第五章電-機(jī)械轉(zhuǎn)換元件1

第五章電-機(jī)械轉(zhuǎn)換元件5.1動圈式力馬達(dá)5.2動鐵式力馬達(dá)5.3直流比例電磁鐵5.4控制用電動機(jī)簡介概述

電-機(jī)械轉(zhuǎn)換元件的作用：是將電氣裝置輸入的電信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械量：力矩和位移：F(T)、S。位置：在電液伺服系統(tǒng)中，作為電液控制元件的前置級，其穩(wěn)態(tài)控制精度和動態(tài)響應(yīng)性能以及抗干擾能力和工作的可靠性，直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度，也直接影響到系統(tǒng)工作的可靠性和壽命。常用：動鐵式力矩馬達(dá)、動圈式力馬達(dá)、比例電磁鐵、步進(jìn)電機(jī)、直流和交流伺服電機(jī)等。返回子目錄5.1動圈式力馬達(dá)原理：力馬達(dá)的可動線圈懸置于工作氣隙中，永久磁鐵在工作氣隙中形成極化磁通，當(dāng)控制電流加到線圈上時，線圈就會受到電磁力的作用而運動。線圈的運動方向可根據(jù)磁通方向和電流方向按左手定則判斷。線圈上的電磁力克服彈簧力和負(fù)載力，使線圈產(chǎn)生一個與控制電流成比例的位移。返回子目錄動圈式力馬達(dá)1－永久磁鐵2－調(diào)整螺釘3－平衡彈簧4－動圈

5.1動圈式力馬達(dá)返回子目錄動圈式力馬達(dá)1－永久磁鐵2－調(diào)整螺釘3－平衡彈簧4－動圈

5.1動圈式力馬達(dá)動圈式力馬達(dá)1－永久磁鐵2－調(diào)整螺釘3－平衡彈簧4－動圈

返回子目錄將前面公式分別進(jìn)行拉氏變換：將前面公式合并整理，得力馬達(dá)動態(tài)基本方程：從電流輸入到輸出位移的傳遞函數(shù)為：其中：線圈組件的固有頻率：5.1動圈式力馬達(dá)5.1動圈式力馬達(dá)從電壓輸入到動圈輸出位移的傳遞函數(shù)方塊圖：控制線圈內(nèi)阻及放大器內(nèi)阻之和比較大，因此可忽略，則以電壓為輸入信號的傳遞函數(shù)為：5.1動圈式力馬達(dá)控制線圈內(nèi)阻及放大器內(nèi)阻之和比較大，因此可忽略，則以電壓為輸入信號的傳遞函數(shù)為：可知，動圈式力馬達(dá)的頻寬決定于線圈組件的固有頻率。而Mc又較大，另外，為了充分利用力馬達(dá)好的線性特性，閥心行程較大，即較小。因此動圈式力馬達(dá)的頻寬比較窄，故該閥用于工作頻率要求不高的場合。反電動勢常數(shù)Kd和力馬達(dá)力常數(shù)Kt的加大都可增加其阻尼，這有利于系統(tǒng)穩(wěn)定。力矩馬達(dá)的作用：將電信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械運動。原理：電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換器是利用電磁原理工作的，它由永久磁鐵或激磁線圈產(chǎn)生極化磁場，電氣控制信號通過控制線圈產(chǎn)生控制磁場，兩個磁場之間相互作用產(chǎn)生與控制信號成比例并能反應(yīng)控制信號極性的力矩，從而使其運動部分產(chǎn)生角位移的機(jī)械運動5.2動鐵式力矩馬達(dá)返回子目錄永磁動鐵力矩馬達(dá)原理圖1－放大器2－上導(dǎo)磁體3－永久磁鐵4－銜鐵5－下導(dǎo)磁體6－彈簧管7－永久磁鐵主要組成：永久磁鐵、上導(dǎo)磁體、下導(dǎo)磁體、銜鐵、控制線圈、彈簧管等。銜鐵固定在彈簧管上端，由彈簧管支承在上、下導(dǎo)磁體的中間位置，可繞彈簧管的轉(zhuǎn)動中心作微小的轉(zhuǎn)動。銜鐵兩端與上、下導(dǎo)磁體（磁極）形成四個工作氣隙①、②、③、④。兩個控制線圈套在銜鐵之上。上、下導(dǎo)磁體除作為磁極外，還為永久磁鐵產(chǎn)生的極化磁通和控制線圈產(chǎn)生的控制磁通提供磁路。5.2動鐵式力矩馬達(dá)返回子目錄永磁動鐵力矩馬達(dá)原理圖1－放大器2－上導(dǎo)磁體3－永久磁鐵4－銜鐵5－下導(dǎo)磁體6－彈簧管7－永久磁鐵無信號電流時：銜鐵在上、下導(dǎo)磁體的中間位置，由于力矩馬達(dá)結(jié)構(gòu)是對稱的。永久磁鐵在四個工作氣隙中所產(chǎn)生的極化磁通是一樣的，使銜鐵兩端所受的電磁吸力相同，力矩馬達(dá)無力矩輸出。當(dāng)有信號電流通過線圈時：控制線圈產(chǎn)生控制磁通，其大小和方向取決于信號電流的大小和方向。5.2動鐵式力矩馬達(dá)返回子目錄永磁動鐵力矩馬達(dá)原理圖1－放大器2－上導(dǎo)磁體3－永久磁鐵4－銜鐵5－下導(dǎo)磁體6－彈簧管7－永久磁鐵假設(shè)，在氣隙①、③中控制磁通與極化磁通方向相同，而在氣隙②、④中控制磁通與極化磁通方向相反。因此氣隙①、③中的合成磁通大于氣隙②、④中的合成磁通，于是在銜鐵上產(chǎn)生順時針方向的電磁力矩，使銜鐵繞彈簧管轉(zhuǎn)動中心順時針方向轉(zhuǎn)動。當(dāng)彈簧管變形產(chǎn)生的反力矩與電磁力矩相平衡時，銜鐵停止轉(zhuǎn)動。如果信號電流反向，則電磁力矩也反向，銜鐵向反方向轉(zhuǎn)動，電磁力矩的大小與信號電流的大小成比例，銜鐵的轉(zhuǎn)角也與信號電流成比例。

5.2動鐵式力矩馬達(dá)返回子目錄永磁動鐵力矩馬達(dá)原理圖1－放大器2－上導(dǎo)磁體3－永久磁鐵4－銜鐵5－下導(dǎo)磁體6－彈簧管7－永久磁鐵當(dāng)放大器有輸入電壓時，將使一個控制線圈中的電流增加，另一個控制線圈中的電流減少，兩個線圈中的電流分別為：

兩個線圈中的差動電流為假定：力矩馬達(dá)的兩個控制線圈由一個推挽放大器供電1，放大器中的常值電壓在每個控制線圈中產(chǎn)生的常值電流大小相等方向相反，因此在銜鐵上不產(chǎn)生電磁力矩。5.2動鐵式力矩馬達(dá)i1——每個線圈中的電流；

i2——每個線圈中的常值電流；

ｉ——每個線圈中的信號電流。返回子目錄假定磁性材料和非工作氣隙的磁阻可以忽略不計，只考慮四個工作氣隙的磁阻，則力矩馬達(dá)的磁路可用等效磁路表示。

5.2動鐵式力矩馬達(dá)返回子目錄5.2動鐵式力矩馬達(dá)返回子目錄5.2動鐵式力矩馬達(dá)5.2動鐵式力矩馬達(dá)返回子目錄5.2動鐵式力矩馬達(dá)返回子目錄由于在力矩馬達(dá)設(shè)計中通常滿足（x/g）2＜＜１且以改善其線性度、穩(wěn)定性和防止銜鐵被永久吸附，則應(yīng)用牛頓第二定律，得銜鐵力矩平衡方程：5.2動鐵式力矩馬達(dá)返回子目錄5.2動鐵式力矩馬達(dá)返回子目錄5.2動鐵式力矩馬達(dá)5.3直流比例電磁鐵比例電磁鐵是將電信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械力和位移的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換元件，是電液比例控制系統(tǒng)的重要組成部分。電液比例閥的組成如下：

5.3直流比例電磁鐵1比例電磁鐵工作原理導(dǎo)套3的左右兩段由導(dǎo)磁材料制成，中間用非導(dǎo)磁材料的隔磁環(huán)焊接，前段作成錐形結(jié)構(gòu)，形成極靴。隔磁環(huán)比較短，產(chǎn)生的漏磁通可以忽略。錐形極靴通過優(yōu)化設(shè)計，可以控制磁極的磁性飽和度，形成水平吸力特性。同時，銜鐵處于靜壓平衡狀態(tài)，因此能耐高壓（35MPa）便于做成可靠的濕式比例電磁鐵。5.3直流比例電磁鐵1比例電磁鐵工作原理5.3直流比例電磁鐵5.3直流比例電磁鐵2靜態(tài)特性5.3直流比例電磁鐵2靜態(tài)特性1）以上分析沒有考慮電磁鐵的滯環(huán)特性，這種滯環(huán)是由于磁鐵材料的磁滯和運動磨擦引起的。2）沒有考慮支撐環(huán)和導(dǎo)套之間的配合間隙偏心所形成的徑向磁卡緊力。3）為了減少滯環(huán)和徑向磁卡緊力，除了在材料選擇及設(shè)計制造工藝等方面采取改進(jìn)措施外，往往采用在控制輸入信號上疊加顫振信號，使比例電磁鐵的工作特性得以改善。4）另外，工程實際中常采用帶位移電反饋比例電磁鐵，構(gòu)成位置控制閉環(huán)，有利于提高控制精度和抗干擾能力。5.3直流比例電磁鐵3動態(tài)特性比例電磁鐵控制線圈的端電壓增量方程比例電磁鐵出力平衡方程：5.3直流比例電磁鐵3動態(tài)特性比例電磁鐵出力平衡方程：比例電磁鐵出力的線性方程：兩式合并進(jìn)行拉氏變換：5.3直流比例電磁鐵3動態(tài)特性5.3直流比例電磁鐵4比例電磁鐵的典型結(jié)構(gòu)1）帶位移反饋的比例電磁鐵為改善比例電磁鐵的線性度和滯環(huán)，常通過差動變壓器檢測銜鐵的位移并反饋到電子放大器的輸入端，組成銜鐵的位置調(diào)節(jié)。單向比例電磁鐵主要用于比例壓力閥和比例節(jié)流閥以及比例調(diào)速閥。對于比例方向閥，需要使用雙向比例電磁鐵2）單向比例電磁鐵5.3直流比例電磁鐵4比例電磁鐵的典型結(jié)構(gòu)由兩個單身螺線管式比例電磁鐵組成，當(dāng)左右兩個電磁鐵中的某一個通入電流時，在該電磁鐵中形成磁通，使銜鐵向一側(cè)運動，其位移大小與電流成比例；當(dāng)另一電磁鐵通入電流，銜鐵向相反的一側(cè)運動，從而達(dá)到雙向控制目的。3）雙向比例電磁鐵這種結(jié)構(gòu)原理的電磁鐵在零位附近存在較大的死區(qū)，其線性比較差，增益也比較低。圖5.20是一種優(yōu)質(zhì)的耐高壓雙向比例電磁鐵原理圖。兩個對稱的勵磁線圈極性相同，將兩者串聯(lián)，當(dāng)通以恒定的勵磁電流，形成磁通，和，于時在左右兩側(cè)極靴處形成方向相同的固定磁通5.3直流比例電磁鐵耐高壓雙向比例電磁鐵原理實際上是兩個耐高壓的單向比例電磁鐵的組合，在磁路設(shè)計上，有一對磁通控制電流的線圈9和12，還有一對勵磁線圈10和13.兩個對稱的勵磁線圈極性相反，將兩者串聯(lián)，當(dāng)通以恒定的勵磁電流，形成磁通，，由于各控制磁通相等，方向相反，于是在左右兩側(cè)極靴處，固定磁通和控制磁通相疊加左兩側(cè)極靴處總磁通：右兩側(cè)極靴處總磁通：使左側(cè)吸力大于右側(cè)，銜鐵左移1）改變控制電流大小，改變銜鐵位移大小2）改變控制電流方向，改變銜鐵位移方向3）改變勵磁電流大小，改變比例電磁鐵的增益5.4控制用電機(jī)1步進(jìn)電機(jī)5.4控制用電機(jī)1步進(jìn)電機(jī)---輸入角速度---輸入脈沖頻率5.4控制用電機(jī)1步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是根據(jù)數(shù)字裝置輸入的脈沖序列進(jìn)行工作。每輸入一個脈沖，電機(jī)軸產(chǎn)生一個固定的角位移，稱為步距，電機(jī)的輸出速度取決于輸入脈沖的頻率三相式供電方式，由于每次只有一個繞組通電，每當(dāng)轉(zhuǎn)換時，某一相通電，另一相斷電的瞬間，可能各相都處于斷電狀態(tài)，以致引起失步。若采用六拍式供電，依次按A→AB→B→BC→C→CA通電，保證每次供電的瞬間都有一對極供電，就克服了失步的問題，由于三拍變六拍，由60度變30度。原理：5.4控制用電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)步進(jìn)液壓馬達(dá)5.4控制用電機(jī)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)步進(jìn)液壓馬達(dá)5.4控制用電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)----步進(jìn)液壓缸活塞A腔有效面積為B腔的1/2，平衡狀態(tài)下，B腔壓力為1/2Ps當(dāng)輸入一個反向脈沖信號到步進(jìn)電機(jī)使閥芯左移：B腔油液通過閥口回油箱，活塞右移，同時通過螺母、滾珠絲杠拉閥芯右移，直至將開口完全封死為止。平衡活塞6用于防止活塞桿1內(nèi)腔壓力把螺桿3向右推?？梢钥闯觯翰竭M(jìn)液壓缸是一個閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。當(dāng)輸入脈沖信號到步進(jìn)電機(jī)使閥芯右移：油源壓力進(jìn)入B腔使其壓力上升，活塞左移，同時通過螺母、滾珠絲杠拉閥芯左移，直至將開口完全封死為止。5.4控制用電機(jī)2直流伺服電機(jī)5.4控制用電機(jī)2直流伺服電機(jī)直流伺服電動機(jī)是調(diào)速電機(jī)中的一種，它工作時有兩種控制方法：一種是電樞控制方式，另一種是磁場控制方式。1）電樞控制方式是指直流伺服電動機(jī)采用勵磁繞組上加恒壓勵磁，控制電壓施加于電樞繞組來進(jìn)行控制。永磁式直流伺服電動機(jī)只有電樞控制調(diào)速一種方式。電樞控制時直流伺服電動機(jī)原理：勵磁繞組接到直流電源上，通過電流產(chǎn)生磁通。電樞繞組作為控制繞組接控制電壓uc。將電樞電壓作為控制信號以控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)控制電壓不為零時，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)控制電壓為零時，電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動。2）磁場控制方式:直流伺服電動機(jī)在電樞繞組上施加恒壓，將控制電壓信號施加于勵磁繞組來進(jìn)行控制。5.4控制用電機(jī)2直流伺服電機(jī)穩(wěn)態(tài)特性：是指電動機(jī)在穩(wěn)態(tài)情況下工作時，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、電磁力矩和電樞控制電壓三者之間的關(guān)系。在靜態(tài)特性方程中，如果把角速度ω看作是電磁轉(zhuǎn)矩Tm的函數(shù)，即ω