机电一体化系统执行元件的选择与设计续

工业用直流伺服电机,直流伺服电机结构特点：大起动力矩转子是光滑无槽铁心，线圈是用绝缘粘合剂贴在铁心表面。小惯量转子减小转子铁心直径，增加铁心长度；也采用空心转子铁心。保证直流伺服电机起停的即时性。改进结构使其具有良好的线性伺服性能。,永磁式同步电机工作原理,交流伺服电机(永磁式同步电机+光电编码器),4.5直线电动机,直线电动机：是一种不需要中间转换装置，而能直接作直线运动的电动机械。,直线电动机种类：直线感应电动机、直线直流电动机、直线步进电动机。,直线电动机传动优点：1）精度高。直线电动机由于不需要中间传动机械，因而使整个机械得到简化，提高了精度，减少了振动和噪声。2）快速响应。用直线电动机驱动时，由于不存在中间传动机构的惯量和阻力矩的影响，因而加速和减速时间短，可实现快速启动和正反向运行。3）可靠性高。仪表用的直线电动机，可以省去电刷和换向器等易损零件，提高可靠性，延长使用寿命。4）装配灵活性大。往往可将电动机和其它机件合成一体。,图4.-9直线感应电机的形成,直线感应电动机可以看作是由普通的旋转感应电动机直接演变而来的。图4-9a表示一台旋转的感应电动机，设想将它沿径向剖开，并将定、转子沿圆周方向展成直线，如图4-9b，这就得到了最简单的平板型直线感应电动机。由定子演变而来的一侧称作初级，由转子演变而来的一侧称作次级。直线电动机的运动方式可以是固定初级，让次级运动，此称为动次级；相反，也可以固定次级而让初级运动，则称为动初级。,4.5.1直线感应电动机,图4-10直线感应电机的工作原理,行波磁场：当初级的多相绕组中通入多相电流后，会产生一个气隙基波磁场，但是这个磁场的磁通密度波B是直线移动的，故称为行波磁场。同步速度：行波的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度是一样的，称为同步速度。切向电磁力：在行波磁场切割下，次级导条将产生感应电势和电流。所有导条的电流和气隙磁场相互作用，便产生切向电磁力。如果初级是固定不动的。那末次级就顺着行波磁场运动的方向作直线运动。滑差率：,a)短初级b)短次级图4-11平板型直线感应电动机,图4-12双边型直线感应电动机,U型直线电机,平板直线电机,图4-13管型直线感应电动机的形成,4.5.2直线直流电动机,直线直流电动机类型：永磁式：功率小、体积小电磁式：功率大、体积大,图4-14永磁式直线直流电动机,a)单极b)两极1电枢绕组2极靴3励磁绕组4电枢铁心5非磁性端板图4-15电磁式直线直流电动机,4.5.3直线步进电动机,直线步进电动机特点：直接驱动、容易控制、定位精确等优点。直线步进电动机种类：反应式、永磁式。,图4-16永磁直线步进电动机工作原理,图4-16永磁直线步进电动机工作原理,4.6直流电机的驱动控制,直流电机的驱动控制包括控制电路、驱动电路和接口电路三个部分。目前，直流电机的驱动多采用开关型PWM驱动控制方式，弱电控制电路和强电驱动电路之间也相应采用开关型光电隔离方式接口连接。,4.6.1开关型功率接口电路,光电隔离技术晶闸管接口继电器输出接口固态继电器接口大功率场效应管开关接口,由于一般计算机控制系统的接口芯片大都采用TTL电平，不能直接驱动发光二极管，所叨通常在它们之间加一级驱动器，如7406和7407等。需要注意，光电耦合器的输入、输出端两个电源必须单独供电，如图4-17所示。否则，如果使用同一电源(或共地的两个电源)，外部干扰信号可能通过电源串到系统申来，如图4-18所示，这样就失去了隔离的意义。,图4-17正确的光电隔离图4-18不正确的光电隔离,1.光电隔离技术,2.晶闸管接口,图4-19控制电路与单向晶闸管接口电路,晶闸管：是一种大功率电器元件，也称可控硅。晶闸管特点：体积小、效率高、寿命长等优点，在计算机自动控制系统中，可作为大功率驱动器件，实现用小功率控件控制大功率设备。,3.继电器输出接口,继电器特点：接触电阻小、流过电流大、耐高压；动作可靠性和反应速度不及晶闸管。继电器种类：电压线圈、电流线圈。,图4-20继电器接口电路,4.固态继电器接口,固态继电器(SolidStateRelay)：简称SSR，是用晶体管或晶闸管代替常规继电器的触点开关，而在前级中与光电隔离器融为一体。固态继电器种类：直流型固态继电器、交流型固态继电器。固态继电器特点：输入控制电流小、输出无触点、体积小、重量轻、无机械噪声、无抖动和回跳、开关速度快、工作可靠。,工业用直流固态继电器,图4-22步进电机驱动接口电路图,5.大功率场效应管开关接口,场效应管特点：输入阻抗高，关断漏电流小、响应速度快，在计算机开关量输出控制中也常作为开关元件使用。,图4-23N型大功率场效应管符号及元件,G：控制栅极，D：漏极，S：源极。当G为高电平时，源极与漏极导通，允许电流通过。否则，场效应管关断。,4.6.2直流电机PWM驱动方式（PULSEWIDTHMODULATE）,1.PWM功率驱动接口工作原理,图4-25PWM功率驱动接口组成框图,图4-26PWM调制电路（电压-脉宽变换器）,(a)(b)(c)图4-27双极性PWM脉宽调制波形,(a)(b)(c)图4-28单极性PWM脉宽调制波形,（a）（b）图4-29功率放大电路,2功率放大电路,功率放大器是PWM功率接口的主电路，分为单极性和双极性两种。,图4-30H桥功率放大电路,4.6.3IR2130S三相驱动控制集成芯片,图4-31PWM直流伺服系统驱动电路原理图,4.7交流伺服电机控制,交流伺服系统优点：1)无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。2)定子绕组散热比较方便。3)惯量小，易于提高系统的快速性。4)适应于高速大力矩工作状态。5)同功率下有较小的体积和重量。,1.位置控制方式指令脉冲（PULS）、指令符号（SIGN）、清除脉冲（CLR）。2.速度控制方式模拟电压信号（-5V+5V）到速度信号输入端就可以控制交流伺服电机的速度。3.扭矩控制方式模拟电压信号（-5V+5V）到扭矩信号输入端就可以控制交流伺服电机的扭矩。,（a）控制信号连接方式（b）控制信号波形图4-32交流伺服驱动器位置控制方式,图4-33交流伺服驱动器速度控制方式,图4-34交流伺服驱动器扭矩控制方式,第1章机电一体化系统设计绪论,4.8电-气比例阀、伺服阀,电-气比例阀和伺服阀种类：压力式比例/伺服阀、流量式比例/伺服阀。压力式比例/伺服阀：将输给的电信号线性地转换为气体压力；流量式比例/伺服阀：将输给的电信号转换为气体流量。,4.8.1滑阀式电气方向比例阀,流量式四通或五通比例控制阀可以控制气动执行元件在两个方向上的运动速度，这类阀也称方向比例阀，,直流比例电磁铁1、阀芯2、阀套3、阀体4、位移传感器5和控制放大器6图4-35方向比例控制阀结构,控制放大器的主要作用是：1)将位移传感器的输出信号进行放大；2)比较指令信号Ue和位移反馈信号Uf，得到两者的差植U；3)将U放大，转换为电流信号I输出。此外，为了改善比例阀的性能，控制放大器含有对反馈信号Uf和电压差U的处理环节。比如状态反馈控制和PID调节等。,4.8.2滑阀式二级方向伺阀,动圈式二级方向伺服阀：主要由动圈式力马达、喷嘴挡板式气动放大器、滑阀式气动放大器、反馈弹簧等组成。喷嘴档板气动放大器做前置级，滑阀式气动放大器做功率级。,图4-36动圈式二级方向伺服阀,4.8.3动圈式压力伺服阀,动圈式力马达1、喷嘴2、挡板3、固定节流口4、阀芯5、阀体6、复位弹簧7、租尼孔8图4-37是一种压力伺服阀,压力伺服阀：将电信号成比例地转换为气体压力输出。,（a）一个周期的脉冲波（b）调制量与平均输出关系图4-39一个周期的脉冲波及调制量与平均输出的关系,4.8.4脉宽调制伺服阀,脉宽调制气动伺服阀：一种数字式伺服控制，采用的控制阀是开关式气动电磁阀，与模拟式伺服阀不同。,图4-38脉宽调制伺服系统方块图,1-电磁铁；2-衔铁；3-阀芯；4-阀体；5-反馈弹簧；6-气缸。图4-40滑阀式脉宽调制伺服阀的结构原理图,该系统可以根据输入的电信号使气缸活塞在任意位置定位。,4.8.5电气比例伺服系统的应用实例（柔性定位伺服气缸、位置伺服控制系统）,（a）系统原理图（b）系统方块图1、2气缸；3位移传感器；4-控制放大器图4-41柔性定位伺服气缸原理图,4.9电-液比例阀、伺服阀,4.9.1电液伺服阀电液伺服阀：由电气机械转换器和液压放大器两部分组成。阀的输入为小功率电流信号，输出为大功率的液压信号。,图4-42电液伺服阀的基本构成,永久磁铁1、导磁体2、衔铁3、控制线圈4和弹簧管5图4-43QDY电液伺服阀,无电流信号输入时，永久磁铁1在a、b、c、d四个气隙中形成的磁通g是相同的，衔铁3由弹簧管5支撑在上、下导磁体2的中间位置，此时挡板9处于两个喷嘴6的中间，控制压力p1P=p2P，滑阀7在反馈杆10小球的约束下也处于中位置。当输入控制电流信号时，控制线圈4便产生相应的控制磁通c，在图2-43所示情况下，气隙b、c中c与g方向相同，而a、d中c与g方向相反，致使b、c中的合成磁通大于a、d中的合成磁通，于是在衔铁上产生一个逆时针方向的磁力矩，使其绕弹簧管中心逆时针偏转，使挡极向右偏移，结果使控制压力p2P大于p1P，推动滑阀左移，同时使反馈杆产生弹性变形，又对衔铁挡板组伴形成一个反向力矩，当作用在衔铁挡板组件上的磁力矩、弹簧管阻力矩、反馈杆反力矩相平衡时，滑阀便停在一个平衡位置上，输出相应流量。在阀的负载压力一定时，输出流量大小决定于输入控制电流大小，输出流量的方向亦由输入控制电流方向决定。由于滑阀的位置是通过反馈杆的变形力反馈到衔铁上使诸力平衡所决定的，所以也称为力反馈式电液伺服阀。又因为采用两级液压放大，故又称为力反馈两级电液伺服阀。8是固定节流孔。,3-导磁体，4-控制线圈，5-衔铁，6-弹簧管，7-挡板，8-喷嘴，9-反馈杆，10-阀芯，11-固定节流孔，12-盖，13-滤油器。图4-44工业伺服阀,图4-45带电反馈的电液伺服阀,功率级滑阀阀芯4位置由位移传感器8检测，由集成电路5向传感器提供激磁电压。并调制其输出电压后反馈到放大器7的输入端形成位置闭环。工作原理是当输入控制电信号经大后输入力矩马达，力矩马达带动挡板9，改变其与两喷嘴2司的距离使主阀芯两端形成压力差，主阀芯移动时带动位移传感器，使传感器把阀芯的实际位移反馈到放大器与期望位移值的信号相比较，两信号相等时，阀芯便停止移动，因此阀芯的位移与输入控制电信号成比例关系。,4.9.2电液比例阀,电液比例阀是在传统液压阀基础上采用螺管式比例电磁铁进行控制调节的液压阀。有比例压力阀、比例流量阀及比例方向阀，这种阀的动态性能虽比不上电液伺服阀，但却具有抗污染能力强、可靠、节能、价廉等优点，因此发展得很快，并得到了广泛的应用。,1.比例压刀阀此例压力阀包括比例溢流阀窍比例减压阀，结构上有直接控制式和先导式。2.比例流量阀电磁比例调速阀的结构原理。,图4-46电液比例溢流阀结构原理,当比例电磁铁5输入电流控制信号I时，就产生一相应电磁力FD，通过推杆4与弹簧6作用于锥阀3上，此时阀所控制的系统压力PS与控制电流I的关系为是中华Fs为先导阀调节弹簧的弹簧力；KI、KP为比例常数，且A为锥阀在阀座上的