机电一体化原理与应用

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。
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4.1.3 环境载荷
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➢环境载荷指除了摩擦载荷和惯性 载荷Βιβλιοθήκη Baidu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。
V1 VD1 VD3
V3
A
M
B
V2 VD2 VD4
V4
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－Us 0
U s
0
线性桥式输出
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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。
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 εL—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。
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4.3传动链的精度分析
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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，
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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。
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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.
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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。
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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。
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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；
➢采用消隙结构，以减少或消除空 程误差。
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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 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。
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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
M L m rT 1 0 T ( M i iw ) 2 d T 1 t0 T ( M i tf) 2 d T 1 t0 T [J m ( J G m i t J 2 l) i tL ] 2 d
➢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。
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4.1.2 惯性载荷
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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。
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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：
Pm(1.5～ 2.5)M L p Lp
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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：
P m(1.5～ 2.5)M L r Lr
2）Mm＝0时， 即电动机为空载状态
m
Ue KE
0
称Ω0为空载转速
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令 f＝ K M K E Ra
M m M s f m
it
m L
M m M s f Lit
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调节特性：
Mm1> Mm2>Mm3
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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。
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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。
V1
VD2
V1
VD2
V4
VD3
V4
VD3
O
t
U b2 U b3
V2
V2
V3
V3
O
t
U AB ＋Us
U1 O －Us
id 1
1 O4
21
21 34
t
21
21 34
2i d1
2 id2 3t
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电压、 电流波 形的电 路原理 图
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（1）当UAB＝0时，Us的正、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。
机电一体化原理与应用 第四章
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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
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4.1.1 摩擦载荷
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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。
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Pwm包括两步： a) 直流电压转换为方波脉冲； b) 功率放大
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Us 0
－U s
0
U c
V1 VD1 VD3
V3
A
M
B
V2 VD2 VD4
V4
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－Us 0
U s
0
线性桥式输出
U b 1 U b 4 机电学院
输出轴转角的实际值相对于理论值的
变动量
o
i
it
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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。
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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；
Ue
Mm1
Mm2
Mm3=0
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 Ωm 电压越大;
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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Ω轴的交 点是该电枢电压下的理想空载角速 度，与Mm轴的交点则是该电枢电压 下的启动转矩。
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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。
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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
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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。
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2）飞轮力矩。
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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。
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三、直流伺服电动机的转矩特性
电压方程：
U cEaIcRa
E a C Ee m K E m
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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
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V1和V2的作用？ 如何实现电机正 反转？ 二极管的作用？
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Us 0
－U s
0
U c
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
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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。
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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 相对功率大 快速响应 结构复杂 成本较高
m
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M mK R M aU eKM RK aE m
1）当Ωm＝0时，
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即电动机为堵转状态或起动状态，
MmKR MU a e Ms
称Ms为堵转转矩（起动转矩）
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M mK R M aU eKM RK aE m
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。
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1）负载的峰值力矩特性 折算到电动机轴上的负载力矩为
M L m pM itw pM itfp (J m J G m itJ 2 l)it L
折算到电动机轴上的负载峰值力 矩是总传动比的函数。
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。
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3、摩擦力的计算 1）静摩擦力
按库仑摩擦定律得： FS fSN
fs一般在0.1～0.3以上。
2）动摩擦力
Ff f N
f一般在0.1～0.3以下。
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3）干摩擦、半干摩擦
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五、选择电机应考虑的几点
1、要满足负载所需要的瞬时 转矩和转速，即能够克服峰 值负载所需要的功率；
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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。
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2）移动物体惯性载荷的计 算
惯性力：F=ma
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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。
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（2）当UAB>0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。
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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：
ihlh l
令Jlh为JL折算到高速轴 h上的折算转动惯量
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若令效率为100%，根据能量守
恒得：12Jl l2 12Jlh2h
Jlh Jl ih2l
则惯性力矩M为 M=Jε
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=0.012～0.10。
5）滚动摩擦
k
Fr
N R
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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。
KECEe
转矩方程：
M m C M e Ic K M Ic
KMCMe
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IcU cR aE aU c R K aE m
将Ic代入转矩方程得：
M mK R M aU cKM RK aE m
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令＝Uc
Ue
Mm
KM
Ra
Ue
KMKE Ra
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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。
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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。