第三章 执行元件的选择及设计.ppt

----第三章---- 第三章 执行元件的选择与设计 §3.1.1 执行元件的种类及特点 根据使用能量的不同，将执行元件分为电磁式、液压式和气压式等几种类型，如图所示 电气式执行元件 包括直流(DC)电动机、交流(AC)电动机、步进电动机、超声波电动机以及电磁铁等。 电磁式的电动机和电磁铁，实用且易实现最为常用。 要求：除稳速运转性能外，还要求具有良好的加速、减速性能和伺服性能等动态性能以及频繁使用时的适应性和便于维修性能。 驱动系统：由电源供给电力，经电力变换器变换后输送给电动机，使电动机作回转(或直线)运动，在微电子控制信号的控制下，驱动负载机械按所需要的要求运动。 具有反馈环节的为闭环系统，没有反馈环节的为开环系统。 另外，其他电气式执行元件中还有微量位移用器件， 电磁铁-由线圈和衔铁两部分组成，结构简单，是单向驱动，需用弹簧复位，用于实现两固定点间的快速驱动； 电热驱动器-利用物体的热变形来驱动运行机构的直线位移，用控制电热器的加热电流来改变位移量，实现微量进给。 液压式执行元件 包括往复运动的油缸、回转油缸、液压马达等。 目前，世界上已开发了各种数字式液压式执行元件，例如电-液伺服马达和电-液步进马达， 优点：比电动机的转矩大，可以直接驱动运行机构，转矩/惯量比大，过载能力强，适合于重载的高加减速驱动。 表 3-1 执行元件的特点以及优缺点 §3.1.2 对执行元件的基本要求 3. 便于维修、安装 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 最方便的是电气式执行元件。因此，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。 §3.2 常用的控制用电动机 控制用电动机是将电能转换为机械能的一种能量转换装置。 可在很宽的速度和负载范围内进行连续、精确的控制。 力矩电动机、脉冲（步进）电动机、变频调速电动机、开关磁阻电动机和各种AC/DC电动机等。 有回转和直线驱动电动机，通过电压、电流、频率(指令脉冲)等控制，实现定速、变速驱动或反复起动、停止的增量驱动以及复杂的驱动，而驱动精度随驱动对象的不同而不同。 常用控制用电动机指能提供正确运动或较复杂动作的伺服电动机。 伺服电动机控制方式的基本形式 §3.2.1 对控制用电动机的基本要求 快速性好，即加速转矩大，频响特性好 位置控制精度高，调速范围宽，低速运行稳定无爬行现象、分辨率高、振动噪声小 适应起、停频繁的工作要求，可靠性高、寿命长 易于与计算机对接，实现计算机控制。 二、控制用电动机的种类、特点及选用 对于起停频率低(如几十次／分)，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定运动的机械，如NC工作机械的进给运动、机器人的驱动系统，其功率密度是主要的性能指标； 对于启停频率高(如数百次／分)，低速平稳性要求不高的产品，如高速打印机、绘图机、打孔机、集成电路焊接装置等主要的性能指标是高比功率。 比功率由高到低依次为交流伺服电动机、直流伺服电动机和步进电动机 §3.2.2 常用控制用电动机及特点 根据线圈的励磁特性来分类 表3-3 伺服电动机的特点及应用实例 §3.3 步进电动机及其驱动 §3.3.1 步进电动机的特点与种类 1.1 步进电动机 又称脉冲电机，将电脉冲信号转换成机械 角位移的执行元件。 输入一个脉冲 ，电机转动一步，转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步。 1.2 步进电动机的特点 步进电机的工作状态不易受各种因素干扰的影响； 步进电机的步距角有误差，转子转过一定角度后会出现累积误差，但转子转过一圈后，累积误差变为零。 控制性能好，在启动、停止、反转时不易丢步。 适用于开环控制的机电一体化系统。 2. 步进电动机的种类 运动轨迹 旋转式步进电动机 有直线步进电动机 励磁相数 三相、四相、五相、六相等 转子结构（三种） 可变磁阻(VR-Variable Reluctance)型 永磁(PM-Permanent Magnet)型 混合(HB-Hybrid)型 2. 步进电动机的种类 其定子1与转子2由铁心构成，没有永久磁铁，定子上嵌有线圈，转子朝定子与转子之间磁阻最小方向转动，并由此而得名可变磁型。 该类电动机的定子与转子均不含永久磁铁，故无励磁时没有保持力。 需要将气隙做得尽可能小，例如几个微米。 这种电动机具有制造成本高、效率低、转子的阻尼差、噪声大等缺点。 由于其制造材料费用低、结构简单、步距角小等特点，可成为多用途的机种。 可变磁阻(VR-Variable Reluctance)