机电一体化单元四.

单元四机电一体化伺服驱动技术A教学目标B引言4.1概述4.2典型执行元件4.3执行元件功率驱动接口小结A教学目标1.掌握机电一体化的伺服控制系统的结构、类型2.熟悉机电一体化伺服系统典型执行元件：电气式、液压式、气压式。3.掌握步进电机及其控制系统4.掌握伺服电机结构及工作原理5.熟悉交流伺服电机及其速度控制6.掌握液压执行元件工作原理及应用7.掌握气压执行元件工作原理8.熟悉常用执行元件功率驱动接口下一页返回B引言伺服驱动系统是机电一体化技术的重要组成部分，其技术的发展程度直接关系到数控机床、工业机器人及其它产业控制技术的发展，是相关产业发展的关键技术之一。随着世界装备制造业的迅猛发展，高速切削、超精密加工、网络制造、具有网络接口的全数字交流伺服驱动系统、直线伺服系统和高速电主轴已成为伺服驱动系统的发展新方向。现代交流伺服系统最早被应用到宇航和军事领域，比如火炮、雷达控制。逐渐进入到工业领域和民用领域。工业应用主要包括高精度数控机床、机器人和其他广义的数控机械，比如纺织机械、印刷机械、包装机械、医疗设备、半导体设备、邮政机械、冶金机械、自动化流水线、各种专用设备等。其中伺服用量最大的行业依次是：机床、食品包装、纺织、电子半导体、塑料、印刷和橡胶机械，合计超过75％。4.1概述伺服驱动技术指执行系统和机构中的一些技术问题。伺服的意思就是“伺候服侍”，就是在控制指令的指挥下，控制驱动元件，使机械系统的运动部件按照指令要求进行运动。伺服系统是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度及动力输出的自动控制系统。伺服系统主要用于机械设备位置和速度的动态控制。加工中心的机械加工过程就是一个典型的伺服控制过程，位移传感器不断地将刀具进给的位移传送给计算机，通过与加工位置目标比较，计算机输出继续加工或停止加工的控制信号。上一页下一页返回4.1概述4.1.1伺服驱动系统的种类及特点绝大部分机电一体化系统都具有伺服功能，机电一体化系统中的伺服控制是为执行机构按设计要求实现运动而提供控制和动力的重要环节。伺服系统本身就是一个典型的机电一体化系统。无论多么复杂的伺服系统都是由若干功能元件组成的。图4-1是由各功能元件组成的伺服系统基本结构方框图。上一页下一页返回4.1概述(1)比较元件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)调节元件又称控制器，通常是计算机或PID控制电路，主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。(3)执行元件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)被控对象是指被控制的机构或装置，是直接完成系统目的的主体。一般包括传动系统、执行装置和负载。上一页下一页返回4.1概述(5)测量反馈元件是指能够对输出进行测量，并转换成比较元件所需要的量纲的装置一般包括传感器和转换电路。无论采用何种控制方案，系统的控制精度总是低于检测装置的精度在实际的伺服控制系统中，上述每个环节在硬件特征上并不独立，可能几个环节在一个硬件中，如测速直流电机既是执行元件又是检测元件伺服系统的种类很多，按其驱动元件的类型分类，可分为电气伺服系统、液压伺服系统、气动伺服系统。电气伺服系统根据电机类型的不同又可分为直流伺服系统、交流伺服系统和步进电机控制伺服系统。一般我们也将驱动元件称作执行元件或执行器、执行机构。上一页下一页返回4.1概述按控制方式分类，伺服系统又可分为开环控制伺服系统、闭环控制伺服系统和半闭环控制伺服系统。开环控制伺服系统结构简单、成本低廉、易于维护，但由于没有检测环节，系统精度低、抗干扰能力差。闭环控制伺服系统能及时对输出进行检测，并根据输出与输入的偏差，实时调整执行过程，因此系统精度高，但成本也大幅提高。半闭环控制伺服系统的检测反馈环节位于执行机构的中间输出上，因此一定程度上提高了系统的性能。如位移控制伺服系统中，为了提高系统的动态性能，增设的电机速度检测和控制就属于半闭环控制环节。上一页下一页返回4.1概述4.1.2执行器及其选取依据执行器通常又称为驱动器、调节器等，是驱动、传动、拖动、操纵等装置、机构或元器件的总称。目前，我国关于执行器的称谓还不尽一致。以往所指的电动、液动、气动执行器大多是按照采用动力源形式进行分类的器件，都是通过物体的结构要素实现对目的物的驱动和操作。与其相对应的则是物性型执行器，这种执行器主要是利用物体的物性效应(包括物理效应、化学效应、生物效应等)实现对目的物的驱动与操作。上一页下一页返回4.1概述例如，利用逆压电效应的压电执行器，利用静电效应的静电执行器，利用电致与磁致伸缩效应的电与磁执行器，利用光化学效应的光化学执行器，利用金属的形状记忆效应的仿生执行器等。由此可见，这种利用物性效应的执行器与利用该效应的传感器一一对应且两者互为逆效应。此外，执行器还有更为广泛的概念:如果把工程实体看作一个系统，传感器担当信息采集，电子计算机担当信息处理，那么，信息的执行就是执行器的任务了。如果把计算机称为“电脑”，传感器称为“电五官”，那么，执行器就是“电手足”了。只有三者有机结合才能构成完整的自动化、智能化系统。足见执行器涵盖领域之广泛。上一页下一页返回4.1概述在许多工业应用中，至少有一个阶段是利用执行器(如电机)将原动能(主要是指电能)转化为机械运动。更为重要的是，在系统中有诸如液压和气动系统等中间转化环节的存在。这些环节大大影响着整部机器的总效率。例如，气缸用来对某一负载定位似乎是有效的手段，但在设计整个系统时，必须考虑到从电动机到空气压缩机各个阶段的损失，包括压缩过程、压缩空气传输系统以及气缸本身的控制方法等因素。对于控制用的执行器，除能量转换效率外，更注重速度、位置精度等性能指标。上一页下一页返回4.1概述动力转换装置和运动转换装置是难以区分的，因为各种不同类型的转换装置能完成同一种功能。选用何种动力和运动转换装置，取决于考虑问题的角度和设计者的经验偏好，可以有多种可行选择。机电应用中，无非控制以下几种物理量。(1)在机械系统中:力、扭矩、位移、速度。(2)在电气系统中:电压、电流。(3)在液压系统中:流量、压力。上一页下一页返回4.1概述选择执行器时，首先应根据该机构所产生的运动和系统所需的运动之间的关系来考虑。执行器的输出由控制器的算法和计算过程决定，也与传感器测得的结果有关。但是，执行器的输出也受到控制器处理速度和系统饱和等因素的限制，如果需要的加速度超出系统本身的加速度能力，执行器的输出也会受到限制。执行器主要有旋转运动机构和直线运动机构两大类，再配之以适当的运动转换机构，如伞齿轮、齿条和齿轮箱等。选用执行器不仅要先考虑被控参数的量程范围，还要考虑体积、质量、成本、精度、分辨率、响应速度等。上一页下一页返回4.1概述根据主要被控参数选择能量和运动转换装置的大致原则如下。(1)直线运动能量转换装置:根据力和距离。(2)旋转运动能量转换装置:根据扭矩和速度。(3)运动转换机构:根据输入/输出速度大小和方向的变化。4.1.3输出接口装置执行元件与负载之间的连接方式一般有两种形式:一种是与负载固连，直接驱动;另一种是通过不同的机械传动装置(如齿轮传动链、带传动)与负载相连。这些机械传动装置就是执行元件的输出接口装置。上一页下一页返回4.1概述执行元件选用直线运动的液压缸或气缸时，往往采用直接驱动方式;选用回转运动的电动机或液压电机时，若负载惯量和负载力矩较小，宜采用低速电机或采用低传动比的机械传动装置与负载相连，以得到较大的力矩惯量比，获得好的加速性能，而负载惯量较大时，宜采用高传动比的机械传动装置与负载相连，以便获得较高的驱动系统固有频率。上一页返回4.2典型执行元件执行元件是将控制信号转换成机械运动和机械能量的转换元件。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。电气式、液压式和气动式执行元件是三种最常用的执行元件，其具体特点见表4-1，下面我们对这三种执行元件分别进行分析。4.2.1电气执行元件电气式执行元件是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。对控制用电机性能除要求稳速运转之外，还要求加速、减速性能和伺服性能，以及频繁使用时的适应性和便于维护性。下一页返回4.2典型执行元件电气执行元件的特点是操作简便、便于控制、能实现定位伺服、响应快、体积小、动力较大和无污染等优点，但过载能力差、易于烧毁线圈、容易受噪声干扰。1.步进电机及其控制系统步进电动机伺服系统一般构成典型的开环伺服系统，其结构原理如图4-2所示。在开环伺服系统中，执行元件是步进电动机，它能将CNC装置输出的进给脉冲转换成机械角位移运动，并通过齿轮、丝杠带动工作台直线移动。步进电动机伺服系统中无位置、速度检测环节，其精度主要取决于步进电动机的步距角以及与之相连传动链的精度。上一页下一页返回4.2典型执行元件步进电动机的最高转速通常要比直流伺服电动机和交流伺服电动机低，且在低速时容易产生振动，影响加工精度。但步进电动机伺服系统的制造与控制比较容易，在速度和精度要求不太高的场合有一定的使用价值，特别适合于中、低精度的经济型数控机床和普通机床的数控化改造。(1)步进电动机的结构。我国使用的反应式步进电动机较多，图4-3所示是一典型的单定子、径向分相、反应式步进电动机的结构原理图。它与普通电动机一样，也是由定子和转子构成，其中定子又分为定子铁心和定子绕组。定子铁心由硅钢片叠压而成，定子绕组是绕置在定子铁心六个均匀分布的齿上的线圈，在径向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。上一页下一页返回4.2典型执行元件图4-3所示的步进电机可构成A,B,C三相控制绕组，故称三相步进电动机。若任一相绕组通电，便形成一组定子磁极，其方向即图中所示的NS极。在定子的每个磁极上，面向转子的部分，又均匀分布着5个小齿，这些小齿呈梳状排列，齿槽等宽，齿距角为9o。转子上没有绕组，只有均匀分布的40个齿，其大小和间距与定子上的完全相同。此外，三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1/3齿距，即30，如图4-4所示。当A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，B相磁极上的齿刚好超前(或滞后)转子齿1/3齿距角，C相磁极齿超前(或滞后)转子齿2/3齿距角。步进电动机每走一步所转过的角度称为步距角，其大小等于错齿的角度。错齿角度的大小取决于转子上的齿数，磁极数越多，转子上的齿数越多，步距角越小，步进电动机的位置精度越高，其结构也越复杂。上一页下一页返回4.2典型执行元件除上面介绍的反应式步进电机之外，常见的步进电动机还有永磁式步进电动机和永磁反应式步进电动机，它们的结构虽不相同，但工作原理相同。(2)步进电动机的工作原理。步进电动机的工作原理是:当某相定子绕组通电励磁后，吸引转子转动，使转子的齿与该相定子磁极上的齿对齐，实际上就是电磁铁的作用原理现以图4-5所示的三相反应式步进电动机为例来说明步进电机的工作原理。其定子上有A,B,C三对磁极，在相应磁极上有A,B,C三相绕组，假设转子上有四个齿，相邻两齿所对应的空间角度为齿距角，即齿距角为90o。上一页下一页返回4.2典型执行元件三相反应式步进电机的工作方式有三种:三相单三拍、三相双三拍、三相单双六拍。“三相”是指定子绕组数有A,B,C三相;“单”是指每次只有一相绕组通电(“双”是指每次有两相绕组同时通电);“拍”是指定子绕组的通电状态改变一次，例如“三拍”是指经过三次通电状态的改变，又重复以上通电变化规律。三相单三拍:当A相绕组通电时，转子的齿1,3与定子AA上的齿对齐若A相断电，B相通电，由于磁力的作用，转子的齿与定子的齿就近转动对齐，转子的齿2,4与定子BB上