《機電一體化》PPT課件

《《機電一體化》PPT課件》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《《機電一體化》PPT課件（39頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、第 三 章機 電 一 體 化 系 統(tǒng)執(zhí) 行 元 件 的 選 擇 與 設 計 張 建 民 編 著高 等 教 育 出 版 社講 授 ： 何 慶 中機 電 工 程 系厚德達理 勵志勤工 厚德達理 勵志勤工 第 3.1節(jié) 執(zhí) 行 元 件 執(zhí) 行 元 件 是 將 控 制 信 號 轉 換 成 機械 運 動 和 機 械 能 量 的 轉 換 元 件 。3.1.1 執(zhí) 行 元 件 的 種 類 及 特 點執(zhí)行元件 電 磁 式 電 磁 鐵 及 其 他電 動 機液 壓 馬 達液 壓 式 油 缸氣 壓 馬 達氣 壓 式 氣 缸其 他 與 材 料 有 關 直 流 伺 服 電 機雙 金 屬 片壓 電 元 件狀 態(tài) 記 憶

2、金 屬其 他 電 機交 流 伺 服 電 機步 進 電 機厚德達理 勵志勤工 厚德達理 勵志勤工 種 類 特 點 優(yōu) 點 缺 點電氣式 可 用 商 業(yè) 電 源 ；信 號 與 動 力 傳 送方 向 相 同 ； 有 交流 直 流 之 分 ； 注意 使 用 電 壓 和 功率 。 操 作 簡 便 ； 編 程 容易 ； 能 實 現(xiàn) 定 位 伺服 控 制 ； 響 應 快 、易 與 計 算 機 （ CPU）連 接 ； 體 積 小 、 動力 大 、 無 污 染 。 瞬 時 輸 出 功 率 大 ；過 載 差 ； 一 旦 卡死 ， 會 引 起 燒 毀事 故 ； 受 外 界 噪音 影 響 大 。 氣壓式 氣 體 壓

3、力 源 壓力 57 Mpa； 要求 操 作 人 員 技 術熟 練 。 氣 源 方 便 、 成 本 低 ；無 泄 露 而 污 染 環(huán) 境 ；速 度 快 、 操 作 簡 便 。 功 率 小 、 體 積 大 、難 于 小 型 化 ； 動作 不 平 穩(wěn) 、 遠 距離 傳 輸 困 難 ； 噪音 大 ； 難 于 伺 服 。 液壓 式 液 體 壓 力 源 壓力 2080 Mpa；要 求 操 作 人 員 技術 熟 練 。 輸 出 功 率 大 ， 速 度快 、 動 作 平 穩(wěn) ， 可實 現(xiàn) 定 位 伺 服 控 制 ；易 與 計 算 機 （ CPU）連 接 。 設 備 難 于 小 型 化 ；液 壓 源 和 液 壓

4、 油要 求 嚴 格 ； 易 產(chǎn)生 泄 露 而 污 染 環(huán)境 。 厚德達理 勵志勤工 （ 1） 慣 量 小 ， 動 力 大 。 （ 2） 體 積 小 ， 重 量 輕 。 （ 3） 安 裝 方 便 、 便 于 維 修 維 護 。 （ 4） 易 于 實 現(xiàn) 自 動 化 控 制 。 3.2 機 電 一 體 化 系 統(tǒng) 常 用 的 控 制 電 動 機 常 用 伺 服 控 制 電 動 機 ： DC/AC電 動 機 、 力 矩 電 動 機 、 步 進 （ 脈 沖 ）電 動 機 、 變 頻 調 速 電 動 機 、 開 關 電 磁 電 動 機以 及 其 他 電 動 機 （ 直 流 或 交 流 脈 寬 調 速 電

5、 動機 、 電 磁 伸 縮 元 件 ） 等 。 厚德達理 勵志勤工 主 要 有 ： 開 環(huán) 控 制 、 半 閉 環(huán) 控 制 、閉 環(huán) 控 制 三 種 。 如 圖 所 示 數(shù) 控 機 床 伺 服 系 統(tǒng) 。厚德達理 勵志勤工 為 實 現(xiàn) 運 動 、 功 率 /能 量 、 控 制 運 動 方 式 的轉 換 ， 對 伺 服 控 制 電 動 機 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 、 響 應 特 性 好 。（ 3） 位 置 控 制 與

6、 速 度 控 制 精 度 高 、 調 速 范 圍大 、 低 速 平 穩(wěn) 性 好 、 分 辨 率 高 以 及 振 動 噪 音 小 。（ 4） 能 適 應 頻 繁 啟 動 ， 可 靠 性 高 、 壽 命 長 。（ 5） 易 于 與 計 算 機 對 接 ， 實 現(xiàn) 計 算 機 控 制 。厚德達理 勵志勤工 無 論 動 力 用 伺 服 控 制 電 動 機 ， 還 是 控 制 用伺 服 控 制 電 動 機 ， 功 率 轉 速 轉 矩 的 電 特性 是 電 機 重 要 的 基 本 特 性 指 標 之 一 。P nndPw厚德達理 勵志勤工 對 于 伺 服 控 制 電 機 而 言 ， 恒 轉 矩 工 作 特

7、性 是 衡 量 電 機 調 速 性 能 的 重 要 參 數(shù) 之 一 。 （ 1） 步 進 電 動 機 的 特 點 控 制 精 度 由 步 進 角 決 定 （ ） 。 抗 干 擾 能 力 強 ， 在 電 機 電 特 性 工 作 范 圍內 ， 不 產(chǎn) 生 丟 步 或 無 法 工 作 等 現(xiàn) 象 。 電 機 每 轉 動 一 步 進 角 ， 盡 管 存 在 一 定 的轉 角 誤 差 ， 但 電 機 轉 動 360時 ， 轉 角 累 計 誤差 將 歸 零 。 控 制 性 能 好 ， 不 會 產(chǎn) 生 “ 丟 步 ” 現(xiàn) 象（ 頻 繁 啟 動 、 停 止 、 變 換 ） 。 易 于 與 計 算 機 實 現(xiàn)

8、對 接 。 znko /360厚德達理 勵志勤工 種 類 按 轉 子 構 成 分 類 ： 可 變 磁 組 型 （ VR） 步 進 電 機 轉 子 為 導磁 體 ， 也 稱 反 應 式 步 進 電 機 。 永 磁 型 （ PM） 步 進 電 機 轉 子 為 永 磁 鐵 。 混 合 型 （ HB-Hybrid） 步 進 電 機 轉 子為 導 磁 體 和 永 磁 鐵 的 組 合 。 按 定 子 繞 組 對 數(shù) 分 類 ：分 為 2相 、 3相 、 4相 、 5相 、 10相 等 步 進 電 機 。 按 定 子 繞 組 通 電 極 性 分 類 ： 分 為 單 極 性 和 雙 極 性 步 進 電 機 。

9、厚德達理 勵志勤工 當 第 一 個 脈 沖 通 入 A相 時 ， 磁 通 企 圖 沿 著 磁阻 最 小 的 路 徑 閉 合 ， 在 此 磁 場 力 的 作 用 下 ，轉 子 的 1、 3齒 要 和 A級 對 齊 。 當 下 一 個 脈 沖 通入 B相 時 ， 磁 通 同 樣 要 按 磁 阻 最 小 的 路 徑 閉 合 ，即 2、 4齒 要 和 B級 對 齊 ， 則 轉 子 就 順 逆 時 針 方向 轉 動 一 定 的 角 度 ：132 4AAB BCC CB 42 3A C1A B 2 3B A CAC 1 4 Bznko /360厚德達理 勵志勤工 （ 1） 分 辨 率主 要 指 步 進 角

10、 =360/znK。 如 ： 0.6/1.2、0.75/1.5、 0.9/1.8、 。（ 2） 靜 態(tài) 特 性 主 要 指 步 進 電 機 在 穩(wěn) 態(tài) 工 作 條 件 下 的 特 性 ，包 括 ： 矩 角 特 性 、 靜 轉 矩 、 靜 態(tài) 穩(wěn) 定 特 性 等 。 失 調 角 示 意 圖 矩 角 特 性 曲 線 e定 子轉 子 pp p /2p /2 jmaxTjmaxT eT厚德達理 勵志勤工 動 態(tài) 特 性 參 數(shù) ： 主 要 指 動 態(tài) 穩(wěn) 定 區(qū) 、 啟 動 轉 矩 、矩 頻 特 性 、 慣 頻 特 性 等 。 動 態(tài) 穩(wěn) 定 區(qū) ： 在 步 進 電 機 從 A相 轉 換 為 B（ 或

11、AB） 相 通 電 ， 不 產(chǎn) 生 丟 步 時 的 穩(wěn) 定 工 作 區(qū) 域 r。從 圖 中 可 以 得 出 ， 步 進 電 機 工 作 的 拍 數(shù) 越 多 ， 穩(wěn)定 工 作 區(qū) 域 r越 接 近 靜 態(tài) 穩(wěn) 定 工 作 區(qū) 域 e， 越不 容 易 丟 步 。 起 動 轉 矩 Tq： 兩 相 （ A、 B） 矩 角 特 性 之 交點 Tq表 示 步 進 電 機 單 相 勵 磁 時 所 能 帶 動 的 極 限 負載 轉 矩 ， 與 步 進 電 機 的 相 數(shù) 和 通 電 方 式 有 關 。p /3p jmaxT TjmaxT epr Tq p /3p jmaxT TjmaxT epr Tq 矩 角

12、特 性曲 線 族 厚德達理 勵志勤工 最 高 連 續(xù) 運 轉 頻 率 fmax及 矩 頻 特 性 ： 步進 電 機 連 續(xù) 運 轉 時 所 能 接 受 的 最 高 控 制 頻 率fmax， 稱 最 高 連 續(xù) 運 轉 頻 率 ； 步 進 電 機 連 續(xù)運 轉 轉 矩 隨 頻 率 的 增 加 而 降 低 ， 稱 矩 頻 特性 。厚德達理 勵志勤工 p /3p jmaxT TjmaxT epr Tq p /3p jmaxT TjmaxT epr Tq矩 角 特 性 曲 線 族 步 進 電 機 的 驅 動 電 路 ： 主 要 由 脈 沖 分 配 器和 功 率 放 大 器 兩 部 份 組 成 。 變

13、頻 控 制 信 號 ： 主 要 有 脈 沖 頻 率 信 號 和方 向 控 制 信 號 。步 進 電 機 驅 動 電 路 的 組 成 脈 沖分 配 器 功 率放 大 器變 頻 信 號 方 向 信 號厚德達理 勵志勤工 厚德達理 勵志勤工 步 進 脈 沖 輸 出方向控制 0.1 f 74767486步 進 脈 沖 定 時 器 引腳 布 局 引 腳 布 局 引 腳 布 局0.1 f 或 0.1 f 線 圈 線 圈線 圈 線 圈 由 于 步 進 電 機 的 工 作 原 理 是 各 繞 組 必 須 按一 定 的 順 序 通 電 變 化 才 能 正 常 工 作 （ A B C A B ； A AB B B

14、C C CA A AB B ） ， 完 成 這 種 通 電順 序 變 化 規(guī) 律 的 部 件 稱 為 環(huán) 形 脈 沖 分 配 器 。實 現(xiàn) 脈 沖 環(huán) 形 分 配 的 方 法 主 要 有 三 種 ： 軟 件 分 頻 可 充 分 利 用 計 算 機 資 源 降 低硬 件 成 本 ， 可 適 用 多 相 脈 沖 分 配 ， 但 將 占 用計 算 機 運 行 時 間 ， 影 響 步 進 電 機 的 運 行 速 度 。 IC集 成 電 路 分 頻 （ DDT分 頻 器 ） 靈 活 性強 ， 可 搭 接 成 任 意 通 電 順 序 的 環(huán) 形 分 配 器 ，不 站 用 計 算 機 的 工 作 時 間 。

15、 厚德達理 勵志勤工 方 向厚德達理 勵志勤工 專 用 環(huán) 形 分 頻 器 使 用方 便 ， 接 口 簡 單 ， 專 業(yè) 化 生產(chǎn) 質 量 可 靠 ， 成 本 低 等 。 如 ：CH250三 相 繞 組 分 頻 器 ；L297和 PMM8714兩 相 繞 組分 頻 器 ； PMM8713五 相 繞組 電 機 分 頻 器 等 。 功 率 放 大 器 是 實 現(xiàn) 控 制 信 號 與 步 進 電 機 匹 配 的重 要 組 件 。 常 見 的 步 進 電 機 功 率 放 大 器 的 組 成 與 特 點 如 下 ： 單 電 壓 功 率 放 大 電 路 w w w厚德達理 勵志勤工 特 點 ： 電 路 結

16、 構 簡 單 ， 但 串 聯(lián) R2消 耗 能 量 降 低 放 大功 率 ； 電 感 較 大 使 電 路 對 脈 沖 反 應 較 慢 ,輸 出 波 形差 。 主 要 用 于 轉 速 要 求 不 高 的 小 型 步 進 電 機 控 制 。 特 點 ： 具 有 高 壓 驅 動 ，電 流 增 長 速 度 快 、 前沿 變 陡 ， 電 機 的 扭 矩和 頻 率 得 到 提 高 。 w 單 穩(wěn)觸 發(fā) 器 w特 點 ： 僅 在 脈 沖 開 始 時 接 通 高 壓電 源 ， 其 余 時 間 僅 接 通 低 壓 電 源供 電 。 具 有 功 效 高 、 電 流 上 升 率高 、 高 速 運 轉 性 能 好 ，

17、但 波 形 陡有 時 存 在 過 沖 現(xiàn) 象 ， 諧 波 豐 富 ，在 低 速 運 轉 時 易 產(chǎn) 生 振 動 。 厚德達理 勵志勤工 w厚德達理 勵志勤工 采 用 細 分 驅 動 電 路 的 目 的 ： 整 步 運 轉 或 半步 運 轉 基 礎 上 ， 不 改 變 步 進 電 機 結 構 ， 提 高步 進 電 機 的 運 轉 、 控 制 精 度 。 細 分 驅 動 電 路 的 基 本 工 作 原 理 ： 對 每 一控 制 脈 沖 ， 細 分 使 其 電 流 逐 步 增 加 達 到 脈 沖的 最 大 電 流 （ Imax） ， 又 逐 步 減 少 達 到 脈 沖的 最 小 電 流 （ 0） ，

18、 從 而 可 實 現(xiàn) 高 精 度 運 轉 、控 制 、 分 辨 ， 以 及 提 高 步 進 精 度 。w t厚德達理 勵志勤工 工 作 原 理 ： 由 基 極 開 關 電 壓 U1U5控 制 多 路功 率 開 關 管 VTd1VTd5的 通 斷 ， 從 而 控 制 功 放管 VT的 導 通 電 流 大 小 ， 即 步 進 電 機 線 圈 繞 組電 流 的 大 小 ， 實 現(xiàn) 對 步 進 電 機 步 進 量 的 細 分 。 特 點 ： 功 率 開 關 管 工 作 在 開 關 狀 態(tài) ， 功 耗很 低 ， 但 器 件 多 、 體 積 大 。 i ww wi ttU多 路 功 率 開 關 細 分 電

19、 路厚德達理 勵志勤工 wi w厚德達理 勵志勤工 分 先 放 大 后 疊 加 ； 先 疊 加 后 放 大 兩 種 方 法 。 細 分 環(huán) 形 分 配 器 放 大放 大放 大放 大 放 大細 分 環(huán) 形 分 配 器 加法器 w加法器 wU ttiw厚德達理 勵志勤工 主 要 分 為 ： 串 行 控 制 和 并 行 控 制 兩 種 方 法 串 行 控 制 方 式 并 行 控 制 方 式 脈 沖方 向 控 制方 式 信 號 環(huán)形分配器 功率放大電路 步進電機 驅動電路器 步進電機各相繞組相相相相相厚德達理 勵志勤工 3.4.1 直 流 （ DC） 伺 服 電 動 機 工 作 原 理 通 過 電 刷

20、 和 轉 換 器 產(chǎn) 生 的 整 流 作 用 ， 使 磁場 磁 動 勢 和 電 樞 電 流 磁 動 勢 正 交 ， 從 而 產(chǎn) 生轉 動 力 矩 。 使 用 直 流 供 電 ， 實 現(xiàn) 速 度 和 方 向調 節(jié) 控 制 ， 主 要 通 過 對 直 流 電 壓 /電 流 的 大小 和 方 向 進 行 調 節(jié) 來 實 現(xiàn) 。 直 流 伺 服 電 動 機 的 調 速 控 制 如 下 圖 所 示 。厚德達理 勵志勤工 由 于 直 流 伺 服 電 機 的 機 械 特 性 方 程 為 ：TCC RCUn 2tee c 厚德達理 勵志勤工 式 中 ， UC 電 樞 控 制 電 壓 ； R 電 樞 回 路 電

21、 阻 ； 每 極 磁 通 ； Ce、 Ct分 別 為 電 動 機的 結 構 常 數(shù) 。 由 此 ， 直 流 伺 服 電 機 的 控 制 方 式 如 下 ： 厚德達理 勵志勤工 特 點 ： 具 有 較 高 的 響 應 速 度 、 精 度 和 頻 率 ，優(yōu) 良 的 控 制 特 性 等 ， 但 由 于 所 用 電 刷 和 轉 換器 是 使 用 壽 命 較 低 ， 需 要 定 期 更 換 。3.4.2 直 流 （ DC） 伺 服 電 動 機 的 驅 動 要 實 現(xiàn) 對 直 流 電 動 機 的 速 度 和 方 向 進 行 調 節(jié)控 制 ， 通 常 可 用 兩 種 驅 動 控 制 方 式 ： 晶 體 管

22、直 流 脈 寬 調 制 驅 動 ； 晶 閘 管 直 流 脈 寬 調 速 驅 動 ；厚德達理 勵志勤工 在 給 定 供 電 電 壓 U， 由 控 制 脈 沖 信 號 Ud控 制晶 體 管 VT的 通 斷 ， 從 而 使 直 流 電 動 機 得 到 脈 沖驅 動 信 號 ， 改 變 脈 沖 控 制 信 號 的 沒 一 周 期 通 電時 間 ， 就 可 改 變 直 流 電 動 機 的 平 均 工 作 電 壓 Ua達 到 調 速 的 目 的 ； 改 變 供 電 壓 和 續(xù) 流 二 極 管 的極 性 ， 便 可 改 變 直 流 電 動 機 的 轉 向 。 1） 直 流 電 動 機 的 脈 寬 調 速 電

23、 路 原 理 厚德達理 勵志勤工 d ba厚德達理 勵志勤工 直 流 電 機PWM調 速 電 路晶 閘 管 驅 動直 流 電 機PWM調 速 電 路H橋 驅 動厚德達理 勵志勤工 （ 1） 常 用 交 流 伺 服 電 動 機永 磁 同 步 型 （ SM） 、 電 磁 感 應 型 （ IM） 伺 服 電 動 機 。（ 2） 基 本 工 作 原 理 檢 測 交 流 伺 服 電 動 機 （ SM型 /IM型 ） 氣 隙 磁 場 的 大小 和 方 向 ， 用 電 力 電 子 轉 化 器 代 替 整 流 子 和 電 刷 ， 通過 控 制 與 氣 隙 磁 場 方 向 相 同 的 磁 化 電 流 和 與 與

24、 氣 隙 磁場 方 向 相 垂 直 的 等 效 電 流 的 方 法 ， 最 終 控 制 交 流 伺 服電 動 機 主 磁 通 量 大 小 和 轉 矩 ， 實 現(xiàn) 對 電 機 的 有 效 控 制 ，簡 稱 矢 量 控 制 方 法 。 1） 永 磁 同 步 型 （ SM ） 轉 子 由 永 磁 構 成 ， 不 需 磁 化 控 制 電 流 ， 只 需 檢 測 磁鐵 轉 子 位 置 和 定 子 繞 組 磁 通 矢 量 控 制 電 流 ， 實 現(xiàn) 對 電機 主 磁 通 矢 量 電 流 的 控 制 ， 從 而 獲 得 對 電 機 的 速 度 和位 置 控 制 。厚德達理 勵志勤工 CONV.整 流 器 ；

25、 SM同 步 電 機 ； INV.變 換 器 ； PS磁 極位 置 檢 測 器 ； REF速 度 基 準 ； IGF電 流 函 數(shù) 發(fā) 生 器 ；SC速 度 放 大 器 ； CC電 流 放 大 器 ； RD速 度 變 換 器 ；PWM脈 寬 調 制 器 ； P.B.U再 生 電 力 吸 收 電 路 。 iwiviu SMPSPWMCCIFGSCRDREFAC輸入 CONV. P.B.U. INV. GRTGRT GRT GRT GRTGRTGRTGRT i厚德達理 勵志勤工 交 流電 機CONV.位 置 指 令AC輸入 GRTGRTPWMGRT iGRTGRT GRTGRT iiwviuP.B

26、.U. INV.位 置 控 制 速 度指 令 放 大 器 矢 量 處理 電 路 脈 沖 放 大 檢測器厚德達理 勵志勤工 r1,X1定 子 繞 組 阻 抗 和 漏 抗 ； r2,X2轉 子 繞 組 阻 抗 和 漏 抗 ； rm,Xm鐵 芯 等 效 阻 抗 和 主 磁 通 所 對 應 電 抗 ； Im負 載 范 圍 內 不 變 。 S轉 差 率I1 Im I2XmX1 X2r1 2rrm 1-ss 2rU1 I2 I1Ima) 交 流 電 機 等 效 電 路 b) 電 流 矢 量2221 III m 厚德達理 勵志勤工 重 點 掌 握 ：1） 執(zhí) 行 元 件 的 主 要 類 型 和 特 點 。2

27、） 機 電 一 體 化 系 統(tǒng) （ 產(chǎn) 品 ） 對 執(zhí) 行 元 件 基 本 要 求 。3） 常 用 控 制 電 機 類 型 與 主 要 特 點 。4） 機 電 一 體 化 系 統(tǒng) 對 伺 服 控 制 電 動 機 基 本 要 求 。5） 典 型 伺 服 控 制 電 動 機 的 主 要 特 點 和 選 用 原 則 。6） 步 進 電 動 機 的 運 行 特 性 與 主 要 性 能 指 標 。7） 步 進 電 機 的 驅 動 與 控 制 （ 驅 動 電 路 、 變 頻 控 制信 號 、 環(huán) 形 脈 沖 分 配 器 、 功 率 放 大 器 、 細 分 驅 動電 路 、 典 型 細 分 驅 動 電 路 ） 。 厚德達理 勵志勤工 1 題 ： 簡 述 機 電 一 體 化 系 統(tǒng) 中 對 執(zhí) 行 元 件 的分 類 與 特 點 （ 優(yōu) 缺 點 ） 。2 題 ： 機 電 一 體 化 系 統(tǒng) 的 執(zhí) 行 元 件 的 基 本 要求 是 什 么 ？3 題 ： 步 進 電 機 具 有 哪 些 特 點 與 環(huán) 形 分 配 方式 是 什 么 ？4 題 ： 步 進 電 機 驅 動 電 源 功 率 放 大 器 電 路 種類 以 及 工 作 原 理 是 什 么 ？5 題 ： 步 進 電 機 細 分 電 路 的 特 點 、 細 分 方 式和 原 理 是 什 么 ？厚德達理 勵志勤工