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第三章机电一体化系统执行元件的选择与设计第三章机电一体化系统执行元件的选择与设计•一、本章教学目标及要求•①执行元件的作用、分类、特点及机电一体化系统对其要求；•②步进电机的特点与种类、工作原理；•③步进电机的性能指标及运行特性、驱动与控制；•④直流伺服电动机的原理及其驱动；•⑤交流伺服电动机的原理及其驱动。•本章教学重点：步进电机工作原理及驱动控制，直流、交流伺服电机选用及控制。•本章教学难点：步进电机、直流、交流伺服电机控制。第一节执行元件的作用、分类及机电一体化系统对其基本要求•作用：•执行元件主要用来根据控制信息和指令，将来自电、液压、气压等各种能源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式机械能，并完成要求动作的能量转换装置，它在机电一体化系统中所处的位置参见下图。一、执行元件分类•根据使用能量的不同，可以将执行元件分为电气式、液压式和气压式等几种类型。•(1)电气(磁)式：是将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动运行机构运动的。电动执行装置由于能源容易获得，使用方便，所以得到了广泛的应用。•(2)液压式：是先将电能变换为液压能并用电磁阀改变压力油的压力和流向，从而使液压执行元件驱动运行机构运动，包括液压油缸、液压马达等。具有体积小、输出功率大等特点。•(3)气压式：与液压式的原理相同，只是将介质由油改为气体，包括气缸和气动马达。特点是重量轻、价格便宜。•(4)其它执行元件：与使用材料有关，如使用双金属片、形状记忆合金或压电元件。一、执行元件分类交流伺服电机直流伺服电机步进电机其它电机双金属片形状记忆合金压电元件电磁铁及其它电动机油缸液压马达气缸气压马达执行元件电磁式液压式气压式其它与材料有关二、执行元件的特点与性能•1.电气执行元件：•优点：•①以电源为能源，在大多数情况下容易得到；•②容易控制；•③可靠性、稳定性与环境适应性好；•④与计算机等控制装置的接口简单；•缺点：•①为了实现一定的旋转运动或直线运动，经常要使用齿轮等传动部件；•②过载能力差，容易受载荷影响，不慎被“卡住”时甚至会烧毁；•③获得大功率比较困难；二、执行元件的特点与性能•2.液压执行元件：•优点：•①输出功率大；•②功率密度大，可以减小执行元件的体积；•③刚度高，能够实现高速、高精度的位置控制；•缺点：•①液压油源和进油、回油管路等附属设备占空间，使设备难于小型化。•②对油的要求（杂质、温度等）严格；•③易泄露且有污染；二、执行元件的特点与性能•3.气压执行元件：•优点：•①气源方便、成本低；•②无泄漏污染；•③速度快、操作比较简单；•④利用空气的可压缩性可实现缓冲控制；•缺点：•①由于空气的可压缩性，高精度伺服控制比较困难；•②虽然撞停等简单动作速度较高，但在任意位置上停止的速度很慢；•③能量效率低,噪声大。三、机电一体化系统对执行元件的基本要求1、惯量小、动力大JTP2比功率加速度表征执行元件的加速性能；另一表征动力大小的综合性指标为比功率（功率的时间变化率）,它包含了功率、加速性能与转速三种因素。•2、体积小，重量轻•通常用执行元件单位重量所能达到的输出功率或比功率，即用功率密度或比功率密度来评价这项指标。设执行元件的重量为G，则功率密度＝P/G，比功率密度＝T2/J/G•3、便于维修、安装•4、易于微机控制四、执行装置的基本动作原理•1.电气式执行元件的动作原理•直流电机等电气式执行元件都是由电磁力驱动运行机构运动的，基本工作原理相同。如图3.1所示，直流伺服电动机由永磁体定子、线圈转子（电枢）、电刷和换向器组成，磁场中的线圈通入电流时，就会产生电磁力，驱动转子转动。电气式执行元件的动作原理•为了得到连续的旋转运动，就必须随着转子的转动角度不断改变电流方向，因此，必须有电刷和换向器。至于交流感应电机是在线圈内产生感应电流，再产生电磁力进行工作的。电机所产生的转矩与通过的电流大小成正比；•2.液（气）压式执行元件的动作原理•液压式和气压式执行元件是用一定压力的油或气体推动活塞或叶片产生直线运动或旋转运动。•利用阀门等调整液（气）体的流量，就可以控制速度，而且可以在很大范围内调整。3.2机电一体化系统常用的控制用电机•控制用电机是将电能转换成机械能的一种能量转换装置。•包括：力矩电动机、脉冲电动机、变频调速电动机、开关磁阻电动机和各种AC/DC电动机等。一、控制用电机的控制方式与优点•图3.4为控制用电动的基本控制形式。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、其它电动机的半闭环方式和全闭环方式是控制用电动机的基本控制方式。闭环方式比开环方式的伺服控制精度高。•伺服（随动）－servo：系统由如此几种设备组成，它们可以连续地监测系统的实际信息（位置、速度、加速度等），把这些信息与理想的给定信号相比较，然后做出适当的必要的调整以使差值为最小。伺服电动机控制方式的基本形式异步电动机内部结构•普通电机可正反转，但不能调速•普通电机+微电子控制=控制用电机•方便调速•异步电机转速表达式：••调速方法：改变电源频率f•改变转差率s•改变磁极对数p•直流伺服电动机的机械特性方程为：•式中，一电枢控制电压；一电枢回路电阻；—每极磁通；、—分别为电动机的结构常数。•由上式知，直流伺服电动机的控制方式如下：•（1）调压调速（变电枢电压，恒转矩调速）•（2）调磁调速（变励磁电流，恒功率调速•（3）改变电枢回路电阻调速•常用的是前面2种调速方式。二、机电一体化系统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电动机转子的转动惯量电动机的额定转矩其中：比功率功率密度mNmNNGJTJTTdtdpGPP22、快速性好，加减速扭矩大，频率特性好；3、位置控制精度高、调速范围宽、低速运行平稳无爬行现象、分辨率高、振动噪声小；4、适应启、停频繁的工作要求；5、可靠性高、寿命长三、控制用电机的种类、特点及选用•机电一体化系统（或产品）使用两类电动机：动力用电动机和控制用电动机。•动力用电动机：感应式异步电动机和同步电动机等；•控制用电动机：力矩电动机、脉冲电动机、开关磁阻电动机和变频调速电动机和各种AC/DC电动机等。不同的应用场合，对控制电动机的性能密度的要求不同：•对于起停频率低，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行的机械，其功率密度是主要的性能指标；•对于起停频率高，但不特别要求低速平稳性的产品，其主要性能指标是高比功率。控制用电机按工作原理可分为旋转磁场型旋转电枢型同步电机步进电机直流电机感应电机伺服电机特点及应用实例伺服电动机优缺点比较DC伺服电动机优点：•停电时可制动•控制器简单•小容量的成本低•功率速度高•无铁心形的不存在齿槽效应转矩缺点：•需对整流子维护•不能在高速大力矩下工作•产生磨耗有粉尘同步（SM）型伺服电动机优点：•停电时可制动•可高速大力矩工作•耐环境性好，无需维修•小形轻量•功率速度高缺点：•无自启动功能；•电动机与控制器需一一对应•控制器较复杂感应（IM）型AC伺服电动机优点：•耐环境性好，无需维修；•可高速大转矩工作；•大容量下效率良好；•结构坚固；缺点：•在小容量下工作效率低•温度特性差；•停电时不能制动；•控制器较复杂3.3步进电机及其驱动•步进电机又称脉冲电机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。每当输入一个电脉冲时，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、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。•步进电机的转角与输入的电脉冲数成正比•步进电机的转速与输入的电脉冲频率成正比•步进电机的转向与输入的电脉冲的顺序成正比。3.3.1步进电动机的特点、种类、工作原理（1）步进电动机的特点①工作状态不易受各种干扰因素(如电压波动、电流大小与波形变化、温度等)的影响；②步进电动机的步距角有误差，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，其累积误差变为“零”；③由于可以直接用数字信号控制，与微机接口比较容易；④控制性能好,在起动、停止、反转时不易“丢步”；⑤不需要传感器进行反馈，可以进行开环控制；⑥缺点是能量效率较低。（2）步进电动机的种类（1）按运动方式分旋转式步进电机和直线式步进电机·（2）按转子构成分类：可变磁阻型（VR）步进电机——转子为导磁体，也称反应式步进电机。永磁型（PM）步进电机——转子为永磁铁。混合型（HB-Hybrid）步进电机——转子为导磁体和永磁铁的组合。·（3）按定子绕组对数分类：分为2相、3相、4相、5相、10相等步进电机。·（4）按定子绕组通电极性分类：分为单极性和双极性步进电机。（1）可变磁阻(VR-VariableReluctance)••结构原理：该类电动机由定子绕组产生的反应电磁力吸引用软磁钢制成的齿形转子作步进驱动，故又称作反应式步进电动机。其结构原理如图3.5定子1上嵌有线圈，转子2朝定子与转子之间磁阻最小方向转动，并由此而得名可变磁阻型。（1）可变磁阻(VR-VariableReluctance)•可变磁阻步进电机的特点：•v反应式电动机的定子与转子均不含永久磁铁，故无励磁时没有保持力；•v需要将气隙作得尽可能小，例如几个微米；•v结构简单，运行频率高，可产生中等转矩，步距角小（0.09~9°）•v制造材料费用低；•v有些数控机床及工业机器人上使用。（2）永磁(PM-PermanentMagnet)型（3）混合(HB-Hybrid)型•结构原理：•这类电机是PM式和VR式的复合形式。其定子与VR类似，表面制有小齿，转子由永磁铁和铁心构成，同样切有小齿，为了减小步距角可以在结构上增加转子和定子的齿数。其结构如图3.7所示。•混合式步进电机特点:•HB兼有PM和VR式步进电机的特点：•步距角可以做得较小(0.9~3.6°)；•无励磁时具有保持力；•可以产生较大转矩，应用较广。（4）步进电动机的工作原理•拍:从一相通电换接到另一相通电称为一拍。•三相单三拍：通电方式A-B-C-A→…，步距角为30度•三相双三拍：通电方式AB→BC→CA→AB→…，步距角为30°•三相六拍：通电方式A→AB→B→BC→C→CA→A→…，步距角为l5°（4）步进电动机的工作原理尽管步进电机种类很多，其基本原理实质都是一致的。现以三相反应式步进电机为例，说明其工作原理:在步进电机定子上有三对磁极，上面绕有励磁绕组，分别称为A相、B相和C相。转子上带有等距小齿（图中有四个齿）,如果先将A相加上电脉冲，则有：AABBCC1234如果将B相加上电脉冲，则有：(b)B相通电转子逆时针旋转30。AABBCC1234(a)A相通电如果再将C相加上电脉冲，则有：AABBCC1234(c)C相通电转子逆时针旋转30。AABBCC1234(b)B相通电转子逆时针旋转30。AABBCC1234(a)A相通电这种三相励磁绕组依次单独通电，切换三次为一个循环，称为三相单三拍通电方式。由于每次只有一相磁极通电，易在平衡位置附近发生振荡，而且在各相磁极通电切换的瞬间，电机失去自锁力，容易造成失步。为改善其工作性能，可采用三相六拍的通电方式，其通电方式及通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A…或者A→AC→C→CB→B→BA→A…。这种通电方式当由A相通电转为AB相共同通电时，转子磁极将同时受到A相与B相的吸引，它就停在AB两相磁极中间，这时它转过的角度是15。这种通电方式在切换时，始终有一相磁极不断电，故而工作较稳定，且在相同频率下，每相导通的时间增加，平均电流增加，从而可以提高电磁转矩、启动频率及连续运行频率等特性。显然，通入脉冲频率越高，电机的转速就越高，且电机每步转过的角度越小，所能达到的位置精度也越高。步进电机通电方式:**单相轮流通电方式，在这种通电方式下工作的步进电机，每次只有一相通电，稳定性较差，容易失步。对一个定子为m相，转子有Z个齿的步进电机，步进电机一转所需的步数为mZ步。这种通电分配方式叫m相单m状