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1、机电一体化原理与应用第四章,2023年3月5日,4.1 典型载荷分析,载荷：执行机构设计计算的一项重要原始数据。分类：摩擦载荷、惯性载荷以及各种环境载荷等,2023年3月5日,4.1.1 摩擦载荷,1、定义 当两个物体间有相对运动或有相对运动的趋势时才产生摩擦载荷。它是两物体接触面上存在的一种阻止运动的力或力矩。2、分类 静摩擦和动摩擦 滚动摩擦和滑动摩擦 干摩擦、半干摩擦、湿摩擦。,2023年3月5日,3、摩擦力的计算1）静摩擦力按库仑摩擦定律得：fs一般在0.10.3以上。2）动摩擦力f一般在0.10.3以下。,2023年3月5日,3）干摩擦、半干摩擦符合库仑定律。4）湿摩擦湿摩擦与干摩擦
2、的机理截然不同，但为了计算方便工程上仍沿用摩擦系数的概念。一般f=0.0120.10。5）滚动摩擦,2023年3月5日,4、摩擦力矩摩擦力与其作用力臂的乘积即为摩擦力矩。5、减小摩擦载荷的措施减小正压力、摩擦系数和作用力臂。为了减小摩擦系数，可用滚动摩擦代替滑动摩擦，用湿摩擦代替干摩擦。,2023年3月5日,4.1.2 惯性载荷,1、产生条件 惯性载荷由于一定质量的物体具有加速度或角加速度才产生的。2、惯性载荷的计算1）回转运动惯性载荷的计算计算转动惯量、角速度、角加速度等参数。,2023年3月5日,计算等效转动惯量：,图中，L为低速轴，JL为转动惯量，h为高速轴，传动比为：,令Jlh为JL折
3、算到高速轴h上的折算转动惯量,2023年3月5日,若令效率为100%，根据能量守恒得：则惯性力矩M为 M=J,2023年3月5日,2）移动物体惯性载荷的计算 惯性力：F=ma,2023年3月5日,3、减小惯性力或惯性力矩的措施 减小质量或转动惯量 减小质量的方法：采用减轻孔，采用空心薄壁结构，选比重小、强度高的材料等可减小质量。,2023年3月5日,减小转动惯量的方法：合理布局回转部分的质量，使重心尽量靠近回转轴；对于减速传动链，减小折算到高速轴的转动惯量。,2023年3月5日,4.1.3 环境载荷,环境载荷指除了摩擦载荷和惯性载荷以外的载荷露天作用的系统受到的风载荷，高温作用下的温度载荷外载
4、荷的确定，要视具体情况而定，有的可以从理论上进行推导，有的需要借助于实验来测定。,2023年3月5日,4.2 负载的力矩特性,1、分析的目的为了选择电动机或其它原动机，使之满足功率的要求。2、确定设计载荷的方法计算法、类比法和实测法。,2023年3月5日,3、电动机克服负载力矩的两种典型情况一种为峰值力矩，它对应于电动机最严重的工作情况；一种为均方根力矩，它对应于电动机长期连续地变载荷工作的情况。,2023年3月5日,1）负载的峰值力矩特性折算到电动机轴上的负载力矩为 折算到电动机轴上的负载峰值力矩是总传动比的函数。,2023年3月5日,2）负载的均方根力矩特性折算到电动机轴上的均方根力矩为M
5、w作用在负载轴上的瞬时风力矩；Mf作用在负载轴上的瞬时摩擦力L负载轴的瞬时角速度；T载荷变化的周期it从电动机轴到负载轴的总传动比。,2023年3月5日,4.3传动链的精度分析,4.3.1传动精度的概念传动链传动精度：传动误差和空程误差1、传动误差：指输入轴单向转动时，输出轴转角的实际值相对于理论值的变动量,2023年3月5日,2023年3月5日,2、空程误差：输入轴正向回转变为反向回转时，输出轴在转角上的滞后量。,2023年3月5日,4.3.2提高传动精度的结构措施,提高零部件本身的精度；合理设计传动链，减少零部件制造、装配误差对传动精度的影响；采用消隙结构，以减少或消除空程误差。,2023
6、年3月5日,2023年3月5日,4.4 电动机传动（驱动）系统,1、伺服电动机分类交流电动机和直流电动机2、比较 交流电动机结构简单、价格便宜、维护工作量小，但起、制动及调速性能不如直流电动机。,2023年3月5日,3、选择电动机原则1）不需调速机械长期工作制、短时工作制和重复短时工作制的机械，应采用交流电机。,2023年3月5日,仅在某些操作特别频繁、交流电动机在发热和起、制动特性不能满足要求时，才考虑直流电动机。只需几级固定速度的机械，可采用多极交流电动机。,2023年3月5日,2、需要调速的机械1）转速与功率之积。转速与功率之积受换向器能力限制目前一般认为直流电动机该值最大为106kW.
7、r/min，当接近或超过该值宜采用交流电动机。,2023年3月5日,2）飞轮力矩。,2023年3月5日,3）在环境恶劣场合，宜采用无换向器、无火花、易密闭的交流电动机,2023年3月5日,4)交、直流电动机调速性能差不多,但交流电动机的飞轮力矩小，响应速度要快一些。,2023年3月5日,4.4.1 直流电动机一、特点具有良好的调速特性较大的起动转矩相对功率大快速响应结构复杂成本较高,2023年3月5日,二、分类 按激磁方式可分为电磁式和永磁式两种。电磁式的磁场由激磁绕组产生；永磁式的磁场由永久磁体产生。,2023年3月5日,2023年3月5日,三、直流伺服电动机的转矩特性,电压方程：转矩方程：
8、,2023年3月5日,将Ic代入转矩方程得：,2023年3月5日,2023年3月5日,2023年3月5日,1）当m0时，即电动机为堵转状态或起动状态，称Ms为堵转转矩（起动转矩）,2023年3月5日,2）Mm0时，即电动机为空载状态称0为空载转速,2023年3月5日,2023年3月5日,2023年3月5日,调节特性：,调节特性也为一组平行直线转矩一定，速度和电压成正比；转矩越大，启动电压越大;,Mm1 Mm2Mm3,2023年3月5日,四、总结1、直流伺服电动机的转矩特性是一组斜率相同的直线。每条转矩特性和一种电枢电压相对应，与轴的交点是该电枢电压下的理想空载角速度，与Mm轴的交点则是该电枢电
9、压下的启动转矩。,2023年3月5日,2、直流伺服电动机的调节特性也是一组斜率相同的直线。每条调节特性和一种电磁转矩相对应，与Uc轴的交点是启动时的电枢电压。,2023年3月5日,3、调节特性的斜率为正，说明在一定的负载下，电动机转速随电枢电压的增加而增加；而转矩特性的斜率为负，说明在电枢电压不变时，电动机转速随负载转矩增加而降低。,2023年3月5日,五、选择电机应考虑的几点1、要满足负载所需要的瞬时转矩和转速，即能够克服峰值负载所需要的功率；,2023年3月5日,2、当电动机的工作周期可以与其发热时间常数相比较，必须考虑电机的热定额问题。通常用负载的均方根功率作为确定电动机发热功率的基础。
10、,2023年3月5日,1）若电动机在峰值力矩下，以峰值转速不断地驱动负载，则电动机功率按下式估算：,2023年3月5日,2）若电机长期连续工作在变载荷之下时，比较合理的是按负载均方根来估算电动机功率：,2023年3月5日,六、驱动电路 直流电机为直流供电，为了调节电机的转速和方向，需要对直流电压的大小和方向进行控制。,2023年3月5日,目前广泛采用的直流伺服电机的晶体管驱动电路有：线性直流伺服放大器-小功率脉宽调制放大器（PWM）-大功率;低转速,2023年3月5日,1、线性直流伺服放大器组成：线性放大元件和功率输出级。线性放大元件:电压放大功率输出级:功率驱动两种输出形式:互补式输出和线性
11、桥式输出,2023年3月5日,V1和V2的作用？如何实现电机正反转？二极管的作用？,2023年3月5日,线性桥式输出,2023年3月5日,两种输出方式的区别：1)互补式需要两个电源，且晶体管的额定电压必须大于两个外加电压之和；2)桥式需要单个电源，且晶体管的额定电压就等于电源电压。,2023年3月5日,特点：功率消耗较大，适用于功率比较小、电枢具有较高阻抗的情况。,2023年3月5日,2、脉宽调制放大器 1）特点：功率管工作在开关状态，管耗小,通常用在大功率低转速的场合.,2023年3月5日,2）基本原理：利用大功率晶体管的开关作用，将直流电源电压转换成一定频率的方波电压，加在直流电动机的电枢
12、上，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，从而调节电机的转速。,2023年3月5日,Pwm包括两步：直流电压转换为方波脉冲；功率放大,2023年3月5日,2023年3月5日,线性桥式输出,2023年3月5日,电压、电流波形的电路原理图,2023年3月5日,（1）当UAB0时，Us的正、负脉宽相等，直流分量为零，V1和V4的导通时间与V2和V3的导通时间相等，流过电枢绕组中的平均电流等于零，电动机不转。但在交流分量作用下，电动机在停止位置处微振，这种微振有动力润滑作用，可消除电动机启动时的静摩擦，减小启动电压。,2023年3月5日,（2）当UAB0时，Us的正脉宽大于负脉宽，直流分量U1
13、大于零，V1和V4的导通时间长于V2和V3的导通时间，流过绕组中的电流平均值大于零，电动机正转，且随着U1增加，转速增加。,2023年3月5日,（3）当UAB0时，Us的直流分量U1小于零，电枢绕组中的电流平均值也小于零，电动机反转，且反转转速随着U1减小而增加。（4）当V1和V4或V2和V3始终导通时，电动机在最高转速下正转或反转。,2023年3月5日,锯齿波发生器,比较放大器,延时作用,延时作用,反相,2023年3月5日,4.4.2 交流电动机,一、特点1）结构简单、体积小、重量轻；2）转子惯量小，启动快，动态性能好；,2023年3月5日,3）调速范围宽，可达1：105；4）输出功率和转矩
14、较小；机械特性和调节特性的线性度不及直流伺服电动机好，其效率也较直流伺服电动机低。,2023年3月5日,二、分类 普通交流伺服电动机常用的转子绕组有鼠笼转子和空心杯转子两种。,2023年3月5日,1、鼠笼转子交流伺服电机的特点优点：单位输入功率具有的起动转矩较大;激磁电流较小;在相同性能指标时，体积和重量要比空心杯转子交流伺服电动机来得小;转子机械强度高，能在较恶劣的条件下可靠地工作。,2023年3月5日,缺点：转子转动惯量较大，低速运行时也不够平稳,2023年3月5日,2023年3月5日,2023年3月5日,2、空心杯转子交流伺服电机的特点优点：转子转动惯量小;转矩波动小;运转平稳，噪音小缺
15、点：激磁电流较大;体积和重量也较大;转子机械强度较差。,2023年3月5日,空心杯转子结构图1-空心杯转子；2-外定子；3-内定子；4-机壳；5-端盖,2023年3月5日,三、交流伺服电动机的转矩-转速特性,普通异步电机,伺服电动机,2023年3月5日,交流伺服电机的输出转矩为,2023年3月5日,交流伺服电机的转矩-转速特性,2023年3月5日,2023年3月5日,四、交流伺服电机的调速1、转速公式的推导以三相异步电动机为例。当三相交流电动机的三相对称绕组A、B、C中通以三相正弦平衡交流电时，在电机的气隙中产生旋转磁场，旋转同步转速为,2023年3月5日,电磁感应作用,转子转速为:,转差率为
16、:旋转磁场的同步转速和电动机转速之差与同步转速的比值,2023年3月5日,1）电动机起动瞬间:,（转差率最大）,2）转子最大转速：,3）,2023年3月5日,2、交流电机调速的方式改变极对数p；调节转差率s；改变供电电源频率f；,2023年3月5日,4.4.3 步进电机,一、定义步进电机：将电脉冲信号转换成机械角位移或线位移的执行元件。每外加一个脉冲信号，就运动一步。,2023年3月5日,2023年3月5日,二、特点1、直接实现数字控制，且控制性能好；2、通过采用开环方式对位置或速度进行控制；3、位置误差不会积累；4、具有自锁能力保持转矩,2023年3月5日,三、分类根据结构和工作原理的不同，
17、步进电机可分为：永磁式、变磁阻式和混合式三种。1、永磁式结构：转子由一对或多对极的星形永久磁铁组成，定子极上相应有两相或多相控制绕组。,2023年3月5日,2023年3月5日,特点：控制功率小，效率高；造价便宜；步距角一般为7.518；断电后有定位转矩；,2023年3月5日,2、变磁阻式（反应式）结构：转子和定子均由铁心组成。定子有若干对磁极，磁极上有控制绕组，每个磁极上均匀分布若干矩形小齿。转子的圆柱上均布小齿。,2023年3月5日,2023年3月5日,特点：结构简单，但转子阻尼差，噪音大，步距角一般为1.515之间。,2023年3月5日,3、混合式结构：定子结构与反应式相似，磁极上有控制绕
18、组。转子由环形永久磁铁构成。,2023年3月5日,2023年3月5日,2023年3月5日,特点：步距角一般为0.93.6之间；效率高；断电后有定位转矩；转子直径大，不利于高速响应,2023年3月5日,四.工作原理 1)基本工作原理就是电磁铁工作原理。,2023年3月5日,a)A相通电，B、C相不通电，转子齿1、3与A相定子齿对齐，转子齿2、4与B、C相在不同方向上错开30b)A相断电，B相通电，转子齿2、4与B相定子齿对齐，顺时针旋转30。c)B相断电，C相通电，同理转子顺时针旋转30。d)通电顺序为ABCA时，转子顺时针旋转。如改为ACBA时，转子反向（逆时针）转动。e)电流换接三次，磁场转
19、一周，转子前进一个齿距角（90）。,2023年3月5日,l按ABCA方式通电，称为三相单三拍运行（）。l按AABBBCCCAA方式通电，称为三相六拍运行（）。注：步距角 太大。,2)通电方式 以三相电机为例的通电方式单三拍、三相六拍及双三拍等。“单”每次只有一相绕组通电；“双”每次有两相绕组通电；“拍”通电次数（即从一种通电状态转到另一种通电状态）。,2023年3月5日,三相六拍工作方式：,2023年3月5日,2023年3月5日,三相双三拍工作方式,2023年3月5日,2023年3月5日,五、步进电机的运行性能1、步距角和静态步距误差1）步距角定义：每输入一个脉冲信号，转子转过的角度。,202
20、3年3月5日,公式：m：控制绕组的相数；zr：转子齿数；C：通电方式系数，单三拍或双三拍时C=1，单、双六拍C=2。步距角越小，分辨力越高，但当脉冲频率不变时，转子速度下降。,2023年3月5日,2）静态步距误差：由于定子、转子的齿距分度不均匀，定转子间气隙不均匀或铁心分段时的错位误差，使实际步距角和理论步距角之间存在偏差，称为静态步距角误差,2023年3月5日,2、静特性静特性指标：稳定状态时的特性，包括矩角特性、静转矩及静态稳定区等。,2023年3月5日,静止状态：当步进电动机得到连续控制脉冲时，各相绕组按预定通电方式轮流通电，转子便一步步转动。当控制脉冲停止时，某些相绕组仍通入恒定不变的
21、电流，这时转子将固定于最后一步的位置上保持不动。矩角特性：静止状态下，转子的转矩与转角之间的关系，即静态转矩与失调角之间的关系,2023年3月5日,静转矩：静止状态下的转矩不改变通电状态，只有某相绕组在额定电压作用下转子所受到的电磁转矩。转角：转子偏离零位后的角度，通常称失调角。零位：通电相定子齿与转子齿对齐的位置。,2023年3月5日,步进电机的静态稳定区：去掉负载后转子能回到零位的区域,2023年3月5日,当转子处于静止状态时，若转子上没有任何强制作用，则稳定平衡点是座标原点。如果在外力矩作用下使转子离开平衡点，那么只要失调角在-+或-时，转子就趋向前一齿后一齿的平衡点运动，而离开了正确的
22、平衡点，所以-+区域称作静稳定区。,2023年3月5日,2023年3月5日,3、动特性步进运行状态时的动特性若控制绕组通电脉冲的时间间隔大于步进电机机电过渡过程时间，这时电动机为步进运行状态，即电脉冲由A相切换到B相，转子转过一个步距角，但整个过程将是一个振荡的过程。,2023年3月5日,2023年3月5日,连续运行时的动特性动态转矩：步进电机在连续运行状态下工作时，电动机所产生的转矩。动特性：矩频特性、动稳定区、工作频率。矩频特性表示步进电机的最大动态转矩和脉冲频率的关系。,2023年3月5日,转矩和频率近似反比对应于某一频率，当负载转矩小于它在该频率的最大动态转矩时电机才能正常运转,202
23、3年3月5日,动稳定区步进电机从一种通电状态切换到另一种通电状态时，不至引起失步的区域。,2023年3月5日,2023年3月5日,工作频率定义：指步进电机按照指令的要求，进行不失步工作时的最大脉冲频率。失步包括丢步和越步。分类：步进电机的工作频率分为：起动频率、制动频率及连续工作频率。,2023年3月5日,六、步进电机的驱动电路组成：变频信号源、脉冲分配器、功率放大器。,2023年3月5日,2023年3月5日,1、变频信号源：能发出几HZ到2030KHz的连续可变信号发生器。2、脉冲分配器作用：把脉冲信号按一定的逻辑关系加到功率放大器上，使步进电机按一定的方式工作。脉冲分配器电路：用普通集成电
24、路实现；用专用集成电路实现；用微机实现,2023年3月5日,1）普通集成电路组成的三相六拍脉冲分配器电路,2023年3月5日,2）专用集成电路CH250、PMM8713等。采用专用集成电路有利于降低系统成本和提高系统的可靠性，而且使用维护方便。,2023年3月5日,2023年3月5日,3）微机控制用软件来实现脉冲分配器功能，由并行口送励磁信号去驱动电路。特点：功能灵活，微机负担加重。微机和专用集成芯片组成控制系统特点：可减轻微机的负担，组成多功能的步进电机驱动电路。,2023年3月5日,2023年3月5日,3、功率驱动器单电压型驱动电路适用于小型步进电机。,2023年3月5日,高低电压驱动电路
25、电路中有两种电源电压，接通或截至相电流时使用高电压；继续励磁期间使用低电压，把电压维持在额定值上。,2023年3月5日,特点：功耗小；效率高；大大提高步进电机的起动频率和最大运行频率。,2023年3月5日,单压斩波电路特点：通过电流反馈到斩波电路，控制功放管的开和关,使控制绕组电流维持在额定值附近。线路串联的检测电阻很小，运行性能好，效率高。,2023年3月5日,4、细分电路细分驱动：把步进电机的步距角减小，把原来的一步再细分若干，这样步进电机的运动近似地变为匀速运动，并能使它在任何位置不停步。,2023年3月5日,细分驱动的优点：1)不改变电动机结构参数的情况下，能使步距角减小，但细分后的齿距角精度不高，且驱动电源的结构也相应复杂。2)使步进电动机运行平稳，提高均匀性，并能减弱或消除振荡。,2023年3月5日,为了实现细分驱动目的，步进电机绕组用阶梯电流波供电。,2023年3月5日,2023年3月5日,
