08机电一化技术(讲稿)

1、复习,2.5轴系部件的设计与选择 一、轴系设计的基本要求了解 二、轴(主轴)系用轴承的类型与选择-静压轴承、磁悬浮轴承工作原理 -掌握 三、提高轴系性能的措施熟悉 2.6机电一体化系统(或产品)的机座或机架 1机座或机架的作用及基本要求 了解 2机座或机架的结构设计要点 铸造机座的设计 -保证自身刚度的措施 焊接机架的设计,本次课的任务,1.了解执行元件的种类、特点及基本要求；了解步进电机技术指标； 2.机电一体化系统(或产品)对执行元件的基本要求；控制用电机的基本要求、种类、特点及选用； 3.掌握步进电机的工作原理 -步进电机环形脉冲分配方式 -步距角的计算 4.步进电机的运行特性及性能指标

2、 5.步进电机的驱动与控制 驱动电源由脉冲分配器、功率放大器组成 (1)环形脉冲分配器,第三章执行元件的分类及控制用电机的驱动 http:/www.suc-,3.1执行元件的种类、特点及基本要求 3.1.1执行元件的种类及其特点,1电气执行元件,电气执行元件包括控制用电机(DC、AC伺服电机、步进电机)、静电电机、磁致伸缩器件、压电元件、超声波电机以及电磁铁等。 对控制用电机的要求：运转速度稳定；良好的加减速；伺服-动态性能；频繁使用的适应性和维修的方便性。 控制用电机驱动系统由电源供给电力，经电力变换器变换后输送给电机，使电机作回转(或直线)运动，驱动负载机械(执行机构)运动，并在指令器给定

3、的指令位置定位停止。这种驱动系统具有位置(或速度)反馈环节的叫闭环系统，没有位置与速度反馈环节的叫开环系统。 微量位移用器件 ： 电磁铁 压电驱动器 电热驱动器,2液压式执行元件,包括执行往复运动的油缸、回转油缸、液压马达等，其中油缸占绝大多数。 先进的液压元件： 数字式液压执行元件 ：电-液伺服马达和电-液步进马达 。 优点 ：力矩大，可以直接驱动执行机构，力矩惯量比大，过载能力强，适合于重载的高加减速驱动。具有强的驱动力和高的定位精度,3气压式执行元件,气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液压式执行元件无什么区别。 优点：气压驱动虽可得到较大的驱动力、行程和速度， 缺点：由于空气粘

4、性差，具有可压缩性，故不能在定位精度较高的场合使用。,执行元件的特点及优缺点,3.1.2机电一体化系统对执行元件的基本要求,1惯量小、动力大 ： 表征执行元件惯量的性能指标：对直线运动为质量m，对回转运动为转动惯量J。 表征输出动力的性能指标：推力F、转矩T或功率P。 直线运动:Fma，a=Fm。 回转运动:PT，=T/J,T=J。 综合性指标称为比功率。包含功率、加速性能和转速，即 比功率=PT*TJ*(1)T2J(kWs-1)。 2体积小、重量轻 功率密度PG(kWN-1)， 比功率密度=(T2J)G(kWs-1N-1)。 3便于维修、安装 4宜于微机控制,3.2机电一体化系统(或产品)常

5、用的控制用电机,控制用电机是电气伺服控制系统的动力部件。它是将电能转换为机械能的一种能量转换装置。,控制用电机 有：,电压,电流,频率,控制,伺服电动机的基本控制方式,3.2.1对控制用电机的基本要求,(1)性能密度大：即功率密度和比功率大。电机的功率密度PGPG(WN)，电机的比功率 (2)快速性好，即加速转矩大，频响特性好； (3)位置控制精度高、调速范围宽、低速运行平稳无爬行现象、分辨率高、振动噪声小； (4)适应启、停频繁的工作要求； (5)可靠性高、寿命长。,3.2.2控制用电机的种类、特点及选用,启停频率低、但要求低速平稳和扭矩脉动小、高速运行时振动、噪声小，在整个调速范围内均可稳

6、定运动的机械，功率密度是主要的性能指标； 启停频率高，但不特别要求低速平稳性的产品，主要的性能指标是高比功率。,控制用电机的分类,控制用旋转电机按 其工作原理可分为 具体的可细分为： DC伺服电机(永磁)可分为： AC伺服电机 步进电机,3.3步进电机及其驱动,步进电机又称电脉冲马达。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。 特点： 步进电机的工作状态不易受各种干扰因素(如电源电压的波动、电流的大小与波形的变化、温度等)的影响，只要在它们的大小未引起步进电机产生“丢步”现象之前，就不影响其正常工作； 步进电机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误

7、差为“零”，不会长期积累； 控制性能好。在起动、停止、反转时不易“丢步”。,1步进电机的种类,(1)可变磁阻型(VR型一Variable Reluctance)反应式步进电机。 电机的定子与转子均不含永久磁铁，故无励磁时没有保持力。转子结构简单、转子直径小，有利于高速响应。另外，需要将气隙作得尽可能小，例如几个微米。这种电机具有制造成本高、效率低、转子的阻尼差、噪声大等缺点。但是，由于其制造材料费用低、结构简单、步距角小。,(2)永磁型(PM型一Permanent Magnet Type),采用了永久磁铁，具有记忆能力，可用作定位驱动。PM型电机的特点是励磁功率小、效率高、造价便宜，因此需要量

8、也大。由于转子磁铁的磁化间距受到限制，难于制造，故步距角较大。与VR型相比转矩大，但转子惯量也较大。,(3)混合型(HB型一Hybrid Type),混合型与永磁型多为双极性励磁。由于都采用了永久磁铁，所以，无励磁时具有保持力。另外，励磁时的静止转矩比VR型步进电机的大。HB和PM型步进电机能够用作超低速同步电机。,2步进电机的工作原理(3.29),AA、B一B、CC 将电脉冲加到A相 ，A相产生磁通，并对转子产生磁拉力，l、3两个齿与定子的A相磁极对齐。而后再将电脉冲通入B相励磁绕组，B相磁极便产生磁通 。使转子2、4两个齿与定子B相磁极对齐。如果按照ABCA的顺序通电，转子则沿反时针方向一

9、步步地转动，每步转过30，这个角度就叫步距角。从一相通电换接到另一相通电称为一拍，每一拍转子转动一个步距角。 三相励磁绕组依次单独通电运行，换接三次完成一个通电循环，称为三相单三拍通电方式。 如果使两相励磁绕组同时通电，即按ABBCCAAB顺序通电，这种通电方式称为三相双三拍，其步距角仍为30。,三相六拍,AABBBCCCAA顺序通电，换接六次完成一个通电循环。这种通电方式的步距角为15。 其工作过程如图：,步距角的计算,步进电机的步距角越小，意味着它所能达到的位置精度越高。通常的步矩角是1.5或0.75，为此需要将转子做成多极式的，并在定子磁极上制成小齿， 360(zm),反应式步进电机环形

10、脉冲分配方式,六、步进电机的运行特性及性能指标,(1)分辨力。在一个电脉冲作用下(即一拍)，电机转子转过的角位移，即步距角。越小，分辨力越高。最常用的有0.61.2、0.751.5、0.91.8、12、1.53等。 (2)静态特性。步进电机的静态特性是指它在稳定状态时的特性，包括静转矩、距一角特性及静态稳定区。,矩一角特性,在空载状态下，给步进电机某相通直流电时，转子齿的中心线与定子齿的中心线重合，转子上没有转矩输出，此时的位置为转子初始稳定平衡位置。如果在电机转子轴上加一负载转矩TL，则转子齿的中心线与定子齿的中心线将错过一个电角度e(如图)，才能重新稳定下来。此时转子上的电磁转矩Tj与负载

11、转矩TL相等。该Tj为静态转矩，e为失调角。当e90时，其静态转矩Tjmax为最大静转矩。Tj与e之间的关系大致为一条正弦曲线(如图)该曲线被称作矩一角特性曲线。静态转矩越大，自锁力矩越大，静态误差就越小。一般产品说明书中标示的最大静转矩就是指在额定电流和通电方式下的Tjmax。 步进电机的静态稳定区:,(3)动态特性,步进电机的动态特性将直接影响到系统的快速响应及工作的可靠性。(起动转矩、矩一频特性等 ) 动态稳定区：步进电机从A相通电状态切换到B相（AB相)通电状态时，不至于引起丢步，该区域(-e； +e )称为动态稳定区。由于每一曲线依次错开一个电角度，故步进电机在拍数越多的方式下运行，

12、其动态稳定区域越接近于静态稳定区，裕量角r也越大，在运行中也越不容易丢步。 起动转矩Tq :图中A相与B相矩一角特性曲线之交点所对应的转矩Tq被称为起动转矩，它表示步进电机单相励磁时所能带动的极限负载转矩。,高连续运行频率及矩一频特性,步进电机在连续运行时所能接受的最高控制频率被称为最高运行频率，以fmax表示。电机在连续运行状态下，其电磁转矩随控制频率的升高而逐步下降。这种转矩与控制频率之间的变化关系称为矩一频特性。在不同控制频率下电机所产生的转矩称为动态转矩。 空载起动频率与惯一频特性 : 在空载状态下，转子从静止状态能够不失步地起动时的最大控制频率称为空载起动频率或空载突跳频率(fq)。

13、当带载起动时，所允许的起跳控制频率会大大下降。步进电机带动惯性负载时的起跳频率与负载惯量之间的关系为惯一频特性。一般讲，随着负载惯量的增加，起跳频率也会降低。除惯性负载之外，还有外负载力矩，则起跳频率将会进一步下降。一般来说，fmax远远大于起动频率，在高于最高连续运行频率时，电机将产生失步。在不同负载下，电机允许的最高连续运行频率是不同的。一般步进电机的技术说明书上都指明空载最高连续运行频率和空载起动频率。在有负载情况下，不失步启动所允许的起动频率将大大降低。为了缩短起动时间，可在一定的起动时间内将电脉冲频率按一定的规律逐渐增加到所允许的运行频率。,4、步进电机的驱动与控制,驱动电源由脉冲分

14、配器、功率放大器组成， 驱动电源是将变频信号源(微机或数控装置等)送来的脉冲信号及方向信号按要求的配电方式自动地循环供给电机各相绕组，以驱动电机转子正反向旋转。变频信号源可提供从几赫兹(Hz)到几万赫兹(Hz)的频率信号连续可调的脉冲信号发生器。因此，只要控制输入电脉冲的数量和频率就可精确控制步进电机的转角和速度。,(1)环形脉冲分配器,使电机绕组的通电顺序按一定规律变化的部分称为脉冲分配器，又称环形脉冲分配器。 方法有三种 ： 一种是采用计算机软件利用查表或计算方法来进行脉冲的环形分配，简称软环分。如表为三相六拍分配状态，可将表中状态代码01H、03H、02H、06H、04H、05H列入程序

15、数据表中，通过软件可顺次在数据表中提取数据并通过输出接口输出即可。,第二种环形脉冲分配器,是采用小规模集成电路搭接而成的环形脉冲分配器，如图所示，图中C1、C2、C3为双稳态触发器。这种方式灵活性很大，可搭接任意相任意通电顺序的环形分配器，同时在工作时不占用计算机的工作时间。,第三种环形分配器,总结,1. 执行元件的种类、特点及基本要求； 2.步进电机技术指标； 3.机电一体化系统(或产品)对执行元件的基本要求； 4.控制用电机的基本要求、种类、特点及选用； 5.掌握步进电机的工作原理 -步进电机环形脉冲分配方式 -步距角的计算 6.步进电机的运行特性及性能指标 7.步进电机的驱动与控制 驱动电源由脉冲分配器、功率放大器组成 (1)环形脉冲分配器,课后习题,1.步进电机又称脉冲电动机，其运行特性与配套使用的驱动电源有密切关系，驱动电源由 和 组成。 2.步进电机的驱动电源是将变频信号源（微机或数控装置）送来的 信号和 信号按要求的配电方式自动地循环供给电动机各相绕组以驱动电动机转子正反向旋转。 3.机电一体化系统对执行元件