机电一体化系统设计03.ppt

1、机电一体化系统设计机电一体化系统设计第三章第三章机电一体化系统机电一体化系统执行元件的选择与设计执行元件的选择与设计 张建民张建民 编著编著高等教育出版社高等教育出版社讲授：何庆中讲授：何庆中机机 电电 工工 程程 系系厚厚德德达达理理 励励志志勤勤工工厚厚德德达达理理 励励志志勤勤工工第三章第三章 机电一体化系统机电一体化系统执行元件的选择与设计执行元件的选择与设计 第第3.1节节 执行元件执行元件 执行元件执行元件是将控制信号转换成机是将控制信号转换成机械运动和机械能量的转换元件。械运动和机械能量的转换元件。3.1.1 执行元件的种类及特点执行元件的种类及特点厚厚德德达达理理 励励志志勤勤

2、工工执行元件的特点执行元件的特点厚厚德德达达理理 励励志志勤勤工工1.1.电气执行元件电气执行元件电气执行元件电气执行元件 电气执行元件包括直流电气执行元件包括直流电气执行元件包括直流电气执行元件包括直流(DC)DC)伺服电机、交流伺服电机、交流伺服电机、交流伺服电机、交流（ACAC）伺服电机、步进电机以及电磁铁等。对这些伺服电机、步进电机以及电磁铁等。对这些伺服电机、步进电机以及电磁铁等。对这些伺服电机、步进电机以及电磁铁等。对这些伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态性伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态性伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态性伺服电机除了要求运转平稳

3、以外，一般还要求动态性能好，适合于频繁使用，便于维修等能好，适合于频繁使用，便于维修等能好，适合于频繁使用，便于维修等能好，适合于频繁使用，便于维修等 2 2液压式执行元件液压式执行元件液压式执行元件液压式执行元件 液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功缸、液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功缸、液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功缸、液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况下，液压元件具有重量轻、

4、快速性好等特点率的情况下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点率的情况下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点率的情况下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点 3 3气压式执行元件气压式执行元件气压式执行元件气压式执行元件 气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大与液压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大与液压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大与液压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动力、行程和速度，但由于空

5、气粘性差，具有可的驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可的驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可的驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。压缩性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。压缩性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。压缩性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。执行元件的特点以及优缺点执行元件的特点以及优缺点 种类种类特点特点优点优点缺点缺点电电气气式式 可用商业电源；可用商业电源；信号与动力传送信号与动力传送方向相同；有交方向相同；有交流直流之分；注流直流之分；注意使用电压和功意使用电压和功率。率。操作简便；编程容操作简便；

6、编程容易；能实现定位伺易；能实现定位伺服控制；响应快、服控制；响应快、易与计算机易与计算机（CPUCPU）连接；体连接；体积小、动力大、无积小、动力大、无污染。污染。瞬时输出功率大；瞬时输出功率大；过载差；一旦卡过载差；一旦卡死，会引起烧毁死，会引起烧毁事故；受外界噪事故；受外界噪音影响大。音影响大。气气压压式式 气体压力源压气体压力源压力力5757MpaMpa；要要求操作人员技术求操作人员技术熟练。熟练。气源方便、成本低；气源方便、成本低；无泄露而污染环境；无泄露而污染环境；速度快、操作简便。速度快、操作简便。功率小、体积大、功率小、体积大、难于小型化；动难于小型化；动作不平稳、远距作不平稳

7、、远距离传输困难；噪离传输困难；噪音大；难于伺服。音大；难于伺服。液液压压式式 液体压力源压液体压力源压力力20802080MpaMpa；要求操作人员技要求操作人员技术熟练。术熟练。输出功率大，速度输出功率大，速度快、动作平稳，可快、动作平稳，可实现定位伺服控制；实现定位伺服控制；易与计算机易与计算机（CPUCPU）连接。连接。设备难于小型化；设备难于小型化；液压源和液压油液压源和液压油要求严格；易产要求严格；易产生泄露而污染环生泄露而污染环境。境。厚厚德德达达理理 励励志志勤勤工工3.1.23.1.2机电一体化系统对执行元件的基本要求机电一体化系统对执行元件的基本要求机电一体化系统对执行元件

8、的基本要求机电一体化系统对执行元件的基本要求 （1）惯量小，动力大。惯量小，动力大。（2）体积小，重量轻。体积小，重量轻。（3）安装方便、便于维修维护。安装方便、便于维修维护。（4）易于实现自动化控制。易于实现自动化控制。3.2 机电一体化系统常用的控制电动机机电一体化系统常用的控制电动机 常用伺服控制电动机常用伺服控制电动机 ：DC/AC电动机、力矩电动机、步进（脉冲）电动机、力矩电动机、步进（脉冲）电动机、变频调速电动机、开关电磁电动机电动机、变频调速电动机、开关电磁电动机以及其他电动机（直流或交流脉宽调速电动以及其他电动机（直流或交流脉宽调速电动机、电磁伸缩元件）等。机、电磁伸缩元件）等

9、。厚厚德德达达理理 励励志志勤勤工工常用伺服控制电动机的控制方式常用伺服控制电动机的控制方式 主要有：开环控制、半闭环控制、主要有：开环控制、半闭环控制、闭环控制三种。闭环控制三种。如图所示数控机床伺服系统。如图所示数控机床伺服系统。厚厚德德达达理理 励励志志勤勤工工 它由控制器、被控对象、反馈测量装置它由控制器、被控对象、反馈测量装置它由控制器、被控对象、反馈测量装置它由控制器、被控对象、反馈测量装置等部分组成。等部分组成。等部分组成。等部分组成。3.2.1 机电一体化系统机电一体化系统对伺服控制电动机的基本要求对伺服控制电动机的基本要求 为实现运动、功率为实现运动、功率/能量、控制运动方式

10、的能量、控制运动方式的转换，对伺服控制电动机提出了一些基本要求。转换，对伺服控制电动机提出了一些基本要求。（1）性能密度大。即功率密度）性能密度大。即功率密度 Pw=P/G 或比功或比功率密度率密度 Pbw=(T2/J)/G 大。大。（2）快速性好。加速度大、响应特性好。）快速性好。加速度大、响应特性好。（3）位位置置控控制制与与速速度度控控制制精精度度高高、调调速速范范围围大、低速平稳性好、分辨率高以及振动噪音小。大、低速平稳性好、分辨率高以及振动噪音小。（4）能适应频繁启动，可靠性高、寿命长。）能适应频繁启动，可靠性高、寿命长。（5）易于与计算机对接，实现计算机控制。）易于与计算机对接，实

11、现计算机控制。厚厚德德达达理理 励励志志勤勤工工3.2.2 伺服控制电动机基本特性伺服控制电动机基本特性 无论无论动力用动力用伺服控制电动机伺服控制电动机，还是，还是控制用控制用伺服控制电动机伺服控制电动机，功率，功率转速转速转矩的电特转矩的电特性是电机重要的基本特性指标之一。性是电机重要的基本特性指标之一。厚厚德德达达理理 励励志志勤勤工工 对于伺服控制电机而言，恒转矩工作特对于伺服控制电机而言，恒转矩工作特性是衡量电机调速性能的重要参数之一。性是衡量电机调速性能的重要参数之一。3.3 步进电动机与驱动步进电动机与驱动 3.3.1 3.3.1 步进电动机的特点、种类、工作原理步进电动机的特点

12、、种类、工作原理步进电动机的特点、种类、工作原理步进电动机的特点、种类、工作原理 （1）步进电动机的特点步进电动机的特点 控制精度由步进角决定（控制精度由步进角决定（）。）。抗干扰能力强，在电机电特性工作范围抗干扰能力强，在电机电特性工作范围内，不产生丢步或无法工作等现象。内，不产生丢步或无法工作等现象。电机每转动一步进角，尽管存在一定的电机每转动一步进角，尽管存在一定的转角误差，但电机转动转角误差，但电机转动360360时，转角累计误时，转角累计误差将归零。差将归零。控制性能好，不会产生控制性能好，不会产生“丢步丢步”现象现象（频繁启动、停止、变换）。（频繁启动、停止、变换）。易于与计算机实

13、现对接。易于与计算机实现对接。厚厚德德达达理理 励励志志勤勤工工（2 2）步进电动机的种类）步进电动机的种类）步进电动机的种类）步进电动机的种类 种类种类 按转子构成分类：按转子构成分类：可变磁组型（可变磁组型（VR）步进电机步进电机 转子为导转子为导磁体，也称反应式步进电机。磁体，也称反应式步进电机。永磁型（永磁型（PM）步进电机步进电机 转子为永磁铁。转子为永磁铁。混合型（混合型（HB-Hybrid）步进电机步进电机 转子为转子为导磁体和永磁铁的组合。导磁体和永磁铁的组合。按定子绕组对数分类：按定子绕组对数分类：分为分为2相、相、3相、相、4相、相、5相、相、10相等相等步进电机。步进电机

14、。按定子绕组通电极性分类：按定子绕组通电极性分类：分为单极性和双极性步进电机。分为单极性和双极性步进电机。厚厚德德达达理理 励励志志勤勤工工（3 3）步进电动机的工作原理）步进电动机的工作原理）步进电动机的工作原理）步进电动机的工作原理 当第一个脉冲通入当第一个脉冲通入A A相时，磁通企图沿着磁相时，磁通企图沿着磁阻最小的路径闭合，在此磁场力的作用下，阻最小的路径闭合，在此磁场力的作用下，转子的转子的1 1、3 3齿要和齿要和A A级对齐。当下一个脉冲通级对齐。当下一个脉冲通入入B B相时，磁通同样要按磁阻最小的路径闭合，相时，磁通同样要按磁阻最小的路径闭合，即即2 2、4 4齿要和齿要和B

15、B级对齐，则转子就顺逆时针方级对齐，则转子就顺逆时针方向转动一定的角度：向转动一定的角度：厚厚德德达达理理 励励志志勤勤工工3.3.2 3.3.2 步进电动机的运行特性与性能指标步进电动机的运行特性与性能指标步进电动机的运行特性与性能指标步进电动机的运行特性与性能指标 （1）分辨率分辨率主主 要要 指指 步步 进进 角角=360/znK。如如：0.6/1.2、0.75/1.5、0.9/1.8、。（2）静态特性静态特性 主要指步进电机在稳态工作条件下的特性，主要指步进电机在稳态工作条件下的特性，包括：包括：矩矩角特性、静转矩、静态稳定特性角特性、静转矩、静态稳定特性等。等。失调角示意图失调角示意

16、图 矩角特性曲线矩角特性曲线 厚厚德德达达理理 励励志志勤勤工工（3 3）动态特性动态特性动态特性动态特性 动态特性参数：主要指动态特性参数：主要指动态稳定区动态稳定区、启动转矩启动转矩、矩频特性矩频特性、惯频特性惯频特性等。等。动动态态稳稳定定区区：在在步步进进电电机机从从A A相相转转换换为为B B（或或ABAB）相相通通电电，不不产产生生丢丢步步时时的的稳稳定定工工作作区区域域r r。从从图图中中可可以以得得出出，步步进进电电机机工工作作的的拍拍数数越越多多，稳稳定定工工作作区区域域r r越越接接近近静静态态稳稳定定工工作作区区域域e e，越越不容易丢步。不容易丢步。起起动动转转矩矩TqTq：两两相相（A A、B B）矩矩角角特特性性之之交交点点TqTq表表示示步步进进电电机机单单相相励励磁磁时时所所能能带带动动的的极极限限负负载载转矩，与步进电机的相数和通电方式有关。转矩，与步进电机的相数和通电方式有关。矩角矩角特性特性曲线族曲线族厚厚德德达达理理 励励志志勤勤工工 最高连续运转频率最高连续运转频率f fmaxmax及矩频特性：及矩频特性：步步进电机连续运转时所能接受的最高控制