机电一化技术讲稿

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,复习,2.5,轴系部件的设计与选择,一、轴系设计的基本要求,了解,二、轴,(,主轴,),系用轴承的类型与选择,-,静压轴承、磁悬浮轴承工作原理,-,掌握,三、提高轴系性能的措施,熟悉,2.6,机电一体化系统,(,或产品,),的机座或机架,1,机座或机架的作用及基本要求,了解,2,机座或机架的结构设计要点,铸造机座的设计,-,保证自身刚度的措施,焊接机架的设计,本次课的任务,1.,了解执行元件的种类、特点及基本要求；了解步进电机技术指标；,2.,机电一体化系统,(,或产品,),对执行元件的基本要求；控制用电机的基本要求、种类、特点及选用；,3.,掌握步进电机的工作原理,-,步进电机环形脉冲分配方式,-,步距角的计算,4.,步进电机的运行特性及性能指标,5.,步进电机的驱动与控制,驱动电源由脉冲分配器、功率放大器组成,(1),环形脉冲分配器,第三章执行元件的分类及控制用电机的驱动,suc-tech/technology/techinfo.htm,3.1,执行元件的种类、特点及基本要求,执行元件的种类及其特点,1,电气执行元件,电气执行元件包括,控制用电机,(DC,、,AC,伺服电机、步进电机,),、,静电电机,、,磁致伸缩器件,、,压电元件,、,超声波电机,以及,电磁铁,等。,对控制用电机的要求：运转速度稳定；,良好的加减速；伺服,-,动态性能,；频繁使用的适应性和维修的方便性。,控制用电机驱动系统由电源供给电力，经电力变换器变换后输送给电机，使电机作回转,(,或直线,),运动，驱动负载机械,(,执行机构,),运动，并在指令器给定的指令位置定位停止。这种驱动系统具有位置,(,或速度,),反馈环节的叫,闭环系统,，没有位置与速度反馈环节的叫,开环系统,。,微量位移用器件,：,电磁铁,压电驱动器,电热驱动器,2,液压式执行元件,包括执行,往复运动的油缸,、,回转油缸,、,液压马达,等，其中油缸占绝大多数。,先进的液压元件：,数字式液压执行元件,：,电,-,液伺服马达和电,-,液步进马达,。,优点,：,力矩大，可以直接驱动执行机构，力矩惯量比大，过载能力强，适合于重载的高加减速驱动。具有强的驱动力和高的定位精度,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，与液压式执行元件无什么区别。,优点：气压驱动虽可得到较大的驱动力、行程和速度，,缺点：由于空气粘性差，具有可压缩性，故不能在定位精度较高的场合使用。,执行元件的特点及优缺点,种类,特点,优点,缺点,电气式,可使用商用电源；信号与动力的传送方向相同；有交流和直流之别，应注意电压的大小。,操作简便，编程容易，能实现定位伺服；响应快，易与,CPU,相接；体积小、动力大；无污染。,瞬时输出功率大；,过载差，特别是由于某,种原因而卡住时，会引,起烧毁事故，易受外部,噪音影响。,气压式,空气压力源的压力为（,57,）,10,5,Pa;,要求操作人员技术熟练。,气源方便，成本低；无泄漏污染；速度快、操作比较简单。,功率小，体积大，动作不够平稳；不易小型化；远距离传输困难；工作噪声大、难于伺服。,液压式,要求操作人员技术熟练，液压源的压力为（,2080,）,10,5,Pa;,输出功率大，速度快，动作平稳，可实现定位伺服，易与,CPU,相接；响应快。,设备难于小型化；液压源或液压油要求严格（杂质、温度、油量、质量）；以泄漏且有污染。,机电一体化系统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,：对直线运动为质量,m,，对回转运动为转动惯量,J,。,表征输出动力的性能指标,：推力,F,、转矩,T,或功率,P,。,直线运动,:,F,ma,，,a=F,m,。,回转运动,:P,T,，,=T/J,T=J,。,综合性指标称为,比功率,。包含功率、加速性能和转速，即,比功率,=P,T*T,J*(1,),T,2,J(kWs,-1,),。,2,体积小、重量轻,功率密度,P,G(kWN,-1,),，,比功率密度,=(T,2,J),G(kWs,-1,N,-1,),。,3,便于维修、安装,4,宜于微机控制,3.2,机电一体化系统,(,或产品,),常用的控制用电机,控制用电机是电气伺服控制系统的动力部件。它是将电能转换为机械能的一种能量转换装置。,控制用电机,回转,直线驱动,控制用电机,有：,力矩电机,脉冲电机,变频调速电机,开关磁阻电机,AC,电机,DC,电机,电压,电流,频率,控制,伺服电动机的基本控制方式,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,。电机的功率密度,P,G,P,G(W,N),，电机的比功率,(2),快速性好，即加速转矩大，频响特性好；,(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。,控制用电机的种类、特点及选用,启停频率低、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动的机械，,功率密度,是主要的性能指标；,启停频率高，但不特别要求低速平稳性的产品，主要的性能指标是,高比功率,。,控制用电机的分类,控制用旋转电机按,其工作原理可分为,具体的可细分为：,DC,伺服电机,(,永磁,),可分为：,AC,伺服电机,步进电机,同步型,(SM),感应型,(1M),变磁阻型,(VR),永磁型,(PM),混合型,(HB),有槽铁芯电枢型,无槽,(,平滑型,),铁芯电枢型,电枢型,无槽,(,平滑,),铁芯型,无铁芯型,同步电机,(,永磁,旋转磁场型,旋转电枢型,步进电机,(,永磁,),直流电机,(,永磁,),感应电机,(,按矢量控制等效模型,),3.3,步进电机及其驱动,步进电机,又称,电脉冲马达,。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。,特点：,步进电机的工作状态不易受各种干扰因素,(,如电源电压的波动、电流的大小与波形的变化、温度等,),的影响，只要在它们的大小未引起步进电机产生,“,丢步,”,现象之前，就不影响其正常工作；,步进电机的步距角有误差，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，其累积误差为,“,零,”,，不会长期积累；,控制性能好。在起动、停止、反转时不易,“,丢步,”,。,1,步进电机的种类,(1),可变磁阻型,(VR,型一,Variable Reluctance),反应式步进电机。,电机的定子与转子均不含永久磁铁，故无励磁时没有保持力。,转子结构简单、转子直径小，有利于高速响应。,另外，需要将气隙作得尽可能小，例如几个微米。这种电机具有制造成本高、效率低、转子的阻尼差、噪声大等缺点。但是，由于其制造材料费用低、结构简单、步距角小。,(2),永磁型,(PM,型一,Permanent Magnet Type),采用了永久磁铁，具有记忆能力，可用作定位驱动。,PM,型电机的特点是励磁功率小、效率高、造价便宜，因此需要量也大。由于转子磁铁的磁化间距受到限制，难于制造，故步距角较大。与,VR,型相比转矩大，但转子惯量也较大。,(3),混合型,(HB,型一,Hybrid Type),混合型与永磁型多为双极性励磁。由于都采用了永久磁铁，所以，无励磁时具有保持力。另外，励磁时的静止转矩比,VR,型步进电机的大。,HB,和,PM,型步进电机能够用作超低速同步电机。,2,步进电机的工作原理,(3.29),A,A,、,B,一,B,、,C,C,将电脉冲加到,A,相,，,A,相产生磁通，并对转子产生磁拉力，,l,、,3,两个齿与定子的,A,相磁极对齐。而后再将电脉冲通入,B,相励磁绕组，,B,相磁极便产生磁通。使转子,2,、,4,两个齿与定子,B,相磁极对齐。如果按照,A,B,C,A,的顺序通电，转子则沿反时针方向一步步地转动，每步转过,30,，这个角度就叫,步距角,。,从一相通电换接到另一相通电称为,一拍,，每一拍转子转动一个步距角。,三相励磁绕组依次单独通电运行，换接三次完成一个通电循环，称为三相单三拍通电方式。,如果使两相励磁绕组同时通电，即按,AB,BC,CA,AB,顺序通电，这种通电方式称为三相双三拍，其步距角仍为,30,。,三相六拍,A,AB,B,BC,C,CA,A,顺序通电，换接六次完成一个通电循环。这种通电方式的步距角为,15,。,其工作过程如图：,步距角的计算,步进电机的步距角越小，意味着它所能达到的位置精度越高。通常的步矩角是,1,.,5,或,0.75,，为此需要将转子做成多极式的，并在定子磁极上制成小齿，,360,(zm),反应式步进电机环形脉冲分配方式,六、步进电机的运行特性及性能指标,(1),分辨力。在一个电脉冲作用下,(,即一拍,),，电机转子转过的角位移，即步距角,。,越小，分辨力越高。最常用的有,0.6,1.2,、,0.75,1.5,、,0.9,1.8,、,1,2,、,1.5,3,等。,(2),静态特性。步进电机的静态特性是指它在稳定状态时的特性，包括静转矩、距一角特性及静态稳定区。,矩一角特性,在空载状态下，给步进电机某相通直流电时，转子齿的中心线与定子齿的中心线重合，转子上没有转矩输出，此时的位置为转子,初始稳定平衡位置,。如果在电机转子轴上加一负载转矩,T,L,，则转子齿的中心线与定子齿的中心线将错过一个,电角度,e,(,如图,),，才能重新稳定下来。此时转子上的电磁转矩,T,j,与负载转矩,T,L,相等。该,T,j,为静态转矩，,e,为,失调角,。当,e,90,时，其静态转矩,T,jmax,为最大静转矩。,T,j,与,e,之间的关系大致为一条正弦曲线,(,如图,),该曲线被称作,矩一角特性曲线,。静态转矩越大，自锁力矩越大，静态误差就越小。一般产品说明书中标示的最大静转矩就是指在额定电流和通电方式下的,T,jmax,。,步进电机的静态稳定区,:,(3),动态特性,步进电机的动态特性将直接影响到系统的快速响应及工作的可靠性。,(,起动转矩、矩一频特性等,),动态稳定区：步进电机从,A,相通电状态切换到,B,相（,AB,相,),通电状态时，不至于引起丢步，该区域,(,-,e,；,+,e,),称为动态稳定区。由于每一曲线依次错开一个电角度，故步进电机在拍数越多的方式下运行，其动态稳定区域越接近于静态稳定区，裕量角,r,也越大，在运行中也越不容易丢步。,起动转矩,T,q,:,图中,A,相与,B,相矩一角特性曲线之交点所对应的转矩,T,q,被称为起动转矩，它表示步进电机单相励磁时所能带动的极限负载转矩。,高连续运行频率及矩一频特性,步进电机在连续运行时所能接受的最高控制频率被称为,最高运行频率,，以,f,max,表示。电机在连续运行状态下，其电磁转矩随控制频率的升高而逐步下降。这种转矩与控制频率之间的变化关系称为矩一频特性。在不同控制频率下电机所产生的转矩称为动态转矩。,空载起动频率与惯一频特性,:,在空载状态下，转子从静止状态能够不失步地起动时的最大控制频率称为,空载起动频率或空载突跳频率,(f,q,),。当带载起动时，所允许的起跳控制频率会大大下降。步进电机带动惯性负载时的起跳频率与负载惯量之间的关系为,惯一频特性,。一般讲，随着负载惯量的增加，起跳频率也会降低。除惯性负载之外，还有外负载力矩，则起跳频率将会进一步下降。一般来说，,f,max,远远大于起动频率，在高于最高连续运行频率时，电机将产生失步。在不同负载下，电机允许的最高连续运行频率是不同的。一般步进电机的技术说明书上都指明空载最高连续运行频率和空载起动频率。在有负载情况下，不失步启动所允许的起动频率将大大降低。为了缩短起动时间，可在一定的起动时间内将电脉冲频率按一定的规律逐渐增加到所允许的运行频率。,4,、步进电机的驱动与控制,驱动电源由脉冲分配器、功率放大器组成，,驱动电源是将变频信号源,(,微机或数控装置等,),送