机电一体化系统执行元件的选择与设计

机电一体化系统设计第三章机电一体化系统执行元件的选择与设计张建民编著高等教育出版社讲授：何庆中机电工程系厚德达理励志勤工厚德达理励志勤工第三章机电一体化系统执行元件的选择与设计第3.1节执行元件执行元件——是将控制信号转换成机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厚德达理励志勤工执行元件的特点厚德达理励志勤工1.电气执行元件电气执行元件包括直流(DC)伺服电机、交流（AC）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，一般还要求动态性能好，适合于频繁使用，便于维修等2．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、快速性好等特点3．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，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。执行元件的特点以及优缺点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；无泄露而污染环境；速度快、操作简便。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；易产生泄露而污染环境。厚德达理励志勤工3.1.2机电一体化系统对执行元件的基本要求（1）惯量小，动力大。（2）体积小，重量轻。（3）安装方便、便于维修维护。（4）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、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机、电磁伸缩元件）等。厚德达理励志勤工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、闭环控制三种。如图所示数控机床伺服系统。厚德达理励志勤工它由控制器、被控对象、反馈测量装置等部分组成。3.2.1机电一体化系统对伺服控制电动机的基本要求为实现运动、功率/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。（1）性能密度大。即功率密度Pw=P/G或比功率密度Pbw=(T2/J)/G大。（2）快速性好。加速度大、响应特性好。（3）位置控制与速度控制精度高、调速范围大、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。（5）易于与计算机对接，实现计算机控制。厚德达理励志勤工3.2.2伺服控制电动机基本特性无论动力用伺服控制电动机，还是控制用伺服控制电动机，功率—转速—转矩的电特性是电机重要的基本特性指标之一。PnndPw厚德达理励志勤工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。3.3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控制精度由步进角决定（）。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电机每转动一步进角，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，不会产生“丢步”现象（频繁启动、停止、变换）。⑤易于与计算机实现对接。厚德达理励志勤工（2）步进电动机的种类①种类·按转子构成分类：可变磁组型（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步进电机。厚德达理励志勤工（3）步进电动机的工作原理当第一个脉冲通入A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，转子的1、3齿要和A级对齐。当下一个脉冲通入B相时，磁通同样要按磁阻最小的路径闭合，即2、4齿要和B级对齐，则转子就顺逆时针方向转动一定的角度：1324AABBCCCB423AC1AB23BACAC14B厚德达理励志勤工3.3.2步进电动机的运行特性与性能指标（1）分辨率主要指步进角=360º/znK。如：0.6º/1.2º、0.75º/1.5º、0.9º/1.8º、………。（2）静态特性主要指步进电机在稳态工作条件下的特性，包括：矩—角特性、静转矩、静态稳定特性等。失调角示意图矩－角特性曲线e定子转子ppp/2p/2jmaxTjmaxTeT厚德达理励志勤工（3）动态特性动态特性参数：主要指动态稳定区、启动转矩、矩－频特性、惯－频特性等。动态稳定区：在步进电机从A相转换为B（或AB）相通电，不产生丢步时的稳定工作区域θr。从图中可以得出，步进电机工作的拍数越多，稳定工作区域θr越接近静态稳定工作区域θe，越不容易丢步。起动转矩Tq：两相（A、B）矩－角特性之交点Tq表示步进电机单相励磁时所能带动的极限负载转矩，与步进电机的相数和通电方式有关。p/3pjmaxTTjmaxTeprTqp/3pjmaxTTjmaxTeprTq矩－角特性曲线族厚德达理励志勤工最高连续运转频率fmax及矩－频特性：步进电机连续运转时所能接受的最高控制频率fmax，称最高连续运转频率；步进电机连续运转转矩随频率的增加而降低，称矩－频特性。厚德达理励志勤工p/3pjmaxTTjmaxTeprTqp/3pjmaxTTjmaxTeprTq矩－角特性曲线族3.3.3步进电机的驱动与控制步进电机的驱动电路：主要由脉冲分配器和功率放大器两部份组成。变频控制信号：主要有脉冲频率信号和方向控制信号。步进电机驱动电路的组成脉冲分配器功率放大器变频信号方向信号厚德达理励志勤工一种四相步进电机驱动实用电路厚德达理励志勤工步进脉冲输出方向控制0.1μf74767486步进脉冲定时器引脚布局引脚布局引脚布局0.1μf或0.1μf线圈线圈线圈线圈（1）环形脉冲分配器由于步进电机的工作原理是各绕组必须按一定的顺序通电变化才能正常工作（ABCAB……；AABBBCCCAAABB……），完成这种通电顺序变化规律的部件称为环形脉冲分配器。实现脉冲环形分配的方法主要有三种：软件分频——可充分利用计算机资源降低硬件成本，可适用多相脉冲分配，但将占用计算机运行时间，影响步进电机的运行速度。IC集成电路分频（DDT分频器）——灵活性强，可搭接成任意通电顺序的环形分配器，不站用计算机的工作时间。厚德达理励志勤工CH250管角定义与三相六拍工作状态的接线图方向厚德达理励志勤工专用环形分频器——使用方便，接口简单，专业化生产质量可靠，成本低等。如：CH250三相绕组分频器；L297和PMM8714两相绕组分频器；PMM8713五相绕组电机分频器等。（2）功率放大器功率放大器是实现控制信号与步进电机匹配的重要组件。常见的步进电机功率放大器的组成与特点如下：·单电压功率放大电路厚德达理励志勤工特点：电路结构简单，但串联R2消耗能量降低放大功率；电感较大使电路对脉冲反应较慢,输出波形差。主要用于转速要求不高的小型步进电机控制。高低压功率放大器特点：具有高压驱动，电流增长速度快、前沿变陡，电机的扭矩和频率得到提高。w单稳触发器w特点：仅在脉冲开始时接通高压电源，其余时间仅接通低压电源供电。具有功效高、电流上升率高、高速运转性能好，但波形陡有时存在过冲现象，谐波丰富，在低速运转时易产生振动。厚德达理励志勤工恒流源功率放大器w厚德达理励志勤工（3）细分驱动电路采用细分驱动电路的目的：整步运转或半步运转基础上，不改变步进电机结构，提高步进电机的运转、控制精度。细分驱动电路的基本工作原理：对每一控制脉冲，细分使其电流逐步增加达到脉冲的最大电流（Imax），又逐步减少达到脉冲的最小电流（0），从而可实现高精度运转、控制、分辨，以及提高步进精度。wt厚德达理励志勤工常用的步进电机细分驱动电路工作原理：由基极开关电压U1~U5控制多路功率开关管VTd1~VTd5的通断，从而控制功放管VT的导通电流大小，即步进电机线圈绕组电流的大小，实现对步进电机步进量的细分。特点：功率开关管工作在开关状态，功耗很低，但器件多、体积大。i厚德达理励志勤工阶梯波控制信号的产生与放大方法分先放大后叠加；先叠加后放大两种方法。细分环形分配器放大放大放大放大放大细分环形分配器加法器w加法器wUttiw厚德达理励志勤工（4）步进电机的微机控制主要分为：串行控制和并行控制两种方法串行控制方式并行控制方式脉冲方向控制方式信号环形分配器功率放大电路步进电机驱动电路器步进电机各相绕组相相相相相厚德达理励志勤工3.4直流（DC）伺服电动机及其驱动3.4.1直流（DC）伺服电动机工作原理通过电刷和转换器产生的整流作用，使磁场磁动势和电枢电流磁动势正交，从而产生转动力矩。使用直流供电，实现速度和方向调节控制，主要通过对直流电压/电流的大小和方向进行调节来实现。直流伺服电动机的调速控制如下图所示。厚德达理励志勤工直流电机的调速方式由于直流伺服电机的机械特性方程为：TCCRCUn2teec厚德达理励志勤工式中，UC—电枢控制电压；R—电枢回路电阻；Φ—每极磁通；Ce、Ct—分别为电动机的结构常数。由此，直流伺服电机的控制方式如下：（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典型直流伺服电动机控制数学模型厚德达理励志勤工直流（DC）伺服电动机的特性特点：具有较高的响应速度、精度和频率，优良的控制特性等，但由于所用电刷和转换器是使用寿命较低，需要定期更换。3.4.2直流（DC）伺服电动机的驱动要实现对直流电动机的速度和方向进行调节控制，通常可用两种驱动控制方式：晶体管直流脉宽调制驱动；晶闸管直流脉宽调速驱动；厚德达理励志勤工（1）晶体管直流脉宽调制驱动(PWM)工作原理在给定供电电压U，由控制脉冲信号Ud控制晶体管VT的通断，从而使直流电动机得到脉冲驱动信号，改变脉冲控制信号的没一周期通电时间，就可改变直流电动机的平均工作电压Ua达到调速的目的；改变供电压和续流二极管的极性，便可改变直流电动机的转向。1）直流电动机的脉宽调速电路原理ττ厚德达理励志勤工2）直流电动机的方向控制电路dba厚德达理励志勤工直流PMW调速驱动电路直流电机PWM调速电路晶闸管驱动直流电机PWM调速电路H桥驱动厚德达理励志勤工3.5交流（AC）伺服电动机及其驱动（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。（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，用电力电子转化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与气隙磁场方向相垂直的等效电流的方法，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，简称矢量控制方法。1）永磁同步型（SM）转子由永磁构成，不需磁化控制电流，只需检测磁铁转子位置和定子绕组磁通矢量控制电流，实现对电机主磁通矢量电流的控制，从而获得对电机的速度和位置控制。厚德达理励志勤工永磁同步（SM）型伺服电动机控制框图CONV.—整流器；SM—同步电机；INV.变换器；PS—磁极位置检测器；REF—速度基准；IGF—电流函数发生器；SC—速度放大器；CC—电流放大器；RD—速度变换器；PWM—脉宽调制器；P