淺論機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中執(zhí)行元件的選擇與設(shè)計(jì)

1、青島黃海學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院20132014學(xué)年第二學(xué)期期末考試科目： 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 姓名： 杜希元 學(xué)號(hào)： 1101111084 班級(jí)： 2011級(jí)本科三班 專業(yè)： 機(jī)械制造及其自動(dòng)化 淺論機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中執(zhí)行元件的選擇與設(shè)計(jì)姓名：杜希元 班級(jí)：2011級(jí)本科三班 學(xué)號(hào)：1101111084摘要：機(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)離不開執(zhí)行元件為其提供動(dòng)力。如數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)、工作臺(tái)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)以及工業(yè)機(jī)器人手臂升降、回轉(zhuǎn)和伸縮運(yùn)動(dòng)等所用驅(qū)動(dòng)部件。在電子控制裝置控制下，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，例如電動(dòng)機(jī)、液動(dòng)機(jī)、氣缸、內(nèi)燃機(jī)、電磁鐵、繼電器等分別把輸入的電能、液壓能、氣壓能和化學(xué)能轉(zhuǎn)

2、換為機(jī)械能。因此認(rèn)識(shí)執(zhí)行元件的選擇與設(shè)計(jì)就顯得很重要。關(guān)鍵詞：執(zhí)行元件 選擇 設(shè)計(jì) 一、執(zhí)行元件的種類及特點(diǎn)（1）執(zhí)行元件的種類根據(jù)使用能量的不同，可以將執(zhí)行元件分為電磁式、液壓式和氣壓式等幾種類型，如圖所示。電磁式是將電能變成電磁力，并用該電磁力驅(qū)動(dòng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。液壓式是先將電能變換為液壓能并用電磁閥改變壓力油的流向，從而使液壓執(zhí)行元件驅(qū)動(dòng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。氣壓式與液壓式的原理相同，只是將介質(zhì)由油改為氣體而已。其他執(zhí)行元件與使用材料有關(guān)，如使用雙金屬片、形狀記憶合金或壓電元件 。（2）執(zhí)行元件的特點(diǎn)二、控制用電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介控制用電動(dòng)機(jī)有力矩電動(dòng)機(jī)、脈沖（步進(jìn)）電動(dòng)機(jī)、變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)和

3、各種AC/DC電動(dòng)機(jī)等?？刂朴秒妱?dòng)機(jī)是電氣伺服控制系統(tǒng)的動(dòng)力部件，是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。由于其可在很寬的速度和負(fù)載范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)、精確的控制，因而在各種機(jī)電一體化系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用?？刂朴秒妱?dòng)機(jī)有回轉(zhuǎn)和直線驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，通過電壓、電流、頻率(包括指令脈沖)等控制，實(shí)現(xiàn)定速、變速驅(qū)動(dòng)或反復(fù)起動(dòng)、停止的增量驅(qū)動(dòng)以及復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)，而驅(qū)動(dòng)精度隨驅(qū)動(dòng)對(duì)象的不同而不同。機(jī)電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品中常用的控制用電動(dòng)機(jī)是指能提供正確運(yùn)動(dòng)或較復(fù)雜動(dòng)作的伺服電動(dòng)機(jī)。（1）伺服電動(dòng)機(jī)控制方式的基本形式（2）控制用電動(dòng)機(jī)的種類、特點(diǎn)及選用 在機(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)中使用兩類電動(dòng)機(jī),一類為一般的動(dòng)力用電動(dòng)

4、機(jī),如感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)等;另一類為控制用電動(dòng)機(jī),如力矩電動(dòng)機(jī)、脈沖電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)和各種AC/DC電動(dòng)機(jī)等。不同的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)控制用電動(dòng)機(jī)的性能密度的要求也有所不同。對(duì)于起停頻率低(如幾十次分)，但要求低速平穩(wěn)和扭矩脈動(dòng)小，高速運(yùn)行時(shí)振動(dòng)、噪聲小，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)均可穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的機(jī)械，如NC工作機(jī)械的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其功率密度是主要的性能指標(biāo)；對(duì)于起停頻率高(如數(shù)百次分)，但不特別要求低速平穩(wěn)性的產(chǎn)品，如高速打印機(jī)、繪圖機(jī)、打孔機(jī)、集成電路焊接裝置等主要的性能指標(biāo)是高比功率。在額定輸出功率相同的條件下,交流伺服電動(dòng)機(jī)的比功率最高、 直流伺服電動(dòng)機(jī)次之

5、、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最低。 直流（DC）與交流（AC）（3）對(duì)控制用電動(dòng)機(jī)的基本要求三、伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)（1）直流(DC)伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng) 1. 直流伺服電動(dòng)機(jī)的特性及選用直流伺服電動(dòng)機(jī)通過電刷和換向器產(chǎn)生的整流作用，使磁場(chǎng)磁動(dòng)勢(shì)和電樞電流磁動(dòng)勢(shì)正交，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。其電樞大多為永久磁鐵。 直流伺服電動(dòng)機(jī)具有較高的響應(yīng)速度、精度和頻率，優(yōu)良的控制特性等優(yōu)點(diǎn)。但由于使用電刷和換向器，故壽命較低，需要定期維修。 直流印刷電樞電動(dòng)機(jī)是一種盤形伺服電動(dòng)機(jī)，電樞由導(dǎo)電板的切口成形，棵導(dǎo)體的線圈端部起換向器作用，這種空心式高性能伺服電動(dòng)機(jī)大多用于工業(yè)機(jī)器人、小型NC機(jī)床及線切割機(jī)床上。寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

6、特點(diǎn)是勵(lì)磁便于調(diào)整，易于安排補(bǔ)償繞組和換向極，電動(dòng)機(jī)的換向性能得到改善，成本低,可以在較寬的速度范圍內(nèi)得到恒轉(zhuǎn)速特性。永久磁鐵的寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如下圖所示。有不帶制動(dòng)器a和帶制動(dòng)器b兩種結(jié)構(gòu)。電動(dòng)機(jī)定子(磁鋼)1采用矯頑力高、不易去磁的永磁材料(如鐵氧體永久磁鐵)、轉(zhuǎn)子(電樞)2直徑大并且有槽，因而熱容量大，結(jié)構(gòu)上又采用了通常凸極式和隱極式永磁電動(dòng)機(jī)磁路的組合，提高了電動(dòng)機(jī)氣隙磁通密度。同時(shí)，在電動(dòng)機(jī)尾部裝有高精密低紋波的測(cè)速發(fā)電機(jī)，并可加裝光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器及制動(dòng)器，為速度環(huán)提供了較高的增量，能獲得優(yōu)良的低速剛度和動(dòng)態(tài)性能。 寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)根據(jù)負(fù)載條件來選擇。加在電動(dòng)機(jī)

7、軸上的有兩種負(fù)載，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩和負(fù)載慣量。當(dāng)選用電動(dòng)機(jī)時(shí)，必須正確地計(jì)算負(fù)載，即必須確認(rèn)電動(dòng)機(jī)能滿足下列條件：在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)在電動(dòng)機(jī)連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍以內(nèi)；工作負(fù)載與過載時(shí)間應(yīng)在規(guī)定的范圍以內(nèi)；應(yīng)使加速度與希望的時(shí)間常數(shù)一致。一般講，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩起減速作用，如果可能，加減速應(yīng)選取相同的時(shí)間常數(shù)。 值得提出的是慣性負(fù)載值對(duì)電動(dòng)機(jī)靈敏度和快速移動(dòng)時(shí)間有很大影響。對(duì)于大的慣性負(fù)載，當(dāng)指令速度變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)達(dá)到指令速度的時(shí)間需要長(zhǎng)些。如果負(fù)載慣量達(dá)到轉(zhuǎn)子慣量的三倍，靈敏度要受到影響，當(dāng)負(fù)載慣量比轉(zhuǎn)子慣量大三倍時(shí)響應(yīng)時(shí)間將降低很多，而當(dāng)慣量大大超過時(shí)，伺服放大器就不能在正常條件范圍內(nèi)調(diào)整，必

8、須避免使用這種慣性負(fù)載。2. 直流伺服電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)直流伺服電動(dòng)機(jī)為直流供電，為調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和方向,需要對(duì)其直流電壓的大小和方向進(jìn)行控制。目前常用晶體管脈寬調(diào)速驅(qū)動(dòng)和晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動(dòng)兩種方式。晶閘管直流驅(qū)動(dòng)方式，主要通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置控制晶閘管的觸發(fā)延遲角(控制電壓的大小)來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，從而改變整流電壓的大小，使直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓的變化易于平滑調(diào)速。由于晶閘管本身的工作原理和電源的特點(diǎn)，導(dǎo)通后是利用交流(50Hz)過零來關(guān)閉的，因此，在低整流電壓時(shí)。其輸出是很小的尖峰值(三相全波時(shí)每秒300個(gè))的平均值，從而造成電流的不連續(xù)性。而采用脈寬調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其開關(guān)頻率高(通常達(dá)2000300

9、0Hz)，伺服機(jī)構(gòu)能夠響應(yīng)的頻帶范圍也較寬，與晶閘管相比，其輸出電流脈動(dòng)非常小，接近于純直流。為使電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)雙向調(diào)速，多采用下圖所示橋式電路，其工作原理與線性放大橋式電路相似。電橋由四個(gè)大功率晶體管VT1VT4組成。如果在VT1和VT3的基極上加以正脈沖的同時(shí)，在VT2和VT4的基極上加負(fù)脈沖，這時(shí)VT1和VT4導(dǎo)通，VT2和VT4截止，電流沿+90VcVT1dMbVT3a0V的路徑流通。設(shè)此時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向?yàn)檎?。反之，如果在晶體管VT1和VT3的基極上加負(fù)脈沖，在VT2和VT4的基極上加正脈沖，則VT2和VT4導(dǎo)通，VT1和VT3截止，電流沿+90VcVT2bMdVT4a0V的路徑流通，電流

10、的方向與前一情況相反，電動(dòng)機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。顯然，如果改變加到VT1和VT3、VT2和VT4這兩組管子基極上控制脈沖的正負(fù)和導(dǎo)通率，就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。（2）交流(AC)伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)同步型和感應(yīng)型伺服電動(dòng)機(jī)稱為交流伺服電動(dòng)機(jī)，其基本原理是檢測(cè)SM（同步）型和IM（感應(yīng)）型的氣隙磁場(chǎng)的大小和方向，用電力電子變換器代替整流子和電刷，并通過與氣隙磁場(chǎng)方向相同的磁化電流和與氣隙磁場(chǎng)方向垂直的有效電流來控制其主磁通量和轉(zhuǎn)矩。 采用永久磁鐵磁場(chǎng)的同步電動(dòng)機(jī)不需要磁化電流控制，只要檢測(cè)磁鐵轉(zhuǎn)子的位置即可。這種交流伺服電動(dòng)機(jī)也叫做無刷直流伺服電動(dòng)機(jī)。由于它不需要磁化電流控制，故比IM型伺服電動(dòng)機(jī)容易

11、控制。四、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)1. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)。它是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。其輸入一個(gè)電脈沖就轉(zhuǎn)動(dòng)一步，即每當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組接受一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個(gè)相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時(shí)間上與輸入脈沖同步，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電動(dòng)機(jī)繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向、很容易用微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有以下特點(diǎn)：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素(如電源電壓的波動(dòng)、電流的大小與波形的變化、溫度等)的影響，只要在它們的大小未引起步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生“丟步”現(xiàn)象之前，就不影響其正常工作；步進(jìn)

12、電動(dòng)機(jī)的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步數(shù)以后也會(huì)出現(xiàn)累積誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)以后，其累積誤差變?yōu)椤傲恪保虼瞬粫?huì)長(zhǎng)期積累；控制性能好,在起動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)時(shí)不易“丟步”。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)被廣泛應(yīng)用于開環(huán)控制的機(jī)電一體化系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡(jiǎn)化，并可靠地獲得較高的位置精度。2. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類很多，有旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，也有直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；從勵(lì)磁相數(shù)來分有三相、四相、五相、六相等步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。就常用的旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來說，可將其分為以下三種：1）可變磁阻(VR-Variable Reluctance)型2)永磁(PM-Permanent Magnet)型3)混合(HB-Hybrid)

13、型3. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理如上圖a所示，如果先將電脈沖加到A相勵(lì)磁繞組，定子A相磁極就產(chǎn)生磁通，并對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁拉力，使轉(zhuǎn)子的1、3兩個(gè)齒與定子的A相磁極對(duì)齊。而后再將電脈沖通入B相勵(lì)磁繞組，B相磁極便產(chǎn)生磁通。由圖b可以看出，這時(shí)轉(zhuǎn)子2、4兩個(gè)齒與B相磁極靠得最近，于是轉(zhuǎn)子便沿著逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過30° 角，使轉(zhuǎn)子2、4兩個(gè)齒與定子B相磁極對(duì)齊。如果按照ABCA的順序通電，轉(zhuǎn)子則沿反時(shí)針方向一步步地轉(zhuǎn)動(dòng)，每步轉(zhuǎn)過30°，這個(gè)角度就叫步距角。顯然，單位時(shí)間內(nèi)通入的電脈沖數(shù)越多，即電脈沖頻率越高，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就越高。如果按ABCA的順序通電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將沿順時(shí)針方向一步步地轉(zhuǎn)動(dòng)。從

14、一相通電換接到另一相通電稱為一拍，每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角。像上述的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，三相勵(lì)磁繞組依次單獨(dú)通電運(yùn)行，換接三次完成一個(gè)通電循環(huán)，稱為三相單三拍通電方式。如果使兩相勵(lì)磁繞組同時(shí)通電，即按ABBCCAAB順序通電，這種通電方式稱為三相雙三拍，其步距角仍為30°。還有一種是按三相六拍通電方式工作的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，即按照AABBBCCCAA順序通電，換接六次完成一個(gè)通電循環(huán)。這種通電方式的步距角為l5°，如下圖所示。 4. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性與配套使用的驅(qū)動(dòng)電源（驅(qū)動(dòng)器）有密切關(guān)系。驅(qū)動(dòng)電源由脈沖分配器、功率放大器等組成，如下圖所示。驅(qū)動(dòng)電源是將變頻信號(hào)源(微機(jī)或數(shù)控裝置等)送來的脈沖信號(hào)及方向信號(hào)按要求的配電方式自動(dòng)地循環(huán)供給電動(dòng)機(jī)各相