機電集成技術(shù)（中級）課件 工作站電機設備的適配

工作站電機設備的適配一、電機設備適配要素二、電機設備適配

1/22一電機設備適配要素電機總能耗用途分為驅(qū)動電機、控制電機和信號電機三大類，驅(qū)動電動機具體見表1，控制電動機和信號電動機主要種類見表2。表1驅(qū)動電動機主要種類驅(qū)動電動機直流電動機永磁式直流電動機電磁式直流電動機同步電動機（單相或三相）永磁式同步電動機凸極式同步電動機隱極式同步電動機交流電動機異步電動機單相異步電動機三相籠型普通籠型高轉(zhuǎn)差率式深槽式雙鼠籠式多速電動機繞線型1.電機分類2/221.電機分類一電機設備適配要素控制電動機步進電動機兩相永磁式步進電動機三相反應式步進電動機混合式兩相混合式步進電動機三相混合式步進電動機五相混合式步進電動機直流伺服永磁式直流伺服電動機電磁式直流伺服電動機交流伺服永磁同步式交流伺服電動機籠型異步式交流伺服電動機直線電動機交流直線感應電動機交流直線同步電動機直流直線電動機直線步進電動機信號電動機自整角機旋轉(zhuǎn)變壓器測速發(fā)電機表2控制電動機和信號電動機主要種類3/22

選擇電機種類時，首先考慮的是電機性能可以滿足生產(chǎn)機械的要求，例如啟動轉(zhuǎn)矩、調(diào)速等指標以及各種運行狀態(tài)等。在此前提下，優(yōu)先選用結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、運行可靠、維護方便的電機種類。在此方面，交流電機優(yōu)于直流電機，鼠籠式電機優(yōu)于繞線式。要求轉(zhuǎn)速恒定或要求改善功率因數(shù)的情況下，例如容量較大時，選擇同步電機。要求調(diào)速范圍大、調(diào)速平滑、準確的位置控制和拖動系統(tǒng)過渡過程有特殊要求的大功率生產(chǎn)機械，優(yōu)先選用他勵直流電機。要求啟動轉(zhuǎn)矩大、機械特性軟的生產(chǎn)機械，優(yōu)先選用串勵或復勵直流電機。一電機設備適配要素2.驅(qū)動電機的選擇4/22

一般調(diào)速要求不高的生產(chǎn)機械盡量優(yōu)先選用鼠籠式三相異步電動機。啟動、制動比較頻繁的場合，對啟動、制動轉(zhuǎn)矩的要求較大，而且有調(diào)速要求的生產(chǎn)機械，廣泛使用繞線形式異步電機。

在一些特殊的場合，如存在易爆炸氣體或者塵埃較多的場合，不能使用直流電機，需選用交流異步電機。

直流電機存在換向問題，限制了其向高速、大容量的發(fā)展，而異步電機在轉(zhuǎn)速、電壓和容量參數(shù)上優(yōu)勢明顯。隨著交流異步電機變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，交流電力拖動系統(tǒng)具有了很好的調(diào)速性能，因此在應用時優(yōu)先選用交流異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)。一電機設備適配要素2.驅(qū)動電機的選擇5/22

在進行電機類型選擇適配時，可以參考表3~表5進行選擇。一電機設備適配要素表3不同使用條件和要求下電機類型的選擇使用條件要求選擇電動機類型電源單相工頻電源三相工頻電源直流電源中頻電源單相電動機三相電動機直流電動機中頻電動機機械特性負載轉(zhuǎn)矩增加，轉(zhuǎn)速變化不大特性軟，負載轉(zhuǎn)矩增加，轉(zhuǎn)速明顯下降高啟動轉(zhuǎn)矩較大的最大轉(zhuǎn)矩各類異步電動機，并勵直流電動機串勵電動機三相異步電動機，單相異步電動機，串勵電動機三相異步電動機2.驅(qū)動電機的選擇6/222.驅(qū)動電機的選擇一電機設備適配要素使用條件要求選擇電動機類型轉(zhuǎn)速直接驅(qū)動，轉(zhuǎn)速高于3000r/min轉(zhuǎn)速無嚴格要求，在500-3000r/min范圍內(nèi)恒速調(diào)速中頻電動機，直流電動機，串勵電動機各類異步電動機同步電動機直流電動機，變頻調(diào)速用三相異步電動機工作條件頻繁啟動常堵轉(zhuǎn)，恒力矩高轉(zhuǎn)差率三相異步電動機，繞線式異步電動機，單相電容運轉(zhuǎn)異步電動機力矩電動機表4不同使用條件和要求下電機類型的選擇7/22一電機設備適配要素使用條件要求選擇電動機類型經(jīng)濟性短時工作，啟動轉(zhuǎn)矩不大，價格低廉高效率，啟動轉(zhuǎn)矩不大高效率，高啟動轉(zhuǎn)矩罩極異步電動機單相電容運轉(zhuǎn)異步電動機單相雙值電容異步電動機表5不同使用條件和要求下電機類型的選擇2.驅(qū)動電機的選擇8/22

隨著自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，在普通電機的基礎上產(chǎn)生了許多具有特殊性能的小功率電機，在自動控制系統(tǒng)中可作為執(zhí)行元件、檢測元件和解算元件，這類電機統(tǒng)稱為控制電機。從基本的電磁感應原理來說，控制電機與普通的驅(qū)動電機并沒有本質(zhì)上的區(qū)別，單驅(qū)動電機著重于對啟動和運行狀態(tài)的動力學指標要求，而控制電機則著重于高精度和快速響應特性。

在自動化生產(chǎn)控制中，電機的功能以運動控制為主。對于不同的運動控制場合，需要根據(jù)實際情況選擇電機類型。下面針對步進電機、伺服電機、直線電機特性及應用場合進行詳細講解，便于電機類型的選擇。一電機設備適配要素3.控制電機類型與應用9/22（1）步進電機

步進電機又稱為脈沖電機，是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機，電機系統(tǒng)不包含反饋檢測。只要輸入脈沖數(shù)量、頻率和電機繞組的通電順序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向，而不受負載變化的影響，可直接將數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移，很適合作為數(shù)字控制系統(tǒng)的元件。步進電機具有以下特點：一電機設備適配要素步進電機位移量、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，在負載能力范圍內(nèi)，不受電壓波動和負載變化的影響，也不受環(huán)境條件的影響，僅與脈沖頻率有關，適合在開環(huán)系統(tǒng)中作執(zhí)行元件；步進電機控制性能好，通過改變脈沖頻率的高低就可以在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)步進電機的轉(zhuǎn)速，并能快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)；3.控制電機類型與應用10/22一電機設備適配要素有些類型的步進電機在停止供電狀態(tài)下還有定位轉(zhuǎn)矩，有些類型的步進電機在停機后某些相繞組仍保存通電狀態(tài)，具有自鎖能力；步進電機的步距角變動范圍較大，在小步距角的情況下，往往可以不經(jīng)減速器而獲得低速運行；步進電機無反饋信號，電氣受干擾的因素較少，正常使用的情況下，不會因為反饋信號干擾而產(chǎn)生誤差，只要不重新進行原點復位就無誤差發(fā)生；步進電機的原點位置依靠傳感器檢測以及驅(qū)動器反饋的零相信號，步進電機的零相信號每4步產(chǎn)生一個，因此步進電機的原點位置容易受開機時電機所停角度的影響，造成的誤差不易察覺。如果系統(tǒng)要求開機的重復精度較高，則不宜選用步進電機。3.控制電機類型與應用11/22

步進電機一般應用于以下的場合：使用環(huán)境不需進行原點復位或原點復位精度要求不高且不需高速運行，或在負載輕且不長時間高速運行時，可選用步進電機進行機構(gòu)的定位控制。步進電機的價格較為低廉，這也是小型設備選用的一項重要因素。

（2）伺服電機

伺服電機（又稱執(zhí)行電機）是一種應用于運動控制系統(tǒng)中的控制電機，它的輸出參數(shù)，如位置、速度、加速度和轉(zhuǎn)矩是可控的。伺服電機在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，把輸入的電壓信號變換成軸的角位移或角速度輸出。輸入的電壓信號又稱為控制信號或控制電壓，改變控制電壓可以改變伺服電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。一電機設備適配要素3.控制電機類型與應用12/22

伺服電機一般具有以下特點：一電機設備適配要素寬廣的調(diào)速范圍，伺服電機的轉(zhuǎn)速隨著控制電壓的改變能在寬廣的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。機械特性和調(diào)節(jié)特性均為線性，伺服電機的機械特性是指控制電壓一定時，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的變化關系；調(diào)節(jié)特性是指電機轉(zhuǎn)矩一定時，轉(zhuǎn)速隨著控制電壓的變化關系。線性的機械特性和調(diào)節(jié)特性有利于提高自動控制系統(tǒng)的動態(tài)精度。無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，即要求伺服電機在控制電壓降為零時能夠自行停轉(zhuǎn)?？焖夙憫措姍C的機電時間常數(shù)較小，電機的轉(zhuǎn)速可以隨著控制電壓的改變而迅速變化。能夠頻繁啟動、制動、停止、反轉(zhuǎn)以及連續(xù)低速運行。3.控制電機類型與應用13/22按照使用電源的性質(zhì)不同，伺服電機可分為直流伺服電機和交流伺服電機兩類，兩類伺服電機的特點對比見表6~表7。一電機設備適配要素序號項目類型直流伺服電機直流伺服電機1機械性能和調(diào)節(jié)性能

機械特性硬、線性度好，不同控制電壓下斜率相同，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍廣。

機械特性軟，非線性，不同控制電壓下斜率不同，調(diào)速范圍較小，受頻率及對數(shù)限制。2體積、重量和效率

功率較大，體積較小、重量較輕、效率高。

功率小，體積和重量較大，效率低。表6交流、直流伺服電機的性能比較3.控制電機類型與應用14/22一電機設備適配要素序號項目類型直流伺服電機直流伺服電機3放大器

直流放大器產(chǎn)生“零點漂移”現(xiàn)象，精度低、結(jié)構(gòu)復雜，體積和重量較大。

交流放大器，結(jié)構(gòu)簡單、體積和重量較小。4自轉(zhuǎn)

不會產(chǎn)生自轉(zhuǎn)。

參數(shù)選擇不當，制造工藝不良時會產(chǎn)生自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。5結(jié)構(gòu)、運行的可靠性及對系統(tǒng)的干擾

有電刷和換向器，結(jié)構(gòu)和工藝復雜，維修不便，運行的可靠性差，換向火花會產(chǎn)生無線電干擾，摩擦轉(zhuǎn)矩大。

無電刷和換向器，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，沒有電火花，因而也沒有無線電干擾，摩擦轉(zhuǎn)矩小。3.控制電機類型與應用表7交流、直流伺服電機的性能比較15/22

伺服電機一般應用于以下的場合：當控制機構(gòu)需要精確的原點定位，要求機構(gòu)上受控制的每一制表位或路徑都需要精確相對于原點位置時，必須使用伺服電機進行定位控制。

伺服電機的運行速度范圍較大，有利于速度差異較大的運行；其輸出轉(zhuǎn)矩在額定速度內(nèi)保持恒定，優(yōu)于步進電機的特性，因此大型機構(gòu)需要較長時間運行時，采用伺服電機較為合適。伺服電機的響應性能是步進電機無法比擬的，可以快速加速或減速，從而縮短加速和減速的時間。

（3）直線電機

直線電動機是一種能將電能直接轉(zhuǎn)換成直線機械運動的電動機，不需要像滾珠絲杠一類的中間傳動機構(gòu)。一電機設備適配要素3.控制電機類型與應用16/22

與常規(guī)的旋轉(zhuǎn)電動機相比，直線電機一般具有以下優(yōu)點：一電機設備適配要素采用直線電動機不需要任何中間轉(zhuǎn)換裝置而直接產(chǎn)生推力，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，保證了運行的可靠性，其傳遞效率高、重量輕、制造成本低、易于維護；直線電動機直接產(chǎn)生直線電磁推力，運動時無機械接觸，傳動零部件無磨損，從而大大減少了機械損耗；直線電機結(jié)構(gòu)簡單，可以在一些特殊場合中應用，例如可在潮濕環(huán)境、甚至在水中使用；直線電動機的散熱效果也較好，不需要附加冷卻轉(zhuǎn)置。3.控制電機類型與應用17/22綜上特點，在所用直線運動的裝置或系統(tǒng)中，是否采用直線電動機驅(qū)動，需要進行綜合考慮。一電機設備適配要素沒有減速機構(gòu)，是減速比為1的電動機，這既是它的優(yōu)點，也是它的缺點；功耗大，啟動電流大，啟動推力易受到電壓波動的影響。直線電動機目前尚未得到普遍應用，主要問題是它還存在著一些不足之處：與同容量旋轉(zhuǎn)電動機相比，由于氣隙大，直線電動機（主要是感應式直線電動機）的效率和功率因數(shù)較低，而且滑差率也較大；3.控制電機類型與應用18/22工作站的多個場合中需用到電機，各個場合對電機的需求各不相同，具體如下：二電機設備適配執(zhí)行單元在工作站的執(zhí)行單元，工業(yè)機器人的外部軸動作是通過電機驅(qū)動滾珠絲杠和滑臺而實現(xiàn)的，電機要求如下：執(zhí)行單元工業(yè)機器人在工作站中起到銜接各個工藝的作用，所以進行生產(chǎn)加工時，電機需滿足隨時啟停、正反轉(zhuǎn)的功能，從而實現(xiàn)可以驅(qū)動滑臺和機器人頻繁往返于各個工藝模塊之間；對零點有精度要求，要求每次開機時，工業(yè)機器人及伺服滑臺都處于零點位置；運行平穩(wěn)，因為驅(qū)動的滑臺帶動的是工業(yè)機器人，機械振動等問題都可能造成機器人精度的變化，所以需要盡量保持在額定速度下轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)。1.電機設備的功能需求19/22二電機設備適配壓裝單元在工作站的壓裝單元，直線運動機構(gòu)要實現(xiàn)壓裝工位的移動，需要電機進行帶動，選用的電機要求如下：電機要實現(xiàn)帶動壓裝工位的托盤精確到達4個定點工位；壓裝工位負載較??；壓裝單元電機驅(qū)動的滑臺主要負責帶動輪轂工件及車輪的移動，低速運行即可；壓裝單元僅作為工作站的其中一個工藝環(huán)節(jié)，不要求頻繁啟停，對原點位置沒有要求。分揀單元在工作站的分揀單元，需要電機帶動皮帶輪運轉(zhuǎn)，選用的電機要求如下：皮帶能實現(xiàn)多段速度運行；皮帶不需要精準的位置定位停留。1.電機設備的功能需求20/22根據(jù)工作站中電機使用場合及功能，對電機進行適配，適配依據(jù)見表8~表9。二電機設備適配表8電機適配（1）場合適配執(zhí)行單元電機需做精準的定位運動，所有可以考慮選用步進或伺服電機。電機需帶動工業(yè)機器人運動，應用環(huán)境負載大且精度要求高，需要速度可控制，能實時反饋位置，且應用時可能會頻繁啟停。步進電機在頻繁啟停時