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第三讲主讲：晏良俊联系方式：15071298955E-mail:yanliangjun1@126.comQQ:364790339主要内容第1章概论第2章机械系统的部件选择与设计第3章机电一体化中的执行元件第4章微机控制系统及接口设计第5章机电一体化系统中的检测传感器第6章机电一体化系统的控制策略第7章典型机电一体化系统实例分析第3章机电一体化中的执行元件3.1执行元件的种类、特点及基本要求3.2机电一体化系统中常用的伺服驱动电机3.3液压气动执行装置机电一体化中的执行元件无论是工业机器人、CNC机床、还是自动化机械、家电等机电一体化产品，都离不开执行元件为其提供动力。它在机电一体化系统中相当于人的肌肉，其功能是在电子控制装置的控制下，将输入的各种形式的能量转换为机械能，如电动机、液压机械、汽缸、内燃机、电磁铁、继电器等。大多数执行元件已作为系列化商品生产，在设计机电一体化产品时可作为标准件直接选用。但我们必须了解各种执行元件的特点和功能。执行元件的种类电磁式电磁铁及其他电动机液压式气动式液压缸液压马达汽缸气压马达其他与材料有关双金属片形状记忆合金压电元件交流伺服电机直流伺服电机步进电机其他电机执行元件执行元件的特点电磁式：电动机（DC,AC）：动力源是电源，输出转速或直线运动（机械能），驱动执行机构运动。微量位移器件：电磁铁、压电驱动器、电热驱动器等微量位移器件，驱动执行元件的微量进给。液压式：油缸（往复，回转），液压马达。气压式：一般用压缩空气作工作介质，特点是行程和速度大。缺点是定位精度差（由于气体可压缩）执行元件的特点种类优点缺点电磁式动力源容易（小，巧，种类多，无污染，易与CPU连接，调速和负载范围宽）。过载能力差，易受环境干扰气压式气源方便，无污染，速度快功率小体积大，动作不平稳，定位精度差液压式功率大，动作平稳，定位精确体积大，污染严重执行元件的基本要求惯量小，动力大：体积小，重量轻。便于安装和维修。易于微机控制：最易于微机控制的是电动式执行元件，因此，机电一体化系统中用的最多是电机，其次是液压（接口中增加电－液变换环节）。机电一体化系统中常用的电机直流电机交流伺服电机步进电机(SteppingMotor)直流电机直流电机的结构及其工作原理直流电机的线性控制与PWM控制直流电机的结构及其工作原理当电流通过电刷和换向器流过线圈时产生转子磁场，这时转子成为一个电磁铁，在转子与定子之间产生吸引力或推斥力使转子旋转。线圈定子（永磁铁）N换向器转子（电磁铁）S电刷直流电机的特点起动转矩大、体积小、重量轻、转矩和转速容易控制以及效率高等优点。由于有电刷和换向器，其寿命、噪声等方面存在不足。在进行位置控制和速度控制时需要使用转速传感器，实现位置、速度负反馈闭环控制方式，这样的电机常称为伺服直流电机。直流电机的线性控制与PWM控制线性控制：直流电动机的电路如图所示，电动机电枢回路的电压平衡方程式为：U=E+IdR其中E=KeФnM+-+-UidE1RedKRIUnPWM控制不可逆PWM变换器的电路原理图及工作波形如图所示。电源US由不可控整流器供电。变换器的负载为直流电动机的电枢，它可看成电阻，电感和反电动势负载，二极管VD在功率管VT关断时为电枢回路提供释放电感储能的续流回路。MUgUCUsVTVDd1iid2gUttUtt12τTUdEidEVDdURLUud=sud在VT的栅极加脉冲电压Ug驱动，Ug频率不变宽度可调。在一个开关周期T内，当0≤tt1时，Ug为正，VT饱和导通，US加到电动机电枢两端，Ud=Us，流过电枢的电流为id1；当t1≤tt2时，Ug为负Ud=0，电枢电流经VD续流，电流id2。电动机电枢的平均电压为：Ud=（τ/T）Us=ρUs式中τ为脉冲宽度，T为开关周期，ρ=τ/T（0≤ρ≤1）称为脉冲宽度占空比，改变ρ即可改变加到电枢两端电压Ud，从而实现调速。交流伺服电机交流伺服电机的种类交流伺服电机的特点交流伺服电机的种类转子转子NSS转子NS1S2S3S4无刷直流电机转子用永久磁钢构成，与定子旋转磁场以相同转速旋转同步电机定子线圈（旋转磁场）定子线圈（旋转磁场）转子是永磁体转子也由线圈产生旋转磁场，定子产生旋转磁场，带动转子旋转转子不是永磁体，其磁场是由线圈产生霍耳元件电子开关转子由永磁钢构成，由霍耳元件检测转子位置，使电子开关按S1~S4顺序切换，并使转子旋转异步电机交流伺服电机的特点感应电机（InductionMotor）：感应电机的定子和转子均由铁芯线圈构成，可分为单相或三相电机。转子铁芯用硅钢片叠压而成，由定子产生的旋转磁场带动转子旋转。由于转子的重量轻、惯性小，因此响应速度快，主要应用于中等以上功率的伺服系统。同步电机（SynchnonousMotor）：同步电机的转子由永久磁铁构成磁极，定子与感应电机一样由铁芯线圈构成，可分为单相同步电机和三相同步电机两种。这种永磁同步电机可以做得很小，响应快，主要应用于中等功率以下的机器人和数控机床。无刷直流电机（BrushlessDCMotor）：由霍耳元件和旋转编码器等构成的位置传感器和逆变器取代了直流电机的电刷和换向器。转子磁极采用永久磁铁，没有励磁损耗，提高了电机的效率。（2）交流伺服电动机调速步进电机步进电机的特点步进电机的工作原理与分类步进电机的特性步进电机的驱动与微机控制步进电机的微机控制步进电机的特点优点缺点不需要反馈控制效率易与微机连接容易引起丢步停止时能保持转矩有时发生振荡现象维护方便定义：一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件。•步距角ɑ——当输入一个电脉冲时所转过的一个固定角度。•角位移量与输入脉冲数n严格成比例（无误差积累）。•各种运行特性由下列条件决定：输入脉冲数；脉冲频率；电动机各相绕组的接通次序。•广泛用于数字控制系统，如数控机床。步进电机的基本概念工作原理基本工作原理——就是电磁铁工作原理步进电机的工作原理与分类按产生转矩的方式，分为：PM型、VR型、HB型，按励磁相数有3相、4相、5相、6相等（下图中线圈绕组数即为相数）。永磁型（PM－PermanentMagnet型）：转子为圆筒形永磁钢，定子线圈中流过电流时产生磁场。定子与转子磁场间相互作用产生吸引力或推斥力使转子旋转，步距角90°或45°。可变磁阻型（VR－Variable型）：转子由齿轮状的低碳钢构成，转子将转向使通电相定子磁场的磁阻为最小的位置，步距角为0.9°、1.8°、3.6°等。混合型（HB－Hybrid型）：转子为圆筒形永磁钢，是VR型和PM型的复合，能获得与VR型相同的很小的步距角。径向分相反应式步进电动机工作原理(可变磁阻型VR)环形分配器送来脉冲信号，对定子绕组轮流通电。A相通电，B、C相不通电，转子齿1、3与A相定子齿对齐，转子齿2、4与B、C相在不同方向上错开30º（此时转矩为0，转子自锁）。A相断电，B相通电，转子齿2、4与B相定子齿对齐，顺时针旋转30º。B相断电，C相通电，同理转子顺时针旋转30º。通电顺序为A—B—C—A时，转子顺时针旋转。如改为A—C—B—A时，转子反向（逆时针）转动。电流换接三次，磁场转一周，转子前进一个齿距角（90º＝3β）。混合型是VR型和PM型的复合，能获得很小的步距角0.9°～15°。步距角越小，意味着它所能到达的位置精度越高。为此需要将转子做成多极式的，并在定子磁极上制成小齿。特点：步距角小，工作频率高，控制功率小；但结构复杂，成本高。a)取决于控制绕组通电频率，也取决于绕组通电方式。b)通电方式——单三拍、六拍及双三拍等。“单”——每次只有一相绕组通电；“双”——每次有两相绕组通电；“拍”——通电次数（即从一种通电状态转到另一种通电状态）。按A—B—C—A方式通电，称为三相单三拍运行（β=30°）。按A—AB—B—BC—C—CA—A方式通电，称为三相六拍运行（β=15°）。通电方式步进电机步距角的计算公式步距角越小，意味着它所能到达的位置精度越高。为此需要将转子做成多极式的，并在定子磁极上制成小齿。一般步距角的计算公式为：z－转子齿数；m－运行拍数，它等于相数或相数的整数倍，即m＝KN，N-为相数，单拍时K＝1，双拍时，K=2。例如：Z＝40，三相单三拍运行，则显然，齿数越多，相数越多，步距角越小，定位性能越好！转速HzHzradrpmfKmZfn60602)(mz3603403360一台反应式步进电机，通过一对减速齿轮，滚珠丝杠带动工作台，步进电机转子有24个齿，采用3相6拍通电，并设步进电机每走一步工作台移动5μm。当丝杠导程L=4mm，齿轮1的齿数z1=21时，试求齿轮2的齿数z2.步进电机的标识与选择步进电机的特性静态特性动态特性运行特性静态特性静态特性：一相或多相绕组通直流电时的特性。主要指步进电机的矩角特性。单相通电时，若定子齿与转子齿相对位置如下图所示，θ表示转子齿中心线与定子齿中心线偏离的角度，称为失调角，所谓矩角特性就是指在不改变通电状态的情况下，步进电机静转矩与转子失调角的关系，矩角特性曲线为正弦曲线，θ＝0°时的转矩为0，称为平衡位置。T稳定平衡点转子定子动态特性动态特性包括起动转矩Tq，自然振动频率f起动转矩Tq：指在规定电源条件下，从静止状态突然起动并能不失步运行所能带动的最大负载转矩。与起动频率有关。自然振动频率f：指在无阻尼情况下，当通电状态换接后，转子围绕初始稳定平衡位置作自然振动的频率。运行特性最大静转矩Tman：矩角特性中的最大转矩值。表示步进电机承受负载的能力。起动频率fq：步进电机能够不失步起动的最高脉冲频率。失步指转子前进的步数不等于脉冲数。包括丢步和越步。运行频率fy：步进电机起动后，当脉冲频率连续上升时，能不失步运行的最高频率。与电机的负载转矩有关。运行转矩Ty：电机起动后不失步运行所能够提供的最大转矩。TyTqfJ3J2J1J3J2J1步进电机的驱动驱动电路是将变频信号源送来的脉冲信号及方向信号按要求的配电方式自动循环供给电机各相绕组，以驱动电机转子正反向旋转。脉冲分配器功率放大器ABCABCABC脉冲信号正反转脉冲信号发生器脉冲分配器功率放大器脉冲分配器步进电机的各相绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作。这种使电机绕组的通电顺序按一定规律变化的功能部件称为脉冲分配器。脉冲分配器有三种类型：软件法硬件环行分配器件软件法采用计算机软件利用查表或计算方法来进行脉冲的环行分配，简称软环法。表3-10是三相六拍分配状态，电机正向运转通电顺序是：A、AB、B、BC、C、CA、A···那么通电代码就是01H、03H、02H、06H、04H、05H、01H···通过软件顺序依次在数据表中提取数据并通过输出接口输出即可。通过控制取时间间隔即可控制电机转速。软件法的优点是控制灵活。不需要再增加硬件。转向1～2通电CPCBA代码转向正转A000101H反转AB101103HB201002HBC311006HC410004HCA510105HA600101H硬件环形分配器由三个稳态触发器组成；这种方式也可搭接任意相及任意通电顺序的环形分配器，同时也不占用计算机的工作时间。速实时控制的要求）速度限制，难以满足高软件环分（受微机运算较好）、维护方便，响应速度硬件环形分配器（直观环形分配器CH250硬件环形分配器的电路图CH250分配器芯片接线图例如，CH250即为一种三相步进电机专用环行脉冲分配器。图为三相六拍接线图。功率放大器从计算机输出口或环形分配器输出的信号脉冲电流一般只有几毫安，不能直接驱动电机运行，必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大，达到几安或十几安培才能驱动电机运行。电压型电流型单电压型双电压型恒流驱动斩波驱动功率放大器单电压功率放大器放大器的输入端与环形脉冲分配器相连，在没有脉冲输入时，功率放大器3DK4和3DD1