机电一体化 - 03.ppt

第三讲 主要内容 第1章 概论 第2章 机械系统的部件选择与设计 第3章 机电一体化中的执行元件 第4章 微机控制系统及接口设计 第5章 机电一体化系统中的检测传感器 第6章 机电一体化系统的控制策略 第7章 典型机电一体化系统实例分析 第3章　机电一体化中的执行元件 3.1 执行元件的种类、特点及基本要求 3.2 机电一体化系统中常用的伺服驱动电机 3.3 液压气动执行装置 机电一体化中的执行元件 无论是工业机器人、CNC机床、还是自动化机械、家电等机电一体化产品，都离不开执行元件为其提供动力。 它在机电一体化系统中相当于人的肌肉，其功能是在电子控制装置的控制下，将输入的各种形式的能量转换为机械能，如电动机、液压机械、汽缸、内燃机、电磁铁、继电器等。 大多数执行元件已作为系列化商品生产，在设计机电一体化产品时可作为标准件直接选用。但我们必须了解各种执行元件的特点和功能。 执行元件的种类 执行元件的特点 电磁式： 　　电动机（DC,AC）：动力源是电源，输出转速或直线运动（机械能），驱动执行机构运动。 　　微量位移器件：电磁铁、压电驱动器、电热驱动器等微量位移器件，驱动执行元件的微量进给。 液压式：油缸（往复，回转），液压马达。 气压式：一般用压缩空气作工作介质，特点是行程和速度大。缺点是定位精度差（由于气体可压缩） 执行元件的特点 执行元件的基本要求 惯量小，动力大： 体积小，重量轻 。 便于安装和维修 。 易于微机控制：最易于微机控制的是电动式执行元件，因此，机电一体化系统中用的最多是电机，其次是液压（接口中增加电－液变换环节） 。 机电一体化系统中常用的电机 直流电机 交流伺服电机 步进电机(Stepping Motor) 直流电机 直流电机的结构及其工作原理 直流电机的线性控制与PWM控制 直流电机的结构及其工作原理 当电流通过电刷和换向器流过线圈时产生转子磁场，这时转子成为一个电磁铁，在转子与定子之间产生吸引力或推斥力使转子旋转。 直流电机的特点 起动转矩大、体积小、重量轻、转矩和转速容易控制以及效率高等优点。 由于有电刷和换向器，其寿命、噪声等方面存在不足。 在进行位置控制和速度控制时需要使用转速传感器，实现位置、速度负反馈闭环控制方式，这样的电机常称为伺服直流电机。 直流电机的线性控制与PWM控制 线性控制 ： 直流电动机的电路如图所示，电动机电枢回路的电压平衡方程式为： U = E+Id R 其中E=KeФn PWM控制 不可逆PWM变换器的电路原理图及工作波形如图所示。电源US由不可控整流器供电。变换器的负载为直流电动机的电枢，它可看成电阻，电感和反电动势负载，二极管VD在功率管VT关断时为电枢回路提供释放电感储能的续流回路。 在VT的栅极加脉冲电压Ug驱动，Ug频率不变宽度可调。在一个开关周期T内，当0≤tt1时，Ug为正，VT饱和导通，US加到电动机电枢两端，Ud=Us，流过电枢的电流为id1；当t1≤tt2时，Ug为负Ud=0，电枢电流经VD续流，电流id2。电动机电枢的平均电压为： Ud=（τ/T）Us=ρUs 式中τ为脉冲宽度，T为开关周期，ρ=τ/T（0≤ρ≤1）称为脉冲宽度占空比，改变ρ即可改变加到电枢两端电压Ud，从而实现调速。 交流伺服电机 交流伺服电机的种类 交流伺服电机的特点 交流伺服电机的种类 交流伺服电机的特点 感应电机（Induction Motor）：感应电机的定子和转子均由铁芯线圈构成，可分为单相或三相电机。转子铁芯用硅钢片叠压而成，由定子产生的旋转磁场带动转子旋转。由于转子的重量轻、惯性小，因此响应速度快，主要应用于中等以上功率的伺服系统。 同步电机（Synchnonous Motor）：同步电机的转子由永久磁铁构成磁极，定子与感应电机一样由铁芯线圈构成，可分为单相同步电机和三相同步电机两种。这种永磁同步电机可以做得很小，响应快，主要应用于中等功率以下的机器人和数控机床。 无刷直流电机（Brushless DC Motor）：由霍耳元件和旋转编码器等构成的位置传感器和逆变器取代了直流电机的电刷和换向器。转子磁极采用永久磁铁，没有励磁损耗，提高了电机的效率。 （2）交流伺服电动机调速 步进电机 步进电机的特点 步进电机的工作原理与分类 步进电机的特性 步进电机的驱动与微机控制 步进电机的微机控制 步进电机的特点 步进电机的工作原理与分类 按产生转矩的方式，分为：PM型、VR型、HB型，按励磁相数有3相、4相、5相、6相等（下图中线圈绕组数即为相数）。 永磁型（PM－Permanent Magnet型）：转子为圆筒形永磁钢，定子线圈中流过电流时产生磁场。定子与转子磁场间相互作用产生吸引力或推斥力使转子旋