1、第三講 主講：晏良俊 聯系方式E-mail: QQ:364790339 主要內容 n第第1 1章章 概論概論 n第第2章章 機械系統的部件選擇與設計機械系統的部件選擇與設計 n第第3 3章章 機電一體化中的執行元件機電一體化中的執行元件 n第第4 4章章 微機控制系統及接口設計微機控制系統及接口設計 n第第5 5章章 機電一體化系統中的檢測傳感器機電一體化系統中的檢測傳感器 n第第6 6章章 機電一體化系統的控制策略機電一體化系統的控制策略 n第第7 7章章 典型機電一體化系統實例分析典型機電一體化系統實例分析 第3章機電一體化中的執行元件 3.1 3.1 執行元件的

2、種類、特點及基本要求執行元件的種類、特點及基本要求 3.2 3.2 機電一體化系統中常用的伺服驅動機電一體化系統中常用的伺服驅動電機電機 3.3 3.3 液壓液壓氣動氣動執行裝置執行裝置 機電一體化中的執行元件 n無論是工業機器人、CNC機床、還是自動化機械、家電等機電一體 化產品，都離不開執行元件為其提供動力。 n它在機電一體化系統中相當于人的肌肉，其功能是在電子控制裝置 的控制下，將輸入的各種形式的能量轉換為機械能，如電動機、液 壓機械、汽缸、內燃機、電磁鐵、繼電器等。 n大多數執行元件已作為系列化商品生產，在設計機電一體化產品時 可作為標準件直接選用。但我們必須了解各種執行元件的特點和功

3、 能。 執行元件的種類 電磁式 電磁鐵及其他 電動機 液壓式 氣動式 液壓缸 液壓馬達 汽缸 氣壓馬達 其他與材料有關 雙金屬片 形狀記憶合金 壓電元件 交流伺服電機 直流伺服電機 步進電機 其他電機 執 行 元 件 執行元件的特點 n電磁式：電磁式： 電動機（電動機（DC,ACDC,AC）：）：動力源是電源，輸出轉速或直線運動（機械 能），驅動執行機構運動。 微量位移器件：微量位移器件：電磁鐵、壓電驅動器、電熱驅動器等微量位移器件， 驅動執行元件的微量進給。 n液壓式液壓式：油缸（往復，回轉），液壓馬達。 n氣壓式氣壓式：一般用壓縮空氣作工作介質，特點是行程和速度大。缺點 是定位精度差（由于

4、氣體可壓縮） 執行元件的特點 種類優點缺點 電磁式 動力源容易（小，巧， 種類多，無污染，易 與CPU連接，調速和負 載范圍寬）。 過載能力差，易受環 境干擾 氣壓式 氣源方便，無污染， 速度快 功率小體積大，動作 不平穩，定位精度差 液壓式 功率大，動作平穩， 定位精確 體積大，污染嚴重 執行元件的基本要求 n慣量小，動力大：慣量小，動力大： n體積小，重量輕體積小，重量輕 。 n便于安裝和維修便于安裝和維修 。 n易于微機控制：易于微機控制：最易于微機控制的是電動式執行元件，因此，機電 一體化系統中用的最多是電機，其次是液壓（接口中增加電液變 換環節） 。 機電一體化系統中常用的電機 n直

5、流電機直流電機 n交流伺服電機交流伺服電機 n步進電機步進電機(Stepping Motor) (Stepping Motor) 直流電機直流電機 n直流電機的結構及其工作原理 n直流電機的線性控制與PWM控制 直流電機的結構及其工作原理 n當電流通過電刷和換向器流過線圈時產生轉子磁場，這時轉子成為 一個電磁鐵，在轉子與定子之間產生吸引力或推斥力使轉子旋轉。 線圈 定子（永磁鐵） N 換向器 轉子（電磁鐵） S 電刷 直流電機的特點 n起動轉矩大、體積小、重量輕、轉矩和轉速容易控制以及效率高等 優點。 n由于有電刷和換向器，其壽命、噪聲等方面存在不足。 n在進行位置控制和速度控制時需要使用轉速

6、傳感器，實現位置、速 度負反饋閉環控制方式，這樣的電機常稱為伺服直流電機。 直流電機的線性控制與PWM控制 n線性控制 ： n直流電動機的電路如圖所示，電動機電樞回路的電壓平衡方程式為： nU = E+IU = E+Id R R 其中E=Ken M + - + - U id E 1 R e d K RIU n PWM控制 n不可逆PWM變換器的電路原理圖及工作波形如圖所示。電源US由不可控整 流器供電。變換器的負載為直流電動機的電樞，它可看成電阻，電感和反電 動勢負載，二極管VD在功率管VT關斷時為電樞回路提供釋放電感儲能的續 流回路。 M Ug U C Us VT VD d1 i id2 g

7、 U t t U tt 12 T Ud E id E VD d U RL Uud= s u d n在VT的柵極加脈沖電壓Ug驅動，Ug頻率不變寬度可調。在一個開關 周期T內，當0tt1時，Ug為正，VT飽和導通，US加到電動機電樞 兩端，Ud=Us，流過電樞的電流為id1；當t1tt2時，Ug為負Ud=0， 電樞電流經VD續流，電流id2。電動機電樞的平均電壓為： nUd=（/T）Us=Us n式中為脈沖寬度，T為開關周期，=/T（01）稱為脈沖 寬度占空比，改變即可改變加到電樞兩端電壓Ud，從而實現調速。 交流伺服電機 n交流伺服電機的種類 n交流伺服電機的特點 交流伺服電機的種類 轉子 轉

8、子 N S S 轉子 N S1 S2 S3 S4 無刷直流電機 轉子用永久磁鋼構成，與定子旋 轉磁場以相同轉速旋轉 同步電機 定子線圈（旋轉磁場） 定子線圈（旋轉磁場） 轉子是 永磁體 轉子也由線圈產生旋轉磁場，定 子產生旋轉磁場，帶動轉子旋轉 轉子不是永磁 體，其磁場是 由線圈產生 霍耳元件 電子開關 轉子由永磁鋼構成，由霍耳元件 檢測轉子位置，使電子開關按S1 S4順序切換，并使轉子旋轉 異步電機 交流伺服電機的特點 n感應電機（感應電機（Induction MotorInduction Motor）：）：感應電機的定子和轉子均由鐵芯線圈 構成，可分為單相或三相電機。轉子鐵芯用硅鋼片疊壓而

9、成，由定子產 生的旋轉磁場帶動轉子旋轉。由于轉子的重量輕、慣性小，因此響應速 度快，主要應用于中等以上功率的伺服系統。 n同步電機（同步電機（SynchnonousSynchnonous Motor Motor）：）：同步電機的轉子由永久磁鐵構成磁 極，定子與感應電機一樣由鐵芯線圈構成，可分為單相同步電機和三相 同步電機兩種。這種永磁同步電機可以做得很小，響應快，主要應用于 中等功率以下的機器人和數控機床。 n無刷直流電機（無刷直流電機（Brushless DC Motor）：）：由霍耳元件和旋轉編碼器等構成的 位置傳感器和逆變器取代了直流電機的電刷和換向器。轉子磁極采用永久磁鐵， 沒有勵磁損

10、耗，提高了電機的效率。 （2 2）交流伺服電動機調速）交流伺服電動機調速 步進電機 n步進電機的特點 n步進電機的工作原理與分類 n步進電機的特性 n步進電機的驅動與微機控制 n步進電機的微機控制 步進電機的特點 優 點缺 點 不需要反饋控制效率 易與微機連接容易引起丟步 停止時能保持轉矩有時發生振蕩現象 維護方便 定義：定義： 一種將電脈沖信號變換成相應的角位移或直線位移的機電執行元件。 步距角當輸入一個電脈沖時所轉過的一個固定角度。 角位移量與輸入脈沖數n嚴格成比例（無誤差積累）。 各種運行特性由下列條件決定： 輸入脈沖數； 脈沖頻率； 電動機各相繞組的接通次序。 廣泛用于數字控制系統，如

11、數控機床。 步進電機的基本概念 工作原理工作原理 基本工作原理就是電磁鐵工作原理 步進電機的工作原理與分類 n按產生轉矩的方式，分為：PM型、VR型、HB型，按勵磁相數有3 相、4相、5相、6相等（下圖中線圈繞組數即為相數）。 n永磁型（永磁型（PMPMPermanent MagnetPermanent Magnet型）：型）：轉子為圓筒形永磁鋼，定子 線圈中流過電流時產生磁場。定子與轉子磁場間相互作用產生吸引 力或推斥力使轉子旋轉，步距角90或45。 n可變磁阻型（可變磁阻型（VRVRVariableVariable型）：型）：轉子由齒輪狀的低碳鋼構成，轉 子將轉向使通電相定子磁場的磁阻為最

12、小的位置，步距角為0.9、 1.8、3.6等。 n混合型（混合型（HBHBHybridHybrid型）：型）：轉子為圓筒形永磁鋼，是VR型和PM型的 復合，能獲得與VR型相同的很小的步距角。 徑向分相反應式步進電動機工作原理徑向分相反應式步進電動機工作原理(可變磁阻型可變磁阻型VR) n環形分配器送來脈沖信號，對定子繞組輪流通電。 nA相通電，B、C相不通電，轉子齒1、3與A相定子齒對齊，轉子齒2、 4與B、C相在不同方向上錯開30（此時轉矩為0，轉子自鎖）。 nA相斷電，B相通電，轉子齒2、4與B相定子齒對齊，順時針旋轉30。 nB相斷電，C相通電，同理轉子順時針旋轉30。 n通電順序為AB

13、CA時，轉子順時針旋轉。如改為ACBA時， 轉子反向（逆時針）轉動。 n電流換接三次，磁場轉一周，轉子前進一個齒距角（903）。 混合型混合型 n是VR型和PM型的復合，能獲得很小的步距角0.915。 n步距角越小，意味著它所能到達的位置精度越高。為此 需要將轉子做成多極式的，并在定子磁極上制成小齒。 特點：步距角小，工作頻率高，控制功率小；但結構復 雜，成本高。 a) 取決于控制繞組通電頻率，也取決于繞組通電方式。 b) 通電方式單三拍、六拍及雙三拍等。 “單”每次只有一相繞組通電； “雙”每次有兩相繞組通電； “拍”通電次數（即從一種通電狀態轉到另一種通電狀態）。 按ABCA方式通電，稱為

14、三相單三拍運行（ =30）。 按AABBBCCCAA方式通電，稱為三相六拍運行 （ =15 ）。 通電方式通電方式 步進電機步距角的計算公式步進電機步距角的計算公式 n步距角越小，意味著它所能到達的位置精度越高。為此需要將 轉子做成多極式的，并在定子磁極上制成小齒。一般步距角的 計算公式為： nz轉子齒數；m運行拍數，它等于相數或相數的整數倍，即 mKN，N-為相數，單拍時K1，雙拍時，K=2。例如：Z 40，三相單三拍運行，則 n顯然，齒數越多，相數越多，步距角越小，定位性能越好！ n轉速 Hz Hzrad rpm f KmZ f n 60 60 2 )( mz 360 3 403 360

15、n一臺反應式步進電機，通過一對減速齒輪，滾珠絲杠帶 動工作臺，步進電機轉子有24個齒，采用3相6拍通電， 并設步進電機每走一步工作臺移動5m。當絲杠導程 L=4mm，齒輪1的齒數z1=21時，試求齒輪2的齒數z2. 步進電機的標識與選擇步進電機的標識與選擇 步進電機的特性 n靜態特性 n動態特性 n運行特性 靜態特性 n 靜態特性：一相或多相繞組通直流電時的特性。主要指步進電機的矩角特性。 n 單相通電時，若定子齒與轉子齒相對位置如下圖所示，表示轉子齒中心線 與定子齒中心線偏離的角度，稱為失調角失調角，所謂矩角特性就是指在不改變通電 狀態的情況下，步進電機靜轉矩與轉子失調角的關系，矩角特性曲線

16、為正弦曲 線，0時的轉矩為0，稱為平衡位置。 T 穩定平衡點 轉子 定子 動態特性 n動態特性包括起動轉矩Tq，自然振動頻率f n起動轉矩起動轉矩Tq：指在規定電源條件下，從靜止狀態突然起動并能不 失步運行所能帶動的最大負載轉矩。與起動頻率有關。 n自然振動頻率自然振動頻率f：指在無阻尼情況下，當通電狀態換接后，轉子圍 繞初始穩定平衡位置作自然振動的頻率。 運行特性 n最大靜轉矩Tman：矩角特性中的最大轉矩值。表示步進電機承受負 載的能力。 n起動頻率fq：步進電機能夠不失步起動的最高脈沖頻率。失步指轉子 前進的步數不等于脈沖數。包括丟步和越步。 n運行頻率fy：步進電機起動后，當脈沖頻率連

17、續上升時，能不失步運 行的最高頻率。與電機的負載轉矩有關。 n運行轉矩Ty：電機起動后不失步運行所能夠提供的最大轉矩。 TyTq f J3J2 J1 J3J2J1 步進電機的驅動 驅動電路驅動電路 是將變頻信號 源送來的脈沖 信號及方向信 號按要求的配 電方式自動循 環供給電機各 相繞組，以驅 動電機轉子正 反向旋轉。 n脈沖分配器 n功率放大器 A B C A B C A B C 脈沖信號 正反轉 脈沖信號 發生器 脈沖分 配器 功率放 大器 脈沖分配器 n步進電機的各相繞組必須按一定的順序通電才能正常工作。這種使 電機繞組的通電順序按一定規律變化的功能部件稱為脈沖分配器。 n脈沖分配器有三

18、種類型： 軟件法軟件法 硬件硬件環行分配器件環行分配器件 軟件法 n采用計算機軟件利用查表或計算方法來進行脈沖的環行分配，簡稱 軟環法。表3-10是三相六拍分配狀態，電機正向運轉通電順序是： A、AB、B、BC、C、CA、A那么通電代碼就是01H、03H、 02H、06H、04H、05H、01H通過軟件順序依次在數據表中提 取數據并通過輸出接口輸出即可。通過控制取時間間隔即可控制 電機轉速。軟件法的優點是控制靈活。不需要再增加硬件。 轉向12通電CPCBA代碼轉向 正轉A000 101H反轉 AB101 103H B201 002H BC311 006H C410 004H CA510 1 0

19、5H A600 101H 硬件環形分配器硬件環形分配器 n由三個穩態觸發器組成；這種方式也可搭接任意相及任意通電順序的環形 分配器，同時也不占用計算機的工作時間。 速實時控制的要求）速度限制，難以滿足高軟件環分（受微機運算 較好）、維護方便，響應速度硬件環形分配器（直觀 環形分配器 CH250硬件環形分配器的電路圖硬件環形分配器的電路圖 CH250分配器芯片接線圖分配器芯片接線圖 n例如，CH250即為一種三相步進電機專用環行脈沖分配器。圖為三 相六拍接線圖。 功率放大器 n從計算機輸出口或環形分配器輸出的信號脈沖電流一般只有幾毫安， 不能直接驅動電機運行，必須采用功率放大器將脈沖電流進行放大

20、， 達到幾安或十幾安培才能驅動電機運行。 電壓型 電流型 單電壓型 雙電壓型 恒流驅動 斬波驅動 功率放大器 單電壓功率放大器 n放大器的輸入端與環形脈沖分配器相連，在沒有脈沖輸入時，功率放大器 3DK4和3DD15均截止，則A相繞組中無電流，當A相得電，電機轉動一步， 當脈沖依次加到A、B、C三個輸入端時，就驅動電機一步一步地轉動。 n這種放大器的特點：繞組中串聯有電阻R（為了保護線圈），要消耗功率； 電感大，電路脈沖電流的反應慢，因此輸出脈沖的波形差，輸出功率低。只 適用于慢速，小功率的步進電機。 +2 V 3DK4 3DD15 D 150 1.5千 A B C A BC WWW W 高低

21、壓功率放大電路 n當A無脈輸入時，T1、T2、T3、T4均截止，繞組W中無電流通過。當A有脈 沖輸入時，T1、T2、T4飽和導通，其中T2由截止到飽和導通期間，變壓器TI 一側電流急劇增加而在另外一側感應出電勢而使T3導通則80V的電壓加到繞 組W上，在T2的電流穩定后，T3截止，這時12V低壓通過D1加到W（步進電 機的繞組）上維持續流。 80V T1 T2 150 1.5千 T3 T4 +12V W TI D4 D3 D1 D2 步進電機的微機控制 n微機對步進電機的控制分為：串行控制和并行控制。 n串行控制：各個脈沖信號由CPU的一個接口向環形分配器輸出，方向信號和 方式信號各用一個接口輸出的控制方式。 n并行控制：各個脈沖信號分別由CPU的多個接口向環形分配器輸出。 環 形 分 配 器 脈沖 方式信號 方向信號 功 率 放 大 器 步 進 電 機 相 相 相 E相 D相 驅 動 器 串行控制示意圖