機(jī)電一體化技術(shù)(六)

1、袁中凡 主 編李彬彬 陳 爽 副主編冼 進(jìn) 審郵箱：china_機(jī)電一體化技術(shù)機(jī)電一體化技術(shù) 開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束第六章第六章 機(jī)電一體化系統(tǒng)的執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)技術(shù)機(jī)電一體化系統(tǒng)的執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)技術(shù)知識(shí)點(diǎn)：知識(shí)點(diǎn)： 機(jī)電一體化系統(tǒng)執(zhí)行元件的特點(diǎn)及類型 步進(jìn)電機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法 直流伺服電機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法 交流伺服電機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法 機(jī)電一體化系統(tǒng)常用控制電機(jī)性能的比較 液壓執(zhí)行元件的特性及選擇方法 開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束本章導(dǎo)讀本章導(dǎo)讀 執(zhí)行元件接受控制器的指令，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)某種特定的功能。根據(jù)使用能量的不同，可將執(zhí)行元件分為電氣式、液壓

2、式和氣壓式等幾種類型。本章就各種常用的執(zhí)行元件的構(gòu)成和伺服驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)進(jìn)行了概述。開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束6.1基本概念 6.1.1執(zhí)行元件的特點(diǎn)及類型 開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束6.1.2機(jī)電控制系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行元件的要求機(jī)電控制系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行元件的要求 一般來說，工作機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)要對(duì)外界做功，因此必須實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)和傳遞必要的動(dòng)力。通常對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)提出如下基本要求：（1）能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)所需的運(yùn)動(dòng)。（2）傳遞必要的動(dòng)力。（3）保證系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束機(jī)電一體化系統(tǒng)的執(zhí)行元件應(yīng)滿足以下幾項(xiàng)性能要求：（1）慣量小、動(dòng)力大；（2）體積小、重量

3、輕；（3）快速性好，加減速扭矩大，頻率特性好；（4）位置控制精度高開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束6.2步進(jìn)電機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法步進(jìn)電機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法步進(jìn)電機(jī)是一種把開關(guān)激勵(lì)的變化變換成精確的轉(zhuǎn)子位置增量運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步距角）。步進(jìn)電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩大、慣性小、響應(yīng)頻率高等優(yōu)點(diǎn),因此具有瞬間起動(dòng)與急速停止的優(yōu)越特性。 開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束圖6-2 磁阻式步進(jìn)電機(jī) 開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束圖6-3 永磁式步進(jìn)電機(jī)開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)

4、束6.2.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理及特性步進(jìn)電機(jī)的工作原理及特性圖6-4 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 圖6-5 三相六拍反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理圖開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束6.2.2步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方法步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方法步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性與配套使用的驅(qū)動(dòng)電源有密切關(guān)系。驅(qū)動(dòng)電源由脈沖分配器、功率放大器組成。開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束圖6-8 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)組成框圖圖6-9 點(diǎn)位控制的加減速過程 開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束6.3直流伺服電機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法直流伺服電機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了由液壓到電氣的過程。電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)所驅(qū)動(dòng)的電機(jī)類型分為直流（DC

5、）伺服系統(tǒng)和交流（AC）伺服系統(tǒng)。20世紀(jì)50年代，無刷電機(jī)和直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化，并在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和機(jī)械設(shè)備上獲得了廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)70年代則是直流伺服電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛的時(shí)代。 開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束6.3.1直流伺服電機(jī)的分類與特性直流伺服電機(jī)的分類與特性直流伺服電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理與一般直流電動(dòng)機(jī)相類似。 圖6-10 直流電動(dòng)機(jī)原理開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束（a）寬調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu) （b）帶制動(dòng)器的直流伺服電動(dòng)機(jī)圖6-11直流伺服電動(dòng)機(jī)開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束（a）機(jī)械特性（b）電樞控制時(shí)的調(diào)速特性圖 6-13直流伺服電動(dòng)機(jī)特性開始

6、開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束6.3.2直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方法直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方法直流伺服電動(dòng)機(jī)為了直流供電和調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與方向，需要將其直流電壓的大小和方向進(jìn)行控制。目前常用晶體管脈寬調(diào)速驅(qū)動(dòng)和晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動(dòng)兩種方式。 脈沖寬度調(diào)制（Pulse-Width Modulator PWM）電路脈沖調(diào)寬式功率放大器得到愈來愈廣泛的應(yīng)用。 開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束圖6-15 PWM系統(tǒng)的主回路電氣原理開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束6.4交流伺服電機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法方法自從德國MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分

7、部在1978年漢諾威貿(mào)易博覽會(huì)上正式推出MAC永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這標(biāo)志著此種新一代交流伺服技術(shù)已進(jìn)入實(shí)用化階段。到20世紀(jì)80年代中后期，各公司都已有完整的系列產(chǎn)品。整個(gè)伺服裝置市場都轉(zhuǎn)向了交流系統(tǒng)。近年來隨著微處理器、新型數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的應(yīng)用，出現(xiàn)了數(shù)字控制系統(tǒng)，控制部分可完全由軟件進(jìn)行。開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束圖6-16 永磁式伺服電機(jī)剖圖開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束6.4.1交流伺服電機(jī)的分類特性交流伺服電機(jī)的分類特性交流伺服系統(tǒng)按其采用的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的類型來分，主要有兩大類：采用永久磁鐵磁場的同步電動(dòng)機(jī)（SM）不需要磁化電流控制，只要檢測(cè)磁鐵

8、轉(zhuǎn)子的位置即可。感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)由于感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，制造容易，價(jià)格低廉，因而具有很好的發(fā)展前景，代表了將來伺服技術(shù)的方向。開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束交流伺服電機(jī)的控制方式有以下幾種。（1）幅值控制（2）相位控制（3）幅相控制（4）雙相控制開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束交流伺服電機(jī)的運(yùn)行特性如下：交流伺服電機(jī)幅值控制、相位控制、幅相控制和雙相控制時(shí)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)持性分別 圖6-16交流伺服電機(jī)的機(jī)械特性（a）幅值控制 （b）相位控制 （c）幅相控制 （d）雙相控制開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束圖6-17交流伺服電機(jī)的調(diào)節(jié)特性（a）幅值控制 （b

9、）相位控制 （c）幅相控制 （d）雙相控制開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束圖6-18同步型（SM）伺服電動(dòng)機(jī)控制框圖開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束圖6-19交流電動(dòng)機(jī)等效電路及簡化等效電路（a）等效電路 （b）電流矢量 （c）簡化等效電路 （d）簡化電路電流矢量 開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束6.4.3機(jī)電一體化系統(tǒng)常用控制用電機(jī)性機(jī)電一體化系統(tǒng)常用控制用電機(jī)性能比較能比較 控制用電動(dòng)機(jī)是電氣伺服控制系統(tǒng)的動(dòng)力部件。它是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，由于它們的工作可在很寬的速度和負(fù)載范圍內(nèi)受到連續(xù)而精確的控制，因而在各種機(jī)電一體化系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。開始開始

10、前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束圖6-20 伺服電動(dòng)機(jī)控制方式的基本形式開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束6.5液壓執(zhí)行元件的特性與選擇方法液壓執(zhí)行元件的特性與選擇方法利用流體能量做機(jī)械功的液壓元件稱為液壓執(zhí)行元件。與機(jī)械傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)相比在同等功率情況下，液壓執(zhí)行元件體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。操縱控制方便，可實(shí)現(xiàn)大范圍的無級(jí)調(diào)速（調(diào)速范圍2000：1），它還可以在運(yùn)行的過程中進(jìn)行調(diào)速。液壓執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化，便于設(shè)計(jì)、制造和使用。開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束6.5.1液壓泵液壓泵液壓泵是將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓能的能量轉(zhuǎn)換元件、在液壓傳動(dòng)中、液壓泵作為動(dòng)力元件向

11、液壓系統(tǒng)提供液壓能。圖6-21液壓泵的分類 開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束五、泵的參數(shù)選擇泵的基本參數(shù)是壓力、流量、轉(zhuǎn)速、效率。選擇泵的第二個(gè)最重要的因素是泵的流量或排量，泵的流量與工況有關(guān)，選擇的泵的流量須大于液壓系統(tǒng)工作時(shí)的最大流量。泵的最高壓力與最高轉(zhuǎn)速不宜同時(shí)使用，以延長泵的使用壽命。產(chǎn)品說明書中往往提供較詳細(xì)的泵的技術(shù)參數(shù)圖表，在選擇時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格遵照產(chǎn)品說明書中的規(guī)定。開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束6.5.3液壓馬達(dá)液壓馬達(dá)液壓馬達(dá)的分類開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束6.5.4液壓執(zhí)行元件的選擇方法液壓執(zhí)行元件的選擇方法 一、液壓泵的選擇（1）確定液壓泵的最大工

12、作壓力PP PPP1十P （式6-11）P1液壓缸或液壓馬達(dá)最大工作壓力；P從液壓泵出口到液壓缸或液壓馬達(dá)入口之間總的管路損失。P的準(zhǔn)確計(jì)算要待元件選定并繪出管路圖時(shí)才能進(jìn)行，初算時(shí)可按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選?。汗苈泛唵?、流速不大的，取P（0.20.5）Mpa；管路復(fù)雜，進(jìn)口有調(diào)速閥的取P（0.51.5）MPa。 開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束（2）確定液壓泵的流量QP 多液壓缸或液壓馬達(dá)同時(shí)工作時(shí)，壓泵的輸出流量應(yīng)為 QPKQMAX （式6-12）式中：K系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取K1.11.3；QMAX同時(shí)動(dòng)作的液壓缸或液壓馬達(dá)的最大總流量。對(duì)于在工作過程中用節(jié)流調(diào)速的系統(tǒng)，還須加上溢流閥的最小溢流

13、量，一般取0.510-4m3s 。系統(tǒng)使用蓄能器作輔助動(dòng)力源時(shí) （式6-13）K一系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取K1.2；Tt液壓設(shè)備工作周期（s）；Vi每一個(gè)液壓缸或液壓馬達(dá)在工作周期中的總耗油量（m3）；z液壓缸或液壓馬達(dá)的個(gè)數(shù)。 開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束（3）選擇液壓泵的規(guī)格 根據(jù)以上求得的PP和QP值，按系統(tǒng)中擬定的液壓泵的形式，從產(chǎn)品樣本或手冊(cè)中選擇相應(yīng)的液壓泵。為使液壓泵有一定的壓力儲(chǔ)備，所選泵的額定壓力一般要比最大工作壓力大25%60%。（4）確定液壓泵的驅(qū)動(dòng)功率在工作循環(huán)中，如果液壓泵的壓力和流量比較恒定，即(P-t)、(Q-t)圖變化較平緩，則P=PPQP/P （式6-14）式中：PP液壓泵的最大工作壓力（Mpa）；QP液壓泵的流量（m3）；P液壓泵的總效率 開始開始 前頁前頁 后頁后頁 結(jié)束結(jié)束本章小結(jié) 對(duì)不同的機(jī)電一體化設(shè)備，伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)部件時(shí)所需功率的差異很大，在確定驅(qū)動(dòng)方式時(shí)一般從輸出功率與響應(yīng)頻率兩個(gè)