机电一体化 第三章执行元件的选择与设计ppt课件.ppt

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1、第4章执行元件的选择与设计4.1概述4.2直流伺服电机4.3步进电机4.4交流伺服电机思考题4.1概述4.1.1伺服系统的结构组成机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。图4-1给出了伺服系统组成原理框图。图4-1伺服系统组成原理框图1.比较环节比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。2.控制器控制器通常是计算机或PID控制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执

2、行元件按要求动作。3.执行环节执行环节的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。4.被控对象;5.检测环节;检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。4.1.2执行元件的分类及其特点执行元件是能量变换元件，其目的是控制机械执行机构运动。机电一体化伺服系统要求执行元件具有转动惯量小，输出动力大，便于控制，可靠性高和安装维护简便等特点。根据使用能量的不同，可以将执行元件分为电磁式、液压式和气压式等几种类型，如图4-2所示。图4-2执

3、行元件的种类(1)电磁式执行元件能将电能转化成电磁力，并用电磁力驱动执行机构运动，如交流电机、直流电机、力矩电机、步进电机等。(2)液压式执行元件先将电能变化成液体压力，并用电磁阀控制压力油的流向，从而使液压执行元件驱动执行机构运动。(3)气压式执行元件与液压式执行元件的原理相同，只是介质由液体改为气体。4.1.3基本要求1.惯量小、动力大2.体积小、重量轻既要缩小执行元件的体积、减轻重量，同时又要增大其动力，故通常用执行元件的单位重量所能达到的输出功率或比功率，即用功率密度或比功率密度来评价这项指标。设执行元件的重量为G，则功率密度为P/G。比功率密度为(T2/J)/G。3.便

4、于维修、安装执行元件最好不需要维修。无刷DC及AC伺服电动机就是走向无维修的一例。4.宜于微机控制根据这个要求，用微机控制最方便的是电气式执行元件。因此机电一体化系统所用执行元件的主流是电气式，其次是液压式和气压式(在驱动接口中需要增加电-液或电-气变换环节)。内燃机定位运动的微机控制较难，故通常仅被用于交通运输机械。4.2.1直流伺服电动机的分类直流伺服电动机按励磁方式可分为电磁式和永磁式两种。4.2.2直流伺服电动机的基本结构及工作原理直流伺服电动机主要由磁极、电枢、电刷及换向片组成,如图4-3所示。4.2直流伺服电动机图4-3直流伺服电动机基本结构4.2.3直流伺服电动

5、机的特性分析直流伺服电动机采用电枢电压控制时的电枢等效电路如图4-4所示。图4-4电枢等效电路当电动机处于稳态运行时，回路中的电流Ia保持不变，则电枢回路中的电压平衡方程式为Ea=Ua-IaRa(4-1)式中，Ea是电枢反电动势；Ua是电枢电压；Ia是电枢电流；Ra是电枢电阻。转子在磁场中以角速度ω切割磁力线时，电枢反电动势Ea与角速度ω之间存在如下关系：Ea=CeΦω(4-2)式中，Ce是电动势常数，仅与电动机结构有关；Φ是定子磁场中每极的气隙磁通量。由式（4-1）、式（4-2）得Ua-IaRa=CeΦω（4-3）此外，电枢电流切割磁场磁力线所产生的电磁转

6、矩Tm可由下式表达:Tm=CmΦIa则式中，Cm是转矩常数，仅与电动机结构有关。(4-4)将式（4-4）代入式（4-3）并整理，可得到直流伺服电动机运行特性的一般表达式由此可以得出空载（Tm＝0，转子惯量忽略不计）和电机启动（ω＝0）时的电机特性:（1）当Tm＝0时，有(4-5)(4-6)（2）当ω＝0时，有式中，Td称为启动瞬时转矩，其值也与电枢电压成正比。如果把角速度ω看作是电磁转矩Tm的函数，即ω=f(Tm)，则可得到直流伺服电动机的机械特性表达式为(4-8)式中,ω0是常数，。(4-7)如果把角速度ω看作是电枢电压Ua的函数，即ω=f(Ua)，则

7、可得到直流伺服电动机的调节特性表达式式中,k是常数，。根据式(4-8)和式(4-9)，给定不同的Ua值和Tm值，可分别绘出直流伺服电动机的机械特性曲线和调节特性曲线如图4-5、图4-6所示。(4-9)图4-5直流伺服电动机的机械特性图4-6直流伺服电动机的调节特性由图4-5可见，直流伺服电动机的机械特性是一组斜率相同的直线簇。每条机械特性和一种电枢电压相对应，与ω轴的交点是该电枢电压下的理想空载角速度，与Tm轴的交点则是该电枢电压下的启动转矩。由图4