08機(jī)電一化技術(shù)(講稿)

1、復(fù)習(xí),2.5軸系部件的設(shè)計(jì)與選擇 一、軸系設(shè)計(jì)的基本要求了解 二、軸(主軸)系用軸承的類型與選擇-靜壓軸承、磁懸浮軸承工作原理 -掌握 三、提高軸系性能的措施熟悉 2.6機(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)的機(jī)座或機(jī)架 1機(jī)座或機(jī)架的作用及基本要求 了解 2機(jī)座或機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 鑄造機(jī)座的設(shè)計(jì) -保證自身剛度的措施 焊接機(jī)架的設(shè)計(jì),本次課的任務(wù),1.了解執(zhí)行元件的種類、特點(diǎn)及基本要求；了解步進(jìn)電機(jī)技術(shù)指標(biāo)； 2.機(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)對執(zhí)行元件的基本要求；控制用電機(jī)的基本要求、種類、特點(diǎn)及選用； 3.掌握步進(jìn)電機(jī)的工作原理 -步進(jìn)電機(jī)環(huán)形脈沖分配方式 -步距角的計(jì)算 4.步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性及性能指標(biāo)

2、 5.步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制 驅(qū)動(dòng)電源由脈沖分配器、功率放大器組成 (1)環(huán)形脈沖分配器,第三章執(zhí)行元件的分類及控制用電機(jī)的驅(qū)動(dòng) http:/www.suc-,3.1執(zhí)行元件的種類、特點(diǎn)及基本要求 3.1.1執(zhí)行元件的種類及其特點(diǎn),1電氣執(zhí)行元件,電氣執(zhí)行元件包括控制用電機(jī)(DC、AC伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī))、靜電電機(jī)、磁致伸縮器件、壓電元件、超聲波電機(jī)以及電磁鐵等。 對控制用電機(jī)的要求：運(yùn)轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定；良好的加減速；伺服-動(dòng)態(tài)性能；頻繁使用的適應(yīng)性和維修的方便性。 控制用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電源供給電力，經(jīng)電力變換器變換后輸送給電機(jī)，使電機(jī)作回轉(zhuǎn)(或直線)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)負(fù)載機(jī)械(執(zhí)行機(jī)構(gòu))運(yùn)動(dòng)，并在指令器給定

3、的指令位置定位停止。這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有位置(或速度)反饋環(huán)節(jié)的叫閉環(huán)系統(tǒng)，沒有位置與速度反饋環(huán)節(jié)的叫開環(huán)系統(tǒng)。 微量位移用器件 ： 電磁鐵 壓電驅(qū)動(dòng)器 電熱驅(qū)動(dòng)器,2液壓式執(zhí)行元件,包括執(zhí)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的油缸、回轉(zhuǎn)油缸、液壓馬達(dá)等，其中油缸占絕大多數(shù)。 先進(jìn)的液壓元件： 數(shù)字式液壓執(zhí)行元件 ：電-液伺服馬達(dá)和電-液步進(jìn)馬達(dá) 。 優(yōu)點(diǎn) ：力矩大，可以直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，力矩慣量比大，過載能力強(qiáng)，適合于重載的高加減速驅(qū)動(dòng)。具有強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)力和高的定位精度,3氣壓式執(zhí)行元件,氣壓式執(zhí)行元件除了用壓縮空氣作工作介質(zhì)外，與液壓式執(zhí)行元件無什么區(qū)別。 優(yōu)點(diǎn)：氣壓驅(qū)動(dòng)雖可得到較大的驅(qū)動(dòng)力、行程和速度， 缺點(diǎn)：由于空氣粘

4、性差，具有可壓縮性，故不能在定位精度較高的場合使用。,執(zhí)行元件的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn),3.1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)對執(zhí)行元件的基本要求,1慣量小、動(dòng)力大 ： 表征執(zhí)行元件慣量的性能指標(biāo)：對直線運(yùn)動(dòng)為質(zhì)量m，對回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J。 表征輸出動(dòng)力的性能指標(biāo)：推力F、轉(zhuǎn)矩T或功率P。 直線運(yùn)動(dòng):Fma，a=Fm。 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng):PT，=T/J,T=J。 綜合性指標(biāo)稱為比功率。包含功率、加速性能和轉(zhuǎn)速，即 比功率=PT*TJ*(1)T2J(kWs-1)。 2體積小、重量輕 功率密度PG(kWN-1)， 比功率密度=(T2J)G(kWs-1N-1)。 3便于維修、安裝 4宜于微機(jī)控制,3.2機(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)常

5、用的控制用電機(jī),控制用電機(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。,控制用電機(jī) 有：,電壓,電流,頻率,控制,伺服電動(dòng)機(jī)的基本控制方式,3.2.1對控制用電機(jī)的基本要求,(1)性能密度大：即功率密度和比功率大。電機(jī)的功率密度PGPG(WN)，電機(jī)的比功率 (2)快速性好，即加速轉(zhuǎn)矩大，頻響特性好； (3)位置控制精度高、調(diào)速范圍寬、低速運(yùn)行平穩(wěn)無爬行現(xiàn)象、分辨率高、振動(dòng)噪聲??； (4)適應(yīng)啟、停頻繁的工作要求； (5)可靠性高、壽命長。,3.2.2控制用電機(jī)的種類、特點(diǎn)及選用,啟停頻率低、但要求低速平穩(wěn)和扭矩脈動(dòng)小、高速運(yùn)行時(shí)振動(dòng)、噪聲小，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)均可穩(wěn)

6、定運(yùn)動(dòng)的機(jī)械，功率密度是主要的性能指標(biāo)； 啟停頻率高，但不特別要求低速平穩(wěn)性的產(chǎn)品，主要的性能指標(biāo)是高比功率。,控制用電機(jī)的分類,控制用旋轉(zhuǎn)電機(jī)按 其工作原理可分為 具體的可細(xì)分為： DC伺服電機(jī)(永磁)可分為： AC伺服電機(jī) 步進(jìn)電機(jī),3.3步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng),步進(jìn)電機(jī)又稱電脈沖馬達(dá)。它是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。 特點(diǎn)： 步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素(如電源電壓的波動(dòng)、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(jìn)電機(jī)產(chǎn)生“丟步”現(xiàn)象之前，就不影響其正常工作； 步進(jìn)電機(jī)的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步數(shù)以后也會(huì)出現(xiàn)累積誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)以后，其累積誤

7、差為“零”，不會(huì)長期積累； 控制性能好。在起動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)時(shí)不易“丟步”。,1步進(jìn)電機(jī)的種類,(1)可變磁阻型(VR型一Variable Reluctance)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。 電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子均不含永久磁鐵，故無勵(lì)磁時(shí)沒有保持力。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)子直徑小，有利于高速響應(yīng)。另外，需要將氣隙作得盡可能小，例如幾個(gè)微米。這種電機(jī)具有制造成本高、效率低、轉(zhuǎn)子的阻尼差、噪聲大等缺點(diǎn)。但是，由于其制造材料費(fèi)用低、結(jié)構(gòu)簡單、步距角小。,(2)永磁型(PM型一Permanent Magnet Type),采用了永久磁鐵，具有記憶能力，可用作定位驅(qū)動(dòng)。PM型電機(jī)的特點(diǎn)是勵(lì)磁功率小、效率高、造價(jià)便宜，因此需要量

8、也大。由于轉(zhuǎn)子磁鐵的磁化間距受到限制，難于制造，故步距角較大。與VR型相比轉(zhuǎn)矩大，但轉(zhuǎn)子慣量也較大。,(3)混合型(HB型一Hybrid Type),混合型與永磁型多為雙極性勵(lì)磁。由于都采用了永久磁鐵，所以，無勵(lì)磁時(shí)具有保持力。另外，勵(lì)磁時(shí)的靜止轉(zhuǎn)矩比VR型步進(jìn)電機(jī)的大。HB和PM型步進(jìn)電機(jī)能夠用作超低速同步電機(jī)。,2步進(jìn)電機(jī)的工作原理(3.29),AA、B一B、CC 將電脈沖加到A相 ，A相產(chǎn)生磁通，并對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁拉力，l、3兩個(gè)齒與定子的A相磁極對齊。而后再將電脈沖通入B相勵(lì)磁繞組，B相磁極便產(chǎn)生磁通 。使轉(zhuǎn)子2、4兩個(gè)齒與定子B相磁極對齊。如果按照ABCA的順序通電，轉(zhuǎn)子則沿反時(shí)針方向一

9、步步地轉(zhuǎn)動(dòng)，每步轉(zhuǎn)過30，這個(gè)角度就叫步距角。從一相通電換接到另一相通電稱為一拍，每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角。 三相勵(lì)磁繞組依次單獨(dú)通電運(yùn)行，換接三次完成一個(gè)通電循環(huán)，稱為三相單三拍通電方式。 如果使兩相勵(lì)磁繞組同時(shí)通電，即按ABBCCAAB順序通電，這種通電方式稱為三相雙三拍，其步距角仍為30。,三相六拍,AABBBCCCAA順序通電，換接六次完成一個(gè)通電循環(huán)。這種通電方式的步距角為15。 其工作過程如圖：,步距角的計(jì)算,步進(jìn)電機(jī)的步距角越小，意味著它所能達(dá)到的位置精度越高。通常的步矩角是1.5或0.75，為此需要將轉(zhuǎn)子做成多極式的，并在定子磁極上制成小齒， 360(zm),反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)環(huán)形

10、脈沖分配方式,六、步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性及性能指標(biāo),(1)分辨力。在一個(gè)電脈沖作用下(即一拍)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移，即步距角。越小，分辨力越高。最常用的有0.61.2、0.751.5、0.91.8、12、1.53等。 (2)靜態(tài)特性。步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)特性是指它在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的特性，包括靜轉(zhuǎn)矩、距一角特性及靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。,矩一角特性,在空載狀態(tài)下，給步進(jìn)電機(jī)某相通直流電時(shí)，轉(zhuǎn)子齒的中心線與定子齒的中心線重合，轉(zhuǎn)子上沒有轉(zhuǎn)矩輸出，此時(shí)的位置為轉(zhuǎn)子初始穩(wěn)定平衡位置。如果在電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上加一負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，則轉(zhuǎn)子齒的中心線與定子齒的中心線將錯(cuò)過一個(gè)電角度e(如圖)，才能重新穩(wěn)定下來。此時(shí)轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩Tj與負(fù)載

11、轉(zhuǎn)矩TL相等。該Tj為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，e為失調(diào)角。當(dāng)e90時(shí)，其靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Tjmax為最大靜轉(zhuǎn)矩。Tj與e之間的關(guān)系大致為一條正弦曲線(如圖)該曲線被稱作矩一角特性曲線。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩越大，自鎖力矩越大，靜態(tài)誤差就越小。一般產(chǎn)品說明書中標(biāo)示的最大靜轉(zhuǎn)矩就是指在額定電流和通電方式下的Tjmax。 步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定區(qū):,(3)動(dòng)態(tài)特性,步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性將直接影響到系統(tǒng)的快速響應(yīng)及工作的可靠性。(起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、矩一頻特性等 ) 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)：步進(jìn)電機(jī)從A相通電狀態(tài)切換到B相（AB相)通電狀態(tài)時(shí)，不至于引起丟步，該區(qū)域(-e； +e )稱為動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)。由于每一曲線依次錯(cuò)開一個(gè)電角度，故步進(jìn)電機(jī)在拍數(shù)越多的方式下運(yùn)行，

12、其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)域越接近于靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)，裕量角r也越大，在運(yùn)行中也越不容易丟步。 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq :圖中A相與B相矩一角特性曲線之交點(diǎn)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩Tq被稱為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，它表示步進(jìn)電機(jī)單相勵(lì)磁時(shí)所能帶動(dòng)的極限負(fù)載轉(zhuǎn)矩。,高連續(xù)運(yùn)行頻率及矩一頻特性,步進(jìn)電機(jī)在連續(xù)運(yùn)行時(shí)所能接受的最高控制頻率被稱為最高運(yùn)行頻率，以fmax表示。電機(jī)在連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下，其電磁轉(zhuǎn)矩隨控制頻率的升高而逐步下降。這種轉(zhuǎn)矩與控制頻率之間的變化關(guān)系稱為矩一頻特性。在不同控制頻率下電機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。 空載起動(dòng)頻率與慣一頻特性 : 在空載狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)能夠不失步地起動(dòng)時(shí)的最大控制頻率稱為空載起動(dòng)頻率或空載突跳頻率(fq)。

13、當(dāng)帶載起動(dòng)時(shí)，所允許的起跳控制頻率會(huì)大大下降。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)慣性負(fù)載時(shí)的起跳頻率與負(fù)載慣量之間的關(guān)系為慣一頻特性。一般講，隨著負(fù)載慣量的增加，起跳頻率也會(huì)降低。除慣性負(fù)載之外，還有外負(fù)載力矩，則起跳頻率將會(huì)進(jìn)一步下降。一般來說，fmax遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于起動(dòng)頻率，在高于最高連續(xù)運(yùn)行頻率時(shí)，電機(jī)將產(chǎn)生失步。在不同負(fù)載下，電機(jī)允許的最高連續(xù)運(yùn)行頻率是不同的。一般步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)說明書上都指明空載最高連續(xù)運(yùn)行頻率和空載起動(dòng)頻率。在有負(fù)載情況下，不失步啟動(dòng)所允許的起動(dòng)頻率將大大降低。為了縮短起動(dòng)時(shí)間，可在一定的起動(dòng)時(shí)間內(nèi)將電脈沖頻率按一定的規(guī)律逐漸增加到所允許的運(yùn)行頻率。,4、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制,驅(qū)動(dòng)電源由脈沖分

14、配器、功率放大器組成， 驅(qū)動(dòng)電源是將變頻信號源(微機(jī)或數(shù)控裝置等)送來的脈沖信號及方向信號按要求的配電方式自動(dòng)地循環(huán)供給電機(jī)各相繞組，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子正反向旋轉(zhuǎn)。變頻信號源可提供從幾赫茲(Hz)到幾萬赫茲(Hz)的頻率信號連續(xù)可調(diào)的脈沖信號發(fā)生器。因此，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量和頻率就可精確控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角和速度。,(1)環(huán)形脈沖分配器,使電機(jī)繞組的通電順序按一定規(guī)律變化的部分稱為脈沖分配器，又稱環(huán)形脈沖分配器。 方法有三種 ： 一種是采用計(jì)算機(jī)軟件利用查表或計(jì)算方法來進(jìn)行脈沖的環(huán)形分配，簡稱軟環(huán)分。如表為三相六拍分配狀態(tài)，可將表中狀態(tài)代碼01H、03H、02H、06H、04H、05H列入程序

15、數(shù)據(jù)表中，通過軟件可順次在數(shù)據(jù)表中提取數(shù)據(jù)并通過輸出接口輸出即可。,第二種環(huán)形脈沖分配器,是采用小規(guī)模集成電路搭接而成的環(huán)形脈沖分配器，如圖所示，圖中C1、C2、C3為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。這種方式靈活性很大，可搭接任意相任意通電順序的環(huán)形分配器，同時(shí)在工作時(shí)不占用計(jì)算機(jī)的工作時(shí)間。,第三種環(huán)形分配器,總結(jié),1. 執(zhí)行元件的種類、特點(diǎn)及基本要求； 2.步進(jìn)電機(jī)技術(shù)指標(biāo)； 3.機(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)對執(zhí)行元件的基本要求； 4.控制用電機(jī)的基本要求、種類、特點(diǎn)及選用； 5.掌握步進(jìn)電機(jī)的工作原理 -步進(jìn)電機(jī)環(huán)形脈沖分配方式 -步距角的計(jì)算 6.步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性及性能指標(biāo) 7.步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制 驅(qū)動(dòng)電源由脈沖分配器、功率放大器組成 (1)環(huán)形脈沖分配器,課后習(xí)題,1.步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)，其運(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 和 組成。 2.步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源是將變頻信號源（微機(jī)或數(shù)控裝置）送來的 信號和 信號按要求的配電方式自動(dòng)地循環(huán)供給電動(dòng)機(jī)各相繞組以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子正反向旋轉(zhuǎn)。 3.機(jī)電一體化系統(tǒng)對執(zhí)行元件