機(jī)械機(jī)電 (2)課件

第四部份執(zhí)行元件THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機(jī)電一體化技術(shù)

執(zhí)行元件（驅(qū)動(dòng)部件）是將各種形式的輸入能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的轉(zhuǎn)換部件。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，執(zhí)行元件處于微電子控制系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)的連接部位。

執(zhí)行元件是機(jī)電一體化系統(tǒng)必不可少的部件。第一節(jié)執(zhí)行元件的種類、特點(diǎn)及基本要求是什么在哪里重要性THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機(jī)電一體化技術(shù)

執(zhí)行元件（驅(qū)動(dòng)部件）是將各種形式的輸入能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的轉(zhuǎn)換部件。例如：電動(dòng)機(jī)；電磁鐵；繼電器；液壓缸；氣缸；等……第一節(jié)執(zhí)行元件的種類、特點(diǎn)及基本要求電能液壓能電壓能化學(xué)能等轉(zhuǎn)換為機(jī)械能什么是執(zhí)行元件？THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機(jī)電一體化技術(shù)

執(zhí)行元件是機(jī)電一體化系統(tǒng)必不可少的部件。數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸的運(yùn)功、工作臺(tái)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；第一節(jié)執(zhí)行元件的種類、特點(diǎn)及基本要求例如：工業(yè)機(jī)器人手臂的升降、回轉(zhuǎn)和伸縮等運(yùn)動(dòng)。等等……為什么重要？THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機(jī)電一體化技術(shù)根據(jù)使用能量的不同，執(zhí)行元件可分為電動(dòng)式、液動(dòng)式和氣動(dòng)式。電動(dòng)式：主要利用電磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。液動(dòng)式：利用液壓能驅(qū)動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。氣動(dòng)式：利用氣壓能驅(qū)動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器：某些磁性體的外部一旦加上磁場(chǎng)則磁性體的外形尺寸會(huì)發(fā)生變化，利用這種現(xiàn)象制作的驅(qū)動(dòng)器稱為磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器。形狀記憶合金一、執(zhí)行元件的種類及特點(diǎn)THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機(jī)電一體化技術(shù)一、執(zhí)行元件的種類及特點(diǎn)圖3.1執(zhí)行元件的種類電動(dòng)機(jī)電磁鐵及其它執(zhí)行元件油缸液壓馬達(dá)與材料有關(guān)氣缸氣壓馬達(dá)雙金屬片形狀記憶合金壓電元件交流（AC）伺服電機(jī)直流（DC）伺服電機(jī)步進(jìn)電機(jī)其它電動(dòng)機(jī)電磁式氣壓式液壓式其它THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機(jī)電一體化技術(shù)一、執(zhí)行元件的種類及特點(diǎn)功率小，體積大，動(dòng)作不夠平穩(wěn)；不易小型化；遠(yuǎn)距離傳輸困難；工作噪聲大、難于伺服。氣源方便、成本低；無(wú)泄漏污染；速度快、操作比較簡(jiǎn)單。表3.1.2

氣動(dòng)式執(zhí)行元件的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)空氣壓力源的壓力為5～7MPa；要求操作人員技術(shù)熟練。特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機(jī)電一體化技術(shù)一、執(zhí)行元件的種類及特點(diǎn)設(shè)備難于小型化；液壓源或液壓油要求（雜質(zhì)、溫度、油量、質(zhì)量）嚴(yán)格；易泄漏且有污染。輸出功率大，速度快，動(dòng)作平穩(wěn)，可實(shí)現(xiàn)定位伺服；易與CPU相接；相應(yīng)快。表3.1.3

液動(dòng)式執(zhí)行元件的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)要求操作人員技術(shù)熟練；液壓源壓力為2～8MPa。特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)四點(diǎn)基本要求：THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機(jī)電一體化技術(shù)二、對(duì)執(zhí)行元件的基本要求1、慣量小、動(dòng)力大2、體積小、重量輕3、便于維修、安裝4、宜于微機(jī)控制THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機(jī)電一體化技術(shù)二、對(duì)執(zhí)行元件的基本要求1、慣量小、動(dòng)力大：如對(duì)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，設(shè)加速度為，則推力為而對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，設(shè)角速度為，角加速度為，則轉(zhuǎn)矩/功率為這里，和表征了執(zhí)行元件的加速性能。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機(jī)電一體化技術(shù)二、對(duì)執(zhí)行元件的基本要求1、慣量小、動(dòng)力大：另一種表征執(zhí)行元件動(dòng)力大小的綜合性指標(biāo)是比功率：比功率＝包含了功率、加速性能與轉(zhuǎn)速三種因素。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機(jī)電一體化技術(shù)二、對(duì)執(zhí)行元件的基本要求2、體積小、重量輕：常用功率密度/比功率密度來(lái)評(píng)價(jià)這項(xiàng)指標(biāo)：設(shè)執(zhí)行元件的重力為則功率密度＝比功率密度＝THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機(jī)電一體化技術(shù)二、對(duì)執(zhí)行元件的基本要求4、宜于微機(jī)控制具有驅(qū)動(dòng)接口（電氣化）是執(zhí)行元件的發(fā)展方向。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機(jī)電一體化技術(shù)一種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的執(zhí)行元件。電動(dòng)機(jī)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直線電動(dòng)機(jī)并勵(lì)電動(dòng)機(jī)復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)串勵(lì)電動(dòng)機(jī)永磁式有刷電動(dòng)機(jī)無(wú)鐵芯電動(dòng)機(jī)永磁式繞線（電磁鐵）勵(lì)磁式直流電動(dòng)機(jī)交流電動(dòng)機(jī)其它超聲波電動(dòng)機(jī)等同步電動(dòng)機(jī)異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)無(wú)整流子、電刷（電子電路切換）有整流子、電刷二、控制用電動(dòng)機(jī)的種類、特點(diǎn)及選用直流電機(jī)的微機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速直流電源以一定的頻率非對(duì)稱的波形不斷地通斷直流電源，從而改變通過(guò)電動(dòng)機(jī)的平均電流。頻率通常在1－4k之間；通過(guò)調(diào)節(jié)高電平寬度實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)平均電流。直流電機(jī)的微機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)H橋的直流電機(jī)轉(zhuǎn)向控制直流電機(jī)的微機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)H橋驅(qū)動(dòng)器的專用集成電路芯片------D15200，3A，55VH型輸出1，2與電動(dòng)機(jī)的兩極相連，即管腳2和10.外部數(shù)字信號(hào)對(duì)方向輸入（引腳3），制動(dòng)輸入（引腳4），脈寬調(diào)制（引腳5）進(jìn)行控制。當(dāng)裝置溫度超過(guò)170度，熱傳感器便斷開(kāi)輸出。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機(jī)電一體化技術(shù)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理小知識(shí)：

磁阻最小原理

磁通總是要沿磁阻最小的路徑閉合，因磁場(chǎng)扭曲而產(chǎn)生切向拉力。切向拉力變化過(guò)程錯(cuò)齒狀態(tài)對(duì)齒狀態(tài)產(chǎn)生了磁阻性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩三拍一個(gè)循環(huán)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了一個(gè)齒極，空間角度為90°。步距角為30°。（對(duì)2-4而言）通電順序?yàn)椋篈→B→C→ATHECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機(jī)電一體化技術(shù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)三相三拍或單三拍工作方式CAC`A`B`B1423三相三拍工作方式CAC`A`B`B1423CAC`A`B`B1423逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°30°30°表示該相通電1423THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機(jī)電一體化技術(shù)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)小知識(shí)：

拍

通常把由一種通電狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種通電狀態(tài)叫做一拍。

步距角

每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度。

三相單三拍

三相是指定子為三個(gè)繞組，單是指每拍只有一相通電，三拍是指經(jīng)過(guò)三次切換繞組的通電狀態(tài)為一個(gè)循環(huán)。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機(jī)電一體化技術(shù)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)三相六拍工作方式CAC`A`B`B1423三相六拍工作方式1423142314231423142314231423通電順序?yàn)椋篈→AB→B→BC→C→CA→A六拍一個(gè)循環(huán)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了一個(gè)齒極，空間角度為90°。步距角為15°。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機(jī)電一體化技術(shù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)三種工作方式比較三相三拍工作方式：

三相六拍工作方式：雙三拍工作方式：每次只有一相繞組通電，切換瞬間會(huì)失去自鎖轉(zhuǎn)矩，易產(chǎn)生失步。且一相繞組產(chǎn)生的力矩相對(duì)較小，在平衡位置易產(chǎn)生振蕩。電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中總有一相繞組通電，運(yùn)轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)。步距角是三相三拍工作方式步距角的一半。電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中總有一相繞組通電，運(yùn)轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)。有兩相繞組產(chǎn)生力矩。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機(jī)電一體化技術(shù)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)原理圖AABCCBA對(duì)齒B錯(cuò)齒C錯(cuò)齒THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機(jī)電一體化技術(shù)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性1、步距角定子相數(shù)；轉(zhuǎn)子齒數(shù)；通電拍數(shù)；通電系數(shù)，通電系數(shù)，三相六拍三相三拍；。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行一拍，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的轉(zhuǎn)角度。對(duì)應(yīng)一個(gè)轉(zhuǎn)角當(dāng)量：轉(zhuǎn)角/脈沖。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機(jī)電一體化技術(shù)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性2、步距誤差單相通電時(shí)，步距誤差取決于定子和轉(zhuǎn)子的分齒精度、定子錯(cuò)位角度的精度等。多相通電時(shí)，步距誤差不僅和加工、裝配精度有關(guān)，還取決于各相電流的大小、磁路性能。直接影響執(zhí)行部件的定位精度。一圈不累積。每步實(shí)際轉(zhuǎn)角和理論轉(zhuǎn)角之差。國(guó)產(chǎn)小功率步進(jìn)電機(jī)的步距誤差一般為：國(guó)產(chǎn)大功率步進(jìn)電機(jī)的步距誤差一般為：參考值：THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機(jī)電一體化技術(shù)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性3、最高啟動(dòng)頻率和最高工作頻率最高啟動(dòng)頻率：空載時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止突然啟動(dòng)，并不失步地進(jìn)入穩(wěn)速運(yùn)行，所允許的啟動(dòng)頻率。最高工作頻率：步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)，所能接受的最高頻率。國(guó)產(chǎn)小功率步進(jìn)電機(jī)的最高啟動(dòng)頻率一般為：國(guó)產(chǎn)大功率步進(jìn)電機(jī)的最高啟動(dòng)頻率一般為：參考值：THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機(jī)電一體化技術(shù)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性4、輸出的轉(zhuǎn)矩－頻率特性定子繞組為感性負(fù)載，輸入頻率越高，勵(lì)磁電流越??；頻率越高，磁通量變化加劇，鐵芯的渦流損失加大；工作頻率越高，其輸出轉(zhuǎn)矩要降低。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機(jī)電一體化技術(shù)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)環(huán)形分配器步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源＝環(huán)形分配器＋功率放大器環(huán)形分配器硬件環(huán)形分配器軟件環(huán)形分配器環(huán)形分配器：將脈沖指令按步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作規(guī)律轉(zhuǎn)換成各相繞組通斷信號(hào)，經(jīng)功率放大器，驅(qū)動(dòng)各相繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機(jī)電一體化技術(shù)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)環(huán)形分配器專用集成電路介紹：硬件環(huán)形分配器國(guó)產(chǎn)PM系列：PM03~PM06對(duì)三相、四相、五相、六相步進(jìn)電機(jī)控制進(jìn)口PM系列：PM8713、PM8714可編程對(duì)二相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)控制CH250專用環(huán)形分配器僅對(duì)三相步進(jìn)電機(jī)控制可編程專用步進(jìn)電機(jī)控制芯片PM101B對(duì)四相（二相）、五相步進(jìn)電機(jī)控制THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機(jī)電一體化技術(shù)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)環(huán)形分配器X向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軟件環(huán)形分配器PA1PA2PA4PA0PA5PA3PIO光電耦合器光電耦合器功率驅(qū)動(dòng)器功率驅(qū)動(dòng)器X向步進(jìn)電機(jī)Y向步進(jìn)電機(jī)ABCabc序號(hào)節(jié)拍035241PA0A001HCBPA2PA1存儲(chǔ)單元地址內(nèi)容06H02H05H04H03H2A00H2A01H2A03H2A05H2A04H2A02H00000001111111110方向反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)序號(hào)節(jié)拍035241PA3a008HcbPA5PA4存儲(chǔ)單元地址內(nèi)容30H10H28H20H18H2A10H2A11H2A13H2A15H2A14H2A12H00000001111111110方向反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)Y向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機(jī)電一體化技術(shù)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)伺服控制執(zhí)行部件的位移量控制－位移量總行程－絲杠螺距－步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角執(zhí)行部件的位移量與輸入脈沖數(shù)成正比。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機(jī)電一體化技術(shù)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)伺服控制執(zhí)行部件移動(dòng)速度的控制－執(zhí)行部件位移的速度－絲杠螺距－輸入脈沖頻率－步距角執(zhí)行部件的移動(dòng)速度與輸入脈沖頻率成正比。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機(jī)電一體化技術(shù)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)伺服控制執(zhí)行部件移動(dòng)方向的控制正向反向方向控制位移量控制……只要控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，就可以控制執(zhí)行部件的移動(dòng)方向。正向反向正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機(jī)電一體化技術(shù)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)控制電路THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機(jī)電一體化技術(shù)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制入口順時(shí)針？指針-1→指針指針<L00?指針＝L01指針+1→指針指針>L01?指針＝L00返回（指針）→輸出NYYYNN指針?lè)ǔ绦蛄鞒倘嗔臓顟B(tài)表：順時(shí)針P1AP1BP1C100100011110000111高地址L01：→低地址L00：→逆時(shí)針狀態(tài)表存入EEPROM中THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機(jī)電一體化技術(shù)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)提高系統(tǒng)精度的措施問(wèn)題一：由于轉(zhuǎn)子啟、停時(shí)具有慣性，決定了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的頻率響應(yīng)特性，會(huì)導(dǎo)致步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在突然啟、?；驌Q向時(shí)失步。方法：選擇合適的控制方式，提高動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩性能；并采用自動(dòng)升降速電路（軟件）。速度曲線啟動(dòng)時(shí)，速度由較低頻率逐漸升高到所要求的工作頻率。在減速或停止時(shí)，逐步降低到所需頻率。梯形控制策略THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOM