機械機電 (2)課件

第四部份執(zhí)行元件THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術

執(zhí)行元件（驅動部件）是將各種形式的輸入能量轉換為機械能的轉換部件。在機電一體化系統(tǒng)中，執(zhí)行元件處于微電子控制系統(tǒng)與機械系統(tǒng)的連接部位。

執(zhí)行元件是機電一體化系統(tǒng)必不可少的部件。第一節(jié)執(zhí)行元件的種類、特點及基本要求是什么在哪里重要性THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術

執(zhí)行元件（驅動部件）是將各種形式的輸入能量轉換為機械能的轉換部件。例如：電動機；電磁鐵；繼電器；液壓缸；氣缸；等……第一節(jié)執(zhí)行元件的種類、特點及基本要求電能液壓能電壓能化學能等轉換為機械能什么是執(zhí)行元件？THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術

執(zhí)行元件是機電一體化系統(tǒng)必不可少的部件。數(shù)控機床各坐標軸的運功、工作臺的進給運動；第一節(jié)執(zhí)行元件的種類、特點及基本要求例如：工業(yè)機器人手臂的升降、回轉和伸縮等運動。等等……為什么重要？THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術根據(jù)使用能量的不同，執(zhí)行元件可分為電動式、液動式和氣動式。電動式：主要利用電磁力驅動機械運動機構運動。液動式：利用液壓能驅動機械運動機構運動。氣動式：利用氣壓能驅動機械運動機構運動。磁致伸縮驅動器：某些磁性體的外部一旦加上磁場則磁性體的外形尺寸會發(fā)生變化，利用這種現(xiàn)象制作的驅動器稱為磁致伸縮驅動器。形狀記憶合金一、執(zhí)行元件的種類及特點THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術一、執(zhí)行元件的種類及特點圖3.1執(zhí)行元件的種類電動機電磁鐵及其它執(zhí)行元件油缸液壓馬達與材料有關氣缸氣壓馬達雙金屬片形狀記憶合金壓電元件交流（AC）伺服電機直流（DC）伺服電機步進電機其它電動機電磁式氣壓式液壓式其它THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術一、執(zhí)行元件的種類及特點功率小，體積大，動作不夠平穩(wěn)；不易小型化；遠距離傳輸困難；工作噪聲大、難于伺服。氣源方便、成本低；無泄漏污染；速度快、操作比較簡單。表3.1.2

氣動式執(zhí)行元件的特點及優(yōu)缺點空氣壓力源的壓力為5～7MPa；要求操作人員技術熟練。特點優(yōu)點缺點THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術一、執(zhí)行元件的種類及特點設備難于小型化；液壓源或液壓油要求（雜質、溫度、油量、質量）嚴格；易泄漏且有污染。輸出功率大，速度快，動作平穩(wěn)，可實現(xiàn)定位伺服；易與CPU相接；相應快。表3.1.3

液動式執(zhí)行元件的特點及優(yōu)缺點要求操作人員技術熟練；液壓源壓力為2～8MPa。特點優(yōu)點缺點四點基本要求：THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術二、對執(zhí)行元件的基本要求1、慣量小、動力大2、體積小、重量輕3、便于維修、安裝4、宜于微機控制THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術二、對執(zhí)行元件的基本要求1、慣量小、動力大：如對直線運動來說，設加速度為，則推力為而對回轉運動來說，設角速度為，角加速度為，則轉矩/功率為這里，和表征了執(zhí)行元件的加速性能。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術二、對執(zhí)行元件的基本要求1、慣量小、動力大：另一種表征執(zhí)行元件動力大小的綜合性指標是比功率：比功率＝包含了功率、加速性能與轉速三種因素。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術二、對執(zhí)行元件的基本要求2、體積小、重量輕：常用功率密度/比功率密度來評價這項指標：設執(zhí)行元件的重力為則功率密度＝比功率密度＝THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術二、對執(zhí)行元件的基本要求4、宜于微機控制具有驅動接口（電氣化）是執(zhí)行元件的發(fā)展方向。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術一種將電能轉換為機械能的執(zhí)行元件。電動機無刷電動機步進電動機直線電動機并勵電動機復勵電動機串勵電動機永磁式有刷電動機無鐵芯電動機永磁式繞線（電磁鐵）勵磁式直流電動機交流電動機其它超聲波電動機等同步電動機異步感應電動機無整流子、電刷（電子電路切換）有整流子、電刷二、控制用電動機的種類、特點及選用直流電機的微機驅動技術脈寬調制（PWM）調速直流電源以一定的頻率非對稱的波形不斷地通斷直流電源，從而改變通過電動機的平均電流。頻率通常在1－4k之間；通過調節(jié)高電平寬度實現(xiàn)調節(jié)平均電流。直流電機的微機驅動技術H橋的直流電機轉向控制直流電機的微機驅動技術H橋驅動器的專用集成電路芯片------D15200，3A，55VH型輸出1，2與電動機的兩極相連，即管腳2和10.外部數(shù)字信號對方向輸入（引腳3），制動輸入（引腳4），脈寬調制（引腳5）進行控制。當裝置溫度超過170度，熱傳感器便斷開輸出。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術

步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機步進電動機的結構與工作原理小知識：

磁阻最小原理

磁通總是要沿磁阻最小的路徑閉合，因磁場扭曲而產(chǎn)生切向拉力。切向拉力變化過程錯齒狀態(tài)對齒狀態(tài)產(chǎn)生了磁阻性質的轉矩三拍一個循環(huán)，轉子旋轉了一個齒極，空間角度為90°。步距角為30°。（對2-4而言）通電順序為：A→B→C→ATHECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術步進電動機控制系統(tǒng)三相三拍或單三拍工作方式CAC`A`B`B1423三相三拍工作方式CAC`A`B`B1423CAC`A`B`B1423逆時針旋轉30°30°30°表示該相通電1423THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術

步進電動機控制系統(tǒng)小知識：

拍

通常把由一種通電狀態(tài)轉換到另一種通電狀態(tài)叫做一拍。

步距角

每一拍轉子轉過的角度。

三相單三拍

三相是指定子為三個繞組，單是指每拍只有一相通電，三拍是指經(jīng)過三次切換繞組的通電狀態(tài)為一個循環(huán)。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術

步進電動機控制系統(tǒng)三相六拍工作方式CAC`A`B`B1423三相六拍工作方式1423142314231423142314231423通電順序為：A→AB→B→BC→C→CA→A六拍一個循環(huán)，轉子旋轉了一個齒極，空間角度為90°。步距角為15°。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術步進電動機控制系統(tǒng)三種工作方式比較三相三拍工作方式：

三相六拍工作方式：雙三拍工作方式：每次只有一相繞組通電，切換瞬間會失去自鎖轉矩，易產(chǎn)生失步。且一相繞組產(chǎn)生的力矩相對較小，在平衡位置易產(chǎn)生振蕩。電動機運轉中總有一相繞組通電，運轉比較平穩(wěn)。步距角是三相三拍工作方式步距角的一半。電動機運轉中總有一相繞組通電，運轉比較平穩(wěn)。有兩相繞組產(chǎn)生力矩。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術

步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機反應式步進電機的結構與工作原理三相反應式步進電動機原理圖AABCCBA對齒B錯齒C錯齒THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術

步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機的運行特性1、步距角定子相數(shù)；轉子齒數(shù)；通電拍數(shù)；通電系數(shù)，通電系數(shù)，三相六拍三相三拍；。步進電機運行一拍，其轉子轉過的轉角度。對應一個轉角當量：轉角/脈沖。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術

步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機的運行特性2、步距誤差單相通電時，步距誤差取決于定子和轉子的分齒精度、定子錯位角度的精度等。多相通電時，步距誤差不僅和加工、裝配精度有關，還取決于各相電流的大小、磁路性能。直接影響執(zhí)行部件的定位精度。一圈不累積。每步實際轉角和理論轉角之差。國產(chǎn)小功率步進電機的步距誤差一般為：國產(chǎn)大功率步進電機的步距誤差一般為：參考值：THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術

步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機的運行特性3、最高啟動頻率和最高工作頻率最高啟動頻率：空載時，步進電機由靜止突然啟動，并不失步地進入穩(wěn)速運行，所允許的啟動頻率。最高工作頻率：步進電機連續(xù)運行時，所能接受的最高頻率。國產(chǎn)小功率步進電機的最高啟動頻率一般為：國產(chǎn)大功率步進電機的最高啟動頻率一般為：參考值：THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術

步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機的運行特性4、輸出的轉矩－頻率特性定子繞組為感性負載，輸入頻率越高，勵磁電流越??；頻率越高，磁通量變化加劇，鐵芯的渦流損失加大；工作頻率越高，其輸出轉矩要降低。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術

步進電動機控制系統(tǒng)環(huán)形分配器步進電動機驅動電源＝環(huán)形分配器＋功率放大器環(huán)形分配器硬件環(huán)形分配器軟件環(huán)形分配器環(huán)形分配器：將脈沖指令按步進電動機的工作規(guī)律轉換成各相繞組通斷信號，經(jīng)功率放大器，驅動各相繞組產(chǎn)生旋轉磁場。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術

步進電動機控制系統(tǒng)環(huán)形分配器專用集成電路介紹：硬件環(huán)形分配器國產(chǎn)PM系列：PM03~PM06對三相、四相、五相、六相步進電機控制進口PM系列：PM8713、PM8714可編程對二相、四相、五相步進電機控制CH250專用環(huán)形分配器僅對三相步進電機控制可編程專用步進電機控制芯片PM101B對四相（二相）、五相步進電機控制THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術

步進電動機控制系統(tǒng)環(huán)形分配器X向步進電動機軟件環(huán)形分配器PA1PA2PA4PA0PA5PA3PIO光電耦合器光電耦合器功率驅動器功率驅動器X向步進電機Y向步進電機ABCabc序號節(jié)拍035241PA0A001HCBPA2PA1存儲單元地址內容06H02H05H04H03H2A00H2A01H2A03H2A05H2A04H2A02H00000001111111110方向反轉正轉序號節(jié)拍035241PA3a008HcbPA5PA4存儲單元地址內容30H10H28H20H18H2A10H2A11H2A13H2A15H2A14H2A12H00000001111111110方向反轉正轉Y向步進電動機THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術

步進電動機控制系統(tǒng)伺服控制執(zhí)行部件的位移量控制－位移量總行程－絲杠螺距－步進電機轉角執(zhí)行部件的位移量與輸入脈沖數(shù)成正比。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術

步進電動機控制系統(tǒng)伺服控制執(zhí)行部件移動速度的控制－執(zhí)行部件位移的速度－絲杠螺距－輸入脈沖頻率－步距角執(zhí)行部件的移動速度與輸入脈沖頻率成正比。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術

步進電動機控制系統(tǒng)伺服控制執(zhí)行部件移動方向的控制正向反向方向控制位移量控制……只要控制步進電機正反轉，就可以控制執(zhí)行部件的移動方向。正向反向正轉反轉THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術

步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機的單片機控制步進電機控制電路THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術

步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機的單片機控制入口順時針？指針-1→指針指針<L00?指針＝L01指針+1→指針指針>L01?指針＝L00返回（指針）→輸出NYYYNN指針法程序流程三相六拍狀態(tài)表：順時針P1AP1BP1C100100011110000111高地址L01：→低地址L00：→逆時針狀態(tài)表存入EEPROM中THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術

步進電動機控制系統(tǒng)提高系統(tǒng)精度的措施問題一：由于轉子啟、停時具有慣性，決定了步進電動機的頻率響應特性，會導致步進電動機在突然啟、?；驌Q向時失步。方法：選擇合適的控制方式，提高動態(tài)轉矩性能；并采用自動升降速電路（軟件）。速度曲線啟動時，速度由較低頻率逐漸升高到所要求的工作頻率。在減速或停止時，逐步降低到所需頻率。梯形控制策略THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOM