Aktory elektromechaniczne

Mechatronika
i inteligentne systemy
produkcyjne
Aktory
1
Definicja aktora
Aktor (ang. actuator)
-elektronicznie sterowany człon wykonawczy.
Aktor jest łącznikiem między urządzeniem przetwarzającym
informację (mikroprocesorem) i procesem, którego parametry
należy zmieniać.
2
Umiejscowienie aktora w systemie
mechatronicznym
Energia
Sensory
Procesor
Aktory
Proces
3
Cechy aktora
•Aktory pozwalają nastawiać w określony sposób (kierować)
strumienie energii lub przepływy masy.
•Wielkością wyjściową aktora jest zazwyczaj energia mechaniczna.
•Wejście aktora jest sterowane elektrycznie (napięcie, prąd,
wypełnienie impulsu, częstotliwość, słowo cyfrowe).
•Wzmocnienie mocy potrzebne sterowania dużym strumieniem
energii za pomocą sygnału o małej mocy jest osiągane głównie na
drodze elektrycznej, hydraulicznej lub pneumatycznej.
4
Wymagania stawiane aktorom
• Duża dokładność nastawiania (pozycjonowania)
• Możliwie dobra dynamika nastawiania
Te dwie grupy wymagań stoją do siebie w opozycji. Osiąganie
dużej dokładności nastawiania odbywa się kosztem dynamiki i
odwrotnie. Problem udaje się znacząco zminimalizować w
zamkniętych obwodach sterowania położeniem (pozycją).
5
Czynniki ograniczające jakość
regulacji
•Dokładność wykonania elementów mechanicznych
•Tarcie i straty w przekładniach
•Efekty histerezy i nasycania (np. magnetycznego)
•Nieliniowe charakterystyki statyczne
•Zmiany w procesie podlegającym sterowaniu
6
Budowa aktora
Aktor składa się z:
- przetwornika energii,
- nastawnika energii.
Wielkością wejściową i wyjściową przetwornika energii jest energia,
choć zazwyczaj następuje jej zamiana w inną formę, np.
elektryczna->mechaniczna.
Wielkością wejściową nastawnika jest wspomniana wyżej wielkość
elektryczna (energia pobierana ze źródła sygnału jest wielokrotnie
mniejsza od energii przetwarzanej w przetworniku). Wielkością
wyjściową jest sterowanie przetwarzaniem energii.
7
Tendencja rozwojowa aktorów
•Początkowo aktory były prostymi urządzeniami wykonawczymi o
małej precyzji wykonania
•Z czasem zaczęto budować precyzyjne aktory, pozwalające na
sterowanie szeroką gamą procesów
•W celu zwiększenia wydajności aktorów zaczęto zaopatrywać je
w mikroprocesory, pozwalające na realizację podstawowych
algorytmów sterowania wprost na pokładzie aktora, co poprawiło
ich właściwości dynamiczne i zwiększyło dokładność bez
zwiększania precyzji wykonania.
8
Tendencja rozwojowa aktorów
- aktory inteligentne
•Dostarczenie aktorowi „inteligencji” pozwala na jego adaptację do
aktualnych warunków otoczenia, co poprawia nastawianie,
zmniejsza zużycie energii i zwiększa żywotność samego aktora.
Przykład – aktywne zawieszenie samochodu, przystosowujące się
do rodzaju nawierzchni.
•Aktor inteligentny jest w rzeczywistości prostym systemem
mechatronicznym.
9
Klasyfikacja aktorów
Aktory klasyfikuje się ze względu na formę energii pomocniczej, potrzebnej
do realizacji wybranego zadania. Najbardziej ogólny podział wyróżnia
aktory:
•Elektromechaniczne
•Hydrauliczne
•Pneumatyczne
•Niekonwencjonalne (inne)
10
Aktory elektromechaniczne
•Elektromagnesy
•Silniki prądu stałego
•Silniki prądu przemiennego
•Silniki krokowe
•Serwomechanizmy
•Inne
11
Aktory elektromechaniczne
Elektromagnesy, solenoidy: przetwarzają energię pola
magnetycznego wytworzonego wokół cewki z prądem na
przemieszczenie rdzenia metalowego lub magnesu stałego.
12
Aktory elektromechaniczne
Silniki prądu stałego:
(bez/)komutatorowe, z rdzeniem
kubkowym, z magnesami stałymi itd.
Silnik kubkowy
Źródło: http://pl.wikipedia.org/
Zasada działania
Źródło: http://pl.wikipedia.org/
13
Aktory elektromechaniczne
Silniki prądu przemiennego:
silniki asynchroniczne wymagają ścisłej
kontroli kąta obroty, ale są proste i tanie
silniki synchroniczne pozwalają na
wymuszenie prędkości obrotowej
zależnej tylko od częstotliwości prądu
przemiennego.
Źródło: http://pl.wikipedia.org/
14
Aktory elektromechaniczne
Silniki krokowe: komutacja jest realizowana układem elektronicznym, co
pozwala na precyzyjne wymuszenie kąta obrotu lub prędkości.
Źródło: http://pl.wikipedia.org/
15
Aktory elektromechaniczne
Serwomechanizmy: układy
nastawiania kąta obrotu w
zamkniętej pętli sprzężenia,
wykorzystują często silniki
kubkowe.
Źródło: http://pl.wikipedia.org/
16
Aktory hydrauliczne
•Siłowniki hydrauliczne:
przetwarzają energię płynu pod
dużym ciśnieniem (zazwyczaj
oleju) w energię mechaniczną
Źródło: http://pl.wikipedia.org/
17
Aktory pneumatyczne
•Siłowniki pneumatyczne:
przetwarzają energię gazu pod
dużym ciśnieniem (zazwyczaj
powietrza) albo ciśnieniem
mniejszym od atmosferycznego
w energię mechaniczną
•Przykład: młot pneumatyczny
18
Aktory niekonwencjonalne
•Piezoelektryczne
•Magnetostrykcyjne
•Elektrochemiczne
•Termobimetaliczne
Źródło: http://www.matint.pl/materialyelektrostrykcyjne.php
•Inne
Źródło: http://pl.wikipedia.org/
19
Najważniejsze parametry aktorów
•Siła nastawiania w funkcji prędkości
•Siła nastawiania w funkcji zakresu nastawiania
•Moc maksymalna w funkcji masy
20
Najważniejsze parametry aktorów
Siła nastawiania w funkcji prędkości
21
Najważniejsze parametry aktorów
Siła nastawiania w funkcji zakresu nastawiania
22
Najważniejsze parametry aktorów
Moc maksymalna w funkcji masy
23