机电一体化原理与应用课件.ppt
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- 机电 一体化 原理 应用 课件
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1、机电一体化原理与应用第四章11/19/20224.1 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2022-11-194.1.1 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
2、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。2022-11-193、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。NfFSSNfFf2022-11-193)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,但湿摩擦与干摩擦的机理截然不同,但为了计算方便工程上仍沿用摩擦为了计算方便工程上仍沿用摩擦系数的概念。一般系数的概念。一般f=0.0120.10。5 5)滚
3、动摩擦)滚动摩擦NRkFr2022-11-194 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,可用滚动摩擦为了减小摩擦系数,可用滚动摩擦代替滑动摩擦,用湿摩擦代替干摩代替滑动摩擦,用湿摩擦代替干摩擦。擦。2022-11-194.1.2 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
4、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。2022-11-19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,传动比为:为高速轴,传动比为:lhhli令令J Jlhlh为为J JL 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2022-11-19若令效率为若令效率为100%100%,根据能量守,根据能量守恒得:恒得:则惯性力矩则惯性力矩M M为为 M=J M=J2222121hlllhhl
5、hlliJJJJ2022-11-192 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=ma2022-11-193 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,采用空采用减轻孔,采用空心薄壁结构,选比重小、强度高的材心薄壁结构,选比重小、强度高的材料等可减小质量。料等可减小质量。2022-11-19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,使重心局回转部分的质量,使重心尽量靠近回转轴;尽量靠近回转轴;对于减速传动链,减小折算到对于减速传动链
6、,减小折算到高速轴的转动惯量。高速轴的转动惯量。2022-11-194.1.3 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,露天作用的系统受到的风载荷,高温作用下的温度载荷高温作用下的温度载荷外载荷外载荷的确定,要视具体情况而的确定,要视具体情况而定,有的可以从理论上进行推导,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。有的需要借助于实验来测定。2022-11-194.2 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
7、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。2022-11-193 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,它对应于电动一种为峰值力矩,它对应于电动机最严重的工作情况;机最严重的工作情况;一种为均方根力矩,它对应于电一种为均方根力矩,它对应于电动机长期连续地变载荷工作的情动机长期连续地变载荷工作的情况。况。2022-11-191 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
8、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。LpttlmGmtfptwpmLpiiJJJiMiMM)(22022-11-192 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。TTTLttlmGmtfiwmLrdtiiJJJTdtiM
9、TdtiMTM0002222)(1)(1)(12022-11-194.34.3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,输出轴转角的实际值相对于理论值的输出轴转角的实际值相对于理论值的变动量变动量tioi2022-11-192022-11-192 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,输出轴在转角上为反向回转时,输出轴在转角上的滞后量。的滞后量。2022-11-194.3.24.3.2提
10、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,减少零部件制合理设计传动链,减少零部件制造、装配误差对传动精度的影响;造、装配误差对传动精度的影响;采用消隙结构,以减少或消除空采用消隙结构,以减少或消除空程误差。程误差。2022-11-192022-11-194.4 4.4 电动机传动(驱动)系统电动机传动(驱动)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,但起、制动及调维护工作量小,但起、制动及调速性能不
11、如直流电动机。速性能不如直流电动机。2022-11-193 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,应采用交流短时工作制的机械,应采用交流电机。电机。2022-11-19 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,才考虑直流不能满足要求时,才考虑直流电动机。电动机。只需几级固定速度的机械,可采只需几级固定速度的机械,可采用多极交流电动机。用多极交流电动机。2022-11-192 2、需要调速的机械、需要调速的机械1
12、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/minkW.r/min,当接近或超过该,当接近或超过该值宜采用交流电动机。值宜采用交流电动机。2022-11-192 2)飞轮力矩。)飞轮力矩。2022-11-193 3)在环境恶劣场合,宜采用无换)在环境恶劣场合,宜采用无换向器、无火花、易密闭的交流电动向器、无火花、易密闭的交流电动机机2022-11-194)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
13、力矩小,响应速度要快一些。矩小,响应速度要快一些。2022-11-194.4.1 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2022-11-19二、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。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。2022-11-19 2022-11-19三、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
14、:转矩方程:转矩方程:acacRIEUmEmeEaKCEeEECKcMceMmIKICMeMMCK2022-11-19amEcaaccRKUREUImaEMcaMmRKKURKM将将Ic代入转矩方程得:代入转矩方程得:2022-11-19maEMeaMmRKKURKM e cUU令2022-11-192022-11-191 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(起动转矩)为堵转转矩(起动转矩)saeMmMRUKMmaEMeaMmRKKURKM2022-11-192 2)M Mm m0 0时,时,即电动机为空载状态即
15、电动机为空载状态称称0 0为空载转速为空载转速0EemKUmaEMeaMmRKKURKM2022-11-19tLsmLmtmsmaEMifMMifMMRKKf令2022-11-192022-11-19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,速度转矩一定,速度和电压成正比;和电压成正比;转矩越大,启动转矩越大,启动电压越大电压越大;Mm1 Mm2Mm32022-11-19 四、总结四、总结1 1、直流伺服电动机的转矩特性是一、直流伺服电动机的转矩特性是一组斜率相同的直线。每条转矩特性组斜率相同的直线。每条转矩特性和一种电枢电压相对
16、应,与和一种电枢电压相对应,与轴的轴的交点是该电枢电压下的理想空载角交点是该电枢电压下的理想空载角速度,与速度,与M Mm m轴的交点则是该电枢电轴的交点则是该电枢电压下的启动转矩。压下的启动转矩。2022-11-192 2、直流伺服电动机的调节特性、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,调节特性和一种电磁转矩相对应,与与U Uc c轴的交点是启动时的电枢电轴的交点是启动时的电枢电压。压。2022-11-193 3、调节特性的斜率为正,说明、调节特性的斜率为正,说明在一定的负载下,电动机转速随在一定的负载下,电动机转速随电
17、枢电压的增加而增加;而转矩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压不变时,电动机转速随负载转矩增加而降低。矩增加而降低。2022-11-19五、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,即能够克服峰值矩和转速,即能够克服峰值负载所需要的功率;负载所需要的功率;2022-11-192 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,必其发热时间常数相比较,必须考虑电机的热定额问题。须考虑电机的热定额问题。通常用负载的均方根功率
18、作通常用负载的均方根功率作为确定电动机发热功率的基为确定电动机发热功率的基础。础。2022-11-191 1)若电动机在峰值力矩下,以)若电动机在峰值力矩下,以峰值转速不断地驱动负载,峰值转速不断地驱动负载,则电动机功率按下式估算:则电动机功率按下式估算:LpLpM)5.25.1(mP2022-11-192 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,比较合理的是按荷之下时,比较合理的是按负载均方根来估算电动机功负载均方根来估算电动机功率:率:LrLrM)5.25.1(mP2022-11-19六、驱动电路六、驱动电路 直流电机为直流供电,为了调直流电机为直流供电,为了调节电
19、机的节电机的转速和方向转速和方向,需要,需要对对直流电压的大小和方向直流电压的大小和方向进进行控制。行控制。2022-11-19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(PWMPWM)-大功大功率率;低转速低转速2022-11-191 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
20、式输出和线性桥式输出桥式输出2022-11-19V1V1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?2022-11-19M0Us0 UsUcV1VD1AV2VD2VD3V3VD4V4B0 Us0Us线性桥式输出线性桥式输出2022-11-19两种输出方式的区别:两种输出方式的区别:1)1)互补式需要两个电源,且晶体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管的额定电压必须大于两个外加电压之和;电压之和;2)2)桥式需要单个电源,且晶体管桥式需要单个电源,且晶体管的额定电压就等于电源电压。的额定电压就等于电源电压。2022-11-1
21、9特点:特点:功率消耗较大,适用于功率比功率消耗较大,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。2022-11-192 2、脉宽调制放大器、脉宽调制放大器 1 1)特点:)特点:功率管工作在开关功率管工作在开关状态,管耗小状态,管耗小,通常用在大功通常用在大功率低转速的场合率低转速的场合.2022-11-192 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,加在直流电动机的的方波电压,加在直流电动机的电枢上,通过对方波脉冲宽度的电枢上,通过对方波脉冲宽度的控制,改
22、变电枢的平均电压,从控制,改变电枢的平均电压,从而调节电机的转速。而调节电机的转速。2022-11-19Pwm包括两步:a)直流电压转换为方波脉冲;b)功率放大2022-11-192022-11-19M0Us0 UsUcV1VD1AV2VD2VD3V3VD4V4B0 Us0Us线性桥式输出线性桥式输出2022-11-19OUb4Ub1V1V4VD2VD3V1V4VD2VD3tUb3Ub2V2V3V2V3UABOtOidO114223114223114id1id2tt UsU1 Us223电压、电流波形的电路原理图2022-11-19(1 1)当)当U UABAB0 0时,时,U Us s的正、
23、负脉宽相等,的正、负脉宽相等,直流分量为零,直流分量为零,V V1 1和和V V4 4的导通时间与的导通时间与V V2 2和和V V3 3的导通时间相等,流过电枢绕的导通时间相等,流过电枢绕组中的平均电流等于零,电动机不转。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,用,可消除电动机启动时的静摩擦,减小启动电压。减小启动电压。2022-11-19(2 2)当)当U UABAB00时,时,U Us s的正脉宽大于负脉的正脉宽大于负脉宽,直流分量宽,
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