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第一节执行元件
一、执行元件在机电一体化系统中的作用:
是机电一体化系统必不可少的驱动元件
是处于机电一体化系统的机械运行机构与微电子控制部件的联接部位的能量转换元件,能在微电子装置的控制下,将输入的各种形式的能量转换为机械能
二、执行元件的种类及特点
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将电能变成电磁力,并用该电磁力驱动运行机构运动
对控制用电动机的性能除了要求稳速运转性能外,还要求具有良好的加速、减速性能和伺服性能等动态性能以及频繁使用时的适应性和便于维修性能
控制用电动机驱动系统一般由电源供电,经电力变换器变换后输送给电动机,使电动机作回转(直线)运动,驱动负载机械运动,并在指令器给定的指令位置定位停止。
先将电能变换成液压能并用电磁阀改变压力油的流向,从而时液压执行元件驱动运行机构运动。
气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外,与液压式执行元件无什么区别
代表性的气压执行元件有气缸、气压马达等
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三、机电一体化系统对执行元件的要求
、动力大
惯量:质量m,转动惯量J
动力:推力F,转矩T,功率P
比功率(表征动力大小的综合性能指标,包含了功率、加速性能与转速三种因素):
、重量轻:用功率密度(=P/G;G为执行元件的重量)或比功率密度(= )来评价
、安装:执行元件最好不需要维修。无刷DC及AC就是走向无维修的一例
:电气式执行元件最易于用微机控制;因此机电一体化系统所用执行元件主流是电气式,其次是液压式和气压式
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第二节机电一体化系统常用的控制电动机
一、概述
控制用电动机是电气伺服控制系统的动力部件,是将电能转换为机械能的一种能量转换装置。
它能在很宽的速度和负载范围内进行连续、精确地控制,因而在各种机电一体化系统中得到了广泛的应用。
基本控制方式:目标运动不同,电动机及其控制方式也不同;步进电动机的开环方式;DC或AC伺服电动机的半闭环方式和全闭环方式
1)开环方式:没有反馈,结构简单,稳定可靠,精度差,在一般的伺服驱动及数字控制中有大量应用。
2)(半)闭环方式:用于精度、速度要求较高的场合。直流伺服电动机特性范围宽,易控制,成本低,是目前机电一体化设备中应用最为广泛的执行元件。交流伺服电动机则以其特殊环境应用及不需维修为特征,已越来越具有竞争性。
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三、控制用电动机的种类、特点及选用
种类
主要特点
优点
缺点
应用实例
步进电动机
VR:可变磁阻PM:永磁型
HB:混合型
转角与控制脉冲数成比例,可构成直接数字控制;有定位转矩;可构成廉价的开环控制系统
低速转矩大,速度控制简单;外形尺寸小
转矩、效率、精度、高速性差
计算机外围设备、办公机械、数控装置
DC伺服电动机
高响应特性;高功率密度;可实现高精度数字控制;接触换向部件(电刷与换向器)需要维护
停电时可制动;控制器简单;小容量的成本低;功率密度高;无铁心型的不存在齿槽效应转矩
需对整流子维护;不能在高速大力矩下工作;产生磨耗粉尘
NC机械、机器人、计算机外围设备、办公机械、音响和音像设备、计测机械等
SM(同步)型伺服电动机
无接触换向部件;需要磁极位置检测器(如同轴编码器等);具有DC伺服电动机的全部优点
停电时可制动;可在高速大力矩工作;耐环境性好,无需维修;小型轻量;功率密度高
无自启动功能;电动机与控制器需有一一对应;控制器较复杂
音响和音像设备、计算机外围设备
IM(感应)型伺服电动机
对定子电流的激励分量和转矩分量分别控制;具有DC伺服电动机的全部优点
耐环境性好,无需维修;可高速大转矩工作;大容量下效率良好;结构坚固
在小容量下工作效率低;温度特性差;停电时不能制动;控制器较复杂;
NC机械、机器人等
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第三节步进电动机及其驱动
一、定义和特性
将电脉冲信号转换为机械角位移的执行元件;
每当电动机绕组接受一个电脉冲,转子就转过一个相应的步距角;
转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比,并在时间上与输入脉冲同步;
只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电脉冲绕组的通电顺序,电动机就可获得所需的转角、转速及转向,很容易用微机实现数字控制。
二、特点
工作状态不易受各种干扰因素(如电源电压的波动,电流的大小与波形的变化、温度等)的影响,只要在它们的大小未引起步进电动机产生“丢步”现象之前,就不影响其正常工作。
步进电动机的步距角有误差,转子转过一定步数后也会出现累积误差;但转子转过一转后,其累积误差变为“零”,因此不会长期积累。
控制性能好,在起动、停止、反转时不易“丢步”
广泛应用于开环控制的机电一体化系统,使系统简化,并可靠地获得较高的位置精度
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三、种类及特点
可变磁阻型(VR)或者反应式:
由定子绕组通电激磁产生的反应电磁力力矩吸引用软磁钢制成的齿形转子作步进驱动;
转子朝定子与转子之间磁阻最小方向转动。
转子结构简单、直径小;工作可靠;运行频率高,有利于高速响应;步距角小(9)
定子与转子均不含永久磁铁,故无励磁时没有保持力。
制造成本高(气隙要做得尽可能小)、效率低、转子的阻尼差、噪声大
(PM):
转子用永久磁铁、定子用软磁钢制成
定子上绕组通电建立的磁场与永久磁铁的恒定磁场相互吸引与排斥产生转矩
无励磁时也具有保持力,具有记忆能力,可用作定位驱动。
励磁功率小、效率高、造价便宜。
转子磁铁的磁化间距受到限制,步距角大(18);转矩大,转子惯量也较大
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2)双拍通电方式(三相双三拍通电方式):ABBCCAAB
每拍都有两相同时通电,在状态变换时总有一相持续通电,运转平稳,输出转矩大,发热大。步距角单拍通电方式
3)单双拍通电方式(三相六拍通电方式):AABBBCCCAA
每拍总有一相持续通电,运转平稳,步距为前面两种的一半,采用最多。
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1)每输入一个电脉冲信号,转子所转过的角度称为步距角。其值越小,意味着它所能达到的位置精度越高。
2)。因此电动机的结构:转子做成多齿式,定子磁极上也制成小齿;它们的大小一样,齿宽和齿距相等
3)步距角的大小与通电方式和转子的齿数有关
=360/(zm)=360/(zKN)
z:转子齿数;m:运行拍数,通常等于相数或相数的整数倍,即m=KN(N为电动机的相数,单拍时K=1;单双拍时K=2;)
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