第6章 系统的执行与驱动技术.docx
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第6章系统的执行与驱动技术
第六章机电一体化系统的执行与驱动技术
§6.1执行装置概述
1.执行装置及其分类
定义:
执行装置就是“按照电信号的指令,将来自电、液压和气压等各种能源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式的机械能的装置”。
特点:
电动执行装置:
能源容易获得,使用方便;
液压执行装置:
体积小、输出功率大;
气动执行装置:
重量轻、价格便宜。
2.执行装置的基本动作原理
1).电机执行装置
电动执行装置的基本工作原理都差不多,都是由电磁力来产生直线驱动力和旋转驱动力矩的。
使左手的中指等和拇指垂直,当磁力线(N→S)穿过手掌,中指指向电流流动方向时,拇指所指的方向就是所产生的电磁力方向。
图6.1电动机工作原理
当电流通过磁场中的线圈时,在线圈上产生电磁力,方向由左手定律确定,力的大小:
F=B*L*iB:
磁场强度L:
线圈有效长度i:
线圈电流
力矩(转矩)
T=B*L*i*rr:
线圈半径
转矩与电流成正比
2).液压和气动执行装置
液压和气动执行装置的基本原理比较简单:
用油压或空气压力推动活塞或叶片产生直线运动的力或旋转运动的力矩。
(1)液压油缸的工作原理
图6.2液压油缸工作原理
设进入油缸腔内的工作油的体积流量为Q,活塞的有效受压面积为A,左右两油腔的压力差为ΔP,由油缸产生的力F为:
F=A*ΔP
活塞的速度为:
υ=Q/A
由此可见:
速度与流量成正比。
通过阀门来控制流量从而达到控制速度。
活塞上的功率(力×速度):
W=F*υ=Q*ΔP
(2)叶片式液压马达的工作原理
图6.3叶片式液压马达工作原理
设供给马达的工作油流量为Q,叶片旋转一周排除的工作油的体积为V,液压马达的输出力矩(转子上的转矩):
T=V*ΔP/(2*π)
转子的角速度ω=2*π*Q/V
由此可见:
速度与流量成正比。
通过阀门来控制流量从而达到控制速度
马达的输出功率(力矩×角速度):
W=T*ω=Q*ΔP
对于气动装置,由于空气具有可压缩性(体积缩小),问题就复杂些。
3.执行装置的特点与性能
1)特点:
(1)电动执行装置
[优点]
♦以电源为能源,在大多数情况下容易得到;
♦容易控制:
♦可靠性、稳定性和环境适应性好;
♦与计算机等控制装置的接口简单。
[缺点]
♦在多数情况下,为了实现一定的旋转运动或直线运动,必须使用齿轮等运动传递和变换机构;
♦容易受载荷的影响;
♦获得大功率比较困难。
(2)液压执行装置
[优点]
♦容易获得大功率;
♦功率/重量比大,可以减小执行装置的体积;
♦刚度高,能够实现高速、高精度的位置控制;
♦通过流量控制可以实现无级变速。
[缺点]
♦必须对油的温度(防爆炸)和污染进行控制,稳定性较差;
♦有因漏油而发生火灾的危险;
♦液压油源和进油、回油管路等附属设备占空间较大。
(3)气功执行装置
[优点]
♦利用汽缸可以实现高速直线运动;
♦利用空气的可压缩性容易实现力控制和缓冲控制;
♦无火灾危险和环境污染;
♦系统结构简单,价格低。
[缺点]
♦由于空气的可压缩性,高精度的位置控制和速度控制都比较因难;
♦虽然撞停等简单动作速度较高,但在任意位置上停止的动作速度很慢;
♦能量效率较低。
2)性能:
比较项目
电动式
液压式
气动式
输出功率/重量比
小
大
中
快速响应特性
中~20Hz
大~100Hz
小~10Hz
简单动作速度
慢
一般
快
控制特性
良好
一般
差
减速机构
需要
不需要
不需要
占用空间
小
大
大
使用环境
良好
差
良好
可靠性
良好
差
一般
防爆性能
差
一般
良好
价格
一般
贵
便宜
3)应用:
电动执行装置虽然有功率不能太大的缺点,但由于其良好的可控性、稳定性和对环境的适应性等优点,在许多领域都得到了广泛的应用。
在有利于环境保护的电动汽车和混合能源汽车上也有希望得到应用。
电动机的用途很广。
液压执行装置的最大优点是输出功率大,因此,在轧制、成型、建筑机械等重型机械上和汽车、飞机上都得到了应用。
气动执行装置由于其重量轻、价格低、速度快等优点,适用于工件的夹紧、输送等生产线自动化方面,应用领域也很广。
此外,在一些可以利用气体可压缩性的领域,也希望使用气动执行装置。
4)在开发和改进执行装置时要考虑的问题有:
①功率/重量比;
②体积和重量;
③响应速度和操作力;
④能源及自身检测功能;
⑤成本及寿命;
⑥能量的效率等。
4.新型执行装置
1)压电执行装置:
压电效应:
压电陶瓷等材料上施加电压而产生形变;
2)静电执行装置:
采用硅的微细加工技术制造,利用静电引力原理;
3)形状记忆合金执行装置:
利用镍钛合金等材料具有的形状随温度变化,温度变化恢复时形状也恢复的形状记忆性质;
4)FMA执行装置:
利用纤维强化胶在流体压力的作用下产生变形的原理;
5)MH执行装置:
利用储氢合金在温度变化时吸收和放出气体的性质。
此外还有:
流体执行装置:
ER流体、EHD流体;ICPF膜执行装置;光执行装置。
这些新型执行装置有望作为微型执行装置使用。
(在微机械、微型机器人等中使用)。
§6.2电动执行装置
1.直流伺服电机
1)特点
优点:
启动转矩大、体积小、重量轻、转矩和转速容易控制、效益高。
缺点:
由于转子上有电刷和换向器、需要定时维护、更换,因此存在寿命短、噪声大等问题,在速度和位置控制时需要角度传感器来实现闭环控制。
2)构造与工作原理
组成:
永磁铁定子、线圈转子(电枢)、电刷和换向器构成。
图6.4DC电机的构造
3)特性与驱动方式
(1)电机的输出力矩:
T=KT*i(6-1)
其中KT=B*L*r转矩常数。
(2)电枢回路的电压平衡方程:
V=R*i+KE*ω
其中R:
电枢回路的总电阻KE电动势常数ω:
角速度
则电机的角速度(转速):
ω=(V-R*i)/KE
电机转矩-角速度特性表达式:
T=(V-KE*ω)*KT/R(6-2)
根据式(6-1)和(6-2)可以得到直流电机的两种控制方法。
(3)两种控制方法:
电流控制和电压控制,其对应的特性曲线如下:
特性曲线如下:
由式(6-1)得图6.5(a):
电流控制得到恒转矩控制曲线
由式(6-1)得图6.5(b):
电压控制得到随着转速增大转矩减少的理想下降特性。
图6.5DC电机转矩-转速特性
(4)驱动方法:
电机的基本控制是转速和转矩控制,对直流电机,可以通过改变电压或电流,就可以成比例地控制其转速和转矩。
相应地,有两种驱动方法:
其一是:
利用晶体管放大器的功率放大特性(利用晶体管放大器等的线性驱动方式,对输入信号按比例进行功率放大)。
其二是:
利用晶体管放大器的开关特性(利用开关放大器的开关驱动方式),开关驱动方式下,主要采用脉宽调制(PWM:
Pulswidthmodulation),它是电压控制方式。
常用的PWM载波信号:
锯齿波、三角波、方波
补充内容:
讲述PWM原理。
2.交流伺服电机
1)特点
优点:
没有电刷和换向器,无需维护,也没有产生火花的危险。
缺点:
驱动电路复杂。
价格高。
2)工作原理与种类
种类:
同步电机异步电机无刷直流电机
图6.6AC电机的构造
同步:
与直流电机相反,转子为永磁体、定子为线圈(定子绕组)
异步:
定子和转子都有线圈绕组。
定子绕组称为一次绕组,转子为二次绕组。
图6.7异步交流电机的工作原理
无刷直流电机:
构造与同步电机。
电刷和换向器分别被磁极检测传感器、转角传感器、晶体管换向器代替(电子式换向装置)。
无刷电机的工作原理与同步电机相同,其特性与直流电机相同。
这种电机由于没有电刷及电刷上的电压降和摩擦损耗,而且转子储量小,所以具有稳定、可靠、效率高、响应速度快等直流电机和交流电机共同的优点,在各种伺服系统中应用范围很广。
虽近,出现了将控制电路缩小,直接装在电机内部的新产品。
3)特性与控制方式
(1)矩频特性曲线:
异步交流电机的转矩-转速特性曲线。
图6.8交流电机的转矩-转速特性
转速越大,转矩也逐渐增大,超过一定转矩,变成与直流电机相似的下降特性。
电机的负载随转速增大而变大。
工作点:
负载曲线与电机特性曲线的交点。
(2)控制方式:
电压控制方式:
改变定子绕组上的电压就可以控制异步电机的转速。
频率控制方式:
控制旋转磁场的频率就可以控制转速(变频器)。
3.步进电机
1)特点
也称为脉冲电机:
每当输入一个脉冲时,电机就旋转一个固定的角度(称为步距角)。
因此:
角度与脉冲个数成正比,转速与脉冲频率成正比。
优点:
不需要传感器(反馈),多用于开环控制。
接口容易(直接用数字信号控制);维护方便、寿命长等(无电刷);启动、停止、正反转易控制。
缺点:
能量转换效率低,存在失步现象。
2)工作原理与种类
种类:
按产生转矩的方式分为:
(1)永磁体(PM,PermanentMagnet):
转子永磁体,定子电磁铁(线圈绕组)。
在定子电磁铁和转子永磁体之间的排斥力和吸引力的作用下,驱动转子转动。
步距角:
7.5~90转矩小,多用于计算机外设、办公设备等。
(2)可变磁组(VR,VariableReluctance)式:
转子齿轮状的铁心,定子电磁铁(线圈绕组)。
定子电磁铁与转子铁心之间的吸引力驱动转子转动。
在定子磁场中,转子始终转向磁阻最小的位置。
步距角:
0.9~15转矩中等。
(3)混合式(HB:
Hybrid)是PM和VR的复合形式。
转子:
永磁体,表面有许多轴向的齿槽。
定子:
电磁铁,表面有许多轴向的齿槽。
产生转矩的原理与PM相同,转子定子的形状与VR式相似。
永磁体PM式可变磁组VR式混合HB式
图6.9步进电机构造
3)特性与驱动方式
矩频特性曲线:
图6.10步进电机的转矩-转速特性
启动转矩:
步进电机从停止状态迅速达到设定转速时,所能驱动的最大负载扭矩;
动转矩:
当输入脉冲频率一定,负载扭矩逐浙增大,或者负载扭矩一定,输入脉冲频率逐渐增加时步进电机不失步的极限转矩;
静转矩:
步进电机转子不转时的电磁转矩;
最大空载启动频率:
在空载停止状态下,能够使电机瞬时启动的最大输入脉冲频率;
最大响应频率:
输入脉冲频率缓慢上升时,步进电机能够不失步运行的极限频率(也称为最大响应频率)。
驱动(三种励磁方式):
图6.11步进电机的驱动系统
单相:
能耗低,转角精度高,但是由于转子的惯性存在,容易产生失步。
双相:
输出转矩大,转子过冲小,但电效率低。
单-双向:
分辨率高和运转平稳。
4.直接驱动电机
不用齿轮减速器直接驱动机构如机械手的一种电机。
优点:
无间隙、摩擦小、机械刚度高,可以实现高速、高精度的位置控制和微小力的控制。
缺点:
因为没有减速机构,所以容易受载荷的影响。
5.新型电机-超声波电机
超声波电机是以超声波的椭圆振动,使定子产生共振,并利用定于与紧贴定子的转子之间的摩擦力产生转矩的一种电机。
由两片相位差90°的压电陶瓷、带有放射状齿的弹性体定子和装有摩擦材料的转子构成。
图6.12超声波电机
给压电陶瓷施加一定方向的电压时,各部分产生的应变方向相反(在正电压作用下,+的部分伸长,-的部分压缩),+、-部分交替相接。
在交流电压的作用下,压电陶瓷就会沿圆周方向产生交替的伸缩变形,定子弹性体的上下运动产生驻波。
此外,由于重叠在一起的两片压电陶瓷的相位差90°,所以,在形成驻波的同时也会在水平方向形成行波。
这样,在驻波和行波的合成波的作用下,使定子作椭圆运动轨迹的振动。
装在定子上的转子在摩擦力的作用下就会产生旋转。
在定子上加工出放射状齿形能够使椭圆运动的振幅扩大。
因为一般所加交流电压的频率都在50kHz以上,所以这种电机称为超声波电机。
超声波电机具有体积小,重量轻,不用制动器,速度和位置控制灵敏度高,转子惯性小,响应性能好,没有电磁噪声等普通电机不具备的优点。
§6.3液压与气动执行装置
1.液压执行装置
1)液压系统组成:
液压系统由液压泵、减压阀、管路、控制阀和执行装置组成。
液压泵:
将电机驱动的机械能转变为流体能;
减压阀:
液压泵的出口压力保持一定的压力值;
管路:
传递流体能和流体信号(相当于电气系统的导线);
控制阀:
用于控制液压油的流量、压力和方向。
对应分为流量控制阀、压力控制阀和换向阀;
执行装置:
将流体能再转换为机械能。
典型的执行装置有液压油缸、液压马达。
图6.13液压系统
2)液压油缸
单行程油缸:
活塞单端受液压作用,回程由载荷、重力或弹簧力驱动;
往复油缸:
活塞两端都受液压作用,单杆型(活塞一端有活塞杆)、双杆型(活塞两端都有活塞杆,性能好,使用广)。
3)液压马达:
叶片马达、齿轮马达和活塞马达
(1)叶片马达:
在转子的径向上插人若干(通常为9~13)片叶片,叶片的悬伸部分在液压的作用下产生转矩。
叶片马达具有输出转矩平稳、噪音低、转矩/重量比高等优点。
(2)齿轮马达:
结构简单、重量轻、价格便宜、抗振性好。
(3)活塞式马达:
径向活塞式马达和轴向活塞式马达。
效率高,但结构复杂。
齿轮马达径向活塞式马达
图6.14液压马达构造
4)驱动方式与液压控制阀
为了使液压执行装置正常工作,必须控制工作油的压力、流量和流动的方向。
两种控制方法:
(1)泵控制方式:
通过改变液压泵的转速来控制液压油的出口流量。
结构简单,能量效率高。
响应速度差、控制精度低。
(2)阀控制方式:
使液压泵的出口流量一定,用液压阀来调节油路的面积,从而控制执行装置的流量、压力等。
响应速度快、控制精度高和价格便宜。
常用的控制阀是用电信号控制的电-液控制阀。
分模拟型的电-液伺服阀(比例阀)和开关型的电磁换向阀(简称电磁阀)。
电-液伺服阀,构造如下图所示。
图6.15电-液伺服阀构造
优点:
能够用小功率的电能快速、高精度地控制大功率的液压能。
缺点:
精度要求高,价格贵,对工作油的清洁程度和温度要求高。
2.气动执行装置
1)气动系统组成:
压缩机:
由内燃机或电动机驱动,将旋转机械动力转化为流体的动力。
二次冷却器:
对压缩机提供的空气进行水冷或者气冷。
储气箱:
储存压缩空气,使系统在负荷变化时能够保持一定的气压,并且在停电等意外情况时能够实现紧急处理,同时还能够吸收压缩机产生的压力的波动。
干燥机:
用来干燥压缩机产生的湿度较高的气体。
减压阀:
用于将管路中供给的高压气体转变成一定的供压状态。
图6.16气动系统
2)气缸与气动马达
叶片气动马达:
优点是转速高(可达25000r/min)、体积小、重量轻,缺点是启动力矩较小。
径向活塞马达:
优点是输出功率大、启动转矩高,缺点是结构复杂、体积大。
图6.17叶片式气动马达的结构
3)无杆汽缸
优点:
安装空间小。
缺点:
结构复杂、造价高、摩擦力大。
图6.18无杆气缸结构
4)气动控制阀
气动控制主要单纯的行程终点控制,所以气动控制阀主要以换向阀和高速电磁开关阀为主,压力比例控制阀及流量比例控制阀等电-气伺服阀使用较少。
思考练习
1、什么是执行装置?
按利用的能源可分为哪三类?
2、直流电机的驱动方式有哪些?
3、试述交流伺服电机的种类。
4、步进电机按产生转矩的方式可分为哪三种?
各有何特点?
5、液压系统的组成有哪些?
6、气动系统的组成有哪些?
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- 第6章 系统的执行与驱动技术 系统 执行 驱动 技术