机电一体化原理与应用.ppt
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1、机电一体化原理与应用机电一体化原理与应用第四章第四章5/21/20241机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4.1 4.1 典型载荷分析典型载荷分析载荷:载荷:执行机构设计计算的一项重要执行机构设计计算的一项重要原始数据原始数据。分类:摩擦载荷、惯性载荷以及各种分类:摩擦载荷、惯性载荷以及各种环境载荷等环境载荷等5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4.1.1 4.1.1 摩擦载荷摩擦载荷1 1、定义、定义 当两个物体间有相对运动或有相对运动的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
2、的力或力矩。触面上存在的一种阻止运动的力或力矩。2 2、分类、分类 静摩擦和动摩擦静摩擦和动摩擦 滚动摩擦和滑动摩擦滚动摩擦和滑动摩擦 干摩擦、半干摩擦、湿摩擦。干摩擦、半干摩擦、湿摩擦。5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 3、摩擦力的计算、摩擦力的计算1 静摩擦力静摩擦力按库仑摩擦定律得:按库仑摩擦定律得:fs一般在一般在0.10.3以上。以上。2 动摩擦力动摩擦力f一般在一般在0.10.3以下。以下。5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 3 干摩擦、半干摩擦干摩擦、半干摩擦符合库仑定律。符合库仑定律。4 湿摩擦湿摩擦湿摩擦与干摩擦的机理截然不同湿摩
3、擦与干摩擦的机理截然不同,但为但为了计算方便工程上仍沿用摩擦系了计算方便工程上仍沿用摩擦系数的概念。一般数的概念。一般f=0.0120.10。5 5 滚动摩擦滚动摩擦5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4 4、摩擦力矩、摩擦力矩摩擦力与其作用力臂的乘积即为摩擦摩擦力与其作用力臂的乘积即为摩擦力矩。力矩。5 5、减小摩擦载荷的措施、减小摩擦载荷的措施减小正压力、摩擦系数和作用力臂。减小正压力、摩擦系数和作用力臂。为了减小摩擦系数为了减小摩擦系数,可用滚动摩擦代可用滚动摩擦代替滑动摩擦替滑动摩擦,用湿摩擦代替干摩擦。用湿摩擦代替干摩擦。5/21/2024机电学院机电学院 机电
4、一体化机电一体化 4.1.2 4.1.2 惯性载荷惯性载荷1 1、产生条件、产生条件 惯性载荷由于一定质量的物体具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。有加速度或角加速度才产生的。2 2、惯性载荷的计算、惯性载荷的计算1 1 回转运动惯性载荷的计算回转运动惯性载荷的计算计算转动惯量、角速度、角加速计算转动惯量、角速度、角加速度等参数。度等参数。5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 计算等效计算等效转动惯量:转动惯量:图中图中,L L为低速轴为低速轴,J,JL L为转动惯量为转动惯量,h,h为高速轴为高速轴,传动比为:传动比为:令令J Jlhlh为为J JL
5、 L折算到高速轴折算到高速轴h h上的折算转动惯量上的折算转动惯量5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 若令效率为若令效率为100%,100%,根据能量守恒根据能量守恒得:得:则惯性力矩则惯性力矩M M为为 M=J M=J5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 2 2 移动物体惯性载荷的计算移动物体惯性载荷的计算 惯性力:惯性力:F=maF=ma5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 3 3、减小惯性力或惯性力矩的措施、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或转动惯量 减小质量的方法:减小质量的方法:采用减轻孔采用减轻孔,
6、采用空采用空心薄壁结构心薄壁结构,选比重小、强度高的材料选比重小、强度高的材料等可减小质量。等可减小质量。5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 减小转动惯量的方法:减小转动惯量的方法:合理布合理布局回转部分的质量局回转部分的质量,使重心尽使重心尽量靠近回转轴;量靠近回转轴;对于减速传动链对于减速传动链,减小折算到高减小折算到高速轴的转动惯量。速轴的转动惯量。5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4.1.3 4.1.3 环境载荷环境载荷环境载荷指除了摩擦载荷和惯性环境载荷指除了摩擦载荷和惯性载荷以外的载荷载荷以外的载荷露天作用的系统受到的风载荷露天作用的系
7、统受到的风载荷,高高温作用下的温度载荷温作用下的温度载荷外载荷外载荷的确定的确定,要视具体情况而定要视具体情况而定,有的可以从理论上进行推导有的可以从理论上进行推导,有的有的需要借助于实验来测定。需要借助于实验来测定。5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4.2 4.2 负载的力矩特性负载的力矩特性1 1、分析的目的、分析的目的为了选择电动机或其它原动机为了选择电动机或其它原动机,使之满足功率的要求。使之满足功率的要求。2 2、确定设计载荷的方法、确定设计载荷的方法计算法、类比法和实测法。计算法、类比法和实测法。5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 3
8、3、电动机克服负载力矩的两种典、电动机克服负载力矩的两种典型情况型情况一种为峰值力矩一种为峰值力矩,它对应于电动机它对应于电动机最严重的工作情况;最严重的工作情况;一种为均方根力矩一种为均方根力矩,它对应于电动它对应于电动机长期连续地变载荷工作的情况。机长期连续地变载荷工作的情况。5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 1 1 负载的峰值力矩特性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力矩为 折算到电动机轴上的负载峰值力折算到电动机轴上的负载峰值力矩是总传动比的函数。矩是总传动比的函数。5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 2
9、2 负载的均方根力矩特性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折算到电动机轴上的均方根力矩为M Mw w作用在负载轴上的瞬时风力矩;作用在负载轴上的瞬时风力矩;M Mf f作用在负载轴上的瞬时摩擦力作用在负载轴上的瞬时摩擦力L L负载轴的瞬时角速度;负载轴的瞬时角速度;TT载荷变化的周期载荷变化的周期i it t从电动机轴到负载轴的总传动比。从电动机轴到负载轴的总传动比。5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4.34.3传动链的精度分析传动链的精度分析4.3.14.3.1传动精度的概念传动精度的概念传动链传动精度:传动链传动精度:传动误差和空程误差传动误差和空程
10、误差1 1、传动误差:、传动误差:指输入轴单向转动时指输入轴单向转动时,输输出轴转角的实际值相对于理论值的变出轴转角的实际值相对于理论值的变动量动量5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 2 2、空程误差:、空程误差:输入轴正向回转变输入轴正向回转变为反向回转时为反向回转时,输出轴在转角上输出轴在转角上的滞后量。的滞后量。5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4.3.24.3.2提高传动精度的结构措施提高传动精度的结构措施提高零部件本身的精度;提高零部件本身的精度;合理设计传动链合理设计传动链,减少
11、零部件制减少零部件制造、装配误差对传动精度的影响;造、装配误差对传动精度的影响;采用消隙结构采用消隙结构,以减少或消除空以减少或消除空程误差。程误差。5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4.4 4.4 电动机传动电动机传动 驱动驱动 系统系统1 1、伺服电动机分类、伺服电动机分类交流电动机和直流电动机交流电动机和直流电动机2 2、比较、比较 交流电动机结构简单、价格便宜、交流电动机结构简单、价格便宜、维护工作量小维护工作量小,但起、制动及调但起、制动及调速性能不如直流电动机。速性能不如直流电动机。5/21/2024
12、机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 3 3、选择电动机原则、选择电动机原则1 1 不需调速机械不需调速机械长期工作制、短时工作制和重复长期工作制、短时工作制和重复短时工作制的机械短时工作制的机械,应采用交流电应采用交流电机。机。5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 仅在某些操作特别频繁、交流仅在某些操作特别频繁、交流电动机在发热和起、制动特性电动机在发热和起、制动特性不能满足要求时不能满足要求时,才考虑直流电才考虑直流电动机。动机。只需几级固定速度的机械只需几级固定速度的机械,可采可采用多极交流电动机。用多极交流电动机。5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电
13、一体化 2 2、需要调速的机械、需要调速的机械1 1 转速与功率之积。转速与功率之积。转速与功率之积受换向器能力限制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目前一般认为直流电动机该值最大为为10106 6kW.r/min,kW.r/min,当接近或超过该值当接近或超过该值宜采用交流电动机。宜采用交流电动机。5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 2 2 飞轮力矩。飞轮力矩。5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 3 3 在环境恶劣场合在环境恶劣场合,宜采用无换向宜采用无换向器、无火花、易密闭的交流电动机器、无火花、易密闭的交流电动机5/2
14、1/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4 4 交、直流电动机调速性能差交、直流电动机调速性能差不多不多,但交流电动机的飞轮力但交流电动机的飞轮力矩小矩小,响应速度要快一些。响应速度要快一些。5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 4.4.1 4.4.1 直流电动机直流电动机一、特点一、特点具有良好的调速特性具有良好的调速特性较大的起动转矩较大的起动转矩相对功率大相对功率大快速响应快速响应结构复杂结构复杂成本较高成本较高5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 二、分类二、分类 按激磁方式可分为电磁式和永磁按激磁方式可分为电磁式和永磁式两种。式两种
15、。电磁式的磁场由激磁绕组产生;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。永磁式的磁场由永久磁体产生。5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 三、直流伺服电动机的转矩特性三、直流伺服电动机的转矩特性电压方程:电压方程:转矩方程:转矩方程:5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 将将Ic代入转矩方程得:代入转矩方程得:5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 1
16、 1 当当m m0 0时时,即电动机为堵转状态或起动状态即电动机为堵转状态或起动状态,称称M Ms s为堵转转矩为堵转转矩 起动转矩起动转矩 5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 2 M2 Mm m0 0时时,即电动机为空载状态即电动机为空载状态称称0 0为空载转速为空载转速5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 调节特性:调节特性:mUeMm1Mm2Mm3=0调节特性也为一调节特性也为一组平行直线组平行直线转矩一定转矩一定,速度和速度和电压
17、成正比;电压成正比;转矩越大转矩越大,启动电启动电压越大压越大;Mm1 Mm2Mm35/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 四、总结四、总结1 1、直直流流伺伺服服电电动动机机的的转转矩矩特特性性是是一一组组斜斜率率相相同同的的直直线线。每每条条转转矩矩特特性性和和一一种种电电枢枢电电压压相相对对应应,与与轴轴的的交交点点是是该该电电枢枢电电压压下下的的理理想想空空载载角角速速度度,与与M Mm m轴轴的的交交点点则则是是该该电电枢枢电电压压下下的启动转矩。的启动转矩。5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 2 2、直直流流伺伺服服电电动动机机的的调调节节特
18、特性性也也是是一一组组斜斜率率相相同同的的直直线线。每每条条调调节节特特性性和和一一种种电电磁磁转转矩矩相相对对应应,与与U Uc c轴轴的的交交点点是是启启动动时时的的电电枢枢电电压。压。5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 3 3、调节特性的斜率为正、调节特性的斜率为正,说明在说明在一定的负载下一定的负载下,电动机转速随电电动机转速随电枢电压的增加而增加;而转矩特枢电压的增加而增加;而转矩特性的斜率为负性的斜率为负,说明在电枢电压说明在电枢电压不变时不变时,电动机转速随负载转矩电动机转速随负载转矩增加而降低。增加而降低。5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电
19、一体化 五、选择电机应考虑的几点五、选择电机应考虑的几点1 1、要满足负载所需要的瞬时转、要满足负载所需要的瞬时转矩和转速矩和转速,即能够克服峰值负即能够克服峰值负载所需要的功率;载所需要的功率;5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 2 2、当电动机的工作周期可以与、当电动机的工作周期可以与其发热时间常数相比较其发热时间常数相比较,必须必须考虑电机的热定额问题。通考虑电机的热定额问题。通常用负载的均方根功率作为常用负载的均方根功率作为确定电动机发热功率的基础。确定电动机发热功率的基础。5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 1 1 若电动机在峰值力矩下若电
20、动机在峰值力矩下,以峰以峰值转速不断地驱动负载值转速不断地驱动负载,则电则电动机功率按下式估算:动机功率按下式估算:5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 2 2 若电机长期连续工作在变载若电机长期连续工作在变载荷之下时荷之下时,比较合理的是按负比较合理的是按负载均方根来估算电动机功率:载均方根来估算电动机功率:5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 六、驱动电路六、驱动电路 直流电机为直流供电直流电机为直流供电,为了调为了调节电机的节电机的转速和方向转速和方向,需要对需要对直流电压的大小和方向直流电压的大小和方向进行进行控制。控制。5/21/2024机电学
21、院机电学院 机电一体化机电一体化 目前广泛采用的直流伺服电机目前广泛采用的直流伺服电机的的晶体管驱动晶体管驱动电路有:电路有:线性直流伺服放大器线性直流伺服放大器-小功率小功率脉宽调制放大器脉宽调制放大器 PWM PWM-大功率大功率;低转速低转速5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 1 1、线性直流伺服放大器、线性直流伺服放大器组成:组成:线性放大元件和功率输出线性放大元件和功率输出级。级。线性放大元件线性放大元件:电压放大电压放大功率输出级功率输出级:功率驱动功率驱动两种输出形式两种输出形式:互补式输出和线性互补式输出和线性桥式输出桥式输出5/21/2024机电学院机电
22、学院 机电一体化机电一体化 V1V1和和V2V2的作用的作用 如何实现电机正如何实现电机正反转反转 二极管的作用二极管的作用 5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 线性桥式输出线性桥式输出5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 两种输出方式的区别:两种输出方式的区别:1 1 互补式需要两个电源互补式需要两个电源,且晶体管且晶体管的额定电压必须大于两个外加电的额定电压必须大于两个外加电压之和;压之和;2 2 桥式需要单个电源桥式需要单个电源,且晶体管的且晶体管的额定电压就等于电源电压。额定电压就等于电源电压。5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电
23、一体化 特点:特点:功率消耗较大功率消耗较大,适用于功率比适用于功率比较小、电枢具有较高阻抗的较小、电枢具有较高阻抗的情况。情况。5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 2 2、脉宽调制放大器、脉宽调制放大器 1 1 特点:特点:功率管工作在开关状功率管工作在开关状态态,管耗小管耗小,通常用在大功率通常用在大功率低转速的场合低转速的场合.5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 2 2 基本原理基本原理:利用大功率晶体管的开关作用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将直流电源电压转换成一定频率的方波电压的方波电压,加在直流电动机的加在直流电
24、动机的电枢上电枢上,通过对方波脉冲宽度的通过对方波脉冲宽度的控制控制,改变电枢的平均电压改变电枢的平均电压,从而从而调节电机的转速。调节电机的转速。5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 Pwm包括两步:a)直流电压转换为方波脉冲;b)功率放大5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 线性桥式输出线性桥式输出5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 电压、电流波形的电路原理图5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 1 1 当当U UABAB0 0时时,U,Us s的的正
25、正、负负脉脉宽宽相相等等,直直流流分分量量为为零零,V,V1 1和和V V4 4的的导导通通时时间间与与V V2 2和和V V3 3的的导导通通时时间间相相等等,流流过过电电枢枢绕绕组组中中的的平平均均电电流流等等于于零零,电电动动机机不不转转。但但在在交交流流分分量量作作用用下下,电电动动机机在在停停止止位位置置处处微微振振,这这种种微微振振有有动动力力润润滑滑作作用用,可可消消除除电电动动机机启启动动时时的的静静摩摩擦擦,减减小小启启动电压。动电压。5/21/2024机电学院机电学院 机电一体化机电一体化 2 2 当当U UABAB00时时,U,Us s的正脉宽大于负脉宽的正脉宽大于负脉宽
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