機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

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1、機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真Lecture5伺服控制系統(tǒng)的仿真與設(shè)計(jì)5.1常用伺服控制元件5.1.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移的變換器，分為轉(zhuǎn)動(dòng)式和直線式。步進(jìn)電機(jī)有反映式、永磁式和混合式三種類型。1.主要特點(diǎn)通過改變輸入脈沖的數(shù)量、頻率和順序可以控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。實(shí)現(xiàn)開環(huán)位置控制。定位自鎖能力，永磁式和混合式步進(jìn)電機(jī)在斷電后仍可自鎖.存在步距角誤差，但誤差不積累。轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速不受電源電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響。需要專用的驅(qū)動(dòng)電源，電源對(duì)電機(jī)的工作性能影響很大。啟動(dòng)頻率和最高運(yùn)行效率相差很大，啟動(dòng)頻率大小與負(fù)載慣量有關(guān)。常用于自動(dòng)化儀表和小功率位置伺服系

2、統(tǒng)2.選擇計(jì)算方法按位置精度要求選擇步距角。按啟動(dòng)速度、最大工作速度選擇驅(qū)動(dòng)頻率和最工作頻率。按啟動(dòng)負(fù)載和工作負(fù)載確定啟動(dòng)力矩和工作力矩。按慣頻率特性和局頻特性曲線效驗(yàn)電機(jī)的力矩。5.1.2直流電動(dòng)機(jī)1特點(diǎn)直流電動(dòng)機(jī)分為永磁式和電磁式兩種，電磁式的磁場(chǎng)由激磁繞組產(chǎn)生；永磁式的磁場(chǎng)由永磁體產(chǎn)生。直流電動(dòng)機(jī)在直流電壓的控制下可以輸出一定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)距，可以直接或通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)負(fù)載。具有很好的調(diào)速特性，調(diào)速范圍寬。電樞串電阻調(diào)速、改變電樞電壓調(diào)速、PWM調(diào)速、改變勵(lì)磁的恒功率調(diào)速，雙閉環(huán)直流調(diào)速等各種調(diào)速方式。較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)距、功率大、響應(yīng)速度快?？赏ㄟ^閉環(huán)實(shí)現(xiàn)調(diào)速、力矩和位置

3、伺服控制。永磁式直流電機(jī)可以工作堵轉(zhuǎn)狀態(tài)（轉(zhuǎn)速為零）。斷電不能自鎖，需要配置專用電磁制動(dòng)器才能實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)后的定位。輸出力矩與控制電流成正比，輸出轉(zhuǎn)速受到負(fù)載變化的影響。常采用線性驅(qū)動(dòng)和脈寬調(diào)制（PWM）驅(qū)動(dòng)兩種方式，線性驅(qū)動(dòng)適用于小功率電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，大功率電機(jī)宜采用PWM驅(qū)動(dòng)。常用于機(jī)器人，數(shù)控機(jī)床等高性能伺服控制系統(tǒng)。2.選擇方法按扭矩—轉(zhuǎn)速特性選取。畫出電機(jī)的轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性，并考慮電機(jī)的效率對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響（用ηT代替T）。使電機(jī)在整個(gè)工作范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速始終位于T—n曲線的下方。例1電機(jī)選擇計(jì)算(移動(dòng)型)螺母受力,螺母速度絲杠螺距,齒輪傳動(dòng)比,總效率電機(jī)轉(zhuǎn)速根據(jù)功率守恒

4、得到電機(jī)轉(zhuǎn)矩選擇Maxon公司的RE36直流電機(jī)功率70W額定電壓24V空在轉(zhuǎn)速6210rpm堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩783mNm最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩81.0mNm啟動(dòng)電流21.5A最大連續(xù)電流2.44A最大效率85%RE36特性曲線5.1.3交流伺服電動(dòng)機(jī)和同步電機(jī)1交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能好，調(diào)速范圍寬。輸出功率大。比步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)具有更大的輸出功率。通過閉環(huán)實(shí)現(xiàn)速度控制或位置控制。異步伺服電機(jī)的工作原理與普通的籠型異步電機(jī)基本相同，成本較低。調(diào)速方式變頻調(diào)速：改變電源的頻率和電壓2同步電動(dòng)機(jī)同步電機(jī)具有與步進(jìn)電機(jī)相近的特性，可工作于步進(jìn)方式，轉(zhuǎn)速不受負(fù)載變化的影響，穩(wěn)定性高，在整個(gè)調(diào)速

5、范圍內(nèi)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和過載能力保持不變。同步電機(jī)適用于高性能伺服系統(tǒng)，異步伺服電機(jī)適用于機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)及其它功率較大的伺服系統(tǒng)。5.1.4液壓與氣壓伺服元件1.液壓伺服元件液壓伺服元件主要有比例閥和伺服閥兩種控制閥，可以用小的直流信號(hào)對(duì)大功率的流量或壓力實(shí)現(xiàn)控制，其主要特點(diǎn)為：功率密度大，輸出功率大，帶載能力強(qiáng)。伺服閥與油缸、馬達(dá)組成液壓伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高性能位置，速度或力控制。響應(yīng)速度快，低速平穩(wěn)性好。具有自密封性，可適用于水下、化工等特殊環(huán)境。2.氣壓伺服元件氣壓伺服元件主要有開關(guān)閥和比例閥，其主要特點(diǎn)為：工作介質(zhì)來源于空氣，方便且無污染。反應(yīng)速度快。負(fù)載能力較差。無污染

6、，適用于各種生產(chǎn)線、食品或藥品的生產(chǎn)線。