执行元件的选择与设计blkPPT课件

第三章执行机构的选择和设计，第一节执行机构的类型、特点和基本要求，第二节通用控制电机，第三节直流(DC)和交流(交流)伺服电机和驱动，第四节步进电机和驱动，机电一体化系统设计，功能：执行机构主要用于根据控制信息和指令，将各种能源如电、液压和气压的能量转换成旋转运动和直线运动等机械能，并完成需要动作的能量转换装置。参见下图了解其在机电系统中的位置：第1节执行器的类型、特性和基本要求。首先，根据使用的能量不同，执行器的类型和特性可分为电动、液压和气动三种类型。(1)电(磁)式：电能转化为电磁力，驱动操作机构运动。电动执行机构因其容易获得能量和使用方便而被广泛使用。(2)液压型：首先，电能转化为液压能，通过电磁阀改变压力油的压力和流向，使液压执行机构带动操作机构运动，包括液压缸、液压马达等。它具有体积小、输出功率大的特点。(3)气动式：原理与液压式相同，只是介质由油变为气，包括气缸和气动马达。它的特点是重量轻，价格低。(4)其他执行元件：与所用材料相关，如双金属、形状记忆合金或压电元件。图3.1致动器的分类，表3.1致动器的特性、优点和缺点，二。致动器的基本要求，以及代表致动器惯性的低惯性和高功率的性能指标：线性运动质量M；旋转运动转动惯量j .表示输出功率的性能指标：推力f、扭矩t和功率p .功率大小的另一个综合指标是比功率，它包括三个因素：功率p、加速度性能和转速:比功率也可以理解为功率的时间变化率：2 .小尺寸和轻重量通常使用致动器每单位重量的输出功率或比功率来评估该指标，即功率密度或比功率密度。如果致动器的重量为g，功率密度为p/g。比功率密度：(t2/j)/g. 3。最好是便于维护和安装无需维护的致动器，如无刷DC和交流伺服电机。4.它适用于微机控制。根据这一要求，用微机控制电动执行器是最方便的。因此，机电系统中使用的执行器的主流是电气的。第二节常用的控制电机，控制电机有转矩电机、脉冲(步进)电机、变频调速电机、开关磁阻电机和各种交流/DC电机等。控制电机是电动伺服控制系统的动力部件，是将电能转换为机械能的能量转换装置。它可以连续精确地控制各种速度和负载。电气控制的基本控制形式：对于不同的目标运动，电机及其控制方式是不同的。步进电机的开环模式、其他电机的半闭环模式和全闭环模式是控制电机的基本控制模式。闭环模式的伺服控制精度高于开环模式。伺服电机控制的基本形式，伺服伺服系统：该系统由几个设备组成，可以连续监控实际信息(位置、速度、加速度等)。)的系统中，将信息与理想的给定信号进行比较，然后进行适当的必要调整以最小化差异。伺服马达：伺服系统中用作致动器的马达。它需要方便的速度调节。(1)机电一体化系统对控制电机的基本要求是高性能密度，即高功率密度和比功率；快速性好，加减速力矩大，频率特性好；位置控制精度高，调速范围宽，低速稳定运行，分辨率高；适应频繁的启停工作要求；可靠性高，使用寿命长。第二，控制电机的类型和特点以及不同应用场合对控制电机性能密度的要求不同：启动和停止频率低：要求在整个调速范围内运动平稳的机械，要求的主要性能指标是功率密度；高起停频率：对低速、稳定产品没有特殊要求，要求的主要性能指标是高比功率。表3.3伺服电机的特性和应用示例，表3.4伺服电机的性能比较，表3.5伺服电机的优缺点比较，第3节DC和交流伺服电机及其驱动，1。DC伺服电机及其驱动1。DC伺服电机的特点和DC电机的选择具有良好的起动和制动性能，适用于大范围的平滑调速，广泛应用于许多需要调速和快进快退电驱动的领域。由于DC传动控制系统在理论和实践上都比较成熟，从控制的角度来看，它也是交流传动控制系统的基础。因此，为了使教学顺序由浅入深，首先要掌握好DC驱动控制系统。工作原理：DC伺服电机的结构原理如下图所示。它由永磁定子、线圈转子(电枢)、电刷和换向器组成。当磁场中的线圈通电时，会产生电磁力驱动转子转动。为了获得连续的旋转运动，电流方向必须随着转子的旋转角度而连续变化。因此，必须有电刷和换向器。DC伺服电机的特点：响应速度快、精度高、频率高、控制特性优良等优点；由于使用电刷和换向器，使用寿命相对较低，需要定期维护。在位置控制和速度控制中，必须使用角度传感器来实现闭环控制。DC伺服电机类型：(1)小惯量DC伺服电机：20世纪60年代开发，电枢无槽，绕组直接粘接固定在电枢铁芯上，转动惯量小，响应灵敏，动态特性好。适用于负载惯性小的高速场合。否则，必须根据其特定的惯性比设置精确的齿轮副，以匹配负载惯性，从而增加成本。(2) DC印刷电枢电机：它是一种盘形伺服电机，电枢由导电板切割而成，裸导体的线圈端作为换向器。这种中空高性能伺服电机主要用于工业机器人、小型数控机床和线切割机床。(3)大惯性宽速度DC伺服电机：20世纪70年代研制成功。它在结构上采取了一些措施，以尽可能地改善转矩和动态特性。它不仅具有通用DC汽车的优点，而且具有小惯性DC汽车的快速响应性能。它易于匹配大惯性负载，能更好地满足伺服驱动的要求。因此，它已广泛应用于数控机床和工业机器人等机电一体化产品中。宽速度DC伺服电机广泛应用于机电闭环伺服系统。其主要特点是：调速范围宽，低速运行稳定；负载特性硬，过载能力强，在一定速度范围内可以实现恒转矩输出，反应速度快，动态响应特性好。当然，宽速度DC伺服电机体积庞大，电刷容易磨损，使用寿命有限。通用DC伺服电机配有特殊驱动器。伺服电机和驱动器，宽速度DC伺服电机应根据负载条件选择。有两种载荷施加到电机轴上，即载荷扭矩和载荷惯性。根据负载情况，电机必须满足以下条件：在整个调速范围内，其负载转矩应在电机的连续额定转矩范围内；(2)工作量和超载时间应在规定范围内；(3)加速度应与期望的时间常数一致。等效惯性负载与电机转子惯性相匹配。如果负载惯性达到转子惯性的三倍，灵敏度将受到影响。当负载惯量比转子惯量大三倍时，响应时间将大大缩短。然而，当惯性大大超过时，伺服放大器不能在正常范围内调节DC伺服电机和驱动DC伺服电机为DC供电。为了调节电机的速度和方向，需要控制其DC电压的大小和方向。目前，通常使用晶闸管DC速度控制驱动和晶体管脉宽速度控制驱动。(1)晶闸管直流驱动方式主要是通过调节由触发装置控制的晶闸管触发延迟角(控制电压的大小)来移动触发脉冲的相位，从而改变整流电压的大小，使直流电机电枢电压的变化易于平滑调速。螺栓型、平板型、阳极K型、阴极G型栅极，由于晶闸管自身的工作原理和电源的特点，导通后是由交流(50Hz)过零关闭的，因此，在低整流电压下其输出是一个非常小的峰值的平均值，导致电流不连续。晶闸管DC调速系统在20世纪60年代和70年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统。(2)晶体管脉宽调制(脉宽调制)驱动模式的原理：当DC控制电压输入到电枢绕组时，通过控制开关周期T中的占空比向伺服电机的电枢电路供电，可以获得与其成比例的平均电压Ua。一个周期的平均电压为：s，只要(0T)连续变化，就可以得到0U的连续平均电压，从而达到连续改变电机转速的目的。在实际的脉宽调制系统中，使用大功率晶体管代替开关K，开关频率通常为2000赫兹。功率放大器的晶体管工作在开关状态，开关周期T(或频率)保持恒定，通过调节晶体管在开关周期内的导通时间来改变输出，从而在电机两端获得宽度随时间变化的电压脉冲，改变电枢电压的平均值，达到调节电机转速的目的。脉宽调制系统的优点是：(1)主电路简单，所需功率器件少；(2)开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热小；(3)低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，达到1:1000左右；(4)如果配有快速响应电机，系统具有宽频带、快速动态响应和较强的动态抗干扰能力；(5)功率开关器件工作在导通损耗小的开关状态，当开关频率合适时，开关损耗也小，器件效率高；由于功率晶体管比晶闸管具有更好的特性，而且目前功率晶体管的功率和耐压都得到了很大的提高，所以晶体管脉宽调制(PWM)驱动系统已经广泛应用于中小功率DC伺服驱动系统中。为了实现电机的双向调速，主要采用下图所示的桥式电路，其工作原理与线性桥式电路相似。该桥由四个大功率晶体管VT1到VT4组成。如果正脉冲施加到VT1和VT3的基极，负脉冲施加到VT2和VT4的基极，VT1和VT3导通，VT2和VT4关断，电流沿着90VcVT1dMbVT3a0V的路径流动。此时让电机向前转动。相反，如果负脉冲施加到晶体管VT1和VT3的基极，正脉冲施加到VT2和VT4的基极，VT2和VT4导通，VT1和VT3关断，电流沿着90VcVT2bMdVT4a0V的路径流动，并且电流的方向与前一种情况相反，并且电机以相反的方向旋转。显然，如果施加到两组管VT1和VT3、VT2和VT4的基底上的控制脉冲的正、负和传导速率改变，则马达的转向和旋转速度也可以改变。一、直流(DC)伺服电机及其驱动二、交流(交流)伺服电机及其驱动，因为DC伺服电机具有优异的调速性能，所以长期以来，在要求高调速性能的场合，DC电机调速系统一直占据主导地位。然而，DC伺服电机存在机械换向器、电刷维护困难、成本高、使用寿命短、应用环境受限等缺点。近年来，交流传动技术得到了发展(1)常用的交流伺服电机有永磁同步和电磁感应伺服电机。永磁同步电机因其优良的动态性能和较大的过载能力而被广泛应用于低功率伺服系统。感应交流伺服电机结构简单、重量轻、价格低，可用作主轴电机。(2)基本工作原理是检测交流伺服电机(SM /IM型)气隙磁场的大小和方向，用电力电子变换器代替换向器和电刷，最后通过控制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交流伺服电机主磁通的大小和转矩。永磁磁场同步电机不需要磁化电流控制，只需要检测磁转子的位置。这种交流伺服电机也称为无刷DC伺服电机(如SM型伺服电机)。因为它不需要磁化电流控制，所以比即时通讯伺服电机更容易控制。3.3步进电机和驱动3.3.1步进电机的特点、类型、工作原理，(1)步进电机的特点，(1)控制精度由步进角度(=360/zKN)决定。(2)抗干扰能力强，在电机的电气特性工作范围内，不存在失步或无法工作等现象。(3)虽然电机旋转的每一步都有一定的角度误差，但当电机旋转360时，累计角度误差为零。控制性能好，不易出现“失步”现象(频繁启动、停止和变换)。易于实现与计算机的对接。(2)步进电机的类型，类型根据转子组成分类：可变磁阻(VR)步进电机转子是一个磁化器，也称为反应式步进电机。永磁步进电机的转子是永磁体。混合式步进电机的转子是磁化器和永磁体的组合。根据定子绕组对数分类，分为2相、3相、4相、5相和10相步进电机。根据定子绕组通电的极性，分为单极性和双极性(每个绕组可以双向通电)步进电机。(3)步进电机的工作原理，当第一个脉冲被引入a相时，磁通试图以最小的磁阻沿着路径闭合。在该磁场力的作用下，转子的1，3个齿必须与a相对齐。当下一个脉冲进入b相时，磁通量也将根据具有最小磁阻的路径而闭合，即2和4个齿将与b相对齐，然后转子将沿逆时针方向旋转一定角度：步进角度：步进电机通电状态(一拍)每次改变后转子旋转的角度称为步进角度。步距角计算公式：其中：n为步进电机的相数；K为上电状态系数，相邻两次上电的相位数相同，K=1，不同的K=2；z是步进电机转子的齿数。步进电机有三种控制模式：(1)三相单三拍工作模式，A-B-C-A，k=1；(2)三相六拍工作模式，A-AB-B-BC-C-CA-A，k=2；(3)三相双三拍工作模式，AB-BC-CA-AB，K=1。3.3.2步进电机的运行特性和性能指标，(1)分辨率主要指步进角度=360/zKN。例如：0.6/1.2，0.75/1.5，0.9/1.8，(2)静态特性主要是指步进电机在稳态工况下的特性，包括静态转矩、矩角特性、静态稳定区域等。偏移角和静转矩：当电机转子上的电磁转矩(Tj)等于负载转矩(TL)时，转子齿的中心线和定子齿的中心线将错过一个电角度(e=pj，p极对，j-机械角度)来稳定。该扭矩是静态扭矩(Tj)，该角度是偏转角(e)。图3.15偏转角、矩角特性示意图：静态特性(电磁转矩Tj)和偏转角(e)之间的关系大致为正弦曲线，称为矩角特性曲线。图3.16扭矩-角度特性曲线，最大静态扭矩Tjmax:偏移角度=90时的电磁扭矩。静态扭矩越大，越大动态稳定区：指步进电机从一种稳定状态切换到另一种稳定状态而不失步的区域。图3.17力矩-角度特性曲线族A)，A，B，C，O，M，稳定裕度角：从稳定区的边界点M到初始稳定平衡点O的角度r，图3.17力矩-角度特性曲线族A)，A，B，C，O，M，A，AB，C，O，M，步进电机工作节拍越多，稳定裕度角越大，动态稳定工