执行元件的选择与设计课件

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1、第三章 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

2、用驱动部件 . 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

3、能和伺服性能等动态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

4、大优点是比纯电磁式马达力矩大，可以直接驱动执行机构，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

5、密度P/G(kWN-1)， (2)比功率密度 (T2/J)/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。,第二节 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

6、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

7、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,第三节 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

8、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,（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

9、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

10、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I

11、M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其主磁通量和转矩。,第四节 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。,同步电机控制原理,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。

12、（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。,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,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A

13、4系列交流伺服驱动器,位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。

14、 控制性能好。在起动、停止、反转时不易“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 T

15、ype） 转子采用永久磁铁、定子采用软磁钢制成，绕组3轮流通电，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

16、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。,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 (