淺論機電一體化系統(tǒng)設計中執(zhí)行元件的選擇與設計

1、青島黃海學院機電工程學院20132014學年第二學期期末考試科目： 機電一體化系統(tǒng)設計 姓名： 杜希元 學號： 1101111084 班級： 2011級本科三班 專業(yè)： 機械制造及其自動化 淺論機電一體化系統(tǒng)設計中執(zhí)行元件的選擇與設計姓名：杜希元 班級：2011級本科三班 學號：1101111084摘要：機電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)離不開執(zhí)行元件為其提供動力。如數(shù)控機床的主軸轉動、工作臺的進給運動以及工業(yè)機器人手臂升降、回轉和伸縮運動等所用驅(qū)動部件。在電子控制裝置控制下，將輸入的各種形式的能量轉換為機械能，例如電動機、液動機、氣缸、內(nèi)燃機、電磁鐵、繼電器等分別把輸入的電能、液壓能、氣壓能和化學能轉

2、換為機械能。因此認識執(zhí)行元件的選擇與設計就顯得很重要。關鍵詞：執(zhí)行元件 選擇 設計 一、執(zhí)行元件的種類及特點（1）執(zhí)行元件的種類根據(jù)使用能量的不同，可以將執(zhí)行元件分為電磁式、液壓式和氣壓式等幾種類型，如圖所示。電磁式是將電能變成電磁力，并用該電磁力驅(qū)動運行機構運動。液壓式是先將電能變換為液壓能并用電磁閥改變壓力油的流向，從而使液壓執(zhí)行元件驅(qū)動運行機構運動。氣壓式與液壓式的原理相同，只是將介質(zhì)由油改為氣體而已。其他執(zhí)行元件與使用材料有關，如使用雙金屬片、形狀記憶合金或壓電元件 。（2）執(zhí)行元件的特點二、控制用電動機簡介控制用電動機有力矩電動機、脈沖（步進）電動機、變頻調(diào)速電動機、開關磁阻電動機和

3、各種AC/DC電動機等?？刂朴秒妱訖C是電氣伺服控制系統(tǒng)的動力部件，是將電能轉換為機械能的一種能量轉換裝置。由于其可在很寬的速度和負載范圍內(nèi)進行連續(xù)、精確的控制，因而在各種機電一體化系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。控制用電動機有回轉和直線驅(qū)動電動機，通過電壓、電流、頻率(包括指令脈沖)等控制，實現(xiàn)定速、變速驅(qū)動或反復起動、停止的增量驅(qū)動以及復雜的驅(qū)動，而驅(qū)動精度隨驅(qū)動對象的不同而不同。機電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品中常用的控制用電動機是指能提供正確運動或較復雜動作的伺服電動機。（1）伺服電動機控制方式的基本形式（2）控制用電動機的種類、特點及選用 在機電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)中使用兩類電動機,一類為一般的動力用電動

4、機,如感應式異步電動機和同步電動機等;另一類為控制用電動機,如力矩電動機、脈沖電動機、開關磁阻電動機、變頻調(diào)速電動機和各種AC/DC電動機等。不同的應用場合，對控制用電動機的性能密度的要求也有所不同。對于起停頻率低(如幾十次分)，但要求低速平穩(wěn)和扭矩脈動小，高速運行時振動、噪聲小，在整個調(diào)速范圍內(nèi)均可穩(wěn)定運動的機械，如NC工作機械的進給運動、機器人的驅(qū)動系統(tǒng)，其功率密度是主要的性能指標；對于起停頻率高(如數(shù)百次分)，但不特別要求低速平穩(wěn)性的產(chǎn)品，如高速打印機、繪圖機、打孔機、集成電路焊接裝置等主要的性能指標是高比功率。在額定輸出功率相同的條件下,交流伺服電動機的比功率最高、 直流伺服電動機次之

5、、步進電動機最低。 直流（DC）與交流（AC）（3）對控制用電動機的基本要求三、伺服電動機及其驅(qū)動（1）直流(DC)伺服電動機及其驅(qū)動 1. 直流伺服電動機的特性及選用直流伺服電動機通過電刷和換向器產(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)生轉矩。其電樞大多為永久磁鐵。 直流伺服電動機具有較高的響應速度、精度和頻率，優(yōu)良的控制特性等優(yōu)點。但由于使用電刷和換向器，故壽命較低，需要定期維修。 直流印刷電樞電動機是一種盤形伺服電動機，電樞由導電板的切口成形，棵導體的線圈端部起換向器作用，這種空心式高性能伺服電動機大多用于工業(yè)機器人、小型NC機床及線切割機床上。寬調(diào)速直流伺服電動機的結構

6、特點是勵磁便于調(diào)整，易于安排補償繞組和換向極，電動機的換向性能得到改善，成本低,可以在較寬的速度范圍內(nèi)得到恒轉速特性。永久磁鐵的寬調(diào)速直流伺服電動機的結構如下圖所示。有不帶制動器a和帶制動器b兩種結構。電動機定子(磁鋼)1采用矯頑力高、不易去磁的永磁材料(如鐵氧體永久磁鐵)、轉子(電樞)2直徑大并且有槽，因而熱容量大，結構上又采用了通常凸極式和隱極式永磁電動機磁路的組合，提高了電動機氣隙磁通密度。同時，在電動機尾部裝有高精密低紋波的測速發(fā)電機，并可加裝光電編碼器或旋轉變壓器及制動器，為速度環(huán)提供了較高的增量，能獲得優(yōu)良的低速剛度和動態(tài)性能。 寬調(diào)速直流伺服電動機應根據(jù)負載條件來選擇。加在電動機

7、軸上的有兩種負載，即負載轉矩和負載慣量。當選用電動機時，必須正確地計算負載，即必須確認電動機能滿足下列條件：在整個調(diào)速范圍內(nèi)，其負載轉矩應在電動機連續(xù)額定轉矩范圍以內(nèi)；工作負載與過載時間應在規(guī)定的范圍以內(nèi)；應使加速度與希望的時間常數(shù)一致。一般講，由于負載轉矩起減速作用，如果可能，加減速應選取相同的時間常數(shù)。 值得提出的是慣性負載值對電動機靈敏度和快速移動時間有很大影響。對于大的慣性負載，當指令速度變化時，電動機達到指令速度的時間需要長些。如果負載慣量達到轉子慣量的三倍，靈敏度要受到影響，當負載慣量比轉子慣量大三倍時響應時間將降低很多，而當慣量大大超過時，伺服放大器就不能在正常條件范圍內(nèi)調(diào)整，必

8、須避免使用這種慣性負載。2. 直流伺服電動機與驅(qū)動直流伺服電動機為直流供電，為調(diào)節(jié)電動機轉速和方向,需要對其直流電壓的大小和方向進行控制。目前常用晶體管脈寬調(diào)速驅(qū)動和晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動兩種方式。晶閘管直流驅(qū)動方式，主要通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置控制晶閘管的觸發(fā)延遲角(控制電壓的大小)來移動觸發(fā)脈沖的相位，從而改變整流電壓的大小，使直流電動機電樞電壓的變化易于平滑調(diào)速。由于晶閘管本身的工作原理和電源的特點，導通后是利用交流(50Hz)過零來關閉的，因此，在低整流電壓時。其輸出是很小的尖峰值(三相全波時每秒300個)的平均值，從而造成電流的不連續(xù)性。而采用脈寬調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)，其開關頻率高(通常達2000300

9、0Hz)，伺服機構能夠響應的頻帶范圍也較寬，與晶閘管相比，其輸出電流脈動非常小，接近于純直流。為使電動機實現(xiàn)雙向調(diào)速，多采用下圖所示橋式電路，其工作原理與線性放大橋式電路相似。電橋由四個大功率晶體管VT1VT4組成。如果在VT1和VT3的基極上加以正脈沖的同時，在VT2和VT4的基極上加負脈沖，這時VT1和VT4導通，VT2和VT4截止，電流沿+90VcVT1dMbVT3a0V的路徑流通。設此時電動機的轉向為正向。反之，如果在晶體管VT1和VT3的基極上加負脈沖，在VT2和VT4的基極上加正脈沖，則VT2和VT4導通，VT1和VT3截止，電流沿+90VcVT2bMdVT4a0V的路徑流通，電流

10、的方向與前一情況相反，電動機反向旋轉。顯然，如果改變加到VT1和VT3、VT2和VT4這兩組管子基極上控制脈沖的正負和導通率，就可以改變電動機的轉向和轉速。（2）交流(AC)伺服電動機及其驅(qū)動同步型和感應型伺服電動機稱為交流伺服電動機，其基本原理是檢測SM（同步）型和IM（感應）型的氣隙磁場的大小和方向，用電力電子變換器代替整流子和電刷，并通過與氣隙磁場方向相同的磁化電流和與氣隙磁場方向垂直的有效電流來控制其主磁通量和轉矩。 采用永久磁鐵磁場的同步電動機不需要磁化電流控制，只要檢測磁鐵轉子的位置即可。這種交流伺服電動機也叫做無刷直流伺服電動機。由于它不需要磁化電流控制，故比IM型伺服電動機容易

11、控制。四、步進電動機及其驅(qū)動1. 步進電動機的特點步進電動機又稱脈沖電動機。它是將電脈沖信號轉換成機械角位移的執(zhí)行元件。其輸入一個電脈沖就轉動一步，即每當電動機繞組接受一個電脈沖，轉子就轉過一個相應的步距角。轉子角位移的大小及轉速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時間上與輸入脈沖同步，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電動機繞組通電相序即可獲得所需的轉角、轉速及轉向、很容易用微機實現(xiàn)數(shù)字控制。步進電動機具有以下特點：步進電動機的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素(如電源電壓的波動、電流的大小與波形的變化、溫度等)的影響，只要在它們的大小未引起步進電動機產(chǎn)生“丟步”現(xiàn)象之前，就不影響其正常工作；步進

12、電動機的步距角有誤差，轉子轉過一定步數(shù)以后也會出現(xiàn)累積誤差，但轉子轉過一轉以后，其累積誤差變?yōu)椤傲恪?，因此不會長期積累；控制性能好,在起動、停止、反轉時不易“丟步”。因此，步進電動機被廣泛應用于開環(huán)控制的機電一體化系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡化，并可靠地獲得較高的位置精度。2. 步進電動機的種類步進電動機的種類很多，有旋轉式步進電動機，也有直線步進電動機；從勵磁相數(shù)來分有三相、四相、五相、六相等步進電動機。就常用的旋轉式步進電動機的轉子結構來說，可將其分為以下三種：1）可變磁阻(VR-Variable Reluctance)型2)永磁(PM-Permanent Magnet)型3)混合(HB-Hybrid)

13、型3. 步進電動機的工作原理如上圖a所示，如果先將電脈沖加到A相勵磁繞組，定子A相磁極就產(chǎn)生磁通，并對轉子產(chǎn)生磁拉力，使轉子的1、3兩個齒與定子的A相磁極對齊。而后再將電脈沖通入B相勵磁繞組，B相磁極便產(chǎn)生磁通。由圖b可以看出，這時轉子2、4兩個齒與B相磁極靠得最近，于是轉子便沿著逆時針方向轉過30° 角，使轉子2、4兩個齒與定子B相磁極對齊。如果按照ABCA的順序通電，轉子則沿反時針方向一步步地轉動，每步轉過30°，這個角度就叫步距角。顯然，單位時間內(nèi)通入的電脈沖數(shù)越多，即電脈沖頻率越高，電動機轉速就越高。如果按ABCA的順序通電，步進電動機將沿順時針方向一步步地轉動。從

14、一相通電換接到另一相通電稱為一拍，每一拍轉子轉動一個步距角。像上述的步進電動機，三相勵磁繞組依次單獨通電運行，換接三次完成一個通電循環(huán)，稱為三相單三拍通電方式。如果使兩相勵磁繞組同時通電，即按ABBCCAAB順序通電，這種通電方式稱為三相雙三拍，其步距角仍為30°。還有一種是按三相六拍通電方式工作的步進電動機，即按照AABBBCCCAA順序通電，換接六次完成一個通電循環(huán)。這種通電方式的步距角為l5°，如下圖所示。 4. 步進電動機的驅(qū)動與控制步進電動機的運行特性與配套使用的驅(qū)動電源（驅(qū)動器）有密切關系。驅(qū)動電源由脈沖分配器、功率放大器等組成，如下圖所示。驅(qū)動電源是將變頻信號源(微機或數(shù)控裝置等)送來的脈沖信號及方向信號按要求的配電方式自動地循環(huán)供給電動機各相