第三章 执行元件的选择与设计blk

第三章执行元件的选择与设计第一节执行元件的种类、特点及基本要求第二节常用的控制用电动机第三节直流(DC)与交流(AC)伺服电动机及驱动第四节步进电动机及驱动机电一体化系统设计2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：第一节执行元件的种类、特点及基本要求3一、执行元件的种类及特点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。4执行元件电磁式电磁铁及其他电动机液压马达液压式油缸气压马达气压式气缸其他与材料有关直流伺服电机双金属片压电元件状态记忆金属其他电机交流伺服电机步进电机图3.1执行元件的分类种类特点优点缺点电气式可用商业电源；信号与动力传送方向相同；有交流直流之分；注意使用电压和功率。操作简便；编程容易；能实现定位伺服控制；响应快、易与计算机（CPU）连接；体积小、动力大、无污染。瞬时输出功率大；过载能力差；一旦卡死，会引起烧毁事故；受外界噪音影响大。气压式气体压力源压力5-7×Mpa；要求操作人员技术熟练。气源方便、成本低；无泄露污染；速度快、操作比较简单。功率小、体积大、难于小型化；动作不平稳、远距离传输困难；噪音大；难于伺服。液压式液体压力源压力20-80×Mpa；要求操作人员技术熟练。输出功率大，速度快、动作平稳，可实现定位伺服控制；易与计算机（CPU）连接。设备难于小型化；液压源和液压油要求严格；易产生泄露污染。表3.1执行元件的特点以及优缺点6二、对执行元件的基本要求1.惯量小、动力大表征执行元件惯量的性能指标：直线运动——质量m；回转运动——转动惯量J。表征输出动力的性能指标：推力F、转矩T、功率P。另一种表征动力大小的综合性指标是比功率，它包含了功率P、加速性能ε与转速ω三种因素：JTJTTTP2比功率比功率还可以理解为功率的时间变化率：JTTdtTddtdP2)(比功率72.体积小、重量轻通常用执行元件的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、安装执行元件最好不需要维修，如无刷DC及AC伺服电动机。4.宜于微机控制根据这个要求，用微机控制最方便的是电气式执行元件。因此机电一体化系统所用执行元件的主流是电气式。8第二节常用的控制用电动机控制用电动机有力矩电动机、脉冲（步进）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。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，可在很宽的速度和负载范围内进行连续、精确的控制。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。9伺服电动机控制方式的基本形式10伺服－servo（随动）：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（servomotor）：在伺服系统中用作执行元件的电动机。要求方便调速。11一、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；2.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，分辨率高；4.适应启、停频繁的工作要求；5.可靠性高，寿命长。二、控制用电动机的种类、特点及选用不同的应用场合对控制用电动机的性能密度的要求不同：起停频率低：要求整个调速范围内均可稳定运动的机械，主要要求的性能指标是功率密度；起停频率高：不特别要求低速平稳的产品，主要要求的性能指标是高的比功率。12表3.3伺服电动机的特点及应用实例13表3.4伺服电动机的性能比较14表3.5伺服电动机优缺点比较151617第三节直流（DC）与交流（AC）伺服电动机及驱动一、直流(DC)伺服电动机及其驱动1.直流伺服电动机的特性及选用直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，为了保持由浅入深的教学顺序，应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。18工作原理：直流伺服电动机的结构原理如下图所示，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。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。19直流伺服电动机的特点：•有较高的响应速度、精度和频率，优良的控制特性等优点；•由于使用电刷和换向器，故寿命较低，需要定期维修；•在位置控制和速度控制时，必须使用角度传感器来实现闭环控制。20直流伺服电动机的种类：（1）小惯量直流伺服电动机：60年代研制，其电枢无槽，绕组直接粘接固定在电枢铁心上，因而转动惯量小、反应灵敏、动态特性好，适用于高速且负载惯量较小的场合，否则需根据其具体的惯量比设置精密齿轮副才能与负载惯量匹配，增加了成本。21（2）直流印刷电枢电动机：是一种盘形伺服电动机，电枢由导电板的切口成形，裸导体的线圈端部起整流子作用，这种空心式高性能伺服电动机大多用于工业机器人、小型NC机床及线切割机床上。22（3）大惯量宽调速直流伺服电动机：70年代研制成功。它在结构上采取了一些措施，尽量提高转矩改善动态特性，既具有一般直流电动机的各项优点，又具有小惯量直流电动机的快速响应性能，易与较大的惯性负载匹配，能较好地满足伺服驱动的要求，因此在数控机床、工业机器人等机电一体化产品中得到了广泛应用。23宽调速直流伺服电动机是机电一体化闭环伺服系统中应用较广泛的一种控制用电动机。其主要特点：–调速范围宽、低速运行平稳；–负载特性硬、过载能力强，在一定的速度范围内可以做到恒力矩输出，反应速度快，动态响应特性好。–当然，宽调速直流伺服电动机体积较大，其电刷易磨损，寿命受到一定限制。一般的直流伺服电动机均配有专门的驱动器。24伺服电动机与驱动器驱动器电动机25宽调速直流伺服电动机应根据负载条件来选择。加在电动机轴上的有两种负载，即负载转矩和负载惯量。根据负载，电动机必须满足下列条件：①在整个调速范围内，其负载转矩应在电动机连续额定转矩范围以内；②工作负载与过载时间应在规定的范围以内；③应使加速度与希望的时间常数一致。④等效惯性负载与电机的转子惯量相匹配。如果负载惯量达到转子惯量的三倍，灵敏度要受到影响，当负载惯量比转子惯量大三倍时响应时间将降低很多，而当惯量大大超过时，伺服放大器就不能在正常条件范围内调整，必须避免使用这种惯性负载。262.直流伺服电动机与驱动直流伺服电动机为直流供电，为调节电动机转速和方向,需要对其直流电压的大小和方向进行控制。目前常用晶闸管直流调速驱动和晶体管脉宽调速驱动两种方式。（1）晶闸管（SCR，可控硅）直流驱动方式主要通过调节触发装置控制晶闸管的触发延迟角(控制电压的大小)来移动触发脉冲的相位，从而改变整流电压的大小，使直流电动机电枢电压的变化易于平滑调速。螺栓型平板型A-阳极K-阴极G-门极27由于晶闸管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。晶闸管直流调速系统在上世纪60~70年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统。28（2）晶体管脉宽调速（PWM）驱动方式原理：当在电枢绕组输入一个直流控制电压时，通过控制开关周期T内的占空比μ就可得到一个与之成比例的平均电压Ua，来给伺服电动机电枢回路供电。一个周期内的平均电压为：UUTUdtTUa01S29只要连续地改变τ(0~T)就可以得到0~U的连续平均电压，从而达到连续改变电动机转速的目的。实际应用的PWM系统，采用大功率晶体管代替开关K，其开关频率一般为2000Hz。使功率放大器的晶体管工作在开关状态下，开关周期T（或频率）保持恒定，用调整开关周期内晶体管导通时间的方法来改变输出，以使电机两端获得宽度随时间变化的电压脉冲，从而改变电枢电压的平均值达到调节电机转速的目的。30PWM系统的优点：（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；（4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；由于功率晶体管比晶闸管具有更优良的特性，而且，目前功率晶体管的功率、耐压等都已有了很大的提高，所以在中小功率直流伺服驱动系统中，晶体管脉宽调制方式（PWM）驱动系统得到了广泛的应用。3133一、直流(DC)伺服电动机及其驱动二、交流(AC)伺服电动机及其驱动由于直流伺服电动机具有优良的调速性能，因此长期以来，在要求调速性能较高的场合，直流电动机调速系统一直占据主导地位。但直流伺服电动机结构上存在机械整流子、电刷维护困难、造价高、寿命短、应用环境受到限制的缺点。近年来交流驱动技术有了飞速的发展，它具有坚固耐用、经济可靠及动态响应好等优点。因此，交流伺服系统已在很大程度上取代了直流伺服系统。34（1）常用交流伺服电动机永磁同步型（SM）、电磁感应型（IM）伺服电动机。在小功率伺服系统中，一般使用永磁式同步电动机，因为它有优良的动态性能，过载能力大等优点。感应型交流伺服电动机结构简单，质量轻，价格低，可用做主轴电机。（2）基本工作原理检测交流伺服电动机（SM型/IM型）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，通过控制与气隙磁场方向相同的磁化电流和与气隙磁场方向相垂直的有效电流的方法，最终控制交流伺服电动机主磁通量大小和转矩，实现对电机的有效控制。35采用永久磁铁磁场的同步电动机不需要磁化电流控制，只要检测磁铁转子的位置即可。这种交流伺服电动机也叫做无刷直流伺服电动机（如SM型伺服电动机）。由于它不需要磁化电流控制，故比IM型伺服电动机容易控制。363.3步进电动机与驱动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控制精度由步距角决定（α=360°/zKN）。②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。③电机每转动一步距角，尽管存在一定的转角误差，但电机转动360°时，转角累计误差将归零。④控制性能好，不易产生“丢步”现象（频繁启动、停止、变换）。⑤易于与计算机实现对接。37（2）步进电动机的种类①种类·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。·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。·按定子绕组通电极性分类：分为单极性和双极性（每个绕组都可以两个方向通电）步进电机。38（3）步进电动机的工作原理当第一个