機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件

1、機電一體化系統(tǒng)第6章 執(zhí)行裝置及其控制機電一體化系統(tǒng)第6章 執(zhí)行裝置及其控制6.1 步進電機6.2 直流伺服電機及其控制6.3 交流伺服電機及其控制6.4 液壓與氣壓控制6.1 步進電機第6章 執(zhí)行裝置及其控制 隨著機電一體化技術(shù)的不斷發(fā)展，機電系統(tǒng)對執(zhí)行裝置的一些參數(shù)，如位移、速度、加速度、力和力矩等輸出參數(shù)，要求越來越高，例如在數(shù)控機床中，伺服系統(tǒng)接收來自插補器的進給脈沖，經(jīng)放大和變換后轉(zhuǎn)化為機床工作臺的位移。對伺服系統(tǒng)的要求是快速性、精確性和穩(wěn)定性，即輸出量迅速而精確地響應(yīng)指令輸入的變化。因此認識了解執(zhí)行裝置及其控制的有關(guān)知識是十分必要的 在機電一體化系統(tǒng)中，常見的執(zhí)行裝置包括步進電動機

2、、直流電動機、交流電動機、液壓與氣動裝置。本章將從工作原理、特點及控制方式等幾個方面闡述這幾種執(zhí)行裝置及其應(yīng)用。第6章 執(zhí)行裝置及其控制 隨著機電一體化技術(shù)的6.1 步進電動機 6.1.1 步進電動機工作原理 一般的電動機是連續(xù)運轉(zhuǎn)的，而步進電動機則是一步一步運轉(zhuǎn)的。步進電動機的轉(zhuǎn)子做成多極的，定子上嵌有多相星型聯(lián)接的控制繞組，由專用的電源輸入電脈沖信號，每給一個脈沖信號就使步進電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個角度，由于輸入的是電脈沖信號而輸出的角位移是斷續(xù)的，因此也稱步進電動機為脈沖電動機。6.1 步進電動機 6.1.1 步進電動機工機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件 當(dāng)僅是A相繞組通電時，氣隙

3、磁場與A相繞組軸相重合，如圖6-2所示。轉(zhuǎn)子將受磁場拉力旋轉(zhuǎn)到與A相繞組軸線對齊，此時定子、轉(zhuǎn)子之間取得最大磁導(dǎo)位置，轉(zhuǎn)子上只受徑向力而無切向力，故此位置使轉(zhuǎn)子具有自鎖能力。如果從A相換接到B相通電時，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)到使其軸線與B相繞組軸線相重合的位置?？梢婋娏髅繐Q接一相，電動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)沿逆時針方向轉(zhuǎn)過30度，或說在空間前進了一步，每一步所轉(zhuǎn)過的角度稱作步距角。 從一相通電換接到另一相通電，稱作一拍，每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個步距角。如果按A-B-C-A順序通電，轉(zhuǎn)子就沿此順序一步一步旋轉(zhuǎn)；反之，若按A-C-B-A順序通電，轉(zhuǎn)子將反方向轉(zhuǎn)動，如圖6-2所示。此種三相依次單相通電方式，稱為三相單三拍式運行。所

4、謂單就是指每次有一相繞組通電，三拍是指一個循環(huán)周期換接了三次，即A、B、C三相。 三相反應(yīng)式步進電動機也可以是三相雙三拍方式運行，即通電方式以AB-BC-CA-AB的順序，每次有兩相繞組同時通電。這種電動機動作原理與單三拍方式相同，雙三拍式的轉(zhuǎn)子每拍前進一步也轉(zhuǎn)過30度空間角度。改變通電順序，將按AC-CB-BA-AC通電時，則轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向?qū)⑾喾?。如果步進電動機按A-AB-B-BC-C-CA-A方式通電就稱為三相六拍運行方式，即一個循環(huán)內(nèi)共換接六次，則其步距角相應(yīng)地為三拍方式的一半。 當(dāng)僅是A相繞組通電時，氣隙磁場與A相繞組軸相重機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件6.1.2 反應(yīng)式步進

5、電動機的主要機械特性6.1.2 反應(yīng)式步進電動機的主要機械特性 2. 靜態(tài)特性靜態(tài)特性是指繞組電流為恒定值，轉(zhuǎn)子不動時步進電動機的一些特性。矩角特性是在單位脈沖、電流不變的情況下，步進電動機靜轉(zhuǎn)矩M與轉(zhuǎn)子失調(diào)角之間的關(guān)系。 如圖6-3中所示，兩曲線的交點所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩Mst是電動機的最大起動轉(zhuǎn)矩。實踐證明，凡是外加轉(zhuǎn)矩小于Mst的，均能啟動電動機。隨著電動機相數(shù)的增加，步距角減小，兩曲線的交點就升高，Mst也增大。 2. 靜態(tài)特性機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件 3. 動態(tài)特性步進電動機的控制電流的增加和轉(zhuǎn)速的上升不是瞬間完成的，它需要有一個過度過程的時間，動態(tài)特性就是研究過渡過程對電

6、動機運行的影響。 當(dāng)控制脈沖的時間大于步進電動機的過渡時間，電動機呈步進運行狀態(tài)。如果控制脈沖的時間間隔適當(dāng)小于過渡過程時間，在B相通電時，當(dāng)轉(zhuǎn)子還未減速到其穩(wěn)定平衡點以前，B相就斷電而C相通電，則轉(zhuǎn)子將繼續(xù)順時針方向轉(zhuǎn)動，這種狀態(tài)就稱為步進電動機的連續(xù)運行狀態(tài)。如果控制脈沖的時間間隔過度小于過渡過程時間，則出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)，步進電動機失去工作能力。 3. 動態(tài)特性 低頻特性：步進電動機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。振動頻率與負載情況和驅(qū)動器性能有關(guān)，一般認為振動頻率為電動機空載起跳頻率的一半。這種由步進電動機的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機器的正常運轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進電動機工作在低速時，一般

7、應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象，比如在電動機上加阻尼器，或驅(qū)動器上采用細分技術(shù)等。 矩頻特性：步進電動機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降：當(dāng)步進電動機轉(zhuǎn)動時，電動機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電動機隨頻率電動機或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300600RPM。 低頻特性：步進電動機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn) 過載能力：步進電動機一般不具有過載能力。運動性能：步進電動機的控制一般為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問題。 速

8、度響應(yīng)性能：步進電動機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速電動機一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要50200毫秒。 過載能力：步進電動機一般不具有過載能力。6.1.3 步進電動機的控制 步進電動機的驅(qū)動控制是通過弱電驅(qū)動強電來實現(xiàn)的。 1. 步進電動機的弱電控制弱電部分實現(xiàn)了頻率、數(shù)量和方向的變化，主要包括脈沖混合電路、加減脈沖分配電路、加減速電路和環(huán)形分配器四個部分。下面簡要介紹各部分的作用。 (1)脈沖混合電路 無論是數(shù)控裝置送來的插補進給信號、齒補信號，還是手動進給、手動回原點信號等等，這些信號的目的無非是要使工作臺正向進給和反向進給，因此首先應(yīng)將這些信號混合為使工作臺正向運行的“正向進給”信號或使之反向運行的“

9、反向進給”信號。這就是脈沖混合電路的作用。6.1.3 步進電動機的控制 步進電動機的驅(qū)機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件 (3)加減速電路(自動升降速電路) 步進電動機的加減速特性要求是，進入步進電動機繞組的脈沖電流的頻率變化要平滑。而且應(yīng)有一定的時間常數(shù)，但各進給脈沖頻率間的變化可能是躍變的。因此應(yīng)該將此躍變頻率經(jīng)加減速電路緩沖后，再進入步進電動機繞組，使步進電動機工作正常可靠。這就是加減速電路的作用。 (4)環(huán)行分配器 環(huán)行分配器的作用是將來自加減速電路的一系列脈沖按一定方式送入并驅(qū)動功率放大器工作。如圖6-4是三相六拍環(huán)行分配器原理圖，其

10、三根輸出引線分別接步進電動機三個線圈的A相、B相、C相功率放大器輸入端，+X表示正轉(zhuǎn)信號，-X表示反轉(zhuǎn)信號，CP0是進給脈沖序列，其工作狀態(tài)如表6-1所示。 隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，環(huán)行分配器已軟件化了。關(guān)于軟環(huán)行分配器在這里不再贅述。 (3)加減速電路(自動升降速電路) 步進電機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件 2. 功率放大器 由于環(huán)行分配器輸出的功率很小，一般只有幾毫安，但步進電動機繞組所需的脈沖電流高達幾安培，甚至幾十安培，才能滿足步進電動機的工作需要，因此需要有一個功率放大裝置，即功率放大器。功率放大器一般有單電壓供電和雙電壓供電兩

11、種方式。 (1)單電壓供電方式 如圖6-5所示，單電壓供電線路比較簡單，便于控制和維護，尤其適用于速度要求不高、輸出功率小的步進電動機供電。其原理如圖6-5所示。 (2). 雙電壓供電方式 由于步進電動機的勵磁繞組中存在電感，電流上升速度受到抑制， 影響步進電動機的輸出轉(zhuǎn)速和力矩進一步提高。為了克服這一缺點，人們常采用雙電壓供電方式供電，如圖6-6所示。其工作原理過程如圖6-7所示。 2. 功率放大器 步進電動機的工作電流是脈沖電流，周期性地接通和切斷，接通的時間隨控制脈沖的頻率而變化，頻率越高，則每次接通的時間越短，另外，步進電動機的工作電流就是起動電流。 步進電動機的電壓并不是指加在電動機

12、繞組兩端的額定電壓，而是施加在電動機的一相繞組、大功率管和外接電阻Rc上的電壓總和，如圖6-6所示。在實際工作中，電壓和電流的確定如下： 1)電壓的確定：混合式步進電動機驅(qū)動器的供電電源電壓一般是一個較寬的范圍電動機 比如IM483的供電電壓為1248VDC），電源電壓通常根據(jù)電動機的工作轉(zhuǎn)速和響應(yīng)要求來選擇。如果電動機工作轉(zhuǎn)速較高或響應(yīng)要求較快，那么電壓取值也高，但注意電源電壓的紋波不能超過驅(qū)動器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅(qū)動器。 2)電流的確定：供電電源電流一般根據(jù)驅(qū)動器的輸出相電流I來確定。如果采用線性電源，電源電流一般可取I的1.11.3倍；如果采用開關(guān)電源，電源電流一般可取I 的1

13、.52.0倍。 步進電動機的工作電流是脈沖電流，周期性地接通6.1.4 步進電動機的主要特點 1. 步進電動機低速時可以正常運轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲：步進電動機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電動機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電動機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電動機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻電動機電動機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。 2. 兩相混合式步進電動機在低速運轉(zhuǎn)時具有較大振動和噪聲，步進電動機低速轉(zhuǎn)動時振動和噪聲大是其固有的缺點，在

14、實際工作中，通常采用以下方式來減低振動和噪聲： (1)如步進電動機正好工作在共振區(qū)，可通過改變減速比等機械傳動避開共振區(qū)； (2)采用帶有細分功能的驅(qū)動器，這是最常用的、最簡便的方法； (3)換成步距角更小的步進電動機，如三相或五相步進電動機； (4)換成交流伺服電動機，幾乎可以完全克服震動和噪聲，但成本較高； (5)在電動機軸上加磁性阻尼器，市場上已有這種產(chǎn)品，但機械結(jié)構(gòu)改變較大。6.1.4 步進電動機的主要特點 1. 步進電 在一些要求不高的場合常用步進電動機來做執(zhí)行電動機。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當(dāng)?shù)目刂齐妱訖C。 3. 由于步進電動機是一

15、種屬于同步電動機范疇的電動機，其轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)的速度要與定子磁場斷續(xù)移動同步。磁場移動速度是無慣性的，而轉(zhuǎn)子受力后的運轉(zhuǎn)是有慣性的，兩者速度很難一致，因此必然引起振動并帶來噪音。這是別的電動機很少碰到或根本沒有的現(xiàn)象。 4. 步進電動機在工作時有銅損和鐵損，運轉(zhuǎn)時還有機械損耗，所以步進電動機也發(fā)熱。但這些損耗都隨頻率而變化，發(fā)熱也隨頻率而變化，這與一般的電動機不同。一般步進電動機不帶散熱裝置，日本EPM310型電動機帶有風(fēng)扇，有的則用油冷卻以解決散熱問題。 在一些要求不高的場合常用步進電動機來做執(zhí)行電動6.2 直流伺服電動機及控制 直流伺服電動機，又稱直流執(zhí)行電動機，或又叫控制電動機。在自動控制系統(tǒng)

16、中作為執(zhí)行元件，它將輸入的電信號轉(zhuǎn)換成軸上的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速，以帶動控制對象。它能夠通過輸入的信號電壓經(jīng)有關(guān)電路控制電動機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的輸出，實現(xiàn)不同應(yīng)用目的要求。6.2 直流伺服電動機及控制 直流伺服電動機，6.2.1 直流伺服電動機1. 工作原理 傳統(tǒng)式直流伺服電動機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理與普通直流電動機相同，是基于電磁感應(yīng)定律和電磁力定律，將直流電能轉(zhuǎn)化為機械能的旋轉(zhuǎn)機械裝置。2. 技術(shù)指標額定輸出功率：指電動機在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運行時，電動機的輸出功率，以“W”為量綱單位。 額定轉(zhuǎn)矩：是指在連續(xù)時間工作情況下，電動機輸出的轉(zhuǎn)矩。 最大轉(zhuǎn)矩：電動機在很短時間內(nèi)所能夠輸出的峰值轉(zhuǎn)矩。 最高

17、轉(zhuǎn)速：是指電動機在所允許的最高轉(zhuǎn)速。 轉(zhuǎn)子慣量：電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。6.2.1 直流伺服電動機1. 工作原理 反電勢常數(shù)- 表示了永磁磁場強度。它是當(dāng)電樞在磁場中按規(guī)定速度機械旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的電壓值。 轉(zhuǎn)矩常數(shù)-是轉(zhuǎn)矩靈敏度，它表示每安培電流能產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。該值通常是在額定電流下測量所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩得到的。 （機械）時間常數(shù)-為施加一個階躍電壓時電動機電樞達到相應(yīng)速度時所需的時間熱時間常數(shù)-為達到額定溫度的63.2%時所需時間。在機電系統(tǒng)的設(shè)計過程中，或改裝機電設(shè)備的時候，上述各項技術(shù)指標是選擇電動機的依據(jù)，直流伺服電動機選擇的是否合適，直接影響著整個機電系統(tǒng)的使用性能。 反電勢常數(shù)- 表示了永磁磁

18、場強度。它是當(dāng)電樞在 3. 主要特點 它的優(yōu)點：調(diào)速范圍寬廣，即要求伺服電動機的轉(zhuǎn)速隨著控制電壓改變，能在寬廣范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，i=110000；轉(zhuǎn)子的慣性好，響應(yīng)快速，隨控制電壓改變反映很靈敏，即能實現(xiàn)迅速啟動、停轉(zhuǎn)；控制功率小、過載能力強，可靠性好。 它的缺點是：有換向器和電刷的滑動接觸；接觸電阻的變化使工作性能的穩(wěn)定受到影響；電刷下的火花使換向器需要經(jīng)常維護；不能在易爆炸的地方使用；又因控制電源為直流，使得放大元件變得復(fù)雜而貴重。 4、分類及應(yīng)用 1）改進型直流伺服電動機。 2）小慣量直流伺服電動機。 3）永磁直流伺服電動機（大慣量直流伺服電動機）。 3. 主要特點6.2.2 直流伺服電動

19、機的機械特性和調(diào)節(jié)特性 伺服電動機是把輸入的信號電壓變?yōu)檗D(zhuǎn)軸的角位移或者角速度輸出去，轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速隨信號電壓的方向和大小而改變，在自動控制系統(tǒng)中作執(zhí)行元件。伺服電動機又稱為執(zhí)行電動機。它具有獨特的優(yōu)點：線性的機械特性，對控制信號能作出快速反應(yīng)。 直流伺服電動機就是典型的他勵直流電動機，其結(jié)構(gòu)與工作原理都與他勵直流電動機相同。按磁極的種類，它可以分為兩種：磁極是永久磁鐵的，稱為永磁式直流伺服電動機；磁極是電磁鐵的，外面套著他勵勵磁繞組的，稱為電磁式直流伺服電動機。6.2.2 直流伺服電動機的機械特性和調(diào)節(jié)特性 以他勵直流電動機為例，當(dāng)磁力電壓U恒定，負載轉(zhuǎn)矩也恒定時；升高電樞電壓U，電動機的

20、轉(zhuǎn)速隨之增高；減小電樞電壓U，電動機的轉(zhuǎn)速就降低；若電樞電壓的轉(zhuǎn)速為零，電動機停轉(zhuǎn)。當(dāng)電樞電壓的極性改變以后，電動機的旋轉(zhuǎn)方向也隨之改變。 因此把電樞電壓U作為控制訊號，就可以控制電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，這種控制方式稱為電樞控制式。電樞控制繞組稱為控制繞組，電樞電壓稱為控制電壓。 直流伺服電動機也可以采用磁場控制方式，磁極繞組用做控制繞組，加在其他的電壓為控制電壓U，而電樞繞組為勵磁繞組，所加電壓為恒定的勵磁電壓Uf。由于磁場控制的特性不如電樞控制式的特性好，所以在自動控制系統(tǒng)中大多采用電樞控制式。 以他勵直流電動機為例，當(dāng)磁力電壓U恒定，負載轉(zhuǎn)機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件機電一體化

21、系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件 曲線a為電動機溫度限制，在此曲線上，電動機達到絕緣所允許的極限值，故史電動機在此曲線內(nèi)長時間連續(xù)運行。曲線c為電動機最高轉(zhuǎn)速限制線，隨著轉(zhuǎn)速上升，電樞電壓升高，整流子片間電壓加大，超過一定值有發(fā)生環(huán)火的危險。最大轉(zhuǎn)距d主要受永磁材料的去磁特性所限制，當(dāng)除磁超過某值后，鐵氧體磁體發(fā)生變化。 曲線a為電動機溫度限制，

22、在此曲線上，電動機達到機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件6.2.4 直流調(diào)速控制方式 在伺服系統(tǒng)中，速度控制已經(jīng)成為一個獨立、完整的模塊，稱為速度控制單元。現(xiàn)在直流速度控制單元較多的采用晶閘管調(diào)速系統(tǒng)和晶體管脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)速系統(tǒng)。這兩種調(diào)速系統(tǒng)都是直流伺服電動機調(diào)速的控制電路，其調(diào)速過程就是通過改變電動機電樞電壓，達到速度調(diào)節(jié)的目的。6.2.4 直流調(diào)速控制方式 在伺服系統(tǒng)中，速機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件 晶閘管(可控硅)直流調(diào)速系統(tǒng)是由電流環(huán)、速度環(huán)和可控硅整流放大器等組成的，該系統(tǒng)在低速輕載時，電樞電流出現(xiàn)斷續(xù)，機械特

23、性變軟，整流裝置的外特性變陡，總放大倍數(shù)下降，同時也使動態(tài)品質(zhì)惡化。為此，可采取電樞電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器。近年來，由于大功率晶體管工藝上的成熟和高反壓大電流的模塊型功率晶體管的商品化，晶體管脈寬調(diào)制型(PWM)的直流調(diào)速系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。與可控硅相比，晶體管控制簡單，開關(guān)特性好。克服了可控硅調(diào)速系統(tǒng)的波形脈動，特別是輕載低速調(diào)速特性差的問題。 晶體管脈寬調(diào)制系統(tǒng)由控制部分、晶體管開關(guān)式放大器和功率整流三部分組成。PWM調(diào)速系統(tǒng)組成原理，如圖6-12所示。該系統(tǒng)控制部分包括速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、固定頻率振蕩器及三角波發(fā)生器、脈沖寬度調(diào)制器等。其中脈寬調(diào)制PWM調(diào)速系統(tǒng)的核心。 脈寬調(diào)制PWM，

24、就是用調(diào)整開關(guān)周期內(nèi)晶體管導(dǎo)通時間的方法來改變其輸出，從而使電動機電樞兩端獲得寬度隨時間變化的給定頻率的電壓脈沖。脈寬的連續(xù)變化，使電樞電壓的平均值也連續(xù)變化，因而使電動機的轉(zhuǎn)速連續(xù)調(diào)整。 晶閘管(可控硅)直流調(diào)速系統(tǒng)是由電流環(huán)、速度機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件 與可控硅調(diào)速系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)的頻帶寬，截止頻率高于可控硅，兩者相差一個數(shù)量級。因為元件的截止頻率高，可允

25、許系統(tǒng)有較高的工作頻率。PWM系統(tǒng)的開關(guān)工作頻率多數(shù)為2kHz，有的使用5kHz這遠大于可控硅系統(tǒng)，遠比轉(zhuǎn)子能跟隨的頻率高得多，避開了機械共振。此外PWM調(diào)速系統(tǒng)的電流脈動小，電動機內(nèi)部發(fā)熱小，輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，對低速加工有利，具有優(yōu)良的動態(tài)硬度。 與可控硅調(diào)速系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)的頻帶寬6.3 交流伺服電動機及其控制 隨著直流伺服電動機占據(jù)市場首位的時間延續(xù)，直流伺服電動機自身存在的問題也越來越明顯，加之國內(nèi)外電子學(xué)和電力電子學(xué)的發(fā)展，使交流伺服電動機的發(fā)展極為迅速，很快進入了與直流拖動相媲美、相競爭的時代 ，并有取而代之的趨勢。本節(jié)主要講永磁同步電動機的工作原理、特點及其調(diào)速方法為基礎(chǔ)，討

26、論交流電動機的驅(qū)動和調(diào)速方法。6.3 交流伺服電動機及其控制 隨著直流伺服電動6.3.1 交流伺服電動機 交流伺服電動機一般有兩種類型，籠型異步伺服電動機和永磁同步伺服電動機?；\型異步伺服電動機的本身原理結(jié)構(gòu)與鼠籠式異步電動機是一樣的，區(qū)別在于輸出量可調(diào)，也就是說，輸入的電壓、電流或頻率具有可控性；永磁同步伺服電動機的情況與籠型異步伺服電動機是十分相似的。6.3.1 交流伺服電動機 交流伺服電動機一般有6.3.2 晶閘管調(diào)壓調(diào)速 通過改變感應(yīng)電動機的定子電壓對它進行調(diào)速，這是一種比較簡單的調(diào)速方法，它具有線路簡單、裝置體積小、造價低廉、使用維修方便等優(yōu)點。這種調(diào)速方法在一定范圍內(nèi)得到了較多的應(yīng)

27、用。但由于它有調(diào)速范圍不寬、低速穩(wěn)定性較差、深調(diào)速時效率下降、發(fā)熱厲害等缺點，它主要被應(yīng)用在一些作短時或重復(fù)短時調(diào)速的設(shè)備上。6.3.2 晶閘管調(diào)壓調(diào)速 通過改變感應(yīng)電動機機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件 晶閘管調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)雖有線路簡單、裝置體積小、使用維修方便、價格低等優(yōu)點，但是也存在比較嚴重的缺點：低速時感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)差功率損耗大，運行效率低；采用相位控制方式時，電壓為非正弦，電動機電流中存在著較大的高次諧波，電動機將主生附加諧波損耗，電磁轉(zhuǎn)矩也會因諧波的存在而發(fā)行脈動，對它的出力有較大的影響。

28、晶閘管調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)雖有線路簡單、裝置體積小、使機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件6.3.3 （PWM）型晶閘管變頻調(diào)速系統(tǒng) 1. 晶閘管變頻器的工作原理 如圖6-17所示為交-直-并變頻器的主電路，它由整流器、中間濾波環(huán)節(jié)及逆變器三部分組成。整流器為晶閘管三相橋式電路，它的作用是將恒壓恒頻交流電變換為直流電，然后再作為逆變器的直流供電電源。逆變器也是晶閘管三相橋式電路，但它的作用與整流器相反，它是將直流電變換調(diào)制為可調(diào)頻率的交流電，是變頻器的主要組成部分。中間濾波環(huán)節(jié)由電容器、電抗器組成，它的作用是對整流后的電壓或電流進行濾波。 在逆變器中，所用的晶閘管或晶體管，都是作為開關(guān)元件使用的

29、，因此要求它們有可靠的導(dǎo)通和關(guān)斷能力，晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通比較容易，只要對其控制端加入正的觸發(fā)信號且陰陽極間有正向電壓即可。但其關(guān)斷卻不太容易，因為普通晶閘管一旦觸發(fā)導(dǎo)通后，控制端就失去了控制作用。要使普通晶閘管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為阻斷，必須在其陰陽極間加反向電壓或使陽極電流小于維持電流，因而在交-直-交變頻的逆變器中，需增設(shè)專門的換流電路（圖中未畫出）以保證晶閘管按時關(guān)斷。6.3.3 （PWM）型晶閘管變頻調(diào)速系統(tǒng)機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件 另一種控制方式為恒幅脈寬控制方式。如圖6-19所示，由二極管整流橋

30、、中間濾波環(huán)節(jié)和逆變器組成。逆變器輸入恒定不變的直流電壓，通過調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的脈沖寬度和輸出電壓的頻率，既實現(xiàn)調(diào)壓雙實現(xiàn)變頻，變頻和變壓都由PWM逆變器承擔(dān)。這是一種新型的變頻系統(tǒng)，主回路簡單，只要有相應(yīng)的控制電路就可以了。由于輸出電壓直接由逆變器可以接在一個公共的直流母線上，便于實現(xiàn)多臺電動機拖動。若逆變器采用快速開關(guān)元件，實現(xiàn)高頻脈寬調(diào)制，可以提高系統(tǒng)的性能，縮小裝置的體積，降低成本。 另一種控制方式為恒幅脈寬控制方式。如圖6-19機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及

31、其控制-課件6.4 液壓與氣動控制 液壓與氣壓傳動控制是以流體為工作介質(zhì)進行能量傳遞和控制的一種傳動形式。隨著機電一體化技術(shù)的發(fā)展，微電子、計算機技術(shù)不斷滲入，液壓與氣壓傳動控制，成為機械設(shè)備中發(fā)展速度最快的技術(shù)之一。它們通過各種元件組成不同功能的基本回路，再由若干基本回路有機地組合成具有一定控制功能的傳動系統(tǒng)，應(yīng)用在日常工作和生活中經(jīng)常見到各種機器中，如汽車、電梯、機床等機電設(shè)備都有不同程度的液壓氣動控制回路。6.4 液壓與氣動控制 液壓與氣壓傳動控制是以6.4.1 液壓控制 液壓傳動裝置本質(zhì)上是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，它先將機械能轉(zhuǎn)換為便于輸送的液壓能，后又將液壓能轉(zhuǎn)換為機械能做功，以實現(xiàn)某種控

32、制目的。 1. 液壓系統(tǒng)的基本特點 液壓控制與其它控制方式相比較，在相同功率下，液壓控制回路的能量轉(zhuǎn)換元件體積較小，工作平穩(wěn)，換向沖擊小，便于實現(xiàn)頻繁換向；工作油液能使傳動零件實現(xiàn)自潤滑，故使用壽命較長；因操縱簡單，易于實現(xiàn)復(fù)雜的自動工作循環(huán)；加之液壓元件系列化、標準化和通用化，因此液壓系統(tǒng)應(yīng)用十分廣泛。但在液壓傳動過程中，存在泄漏和能量損失（如泄漏損失、摩擦損失等），故傳動效率不是很高，不適合遠距離傳動；另外由于液體對溫度的變化敏感，不宜在很高和很低的溫度下工作；液壓傳動出現(xiàn)故障時不易找出原因。6.4.1 液壓控制 液壓傳動裝置本質(zhì)上是一種 2. 液壓控制系統(tǒng)的組成 液壓控制系統(tǒng)由以下四個部

33、分組成： (1)動力元件 如：液壓泵，它將機械能轉(zhuǎn)換為液體介質(zhì)的壓力能，向液壓系統(tǒng)提供動力，是系統(tǒng)的動力源。 (2)執(zhí)行元件 如：液壓缸，液壓馬達等，它是將液壓能轉(zhuǎn)換為機械能的裝置，在壓力油的推動下，它輸出力和速度(或力矩和轉(zhuǎn)速)以其它驅(qū)動工作部件。 (3)控制元件 如：溢流閥、節(jié)流閥、換向閥等。這些元件通過電氣、手動等方式來實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)中油液壓力、流量和流動方向的控制。 (4)輔助元件 如：油箱、油管、過濾器以及各種指示器和控制儀表等。它們的作用是提供必要的條件使系統(tǒng)得以正常工作和便于監(jiān)測控制。 2. 液壓控制系統(tǒng)的組成 下面機床工作臺液壓傳動系統(tǒng)為例，說明動力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔

34、助元件之間在控制系統(tǒng)中的相互關(guān)系。 如圖6-22所示，是液壓系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)示意圖，在圖示位置時，液壓油路流經(jīng)途徑： 油箱1過濾器2液壓泵3節(jié)流閥4換向閥5油管9 活塞連同工作臺8向左移動液壓缸左腔 同時，液壓缸右腔的油通過換向閥4排回油箱。 當(dāng)所推動的阻力大于液壓推動力時，液壓油路流經(jīng)途徑改變?yōu)椋?油箱1過濾器2液壓泵3溢流閥11油管19油箱 下面機床工作臺液壓傳動系統(tǒng)為例，說明動力元件、 如果將換向閥的手柄扳到左邊時，則壓力油經(jīng)換向閥進入液壓缸的右腔，推動活塞連伺工作臺向右移動。這時液壓缸的左腔的油經(jīng)換向閥和回油管排回油箱。 在這里節(jié)流閥用來調(diào)節(jié)工作臺的移動速度。當(dāng)節(jié)流閥開口較大時，進入液壓缸

35、的流量較大，工作臺的移動速度也較快，反之，當(dāng)節(jié)流閥開口較小時，工作臺的移動速度則較慢。 另外，當(dāng)工作臺低速移動時節(jié)流閥開口較小，泵出口多余的壓力油亦需排回油箱。 如果將換向閥的手柄扳到左邊時，則壓力油經(jīng)換向閥機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件 這些功能是由溢流閥4來實現(xiàn)的，調(diào)節(jié)溢流閥彈簧的預(yù)壓力就能調(diào)整泵出口的油液壓力，并讓多余的抽在相應(yīng)壓力下打開溢流閥，經(jīng)回油管流回油箱。 組成液壓系統(tǒng)示意圖的各個元件是用半結(jié)構(gòu)式圖形畫出來的，這種圖形直觀性強，較易理解，但難繪制，為此，工程技術(shù)人員對液壓元件專門制定了標準化符號，即國家標準GB786.1-93。對于圖6-22所示的液壓系統(tǒng)，若用規(guī)定的

36、液壓圖形符號繪制，則其系統(tǒng)原理圖如圖6-23所示。圖中的符號只表示元件的功能，不表示元件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使用這些圖形符號，可使液壓系統(tǒng)圖簡單明了、便于繪制。 這些功能是由溢流閥4來實現(xiàn)的，調(diào)節(jié)溢流閥彈簧的6.4.2 氣壓傳動與控制 在氣壓傳動中，能源的介質(zhì)通常是壓縮空氣。本節(jié)將主要介紹氣動元件、基本氣動系統(tǒng)及基本控制方法等氣壓傳動基本技術(shù)。復(fù)雜的氣動控制系統(tǒng)大多都由程序或其他邏輯控制裝置來控制。 1. 氣動控制的基本特點 空氣是最方便的傳動介質(zhì)，方便適用，可在許多場合使用；根據(jù)需要容易地儲存大量的壓縮空氣；使用氣動元件屬于簡單設(shè)計，因而容易地適合較簡單自動控制系統(tǒng)，便于控制。易于實現(xiàn)無級調(diào)速的直

37、線和回轉(zhuǎn)運動，動作響應(yīng)快；氣動元件價格合適，維護費用較低，經(jīng)濟性好；氣動元件有很長的工作壽命，使系統(tǒng)有很高的可靠性；壓縮空氣很大程度上不受高溫、灰塵、腐蝕的影響，對環(huán)境無污染，可裝入標準的清潔房內(nèi)，這一點是其他系統(tǒng)所不能及的。但是，氣動控制難于實現(xiàn)精確控制，輸出力矩較小，因此，廣泛應(yīng)用于食品生產(chǎn)、醫(yī)藥生產(chǎn)等行業(yè)。6.4.2 氣壓傳動與控制 在氣壓傳動中，能源機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件 2.各類控制閥 同液壓元件一樣，氣動執(zhí)行元件的執(zhí)行，需要控制它的輸出力、運動方向、運動速度，才能使氣缸滿足生產(chǎn)要求，因此，在氣動系統(tǒng)中對執(zhí)行元件的輸出力、

38、運動方向和運動速度的控制分別采用壓力閥、方向閥和調(diào)速閥來完成。 (1)壓力控制元件 壓力控制元件是用來控制氣路中壓縮空氣的壓力，使氣缸的輸出力保持在一定的范圍，保證氣缸的輸出力大小。壓力控制元件分普通調(diào)壓閥、精密調(diào)壓閥、電控調(diào)壓閥(EP調(diào)壓閥)和增壓閥四種。有些教材將順序閥和安全閥也列入壓力控制元件。 圖6-24是一個溢流式普通調(diào)壓閥的結(jié)構(gòu)原理圖。左端是進氣口、右端是出氣口、中間有一個主閥板，閥板上方有一個膜片及彈簧。彈簧力的大小靠旋鈕來控制，以控制出口壓力保持一定。 2.各類控制閥 實際上普通的調(diào)壓閥很難精確地調(diào)整到設(shè)定壓力值。當(dāng)進口的壓力增大時，由于摩擦力、調(diào)壓閥彈簧剛度等很多參數(shù)的影響，

39、輸出的壓力降低。當(dāng)膜片在變形時，彈簧的壓力也在改變，同時彈簧作用在膜片上的力也是改變的。因此，沒有這個彈簧，它就不能工作。而有了這個彈簧，就對它的特性有一定的影響。對于壓力精度要求比較高的回路，可采用精密調(diào)壓閥。 對于精密調(diào)壓閥來說，作用在主膜片上腔的力并不是彈簧力，而是一個比較穩(wěn)定的空氣壓力。而且這個空氣壓力受彈簧力的影響很小。這樣的調(diào)壓閥就有一定的調(diào)壓精度。 在一些氣動系統(tǒng)中或氣動伺服系統(tǒng)中，需要用電信號直接控制調(diào)壓閥輸出壓力的高低時，需要用電控調(diào)壓閥。 采用復(fù)合閥是當(dāng)今氣動技術(shù)的一大趨勢。圖6-25是一種將過濾器和調(diào)壓閥復(fù)合在一起的過濾減壓閥結(jié)構(gòu)。它不僅具有過濾的功能，而且還具有調(diào)壓功能

40、，節(jié)省了安裝空間，習(xí)慣上稱雙聯(lián)件。有的是將過濾器、減壓閥、油霧器三者合為一件，習(xí)慣上稱三聯(lián)件。還有一種是疊裝設(shè)計的方向閥和減壓閥。它是在一個板式連接的換向閥中間，插入一個減壓閥，在調(diào)壓閥和換向閥之間沒有管路連接，而是直接由閥塊連接。這樣把兩種閥和匯流板復(fù)合在一起，使系統(tǒng)既具有調(diào)壓、換向功能，又便安裝。 綜上所述，應(yīng)根據(jù)不同的使用目的及技術(shù)要求來選用壓力控制元件。 實際上普通的調(diào)壓閥很難精確地調(diào)整到設(shè)定壓力值。 選用調(diào)壓閥時，主要考慮三個方面 1）壓力精度要求，對精度要求不高的壓力控制回路，用普通調(diào)壓閥即可。 2）壓力調(diào)節(jié)方式，手動調(diào)壓還是電控調(diào)壓。當(dāng)回路需要電控調(diào)壓閥時，考慮響應(yīng)速度是否滿足要

41、求。比例電磁鐵電磁閥，通常是用在高精度、響應(yīng)速度快、大容量的氣動控制系統(tǒng)中。 3）最大流量校和，選擇不同通徑的調(diào)壓閥，也就確定了回路流過這個閥的流通能力。如果所選擇的調(diào)壓閥太小，則回路的最大流量遠遠大于調(diào)壓閥所能通過的流量，在最大流量通過的時候，它要產(chǎn)生一個很大的壓力損失，使得執(zhí)行機構(gòu)不能得到所需最大壓力(推力)。因此，選擇調(diào)壓閥一定要根據(jù)回路最大流量的大小來進行校核。 (2)方向控制閥 方向控制閥按其操縱方式可分為如表6-2所示的各種形式 選用調(diào)壓閥時，主要考慮三個方面機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件 方向控制閥也可通道數(shù)來分類。如兩位三通閥、兩位四通閥和兩位五通閥。這些閥的基本符

42、號、功能如表6-3所示。 根據(jù)閥的控制數(shù)量；可以將閥分為單控閥和雙控閥。單控閥能在控制力或信號撤消后，在彈簧的作用下復(fù)位，具有“單穩(wěn)”作用。雙控閥則，在控制力或信號撤消后“保持”原位，具有“記憶”功能。而這種“記憶”功能單控閥是沒有的。 方向控制閥也可通道數(shù)來分類。如兩位三通閥、兩位機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件機電一體化系統(tǒng)第6-執(zhí)行裝置及其控制-課件 單向閥和梭閥也屬于方向控制閥。單向閥結(jié)構(gòu)簡單，多安裝于氣源終端以便與用氣設(shè)備連接。梭閥的結(jié)構(gòu)原理圖如圖6-26所示。它有一個出氣口和兩個進氣口。無論從哪個進氣口進氣，都有輸出氣流。當(dāng)氣流來

43、自左邊，中間的閥芯被推向右側(cè)，把右邊的閥口卡死，氣流從出口流出；當(dāng)氣流從右邊進來，那么中間的閥芯就被推向左側(cè)，把左邊的閥口卡住，氣流從流出口流出。梭閥具有邏輯“或”的功能。 方向控制閥的選擇主要考慮以下幾個方面： （1）控制方式的選擇。在不同的條件下，對控制方式的選擇不同，若在防爆條件要求苛刻的情況下，我們只能考慮選用氣控式的。一般情況下最好選用電磁控制方式，它適于用可編程序控制器進行控制，適應(yīng)比較復(fù)雜的氣動控制系統(tǒng)。 單向閥和梭閥也屬于方向控制閥。單向閥結(jié)構(gòu)簡單， （2）根據(jù)氣缸操作方式選擇。氣缸的操作方式有雙動或單動之分，根據(jù)不同要求，可以選擇二位二通或三通閥，也可以選用二位四通或二位五通閥。如果氣動執(zhí)行元件有特殊要求，如：任意位置停止或保持，則應(yīng)選用三位閥并確定其中間位置形式。中間位置有封閉式；加壓式和排氣式三種形式。如果閥是在空氣凈化程度比較好的氣動回路中工作，而閥的工作頻率比較高時，應(yīng)選用金屬間隙密封(硬配合)形式，使滑閥的壽命延長。如空氣凈化程度欠佳，應(yīng)采用橡膠軟密封形式。 （3）根據(jù)氣缸的流