機電一體化系統(tǒng)執(zhí)行元件.ppt

1、1,第三章 機電一體化系統(tǒng)執(zhí)行元件的選擇與設計,第一節(jié) 執(zhí)行元件 一、執(zhí)行元件在機電一體化系統(tǒng)中的作用： 是機電一體化系統(tǒng)必不可少的驅動元件 是處于機電一體化系統(tǒng)的機械運行機構與微電子控制部件的聯接部位的能量轉換元件，能在微電子裝置的控制下，將輸入的各種形式的能量轉換為機械能 二、執(zhí)行元件的種類及特點 1.種類：見No.2Powerpoint 2. 特點：見No.3Powerpoint,2,3,3. 電氣式 將電能變成電磁力，并用該電磁力驅動運行機構運動 對控制用電動機的性能除了要求穩(wěn)速運轉性能外，還要求具有良好的加速、減速性能和伺服性能等動態(tài)性能以及頻繁使用時的適應性和便于維修性能 控制用電

2、動機驅動系統(tǒng)一般由電源供電，經電力變換器變換后輸送給電動機，使電動機作回轉（直線）運動，驅動負載機械運動，并在指令器給定的指令位置定位停止。 4. 液壓式 先將電能變換成液壓能并用電磁閥改變壓力油的流向，從而時液壓執(zhí)行元件驅動運行機構運動。 5. 氣壓式 氣壓式執(zhí)行元件除了用壓縮空氣作工作介質外，與液壓式執(zhí)行元件無什么區(qū)別 代表性的氣壓執(zhí)行元件有氣缸、氣壓馬達等,4,執(zhí)行元件的特點及優(yōu)缺點,5,三、機電一體化系統(tǒng)對執(zhí)行元件的要求 1.慣量小、動力大 慣量：質量m，轉動慣量J 動力：推力F，轉矩T，功率P 比功率（表征動力大小的綜合性能指標，包含了功率、加速性能與轉速三種因素）： 2. 體積小、

3、重量輕：用功率密度( = P/G；G為執(zhí)行元件的重量) 或比功率密度( = )來評價 3. 便于維修、安裝：執(zhí)行元件最好不需要維修。無刷DC 及AC就是走向無維修的一例 4. 易于微機控制：電氣式執(zhí)行元件最易于用微機控制；因此機電一體化系統(tǒng)所用執(zhí)行元件主流是電氣式，其次是液壓式和氣壓式,6,第二節(jié) 機電一體化系統(tǒng)常用的控制電動機,一、概述 控制用電動機是電氣伺服控制系統(tǒng)的動力部件，是將電能轉換為機械能的一種能量轉換裝置。 它能在很寬的速度和負載范圍內進行連續(xù)、精確地控制，因而在各種機電一體化系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。 基本控制方式：目標運動不同，電動機及其控制方式也不同；步進電動機的開環(huán)方式；D

4、C或AC伺服電動機的半閉環(huán)方式和全閉環(huán)方式 1)開環(huán)方式：沒有反饋，結構簡單，穩(wěn)定可靠，精度差，在一般的伺服驅動及數字控制中有大量應用。 2)（半）閉環(huán)方式：用于精度、速度要求較高的場合。直流伺服電動機特性范圍寬，易控制，成本低，是目前機電一體化設備中應用最為廣泛的執(zhí)行元件。交流伺服電動機則以其特殊環(huán)境應用及不需維修為特征，已越來越具有競爭性。,7,8,二、機電一體化系統(tǒng)對控制用電動機的基本要求 性能密度大（功率密度、比功率大） 功率密度：PG=P/G (W/N) 對于起停頻率低（如幾十次/分）、但要求低速平穩(wěn)和扭矩脈動小，高速運行時振動、噪聲小，在整個調速范圍內均可穩(wěn)定運動的機械（如NC工作

5、機械的進給運動、機器人的驅動系統(tǒng)）是主要性能指標。 比功率： 式中，TN：電動機的額定轉矩(Nm)；Jm：電動機轉子的轉動慣量(kgm2) 對于起停頻率高（如幾百次/分）、但不特別要求低速平穩(wěn)性的機械設備(高速打印機、繪圖機)，是主要性能指標。 無刷伺服電動機步進電動機直流伺服電動機交流伺服電動機 2. 快速性好，即加減速扭矩大，頻率特性好； 3. 位置控制精度高，調速范圍寬(速比110000)，低速運行平穩(wěn)無爬行現象，分辨率高；振動噪聲小 4適應起、停頻繁的工作要求； 5可靠性高，壽命長。,9,三、控制用電動機的種類、特點及選用,10,第三節(jié) 步進電動機及其驅動,一、定義和特性 將電脈沖信號

6、轉換為機械角位移的執(zhí)行元件； 每當電動機繞組接受一個電脈沖，轉子就轉過一個相應的步距角； 轉子角位移的大小及轉速分別與輸入的電脈沖數及頻率成正比，并在時間上與輸入脈沖同步； 只要控制輸入電脈沖的數量、頻率以及電脈沖繞組的通電順序，電動機就可獲得所需的轉角、轉速及轉向，很容易用微機實現數字控制。 二、特點 工作狀態(tài)不易受各種干擾因素（如電源電壓的波動，電流的大小與波形的變化、溫度等）的影響，只要在它們的大小未引起步進電動機產生“丟步”現象之前，就不影響其正常工作。 步進電動機的步距角有誤差，轉子轉過一定步數后也會出現累積誤差；但轉子轉過一轉后，其累積誤差變?yōu)椤傲恪保虼瞬粫L期積累。 控制性能好

7、，在起動、停止、反轉時不易“丟步” 廣泛應用于開環(huán)控制的機電一體化系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡化，并可靠地獲得較高的位置精度,11,三、種類及特點 可變磁阻型(VR)或者反應式：P.91圖3.3 由定子繞組通電激磁產生的反應電磁力力矩吸引用軟磁鋼制成的齒形轉子作步進驅動； 轉子朝定子與轉子之間磁阻最小方向轉動。 轉子結構簡單、直徑??；工作可靠；運行頻率高，有利于高速響應；步距角小(0.099) 定子與轉子均不含永久磁鐵，故無勵磁時沒有保持力。 制造成本高(氣隙要做得盡可能小)、效率低、轉子的阻尼差、噪聲大 2.永磁型(PM)：P.91圖3.4 轉子用永久磁鐵、定子用軟磁鋼制成 定子上繞組通電建立的磁場與永久

8、磁鐵的恒定磁場相互吸引與排斥產生轉矩 無勵磁時也具有保持力，具有記憶能力，可用作定位驅動。 勵磁功率小、效率高、造價便宜。 轉子磁鐵的磁化間距受到限制，步距角大(7.518)；轉矩大，轉子慣量也較大,12,3. 混合型(HB)或永磁反應式：P.91圖3.5 1) 定子和VR型相似，磁極上有控制繞組，極靴表面切有小齒；轉子由永久磁鐵和鐵芯構成，同樣切有小齒。 2) 綜合VR型和PM型的優(yōu)點：步距角小(0. 93.6)，工作頻率高；控制功率小，無勵磁時具有轉矩定位。 3) 結構復雜，成本高。 四、工作原理 P.91圖3.6 1.勵磁相數：每兩個相對磁極組成一相 三相、四相、五相、六相、八相 2.工

9、作原理：A相勵磁繞組通以電脈沖時定子A相磁極產生磁通對轉子產生磁拉力轉子的1，3兩個齒轉動一定的角度（步距角）與A相磁極對齊 B相勵磁繞組通以電脈沖時定子B相磁極產生磁通對轉子產生磁拉力轉子的2，4兩個齒轉動一定的角度（步距角）與B相磁極對齊 3. 通電方式：決定電動機獲得的步距角 1)單拍通電方式（三相單三拍通電方式）： ABCA：轉子沿逆時針方向一步步地轉動 ACBA：轉子沿順時針方向一步步地轉動 一個繞組斷電而另一繞組剛開始通電，高速時易失步；單一繞組吸引轉子，在平衡位置易振蕩。很少采用。,13,2)雙拍通電方式（三相雙三拍通電方式）：ABBCCAAB 每拍都有兩相同時通電，在狀態(tài)變換時

10、總有一相持續(xù)通電，運轉平穩(wěn)，輸出轉矩大，發(fā)熱大。步距角單拍通電方式 3)單雙拍通電方式（三相六拍通電方式）：AABBBCCCAA P.92圖3.7 每拍總有一相持續(xù)通電，運轉平穩(wěn)，步距為前面兩種的一半，采用最多。 4. 步距角()： 1)每輸入一個電脈沖信號，轉子所轉過的角度稱為步距角。其值越小，意味著它所能達到的位置精度越高。 2) 通常的步距角是1.5或0.75。因此電動機的結構：轉子做成多齒式，定子磁極上也制成小齒；它們的大小一樣，齒寬和齒距相等 3) 步距角的大小與通電方式和轉子的齒數有關 =360/(zm)= 360/(zKN) z:轉子齒數；m:運行拍數，通常等于相數或相數的整數倍

11、，即m=KN(N為電動機的相數，單拍時K=1; 單雙拍時K=2;),14,五、運行特性及性能指標 1.分辨率S：S=360/s；步距角s越小，分辨率越高。 2.靜態(tài)特性：步進電動機在穩(wěn)定狀態(tài)時的特性，包括靜轉矩、矩角特性及靜態(tài)穩(wěn)定區(qū) 1) 矩角特性：電磁轉矩Tj和失調角e之間的關系曲線稱為矩角特性。大致為一條正弦曲線 2)最大靜轉矩：e=/2時的靜態(tài)轉矩為最大靜轉矩Tjmax在產品說明書中標示 靜態(tài)轉矩越大，自鎖力矩越大，靜態(tài)誤差越?。?3)靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)：- e 的區(qū)域。在靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)內，若去掉負載轉矩TL，轉子仍能回到初始穩(wěn)定平衡位置,15,3.動態(tài)特性：直接影響系統(tǒng)的快速響應及工作的可靠性。與

12、電動機本身的特性、負載特性、驅動方式等有關。 1)動態(tài)穩(wěn)定區(qū)：由矩角特性曲線族可知，步進電動機從A相通電狀態(tài)切換到B相(AB相)通電狀態(tài)時，不致引起丟步，該區(qū)域稱為動態(tài)穩(wěn)定區(qū)。 拍數越多，動態(tài)穩(wěn)定區(qū)就越接近于靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)，裕量角r也就越大，在運行中越不易丟步 2) 起動轉矩Tq：A相與B相矩角特性曲線之交點所對應的轉矩；它表示步進電動機單相勵磁時所能帶動的極限負載轉矩；通常與步進電動機的相數和通電方式有關。,16,3)矩頻特性曲線：步進電動機在連續(xù)運行狀態(tài)下，電磁轉矩隨控制頻率的升高而逐步下降。這種電磁轉矩與控制頻率之間的變化關系稱為矩頻特性。 4) 空載起動頻率（空載突跳頻率，fq）：在空載狀

13、態(tài)下，轉子從靜止狀態(tài)能夠不失步地起動時的最大控制頻率。反映電動機跟蹤的快速性。負載慣量增加 fq 5) 最高連續(xù)運行頻率fmax： 步進電動機在額定狀態(tài)下不丟步地連續(xù)運行時所能接受的最高控制頻率。 fmax fq 六、步進電動機的驅動 1. 步進電動機的運行特性與配套使用的驅動電源有密切關系。 2.驅動電源由脈沖分配器和功率放大器等組成 P.99圖3.11 3.脈沖分配器：步進電動機的各相繞組必須按一定的順序通電才能正常工作。脈沖分配器就是使電動機繞組的通電順序按一定規(guī)律變化。,17,實現分配的方法： 1）軟環(huán)分：通過正向讀取和反向讀取分配狀態(tài)表(P.99表3.10) 可控制電動機進行正反轉；

14、通過控制讀取一次數據的時間間隔可控制電動機的轉速 特點：充分利用計算機軟件資源以降低硬件成本；占用計算機運行時間；影響步進電動機的運行速度 2）采用小規(guī)模集成電路搭接而成：P.99圖3.12 靈活性大，可搭接任意相任意通電順序的分配器；在工作時不占用計算機的工作時間。 3）采用專用脈沖分配器器件：P.100圖3.13 可以實現各種分配；使用方便，接口簡單 4功率放大器：由脈沖分配器輸出的信號脈沖電流一般只有幾個毫安，不能直接驅動步進電動機；必須采用功率放大器將脈沖電流進行放大，使其增大到幾至十幾安培，從而驅動步進電動機運轉,18,19,七、步進電動機的控制 1.工作過程的控制：一般由控制器控制

15、；控制器按照設計者的要求完成一定的控制過程，使功率放大電路按照要求的規(guī)律驅動步進電動機運行 串行控制：P.107圖3.25 具有串行控制功能的單片機系統(tǒng)與步進電動機驅動電源之間，具有較少的連線將信號送入步進電動機驅動電源的脈沖分配器；驅動電源中必須含有脈沖分配器 并行控制：P.107圖3.26 用微型計算機系統(tǒng)的數個端口直接去控制步進電動機各相驅動電路的方法 2速度控制：就是控制系統(tǒng)發(fā)出步進脈沖的頻率或換相的周期 軟件延時：通過調用延時子程序的方法來實現；占用CPU時間 用定時器：通過設置定時時間常數的方法來實現。,20,3.加減速控制：在點位控制過程中，運行速度都需要有一個加速 恒速減速低恒

16、速停止的過程。系統(tǒng)在工作過程中要求加減速過程時間盡量短，而恒速時間盡量長。 1）軟件編程：十分靈活，技巧也多 2）A/D集成電路：較復雜且不靈活 4步進電動機的控制 1）開環(huán)控制：其輸入的脈沖不依賴于轉子的位置，而是事先按一定的規(guī)律給定的。其缺點是電動機的輸出轉矩、加速度在很大程度上取決于驅動電源和控制方式。對于不同的電動機或者同一種電動機而不同的負載，很難找到通用的加減速規(guī)律，因此使提高電動機的性能指標受到限制。步進電動機的輸出轉矩是勵磁電流和失調角的函數，為了獲得較高的輸出轉矩，必須考慮電流的變化和失調角的大小，這對于開環(huán)控制來說是很難實現的。 2）（半）閉環(huán)控制：直接和間接檢測轉子的位置

17、和速度，然后通過反饋及適當的處理，自動給出驅動的脈沖串。不僅可以獲得更加精確的位置控制和高得多、平穩(wěn)得多的轉速，而且可以在步進電動機得許多其他領域獲得更大的通用型。,21,八、步進電動機的選用： 1. 步進電動機的輸出扭矩負載扭矩；最大靜態(tài)轉矩Tjmax大，負載轉矩也大。 2. 負載慣量、起動頻率和電動機相匹配并有一定余量 3. 步進電動機最高連續(xù)工作頻率滿足產品快速移動要求 4. 步進電動機的步距角和機械系統(tǒng)相匹配，以得到所需的脈沖當量 九、步進電動機驅動的開環(huán)系統(tǒng)及其參數 開環(huán)系統(tǒng)：沒有反饋檢測裝置的伺服系統(tǒng)；無反饋系統(tǒng)。 伺服驅動裝置：步進電動機 用途：精度和速度要求不高的場合（機械手、

18、小型操作臺等） 系統(tǒng)工作原理：,22,23,24,選擇、設計： (1)脈沖當量應等于或小于系統(tǒng)的定位精度 (2)最大移動速度（或轉速）受到步進電動機的最高運行頻率fmax的限制. (3)步進電動機的型號應根據負載轉矩，慣性負載，電動機的特性曲線通過計算來選擇。 十、實例 1.已知直線工作臺的定位精度=0.02mm，最大速度Vmax=4500mm/min，tsp=6mm，試選三相步進電動機單雙拍運行，步距角s=0.75，s=480p/r，當i=1時，脈沖當量0.0125mm；當i=1.25時，脈沖當量0.01mm；電動機所需的最高運行頻率分別為fmax=6000p/s或7500p/s，電動機達到的最大轉速nmax=750r/min或937.5r/min。 2. 已知旋轉工作臺系統(tǒng)的定位精度=0.01，最大速度nrmax=10r/min，試選三相步進電動機單雙拍運行，步距角s=0.75及r=0.01/p時，傳動比i1i275；此時，再分配傳動比，如i1=1，i2=75；電動機所需的最高運行頻率分別為fmax=6000p/s，電動