第3章机电一体化系统执行元件-文档资料

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高速响应;步距角小(0.099) 4) 定子与转子均不含永久磁铁,故无励磁时没有保持力。 5) 制造成本高(气隙要做得尽可能小)、效率低、转子的阻尼差、
噪声久磁铁、定子用软磁钢制成
8) 定子上绕组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
电方式有关。
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3)矩-频特性曲线:步进电动机在连续运行 状态下,电磁转矩随控制频率的升高而逐步 下降。这种电磁转矩与控制频率之间的变化 关系称为矩-频特性。 4) 空载起动频率(空载突跳频率,fq):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。反映电动机跟踪的 快速性。负载惯量增加 fq 5) 最高连续运行频率fmax: 步进电动机在额定状态下不丢步地连续 运行时所能接受的最高控制频率。 fmax fq
4. 液压式 先将电能变换成液压能并用电磁阀改变压力油的流向,从而 时液压执行元件驱动运行机构运动。
5. 气压式 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 代表性的气压执行元件有气缸、气压马达等
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执行元件的特点及优缺点
种 特点 类
优点
缺点
电 可使用商用电源;信 操作简便;编程容 瞬时输出功率大;过载
六、步进电动机的驱动
1. 步进电动机的运行特性与配套使用的驱动电源有密切关系。 2.驱动电源由脉冲分配器和功率放大器等组成 P.99图3.11 3.脉冲分配器:步进电动机的各相绕组必须按一定的顺序通电才
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二、机电一体化系统对控制用电动机的基本要求
1. 性能密度大(功率密度、比功率大)
功率密度:PG=P/G (W/N) 对于起停频率低(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)是主要性能指标。
动机从A相通电状态切换到
B相 (AB相)通电状态时,

致引起丢步,该区域称为
动态稳定区。
拍数越多,动态稳定区就 越接近于静态稳定区,裕 量角r也就越大,在运行中 越不易丢步
2) 矩
-起角动特转性矩T曲q:线A之相交与点B相所
对应的转矩;它表示步进
电动机单相励磁时所能带
动的极限负载转矩;通常
与步进电动机的相数和通
着它所能达到的位置精度越高。 2) 通常的步距角是1.5或0.75。因此电动机的结构:转子做成多齿式,定
子磁极上也制成小齿;它们的大小一样,齿宽和齿距相等 3) 步距角的大小与通电方式和转子的齿数有关
=360/(zm)= 360/(zKN)
z:转子齿数;m:运行拍数,通常等于相数或相数的整数倍,即m=KN(N为电 动机的相数,单拍时K=1; 单双拍时K=2;)
1)开环方式:没有反馈,结构简单,稳定可靠,精度差,在 一般的伺服驱动及数字控制中有大量应用。
2)(半)闭环方式:用于精度、速度要求较高的场合。直流 伺服电动机特性范围宽,易控制,成本低,是目前机电一体 化设备中应用最为广泛的执行元件。交流伺服电动机则以其 特殊环境应用及不需维修为特征,已越来越具有竞争性。
广泛应用于开环控制的机电一体化系统,使系统简化,并可靠地获 得较高的位置精度
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三、种类及特点
1. 可变磁阻型(VR)或者反应式:P.91图3.3 1) 由定子绕组通电激磁产生的反应电磁力力矩吸引用软磁钢
制成的齿形转子作步进驱动; 2) 转子朝定子与转子之间磁阻最小方向转动。 3) 转子结构简单、直径小;工作可靠;运行频率高,有利于
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3. 电气式 将电能变成电磁力,并用该电磁力驱动运行机构运动 对控制用电动机的性能除了要求稳速运转性能外,还要求具 有良好的加速、减速性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 控制用电动机驱动系统一般由电源供电,经电力变换器变换 后输送给电动机,使电动机作回转(直线)运动,驱动负载 机械运动,并在指令器给定的指令位置定位停止。
结构坚固
控制器较复杂;
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第三节 步进电动机及其驱动
一、定义和特性
将电脉冲信号转换为机械角位移的执行元件; 每当电动机绕组接受一个电脉冲,转子就转过一个相应的步距角;
转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比,并 在时间上与输入脉冲同步;
只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电脉冲绕组的通电顺序,电 动机就可获得所需的转角、转速及转向,很容易用微机实现数字控 制。
3. 通电方式:决定电动机获得的步距角
1)单拍通电方式(三相单三拍通电方式):
ABCA:转子沿逆时针方向一步步地转动
ACBA:转子沿顺时针方向一步步地转动
一个绕组断电而另一绕组刚开始通电,高速时易失步;单一
绕组吸引转子,在平衡位置易振荡。很少采用。
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2)双拍通电方式(三相双三拍通电方式):ABBCCAAB
控制用电动机是电气伺服控制系统的动力部件,是将电能转 换为机械能的一种能量转换装置。 它能在很宽的速度和负载范围内进行连续、精确地控制,因 而在各种机电一体化系统中得到了广泛的应用。 基本控制方式:目标运动不同,电动机及其控制方式也不同; 步进电动机的开环方式;DC或AC伺服电动机的半闭环方式和 全闭环方式
电动机与控制 备、计算机外
器需有一一对 围设备 应;控制器较 复杂
IM( 感 应 ) 型 伺 对定子电流的激励分量和
服电动机
转矩分量分别控制;具有
DC伺服电动机的全部优点
耐环境性好,无 在小容量下工 NC机械、机
需维修;可高速 作效率低;温 器人等
大转矩工作;大 度特性差;停
容量下效率良好 ;电时不能制动;
比功率:
d dP td(d T) tT Nd dT t T NT N T N 2Jm
式(k中gm,2)TN:电动机的额定转矩(Nm);Jm:电动机转子的转动惯量
对于起停频率高(如几百次/分)、但不特别要求低速平稳性的 机械设备(高速打印机、绘图机),是主要性能指标。
无刷伺服电动机>步进电动机直流伺服电动机交流伺服电动机 2. 快速性好,即加减速扭矩大,频率特性好; 3. 位置控制精度高,调速范围宽(速比110000),低速运行平稳 无爬行现象,分辨率高;振动噪声小
静态转矩越大,自锁力矩越大,静
态误差越小;
3)静态稳定区:- < e < 的区
域。在静态稳定区内,若去掉负载 转 衡矩 位T置L,转子仍能回到初始稳定平
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3.动态特性:直接影响系统的快速响应及工作的可靠性。与电动 机本身的特性、负载特性、驱动方式等有关。
1)动态稳定区:由矩-角
特性曲线族可知,步进电
高响应特性;高功率密 度;可实现高精度数字 控制;接触换向部件 (电刷与换向器)需要 维护
停电时可制动; 控制器简单;小 容量的成本低; 功率密度高;无 铁心型的不存在 齿槽效应转矩
转矩、效率、 精度、高速性 差
需对整流子维 护;不能在高 速大力矩下工 作 ;产生磨 耗粉尘
计算机外围设 备、办公机械、 数控装置
重量) 或比功率密度( =
(T
2 N
Jm)
G
)来评价
3. 便于维修、安装:执行元件最好不需要维修。无刷DC 及AC就是走向无维修的一例
4. 易于微机控制:电气式执行元件最易于用微机控制;因 此机电一体化系统所用执行元件主流是电气式,其次是 液压式和气压式
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第二节 机电一体化系统常用的控制电动机
一、概述
每拍都有两相同时通电,在状态变换时总有一相持续通电,运转平稳,输 出转矩大,发热大。步距角单拍通电方式
3)单双拍通电方式(三相六拍通电方式):AABBBCCCAA P.92图3.7
每拍总有一相持续通电,运转平稳,步距为前面两种的一半,采用最多。
4. 步距角(): 1)每输入一个电脉冲信号,转子所转过的角度称为步距角。其值越小,意味
第三章 机电一体化系统执行元件的选择与设计
第一节 执行元件
一、执行元件在机电一体化系统中的作用: 1. 是机电一体化系统必不可少的驱动元件 2. 是处于机电一体化系统的机械运行机构与微电子 控制部件的联接部位的能量转换元件,能在微电 子装置的控制下,将输入的各种形式的能量转换 为机械能
二、执行元件的种类及特点 1.种类:见No.2Powerpoint 2. 特点:见No.3Powerpoint
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三、机电一体化系统对执行元件的要求
1.惯量小、动力大
惯量:质量m,转动惯量J
动力:推力F,转矩T,功率P
比功率(表征动力大小的综合性能指标,包含了功率、 加速性能与转速三种因素):
d dP td(d T)tT Nd dT t T NT N T N 2Jm
2. 体积小、重量轻:用功率密度( = P/G;G为执行元件的
二、特点
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,只要在它们的大小未引起步进电动 机产生“丢步”现象之前,就不影响其正常工作。
步进电动机的步距角有误差,转子转过一定步数后也会出现累积误 差;但转子转过一转后,其累积误差变为“零”,因此不会长期积 累。 控制性能好,在起动、停止、反转时不易“丢步”
4.适应起、停频繁的工作要求; 5.可靠性高,寿命长。
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三、控制用电动机的种类、特点及选用
种类
主要特点
优点
缺点
应用实例
步进电动机 VR: 可 变 磁 阻 PM:永磁型 HB:混合型
DC伺服电动机
转 角 与 控 制 脉 冲 数 成 比 例 ,低 速 转 矩 大 , 速 可构成直接数字控制;有 度控制简单;外 定位转矩;可构成廉价的 形尺寸小 开环控制系统
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五、运行特性及性能指标
1.分辨率S:S=360/s;步距角s越小,分辨率越高。
2.静态特性:步进电动机在稳定状态时的特性,包括静转矩、矩 -角特性及静态稳定区
1角 性) 。矩e之大-间致角的为特关一性系条:曲正电线弦磁称曲转为线矩矩Tj—和角失特调
2
e
m
2矩)最为大最静大转静矩转:矩Tej=max在/2产时品说的明静书态中标转示
9) 无励磁时也具有保持力,具有记忆能力,可用作定位驱动。
10) 励磁功率小、效率高、造价便宜。
11) 转子磁铁的磁化间距受到限制,步距角大(7.518);转矩
大,转子惯量也较大
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3. 混合型(HB)或永磁反应式:P.91图3.5
1) 定子和VR型相似,磁极上有控制绕组,极靴表面切有小齿; 转子由永久磁铁和铁芯构成,同样切有小齿。
式 作人员技术熟练
快、操作比较简单 远距离传输困难;工作
噪声大、难于伺服
液 液 压 源 的 压 力 为 输出功率大,速度 设备难于小型化;液压 压 (20~80)105Pa ; 要 求 快,动作平稳,可 源或液压油要求(杂质、 式 操作人员技术熟练 实现定位伺服;易 温度、油量、质量)严
于 CPU 相 接 ; 响 应 格;易泄漏且有污染 快
气 号与动力的传送方向 易;能实现定位伺 差,特别是由于某种原
式 相同;有交流和直流 服;响应快、易于 因而卡住时,会引起烧
之别;应注意电压的 CPU连接;体积小、 毁事故,易受外部噪声
大小
动力较大;无污染 影响
气 空气压力源的压力为 气源方便、成本低;功率小,体积大,动作
压 (5~7)105Pa ; 要 求 操 无泄漏污染;速度 不够平稳;不易小型化;
NC机械、机 器人、计算机 外围设备、办 公机械、音响 和音像设备、 计测机械等
SM(同步)型伺 服电动机
无接触换向部件; 需要磁 极位置检测器(如同轴编码 器等);具有DC伺服电动机
的全部优点
停电时可制动 ;
可在高速大力矩 工作 ;耐环境性 好,无需维修 ;
小型轻量;功率 密度高
无自启动功能; 音响和音像设
2) 综合VR型和PM型的优点:步距角小(0. 93.6),工作频率 高;控制功率小,无励磁时具有转矩定位。
3) 结构复杂,成本高。
四、工作原理 P.91图3.6
1.励磁相数:每两个相对磁极组成一相
三相、四相、五相、六相、八相
2.工作原理:A相励磁绕组通以电脉冲时定子A相磁极产生磁 通对转子产生磁拉力转子的1,3两个齿转动一定的角度 (步距角)与A相磁极对齐 B相励磁绕组通以电脉冲时 定子B相磁极产生磁通对转子产生磁拉力转子的2,4两 个齿转动一定的角度(步距角)与B相磁极对齐
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