plc第四章2012.ppt
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1、第四章 机电系统的驱动技术与执行装置,经由微处理器发出控制指令,经变换和放大后,通过执行机构转化为机械运动。,第四章 机电系统的驱动技术与执行装置,主要掌握内容:,1、负载载荷的计算。,2、相关传动比的计算与确定。,2、执行装置:DC、AC、步进电机的原理、特性、变速及其相关驱动电路。,第四章 机电系统的驱动技术与执行装置,第四章 机电系统的驱动技术与执行装置,第四章 机电系统的驱动技术与执行装置,例1:,设某伺服传动装置的运动要求及载荷数据如下: 1、运动要求 (1)正弦运动:振幅300,周期9s; (2)峰值要求:在转速LP=300/s时具有角加速度LP=570/s2. 2.载荷数据 摩擦
2、力矩Mf=490N.m;负载惯量:JL=1050kg.m2;风力矩和不平衡力矩:Mw=840N.m(只用于峰值工作状态) 试确定该伺服装置,并确定该传动装置的总传动比。,第四章 机电系统的驱动技术与执行装置,例2:,已知,拖板重量W=2000N,拖板与贴塑导轨之间的摩擦系数=0.06,车削时最大切削负载Fz=2150N(与运动方向相反),Y向切削分力Fy=4300N,要求导轨的进给速度1=10500mm/min,快速行程速度2=300mm/min,拖板最大行程为1150mm,定位精度0.01mm,滚珠丝杠名义直径d0=32mm,tsp=6mm,l=1400mm. 试确定合适的电机,并检查其起动
3、特性和工作速度。,4.1概述,选型,1、机电一体化机械系统的特殊要求,1)较高的定位精度。 2)良好的动态响应特性。 响应快、稳定性好。 3)无间隙、低摩擦、低惯量、大刚度。 4)高的谐振频率、合理的阻尼比。,4.1概述,选型,2、主要措施和手段,1)采用低摩擦阻力的传动部件和导向支撑件。,2)缩短传动链,提高传动与支承刚度。 大扭矩、宽调速的伺服电动机; 轴端预紧或预拉伸、滚珠丝杠副或滚动导轨副预紧消除间歇提高刚度。,3)选择合理(最佳)传动比,提高系统分辨率,减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量,尽可能的提高系统的加速能力,4)尽可能地减小或消除传动误差和反转误差、减少支承变形,最终缩
4、小反向死区误差。,5)改进和合理设计支承件和机架结构,提高刚度、减少振动和噪音。,4.1典型载荷分析,确定方法:类比法、计算法、实验法,4.1.1摩擦载荷,选型,计算:,4.1典型载荷分析,4.1.2惯性载荷,选型,1、计算:,2、折算,4.1.3环境载荷,4.1典型载荷分析,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。,4.2负载的力矩特性,1、分析的目的,选型,为了选择电动机或其它原动机,使之满足功率的要求,关键参数,2、确定设计载荷的方
5、法,计算法、类比法和实测法,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。,4.2负载的力矩特性,一、负载的峰值力矩特性(以雷达天线伺服驱动为例),选型,1、计算:,关键参数,4.2负载的力矩特性,一、负载的峰值力矩特性(以雷达天线伺服驱动为例),1、计算:,4.2负载的力矩特性,一、负载的均方根力矩特性(以雷达天线伺服驱动为例),选型,4.2负载的力矩特性,一、负载的均方根力矩特性(以雷达天线伺服驱动为例),选型,1均方根风力矩,4.2负载的力矩特性,一、负载的均方根力矩特性(以雷达天线伺服
6、驱动为例),选型,1均方根风力矩,4.2负载的力矩特性,一、负载的均方根力矩特性(以雷达天线伺服驱动为例),选型,2均方根摩擦力矩,3均方根惯性力矩,4.2负载的力矩特性,一、负载的均方根力矩特性(以雷达天线伺服驱动为例),选型,折算到电机轴上的负载均方根力矩为:,4.2负载的力矩特性,选型,3.最佳总传动比,配置传动比的目的:满足驱动元件与负载之间的匹配位移)、速度、加速度、转矩、惯量、传动精度(误差)相互匹配 由于机电一体化系统的传动负载、传动特性、传动精度、工作条件差异很大,齿轮传动部件传动比的配置应主要依据不同系统的实际工作情况与要求进行配置。,4.2负载的力矩特性,选型,3.最佳总传
7、动比,(1)折算负载峰值力矩最小的最佳传动比,实现了力的最佳传递。,针对各种目标的最佳传动比:,(2)折算负载均方根力矩最小的最佳传动比,实现了功率(能量)的最佳传递。,(3)加速度最大最佳传动比,能够提高负载的快速响应性,除考虑伺服电机与负载的最佳匹配外,还要考虑总传动比对系统的稳定性、精确性、快速性的影响。,4.2负载的力矩特性,3.最佳总传动比,选型,1折算峰值力矩最小的最佳总传动比,4.2负载的力矩特性,选型,2折算均方根力矩最小的最佳总传动比,3.最佳总传动比,4.2负载的力矩特性,选型,3转矩储备最大的最佳传动比,3.最佳总传动比,4.2负载的力矩特性,选型,4惯量匹配总传动比,3
8、.最佳总传动比,负载角加速度最大原则表明了:换算到电动机轴上的转动惯量正好等于电动机转子的转动惯量,此时电动机的输出转距一半用于加速 电机转子 ,一半用于加速 负载 ,达到了惯量负载和转距的最佳匹配。,4.2负载的力矩特性,选型,4. 总传动比的选择与确定,在一般情况下,可重点考虑如下几方面内容: 运动参量匹配 传递形式与类型 功率/力/力矩匹配 结构强度与刚度 转动惯量 系统响应特性(静态/动态) 传递精度传递间隙、平稳性、低速震荡(爬行现象),4.2负载的力矩特性,选型,偏离最佳值时的影响:,(1)功率传递欠佳,(2)总传动比偏大时,(3)总传动比偏小时,传动链加长、响应加快、力矩误差减少
9、、速度误差加大、利于低速性能,4. 总传动比的选择与确定,4.2负载的力矩特性,选型,总传动比的分配,(补充),(1)最小等效转动惯量原则 (2)重量最轻原则 (3)输出轴转角误差最小原则,4.3传动链的精度分析,一、传动精度的概念,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,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。,4.3传动链的精度分析,二、提高传动精度的结构措施,1、适当提高零部件本身的精度。,2、合理设计传动链:传动方式、传动级数、 传动比分配及布置。,3、采用消隙机构。,1中心距可调消隙。,2弹簧加载双片齿轮消隙。,3螺旋传动
10、的消隙。,4.3传动链的精度分析,3、采用消隙机构。,1中心距可调消隙。,4.3传动链的精度分析,3、采用消隙机构。,2弹簧加载双片齿轮消隙。,4.3传动链的精度分析,3、采用消隙机构。,3螺旋传动的消隙。,4.4.1直流伺服电动机,技术数据,了解DC电机的原理和类型;掌握其转矩特性并进行相关计算和选择、掌握PWM调速原理及相关驱动电路。,主要内容:,概述:原理,其通常输出功率为1600W,也可达数千瓦;电压有6、9、12、24、27、48、110、220V,4.4.1直流伺服电动机,习题,概述:分类,按照励磁方式:电磁式和永磁式。 按结构:一般电枢式、无槽电枢式、印刷电枢式、绕线盘 式、空心
11、杯转子、无刷式等 按控制方式:磁场控制式和电枢控制式,例如:28SY03-C,4.4.1直流伺服电动机,习题,概述:结构特点,4.4.1直流伺服电动机,习题,概述:结构特点,4.4.1直流伺服电动机,习题,概述:结构特点,4.4.1直流伺服电动机,习题,概述:结构特点,4.4.1直流伺服电动机,力矩曲线,技术数据,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,习题,一、转矩特性,动态参数,4.4.1直流伺服电动机,力矩曲线,技术数据,习题,一、转矩特性,动态参数,4.4.1直流伺服电动机,一、转矩特性,动态方程,Ra:电枢电阻,KE:电势常数,KM:转矩常数,m
12、:电枢转速Mm:电动机转矩,Uc:电枢绕组的控制电压,4.4.1直流伺服电动机,1特性曲线,一、转矩特性,4.4.1直流伺服电动机,2调速特性,一、转矩特性,特点:线性调速,且当Ra较大时,Ia基本不变,可进行恒转矩调速。,4.4.1直流伺服电动机,2调速特性,一、转矩特性,特点:非线性调速,转矩波动较大,可进行恒功率调速。,4.4.1直流伺服电动机,2调速特性,一、转矩特性,特点:非线性调速,为有级调速,同时损耗较大,可用于小功率场合。,4.4.1直流伺服电动机,二、选用,低速性能、快速性、调速范围、机械硬度和强度,1、功率,2、惯量匹配:,3、性能:,=0.70.9,第四章 机电系统的驱动
13、技术与执行装置,例1:,设某伺服传动装置的运动要求及载荷数据如下: 1、运动要求 (1)正弦运动:振幅300,周期9s; (2)峰值要求:在转速LP=300/s时具有角加速度LP=570/s2. 2.载荷数据 摩擦力矩Mf=490N.m;负载惯量:JL=1050kg.m2;风力矩和不平衡力矩:Mw=840N.m(只用于峰值工作状态) 试确定该伺服装置,并确定该传动装置的总传动比。,二、选用,第四章 机电系统的驱动技术与执行装置,例1:解,1计算正弦运动时的角速度和角加速度,二、选用,第四章 机电系统的驱动技术与执行装置,例1:解,2选择电机所需电机功率,二、选用,负载均方根力矩:,所需功率:,
14、2选择电机选取电机,第四章 机电系统的驱动技术与执行装置,例1:解,二、选用,2选择电机选取电机,第四章 机电系统的驱动技术与执行装置,例1:解,3计算负载力矩特性折算负载均方根力矩特性,二、选用,确定传动比it待选区为:464,757,第四章 机电系统的驱动技术与执行装置,例1:解,3计算负载力矩特性折算负载峰值力矩特性,二、选用,确定传动比it待选区为:127,605,故:同时满足两种工作状态的总传动比待选区为:464,605,第四章 机电系统的驱动技术与执行装置,例1:解,4总传动比确定按折算负载均方根力矩最小选择,二、选用,故:最后拟确定it=600,按折算负载峰值力矩最小选择,按转矩
15、储备最大选择,按惯量匹配选择,第四章 机电系统的驱动技术与执行装置,例1:解,5校核正弦状态时的功率校核,二、选用,峰值工作状态时的校核,故:所选电机满足工作要求,4.4.1直流伺服电动机,驱动器,晶闸管驱动,三、驱动,晶闸管直流脉宽调速驱动:,大功率,大容量,过载能力强,调速范围一般可达100-150r/min,晶体管直流脉宽调制驱动:,需用较少的可控器件,功率因数高,快速性好,调速范围可达6000-10000r/min,概述,通过对晶闸管触发角的控制来控制电机电枢电压以达到调速的目的,后者相对前者,功耗低,效率高,有利于克服伺服电机的静摩擦,同时体积小,价格低,工作可靠等。,线性功率放大器
16、和PWM功率放大器,4.4.1直流伺服电动机,互补式,驱动器,晶闸管驱动,三、驱动,1、晶体管功率输出级,1T1、T2:功率放大。注:工作于饱和状态即开关状态 2二极管:续流,防止晶体管被反电势击穿。,元件:,电机正反转的实现,过程:,控制简单,但需要两个电源,晶体管承受两倍电源电压。,优缺点:,4.4.1直流伺服电动机,线性桥式,驱动器,晶闸管驱动,三、驱动,1、晶体管功率输出级,1T1、T2、T3、T4:功率放大。 2二极管:续流,防止晶体管被反电势击穿。,元件:,电机正反转的实现,过程:,只需1个电源,晶体管承受1倍电源电压。,优缺点:,4.4.1直流伺服电动机,利用大功率晶体管的开关作
17、用,将直流电源电压转换成一定频率的方波电压,加在直流电机的电枢上,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。,三、驱动,2、PWM(pulse width modulation)脉宽调制调速( PWM功率放大器 ),结构方框图及原理,4.4.1直流伺服电动机,驱动器,1控制原理,二、驱动,2、PWM脉宽调制调速,转速的控制转换为平均电压的控制,进而转换为时间长短的控制,4.4.1直流伺服电动机,驱动器,1控制原理,二、驱动,2、PWM脉宽调制调速,周期不变,脉宽,脉宽,脉宽,脉宽,平均直流电压,U,t,周期不变,4.4.1直流伺服电动机,2PWM原理,原理图,二、驱动,2
18、、PWM脉宽调制调速,Va:锯齿波信号,Vin:速度控制电压,Vo:调零电压, ,Vc为幅值相等宽度不等的矩形波信号,4.4.1直流伺服电动机,2PWM原理,原理图,三、驱动,2、PWM脉宽调制调速,电压比较器,4.4.1直流伺服电动机,2PWM原理,锯齿波脉宽调制器波形图,VIN=0,三、驱动,2、PWM脉宽调制调速,A、将控制电压Vin转换成宽度可调的方波Vc,而开关功率放大器输出的电压波形和VC相同,不过功率增大,可直接驱动伺服电机。B、当VC为正负对称矩形波,所以直流分量为零,伺服电机不会转动,只是在交流分量的作用下在停止的位置处微振,这对克服起动时的静摩擦有利。,4.4.1直流伺服电
19、动机,2PWM原理,锯齿波脉宽调制器波形图,VIN0,三、驱动,2、PWM脉宽调制调速,A、Vin0时,Vc正脉冲宽负脉冲窄,功率放大后驱动电机,由于直流分量为正,故电机正转。 B、 Vin越大,当VC为正脉冲越宽,直流分量越大,正向旋转越快。,4.4.1直流伺服电动机,2PWM原理,锯齿波脉宽调制器波形图,三、驱动,2、PWM脉宽调制调速,A、Vin0时,Vc正脉冲窄负脉冲宽,功率放大后驱动电机,由于直流分量为负,故电机反转。 B、 Vin越负,当VC为负脉冲越宽,负直流分量越大,反向旋转越快。,VIN0,4.4.1直流伺服电动机, PWM放大器电路图,三、选用,2PWM原理,三、驱动,2、
20、PWM脉宽调制调速,4.4.1直流伺服电动机,驱动器,晶闸管驱动,三、驱动,脉宽调制(PWMpulse width modulation)控制的位置伺服系统,4.5.2交流电动机,4.5.2交流电动机,一、分类,4.5.2交流电动机,一、分类,1、异步型(反应式)(IM):空心杯转子式、鼠笼式,2、同步型(SM):电磁式、非电磁式,永磁式同步电动机(无刷直流伺服电机):优点:结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高,和直流电机相比,它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和异步电动机相比,它由于不需要无功励磁电流,因而效率高,功率因数高,力矩惯量比大,定子电流和定子电阻损耗减小,且转子参数可测、控
21、制性能好;缺点:但它与异步电机相比,也有成本高、起动困难等缺点,鼠笼式:优点:单位输入功率具有较大的起动转矩,激磁电流小,同样体积和重量较小;缺点:转动惯量较大。低速运行不够平稳。,空心杯式:优点:转动惯量小,转矩波动小,运转平稳,噪声小。;缺点:激磁电流大,体积和重量大,机械强度较差。,例如:稀土永磁电机的单台容量已超过1000KW ,最高转速已超过 300000r/min ,最低转速低于0.01r/min ,最小电机的外径只有 0.8mm ,长 1.2mm 。,4.5.2交流电动机,一、分类,4.5.2交流电动机,复习:三相异步电机的转矩转速特性,4.5.2交流电动机,复习:三相异步电机的
22、转矩转速特性,4.5.2交流电动机,复习:三相异步电机的转矩转速特性,4.5.2交流电动机,根据转矩公式,得特性曲线:,复习:三相异步电机的转矩转速特性,4.5.2交流电动机,复习:三相异步电机的转矩转速特性,4.5.2交流电动机,复习:三相异步电机的转矩转速特性,4.5.2交流电动机,复习:三相异步电机的转矩转速特性,4.5.2交流电动机,复习:三相异步电机的转矩转速特性,4.5.2交流电动机,复习:三相异步电机的转矩转速特性,4.5.2交流电动机,复习:三相异步电机的转矩转速特性,4.5.2交流电动机,二、转矩转速特性,4.5.2交流电动机,三、调速方法,4.5.2交流电动机,三、调速方法
23、,1、改变极对数P:,有级调速,3、变频调速f:,为低效型,2、调节转差率S:,可实现平滑调速,调速范围宽、效率和功率因数高,调速的动态特性好等特点。,4.5.2交流电动机,变频调速的几个问题:,a、变频调速有什么优点?(为什么?),b、变频调速怎样实现?,所依据的理论基础,硬件电路如何实现,c、变频调速后系统有怎样的转矩特性?,d、怎样使用变频调速?,变频器的选择,如何与传动装置配合,常用参数设定,4.5.2交流电动机,变频器分类,四、变频调速,按变换环节分类:,A、交-直-交变频器,B、交-交变频器,4.5.2交流电动机,变频器分类,四、变频调速,按变换环节分类:,A、交-直-交变频器,B
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- plc 第四 2012
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