第四講動力系統(tǒng)設(shè)計(機(jī)電液一體化)

機(jī)電液一體化技術(shù)及應(yīng)用

（機(jī)電液系統(tǒng)裝備設(shè)計）

第四講動力系統(tǒng)設(shè)計2023/2/4教師：張延軍E-mail:hebei0735@126.com2023/2/4主要內(nèi)容◆常用動力元件的類型及特性◆能量存儲與釋放機(jī)制◆動力系統(tǒng)方案的確定◆動力系統(tǒng)匹配性◆動力系統(tǒng)設(shè)計方法及設(shè)計實例2023/2/44.1常用動力元件的類型及特性動力元件（執(zhí)行元件）是處于機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械運(yùn)行機(jī)構(gòu)與微電子控制裝置的接點（聯(lián)接）部位的能量轉(zhuǎn)換元件。它能在微電子裝置的控制下，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，例如電動機(jī)、電磁鐵、繼電器、液動機(jī)、油（氣缸）、內(nèi)燃機(jī)等分別把輸入的電能、液壓能、氣壓能和化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。4.1常用動力元件的類型及特性4.1常用動力元件的類型及特性4.1.1發(fā)動機(jī)特性

發(fā)動機(jī)性能指標(biāo)隨調(diào)整情況或運(yùn)轉(zhuǎn)工況而變化的規(guī)律稱為發(fā)動機(jī)特性。性能指標(biāo)調(diào)整情況運(yùn)轉(zhuǎn)工況調(diào)整特性性能特性用來表示特性的曲線稱為特性曲線，它是評價發(fā)動機(jī)性能的一種簡單、直觀、方便的形式。4.1常用動力元件的類型及特性4.1.2柴油機(jī)的類型與特性

柴油機(jī)廣泛用作設(shè)備動力,尤其是移動的機(jī)電液裝備。其主要特點是：(1)不受地區(qū)限制，具有自持能力。無論寒帶、熱帶、高原、山地、平原、沙漠、沼澤、海洋，自帶燃料都可工作。(2)產(chǎn)品系列化后，可采用所謂“積木式”，即增加相同類型機(jī)組數(shù)目的辦法，以增加總裝機(jī)功率，從而減少柴油機(jī)品種。(3)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，便于搬遷移運(yùn)，適于野外流動作業(yè)。4.1常用動力元件的類型及特性4.1.2柴油機(jī)的類型與特性(4)在性能上，轉(zhuǎn)速可平穩(wěn)調(diào)節(jié)，能防止工作機(jī)過載，避免出設(shè)備事故。裝上全制式調(diào)速器，油門手柄處于不同位置時，即可得到不同的穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速。當(dāng)外載增加超過Ｍmax時，柴油機(jī)便越過外特性上穩(wěn)定工作點而滅火，不致造成傳動機(jī)構(gòu)或工作機(jī)因過載而損壞。(5)扭矩曲線較平坦，適應(yīng)性系數(shù)小(1.05～1.15)，過載能力有限；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍窄(1.3～1.8)；噪音大，影響工人健康；與電驅(qū)動比較，驅(qū)動傳動效率低，燃料成本高等。4.1常用動力元件的類型及特性4.1.2柴油機(jī)的類型與特性4.1常用動力元件的類型及特性4.1.2柴油機(jī)的類型與特性當(dāng)噴油量為最大時，性能參數(shù)Ne、Me、ge、Ge隨n變化的規(guī)律性，即外特性。外特性是正確選擇及合理使用發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)。(1)曲線定量地指明了不同轉(zhuǎn)速下的Ne、Me和ge的值。(2)曲線指明了最大功率Nmax、最大扭矩Mmax、最大功率時扭矩Me、最小耗油量gemin及相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速，可確定適應(yīng)性系數(shù)Ｋ和合理的工作轉(zhuǎn)速范圍。4.1常用動力元件的類型及特性4.1.2柴油機(jī)的類型與特性定轉(zhuǎn)速下油耗ge隨功率Ne而變化的規(guī)律，稱負(fù)荷特性。依據(jù)負(fù)荷特性，可確定動力機(jī)在定轉(zhuǎn)速下工作時的經(jīng)濟(jì)負(fù)荷，即耗油率最小時柴油機(jī)的功率范圍。方法：由坐標(biāo)原點引射線與ge曲線相切，切點所對應(yīng)之功率即最經(jīng)濟(jì)的功率，因為該點Ne與ge比值最大。4.1常用動力元件的類型及特性4.1.2柴油機(jī)的類型與特性油門手柄固定，油泵齒條由調(diào)速器自動控制時，Ne、Me與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系，稱調(diào)速特性，如圖所示。由調(diào)速特性知，裝有全制式調(diào)速器的柴油機(jī)，負(fù)荷可以在很大范圍內(nèi)變化，而轉(zhuǎn)速則可維持<5％的變化。調(diào)節(jié)油門手柄位置，可得到一系列形狀類似的調(diào)速線。在選擇匹配和操作使用柴油機(jī)時，聯(lián)合工作點都應(yīng)在調(diào)速線上。若外載超過Ｍe點，發(fā)動機(jī)將在超負(fù)荷工況下運(yùn)行，動力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)都會變壞，這是不利的。4.1常用動力元件的類型及特性4.1.2柴油機(jī)的類型與特性Z12V190B柴油機(jī)的通用特性曲線，最內(nèi)層的等油耗率曲線表明發(fā)動機(jī)最經(jīng)濟(jì)的工作范圍。4.1常用動力元件的類型及特性4.1.3汽油機(jī)的類型與特性汽油機(jī)功率較柴油機(jī)小，可用于液壓驅(qū)動的足式機(jī)器人等。4.1常用動力元件的類型及特性4.1.3汽油機(jī)的類型與特性（1）燃油消耗率曲線

發(fā)動機(jī)空轉(zhuǎn)（Pe=0）時，ηm=0，be為無窮大。隨負(fù)荷（節(jié)氣門開度）增大，由于ηi、ηm同時上升，使耗油率曲線迅速下降。4.1常用動力元件的類型及特性4.1.3汽油機(jī)的類型與特性（2）每小時耗油量曲線4.1常用動力元件的類型及特性4.1.3汽油機(jī)的類型與特性4.1常用動力元件的類型及特性4.1.4電氣執(zhí)行元件及其特性電氣式執(zhí)行元件包括控制用電動機(jī)(步進(jìn)電動機(jī)、Dc和Ac伺服電動機(jī))、靜電電動機(jī)、磁致伸縮器件、壓電元件、超聲波電動機(jī)以及電磁鐵等。要求：穩(wěn)速運(yùn)轉(zhuǎn)性能；具有良好的加速、減速性能；伺服性能等動態(tài)性能；頻繁使用時的適應(yīng)性；便于維修性能。4.1常用動力元件的類型及特性4.1.4電氣執(zhí)行元件及其特性①電磁鐵是由線圈和銜鐵兩部分組成，結(jié)構(gòu)簡單，由于是單向驅(qū)動，故需用彈簧復(fù)位，用于實現(xiàn)兩固定點間的快速驅(qū)動；②壓電驅(qū)動器是利用壓電晶體的壓電效應(yīng)來驅(qū)動運(yùn)行機(jī)構(gòu)作微量位移的；③電熱驅(qū)動器是利用物體(如金屬棒)的熱變形來驅(qū)動運(yùn)行機(jī)構(gòu)的直線位移，用控制電熱器(電阻)的加熱電流來改變位移量，由于物體的線膨脹量有限，位移量當(dāng)然很小，可用在機(jī)電一體化產(chǎn)品中實現(xiàn)微量進(jìn)給。4.1常用動力元件的類型及特性4.1.4電氣執(zhí)行元件及其特性一般電動機(jī)分為兩類,一類為動力用電動機(jī),如感應(yīng)式異步電動機(jī)和同步電動機(jī)等;另一類為控制用電動機(jī),如力矩電動機(jī)、脈沖電動機(jī)、開關(guān)磁阻電動機(jī)、變頻調(diào)速電動機(jī)和各種AC/DC電動機(jī)等。在額定輸出功率相同的條件下,交流伺服電動機(jī)的比功率最高、直流伺服電動機(jī)次之、步進(jìn)電動機(jī)最低。4.1常用動力元件的類型及特性4.1.4電氣執(zhí)行元件及其特性控制用電動機(jī)有力矩電動機(jī)、脈沖（步進(jìn)）電動機(jī)、變頻調(diào)速電動機(jī)、開關(guān)磁阻電動機(jī)和各種AC/DC電動機(jī)等?？刂朴秒妱訖C(jī)是電氣伺服控制系統(tǒng)的動力部件，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)電一體化液系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。4.1常用動力元件的類型及特性4.1.4電氣執(zhí)行元件及其特性不同的應(yīng)用場合，對控制用電動機(jī)性能密度的要求也有所不同：①對于起停頻率低(如幾十次／分)，但要求低速平穩(wěn)和扭矩脈動小，高速運(yùn)行時振動、噪聲小，在整個調(diào)速范圍內(nèi)均可穩(wěn)定運(yùn)動的機(jī)械，如NC工作機(jī)械的進(jìn)給運(yùn)動、機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)，其功率密度是主要的性能指標(biāo)；②對于起停頻率高(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。4.1.4電氣執(zhí)行元件及其特性一、步進(jìn)電動機(jī)的特點與種類1.步進(jìn)電動機(jī)的特點步進(jìn)電動機(jī)又稱脈沖電動機(jī)。它是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。輸入一個電脈沖就轉(zhuǎn)動一步，即每當(dāng)電動機(jī)繞組接受一個電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個相應(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)實現(xiàn)數(shù)字控制。4.1.4電氣執(zhí)行元件及其特性步進(jìn)電動機(jī)具有以下特點：①步進(jìn)電動機(jī)的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素的影響(如電源電壓的波動、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)電動機(jī)產(chǎn)生“丟步”現(xiàn)象之前，就不影響其正常工作；②步進(jìn)電動機(jī)的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步數(shù)以后也會出現(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?，因此不會長期積累；③控制性能好,在起動、停止、反轉(zhuǎn)時不易“丟步”。④不需要傳感器進(jìn)行反饋，可以進(jìn)行開環(huán)控制；⑤缺點是能量效率較低。因此，步進(jìn)電動機(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)簡化，并可靠地獲得較高的位置精度。4.1.4電氣執(zhí)行元件及其特性二、直流（DC）伺服電動機(jī)

直流電動機(jī)具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。1、工作原理：直流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)由永磁體定子、線圈轉(zhuǎn)子（電樞）、電刷和換向器組成，磁場中的線圈通入電流時，就會產(chǎn)生電磁力，驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。為了得到連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，就必須隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角度不斷改變電流方向，因此，必須有電刷和換向器。4.1.4電氣執(zhí)行元件及其特性二、直流（DC）伺服電動機(jī)2、特點有較高響應(yīng)速度、精度和頻率，優(yōu)良控制特性等優(yōu)點；由于使用電刷和換向器，故壽命較低，需要定期維修；在位置控制和速度控制時，必須使用角度傳感器來實現(xiàn)閉環(huán)控制。3、選用寬調(diào)速直流伺服電動機(jī)應(yīng)根據(jù)負(fù)載條件來選擇。加在電動機(jī)軸上的有兩種負(fù)載，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩和慣性負(fù)載。根據(jù)負(fù)載情況，所選電機(jī)必須能滿足下列條件：1）在整個調(diào)速范圍內(nèi)，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)在電動機(jī)連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍以內(nèi)；2）工作負(fù)載與過載時間應(yīng)在規(guī)定的范圍以內(nèi)；3）應(yīng)使加速度與希望的時間常數(shù)一致；4）等效慣性負(fù)載與電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量相匹配。4.1.4電氣執(zhí)行元件及其特性三、交流(AC)伺服電動機(jī)由于直流伺服電動機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能，因此長期以來，在要求調(diào)速性能較高的場合，直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)主導(dǎo)地位。但直流伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)上存在機(jī)械整流子、電刷維護(hù)困難、造價高、壽命短、應(yīng)用環(huán)境受到限制的缺點。近年來交流驅(qū)動技術(shù)有了飛速的發(fā)展，它具有堅固耐用、經(jīng)濟(jì)可靠及動態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點。因此，交流伺服系統(tǒng)已在很大程度上取代了直流伺服系統(tǒng)。交流伺服電動機(jī)包括同步型、感應(yīng)型兩種。4.1.4電氣執(zhí)行元件及其特性三、交流(AC)伺服電動機(jī)在小功率伺服系統(tǒng)中，一般使用永磁式同步電動機(jī)，因為它有優(yōu)良的動態(tài)性能，過載能力大等優(yōu)點。感應(yīng)型交流伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，價格低，可用做主軸電機(jī)。目前的交流伺服驅(qū)動裝置一般采用DSP的全數(shù)字化控制。對交流伺服電動機(jī)的控制以矢量控制為基礎(chǔ)。4.1.4電氣執(zhí)行元件及其特性4.1.4電氣執(zhí)行元件及其特性4.1.4電氣執(zhí)行元件及其特性4.1常用動力元件的類型及特性4.1.5液壓蓄能器

蓄能器是液壓系統(tǒng)中一種儲存油液壓力能的裝置，部分場合也可用作動力源。

如右圖沖擊臺，其蓄能器組由大容積的蓄能器組成，提供速度發(fā)生器所需的全部能量。即把大功率液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，推動撞擊試驗編程裝置產(chǎn)生所需的動量（質(zhì)量塊的質(zhì)量與速度的乘積）。撞擊試驗編程裝置用于傳遞動量模擬實際的沖擊力。由質(zhì)量塊和可調(diào)節(jié)沖擊力和沖擊時間的沖擊頭組成?？僧a(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的半正弦波、近似的三角波和方波波。4.2能量存儲與釋放機(jī)制性能要求：功率密度儲能裝置重量循環(huán)效率價格、可靠性環(huán)境污染維護(hù)性4.2能量存儲與釋放機(jī)制燃料電池燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能通過電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。目前應(yīng)用于電動汽車中的燃料電池是一種被稱為質(zhì)子交換膜的氫燃料電池，它以純氫為燃料、以空氣或氧為氧化劑。氫燃料電池的真正實用化還面臨氫的制取和存儲困難、使用成本高等難題。4.2能量存儲與釋放機(jī)制4.2能量存儲與釋放機(jī)制4.2能量存儲與釋放機(jī)制蓄電池蓄電池儲能:蓄電池儲能以電能方式儲存能量。系統(tǒng)以具有可逆作用的發(fā)電機(jī)／電動機(jī)實現(xiàn)蓄電池中的電能和車輛動能之間的轉(zhuǎn)化。蓄電池儲能的功率密度低，充放電頻率小，不能迅速轉(zhuǎn)化吸收大量功率，而車輛在制動或起動時，需要迅速釋放或得到大量功率，這使蓄電池儲能受到很大限制。4.2能量存儲與釋放機(jī)制液壓蓄能器液壓儲能以液壓能的方式儲存能量。系統(tǒng)由一個具有可逆作用的泵／馬達(dá)實現(xiàn)蓄能器中的液壓能與車輛動能之間的轉(zhuǎn)化，即在車輛制動時，儲能系統(tǒng)將泵／馬達(dá)以泵的形式工作，車輛行駛的動能帶動泵旋轉(zhuǎn)，將高壓油壓入蓄能器中，實現(xiàn)動能到液壓能的轉(zhuǎn)化；在車輛起動或加速時，儲能系統(tǒng)再將泵／馬達(dá)以馬達(dá)的形式工作，高壓油從蓄能器中流出，帶動馬達(dá)工作，實現(xiàn)液能到車輛動能的轉(zhuǎn)化。一般用于液壓混合動力車輛及石油化工等設(shè)備。4.2能量存儲與釋放機(jī)制功率密度:單位質(zhì)量儲能元件吸收和釋放的最大功率;能量密度:單位質(zhì)量儲能元件所儲存的可用能量值.4.3動力系統(tǒng)方案的確定動力系統(tǒng)驅(qū)動設(shè)計：獨立驅(qū)動#分布式布置，可靠性高；#節(jié)省傳動系，布置靈活；#控制復(fù)雜度高；#動力獨立匹配設(shè)計；集中驅(qū)動#操控簡單；#需要集成復(fù)雜傳動系；#技術(shù)成熟；#動力源綜合匹配；4.3動力系統(tǒng)方案的確定動力系統(tǒng)驅(qū)動設(shè)計：分布、獨立驅(qū)動集中驅(qū)動單橋驅(qū)動雙橋驅(qū)動獨立驅(qū)動4.3動力系統(tǒng)方案的確定動力系統(tǒng)驅(qū)動設(shè)計：分布、獨立驅(qū)動集中驅(qū)動4.3動力系統(tǒng)方案的確定動力系統(tǒng)驅(qū)動設(shè)計示例：分布、獨立驅(qū)動四個泵：7L/min；集中驅(qū)動；4.3動力系統(tǒng)方案的確定動力系統(tǒng)驅(qū)動設(shè)計的核心是匹配整機(jī)動力，并根據(jù)集成要求進(jìn)行方案選擇；對于動力/控制雙重任務(wù)的元件，需要綜合考慮其動力特性和控制特性，如伺服電機(jī)、伺服泵等。4.4動力系統(tǒng)匹配性合理匹配動力系統(tǒng)是整機(jī)發(fā)揮高效率的前提，尤其是行走機(jī)電液裝備，其原動機(jī)、泵及馬達(dá)等匹配非常重要，也是技術(shù)難點。以全液壓推土機(jī)為例，其驅(qū)動系統(tǒng)匹配和控制技術(shù)是智能化控制系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)。目前匹配和控制技術(shù)為國外所壟斷，價格較高且技術(shù)保密。4.4動力系統(tǒng)匹配性對于移動行為復(fù)雜的機(jī)電液裝備，其動力系統(tǒng)設(shè)計和分析需要系統(tǒng)性研究，與移動行為、控制方法和機(jī)械系統(tǒng)密切相關(guān)，也是最難匹配設(shè)計的動力系統(tǒng)。HyQ動力設(shè)計也很難！4.5動力系統(tǒng)設(shè)計方法及設(shè)計實例要點：1、移動式動力為車載發(fā)動機(jī)；2、緊湊型油箱設(shè)計；3、切合行走工況；4、野外工作環(huán)境適應(yīng)性5、輔助系統(tǒng)設(shè)計，如風(fēng)冷要點：1、移動固定式動力為電動機(jī)；2、油箱通化設(shè)計；3、輔助系統(tǒng)可水冷、風(fēng)冷，預(yù)熱設(shè)計靈活；4.5.1六足機(jī)器人動力系統(tǒng)設(shè)計液壓驅(qū)動六足機(jī)器人平地二、三、六步態(tài)行走，具備一定的爬坡能力(25度），匹配液壓動力系統(tǒng)。4.5.1六足機(jī)器人動力系統(tǒng)設(shè)計液壓驅(qū)動六足機(jī)器人液壓動力系統(tǒng)形式：*發(fā)動機(jī)驅(qū)動恒壓變量泵；*泵站采用泵和蓄能器聯(lián)合供油方案。4.5.1六足機(jī)器人動力系統(tǒng)設(shè)計4.5.1六足機(jī)器人動力系統(tǒng)設(shè)計二、液壓動力系統(tǒng)設(shè)計各關(guān)節(jié)液壓缸布置4.5.1六足機(jī)器人動力系統(tǒng)設(shè)計二、液壓動力系統(tǒng)設(shè)計

考慮到六足機(jī)器人長時間行走且在失穩(wěn)時需要快速恢復(fù)穩(wěn)定，因此要求各關(guān)節(jié)驅(qū)動的液壓系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度，所以泵站的流量配置上采用恒壓變量泵與蓄能器聯(lián)合供油的形式瞬時流量補(bǔ)給、吸收壓力脈動，提高動態(tài)響應(yīng)能力。泵站平均流量：400L/min；高壓蓄能器容積：80L；4.5.1六足機(jī)器人動力系統(tǒng)設(shè)計三、液壓動力系統(tǒng)設(shè)計要求1：原動機(jī)：發(fā)動機(jī)；2：恒壓變量泵、蓄能器聯(lián)合供油；3：供油過濾精度：5μ；4：壓力穩(wěn)定性：供油壓力波動控制在10%以內(nèi)，回油壓力基本恒定；5：配備循環(huán)冷卻和加熱系統(tǒng)。6：適應(yīng)25度；7：垂向加速度：0.5g；4.5.26DOF運(yùn)動模擬裝備動力系統(tǒng)設(shè)計

運(yùn)動模擬裝備能實現(xiàn)縱向、橫向、垂直和俯仰、橫滾、偏航六自由度的運(yùn)動?？蓪崿F(xiàn)任一自由度的獨立運(yùn)動和六個自由度的任意組合運(yùn)動。4.5.26DOF運(yùn)動模擬裝備動力系統(tǒng)設(shè)計

運(yùn)動模擬裝備能實現(xiàn)縱向、橫向、垂直和俯仰、橫滾、偏航六自由度的運(yùn)動?？蓪崿F(xiàn)任一自由度的獨立運(yùn)動和六個自由度的任意組合運(yùn)動