機電一體化單元技術(shù)2

1、返回返回返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) n2.1 概述 n2.2 精密機械技術(shù) n2.3 傳感檢測技術(shù)n2.4 伺服驅(qū)動技術(shù) 返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 傳感與檢測系統(tǒng)是機電一體化產(chǎn)品中的一個重要傳感與檢測系統(tǒng)是機電一體化產(chǎn)品中的一個重要組成部分，用于實現(xiàn)組成部分，用于實現(xiàn)檢測功能檢測功能。檢測系統(tǒng)主要由檢測系統(tǒng)主要由傳感器傳感器及相應(yīng)的及相應(yīng)的信號處理電路信號處理電路構(gòu)構(gòu)成。成。返回返回n傳感器：是一種以一定的精確度將被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的、易于處理和傳輸?shù)男盘枩y量裝置。n非電量信號電量信號一一. . 傳感器的組成

2、傳感器的組成 第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 被測量被測量（非電量）（非電量）物理量物理量電參量電參量電量電量（R、L、C）（U、I、f）敏感元件：直接感受、獲取被測量并輸出與被測量有確定關(guān)系敏感元件：直接感受、獲取被測量并輸出與被測量有確定關(guān)系的某種物理量的元件。的某種物理量的元件。轉(zhuǎn)換元件：一般情況下不直接感受被測量，而是將敏感元件的轉(zhuǎn)換元件：一般情況下不直接感受被測量，而是將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換成電參量形式的輸出元件。輸出轉(zhuǎn)換成電參量形式的輸出元件。轉(zhuǎn)換電路：把轉(zhuǎn)換元件輸出的電路參量轉(zhuǎn)換成便于顯示、記錄

3、、轉(zhuǎn)換電路：把轉(zhuǎn)換元件輸出的電路參量轉(zhuǎn)換成便于顯示、記錄、處理和控制的有用電信號的電路。處理和控制的有用電信號的電路。 返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 氣體壓力傳感器原理n膜盒2外部與大氣壓相通，它的下半部與殼體1固接,上半部通過連桿與磁心4相連,磁心4置于兩個電感線圈3中,后者接入轉(zhuǎn)換電路5。敏感元件：膜盒2 轉(zhuǎn)換元件：可變電感3轉(zhuǎn)換電路5返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) （一）分類n按被測量：物理量、化學(xué)量、生物量n按信號變化特征：結(jié)構(gòu)型、物性型n按工作原理：壓電式、光電式、熱電式等n按輸出量：開關(guān)型、模擬型、數(shù)字型二.傳感器的

4、分類及特性返回返回傳感器按按輸出信號的性質(zhì)分類輸出信號的性質(zhì)分類模擬型(analog)接觸型（如微動開關(guān)、行程開關(guān)、接觸開關(guān)）非接觸型（如光電開關(guān)、接近開關(guān)）電壓、電流型（如熱電偶、光電池等）電阻型（如電位器、電阻應(yīng)變片等）電感、電容型（如電感、電容式位移傳感器）計數(shù)器（二值、十值計數(shù)器）代碼型（如旋轉(zhuǎn)編碼器、磁尺等）傳感器sensor第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) （二）特性 特性: 輸出與輸入之間的關(guān)系 (1) 靜態(tài)特性：被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)時，傳感器的輸入值與輸出值之間的關(guān)系。主要技術(shù)指標(biāo) ：n量程n線

5、性度n靈敏度n精度n分辨率n遲滯性n重復(fù)性返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 量程量程 在允許誤差限內(nèi)傳感器的適用測量范圍。在允許誤差限內(nèi)傳感器的適用測量范圍。 線性度線性度 在靜態(tài)輸入下，傳感器在靜態(tài)輸入下，傳感器 實際特性曲線與理論直實際特性曲線與理論直 線之間的最大偏差與滿線之間的最大偏差與滿 量程值之比。量程值之比。100%maxFSyL返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 靈敏度靈敏度 傳感器的靈敏度是指傳感器在穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)條件下，傳感器的靈敏度是指傳感器在穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)條件下，輸出量的變化量與輸入量的變化量之比。輸出量的變化量與輸入量的變

6、化量之比。xyS0表征傳感器對輸入量變化的反應(yīng)能力。表征傳感器對輸入量變化的反應(yīng)能力。返回返回 線性傳感器線性傳感器 非線性傳感器非線性傳感器 傳感器的靈敏度傳感器的靈敏度 選用原則：選用原則： 在量程范圍內(nèi)，傳感器的靈敏度越高越好，但要注在量程范圍內(nèi)，傳感器的靈敏度越高越好，但要注意外界噪聲的影響。意外界噪聲的影響。第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 精度精度 傳感器的輸出量與實際被測量之間的接近程度。傳感器的輸出量與實際被測量之間的接近程度。精度一般用標(biāo)定的方法來確定精度一般用標(biāo)定的方法來確定分辨率分辨率

7、傳感器能檢測到的最小輸入增量稱分辨率。傳感器能檢測到的最小輸入增量稱分辨率。 在輸入零點附近的分辨率稱為閾值在輸入零點附近的分辨率稱為閾值返回返回 正反行程間輸出的最大差值正反行程間輸出的最大差值。HMAX%100)(21 (FSHMAXHyxHmaxY遲滯性遲滯性 傳感器在正（輸入量增大）傳感器在正（輸入量增大） 反（輸入量減?。┬谐讨?，反（輸入量減?。┬谐讨?，輸出輸出/輸入特性曲線不重合輸入特性曲線不重合的程度。的程度。第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 重復(fù)性重復(fù)性 傳感器在同一條件下，被測輸入量按同一方

8、傳感器在同一條件下，被測輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次重復(fù)測量時，所得輸出向作全量程連續(xù)多次重復(fù)測量時，所得輸出/輸入曲線的不一致程度。輸入曲線的不一致程度。零漂零漂 傳感器在零輸入狀態(tài)下輸出值的變化。傳感器在零輸入狀態(tài)下輸出值的變化。 100%FSmRyR21,maxmmmRRR返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) (2) (2) 動態(tài)特性動態(tài)特性指傳感器測量指傳感器測量動態(tài)信號動態(tài)信號時，輸出對輸入的響應(yīng)時，輸出對輸入的響應(yīng)特性。特性。傳感器的動態(tài)特性常用它對某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號傳感器的動態(tài)特性常用它對某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)來表示。常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號有的響應(yīng)來表示。

9、常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號有階躍信階躍信號號和和正弦信號正弦信號兩種，所以傳感器的動態(tài)特性也兩種，所以傳感器的動態(tài)特性也常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來表示。常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來表示。動態(tài)特性參數(shù)如：最大超調(diào)量、上升時間、穩(wěn)動態(tài)特性參數(shù)如：最大超調(diào)量、上升時間、穩(wěn)定時間、頻率響應(yīng)范圍、臨界頻率、臨界速度、定時間、頻率響應(yīng)范圍、臨界頻率、臨界速度、阻尼比等。阻尼比等。 返回返回（一）新型傳感器的開發(fā) 從以結(jié)構(gòu)型為主轉(zhuǎn)向以物性型為主的過程 第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回（1）同一功能的多個敏感元件排列成線性、面型的陣列型傳感器。 （2）多種不同功能的敏感元件集成一體，成為可同

10、時進行多種參數(shù)測量的傳感器。 （3）傳感器與放大、運算、溫度補償?shù)入娐芳梢惑w具有多種功能。 （二）傳感器的集成化和多功能化 隨著微電子學(xué)、微細(xì)加工技術(shù)和集成化工藝等方面的發(fā)展，出現(xiàn)了多種集成化傳感器。 第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回n不僅具有信號檢測、轉(zhuǎn)換功能，同時還具有記不僅具有信號檢測、轉(zhuǎn)換功能，同時還具有記憶、存儲、解析、統(tǒng)計處理及自診斷、自校準(zhǔn)、憶、存儲、解析、統(tǒng)計處理及自診斷、自校準(zhǔn)、自適應(yīng)等功能。如進一步將傳感器與計算機的自適應(yīng)等功能。如進一步將傳感器與計算機的這些功能集成于同一芯片上，就成為智能傳感這些功能集成于同一芯片上，就成為智能傳感器。器

11、。第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 三、機電一體化中常用的傳感器n位移檢測傳感器：光柵、旋轉(zhuǎn)變壓器、光電編碼器n速度檢測傳感器：測速發(fā)電機、光電式、差動變壓器式n加速度檢測傳感器：應(yīng)變式、壓電式n力、力矩檢測傳感器：電阻應(yīng)變壓力傳感器、力矩傳感器n溫度、濕度、光度檢測傳感器返回返回一、光柵位移傳感器一、光柵位移傳感器 (Raster Displacement Sensor) 光柵是一種新型的位移檢測元件，是一種將機械位移或模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖的測量裝置。 第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù)

12、 返回返回 光柵光柵(raster)(raster)是在透明的玻璃板上，均勻地刻出許多明暗相間的條紋，或在金屬鏡面上均勻地劃出許多間隔相等的條紋，通常線條的間隙和寬度是相等的。光柵光柵以透光的玻璃為載體的稱為透射光柵 不透光的金屬為載體的稱為反射光柵 根據(jù)載體根據(jù)外形直線光柵圓光柵第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回n根據(jù)用途：光柵尺（測直線位移）根據(jù)用途：光柵尺（測直線位移） 和光柵盤（測角位移）和光柵盤（測角位移）n按材料：玻璃光柵和金屬光柵按材料：玻璃光柵和金屬光柵n按光源照射法：透射光柵和反射光柵按光源照射法：透射光柵和反射光柵第二章第二章 機電一體化的單元

13、技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回n直線光柵的結(jié)構(gòu)第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) n由由標(biāo)尺光柵標(biāo)尺光柵1、指示光柵指示光柵2、光源光源4、光電元件光電元件3組成，其中組成，其中2、3、4裝在讀數(shù)頭中。使用時，標(biāo)尺光柵（主光柵）安裝在讀數(shù)頭中。使用時，標(biāo)尺光柵（主光柵）安裝在機床活動部件上，讀數(shù)頭安裝在機床固定部件上。裝在機床活動部件上，讀數(shù)頭安裝在機床固定部件上。n兩者的刻線密度相同，而刻線之間的距離稱為兩者的刻線密度相同，而刻線之間的距離稱為柵距柵距W 。光。光柵條紋密度一般為每毫米柵條紋密度一般為每毫米25，50，100，200，250條等。條等。返回返回n直線光

14、柵的工作原理第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) n把兩塊柵距把兩塊柵距W相等的光柵平行安裝，且讓它們的刻痕之相等的光柵平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角間有較小的夾角時，由于遮光效應(yīng)，光柵上會出現(xiàn)若干時，由于遮光效應(yīng)，光柵上會出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋，即條明暗相間的條紋，即莫爾條紋莫爾條紋，它們沿著與光柵條紋，它們沿著與光柵條紋幾乎垂直的方向排列。夾角幾乎垂直的方向排列。夾角越小，莫爾條紋間距越小，莫爾條紋間距B 越大。越大。n標(biāo)尺光柵移動位移標(biāo)尺光柵移動位移X：nWX n莫爾條紋間距數(shù)莫爾條紋間距數(shù)返回返回n莫爾條紋的特點 運動對應(yīng)關(guān)系n移動大小：光柵尺相對移動過一

15、個柵距W，莫爾條紋就移動過一個條紋間距B 。n移動方向：光柵尺沿柵線垂直方向左右移動，莫爾條紋沿柵線方向上下移動。第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回 位移放大作用n莫爾條紋的間距B與兩光柵條紋夾角（rad）之間關(guān)系：放大倍數(shù)：第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 1WBKWB 返回返回 均化誤差作用莫爾條紋是由一系列刻線的交點組成，它反映了形成條紋的光柵刻線的平均位置，對各柵距誤差起了平均作用，減弱了光柵制造中的局部誤差和短周期誤差對檢測精度的影響返回返回n光柵測量系統(tǒng)第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) n通過光電元件，可將莫

16、爾條紋移動時光強的變化轉(zhuǎn)換為通過光電元件，可將莫爾條紋移動時光強的變化轉(zhuǎn)換為近似正弦變化的電信號。近似正弦變化的電信號。 其電壓為：其電壓為：n 如果僅放置如果僅放置1 1個光電元件，光柵尺每移動個光電元件，光柵尺每移動1 1個柵距個柵距W W，光，光電元件輸出信號變化電元件輸出信號變化1 1個周期，經(jīng)放大、整形、微分后個周期，經(jīng)放大、整形、微分后得到得到1 1個脈沖信號，再經(jīng)辨向和可逆計數(shù)器則可計算位個脈沖信號，再經(jīng)辨向和可逆計數(shù)器則可計算位移量。移量。 n辨向：如果僅放置辨向：如果僅放置1 1個光電元件，只能確定位移大小，個光電元件，只能確定位移大小，要實現(xiàn)辨向則至少需要要實現(xiàn)辨向則至少需

17、要2 2個光電元件（相距個光電元件（相距B/4B/4）。）。 U0UW/2oUm2W3W/2Wx亮亮暗暗亮亮暗暗亮亮WxSinUUUm20返回返回n細(xì)分 提高測量分辨率n4 4細(xì)分（倍頻）原理細(xì)分（倍頻）原理: :在光柵移動在光柵移動1 1個柵距的位個柵距的位移時，得到移時，得到4 4個計數(shù)脈沖。個計數(shù)脈沖。a差分放大器整形電路d差分放大器整形電路bc光電元件方向判別門電路可逆計數(shù)器正向脈沖反向脈沖sincos-sin-cossincos第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回（1）精度高。）精度高。測長度精度可達測長度精度可達0.53m，分辨力可達，分辨力可達0.1m

18、。測角度精度可達測角度精度可達0.15，分辨力可達，分辨力可達0.1，甚至更高。，甚至更高。（2）用于高分辨力大量程測量。）用于高分辨力大量程測量。（3）可實現(xiàn)動態(tài)測量，易于實現(xiàn)測量及數(shù)據(jù)處理的自動化。）可實現(xiàn)動態(tài)測量，易于實現(xiàn)測量及數(shù)據(jù)處理的自動化。（4）具有較強的抗干擾能力。）具有較強的抗干擾能力。第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回旋轉(zhuǎn)變壓器(Rotary Transformer) 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種利用電磁感應(yīng)原理將轉(zhuǎn)角變換為電壓信號的傳感器 。 特點：特點：結(jié)構(gòu)簡單，動作靈敏，對環(huán)境無特殊要求，輸出信號大，抗干擾好。 第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一

19、體化的單元技術(shù) 返回返回2）旋轉(zhuǎn)變壓器n構(gòu)造 從結(jié)構(gòu)上看，旋轉(zhuǎn)變壓器與兩相繞組式異步電動機相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成。 旋轉(zhuǎn)變壓器又有單極對和多極對之分。正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)D1D2-激磁繞組激磁繞組D3D4-輔助繞組輔助繞組Z1Z2-余弦輸出繞組余弦輸出繞組Z3Z4-正弦輸出繞組正弦輸出繞組定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子雙極對雙極對第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回1.旋轉(zhuǎn)變壓器n工作原理n從原理上看，旋轉(zhuǎn)變壓器相當(dāng)于一臺可以旋轉(zhuǎn)的變壓器。n當(dāng)以一定頻率的激磁電壓加于定子繞組時，通過電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角保持某種嚴(yán)格函數(shù)關(guān)系。正余

20、弦旋轉(zhuǎn)變壓器：輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正、余弦函數(shù)關(guān)系線性旋轉(zhuǎn)變壓器：輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)角成正比關(guān)系第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回鑒相式鑒相式1sinmUUwt2cosmUUwt312sinsin(90)cos()mUkUkUkUwt1.旋轉(zhuǎn)變壓器n測量方式（正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器）n當(dāng)定子繞組中分別通以幅值和頻率相同、相位相差為90的交變激磁電壓時，便可在轉(zhuǎn)子繞組中得到感應(yīng)電勢U3，根據(jù)線性疊加原理，U3為激磁電壓U1和U2的感應(yīng)電勢之和，即n可見，轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角之間有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，只要檢測出轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角，就可以求得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)

21、角，即可測得被測軸的角位移。n實際使用時，把定子余弦繞組勵磁電壓U2的相位作為基準(zhǔn)相位，與轉(zhuǎn)子繞組的輸出電壓的相位做比較，來確定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的大小。第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 1.旋轉(zhuǎn)變壓器n測量方式（線性旋轉(zhuǎn)變壓器）n線性旋轉(zhuǎn)變壓器實際上也是正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，不同的是線性旋轉(zhuǎn)變壓器采用了特定的變壓比k和接線方式。n則在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，其輸出電壓和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系。此時輸出電壓為：n選定變壓比k及允許的非線性度，則可推算出滿足線性關(guān)系的轉(zhuǎn)角范圍。31sin1cosUkUk返回返回n應(yīng)用1）位置傳感器2）解

22、算元件3）移相器第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 伺服電機專用繞線式旋變伺服電機專用繞線式旋變混合動力車專用繞線式旋變混合動力車專用繞線式旋變返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 2.光電編碼器n光電編碼器是一種用于角度檢測的數(shù)字式傳感器，它將輸入軸的角度，利用光電轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖或數(shù)字量。n根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式兩種。 返回返回光電編碼器優(yōu)缺點光電編碼器優(yōu)缺點增量式編碼器：增量式編碼器： 結(jié)構(gòu)簡單、價格低、精度易于保證 應(yīng)用最廣泛絕對式編碼器：絕對式編碼器： 優(yōu)點：優(yōu)點：直接顯示轉(zhuǎn)角的數(shù)字信息，便于計算機處

23、理缺點：缺點： 進給數(shù)大于1轉(zhuǎn)時，需做特別處理，必須使用減速齒輪將兩個以上的編碼器連接起來，組成多級檢測裝置，造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 1.1.增量增量式光電編碼器式光電編碼器指隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的碼盤給出一系列脈沖，指隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的碼盤給出一系列脈沖， 然后根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向用計數(shù)器對這些脈沖然后根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向用計數(shù)器對這些脈沖 進行加減計數(shù)，以此表示轉(zhuǎn)過的角位移進行加減計數(shù)，以此表示轉(zhuǎn)過的角位移 量。量。輸出輸出脈沖脈沖的編碼器的編碼器返回返回1.1.增量增量式光電編碼器式光電編碼器它由主碼盤、光柵板（鑒向盤）、光學(xué)系統(tǒng)、光敏元件它由主碼盤、光柵板（

24、鑒向盤）、光學(xué)系統(tǒng)、光敏元件組成。組成。返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 2.2.絕對式編碼器絕對式編碼器把被測轉(zhuǎn)角通過讀取把被測轉(zhuǎn)角通過讀取碼盤上的圖案信息直碼盤上的圖案信息直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)代碼的接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)代碼的檢測元件檢測元件絕對絕對式編碼器輸出代式編碼器輸出代表被測軸角位移的表被測軸角位移的數(shù)數(shù)字量。字量。分光電式、接觸式、分光電式、接觸式、電磁式三種。電磁式三種。返回返回2.2.絕對式編碼器絕對式編碼器光電式碼盤是在透明材料的圓盤上精確的印制上二進制光電式碼盤是在透明材料的圓盤上精確的印制上二進制編碼編碼返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化

25、的單元技術(shù) 2.2.絕對式編碼器絕對式編碼器由于制造和安裝精度的影響，當(dāng)碼盤回轉(zhuǎn)在兩碼段交替由于制造和安裝精度的影響，當(dāng)碼盤回轉(zhuǎn)在兩碼段交替過程中，二進制編碼的碼盤會產(chǎn)生讀數(shù)誤差。過程中，二進制編碼的碼盤會產(chǎn)生讀數(shù)誤差。為了消除非單值性誤差，可采用循環(huán)碼盤和帶判位光電為了消除非單值性誤差，可采用循環(huán)碼盤和帶判位光電裝置的二進制循環(huán)碼盤來實現(xiàn)。裝置的二進制循環(huán)碼盤來實現(xiàn)。a) a) 二進制碼二進制碼b) b) 循環(huán)碼循環(huán)碼c) c) 帶判位裝置帶判位裝置返回返回 絕對式碼盤特點:n可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對值n無累積誤差n電源切斷后位置信息不會丟失n允許的最高旋轉(zhuǎn)速度高 但是，位數(shù)較高時制造困難

26、，且轉(zhuǎn)數(shù)大于一轉(zhuǎn)時需特別處理，必須用減速齒輪將兩個以上的編碼器連接起來，組成多級檢測裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) （二）速度、加速度傳感器 1）速度傳感器1.直流測速發(fā)電機n測速發(fā)電機是一種速度檢測元件，將機械轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓信號的微型發(fā)電機。分類n按定子磁極的勵磁方式：電磁式和永磁式n按電樞結(jié)構(gòu)形式：有槽電樞、無槽電樞、空心杯電樞、圓盤電樞n近年來，因自動控制系統(tǒng)的需要，又出現(xiàn)了永磁式直線測速發(fā)電機返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 直流測速發(fā)電機分類返

27、回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 結(jié)構(gòu)（永磁式）結(jié)構(gòu)（永磁式）返回返回n工作原理 恒定磁通由定子產(chǎn)生，當(dāng)轉(zhuǎn)子在磁場中旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組中即產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，經(jīng)換向器和電刷轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)速成正比的直流電勢。第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回n測速發(fā)電機的輸出電壓U0與轉(zhuǎn)速n關(guān)系：第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) nkULon當(dāng)負(fù)載電阻當(dāng)負(fù)載電阻RL時，輸時，輸出電壓出電壓u0與轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速n嚴(yán)格成嚴(yán)格成正比。正比。n對于不同的負(fù)載電阻對于不同的負(fù)載電阻RL ，測速發(fā)電機有不同斜率，測速發(fā)電機有不同斜率，并隨著負(fù)載電阻的減小而并

28、隨著負(fù)載電阻的減小而減小。減小。 返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) n特點 輸出特性曲線斜率大、線性好，但由于有電刷和換向器，其構(gòu)造和維護比較復(fù)雜，摩擦轉(zhuǎn)矩較大。n用途 在機電系統(tǒng)中常作測速元件，校正元件，解算元件和角加速度信號元件。n在使用中，為了提高檢測靈敏度，盡可能把測速機直接連接到電動機軸。有的電動機本身就安裝了直流測速發(fā)電機。返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) （二）速度、加速度傳感器 1）速度傳感器2.光電式速度傳感器n光電式速度傳感器將速度的變化轉(zhuǎn)變成光通量的變化，再通過光電轉(zhuǎn)換元件將光通量的變化轉(zhuǎn)變成電量的變化。n光電轉(zhuǎn)

29、換元件的工作原理是光電效應(yīng)。返回返回n光電式速度傳感器 物體以速度V通過光電池的遮擋板時，光電池輸出階躍電壓信號，經(jīng)微分電路形成兩個脈沖輸出，測出兩脈沖之間的時間間隔t，則可測得速度為第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) x00ett光電池?fù)醢錠速度測量0e微分電路txV/返回返回n光電式轉(zhuǎn)速傳感器光電增量編碼器 光電增量編碼器裝在被測軸，當(dāng)編碼盤隨被測軸轉(zhuǎn)動時，碼盤每轉(zhuǎn)一周，光電器件輸出與碼盤縫隙數(shù)相等的電脈沖Z，根據(jù)測量時間t(s)內(nèi)脈沖數(shù)N，可測得轉(zhuǎn)速為第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 脈沖頻率法脈沖頻率法ZtNn60該方法測量精度該方法測量精度與

30、被測轉(zhuǎn)速相關(guān)與被測轉(zhuǎn)速相關(guān)返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 3.差動變壓器式速度傳感器n差動變壓器式除了可測量位移外，還可測量速度。n差動變壓器式的原邊線圈同時供以直流和交流電流，當(dāng)差動變壓器以被測速度V=dx/dt移動時，在其副邊兩個線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，將它們的差值通過低通濾波器濾除勵磁高頻角頻率后，則可得到與速度v（m/s）相對應(yīng)的電壓輸出，即交 流電 源直 流電 源加 法 器跟 隨 器跟 隨 器i(t)xd xd t減法器低通濾波器放大器UvkIUv02返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) （二）速度、加速度傳感器 2）加速度傳感器

31、n加速度傳感器有多種形式，它們的工作原理大多是利用慣性質(zhì)量受加速度所產(chǎn)生的慣性力而造成的各種物理效應(yīng)，并將加速度進一步轉(zhuǎn)化成電量來間接度量被測加速度。n最常用的有應(yīng)變片式、壓電式和電容式。 返回返回n電阻應(yīng)變式加速度計 它由重塊、懸臂梁、應(yīng)變片和阻尼液體等構(gòu)成。當(dāng)有加速度時，重塊受力，懸臂梁彎曲，根據(jù)梁上固定的應(yīng)變片的變形便可測出力的大小，在已知質(zhì)量的情況下即可計算出被測加速度。第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 應(yīng)變片m懸臂梁Z (t)0Z (t)1充以阻尼液體的殼體返回返回n壓電加速度傳感器n使用時傳感器固定在被測物體上，利用某些物質(zhì)如石英晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計受振

32、時，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當(dāng)被測振動頻率遠(yuǎn)低于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。n頻率范圍廣、動態(tài)范圍寬、靈敏度高、應(yīng)用較為廣泛。第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 引 出 線3質(zhì) 量 塊1 殼 體壓 電 晶 片m4 2 返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) （三）力、壓力、力矩傳感器 按工作原理可分為彈性式、電阻應(yīng)變式、電感式、電容式、壓電式、磁電式。n電阻應(yīng)變式電阻應(yīng)變效應(yīng)返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 1）測力傳感器n柱式彈性元件n柱式彈性元件有圓柱形、圓筒形等幾種。這種彈性元件

33、結(jié)構(gòu)簡單、承載能力大，主要用于中等載荷和大載荷（可達數(shù)兆牛頓）的拉(壓)力傳感器。a)PPb)P1R4R2R4R1R2RR3R3Pc)RR1R3A1RD R3R42B4R2CRAEP返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 1）測力傳感器n懸臂梁式彈性元件n結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、應(yīng)變片粘貼容易、靈敏度較高。主要用于小載荷、高精度的拉、壓力傳感器中?？蓽y量0.01N到幾KN的拉、壓力。n在同一截面正反兩面粘貼應(yīng)變片，并應(yīng)在該截面中性軸的對稱表面上。若梁的自由端有一被測力P，則應(yīng)變與P的關(guān)系為：1RR2R4(R )(R )R13bR43lhAR1PD3RR2CBEbhPL26返

34、回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 2）壓力傳感器n膜式壓力傳感器n它的彈性元件為四周固定的等截面圓形薄板，又稱平膜板或膜片，其一表面承受被測分布壓力，另一側(cè)面粘有應(yīng)變片或?qū)Ｓ玫牟綉?yīng)變花，并組成電橋。n膜片在被測壓力p作用下發(fā) 生彈性變形，應(yīng)變片在任意 半徑r的徑向應(yīng)變和切向應(yīng) 變分別為：返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 2）壓力傳感器n筒式壓力傳感器n它的彈性元件為薄壁圓筒，筒的底部較厚。這種彈性元件的特點是，圓筒受到被測壓力后表面各處的應(yīng)變是相同的。因此應(yīng)變片的粘貼位置對所測應(yīng)變不影響。n薄壁圓筒n厚壁圓筒返回返回第二章第二章 機電

35、一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 3）力矩傳感器n機器人手腕用力矩傳感器n無觸點檢測力矩返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 4）力和力矩復(fù)合傳感器n機器人十字架式腕力傳感器n這是一種用來測量機械手與支座間的作用力，從而推算出機械手施加在工件上力的傳感器。返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 4）力和力矩復(fù)合傳感器n機器人腕力傳感器n應(yīng)用腕力傳感器，可以控制機械手進行孔軸裝配、棱線跟蹤、物體表面的平面區(qū)域的方向檢測等作業(yè)。返回返回（四）位置傳感器 n位置傳感器與位移傳感器區(qū)別：n用途 前者檢測被測物是否達到某一位置；后者檢測被測物位移的變

36、化量n輸出信號形式 前者輸出開關(guān)量；后者輸出反映位移量變化的模擬量或數(shù)字量n位置傳感器分類：n接觸式：獲取兩個物體是否已接觸n非接觸式：判別在某一范圍內(nèi)是否有某一物體第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回n行程開關(guān)n行程開關(guān)是一種接觸式位置傳感器。它由3部分組成：操作頭、觸頭系統(tǒng)和外殼。n操作頭是開關(guān)的感測部分，它接受機械結(jié)構(gòu)的動作信號，并將此信號傳遞到觸頭系統(tǒng)。n觸頭系統(tǒng)是開關(guān)的執(zhí)行部分，它將機械信號轉(zhuǎn)換為電信號，輸出到有關(guān)控制電路。一般行程開關(guān)備有一對常開、一對常閉觸點 。第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回n接近開關(guān)n一種非接觸式、無

37、觸點位置檢測元件。它由感應(yīng)頭、高頻振蕩器、放大器和外殼組成。當(dāng)運動部件與接近開關(guān)的感應(yīng)頭接近時，就使其輸出一個電信號。n按工作原理分有高頻振蕩型、電容型、霍爾效應(yīng)型等多種。第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回n光電開關(guān)n光電開關(guān)是一種非接觸式、無觸點位置檢測元件。n它由光發(fā)射器（紅外發(fā)光二極管）和光接受器（光敏三極管）組成。光電開關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強弱或有無對目標(biāo)物體進行探測。n有透射型和反射型兩種結(jié)構(gòu)。n物體不限于金屬，所有能遮擋光線物體或可反光物體均可被檢測。 第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù)

38、 返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 四、傳感器的選用和使用1.傳感器的選擇n測試要求和條件 測量目的、被測物理量選擇、測量范圍、輸入信號最大值和頻帶寬度、測量精度要求、測量所需時間要求等。n傳感器特性 精度、穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、輸出量性質(zhì)、對被測物體產(chǎn)生的負(fù)載效應(yīng)、校正周期、輸入端保護等。n使用條件 安裝條件、工作場地的環(huán)境條件（溫度、濕度、振動等）、測量時間、所需功率容量、與其它設(shè)備的連接、備件與維修服務(wù)等。返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 2.傳感器的使用n線性化處理與

39、補償 硬件或軟件進行非線性補償 溫度補償n傳感器的標(biāo)定 利用精度高一級的標(biāo)準(zhǔn)量具對傳感器進行定度的過程，從而確定其輸出量和輸入量之間的對應(yīng)關(guān)系，同時也確定不同使用條件下的誤差關(guān)系。n抗干擾措施 常采用的抗干擾措施有屏蔽、接地、隔離和濾波等返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 五、傳感器的測量電路n測量電路的組成跟傳感器輸出信號的形式和儀器的功能有關(guān)，并由此決定測量電路的類型。 n模擬型測量電路n數(shù)字型測量電路n開關(guān)型測量電路返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) n模擬型測量電路返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) n

40、數(shù)字型測量電路絕對碼數(shù)字測量電路絕對碼數(shù)字測量電路返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) n數(shù)字型測量電路增量碼數(shù)字測量電路增量碼數(shù)字測量電路返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) n開關(guān)型測量電路開開關(guān)關(guān)量量返回返回一、伺服系統(tǒng)概述一、伺服系統(tǒng)概述n伺服系統(tǒng)：也稱為：也稱為隨動系統(tǒng)或或自動跟蹤系統(tǒng)，是以機，是以機械量（位移、速度或力、力矩等）作為被控量，在控械量（位移、速度或力、力矩等）作為被控量，在控制命令指揮下，驅(qū)動執(zhí)行元件，使機械運動部件在滿制命令指揮下，驅(qū)動執(zhí)行元件，使機械運動部件在滿足一定的性能指標(biāo)要求下按照控制指令進行動作的自足一定

41、的性能指標(biāo)要求下按照控制指令進行動作的自動控制系統(tǒng)。動控制系統(tǒng)。 第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回n伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)n大多數(shù)的伺服系統(tǒng)仍采用傳統(tǒng)的經(jīng)典控制理論來分析。隨著計算機性能的不斷提高，現(xiàn)代控制理論得到了廣泛應(yīng)用，伺服系統(tǒng)的控制手段也向著模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等更加智能化的方向發(fā)展。 控制器驅(qū)動元件被控對象檢測裝置輸入輸出伺服系統(tǒng)的組成第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及分類伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及分類l控制器l驅(qū)動元件l被控對象l檢測裝置根據(jù)輸入信號和反饋信號決定控制策略。將輸入能量轉(zhuǎn)化為機械能，驅(qū)動被控對

42、象完成指令規(guī)定的動作。檢測指令的執(zhí)行情況，并報告給控制器。穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及分類伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及分類伺服系統(tǒng)的分類：按驅(qū)動元件的性質(zhì)分為液壓（氣動）伺服系統(tǒng)電氣伺服系統(tǒng)按控制方式分為開環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)直流伺服系統(tǒng)交流伺服系統(tǒng)步進伺服系統(tǒng) 半閉環(huán)控制系統(tǒng)？第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及分類伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及分類伺服系統(tǒng)的分類：按信息傳遞的不同分為連續(xù)控制系統(tǒng)采樣控制系統(tǒng)第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 按控制過程分為點位控制系統(tǒng)

43、輪廓控制系統(tǒng)返回返回工作臺 數(shù)控裝置 脈沖分配 功率放大器 步進電動機 開環(huán)伺服系統(tǒng)第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng)：無反饋控制 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)較簡單、技術(shù)易掌握、成本低； 缺點：精度低，抗干擾能力差。一般用于精度、速度要求不高，低成本的機電一體化系統(tǒng)中。第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回全閉環(huán)伺服系統(tǒng)指令脈沖 比較 環(huán)節(jié) 伺服 放大 速度 傳感器 工作臺位置檢測器電動機 第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回閉環(huán)伺服系統(tǒng)：采用反饋控制 反饋檢測裝置安裝在工作臺上，可得到工作臺位置的精確

44、信息，理論上取決于檢測反饋部件的誤差。但由于機械傳動鏈被包含在位置閉環(huán)中，造成機械傳動鏈的慣量、間隙、摩擦等因素影響伺服系統(tǒng)的精確性 優(yōu)點：精度高、調(diào)速范圍寬、動態(tài)性能好； 缺點：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。一般用于要求高精度、高速度的機電一體化系統(tǒng)中。返回返回指令脈沖 比較 環(huán)節(jié) 伺服 放大 速度 傳感器 電動機 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回半閉環(huán)伺服系統(tǒng)：檢測元件位于系統(tǒng)傳動鏈的中間 部分傳動鏈位于系統(tǒng)閉環(huán)之外，定位精度低全閉環(huán)伺服系統(tǒng)稍差，但由于測量角位移比測量線位移容易，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試維護容易。而且慣性質(zhì)量很大的工作臺排除在閉環(huán)之外，穩(wěn)定性好

45、！調(diào)試容易、穩(wěn)定性好，廣泛應(yīng)用在機電一體化系統(tǒng)中返回返回n連續(xù)控制系統(tǒng)（模擬控制系統(tǒng)）n采樣控制系統(tǒng)（脈沖控制系統(tǒng)、離散控制系統(tǒng)）數(shù)字控制器 保持器 被控對象 輸入變量 采樣器 離散量 連續(xù)量 采樣控制系統(tǒng)第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回n數(shù)字元件比模擬元件具有更高的可靠性和穩(wěn)定性數(shù)字元件比模擬元件具有更高的可靠性和穩(wěn)定性n受擾動的影響小受擾動的影響小n具有更大的靈活性，實現(xiàn)控制規(guī)律的精度高具有更大的靈活性，實現(xiàn)控制規(guī)律的精度高返回返回（1 1）穩(wěn)定性好）穩(wěn)定性好n穩(wěn)定性是指當(dāng)作用在系統(tǒng)上的干擾消失以后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來穩(wěn)定狀態(tài)的能力；或者當(dāng)給系統(tǒng)一個新的輸入

46、指令后，系統(tǒng)達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。 n伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是系統(tǒng)本身的一種特性，它與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及參數(shù)有關(guān)，而與外界作用信號的性質(zhì)及形式無關(guān)。 伺服系統(tǒng)的總體要求伺服系統(tǒng)的總體要求第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回（2）精度高精度高n伺服系統(tǒng)精度指的是輸出量復(fù)現(xiàn)輸入信號要求的精確程度。n伺服系統(tǒng)工作中通常存在三種誤差：動態(tài)誤差動態(tài)誤差、穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差靜態(tài)誤差。n影響伺服系統(tǒng)精度的因素很多：系統(tǒng)組成元件本身的誤差；伺服系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)形式；系統(tǒng)輸入指令信號的形式的影響。 第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回（3 3）快速響應(yīng)性）

47、快速響應(yīng)性n快速響應(yīng)性是指系統(tǒng)輸出量快速跟隨輸入指令信號變化的能力。 1）取決于系統(tǒng)的阻尼比和固有頻率； 2）由系統(tǒng)的上升時間和調(diào)整時間來描述；n響應(yīng)速度的快慢影響系統(tǒng)的工作效率和加工精度。 第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回（4 4）靈敏度）靈敏度n系統(tǒng)各元件的參數(shù)變化等會影響系統(tǒng)的性能，系統(tǒng)對這些變化的靈敏度小，即系統(tǒng)的性能應(yīng)不受參數(shù)變化的影響。 1）對開環(huán)系統(tǒng)，應(yīng)嚴(yán)格選擇各元件； 2）對閉環(huán)系統(tǒng)，對輸出通道中元件挑選可適當(dāng)放寬，對反饋通道的元件必須嚴(yán)格挑選；第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行元件伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行元

48、件n執(zhí)行元件也稱為能量轉(zhuǎn)換裝置，它位于電氣控制裝置執(zhí)行元件也稱為能量轉(zhuǎn)換裝置，它位于電氣控制裝置和機械執(zhí)行部件之間。和機械執(zhí)行部件之間。第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回種種類類特點特點優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點電電氣氣式式可使用商用電源；可使用商用電源；信號與動力的傳送信號與動力的傳送方向相同；有交流方向相同；有交流和直流之別，須注和直流之別，須注意電壓之大小意電壓之大小操作簡便；編程容易；操作簡便；編程容易；能實現(xiàn)定位伺服；響能實現(xiàn)定位伺服；響應(yīng)快、易與應(yīng)快、易與CPU相接；相接；體積小，動力較大；體積小，動力較大；無污染無污染 瞬時輸出功率大；過載差，瞬時輸出功率大；

49、過載差，特別是由于某種原因而卡住特別是由于某種原因而卡住時，會引起燒毀事故，易受時，會引起燒毀事故，易受外部噪聲影響外部噪聲影響氣氣壓壓式式空氣壓力源的壓力空氣壓力源的壓力為（為（57）105Pa；要求操作人員技術(shù)要求操作人員技術(shù)熟練熟練氣源方便、成本低；氣源方便、成本低；無泄漏污染；速度快、無泄漏污染；速度快、操作比較簡單操作比較簡單功率小，體積大，動作不夠功率小，體積大，動作不夠平穩(wěn)；不易小型化；遠(yuǎn)距離平穩(wěn)；不易小型化；遠(yuǎn)距離傳輸困難；工作噪聲大、難傳輸困難；工作噪聲大、難于伺服于伺服液液壓壓式式要求操作人員技術(shù)要求操作人員技術(shù)熟練；液壓源壓力熟練；液壓源壓力為（為（2080）105Pa輸

50、出功率大，速度快，輸出功率大，速度快，動作平穩(wěn)，可實現(xiàn)定動作平穩(wěn)，可實現(xiàn)定位伺服；易與位伺服；易與CPU相相接；響應(yīng)快接；響應(yīng)快設(shè)備難于小型化；液壓源或設(shè)備難于小型化；液壓源或液壓油要求（雜質(zhì)、溫度、液壓油要求（雜質(zhì)、溫度、測量、質(zhì)量）嚴(yán)格；易泄漏測量、質(zhì)量）嚴(yán)格；易泄漏且有污染且有污染返回返回n體積小、輸出功率大n快速性能好n便于計算機控制n便于維修、可靠性和動作的準(zhǔn)確性要高n運動平穩(wěn)、分辨率高n振動和噪聲小伺服系統(tǒng)對執(zhí)行元件的要求伺服系統(tǒng)對執(zhí)行元件的要求第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回電氣伺服驅(qū)動系統(tǒng)電氣伺服驅(qū)動系統(tǒng)為了滿足機電系統(tǒng)設(shè)計要求，對伺服電動機的基

51、本性能要求如下：n功率密度大n快速性好n位置控制精度高，調(diào)速范圍寬，低速運動平穩(wěn)，分辨率力，振動噪聲小n適應(yīng)起停頻繁的工作要求n可靠性高，壽命長n具有良好的機械特性和調(diào)節(jié)特性第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回（一）步進電動機n步進電動機又稱脈沖電機，是一種將步進電動機又稱脈沖電機，是一種將電脈沖控制信號轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的成相應(yīng)的角位移或或線位移的執(zhí)行元件。的執(zhí)行元件。 優(yōu)缺點：優(yōu)缺點：n易實現(xiàn)微機控制易實現(xiàn)微機控制n控制簡單，調(diào)速方便控制簡單，調(diào)速方便n步距角誤差較大，但無累積誤差步距角誤差較大，但無累積誤差n效率低效率低n大負(fù)載和速度較高的情況下，容易發(fā)生大負(fù)載和

52、速度較高的情況下，容易發(fā)生丟步；低速時容易；低速時容易出現(xiàn)低頻出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象現(xiàn)象第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回1）種類）種類n按運動方式：按運動方式：旋轉(zhuǎn)式和直線式和直線式n按勵磁相數(shù)：兩相、三相、四相、五相、六相等按勵磁相數(shù)：兩相、三相、四相、五相、六相等n按定子繞組排列：按定子繞組排列：徑向式和軸向式和軸向式n按輸出力矩：伺服式和功率式按輸出力矩：伺服式和功率式n按力矩產(chǎn)生原理：按力矩產(chǎn)生原理：反應(yīng)式（變磁阻式）（變磁阻式）VR、永磁式、永磁式PM、混合式（永磁感應(yīng)式）混合式（永磁感應(yīng)式）HB第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返

53、回該類電動機由定子繞組產(chǎn)生的反應(yīng)電磁力吸引用軟磁鋼制成的齒形轉(zhuǎn)子作步進驅(qū)動，其定子1與轉(zhuǎn)子2由鐵心構(gòu)成，沒有永久磁鐵，定子上嵌有線圈，轉(zhuǎn)子朝定子與轉(zhuǎn)子之間磁阻最小方向轉(zhuǎn)動，并由此而得名可變磁型。 此類電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)子直徑小，有利于高速響應(yīng)。由于VR型步進電動機的鐵心無極性，故不需改變電流極性，為此，多為單極性勵磁。第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回 PM型步進電動機的轉(zhuǎn)子2采用永久磁鐵、定子1采用軟磁鋼制成，繞組3輪流通電，建立的磁場與永久磁鐵的恒定磁場相互吸引與排斥產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。這種電動機由于采用了永久磁鐵，即使定子繞組斷電也能保持一定轉(zhuǎn)矩，故具有記憶能力

54、，可用做定位驅(qū)動。 PM型電動機的特點是勵磁功率小、效率高、造價低，因此需要量也大。由于轉(zhuǎn)子磁鐵的磁化間距受到限制，難于制造，故步距角較大。與VR型相比轉(zhuǎn)矩大，但轉(zhuǎn)子慣量也較大。第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回 該型步進電機不僅具有VR型步進電動機步距角小、響應(yīng)頻率高的優(yōu)點，而且還具有PM型步進電動機勵磁功率小、效率高的優(yōu)點。它的定子與VR型沒有多大差別，只是在相數(shù)和繞組接線方面有其特殊的地方，例如，VR型一般都做成集中繞組的形式，每極上放有一套繞組，相對的兩極為一相，而HB型步進電動機的定子繞組大

55、多數(shù)為四相，而且每極同時繞兩相繞組或采用橋式電路繞一相繞組，按正反脈沖供電。 這種類型的電動機由轉(zhuǎn)子鐵心的凸極數(shù)和定子的副凸極數(shù)決定步距角的大小，可制造出步距角較小(0.93.6)的電動機。永久磁鐵也可磁化軸向的兩極，可使用軸向各向異性磁鐵制成高效電動機。第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回 混合型與永磁型多為雙極性勵磁。由于都采用了永久磁鐵，所以，無勵磁時具有保持力。另外，勵磁時的靜止轉(zhuǎn)矩都比VR型步進電動機的大。HB和PM型步進電動機能夠用做超低速同步電動機，如用60Hz驅(qū)動每步1.8的電動機可作為72rmin的同步電動機使用。 第二章第二章 機電一體化的單元技

56、術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回ZZ360Zkm360第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回4、矩角特性、矩角特性n空載時，使某相繞組始終通電，此時轉(zhuǎn)子處于初始平衡位置?？蛰d時，使某相繞組始終通電，此時轉(zhuǎn)子處于初始平衡位置。n帶負(fù)載轉(zhuǎn)矩帶負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL時，則轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)過一個小角度時，則轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)過一個小角度d才重新穩(wěn)定，此時才重新穩(wěn)定，此時轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩TM=TL 。TM稱稱靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，d稱稱失調(diào)角，TMd 稱稱矩角特性曲線。n靜態(tài)轉(zhuǎn)矩越大，自鎖力矩越大，靜態(tài)誤差越小。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩越大，自鎖力矩越大，靜態(tài)誤差越小。最大靜轉(zhuǎn)矩（保持轉(zhuǎn)矩）TMmax（ -,）第二章

57、第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回5、起動頻率、起動頻率n步進電動機在不失步起動時的步進電動機在不失步起動時的最高脈沖頻率稱為起動頻率。稱為起動頻率。n失步：轉(zhuǎn)子前進的步數(shù)不等于輸入的脈沖數(shù)，包括丟步和失步：轉(zhuǎn)子前進的步數(shù)不等于輸入的脈沖數(shù)，包括丟步和越步兩種情況。越步兩種情況。n空載起動頻率和帶載起動頻率（與負(fù)載慣量有關(guān)）空載起動頻率和帶載起動頻率（與負(fù)載慣量有關(guān)）n當(dāng)驅(qū)動電源性能提高時，起動頻率亦可提高當(dāng)驅(qū)動電源性能提高時，起動頻率亦可提高第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回步進電動機的慣頻特性n 帶載起動頻率主要取決于負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量n

58、實際應(yīng)用中，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩的存在，可采用的帶載起動頻率比由慣頻特性曲線的還要低第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回7、最高工作頻率、最高工作頻率n步進電動機起動后，將脈沖頻率逐漸升高，在額步進電動機起動后，將脈沖頻率逐漸升高，在額定負(fù)載下，電動機不失步正常運行的極限頻率稱定負(fù)載下，電動機不失步正常運行的極限頻率稱為最高工作頻率。為最高工作頻率。n最高工作頻率遠(yuǎn)大于起動頻率最高工作頻率遠(yuǎn)大于起動頻率n最高工作頻率隨負(fù)載而異最高工作頻率隨負(fù)載而異n當(dāng)驅(qū)動電源性能越好時，最高工作頻率亦可越高當(dāng)驅(qū)動電源性能越好時，最高工作頻率亦可越高n最高工作頻率決定了步進電動機的最高轉(zhuǎn)速（

59、即最高工作頻率決定了步進電動機的最高轉(zhuǎn)速（即被控對象的最大工作速度）被控對象的最大工作速度）第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回 步進電動機的矩頻特性8、矩頻特性、矩頻特性n步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩與控制脈沖頻率的關(guān)系稱為矩頻特性步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩與控制脈沖頻率的關(guān)系稱為矩頻特性n起動矩頻特性和和運行矩頻特性n運行矩頻特性曲線上每一個頻率所對應(yīng)運行矩頻特性曲線上每一個頻率所對應(yīng)n的轉(zhuǎn)矩稱為動態(tài)轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩稱為動態(tài)轉(zhuǎn)矩n動態(tài)轉(zhuǎn)矩隨連續(xù)運行頻率的上升而下降動態(tài)轉(zhuǎn)矩隨連續(xù)運行頻率的上升而下降n原因：定子控制繞組有一定的電感量，原因：定子控制繞組有一定的電感量， 回路有電氣時間

60、常數(shù)，電感電流變化回路有電氣時間常數(shù)，電感電流變化 有一個過渡過程。高頻時，電流達不有一個過渡過程。高頻時，電流達不 到穩(wěn)態(tài)值，故動態(tài)轉(zhuǎn)矩小。到穩(wěn)態(tài)值，故動態(tài)轉(zhuǎn)矩小。動態(tài)轉(zhuǎn)矩，取決于繞組平均電流第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 返回返回2） 工作原理（三相反應(yīng)式）工作原理（三相反應(yīng)式） 轉(zhuǎn)子齒（齒數(shù)為轉(zhuǎn)子齒（齒數(shù)為Z）齒距角）齒距角第二章第二章 機電一體化的單元技術(shù)機電一體化的單元技術(shù) 步進電動機是一種利用數(shù)字脈沖信號旋轉(zhuǎn)的電動機，每當(dāng)送入一個脈步進電動機是一種利用數(shù)字脈沖信號旋轉(zhuǎn)的電動機，每當(dāng)送入一個脈沖，電動機就轉(zhuǎn)過一個步距角，電動機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比沖，電