服电动机与普通直流、交流电动机相比，除具有转子惯性小、响应快、过载能力强、可靠性好等特点之外，其最大特点是输出转矩和转速变化由控制电压信号控制，即：,直流伺服电动机直流伺服电动机将输入的直流电压信号转换成轴上的转速或转角信号。,永磁直流伺服电动机,基本结构与工作原理基本结构与工作原理,以永磁式直流伺服电动机为例。伺服电机由定子和转子两部分构成。定子部分是指电机中固定不动的部分，包括永久磁铁（N极、S极）、电刷装置（A、B电刷）、机座、端盖等。转子部分是指电机中能够转动的部分，包括转子铁心、转子绕组、换向器、轴、轴承等。为减小转动惯量，将转子铁心做得细长些。,简化的电机结构：N、S永久磁铁作磁极，转子铁心省略未画，在铁心槽里嵌放转子绕组，假设转子绕组只有一匝线圈abcd构成。将转子绕组的首尾两端分别焊在两个半圆形的铜质换向片上，在换向片上下分别安置两个静止不动的电刷A和B，电刷与换向片是摩擦接触的。在电刷A、B间连接控制电压信号,当电刷A接电源,+极,电刷B接电源,-极,直流电流经换向片、电刷流入绕组abcd,载流导体在N、S极形成磁场中受到电磁力作用,根据左手定则判断,N极下导体ab所受作用力F方向向左S极下导体cd所受作用力F方向向右,绕组abcd逆时针方向转动,换向片转动,绕组abcd的电流方向改变,转子沿同一方向转动,带动控制对象旋转,思考题,驱动方法,将直流控制信号直接进行电压和功率放大，驱动直流伺服电动机。,通常直流伺服电动机采用专门的驱动模块，例如用L165集成电路构成直流伺服放大器。,应用领域与实例,直流位置伺服控制系统，由自整角机、相敏放大器、校正装置、功率放大器、直流伺服电机等元件组成。,当发送机输入的转子偏转机械角度为，接收机根据电磁感应现象使转子偏转的机械角度为，此时接收机转子绕组产生交流感应电动势，经相敏放大器处理后转换成直流电压，再通过校正和功率放大，来驱动直流伺服电动机，使直流伺服电动机带动接收机偏转，从而使值逐渐接近，直到，这样就实现了位置系统的精确跟踪。,，,2.交流伺服电动机交流伺服电动机将输入的交流电压信号转换成轴上的转速或转角信号。,基本类型,按转速是否变化,同步伺服电动机异步伺服电动机,按转子结构,基本结构与工作原理,以两相鼠笼式异步伺服电动机为例，由定子和转子构成。定子主要由定子铁心和嵌放在铁心中的两个空间轴线相互垂直的绕组、组成；转子主要由转子铁心和转子鼠笼铜条绕组组成。为了使电机的转动惯量小，响应灵敏，通常将转子做得细长。,、,两相鼠笼式异步伺服电动机，在励磁绕组U1U2回路中串接一个适当的电容C，调节电容C的大小使和相位差为，假设超前,。,U1U2、V1V2绕组轴线垂直为90,超前为90,在电机气隙中会产生顺时针方向旋转磁场,旋转磁场转动切割转子鼠笼铜条绕组在绕组中产生感应电动势形成转子电流电流与磁场相互作用产生转矩转子以小于旋转磁场的转速转动。,思考题,不能停止转动。此现象称为“自转”。此时异步伺服电动机就不受控制信号的控制，所以必须消除“自转”现象。方法是增大转子导条的电阻值。,驱动方法,将电源电压经90分相电路分解成控制电压和励磁电压，且保持两者相