机电一体化原理与应用课件.ppt
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1、机电一体化原理与应用第四章,9/24/2022,1,机电一体化原理与应用第四章9/24/20221,4.1 典型载荷分析,载荷:执行机构设计计算的一项重要原始数据。分类:摩擦载荷、惯性载荷以及各种环境载荷等,9/24/2022,4.1 典型载荷分析载荷:执行机构设计计算的一项重要原始数据,4.1.1 摩擦载荷,1、定义 当两个物体间有相对运动或有相对运动的趋势时才产生摩擦载荷。它是两物体接触面上存在的一种阻止运动的力或力矩。2、分类 静摩擦和动摩擦 滚动摩擦和滑动摩擦 干摩擦、半干摩擦、湿摩擦。,9/24/2022,4.1.1 摩擦载荷1、定义9/24/2022,3、摩擦力的计算1)静摩擦力按
2、库仑摩擦定律得:fs一般在0.10.3以上。2)动摩擦力f一般在0.10.3以下。,9/24/2022,3、摩擦力的计算9/24/2022,3)干摩擦、半干摩擦符合库仑定律。 4)湿摩擦湿摩擦与干摩擦的机理截然不同,但为了计算方便工程上仍沿用摩擦系数的概念。一般f=0.0120.10。5)滚动摩擦,9/24/2022,3)干摩擦、半干摩擦9/24/2022,4、摩擦力矩摩擦力与其作用力臂的乘积即为摩擦力矩。5、减小摩擦载荷的措施减小正压力、摩擦系数和作用力臂。 为了减小摩擦系数,可用滚动摩擦代替滑动摩擦,用湿摩擦代替干摩擦。,9/24/2022,4、摩擦力矩9/24/2022,4.1.2 惯性
3、载荷,1、产生条件 惯性载荷由于一定质量的物体具有加速度或角加速度才产生的。2、惯性载荷的计算1)回转运动惯性载荷的计算计算转动惯量、角速度、角加速度等参数。,9/24/2022,4.1.2 惯性载荷1、产生条件9/24/2022,计算等效转动惯量:,图中,L为低速轴,JL为转动惯量,h为高速轴,传动比为:,令Jlh为JL折算到高速轴h上的折算转动惯量,9/24/2022,计算等效转动惯量:图中,L为低速轴,JL为转动惯量,h为高速,若令效率为100%,根据能量守恒得:则惯性力矩M为 M=J,9/24/2022,若令效率为100%,根据能量守恒得:9/24/2022,2)移动物体惯性载荷的计算
4、 惯性力:F=ma,9/24/2022,2)移动物体惯性载荷的计算9/24/2022,3、减小惯性力或惯性力矩的措施 减小质量或转动惯量 减小质量的方法:采用减轻孔,采用空心薄壁结构,选比重小、强度高的材料等可减小质量。,9/24/2022,3、减小惯性力或惯性力矩的措施9/24/2022,减小转动惯量的方法:合理布局回转部分的质量,使重心尽量靠近回转轴;对于减速传动链,减小折算到高速轴的转动惯量。,9/24/2022,减小转动惯量的方法:合理布局回转部分的质量,使重心尽量靠近回,4.1.3 环境载荷,环境载荷指除了摩擦载荷和惯性载荷以外的载荷露天作用的系统受到的风载荷,高温作用下的温度载荷外
5、载荷的确定,要视具体情况而定,有的可以从理论上进行推导,有的需要借助于实验来测定。,9/24/2022,4.1.3 环境载荷环境载荷指除了摩擦载荷和惯性载荷以外的载,4.2 负载的力矩特性,1、分析的目的为了选择电动机或其它原动机,使之满足功率的要求。2、确定设计载荷的方法计算法、类比法和实测法。,9/24/2022,4.2 负载的力矩特性1、分析的目的9/24/2022,3、电动机克服负载力矩的两种典型情况一种为峰值力矩,它对应于电动机最严重的工作情况;一种为均方根力矩,它对应于电动机长期连续地变载荷工作的情况。,9/24/2022,3、电动机克服负载力矩的两种典型情况9/24/2022,1
6、)负载的峰值力矩特性折算到电动机轴上的负载力矩为 折算到电动机轴上的负载峰值力矩是总传动比的函数。,9/24/2022,1)负载的峰值力矩特性9/24/2022,2)负载的均方根力矩特性折算到电动机轴上的均方根力矩为Mw作用在负载轴上的瞬时风力矩;Mf作用在负载轴上的瞬时摩擦力L负载轴的瞬时角速度;T载荷变化的周期it从电动机轴到负载轴的总传动比。,9/24/2022,2)负载的均方根力矩特性9/24/2022,4.3传动链的精度分析,4.3.1传动精度的概念传动链传动精度:传动误差和空程误差1、传动误差:指输入轴单向转动时,输出轴转角的实际值相对于理论值的变动量,9/24/2022,4.3传
7、动链的精度分析4.3.1传动精度的概念9/24/20,9/24/2022,9/24/2022,2、空程误差:输入轴正向回转变为反向回转时,输出轴在转角上的滞后量。,9/24/2022,2、空程误差:输入轴正向回转变为反向回转时,输出轴在转角上的,4.3.2提高传动精度的结构措施,提高零部件本身的精度;合理设计传动链,减少零部件制造、装配误差对传动精度的影响;采用消隙结构,以减少或消除空程误差。,9/24/2022,4.3.2提高传动精度的结构措施提高零部件本身的精度;9/2,9/24/2022,9/24/2022,4.4 电动机传动(驱动)系统,1、伺服电动机分类交流电动机和直流电动机2、比较
8、 交流电动机结构简单、价格便宜、维护工作量小,但起、制动及调速性能不如直流电动机。,9/24/2022,4.4 电动机传动(驱动)系统1、伺服电动机分类9/24/2,3、选择电动机原则1)不需调速机械长期工作制、短时工作制和重复短时工作制的机械,应采用交流电机。,9/24/2022,3、选择电动机原则9/24/2022,仅在某些操作特别频繁、交流电动机在发热和起、制动特性不能满足要求时,才考虑直流电动机。只需几级固定速度的机械,可采用多极交流电动机。,9/24/2022,仅在某些操作特别频繁、交流电动机在发热和起、制动特性不能满,2、需要调速的机械1)转速与功率之积。转速与功率之积受换向器能力
9、限制目前一般认为直流电动机该值最大为106kW.r/min,当接近或超过该值宜采用交流电动机。,9/24/2022,2、需要调速的机械9/24/2022,2)飞轮力矩。,9/24/2022,2)飞轮力矩。9/24/2022,3)在环境恶劣场合,宜采用无换向器、无火花、易密闭的交流电动机,9/24/2022,3)在环境恶劣场合,宜采用无换向器、无火花、易密闭的交流电动,4)交、直流电动机调速性能差不多,但交流电动机的飞轮力矩小,响应速度要快一些。,9/24/2022,4)交、直流电动机调速性能差不多,但交流电动机的飞轮力矩小,,4.4.1 直流电动机一、特点具有良好的调速特性较大的起动转矩相对功
10、率大快速响应结构复杂成本较高,9/24/2022,4.4.1 直流电动机9/24/2022,二、分类 按激磁方式可分为电磁式和永磁式两种。 电磁式的磁场由激磁绕组产生;永磁式的磁场由永久磁体产生。,9/24/2022,二、分类9/24/2022,9/24/2022,9/24/2022,三、直流伺服电动机的转矩特性,电压方程:转矩方程:,9/24/2022,三、直流伺服电动机的转矩特性电压方程:9/24/2022,将Ic代入转矩方程得:,9/24/2022,将Ic代入转矩方程得:9/24/2022,9/24/2022,9/24/2022,9/24/2022,9/24/2022,1)当m0时,即电
11、动机为堵转状态或起动状态,称Ms为堵转转矩(起动转矩),9/24/2022,1)当m0时,9/24/2022,2)Mm0时,即电动机为空载状态称0为空载转速,9/24/2022,2)Mm0时,9/24/2022,9/24/2022,9/24/2022,9/24/2022,9/24/2022,调节特性:,调节特性也为一组平行直线转矩一定,速度和电压成正比;转矩越大,启动电压越大;,Mm1 Mm2Mm3,9/24/2022,调节特性:mUeMm1Mm2Mm3=0调节特性也为一组平行,四、总结1、直流伺服电动机的转矩特性是一组斜率相同的直线。每条转矩特性和一种电枢电压相对应,与轴的交点是该电枢电压下
12、的理想空载角速度,与Mm轴的交点则是该电枢电压下的启动转矩。,9/24/2022,四、总结9/24/2022,2、直流伺服电动机的调节特性也是一组斜率相同的直线。每条调节特性和一种电磁转矩相对应,与Uc轴的交点是启动时的电枢电压。,9/24/2022,2、直流伺服电动机的调节特性也是一组斜率相同的直线。每条调,3、调节特性的斜率为正,说明在一定的负载下,电动机转速随电枢电压的增加而增加;而转矩特性的斜率为负,说明在电枢电压不变时,电动机转速随负载转矩增加而降低。,9/24/2022,3、调节特性的斜率为正,说明在一定的负载下,电动机转速随电,五、选择电机应考虑的几点1、要满足负载所需要的瞬时转
13、矩和转速,即能够克服峰值负载所需要的功率;,9/24/2022,五、选择电机应考虑的几点9/24/2022,2、当电动机的工作周期可以与其发热时间常数相比较,必须考虑电机的热定额问题。通常用负载的均方根功率作为确定电动机发热功率的基础。,9/24/2022,2、当电动机的工作周期可以与其发热时间常数相比较,必须考虑电,1)若电动机在峰值力矩下,以峰值转速不断地驱动负载,则电动机功率按下式估算:,9/24/2022,1)若电动机在峰值力矩下,以峰值转速不断地驱动负载,则电动机,2)若电机长期连续工作在变载荷之下时,比较合理的是按负载均方根来估算电动机功率:,9/24/2022,2)若电机长期连续
14、工作在变载荷之下时,比较合理的是按负载均方,六、驱动电路 直流电机为直流供电,为了调节电机的转速和方向,需要对直流电压的大小和方向进行控制。,9/24/2022,六、驱动电路9/24/2022,目前广泛采用的直流伺服电机的晶体管驱动电路有:线性直流伺服放大器-小功率脉宽调制放大器(PWM)-大功率;低转速,9/24/2022,目前广泛采用的直流伺服电机的晶体管驱动电路有:9/24/20,1、线性直流伺服放大器组成:线性放大元件和功率输出级。线性放大元件:电压放大功率输出级:功率驱动两种输出形式:互补式输出和线性桥式输出,9/24/2022,1、线性直流伺服放大器9/24/2022,V1和V2的
15、作用?如何实现电机正反转?二极管的作用?,9/24/2022,V1和V2的作用?9/24/2022,线性桥式输出,9/24/2022,线性桥式输出9/24/2022,两种输出方式的区别:1)互补式需要两个电源,且晶体管的额定电压必须大于两个外加电压之和;2)桥式需要单个电源,且晶体管的额定电压就等于电源电压。,9/24/2022,两种输出方式的区别:9/24/2022,特点: 功率消耗较大,适用于功率比较小、电枢具有较高阻抗的情况。,9/24/2022,特点:9/24/2022,2、脉宽调制放大器 1)特点:功率管工作在开关状态,管耗小,通常用在大功率低转速的场合.,9/24/2022,2、脉
16、宽调制放大器9/24/2022,2)基本原理: 利用大功率晶体管的开关作用,将直流电源电压转换成一定频率的方波电压,加在直流电动机的电枢上,通过对方波脉冲宽度的控制,改变电枢的平均电压,从而调节电机的转速。,9/24/2022,2)基本原理:9/24/2022,Pwm包括两步: 直流电压转换为方波脉冲; 功率放大,9/24/2022,Pwm包括两步:9/24/2022,9/24/2022,9/24/2022,线性桥式输出,9/24/2022,线性桥式输出9/24/2022,电压、电流波形的电路原理图,9/24/2022,电压、电流波形的电路原理图9/24/2022,(1)当UAB0时,Us的正
17、、负脉宽相等,直流分量为零,V1和V4的导通时间与V2和V3的导通时间相等,流过电枢绕组中的平均电流等于零,电动机不转。但在交流分量作用下,电动机在停止位置处微振,这种微振有动力润滑作用,可消除电动机启动时的静摩擦,减小启动电压。,9/24/2022,(1)当UAB0时,Us的正、负脉宽相等,直流分量为零,V,(2)当UAB0时,Us的正脉宽大于负脉宽,直流分量U1大于零,V1和V4的导通时间长于V2和V3的导通时间,流过绕组中的电流平均值大于零,电动机正转,且随着U1增加,转速增加。,9/24/2022,(2)当UAB0时,Us的正脉宽大于负脉宽,直流分量U1大,(3)当UAB0时,Us的直
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- 机电 一体化 原理 应用 课件
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