机电一体化系统执行元件的选择与设计课件.ppt

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1、第三章 机电一体化系统执行元件的选择与设计,第三章 执行元件的选择与设计,3.1 执行元件的种类及其特点一、执行元件的种类及其特点二、机电一体化系统(或产品)对执行元件的基本要求3.2 机电一体化系统(或产品)常用的控制用电机一、对控制用电机的基本要求二、控制用电机的种类、特点及选用三、直流(DC)伺服电机与驱动四、交流(AC)伺服电机与驱动五、步进电机的种类及其工作原理六、步进电机的运行特性及性能指标七、步进电机的驱动与控制,第三章 执行元件的选择与设计,机电一体化系统(或产品)离不开执行元件为其提供动力。如数控机床的主轴转动、工作台的进给运动以及工业机器人手臂升降、回转和伸缩运动等所用驱动

2、部件.在电子控制装置控制下，将输入的各种形式的能量转换为机械能，例如电动机、液动机、气缸、内燃机、电磁铁、继电器等分别把输入的电能、液压能、气压能和化学能转换为机械能。大多数执行元件已作为系列化商品生产，故在设计机电一体化系统或产品时，可作为标准件选用、外购。,3.1 执行元件的种类及其特点,一、执行元件的种类及其特点1、种类,直流伺服电机,步进电机,直线电机,带齿轮减速器的微特电机,微型电机,电 磁 铁,油 缸,油 马 达,气 缸,气 马 达,形状记忆合金支架,一、执行元件的种类及其特点,2、特点（1）电气执行元件控制用电机的性能除了要求稳速运转性能以外，还要求加速、减速性能和伺服性能等动态

3、性能以及频繁使用时的适应性和便于维修性能。驱动系统具有位置(或速度)反馈环节的叫闭环系统，没有位置与速度反馈环节的叫开环系统微量位移用器件（微驱动研究简介）电磁铁压电驱动器电热驱动器,纳米级高精密微驱动机器人，能对细胞和染色体进行“显微手术”，并能用在微电子、精密加工、光学微调整、通讯光纤对接等精度要求较高的领域,一、执行元件的种类及其特点,2、特点（2）液压式执行元件主要包括执行往复运动的油缸、回转油缸、液压马达等，其中油缸占绝大多数。（电磁阀控制）一般的电液伺服系统，采用电液伺服阀控制油缸的往复运动。数字式液压执行元件，例如电液伺服马达和电液步进马达，最大优点是比纯电磁式马达力矩大，可以直

4、接驱动执行机构，力矩惯量比大，过载能力强，适合于重载的高加减速驱动。,一、执行元件的种类及其特点,2、特点（3）气压式执行元件气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液压式执行元件无什么区别。气压驱动虽可得到较大的驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩性，故不能在定位精度较高的场合使用。,二、机电一体化系统(或产品)对执行元件的基本要求,1惯量小、动力大表征惯量指标：a、J表征动力大小指标：F、T、P表征动力大小综合指标：比功率 比功率=P/=T2/J（kWs-1）2体积小、重量轻 用功率密度或比功率密度来评价这项指标(1)功率密度P/G(kWN-1)，(2)比功率密度(T2/J

5、)/G（kWs-1N-1)3便于维修、安装 执行元件最好不需要维修,例如交/直流无刷伺服电机。4宜于微机控制 机电一体化系统所用执行元件的主流是电动式，其次是液动和气动式。内燃机运动的微机控制较难，故通常仅用于交通运输机械。,3.2 机电一体化系统(或产品)常用的控制用电机,它是将电能转换为机械能的一种能量转换装置。工作可在很宽的速度和负载范围内受到连续而精确的控制，因而在各种机电一体化系统中得到了广泛的应用。控制用电机有回转和直线驱动电机，通过电压、电流、频率(包括指令脉冲)等控制，实现定速、变速驱动或反复启动、停止的增量驱动以及复杂的驱动，而驱动精度随驱动对象的不同而不同。伺服电机控制方式

6、的基本形式有三种。步进电机的开环方式、其它电机的半闭环方式和全闭环方式是基本控制方式。闭环方式可得到比开环方式更精密的伺服控制。,伺服电机控制三种基本形式,一、对控制用电机的基本要求,(1)性能密度大、即功率密度和比功率大；功率密度P/G(WN-1)，比功率密度TN2/Jm（Ws-1)(2)快速性好，即加速转矩大，频响特性好；(3)位置控制精度高、调速范围宽、低速运行平稳无爬行现象、分辩率高、振动噪声小；(4)适应启、停频繁的工作要求；(5)可靠性高、寿命长。,二、控制用电机的种类、特点及选用,对于启停频率低(如几十次分)，但要求低速平稳和扭矩脉动小、高速运行时振动、噪声小，在整个调速范围内均

7、可稳定运动的机械，如NC工作机械的进给运动、机器人的驱动系统，其功率密度是主要的性能指标；对于启停频率高(如数百次分)，但不特别要求低速平稳性的产品，如高速打印机、绘图机、打孔机、集成电路焊接装置等主要的性能指标是高比功率。在额定输出功率相同的条件下，交流伺服电机的比功率最高，依次为步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机。,二、控制用电机的种类、特点及选用,三、直流(DC)伺服电机与驱动,1、直流伺服电机的特性及选用（1）特点电枢大多为永久磁铁磁场；直流伺服电机具有较高的响应速度、精度和频率，优良的控制特性等优点。由于使用电刷和整流子，故寿命较低，需要定期维修。,1、直流伺服电机的特性及选用,（

8、2）选用 宽调速直流伺服电机应根据负载条件来选择。加在电机轴上的有两种负载即负载转矩和负载惯量。当选用电机时，必须正确地计算负载，必须确认电机能满足下列条件：在整个调速范围内，其负载转矩应在电机连续额定转矩范围以内；工作负载与过载时间应在规定的范围以内；应使加速度与希望的时间常数一致。如果可能，加减速应选取相同的时间常数。惯性负载值对电机灵敏度和快速移动时间有很大影响。如果负载惯量达到转子惯量的三倍，灵敏度要受到影响，必须避免使用这种惯性负载。,2、直流伺服电机与驱动,直流伺服电机为直流供电，为调节电机转速和方向，需要对其直流电压的大小和方向进行控制。（1）可控硅（晶闸管）直流（SCR）驱动方

9、式通过调节触发装置控制可控硅的开放角(控制电压之大小)来移动触发脉冲的相位，从而改变整流电压的大小使直流电机电枢电压的变化易平滑调速。由于可控硅本身的工作原理和电源的特点，导通后是利用交流(50Hz)过零来关闭的，因此，在低整流电压时，其输出是很小的尖峰值的平均值，从而造成电流的不连续性。,1、直流伺服电机与驱动,（2）脉宽调制（PWM）直流调速驱动方式 采用脉宽调速驱动系统，其开关频率高(通常达20003000Hz)，伺服机构能够响应的频带范围也较宽，与可控硅相比其输出电流脉动非常小，接近于纯直流。,1、直流伺服电机与驱动,脉宽调制（PWM）直流调速驱动原理,1、直流伺服电机与驱动,（1）脉

10、宽调制（PWM）直流调速驱动方式 一个周期内电压的平均值：=/T 称为导通率，或占空系数（占空比）T不变，连续改变，Ua将连续变化。实际应用中，开关K采用大功率三极管。续流二极管作用是K断开时，保持导通。开关频率为5002500Hz,1、直流伺服电机与驱动,（1）脉宽调制（PWM）直流调速驱动方式 双向调速PWM主回路电器原理,四、交流(AC)伺服电机与驱动,1、交流伺服电机基本原理 同步(SM)和感应(IM)型伺服电机称为交流伺服电机。其基本原理是检测SM型和IM型的气隙磁场的大小和方向，用电力电子变换器代替整流子和电刷，并通过与气隙磁场方向相同的磁化电流和与气隙磁场方向垂直的有效电流来控制

11、其主磁通量和转矩。,四、交流(AC)伺服电机与驱动,2、同步电机控制原理采用永久磁铁磁场的同步电机不需要磁化电流控制，只要检测磁铁转子的位置即可。这种交流伺服电机也叫做无刷直流伺服电机(如SM型伺服电机)。由于不需要磁化电流控制故比IM型伺服电机容易控制。转矩产生机理与直流伺服电机相同。,四、交流(AC)伺服电机与驱动,同步电机控制原理,四、交流(AC)伺服电机与驱动,3、矢量控制原理 IM型伺服电机是鼠笼式感应电机，为回转磁场，由于气隙磁场难于直接检验，可以用转子的位置和速度的等效控制来代替，其中之一是矢量控制。（参见相应专著）（目前应用多选购市售的伺服电机及相应控制器）思想：将异步电动机模

12、拟成直流机，通过坐标变换的方法，分别控制电机的励磁电流分量与转矩电流分量，从而获得与直流电动机一样的良好的动态调速特性。,四、交流(AC)伺服电机与驱动,3、矢量控制原理交流电动机的矢量控制是交流伺服系统的关键，可以利用微处理器和微型计算机数控对交流电动机作磁场的矢量控制，从而获得对交流电动机的最佳控制。,四、交流(AC)伺服电机与驱动,3、矢量控制原理,四、交流(AC)伺服电机与驱动,矢量控制框图,日本山洋伺服系统P5系列30W-1000W同步型超小型、高转速、低价位组合,日本三菱伺服系统新一代伺服电机MR-J2-super系列,四、交流(AC)伺服电机与驱动,松下A4系列交流伺服驱动器,位

13、置控制模式信号接线,五、步进电机的种类及其工作原理,它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。特点是输入一个电脉冲就转动一步，即每当电机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。转子的角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及其频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步。很容易用微机实现数字控制。,五、步进电机的种类及其工作原理,步进电机具有以下特点：步进电机的工作状态不易受各种干扰因素(如电源电压的波动、电流的大小与波形的变化、温度等)的影响；步进电机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差为“零”，不会长期积累。控制性能好。在起动、停止、反转时不

14、易“丢步”。因此，步进电机被广泛应用于开环结构的机电一体化系统，使系统简化，并可靠地获得较高的位置精度。,1步进电机的种类,(1)可变磁阻型(vR型 variable)定子1与转子2由铁芯构成，没有 永久磁铁，定子上嵌有线圈转子结构简单、转子直径小，有 利于高速响应。铁芯无极性，常有吸引力，故不需 改变电流极性，多为单极性励磁。无励磁时没有保持力。需要将气隙作得尽可能小，几个微米。制造成本高、效率低、转子的阻尼差、噪声大等缺点。制造材料费用低、结构简单、步距角小。,1步进电机的种类,(2)永磁型(PM型 Permonent Magnet Type）转子采用永久磁铁、定子采用软磁钢制成，绕组3轮

15、流通电，建立的磁场与永久磁铁的恒定磁场相互吸引与排斥产生转矩。由于采用了永久磁铁，即使定于绕组 断电也能保持一定转矩，故具有记忆 能力，可用作定位驱动。特点是励磁功率小、效率高、造价便宜，因此需要量也大。由于转子磁铁的磁化间距受到限制，难 于制造，故步距角较大。与VR型相比转矩大，但转子惯量也较大。,1步进电机的种类,(3)混合型(HB型一Hybrid Type)转子上嵌有永久磁铁，故可以说是水磁型步进电机但从定子和转子的导磁体来看，又和可变磁阻型相似，故称为混合型步进电机。具有VR型步进电机步距角小、响应频率高的优点，还具有PM型步进电机励磁功率小、效率高的优点是一种很有发展前途的步进电机。

16、,2步进电机与伺服电机的比较,步进电机与比和AC伺服电机相比、其转矩、效率、精度、高速性比较差但步进电机具有低速时转矩大，速度控制比较简单，外形尺寸小等优点。在办公室自动化方面的打印机、绘图机、复印机等机电一体化产品中得到广泛使用。在工厂自动化方面也可代替低档的DC伺服电机。,3步进电机的工作原理,（1）三相单三拍通电方式 A-B-C-A，步距角30度（2）三相双三拍通电方式 AB-BC-CA-AB，步距角30度,3步进电机的工作原理,（3）三相六拍通电方式 A-AB-B-BC-C-CA-A 步距角15度,4步进电机的步距角,步进电机的步距角越小，意味着它所能达到的位置精度越高。通常的步矩角是

17、1.5度或0.75度；为此需要将转子做成多极式的，并在定子磁极上制成小齿步距角的大小与通电方式和转子齿数有关，其大小可用下式计算 a360（zm）式中 z转子齿数，mKN(N为电机的相数，单拍时K1，双拍时K3)。,六、步进电机的运行特性及性能指标,(1)分辨力在一个电脉冲作用下(即一拍)，电机转子转过的角位移，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)静态待性(稳定状态时的特性)静转矩 矩-角待性 静态稳定区,六、步进电机的运行特性及性能指标,(2)静态特性(稳定状态时的特性),六、步进电机的运行特性及性能指标,(3)动态特性

18、动态稳定区步进电机在拍数越多的运行方式下，其动态稳定区就越接近于静态稳定区，裕量角也就越大，在运行中也就越不易丢步。,六、步进电机的运行特性及性能指标,(3)动态特性 起动转矩Tq它表示步进电机单相励磁时所能带动的极限负载转矩。起动转矩通常与步进电机相数和通电方式有关，如表37。,六、步进电机的运行特性及性能指标,(3)动态特性 最高连续运行频率及矩-频特性步进电机在连续运行时所能接受的最高控制频率被称为最高运行频率，以fmax表示。电机在连续运行状态下，其电磁转矩随控制频率的升高而逐步下降。这种转矩与控制频率之间的变化关系称为矩-频特性。在不同控制频率下电机所产生的转矩称为动态转矩。,六、步

19、进电机的运行特性及性能指标,(3)动态特性空载起动频率与惯-频特性在空载状态下，转子从静止状态能够不失步地起动时的最大控制频率称为空载起动频率。当带载起动时，所允许的起跳控制频率会大大下降。带动惯性负载时的起跳频率与负载惯量之间的关系称惯-频特性。,六、步进电机的运行特性及性能指标,(4)型号表示方法,七、步进电机的驱动与控制,步进电机的运行特性与配套使用的驱动电源有密切关系。驱动电源由脉冲分配器、功率放大器组成，控制输入电脉冲的数量和频率就可精确控制步进电机转角和速度。,七、步进电机的驱动与控制,(1)环形脉冲分配器 方法有三种方法一：采用计算机软件利用查表或计算方法来进行脉冲的环形分配，简

20、称软环分。,七、步进电机的驱动与控制,方法二：是采用小规模集成电路搭接而成的三相六拍环形脉冲分配器。,七、步进电机的驱动与控制,方法三：采用专用环形分配器器件。如市售的CH250即为一种三相步进电机专用环形分配器。它可以实现三相步进电机的各种环形分配，使用方便、接口简单。,七、步进电机的驱动与控制,(2)功率放大器从计算机输出口或从环形分配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安，不能直接驱动步进电机，必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大，使其增大到几至十几安培，从而驱动步进电机运转。为使电流尽快衰减，并释放反电动势，必须增加适当的续流电路。,七、步进电机的驱动与控制,步进电机功率放大器类型,功率

21、放大电路,(2)功率放大器,单电压功率放大电路,(2)功率放大器,单电压功率放大电路,(2)功率放大器,单电压功率放大电路,(2)功率放大器,单电压功率放大电路,(2)功率放大器,几点说明电路中与绕组并联的二极管分别起续流作用，即在功放管截止时，使储存在绕组中的能量通过二极管形成续流回路泄放，从而保护功放管。与绕组W串联的电阻R为限流电阻，限制通过绕组的电流超过其额定值，以免电机发热厉害甚至被烧坏。阻值一般在520欧姆范围内选取。电路结构简单。R串在大电流回路中，要消耗能量，使放大器功率降低。由于绕组电感L较大，电路对脉冲电流的反应较馒，因此，输出脉冲波形差、输出功率低。这种放大器主要用于对速

22、度要求不高的小型步进电机。,(2)功率放大器,高低压功率放大电路,(2)功率放大器,高低压功率放大电路,(2)功率放大器,高低压功率放大电路,(2)功率放大器,特点高低压功率放大电路由于仅在脉冲开始的一瞬间接通高压电源，其余的时间均由低压供电，故效率很高，由于电流上升率高，故高速运行性能好，由于电流波形陡，有时还会产生过冲，故谐波成分丰富，电机运行时振动较大尤其在低速运行时）。,(2)功率放大器,高低压功率放大电路（采用单稳触发器）,(2)功率放大器,恒流源功率放大电路,(2)功率放大器,恒流源功率放大电路,(2)功率放大器,恒流源功率放大电路,(2)功率放大器,恒流源功率放大电路特点是在较低

23、的电压上，有一定的上升率因而可用在较高频率的驱动上。由于电源电压较低，功耗将减小，效率有所提高。由于恒流源管工作在放大区，管压降较大，功耗很大，故必须注意对恒流源管采用较大的散热片散热。,(2)功率放大器,斩波恒流功率放大电路,VF1、VF2为开关管。T为VFl的驱动管。CP为比较器。D1,D2两极反相驱动器，Y与非门。,(2)功率放大器,斩波恒流功率放大电路该电路由于去掉了限流电阻，效率显著提高。利用高压给W储能，波形的前沿得到了改善，可使步进电机的输出加大，运行频率得以提高。,(2)功率放大器,调频调压功放电路前述的各种功放电路都是为保证绕组电流有较好的上升沿和幅值而设计的，从而有效地提高

24、了步进电机的工作频率。但在低频运行时，会给绕组中注入过多的能量则引起电机的低频振荡和噪声。为解决此问题，使产生了调频调压功放电路。基本原理是当步进电机在低频运行时，供电电压降低，当运行在高频段时，供电电压也升高。,(2)功率放大器,调频调压功放电路,(3)细分驱动,上述各种功率放大电路都是安装环形分配器决定的分配方式，步距角的大小只有两种，即整步工作或半步工作。步距角已由步进电机结构所确定。如果要求步进电机有更小的步距角或者为减小电机振动、噪声等原因，可以在每次输入脉冲切换时，不是将绕组电流全部通入或切除，而是只改变相应绕组中额定的一部分，则电机转子的每步运动也只有步距角的一部分。将一个步距角

25、细分成若干步的驱动方法称为细分驱动。细分驱动的特点是以在不改动电机结构参数的情况下，能使步距角减小。细分后的步距角精度不高，功率放大驱动电路也相应复杂；能使步进电机运行平稳，提高匀速性并能减弱或消除振荡。,(3)细分驱动,要实现细分，需要将绕组中的矩形电流波改成阶梯形电流波。即设法使绕组上的电流以若干个等幅等宽度阶梯上升到额定值并以同样的阶梯从额定值下降为零。,(3)细分驱动,采用多路功率开关元件优点：功率晶体管工作在开关状态，功耗很低。缺点：器件多，体积大。,(3)细分驱动,将上述各开关的控制脉冲信号进行叠加这种细分电路中，功率晶体管工作在放大状态，功耗大，电源利用率低，但所用器件少。,功率

26、管工作在放大状态,(3)细分驱动,恒频脉宽调制细分驱动电源,斯达特步进电机斯达特步进电机驱动器,(4)步进电机的微机控制,串行控制,(4)步进电机的微机控制,并行控制,(4)步进电机的微机控制,速度控制控制步进电机的运行速度，实际上就是控制系统发出时钟脉冲的频率或者换相的周期。系统可用两种办法来确定时钟脉冲的周期：一种是软件延时；软件延时的方法是通过调用延时子程序的方法实现的，它占有CPU时间。另一种是用定时器。定时器方法是通过设置定时时间常数的方法来实现的。,(4)步进电机的微机控制,步进电机的加减速控制 运行速度都需要有一个加速一恒速一减速一(低恒速)一停止的过程，各种系统在工作过程中，都

27、要求加减速过程时间尽量短，而恒速时间尽量长。特别是在要求快速响应的工作中，从起点至终点运行的时间要求要短，这就必须要求升速、减速的过程要短，而恒速时的速度最高。,(4)步进电机的微机控制,步进电机的加减速控制升速规律一般有按照直线规律升速和按指数规律升速。按直线规律升速时加速度为恒值，因此要求步进电机产生的转矩为恒值。实际上电机转速升高时，输出转矩将有所下降。如按指数规律升速，加速度是逐渐下降的，接近电机输出转矩随转速变化的规律。用微机对步进电动机进行加减速控制，实际上就是改变输出时钟脉冲的时间间隔。升速时使脉冲串逐渐加密，减速时使脉冲串逐渐稀疏。对升降速过程约控制有很多种方法，软件编程也十分灵活，技巧很多。此外，利用模拟数字集成电路也可实现升降速控制，但缺点是实现起来较复杂且不灵活。,(4)步进电机的微机控制,步进电动机的闭环控制,作业3,1、简述执行元件的种类及其特点。2、机电一体化系统(或产品)对执行元件的基本要求是什么？3、对控制用电机的基本要求是什么？4、简述控制用电机的种类及特点.5、简述常用直流伺服电机驱动方式及原理。6、步进电机的主要特点有哪些？7、步进电机的种类有哪些？8、简述步进电机的主要性能指标及意义。9、图示说明步进电机驱动电源的组成，简述各部分主要功能及实现方法。10、叙述步进电机控制细分目的、原理及方法。,