机电一体化原理及应用第三章

3.1执行装置概述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、办公室设备等机电一体化系统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执行机构与微电子控制装置的接点部位的能量转换元件。它可以将输入的各种形式的能量转换为机械能。3.1.1执行元件的种类与特点根据使用能量的不同，可将执行元件分为三类：电气式：将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动运行机构，包括控制用电动机、静电电动机、磁致伸缩器件、压电元件、超声波电动机及电磁铁。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,特性：可用商用电源，信号与动力的传送方向相同，操作简便，编程容易，能实现定位伺服，易与CPU相接，动力较大，无污染，但瞬时输出功率大，过载差。气压式：采用压缩空气作为工作介质，具有气源方便、成本低、无泄漏污染、速度快等特性，但动作不够平稳、远距离传输困难、工作噪声大、难于伺服，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。液压式：先将电能变成液压能，并用电磁阀改变压力油的流向，从而使液压执行元件驱动运行机构运动。具有输出功率大、速度快、动作平稳、可实现定位伺服等特性，但设备难于小型化，易泄漏且有污染。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,3.1.2机电一体化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：对直线运动为质量，对回转运动为转动惯量。表征输出动力的性能指标为推力、转矩或功率。2体积小、重量轻用单位重量所能达到的输出功率或比功率，即比功密度或功率密度衡量。3便于维修、安装4宜于微机控制。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,3.2常用控制用电动机及特性分析3.2.1常用控制用电动机1.控制用电动机的定义电气式执行元件是机电系统的常用元件，由于控制用电动机可以在很宽的速度和负载范围内进行连续、精确的控制,因而在各种机电一体化系统中得到广泛的应用。机电系统中常用两类电动机：一类是一般动力用电动机，如感应式异步电动机和同步电动机等。另一类为控制用电动机，如力矩电动机、步进电动机和各种交直流伺服电动机。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。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,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。利用电压、电流、频率（包括指令脉冲）等控制方式，实现定速（或变速）驱动，反复启、停的增量驱动以及复杂驱动。它具有稳速运转性能，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。机电一体化系统对控制用电动机的基本要求：性能密度大。快速性好，即加速转矩大，频响特性好。位置控制精度高、调速范围宽、低速运行平稳无爬行、分辨力高、振动噪声小。适应起、停频繁的工作要求。可靠性高、寿命长。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,不同的应用场合对控制用电动机的性能要求不同。比如：对于启停频率低，但要求平稳和扭矩脉动小，高速运行时振动、噪声小，在整个调速范围内均可稳定运动的机械，如机器人的驱动系统，其功率密度是主要指标，对于起停频率高，但不要求低速平稳性的产品，如高速打印机、绘图仪等，主要性能只表示高比功率。在额定输出功率相同的条件下，交流伺服电动机的比功率最高，直流伺服电动机次之，步进电动机最低。2.控制用电动机的种类、特点及选用,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,3.2.2伺服电动机控制方式的基本形式伺服电动机的控制方式包括：开环、闭环和和半闭环三种基本控制形式。被控量为机械参数（位移、速度、加速度、力和力矩等）开环系统：没有检测反馈装置的伺服系统。开环系统通常采用步进电动机作为伺服驱动装置，主要用于精度和速度要求不高的场合，如简易数控机械、机械手、小型工作台、冲床自动送料装置和绕线机的同步运动等。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,半闭环系统(采用脉冲编码器)：测量角位移，并从传动链中间部位取出检测反馈信号的伺服系统。由于这种系统只能补偿反馈回路的系统误差，其定位精度比闭环系统低，一般为0.005-0.01mm，但其结构简单、调试方便，广泛用于各种机电一体化设备，如数控机床和加工中心的伺服进给系统。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,闭环系统：具有直接测量系统输出反馈装置的伺服系统。闭环系统通常采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为伺服驱动装置，较少采用步进电动机驱动。主要用于精度和速度高的精密、大型的机电一体化设备，如精度要求很高的镗铣床。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,直流伺服电动机：通常采用连续的电压控制（晶体管、晶闸管）。主要特点是高响应特性、高功率密度（体积小、重量轻）、可实现高精度数字控制，接触换向部件（电刷与换向器）需维护，主要用于机器人、数控机械等。交流伺服电动机：通常采用闭环的频率控制（晶体管）。具有高响应特性、高功率密度（体积小、重量轻）、可实现高精度数字控制的特点。其中永磁同步型交流伺服电动机无接触换向部件，需要磁极位置检测器，可以用于音响和音像设备，计算机外围设备。感应型交流伺服电动机对定于电流的激励分量和转矩分量分别控制，可以应用于数控机械、机器人等。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,步进电动机：通常采用开环的频率控制（晶体管）。主要特点是转角与控制脉冲数成比例，可构成直接的数字控制，有定位转矩，主要用于计算机外围设备，数控装置等。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,3.3直流伺服电动机及其驱动直流伺服电动机通过电刷和换向器产生的整流作用，使磁场动势和电枢电流磁动势正交，从而产生转矩。直流伺服电动机在结构上有传统式和低惯量型两大类。宽调速直流伺服电动机由于励磁便于调整，易于安装补偿绕组和换向极，可以在较宽速度范围内得到恒转速特性，因此在机电闭环伺服系统中应用较广。1.直流伺服电动机的主要特性反电势常数：表示了永磁磁场强度，即当电枢在磁场中按规定速度机械旋转时所产生的电压值；转矩常数：每安培电流能产生的转矩；机械时间常数：施加一个阶跃电压时电动机电枢达到整个速度63.2%时所需的时间；热时间常数：在额定电流时绕组温度上升初始变化率的函数。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,2直流伺服电动机调速方式,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,3直流伺服电动机特点与选用原则特点：输出力矩大、过载能力强、动态响应好、低速运行平稳、易于调试。选用原则：根据负载条件选用电机，即根据负载转矩和负载惯量来选择:随动系统要求伺服电机机电时间短，启动反转频率高。短时工作制要求以较小体积重量输出较大转矩和功率。连续工作制要求电机寿命长。有恒转矩或恒功率要求系统，应考虑电机恒转矩或恒功率。低速系统要考虑电机的低速稳定性。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,4直流伺服电动机的常用计算公式,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,5应用举例火炮跟踪系统原理框图：说明：包括位置和速度两种控制方式，其任务是使火炮转角与由于轮径减速后的指令相等，用角度差控制电机（位置控制），用测速发电机的输出电压经反馈控制电机转速（速度控制）稳定。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,地震磁带记录仪电路示意图原理框图：说明：稳速电路要求电机寿命长、可靠、无火花、不产生无线电干扰，选用无刷直流电动机驱动，用测速发电机的输出电压与标准电压比较实现稳速。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,张力控制系统原理框图：说明：将张力辊位置变化信号通过电位器转化为电信号，此信号经放大后控制伺服电动机，使引力恒定。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,3.4交流伺服电动机交流伺服电动机检测同步型或感应型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控制其主磁通量和转矩。1交流伺服电动机主要特性空载始动电压，机械特性非线性度，调节特性非线性度。交流伺服电动机的矢量控制原理：即设法在交流电动机上模拟直流电动机控制转矩的规律，以使交流电动机具有同样产生及控制电磁转矩的能力。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,2交流伺服电动机控制方式幅值控制：通过改变控制电压大小控制电机特性转矩。控制电压和激磁电压之间的相位角始终保持电位角。相位控制：改变控制电压与励磁电压之间的相位角差，来改变电机转速、转矩。控制电压的幅值不变，但很少单独使用。电容控制：将激磁绕组串联电容，接到稳压电源上，通过改变控制电压幅值，由于励磁回路电流的改变引起励磁绕组电压和电容上电压大小及相位角改变，实现复合控制。幅值相位控制电动机的机械特性线性度较差，但有较大的输出功率，而且不需附加复杂的移相设备就能在单相交流电源上获得控制电压和激磁电压的分相，因此最常用。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,3交流伺服电机特点与选用原则特点：可以实现高扭矩/惯量经，动态响应好，运行平稳。选用原则因素：电源频率和电压波动；放大器内阻抗；不同的控制方式；不同的有效信号系数。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,应用举例钢板厚度测量装置说明：当两电离室的输出电压差，控制伺服电动机转动来移动标准调节牌直到标准调节片与钢板厚度相同时，电动机停转，指示针示出钢板厚度。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,倒数计数装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,机床增量运动控制系统说明：纸带上信息通过读出器送出脉冲信号，与反馈脉冲比较，再经D/A转换来控制电机带动刀架运动，与刀架相连的A/D转换器送回反馈脉冲信号，当输入脉冲信号与反馈脉冲信号差为零时，理论上加工误差为零。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,4.交、直流伺服电动机的比较：机械特性和调节特性直流伺服电动机为线性关系，且在不同电压下，机械特性曲线是线互平行的直线，而两相交流伺服电动机的机械特性和调节特性均呈非线性。体积、重量当输出功率相同时，两相交流伺服电动机比直流伺服电动机体积大重量重，两相交流伺服电动机适用于小功率系统。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,自转现象对于两相交流伺服电动机，若参数选择不适当，或制造工艺有缺陷，都会使电动机在单相状态下产生自转现象，而直流伺服电动机无“自转”现象。电刷和换向器的滑动接触直流电动机有电刷和换向器，因电刷与换向器之间存在滑动接触，电刷的接触电阻不稳定，都会影响电动机的运行稳定性，两相交流伺服电动机结构简单，运行可靠，维护方便，适于不易检修的场合。放大器装置直流伺服电动机通常由直流放大器供电，直流放大器有零点漂移，将影响系统稳定性和精度。而交流控制较稳定。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,3.5步进电动机及其驱动步进电动机是将电脉冲信号变为相应直线或角位移的数字/模拟变换器，输出转矩为励磁电流和失调角函数。步进电动机主要用于数字控制伺服系统的执行元件，输出的位移大小和输入脉冲个数成正比，时间上和脉冲同步，通过改变脉冲频率调节步进电动机的转速。1.步进电动机的分类与工作原理分类：反应型步进运行是由定子绕组通电激磁产生的反应力矩作用实现。结构简单，工作可靠，运行频率高，但转子阻尼小，噪声大，步距角之间。永磁型转动靠与定子绕组所产生的电磁力相互吸引或相斥来实现。控制功率小，效率高、价格高，步距角之间。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,混合型步距角小，工作频率高，无励磁时具有转矩定位特点。但结构复杂，步距角之间。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,工作原理：步进电动机定子由六个均匀分布的磁极，每两个相对磁极组成一相，磁极上绕有励磁绕组。假定转子具有均匀分布的四个齿，当三个磁极的绕组依次通电时，则三对磁极依次产生磁场吸引转子转动。而步距角大小与通电方式和转子齿数有关。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,步进电动机的通电方式：,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,2.步进电动机的运行特性及性能指标（1）步距角:步进电动机每步所转过的角度，步距角的大小和电动机的结构有关（相数和转子齿数），还与激磁方式有关。，K为通电方式系数，当相邻两次通电时的相数一样时，K1否则K=2。将每相轮流循环通电一次所包含的通电状态数目称为“拍数”。所以三相步进电动机运行方式就有三种通电方式：三相单三拍，即A-B-C-D，每次只有一相通电，转子在平衡位置易产生振荡，换相时容易失步，一般不采用；三相双三拍，即AB-BC-CA-AB，比第一种转子力矩大、静态误差小、定位精度高，而且始终至少有一相通电，不会产生失步；三相六拍，A-AB-B-BC-C-CA-A，始终至少有一相通电，运行稳定，不易产生失步。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,（2）步距角精度：（理论与实际步距角之差），主要受电动机制造精度影响。步距误差不会累积。最高连续工作频率（额定状态下逐渐升速，所能达到的不丢步的最高连续工作频度。（3）静态特性：步进电动机在稳定状态的特性，包括静转矩、矩角特性、静态稳定区。步进电动机的静态转矩愈大，自锁力矩越大，静态误差愈小。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,（4）动态特性：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，不引起失步的区域称为动态稳定区。起动转矩（表示步进电动机单相励磁时所能带动的极限负载转矩）、最高连续运行频率及矩频特性、空载起动频率与惯频特性。3.步进电动机驱动与控制步进电动机运行特性与配套使用驱动电源有关，驱动电源系统框图与功能如图示：,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,说明：驱动电路主要由脉冲发生器，环形分配器和功率放大器三部分组成。主要功能是：按一定顺序接通和关断步进电动机的控制绕组，使其按要求启动、运转和停止；供给步进电动机足够的功率、使其带动负载；提高步进电动机的快速性和平稳性。单-电压型：,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,高低电压切换型：,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,带电流检测型：,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,调频调压型：,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,载波恒流型：,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,4.步进电动机的微机控制：,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,5.步进电动机的特点与选用原则特点：不易受干扰，步距角有误差，但不长期积累，控制性能好。选用原则：保证步进电动机的输出扭矩大于负载所需扭矩。计算机械系统的负载惯量和产品所要求的启动频率与步进电动机相匹配，最高连续工作频率满足产品快速移动的要求。步距角和机械系统相匹配，得到所需的脉冲当量。步骤：选择类型选择所需步距角选择最大静转矩确定运行频率求等效转动惯量综合决定,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,例如：线切割机床控制系统原理框图：说明：纸带程序指令经光电输入机、控制器、方向环形分配器及功率放大器分别送入两个方向步进电动机，二者协调运动以切割规定形状工件，变频电路自动调节控制器发出脉冲频率，以控制电机速度，达到间隙不变的目的。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,例如：数控机床的闭环控制说明：输入装置首先沿计数器预置一个值（对应于工作台应达到的一个位置），当计数器内数不为零时，通过门电路控制步进电动机旋转，相应地检测反馈元件发出的反馈脉冲，当反馈脉冲中数等于指令脉冲数时，门电路关闭，工作台停止。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,3.6控制用电动机的选用计算,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,3.7伺服驱动及应用分析3.7.1伺服系统机械部件设计的一般方法伺服系统是指以机械参数（位移、速度、加速度、力和力矩等）作为被控量的一种类型的自动控制系统。1伺服系统的分类按驱动方式分为电气、液压和气动伺服。按控制原理分为：开环、全闭环和和半闭环三种基本控制原理。开环系统：没有检测反馈装置的伺服系统。开环系统通常采用步进电动机作为伺服驱动装置，主要用于精度和速度要求不高的场合，如简易数控机械、机械手、小型工作台、冲床自动送料装置和绕线机的同步运动等。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,半闭环系统(采用脉冲编码器)：测量角位移，并从传动链中间部位取出检测反馈信号的伺服系统。由于这种系统只能补偿反馈回路的系统误差，其定位精度比闭环系统低，一般为0.005-0.01mm，但其结构简单、调试方便，广泛用于各种机电一体化设备，如数控机床和加工中心的伺服进给系统。闭环系统：具有直接测量系统输出反馈装置的伺服系统。闭环系统通常采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为伺服驱动装置，较少采用步进电动机驱动。主要用于精度和速度高的精密、大型的机电一体化设备，如精度要求很高的镗铣床。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,按运动控制方式分类,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,其特点简述如下：位置控制：它是指转角位置或直线移动位置的控制。位置控制按数控原理分为点位控制(PTP)和连续轨迹控制(CP)。点位控制是点到点的定位控制，它既不控制点与点之间的运动轨迹，也不在此过程中进行加工或测量。如数控钻床、冲床、镗床、测量机和点焊工业机器人等。连续轨迹控制又分为直线控制和轮廓控制。直线控制是指工作台相对工具以一定速度沿某个方向的直线运动(单独或双轴联动)，在此过程中要进行加工或测量。如数控镗铣床、大多数加工中心和弧焊工业机器人等。轮廓控制是控制两个或两个以上坐标轴移动的瞬时位置与速度，通过联动形成一个平面或空间的轮廓曲线或曲面。如数控铣床、车床等。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,速度控制和加速度控制：速度控制既可单独使用如输送机、工作台、主轴和卷绕机等这样的机械速度控制，也可与位置控制联合成为双回路控制，但主回路是位置控制，速度控制作为反馈校正，可以改善系统的动态径能，如各种数控机械的双回路伺服系统；加速度控制一般不能单独使用，通常与位置环、速度环联合形成三环控制系统。例如，高速列车的刹车控制系统，利用速度和加速度反馈校正确定列车至停车点的距离(输入)，其被控量是实际停车位置。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,同步控制：同步控制是两轴或两轴以上的速度或位置的同步运动控制。比如平行物料传送带、整列绕线机、大型印刷机的多轴平行传动等，有的除了同时起动、还要求位置同步，其同步精度要求较高。力和力矩控制：塑料薄膜、锡带、布和纸张等卷取机是恒定张力控制；自动组装机的拧紧螺母以及自动钻孔等场合，应采用力矩与位置同步控制。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,2.伺服系统的基本要求伺服系统的基本要求是系统的输出能迅速而精确地响应指令输入的变化，即稳定性、快速性、精度、灵敏度和抗干扰性。稳定性要求系统在其工作范围内是稳定、可靠的;精度要求比较经济地达到给定精度要求;快速性要求系统输出响应指令输入的速度要快;灵敏度要求系统对多数变化的灵敏度要小,即系统性能不因参数变化而受到太大的影响;抗干扰性要求系统应具有良好的抗外部负载干扰和高频噪声的能力等。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,具体可以将伺服系统的技术要求归纳为以下几方面:对系统基础性能的要求,包括系统稳态和动态性能;对系统工作体制、可靠性、使用寿命等方面要求；对系统需适应的工作环境条件：如温度、湿度、抗振动冲击等要求；对系统体积、容量和结构外型、安装特点等方面的限制；对系统制造成本、运行经济性和能源条件等要求。,第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置,3.7.2伺服系统动力学的设计方法伺服系统设计可分为伺服传动系统的动力学方法和控制理论方法。前者是在一般机械设计基础上进行的，其目的是确定伺服电动机的型号以及电动机与机械系统的参数相互匹配，但