浅论机电一体化系统设计中执行元件的选择与设计.docx
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浅论机电一体化系统设计中执行元件的选择与设计
青岛黄海学院机电工程学院
2013—2014学年第二学期期末考试
科目:
机电一体化系统设计
姓名:
杜希元
学号:
1101111084
班级:
2011级本科三班
专业:
机械制造及其自动化
浅论机电一体化系统设计中执行元件的选择与设计
姓名:
杜希元
班级:
2011级本科三班
学号:
1101111084
摘要:
机电一体化系统(或产品)离不开执行元件为其提供动力。
如数控机床的主轴转动、工作台的进给运动以及工业机器人手臂升降、回转和伸缩运动等所用驱动部件。
在电子控制装置控制下,将输入的各种形式的能量转换为机械能,例如电动机、液动机、气缸、内燃机、电磁铁、继电器等分别把输入的电能、液压能、气压能和化学能转换为机械能。
因此认识执行元件的选择与设计就显得很重要。
关键词:
执行元件选择设计
一、执行元件的种类及特点
(1)执行元件的种类
根据使用能量的不同,可以将执行元件分为电磁式、液压式和气压式等几种类型,如图所示。
电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。
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流向,从而使液压执行元件驱动运行机构运动。
气压式与液压式的原理相同,只是将介质由油改为气体而已。
其他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。
(2)执行元件的特点
二、控制用电动机简介
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。
由于其可在很宽的速度和负载范围内进行连续、精确的控制,因而在各种机电一体化系统中得到了广泛的应用。
控制用电动机有回转和直线驱动电动机,通过电压、电流、频率(包括指令脉冲)等控制,实现定速、变速驱动或反复起动、停止的增量驱动以及复杂的驱动,而驱动精度随驱动对象的不同而不同。
机电一体化系统或产品中常用的控制用电动机是指能提供正确运动或较复杂动作的伺服电动机。
(1)伺服电动机控制方式的基本形式
(2)控制用电动机的种类、特点及选用
在机电一体化系统(或产品)中使用两类电动机,一类为一般的动力用电动机,如感应式异步电动机和同步电动机等;另一类为控制用电动机,如力矩电动机、脉冲电动机、开关磁阻电动机、变频调速电动机和各种AC/DC电动机等。
不同的应用场合,对控制用电动机的性能密度的要求也有所不同。
对于起停频率低(如几十次/分),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,如NC工作机械的进给运动、机器人的驱动系统,其功率密度是主要的性能指标;对于起停频率高(如数百次/分),但不特别要求低速平稳性的产品,如高速打印机、绘图机、打孔机、集成电路焊接装置等主要的性能指标是高比功率。
在额定输出功率相同的条件下,交流伺服电动机的比功率最高、直流伺服电动机次之、步进电动机最低。
直流(DC)与交流(AC)
(3)对控制用电动机的基本要求
三、伺服电动机及其驱动
(1)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
直流伺服电动机通过电刷和换向器产生的整流作用,使磁场磁动势和电枢电流磁动势正交,从而产生转矩。
其电枢大多为永久磁铁。
直流伺服电动机具有较高的响应速度、精度和频率,优良的控制特性等优点。
但由于使用电刷和换向器,故寿命较低,需要定期维修。
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,棵导体的线圈端部起换向器作用,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。
宽调速直流伺服电动机的结构特点是励磁便于调整,易于安排补偿绕组和换向极,电动机的换向性能得到改善,成本低,可以在较宽的速度范围内得到恒转速特性。
永久磁铁的宽调速直流伺服电动机的结构如下图所示。
有不带制动器a和带制动器b两种结构。
电动机定子(磁钢)1采用矫顽力高、不易去磁的永磁材料(如铁氧体永久磁铁)、转子(电枢)2直径大并且有槽,因而热容量大,结构上又采用了通常凸极式和隐极式永磁电动机磁路的组合,提高了电动机气隙磁通密度。
同时,在电动机尾部装有高精密低纹波的测速发电机,并可加装光电编码器或旋转变压器及制动器,为速度环提供了较高的增量,能获得优良的低速刚度和动态性能。
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。
当选用电动机时,必须正确地计算负载,即必须确认电动机能满足下列条件:
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。
一般讲,由于负载转矩起减速作用,如果可能,加减速应选取相同的时间常数。
值得提出的是惯性负载值对电动机灵敏度和快速移动时间有很大影响。
对于大的惯性负载,当指令速度变化时,电动机达到指令速度的时间需要长些。
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。
2.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。
目前常用晶体管脉宽调速驱动和晶闸管直流调速驱动两种方式。
晶闸管直流驱动方式,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。
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(三相全波时每秒300个)的平均值,从而造成电流的不连续性。
而采用脉宽调速驱动系统,其开关频率高(通常达2000~3000Hz),伺服机构能够响应的频带范围也较宽,与晶闸管相比,其输出电流脉动非常小,接近于纯直流。
为使电动机实现双向调速,多采用下图所示桥式电路,其工作原理与线性放大桥式电路相似。
电桥由四个大功率晶体管VT1~VT4组成。
如果在VT1和VT3的基极上加以正脉冲的同时,在VT2和VT4的基极上加负脉冲,这时VT1和VT4导通,VT2和VT4截止,电流沿+90V→c→VT1→d→M→b→VT3→a→0V的路径流通。
设此时电动机的转向为正向。
反之,如果在晶体管VT1和VT3的基极上加负脉冲,在VT2和VT4的基极上加正脉冲,则VT2和VT4导通,VT1和VT3截止,电流沿+90V→c→VT2→b→M→d→VT4→a→0V的路径流通,电流的方向与前一情况相反,电动机反向旋转。
显然,如果改变加到VT1和VT3、VT2和VT4这两组管子基极上控制脉冲的正负和导通率,就可以改变电动机的转向和转速。
(2)交流(AC)伺服电动机及其驱动
同步型和感应型伺服电动机称为交流伺服电动机,其基本原理是检测SM(同步)型和IM(感应)型的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,并通过与气隙磁场方向相同的磁化电流和与气隙磁场方向垂直的有效电流来控制其主磁通量和转矩。
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。
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。
四、步进电动机及其驱动
1.步进电动机的特点
步进电动机又称脉冲电动机。
它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。
其输入一个电脉冲就转动一步,即每当电动机绕组接受一个电脉冲,转子就转过一个相应的步距角。
转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比,并在时间上与输入脉冲同步,只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电动机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向、很容易用微机实现数字控制。
步进电动机具有以下特点:
①步进电动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动机产生“丢步”现象之前,就不影响其正常工作;②步进电动机的步距角有误差,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,其累积误差变为“零”,因此不会长期积累;③控制性能好,在起动、停止、反转时不易“丢步”。
因此,步进电动机被广泛应用于开环控制的机电一体化系统,使系统简化,并可靠地获得较高的位置精度。
2.步进电动机的种类
步进电动机的种类很多,有旋转式步进电动机,也有直线步进电动机;从励磁相数来分有三相、四相、五相、六相等步进电动机。
就常用的旋转式步进电动机的转子结构来说,可将其分为以下三种:
1)可变磁阻(VR-VariableReluctance)型
2)永磁(PM-PermanentMagnet)型
3)混合(HB-Hybrid)型
3.步进电动机的工作原理
如上图a所示,如果先将电脉冲加到A相励磁绕组,定子A相磁极就产生磁通,并对转子产生磁拉力,使转子的1、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。
由图b可以看出,这时转子2、4两个齿与B相磁极靠得最近,于是转子便沿着逆时针方向转过30°角,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。
显然,单位时间内通入的电脉冲数越多,即电脉冲频率越高,电动机转速就越高。
如果按A→B→C→A→…的顺序通电,步进电动机将沿顺时针方向一步步地转动。
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。
像上述的步进电动机,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°。
还有一种是按三相六拍通电方式工作的步进电动机,即按照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l5°,如下图所示。
4.步进电动机的驱动与控制
步进电动机的运行特性与配套使用的驱动电源(驱动器)有密切关系。
驱动电源由脉冲分配器、功率放大器等组成,如下图所示。
驱动电源是将变频信号源(微机或数控装置等)送来的脉冲信号及方向信号按要求的配电方式自动地循环供给电动机各相绕组,以驱动电动机转子正反向旋转。
变频信号源是可提供从几赫兹到几万赫兹的频率信号连续可调的脉冲信号发生器。
因此,只要控制输入电脉冲的数量及频率就可精确控制步进电动机的转角及转速。
参考资料
1.张建民等编著,机电一体化系统设计,第3版,北京:
高等教育出版社,2000.7
2. 林述温主编,机电装备设计,北京:
机械工业出版社,2002.6
3.卢金鼎,山静民主编,机电一体化技术,北京:
中国轻工业出版社,1996.8
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- 机电 一体化 系统 设计 执行 元件 选择