机械机电 (2)课件

第四部份执行元件THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术

执行元件（驱动部件）是将各种形式的输入能量转换为机械能的转换部件。在机电一体化系统中，执行元件处于微电子控制系统与机械系统的连接部位。

执行元件是机电一体化系统必不可少的部件。第一节执行元件的种类、特点及基本要求是什么在哪里重要性THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术

执行元件（驱动部件）是将各种形式的输入能量转换为机械能的转换部件。例如：电动机；电磁铁；继电器；液压缸；气缸；等……第一节执行元件的种类、特点及基本要求电能液压能电压能化学能等转换为机械能什么是执行元件？THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术

执行元件是机电一体化系统必不可少的部件。数控机床各坐标轴的运功、工作台的进给运动；第一节执行元件的种类、特点及基本要求例如：工业机器人手臂的升降、回转和伸缩等运动。等等……为什么重要？THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术根据使用能量的不同，执行元件可分为电动式、液动式和气动式。电动式：主要利用电磁力驱动机械运动机构运动。液动式：利用液压能驱动机械运动机构运动。气动式：利用气压能驱动机械运动机构运动。磁致伸缩驱动器：某些磁性体的外部一旦加上磁场则磁性体的外形尺寸会发生变化，利用这种现象制作的驱动器称为磁致伸缩驱动器。形状记忆合金一、执行元件的种类及特点THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术一、执行元件的种类及特点图3.1执行元件的种类电动机电磁铁及其它执行元件油缸液压马达与材料有关气缸气压马达双金属片形状记忆合金压电元件交流（AC）伺服电机直流（DC）伺服电机步进电机其它电动机电磁式气压式液压式其它THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术一、执行元件的种类及特点功率小，体积大，动作不够平稳；不易小型化；远距离传输困难；工作噪声大、难于伺服。气源方便、成本低；无泄漏污染；速度快、操作比较简单。表3.1.2

气动式执行元件的特点及优缺点空气压力源的压力为5～7MPa；要求操作人员技术熟练。特点优点缺点THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术一、执行元件的种类及特点设备难于小型化；液压源或液压油要求（杂质、温度、油量、质量）严格；易泄漏且有污染。输出功率大，速度快，动作平稳，可实现定位伺服；易与CPU相接；相应快。表3.1.3

液动式执行元件的特点及优缺点要求操作人员技术熟练；液压源压力为2～8MPa。特点优点缺点四点基本要求：THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术二、对执行元件的基本要求1、惯量小、动力大2、体积小、重量轻3、便于维修、安装4、宜于微机控制THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术二、对执行元件的基本要求1、惯量小、动力大：如对直线运动来说，设加速度为，则推力为而对回转运动来说，设角速度为，角加速度为，则转矩/功率为这里，和表征了执行元件的加速性能。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术二、对执行元件的基本要求1、惯量小、动力大：另一种表征执行元件动力大小的综合性指标是比功率：比功率＝包含了功率、加速性能与转速三种因素。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术二、对执行元件的基本要求2、体积小、重量轻：常用功率密度/比功率密度来评价这项指标：设执行元件的重力为则功率密度＝比功率密度＝THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术二、对执行元件的基本要求4、宜于微机控制具有驱动接口（电气化）是执行元件的发展方向。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术一种将电能转换为机械能的执行元件。电动机无刷电动机步进电动机直线电动机并励电动机复励电动机串励电动机永磁式有刷电动机无铁芯电动机永磁式绕线（电磁铁）励磁式直流电动机交流电动机其它超声波电动机等同步电动机异步感应电动机无整流子、电刷（电子电路切换）有整流子、电刷二、控制用电动机的种类、特点及选用直流电机的微机驱动技术脉宽调制（PWM）调速直流电源以一定的频率非对称的波形不断地通断直流电源，从而改变通过电动机的平均电流。频率通常在1－4k之间；通过调节高电平宽度实现调节平均电流。直流电机的微机驱动技术H桥的直流电机转向控制直流电机的微机驱动技术H桥驱动器的专用集成电路芯片------D15200，3A，55VH型输出1，2与电动机的两极相连，即管脚2和10.外部数字信号对方向输入（引脚3），制动输入（引脚4），脉宽调制（引脚5）进行控制。当装置温度超过170度，热传感器便断开输出。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术

步进电动机控制系统步进电动机步进电动机的结构与工作原理小知识：

磁阻最小原理

磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，因磁场扭曲而产生切向拉力。切向拉力变化过程错齿状态对齿状态产生了磁阻性质的转矩三拍一个循环，转子旋转了一个齿极，空间角度为90°。步距角为30°。（对2-4而言）通电顺序为：A→B→C→ATHECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术步进电动机控制系统三相三拍或单三拍工作方式CAC`A`B`B1423三相三拍工作方式CAC`A`B`B1423CAC`A`B`B1423逆时针旋转30°30°30°表示该相通电1423THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术

步进电动机控制系统小知识：

拍

通常把由一种通电状态转换到另一种通电状态叫做一拍。

步距角

每一拍转子转过的角度。

三相单三拍

三相是指定子为三个绕组，单是指每拍只有一相通电，三拍是指经过三次切换绕组的通电状态为一个循环。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术

步进电动机控制系统三相六拍工作方式CAC`A`B`B1423三相六拍工作方式1423142314231423142314231423通电顺序为：A→AB→B→BC→C→CA→A六拍一个循环，转子旋转了一个齿极，空间角度为90°。步距角为15°。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术步进电动机控制系统三种工作方式比较三相三拍工作方式：

三相六拍工作方式：双三拍工作方式：每次只有一相绕组通电，切换瞬间会失去自锁转矩，易产生失步。且一相绕组产生的力矩相对较小，在平衡位置易产生振荡。电动机运转中总有一相绕组通电，运转比较平稳。步距角是三相三拍工作方式步距角的一半。电动机运转中总有一相绕组通电，运转比较平稳。有两相绕组产生力矩。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术

步进电动机控制系统步进电动机反应式步进电机的结构与工作原理三相反应式步进电动机原理图AABCCBA对齿B错齿C错齿THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术

步进电动机控制系统步进电动机的运行特性1、步距角定子相数；转子齿数；通电拍数；通电系数，通电系数，三相六拍三相三拍；。步进电机运行一拍，其转子转过的转角度。对应一个转角当量：转角/脉冲。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术

步进电动机控制系统步进电动机的运行特性2、步距误差单相通电时，步距误差取决于定子和转子的分齿精度、定子错位角度的精度等。多相通电时，步距误差不仅和加工、装配精度有关，还取决于各相电流的大小、磁路性能。直接影响执行部件的定位精度。一圈不累积。每步实际转角和理论转角之差。国产小功率步进电机的步距误差一般为：国产大功率步进电机的步距误差一般为：参考值：THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术

步进电动机控制系统步进电动机的运行特性3、最高启动频率和最高工作频率最高启动频率：空载时，步进电机由静止突然启动，并不失步地进入稳速运行，所允许的启动频率。最高工作频率：步进电机连续运行时，所能接受的最高频率。国产小功率步进电机的最高启动频率一般为：国产大功率步进电机的最高启动频率一般为：参考值：THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术

步进电动机控制系统步进电动机的运行特性4、输出的转矩－频率特性定子绕组为感性负载，输入频率越高，励磁电流越小；频率越高，磁通量变化加剧，铁芯的涡流损失加大；工作频率越高，其输出转矩要降低。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术

步进电动机控制系统环形分配器步进电动机驱动电源＝环形分配器＋功率放大器环形分配器硬件环形分配器软件环形分配器环形分配器：将脉冲指令按步进电动机的工作规律转换成各相绕组通断信号，经功率放大器，驱动各相绕组产生旋转磁场。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术

步进电动机控制系统环形分配器专用集成电路介绍：硬件环形分配器国产PM系列：PM03~PM06对三相、四相、五相、六相步进电机控制进口PM系列：PM8713、PM8714可编程对二相、四相、五相步进电机控制CH250专用环形分配器仅对三相步进电机控制可编程专用步进电机控制芯片PM101B对四相（二相）、五相步进电机控制THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术

步进电动机控制系统环形分配器X向步进电动机软件环形分配器PA1PA2PA4PA0PA5PA3PIO光电耦合器光电耦合器功率驱动器功率驱动器X向步进电机Y向步进电机ABCabc序号节拍035241PA0A001HCBPA2PA1存储单元地址内容06H02H05H04H03H2A00H2A01H2A03H2A05H2A04H2A02H00000001111111110方向反转正转序号节拍035241PA3a008HcbPA5PA4存储单元地址内容30H10H28H20H18H2A10H2A11H2A13H2A15H2A14H2A12H00000001111111110方向反转正转Y向步进电动机THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术

步进电动机控制系统伺服控制执行部件的位移量控制－位移量总行程－丝杠螺距－步进电机转角执行部件的位移量与输入脉冲数成正比。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术

步进电动机控制系统伺服控制执行部件移动速度的控制－执行部件位移的速度－丝杠螺距－输入脉冲频率－步距角执行部件的移动速度与输入脉冲频率成正比。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术

步进电动机控制系统伺服控制执行部件移动方向的控制正向反向方向控制位移量控制……只要控制步进电机正反转，就可以控制执行部件的移动方向。正向反向正转反转THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术

步进电动机控制系统步进电动机的单片机控制步进电机控制电路THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术

步进电动机控制系统步进电动机的单片机控制入口顺时针？指针-1→指针指针<L00?指针＝L01指针+1→指针指针>L01?指针＝L00返回（指针）→输出NYYYNN指针法程序流程三相六拍状态表：顺时针P1AP1BP1C100100011110000111高地址L01：→低地址L00：→逆时针状态表存入EEPROM中THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术

步进电动机控制系统提高系统精度的措施问题一：由于转子启、停时具有惯性，决定了步进电动机的频率响应特性，会导致步进电动机在突然启、停或换向时失步。方法：选择合适的控制方式，提高动态转矩性能；并采用自动升降速电路（软件）。速度曲线启动时，速度由较低频率逐渐升高到所要求的工作频率。在减速或停止时，逐步降低到所需频率。梯形控制策略THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOM