《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計》課件 第11次課直流電機(jī)

1第4章控制電動機(jī)及其選擇計算4.1步進(jìn)電動機(jī)及其控制4.2直流伺服電動機(jī)及其控制4.3交流伺服電動機(jī)及其控制4.4直線電動機(jī)4.5控制電動機(jī)選擇與計算實(shí)例導(dǎo)學(xué)：【學(xué)習(xí)內(nèi)容】1．直流伺服電動機(jī)的工作原理及分類；2．直流伺服電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程；3．伺服電動機(jī)的機(jī)械特性曲線和調(diào)速特性曲線?！窘虒W(xué)重點(diǎn)】直流伺服電動機(jī)的工作機(jī)械特性和調(diào)速特性曲線的應(yīng)用?！窘虒W(xué)難點(diǎn)】

直流伺服電動機(jī)的工作機(jī)械特性和調(diào)速特性曲線的應(yīng)用。

常用的典型執(zhí)行機(jī)構(gòu)下面主要分析幾種完成夾持、搬運(yùn)、輸送、分度與轉(zhuǎn)位、檢測和施力等功能的常見典型執(zhí)行系統(tǒng)。圖4?11.手腕；2.彈簧；3.墊圈；4.回轉(zhuǎn)軸；5.擋塊；6.手指；7.工件彈簧2使手指6閉合，擋塊5使手指保持初始間隙。它實(shí)現(xiàn)抓取、夾持和放開三個動作。彈簧杠桿夾持器的特點(diǎn)：抓取力受彈簧限制，常用來抓取小零件，如螺釘、銷軸等。1.夾持器彈簧杠桿式夾持器斜楔杠桿式夾持器圖4?21.彈簧；2.滾子；3.斜楔；4.手指；5.工件通過斜楔3在凸輪機(jī)構(gòu)或曲柄滑塊機(jī)構(gòu)帶動下作上下往復(fù)直線運(yùn)動來完成抓取、夾持和放下三個動作。斜楔杠桿式夾持器的特點(diǎn)：夾持力決定于斜楔3與滾子2之間的作用力，這個作用力大于彈簧力，可夾持較大的工件。圖4?3液壓連桿式夾持器1.工件；2.手指；3.液壓缸；4.油塞桿；5.連桿壓力油推動油塞桿4、通過連桿5使手指2轉(zhuǎn)動夾緊工件1。手指內(nèi)側(cè)為圓弧形，適宜夾持圓形工件。液壓連桿傳動的夾持器圖4?41－手指；2－轉(zhuǎn)臂；3－液壓油缸液壓電氣控制夾持器轉(zhuǎn)臂2驅(qū)動手指1開合，平行四桿機(jī)構(gòu)使手指做平動，適用于夾持矩形或菱形工件，且整個夾持器還能繞其軸轉(zhuǎn)動。夾持器還有其他驅(qū)動手指夾持工件的方式，如齒輪齒條、螺旋機(jī)構(gòu)等2.搬運(yùn)裝置搬運(yùn)是把一個工件從一個位置移動到另一個位置，對搬運(yùn)路線沒有明確要求。（a）機(jī)構(gòu)示意圖（b）裝置結(jié)構(gòu)簡圖圖4?5車門啟閉裝置1.氣缸；2.活塞；3.擺桿；4.車門；5.滑槽；6.滑塊圖4?5所示的車門開啟機(jī)構(gòu)，車門關(guān)閉時位置在BB，這是初始位置；車門開啟時位置在B1B1，這是最終位置。用擺桿搖塊機(jī)構(gòu)（1?2?3?5）和擺桿滑塊機(jī)構(gòu)（3?4?6?5）組合，可實(shí)現(xiàn)車門的兩個位置。原動件為活塞2，它作往復(fù)運(yùn)動；車門裝在連桿3上，它隨連桿3作平面運(yùn)動?；钊?伸縮到兩個極限位置，車門就會從初始位置運(yùn)動到最終位置。（a）機(jī)構(gòu)示意圖（b）裝置結(jié)構(gòu)簡圖圖4?5車門啟閉裝置1.氣缸；2.活塞；3.擺桿；4.車門；5.滑槽；6.滑塊圖4?5所示的車門開啟機(jī)構(gòu)，車門關(guān)閉時位置在BB，這是初始位置；車門開啟時位置在B1B1，這是最終位置。用擺桿搖塊機(jī)構(gòu)（1?2?3?5）和擺桿滑塊機(jī)構(gòu)（3?4?6?5）組合，可實(shí)現(xiàn)車門的兩個位置。原動件為活塞2，它作往復(fù)運(yùn)動；車門裝在連桿3上，它隨連桿3作平面運(yùn)動?；钊?伸縮到兩個極限位置，車門就會從初始位置運(yùn)動到最終位置。(a)搬運(yùn)前工件的位置(b)搬運(yùn)后工件的位置圖4?6扁平工件撇運(yùn)裝置1.滑塊；2.導(dǎo)銷；3.剛性連桿；4.導(dǎo)板；5.齒條；6.小齒輪；7.氣缸；8.曲柄；9.搬運(yùn)頭；10.真空吸頭；11.工件位置（a）是工件的初始位置。位置（b）是工件的最終位置。用齒輪?齒條機(jī)構(gòu)和正弦機(jī)構(gòu)組合，來實(shí)現(xiàn)（a）、（b）兩個位置。工作時，真空吸頭10吸住工件后，氣缸7充氣使連接于氣缸活塞桿的齒條5向前移動，帶動與齒輪固連的曲柄8轉(zhuǎn)動180°，到圖（b）位置。(a)搬運(yùn)前工件的位置(b)搬運(yùn)后工件的位置圖4?6扁平工件撇運(yùn)裝置1.滑塊；2.導(dǎo)銷；3.剛性連桿；4.導(dǎo)板；5.齒條；6.小齒輪；7.氣缸；8.曲柄；9.搬運(yùn)頭；10.真空吸頭；11.工件然后真空吸頭充氣，將工件放于指定位置。為防止真空吸頭10翻轉(zhuǎn)，搬運(yùn)頭9應(yīng)空套在曲柄8的銷軸上，使其能自由轉(zhuǎn)動?；瑝K1空套在導(dǎo)銷2上，并由剛性連桿3與搬運(yùn)頭9相連，使搬運(yùn)頭9在曲柄8擺動時適中保持垂直位置。導(dǎo)銷2在導(dǎo)板4的導(dǎo)槽內(nèi)滑動。2.搬運(yùn)裝置氣缸4的活塞是主動件，它作往復(fù)直線運(yùn)動。當(dāng)活塞向左運(yùn)動時，推動棘爪壓縮彈簧向左移動，棘爪撥動棘輪逆時針轉(zhuǎn)動，與棘輪裝在一根軸上的鏈條輸送裝置的鏈輪，就帶動鏈條1運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)裝在鏈條上的裝配輸送帶的運(yùn)動。當(dāng)活塞向右運(yùn)動時，棘爪在彈簧作用下回位，棘輪不轉(zhuǎn)，裝配輸送帶靜止。這樣就可實(shí)現(xiàn)裝配輸送帶的間歇運(yùn)動。圖4?8直線導(dǎo)軌式輸送裝置1.工件；2.棘爪；3.導(dǎo)軌；4.搖桿；5.偏心輪圖4?8是一個直線導(dǎo)軌式輸送裝置，工件1被振動式貯料斗送到直線振動器中，然后進(jìn)入導(dǎo)軌3，通過曲柄搖桿機(jī)構(gòu)使搖桿4往復(fù)擺動，與曲柄搖桿機(jī)構(gòu)相連的是搖桿滑塊機(jī)構(gòu)，可使滑塊即棘爪2往復(fù)移動，實(shí)現(xiàn)工件的間歇移動。圖4?9所示為用棘輪機(jī)構(gòu)帶動的回轉(zhuǎn)工作臺。棘輪2、分度盤1和工作臺裝在同一個立軸上；有兩個氣缸4和5；氣缸4通過棘爪3推動棘輪2每次轉(zhuǎn)過若干個齒（轉(zhuǎn)過的齒數(shù)可以改變）；氣缸5使定位栓6深入分度盤1的槽中進(jìn)行定位，也可以使定位栓6從分度盤1的槽中取出，使分度盤松動。圖4?9棘輪機(jī)構(gòu)帶動的回轉(zhuǎn)工作臺1.分度盤；2.棘輪；3.棘爪；4.分度氣缸；5.定位氣缸；6.定位栓圖4?10凸輪機(jī)構(gòu)帶動的回轉(zhuǎn)工作臺1.定位栓；2.驅(qū)動銷；3.分度盤；4.驅(qū)動板；5.連桿凸輪轉(zhuǎn)動使連桿5和驅(qū)動板4作擺動。由驅(qū)動銷2使分度盤3回轉(zhuǎn)分度，定位銷1則使分度盤定位。圖4?11是墊圈內(nèi)徑的自動檢測裝置。被檢測的墊圈沿一條傾斜的軌道5連續(xù)送進(jìn)，直到被止動臂8的止動擋銷擋住而停止，這時最前面的墊圈就處于檢測位置。3.檢測裝置用來檢測工件的尺寸、形狀及性能進(jìn)行測量，相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一個檢測探頭。在檢測時，通過機(jī)械、電氣或其他轉(zhuǎn)動方式，把檢測結(jié)果傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以便分離出合格及不合格的工件。自動檢測墊圈內(nèi)徑裝置1.凸輪軸；2.支架；3.微動開關(guān)；4.壓桿；5.進(jìn)給滑道；6.檢測探頭；7.工件(墊圈)；8.止動臂凸輪軸1上有兩個盤型凸輪，左端凸輪可使止動臂8擺動，止動臂8下擺時，止動擋銷離開墊圈7，使墊圈處于“浮動”位置。這就完成了檢測的第一個動作。凸輪軸1上另一個盤型凸輪可實(shí)現(xiàn)其推桿擺動。當(dāng)止動擋銷離開墊圈時，推桿下擺，帶動有測頭的壓桿4向下運(yùn)動，完成檢測動作。自動檢測墊圈內(nèi)徑裝置1.凸輪軸；2.支架；3.微動開關(guān)；4.壓桿；5.進(jìn)給滑道；6.檢測探頭；7.工件(墊圈)；8.止動臂(a)(b)(c)(a)內(nèi)徑尺寸合格；(b)內(nèi)徑尺寸太?。?c)內(nèi)徑尺寸太大圖4?12墊圈內(nèi)徑檢測工作過程1.工件；2.帶探頭的壓桿；3.微動開關(guān)檢測裝置中采用的測頭是一個圓錐形零件，墊圈內(nèi)孔尺寸決定了帶測頭的壓桿2的位置。墊圈內(nèi)孔尺寸合格，壓桿2位于圖（a）位置，微動開關(guān)3的探頭插入壓桿的環(huán)形槽中，微動開關(guān)3斷開，發(fā)出信號給控制系統(tǒng)，壓桿離開后，墊圈被送入合格品槽中。如墊圈內(nèi)孔尺寸太小，壓桿行程小，走到圖（b）的位置，如墊圈內(nèi)孔尺寸太大，壓桿行程大，走到圖（c）的位置，在這兩個位置微動開關(guān)3的探頭都不能插入壓桿3的槽中，微動開關(guān)3閉合?？刂葡到y(tǒng)把工件送入廢品槽中。這樣就完成了檢測和分開合格品和不合格品的工作。知識鏈接1：伺服系統(tǒng)概述

伺服來自英文單詞Servo，指系統(tǒng)跟隨外部指令進(jìn)行人們所期望的運(yùn)動，運(yùn)動要素包括位置、速度和力矩。

以數(shù)控機(jī)床為例：由計算機(jī)發(fā)出指令脈沖，讓哪一個驅(qū)動電動機(jī)拖著工作臺動，這一臺電動機(jī)就動，而且這臺電動機(jī)的運(yùn)動速度、運(yùn)動的距離，完全按著計算機(jī)的指令行事，非常準(zhǔn)確無誤地完成指令要求的任務(wù)。伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從液壓、氣動到電氣的過程，而電氣伺服系統(tǒng)包括控制器、功率放大器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和檢測裝置。根據(jù)輸入和反饋信號決定控制策略常用控制算法：PID控制和最優(yōu)控制由控制線路和計算機(jī)組成檢測被控制量，實(shí)現(xiàn)反饋傳感器和轉(zhuǎn)換電路知識鏈接2：伺服系統(tǒng)的分類（1）按照控制原理分開環(huán)伺服系統(tǒng)電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件A相、B相C相、…f、nCNC插補(bǔ)指令脈沖頻率f脈沖個數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大沒有位置測量裝置，信號流是單向的（數(shù)控裝置→進(jìn)給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。工作臺的位移精度取決于步進(jìn)電動機(jī)的傳動件和累計誤差

全閉環(huán)伺服系統(tǒng)位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋傳感器安裝在工作臺上，可以獲得工作臺的實(shí)際的精確位置。脈沖指令不斷產(chǎn)生，工作臺隨之移動，直到偏差值等于零。精度主要取決于檢測反饋部件的誤差，與放大器、傳動裝置沒有直接關(guān)系可實(shí)現(xiàn)高精度位置控制。機(jī)械傳動鏈包含在位置閉環(huán)中，系統(tǒng)控制和調(diào)試成本增加。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋工作臺的位置通過電動機(jī)上的傳感器或安裝在絲桿軸端的編碼器間接獲得檢測元件位于系統(tǒng)傳動鏈的中間。角位移測量簡單，調(diào)整維護(hù)方便，定位精度低于全閉環(huán)伺服系統(tǒng)SZ系列直流伺服電動機(jī)BL(3)系列交流伺服電動機(jī)4.2直流伺服電動機(jī)1）伺服電動機(jī)概述伺服電動機(jī)又稱執(zhí)行電動機(jī)，在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件使用。直流伺服電動機(jī)將輸入的直流電壓信號轉(zhuǎn)換成軸上的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角信號。伺服電動機(jī)按使用電源的不同，可分為交流伺服電動機(jī)和直流伺服電動機(jī)兩大類。編碼器部分編碼器：安裝在電機(jī)后端，其轉(zhuǎn)盤（光柵）與電機(jī)同軸。伺服電動機(jī)主要靠脈沖來定位：在電壓信號到來之前，轉(zhuǎn)子靜止不動；信號到來之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動；一旦信號消失，轉(zhuǎn)子能快速控制停轉(zhuǎn)；若信號改變方向，轉(zhuǎn)子則立即反轉(zhuǎn)因?yàn)樗欧妱訖C(jī)本身具備輸出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖這樣輸入脈沖和電機(jī)本身的脈沖形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而精確地控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)精確定位。在控制方式上步進(jìn)電動機(jī)的伺服電動機(jī)有什么不同？步進(jìn)電動機(jī)通過控制脈沖個數(shù)來控制轉(zhuǎn)動角度，伺服電動機(jī)控制脈沖時間長短控制轉(zhuǎn)動角度控制電壓信號的有或無控制電壓信號的極性控制電壓信號的大小伺服電機(jī)的啟動或停止伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小伺服電動機(jī)與普通直流、交流電動機(jī)相比轉(zhuǎn)子慣性小響應(yīng)快過載能力強(qiáng)可靠性輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速變化由控制電壓信號控制2.直流伺服電動機(jī)1）直流伺服電動機(jī)概述直流伺服電動機(jī)將輸入的直流電壓信號轉(zhuǎn)換成軸上的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角信號。1）直流伺服電動機(jī)概述直流電機(jī)定子轉(zhuǎn)子空氣隙定子鐵心勵磁繞組電樞繞組換向器電樞鐵心轉(zhuǎn)軸定子轉(zhuǎn)子基本結(jié)構(gòu)機(jī)殼端蓋電刷2）直流伺服電動機(jī)工作原理電刷A接電源

U+極電刷B接電源

U-極

工作原理直流電流經(jīng)換向片、電刷流入繞組abcd載流導(dǎo)體在N、S極形成磁場中受到電磁力作用ab受力F

方向向左cd受力F

方向向右繞組abcd逆時針方向轉(zhuǎn)動換向片轉(zhuǎn)動繞組abcd的電流方向改變，A接U-極，B接U+極轉(zhuǎn)子沿同一方向轉(zhuǎn)動帶動控制對象旋轉(zhuǎn)永磁極材料制成的定子磁場的相互作用左手定則換向片電刷作用是什么？使電刷通過換向片只與處于一定極性下的導(dǎo)體相連接，從而使導(dǎo)體中的電流方向發(fā)生變化?？刂齐妷盒盘柕挠袩o對伺服電動機(jī)的作用是什么？控制電壓的極性對伺服電動機(jī)的作用是什么？控制電壓的大小對伺服電動機(jī)的作用是什么？思考：答案：信號的有無控制電動機(jī)的起停。信號的極性控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)向。信號的大小控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速的大小。分類及特點(diǎn)直流伺服電機(jī)按傳統(tǒng)的勵磁方式按低慣量構(gòu)成結(jié)構(gòu)永磁直流伺服電機(jī)電磁直流伺服電動機(jī)無刷直流伺服電動機(jī)無槽直流伺服電動機(jī)圓盤直流伺服電動機(jī)杯形直流伺服電動機(jī)他勵并勵串勵電磁式直流伺服電動機(jī)的磁場由勵磁繞組產(chǎn)生，一般用他勵式；永磁式直流伺服電動機(jī)的磁場由永久磁鐵產(chǎn)生，無需勵磁繞組和勵磁電流，可減小體積和損耗，其結(jié)構(gòu)簡單，特別適合小功率的場合。轉(zhuǎn)子鐵心與普通電動機(jī)一樣，用硅鋼片沖制疊壓而成，在表面開有槽，用以嵌放電樞繞組，經(jīng)換向器和電刷連通內(nèi)外電路。這類伺服電動機(jī)除具有一般直流伺服電動機(jī)的特點(diǎn)外，還具有轉(zhuǎn)動慣小、機(jī)電時間常數(shù)小，換向良好，低速運(yùn)行性能好等性能特點(diǎn)。

無槽電樞直流伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)低慣量型直流伺服電動機(jī)①無槽電樞直流伺服電動機(jī)

產(chǎn)品型號為SWC，兩種勵磁方式都可采用，其電樞鐵心上不開槽為光滑圓柱體，電樞繞組用環(huán)氧樹脂粘在電樞鐵心表面，氣隙較大，如圖所示。廣泛應(yīng)用于需要快速動作、功率較大的直流伺服系統(tǒng)。空心杯形電樞直流伺服電動機(jī)：產(chǎn)品型號為SYK，勵磁方式為永磁式。它的電樞繞組用環(huán)氧樹脂澆注成杯形，置于內(nèi)外、定子之間，內(nèi)、外定子分別用軟磁材料制成，如圖所示。轉(zhuǎn)動慣量非常小，具有較高的加速能力，時間常數(shù)可小于1ms?？捎糜谛枰焖賱幼鞯闹绷魉欧到y(tǒng)?？招谋坞姌兄绷魉欧妱訖C(jī)結(jié)構(gòu)1-換向器2-電刷3-空心杯形電樞4-外定子5-內(nèi)定子②空心杯形電樞直流伺服電動機(jī)印制繞組直流伺服電動機(jī)：產(chǎn)品型號為SN，電樞是在圓盤形絕緣薄板上印制裸露的繞組，電樞無鐵心，磁極為永磁式，是軸向安裝，如圖3-52所示。適用于低速和起動、反轉(zhuǎn)頻繁的控制系統(tǒng)。圖3-52印制繞組直流伺服電動機(jī)③印制繞組直流伺服電動機(jī)

無刷直流伺服電動機(jī)：產(chǎn)品型號為SW，勵磁方式為永磁式，它的轉(zhuǎn)子由永久磁鐵制成，電樞繞組在定子上，且做成多相式，如圖3-53所示。它由晶體管開關(guān)電路和位置傳感器代替電刷和換向器，既保持了一般直流伺服電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，又克服了換向器和電刷帶來的缺點(diǎn)，其壽命長，噪聲低。一般用于要求噪聲低，對無線電不產(chǎn)生干擾的控制系統(tǒng)中。圖3-53無刷直流伺服電動機(jī)1-機(jī)殼2-電樞3-外轉(zhuǎn)子4-外定子5-內(nèi)定子④無刷直流伺服電動機(jī)

直流伺服電動機(jī)具有線性的機(jī)械特性，起動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬且平滑，無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，與同容量交流伺服電動機(jī)相比，重量輕、體積小。缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)動慣量大，反應(yīng)靈敏度較差。

直流伺服電動機(jī)的特點(diǎn)：直流伺服電動機(jī)適用于功率稍大（1～600W）的自動控制系統(tǒng)中，主要用于數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)等設(shè)備中。直流伺服電動機(jī)的應(yīng)用穩(wěn)態(tài)方程和機(jī)械特性直流伺服電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程（轉(zhuǎn)速方程）可知直流電動機(jī)調(diào)速可以有：（1）改變電樞電源電壓；（2）在電樞回路中串調(diào)節(jié)電阻；

（3）改變磁通，即改變勵磁回路的調(diào)節(jié)電阻Rf以改變勵磁電流。其中：n為轉(zhuǎn)速；U為電源電壓；Ra為繞組電阻；M為轉(zhuǎn)子切割磁場而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩；Ce反電動勢常數(shù)CT