機電一體化原理與應(yīng)用PPT教程-第四章.ppt

機電一體化原理與應(yīng)用 第四章,2019年10月30日,4.1 典型載荷分析,載荷：執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計計算的一項重要原始數(shù)據(jù)。 分類：摩擦載荷、慣性載荷以及各種環(huán)境載荷等,2019年10月30日,4.1.1 摩擦載荷,1、定義 當(dāng)兩個物體間有相對運動或有相對運動的趨勢時才產(chǎn)生摩擦載荷。它是兩物體接觸面上存在的一種阻止運動的力或力矩。 2、分類 靜摩擦和動摩擦 滾動摩擦和滑動摩擦 干摩擦、半干摩擦、濕摩擦。,2019年10月30日,3、摩擦力的計算 1）靜摩擦力 按庫侖摩擦定律得： fs一般在0.10.3以上。 2）動摩擦力 f一般在0.10.3以下。,2019年10月30日,3）干摩擦、半干摩擦 符合庫侖定律。 4）濕摩擦 濕摩擦與干摩擦的機理截然不同，但為了計算方便工程上仍沿用摩擦系數(shù)的概念。一般f=0.0120.10。 5）滾動摩擦,2019年10月30日,4、摩擦力矩 摩擦力與其作用力臂的乘積即為摩擦力矩。 5、減小摩擦載荷的措施 減小正壓力、摩擦系數(shù)和作用力臂。 為了減小摩擦系數(shù)，可用滾動摩擦代替滑動摩擦，用濕摩擦代替干摩擦。,2019年10月30日,4.1.2 慣性載荷,1、產(chǎn)生條件 慣性載荷由于一定質(zhì)量的物體具有加速度或角加速度才產(chǎn)生的。 2、慣性載荷的計算 1）回轉(zhuǎn)運動慣性載荷的計算 計算轉(zhuǎn)動慣量、角速度、角加速度等參數(shù)。,2019年10月30日,計算等效轉(zhuǎn)動慣量：,圖中，l為低速軸，jl為轉(zhuǎn)動慣量，h為高速軸，傳動比為：,令jlh為jl折算到高速軸h上的折算轉(zhuǎn)動慣量,2019年10月30日,若令效率為100%，根據(jù)能量守恒得： 則慣性力矩m為 m=j,2019年10月30日,2）移動物體慣性載荷的計算 慣性力：f=ma,2019年10月30日,3、減小慣性力或慣性力矩的措施 減小質(zhì)量或轉(zhuǎn)動慣量 減小質(zhì)量的方法：采用減輕孔，采用空心薄壁結(jié)構(gòu)，選比重小、強度高的材料等可減小質(zhì)量。,2019年10月30日,減小轉(zhuǎn)動慣量的方法：合理布局回轉(zhuǎn)部分的質(zhì)量，使重心盡量靠近回轉(zhuǎn)軸； 對于減速傳動鏈，減小折算到高速軸的轉(zhuǎn)動慣量。,2019年10月30日,4.1.3 環(huán)境載荷,環(huán)境載荷指除了摩擦載荷和慣性載荷以外的載荷 露天作用的系統(tǒng)受到的風(fēng)載荷，高溫作用下的溫度載荷 外載荷的確定，要視具體情況而定，有的可以從理論上進行推導(dǎo)，有的需要借助于實驗來測定。,2019年10月30日,4.2 負(fù)載的力矩特性,1、分析的目的 為了選擇電動機或其它原動機，使之滿足功率的要求。 2、確定設(shè)計載荷的方法 計算法、類比法和實測法。,2019年10月30日,3、電動機克服負(fù)載力矩的兩種典型情況 一種為峰值力矩，它對應(yīng)于電動機最嚴(yán)重的工作情況； 一種為均方根力矩，它對應(yīng)于電動機長期連續(xù)地變載荷工作的情況。,2019年10月30日,1）負(fù)載的峰值力矩特性 折算到電動機軸上的負(fù)載力矩為 折算到電動機軸上的負(fù)載峰值力矩是總傳動比的函數(shù)。,2019年10月30日,2）負(fù)載的均方根力矩特性 折算到電動機軸上的均方根力矩為 mw作用在負(fù)載軸上的瞬時風(fēng)力矩； mf作用在負(fù)載軸上的瞬時摩擦力 l負(fù)載軸的瞬時角速度； t載荷變化的周期 it從電動機軸到負(fù)載軸的總傳動比。,2019年10月30日,4.3傳動鏈的精度分析,4.3.1傳動精度的概念 傳動鏈傳動精度：傳動誤差和空程誤差 1、傳動誤差：指輸入軸單向轉(zhuǎn)動時，輸出軸轉(zhuǎn)角的實際值相對于理論值的變動量,2019年10月30日,2019年10月30日,2、空程誤差：輸入軸正向回轉(zhuǎn)變?yōu)榉聪蚧剞D(zhuǎn)時，輸出軸在轉(zhuǎn)角上的滯后量。,2019年10月30日,4.3.2提高傳動精度的結(jié)構(gòu)措施,提高零部件本身的精度； 合理設(shè)計傳動鏈，減少零部件制造、裝配誤差對傳動精度的影響； 采用消隙結(jié)構(gòu)，以減少或消除空程誤差。,2019年10月30日,2019年10月30日,4.4 電動機傳動（驅(qū)動）系統(tǒng),1、伺服電動機分類 交流電動機和直流電動機 2、比較 交流電動機結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、維護工作量小，但起、制動及調(diào)速性能不如直流電動機。,2019年10月30日,3、選擇電動機原則 1）不需調(diào)速機械 長期工作制、短時工作制和重復(fù)短時工作制的機械，應(yīng)采用交流電機。,2019年10月30日,僅在某些操作特別頻繁、交流電動機在發(fā)熱和起、制動特性不能滿足要求時，才考慮直流電動機。 只需幾級固定速度的機械，可采用多極交流電動機。,2019年10月30日,2、需要調(diào)速的機械 1）轉(zhuǎn)速與功率之積。 轉(zhuǎn)速與功率之積受換向器能力限制目前一般認(rèn)為直流電動機該值最大為106kw.r/min，當(dāng)接近或超過該值宜采用交流電動機。,2019年10月30日,2）飛輪力矩。,2019年10月30日,3）在環(huán)境惡劣場合，宜采用無換向器、無火花、易密閉的交流電動機,2019年10月30日,4)交、直流電動機調(diào)速性能差不多,但交流電動機的飛輪力矩小，響應(yīng)速度要快一些。,2019年10月30日,4.4.1 直流電動機 一、特點 具有良好的調(diào)速特性 較大的起動轉(zhuǎn)矩 相對功率大 快速響應(yīng) 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 成本較高,2019年10月30日,二、分類 按激磁方式可分為電磁式和永磁式兩種。 電磁式的磁場由激磁繞組產(chǎn)生；永磁式的磁場由永久磁體產(chǎn)生。,2019年10月30日,2019年10月30日,三、直流伺服電動機的轉(zhuǎn)矩特性,電壓方程： 轉(zhuǎn)矩方程：,2019年10月30日,將ic代入轉(zhuǎn)矩方程得：,2019年10月30日,2019年10月30日,2019年10月30日,1）當(dāng)m0時， 即電動機為堵轉(zhuǎn)狀態(tài)或起動狀態(tài)， 稱ms為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩（起動轉(zhuǎn)矩）,2019年10月30日,2）mm0時， 即電動機為空載狀態(tài) 稱0為空載轉(zhuǎn)速,2019年10月30日,2019年10月30日,2019年10月30日,調(diào)節(jié)特性：,調(diào)節(jié)特性也為一組平行直線 轉(zhuǎn)矩一定，速度和電壓成正比； 轉(zhuǎn)矩越大，啟動電壓越大;,mm1 mm2mm3,2019年10月30日,四、總結(jié) 1、直流伺服電動機的轉(zhuǎn)矩特性是一組斜率相同的直線。每條轉(zhuǎn)矩特性和一種電樞電壓相對應(yīng)，與軸的交點是該電樞電壓下的理想空載角速度，與mm軸的交點則是該電樞電壓下的啟動轉(zhuǎn)矩。,2019年10月30日,2、直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性也是一組斜率相同的直線。每條調(diào)節(jié)特性和一種電磁轉(zhuǎn)矩相對應(yīng)，與uc軸的交點是啟動時的電樞電壓。,2019年10月30日,3、調(diào)節(jié)特性的斜率為正，說明在一定的負(fù)載下，電動機轉(zhuǎn)速隨電樞電壓的增加而增加；而轉(zhuǎn)矩特性的斜率為負(fù)，說明在電樞電壓不變時，電動機轉(zhuǎn)速隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加而降低。,2019年10月30日,五、選擇電機應(yīng)考慮的幾點 1、要滿足負(fù)載所需要的瞬時轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，即能夠克服峰值負(fù)載所需要的功率；,2019年10月30日,2、當(dāng)電動機的工作周期可以與其發(fā)熱時間常數(shù)相比較，必須考慮電機的熱定額問題。通常用負(fù)載的均方根功率作為確定電動機發(fā)熱功率的基礎(chǔ)。,2019年10月30日,1）若電動機在峰值力矩下，以峰值轉(zhuǎn)速不斷地驅(qū)動負(fù)載，則電動機功率按下式估算：,2019年10月30日,2）若電機長期連續(xù)工作在變載荷之下時，比較合理的是按負(fù)載均方根來估算電動機功率：,2019年10月30日,六、驅(qū)動電路 直流電機為直流供電，為了調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速和方向，需要對直流電壓的大小和方向進行控制。,2019年10月30日,目前廣泛采用的直流伺服電機的晶體管驅(qū)動電路有： 線性直流伺服放大器-小功率 脈寬調(diào)制放大器（pwm）-大功率;低轉(zhuǎn)速,2019年10月30日,1、線性直流伺服放大器 組成：線性放大元件和功率輸出級。 線性放大元件:電壓放大 功率輸出級:功率驅(qū)動 兩種輸出形式:互補式輸出和線性橋式輸出,2019年10月30日,v1和v2的作用？ 如何實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)？ 二極管的作用？,2019年10月30日,線性橋式輸出,2019年10月30日,兩種輸出方式的區(qū)別： 1)互補式需要兩個電源，且晶體管的額定電壓必須大于兩個外加電壓之和； 2)橋式需要單個電源，且晶體管的額定電壓就等于電源電壓。,2019年10月30日,特點： 功率消耗較大，適用于功率比較小、電樞具有較高阻抗的情況。,2019年10月30日,2、脈寬調(diào)制放大器 1）特點：功率管工作在開關(guān)狀態(tài)，管耗小,通常用在大功率低轉(zhuǎn)速的場合.,2019年10月30日,2）基本原理： 利用大功率晶體管的開關(guān)作用，將直流電源電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓，加在直流電動機的電樞上，通過對方波脈沖寬度的控制，改變電樞的平均電壓，從而調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。,2019年10月30日,pwm包括兩步： 直流電壓轉(zhuǎn)換為方波脈沖； 功率放大,2019年10月30日,2019年10月30日,線性橋式輸出,2019年10月30日,電壓、電流波形的電路原理圖,2019年10月30日,（1）當(dāng)uab0時，us的正、負(fù)脈寬相等，直流分量為零，v1和v4的導(dǎo)通時間與v2和v3的導(dǎo)通時間相等，流過電樞繞組中的平均電流等于零，電動機不轉(zhuǎn)。但在交流分量作用下，電動機在停止位置處微振，這種微振有動力潤滑作用，可消除電動機啟動時的靜摩擦，減小啟動電壓。,2019年10月30日,（2）當(dāng)uab0時，us的正脈寬大于負(fù)脈寬，直流分量u1大于零，v1和v4的導(dǎo)通時間長于v2和v3的導(dǎo)通時間，流過繞組中的電流平均值大于零，電動機正轉(zhuǎn)，且隨著u1增加，轉(zhuǎn)速增加。,2019年10月30日,（3）當(dāng)uab0時，us的直流分量u1小于零，電樞繞組中的電流平均值也小于零，電動機反轉(zhuǎn)，且反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速隨著u1減小而增加。 （4）當(dāng)v1和v4或v2和v3始終導(dǎo)通時，電動機在最高轉(zhuǎn)速下正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。,2019年10月30日,鋸齒波發(fā)生器,比較放大器,延時作用,延時作用,反相,2019年10月30日,4.4.2 交流電動機,一、特點 1）結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕； 2）轉(zhuǎn)子慣量小，啟動快，動態(tài)性能好；,2019年10月30日,3）調(diào)速范圍寬，可達(dá)1：105； 4）輸出功率和轉(zhuǎn)矩較小；機械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度不及直流伺服電動機好，其效率也較直流伺服電動機低。,2019年10月30日,二、分類 普通交流伺服電動機常用的轉(zhuǎn)子繞組有鼠籠轉(zhuǎn)子和空心杯轉(zhuǎn)子兩種。,2019年10月30日,1、鼠籠轉(zhuǎn)子交流伺服電機的特點 優(yōu)點： 單位輸入功率具有的起動轉(zhuǎn)矩較大; 激磁電流較小; 在相同性能指標(biāo)時，體積和重量要比空心杯轉(zhuǎn)子交流伺服電動機來得小; 轉(zhuǎn)子機械強度高，能在較惡劣的條件下可靠地工作。,2019年10月30日,缺點：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量較大，低速運行時也不夠平穩(wěn),2019年10月30日,2019年10月30日,2019年10月30日,2、空心杯轉(zhuǎn)子交流伺服電機的特點 優(yōu)點： 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小; 轉(zhuǎn)矩波動小; 運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪音小 缺點：激磁電流較大; 體積和重量也較大; 轉(zhuǎn)子機械強度較差。,2019年10月30日,空心杯轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖 1-空心杯轉(zhuǎn)子；2-外定子；3-內(nèi)定子；4-機殼；5-端蓋,2019年10月30日,三、交流伺服電動機的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性,普通異步電機,伺服電動機,2019年10月30日,交流伺服電機的輸出轉(zhuǎn)矩為,2019年10月30日,交流伺服電機的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性,2019年10月30日,2019年10月30日,四、交流伺服電機的調(diào)速 1、轉(zhuǎn)速公式的推導(dǎo) 以三相異步電動機為例。 當(dāng)三相交流電動機的三相對稱繞組a、b、c中通以三相正弦平衡交流電時， 在電機的氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)同步轉(zhuǎn)速為,2019年10月30日,電磁感應(yīng)作用,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為:,轉(zhuǎn)差率為:旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速和電動機轉(zhuǎn)速之差與同步轉(zhuǎn)速的比值,2019年10月30日,1）電動機起動瞬間:,（轉(zhuǎn)差率最大）,2）轉(zhuǎn)子最大轉(zhuǎn)速：,3）,2019年10月30日,2、交流電機調(diào)速的方式 改變極對數(shù)p； 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率s； 改變供電電源頻率f；,2019年10月30日,4.4.3 步進電機,一、定義 步進電機：將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移或線位移的執(zhí)行元件。每外加一個脈沖信號，就運動一步。,2019年10月30日,2019年10月30日,二、特點 1、直接實現(xiàn)數(shù)字控制，且控制性能好； 2、通過采用開環(huán)方式對位置或速度進行控制； 3、位置誤差不會積累； 4、具有自鎖能力保持轉(zhuǎn)矩,2019年10月30日,三、分類 根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作原理的不同，步進電機可分為：永磁式、變磁阻式和混合式三種。 1、永磁式 結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)子由一對或多對極的星形永久磁鐵組成，定子極上相應(yīng)有兩相或多相控制繞組。,2019年10月30日,2019年10月30日,特點：控制功率小，效率高；造價便宜；步距角一般為7.518；斷電后有定位轉(zhuǎn)矩；,2019年10月30日,2、變磁阻式（反應(yīng)式） 結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)子和定子均由鐵心組成。 定子有若干對磁極，磁極上有控制繞組，每個磁極上均勻分布若干矩形小齒。 轉(zhuǎn)子的圓柱上均布小齒。,2019年10月30日,2019年10月30日,特點：結(jié)構(gòu)簡單，但轉(zhuǎn)子阻尼差，噪音大，步距角一般為1.515之間。,2019年10月30日,3、混合式 結(jié)構(gòu)：定子結(jié)構(gòu)與反應(yīng)式相似，磁極上有控制繞組。轉(zhuǎn)子由環(huán)形永久磁鐵構(gòu)成。,2019年10月30日,2019年10月30日,2019年10月30日,特點：步距角一般為0.93.6之間；效率高；斷電后有定位轉(zhuǎn)矩；轉(zhuǎn)子直徑大，不利于高速響應(yīng),2019年10月30日,四. 工作原理 1) 基本工作原理就是電磁鐵工作原理。,2019年10月30日,a) a相通電，b、c相不通電，轉(zhuǎn)子齒1、3與a相定子齒對齊，轉(zhuǎn)子齒2、4與b、c相在不同方向上錯開30 b) a相斷電，b相通電，轉(zhuǎn)子齒2、4與b相定子齒對齊，順時針旋轉(zhuǎn)30。 c) b相斷電，c相通電，同理轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)30。 d) 通電順序為abca時，轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)。如改為acba時，轉(zhuǎn)子反向（逆時針）轉(zhuǎn)動。 e) 電流換接三次，磁場轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子前進一個齒距角（90 ）。,2019年10月30日,l按abca方式通電，稱為三相單三拍運行（ ）。 l按aabbbcccaa方式通電，稱為三相六拍運行（ ）。 注：步距角 太大。,2) 通電方式 以三相電機為例的通電方式單三拍、三相六拍及雙三拍等。 “單”每次只有一相繞組通電； “雙”每次有兩相繞組通電； “拍”通電次數(shù)（即從一種通電狀態(tài)轉(zhuǎn)到另一種通電狀態(tài)）。,2019年10月30日,三相六拍工作方式：,2019年10月30日,2019年10月30日,三相雙三拍工作方式,2019年10月30日,2019年10月30日,五、步進電機的運行性能 1、步距角和靜態(tài)步距誤差 1）步距角 定義：每輸入一個脈沖信號，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。,2019年10月30日,公式： m：控制繞組的相數(shù)； zr：轉(zhuǎn)子齒數(shù)； c：通電方式系數(shù)，單三拍或雙三拍時c=1，單、雙六拍c=2。 步距角越小，分辨力越高，但當(dāng)脈沖頻率不變時，轉(zhuǎn)子速度下降。,2019年10月30日,2）靜態(tài)步距誤差：由于定子、轉(zhuǎn)子的齒距分度不均勻，定轉(zhuǎn)子間氣隙不均勻或鐵心分段時的錯位誤差，使實際步距角和理論步距角之間存在偏差，稱為靜態(tài)步距角誤差,2019年10月30日,2、靜特性 靜特性指標(biāo)：穩(wěn)定狀態(tài)時的特性，包括矩角特性、靜轉(zhuǎn)矩及靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)等。,2019年10月30日,靜止?fàn)顟B(tài)：當(dāng)步進電動機得到連續(xù)控制脈沖時，各相繞組按預(yù)定通電方式輪流通電，轉(zhuǎn)子便一步步轉(zhuǎn)動。 當(dāng)控制脈沖停止時，某些相繞組仍通入恒定不變的電流，這時轉(zhuǎn)子將固定于最后一步的位置上保持不動。 矩角特性：靜止?fàn)顟B(tài)下，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，即靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角之間的關(guān)系,2019年10月30日,靜轉(zhuǎn)矩：靜止?fàn)顟B(tài)下的轉(zhuǎn)矩不改變通電狀態(tài)，只有某相繞組在額定電壓作用下轉(zhuǎn)子所受到的電磁轉(zhuǎn)矩。 。 轉(zhuǎn)角：轉(zhuǎn)子偏離零位后的角度，通常稱失調(diào)角。 零位：通電相定子齒與轉(zhuǎn)子齒對齊的位置。,2019年10月30日,步進電機的靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)： 去掉負(fù)載后轉(zhuǎn)子能回到零位的區(qū)域,2019年10月30日,當(dāng)轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)時，若轉(zhuǎn)子上沒有任何強制作用，則穩(wěn)定平衡點是座標(biāo)原點。如果在外力矩作用下使轉(zhuǎn)子離開平衡點，那么只要失調(diào)角在-+或-時，轉(zhuǎn)子就趨向前一齒后一齒的平衡點運動，而離開了正確的平衡點，所以-+區(qū)域稱作靜穩(wěn)定區(qū)。,2019年10月30日,2019年10月30日,3、動特性 步進運行狀態(tài)時的動特性 若控制繞組通電脈沖的時間間隔大于步進電機機電過渡過程時間，這時電動機為步進運行狀態(tài)， 即電脈沖由a相切換到b相，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個步距角，但整個過程將是一個振蕩的過程。,2019年10月30日,2019年10月30日,連續(xù)運行時的動特性 動態(tài)轉(zhuǎn)矩：步進電機在連續(xù)運行狀態(tài)下工作時，電動機所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。 動特性：矩頻特性、動穩(wěn)定區(qū)、工作頻率。 矩頻特性 表示步進電機的最大動態(tài)轉(zhuǎn)矩和脈沖頻率的關(guān)系。,2019年10月30日,轉(zhuǎn)矩和頻率近似反比 對應(yīng)于某一頻率，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于它在該頻率的最大動態(tài)轉(zhuǎn)矩時電機才能正常運轉(zhuǎn),2019年10月30日,動穩(wěn)定區(qū) 步進電機從一種通電狀態(tài)切換到另一種通電狀態(tài)時，不至引起失步的區(qū)域。,2019年10月30日,2019年10月30日,工作頻率 定義：指步進電機按照指令的要求，進行不失步工作時的最大脈沖頻率。 失步包括丟步和越步。 分類：步進電機的工作頻率分為：起動頻率、制動頻率及連續(xù)工作頻率。,2019年10月30日,六、步進電機的驅(qū)動電路 組成：變頻信號源、脈沖分配器、功率放大器。,2019年10月30日,2019年10月30日,1、變頻信號源：能發(fā)出幾hz到2030khz的連續(xù)可變信號發(fā)生器。 2、脈沖分配器 作用