第三章 执行元件的选择与设计ch

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只要连续地改变τ(0~T) 就可以得到 0~U 的连续平均电 压，从而达到连续改变电动机转速的目的。 实际应用的PWM系统，采用大功率晶体管代替开关K， 其开关频率一般为2000Hz。使功率放大器的晶体管工 作在开关状态下，开关周期 T（或频率）保持恒定， 用调整开关周期内晶体管导通时间的方法来改变输出， 以使电机两端获得宽度随时间变化的电压脉冲，从而 改变电枢电压的平均值达到调节电机转速的目的。
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一、直流(DC)伺服电动机及其驱动 二、交流(AC)伺服电动机及其驱动
由于直流伺服电动机具有优良的调速性能，因此长 期以来，在要求调速性能较高的场合，直流电动机调速 系统一直占据主导地位。 但直流伺服电动机结构上存在机械整流子、电刷维 护困难、造价高、寿命短、应用环境受到限制的缺点。 近年来交流驱动技术有了飞速的发展，它具有坚固 耐用、经济可靠及动态响应好等优点。因此，交流伺服 系统已在很大程度上取代了直流伺服系统。
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采用永久磁铁磁场的同步电动机不需要磁化电流控 制，只要检测磁铁转子的位置即可。这种交流伺服电动 机也叫做无刷直流伺服电动机（如 SM 型伺服电动机）。 由于它不需要磁化电流控制，故比IM型伺服电动机容易 控制。
机电一体化系统设计
第三章 执行元件的选择与设计
第一节
第二节 第三节 第四节
执行元件的种类、特点及基本要求
常用的控制用电动机 直流(DC)与交流(AC)伺服电动机及驱动 步进电动机及驱动
第一节
执行元件的种类、特点及基本要求
作用： 执行元件主要用来根据控制信息和指令，将来
自电、液压、气压等各种能源的能量转换成旋转运动、 直线运动等方式机械能，并完成要求动作的能量转换 装置。它在机电一体化系统中所处的位置参见下图：
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一、执行元件的种类及特点
根据使用能量的不同，可以将执行元件分为电气式、 液压式和气压式等几种类型。 (1) 电气(磁)式：是将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动 运行机构运动的。电动执行装置由于能源容易获得，使用 方便，所以得到了广泛的应用。 (2)液压式：是先将电能变换为液压能并用电磁阀改变压力 油的压力和流向，从而使液压执行元件驱动运行机构运动， 包括液压油缸、液压马达等。具有体积小、输出功率大等 特点。 (3)气压式：与液压式的原理相同，只是将介质由油改为气 体，包括气缸和气动马达。特点是重量轻、价格便宜。 (4)其它执行元件：与使用材料有关，如使用双金属片、形 状记忆合金或压电元件 。
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工作原理：直流伺服电动机的结构原理如下图所示，
由永磁体定子、线圈转子（电枢）、电刷和换向器组 成，磁场中的线圈通入电流时，就会产生电磁力，驱 动转子转动。为了得到连续的旋转运动，就必须随着 转子的转动角度不断改变电流方向，因此，必须有电 刷和换向器。
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直流伺服电动机的特点：
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（2）直流印刷电枢电动机：是一种盘形伺服电动机，电 枢由导电板的切口成形，裸导体的线圈端部起整流子 作用，这种空心式高性能伺服电动机大多用于工业机 器人、小型NC机床及线切割机床上。
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（3）大惯量宽调速直流伺服电动机：70年代研制成功。 它在结构上采取了一些措施，尽量提高转矩改善动态 特性，既具有一般直流电动机的各项优点，又具有小 惯量直流电动机的快速响应性能，易与较大的惯性负 载匹配，能较好地满足伺服驱动的要求，因此在数控 机床、工业机器人等机电一体化产品中得到了广泛应 用。
dP d (T ) T2 比功率 T dt dt J
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2. 体积小、重量轻
通常用执行元件的单位重量所能达到的输出功率或比 功率，即用功率密度或比功率密度来评价这项指标。 设执行元件的重量为 G，则 • 功率密度 ：P/G。 • 比功率密度： (T2/J)/G 。
3. 便于维修、安装
执行元件最好不需要维修，如无刷 DC 及 AC 伺服电动 机。
4. 宜于微机控制
根据这个要求，用微机控制最方便的是电气式执行元 件。因此机电一体化系统所用执行元件的主流是电气 式。
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第二节
常用的控制用电动机
控制用电动机有力矩电动机、脉冲（步进）电动机、 变频调速电动机、开关磁阻电动机和各种 AC/DC 电动机 等。控制用电动机是电气伺服控制系统的动力部件，是 将电能转换为机械能的一种能量转换装置，可在很宽的 速度和负载范围内进行连续、精确的控制。 控制用电动的基本控制形式：目标运动不同，电动 机及其控制方式也不同。步进电动机的开环方式、其它 电动机的半闭环方式和全闭环方式是控制用电动机的基 本控制方式。闭环方式比开环方式的伺服控制精度高。
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2. 直流伺服电动机与驱动 直流伺服电动机为直流供电，为调节电动机转速和方 向 , 需要对其直流电压的大小和方向进行控制。目前常用 晶闸管直流调速驱动和晶体管脉宽调速驱动两种方式。 （1）晶闸管（SCR，可控硅）直流驱动方式
A-阳极 K-阴极 G-门极
螺栓型
平板型
主要通过调节触发装置控制晶闸管的触发延迟角 ( 控制电 压的大小 ) 来移动触发脉冲的相位，从而改变整流电压的 大小，使直流电动机电枢电压的变化易于平滑调速。
缺点
可用商业电源；信 操作简便；编程容易； 瞬时输出功率大； 号与动力传送方向相 能实现定位伺服控制； 过载能力差；一旦 同；有交流直流之分；响应快、易与计算机 卡死，会引起烧毁 注意使用电压和功率。（CPU）连接；体积 事故；受外界噪音 小、动力大、无污染。 影响大。 气体压力源压力5- 气源方便、成本低； 功率小、体积大、 7×Mpa；要求操作人 无泄露污染；速度快、 难于小型化；动作 员技术熟练。 操作比较简单。 不平稳、远距离传 输困难；噪音大； 难于伺服。 液体压力源压力 输出功率大，速度快、 设备难于小型化； 20-80×Mpa；要求操 动作平稳，可实现定 液压源和液压油要 作人员技术熟练。 位伺服控制；易与计 求严格；易产生泄 算机（CPU）连接。 露污染。
• • •
有较高的响应速度、精度和频率，优良的控制特性等 优点； 由于使用电刷和换向器，故寿命较低，需要定期维修； 在位置控制和速度控制时，必须使用角度传感器来实 现闭环控制。
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直流伺服电动机的种类：
（1）小惯量直流伺服电动机：60年代研制，其电枢无槽， 绕组直接粘接固定在电枢铁心上，因而转动惯量小、 反应灵敏、动态特性好，适用于高速且负载惯量较小 的场合，否则需根据其具体的惯量比设置精密齿轮副 才能与负载惯量匹配，增加了成本。
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一、机电一体化系统对控制用电机的基本要求
1. 性能密度大，即功率密度和比功率大； 2. 快速性好，加减速扭矩大，频率特性好； 3. 位置控制精度高，调速范围宽，低速运行平稳，分 辨率高； 4. 适应启、停频繁的工作要求； 5. 可靠性高，寿命长。
二、控制用电动机的种类、特点及选用
不同的应用场合对控制用电动机的性能密度的要求不同：
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由于晶闸管本身的工作原理和电源的特点，导通后是利用 交流(50Hz)过零来关闭的，因此，在低整流电压时其输出 是很小的尖峰值的平均值，从而造成电流的不连续性。 晶闸管直流调速系统在上世纪 60~70 年代得到广泛应用， 目前主要用于大容量系统。
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（2）晶体管脉宽调速（PWM）驱动方式 原理：当在电枢绕组输入一个直流控制电压时，通过控制 开关周期 T 内的占空比μ 就可得到一个与之成比例的 平 均电压 Ua ，来给伺服电动机电枢回路供电。一个周期内 的平均电压为：
气 压 式 液 压 式
二、对执行元件的基本要求 1. 惯量小、动力大
表征执行元件惯量的性能指标： 直线运动——质量 m； 回转运动——转动惯量 J。 表征输出动力的性能指标：推力 F、转矩 T、功率 P。 另一种表征动力大小的综合性指标是比功率，它包含 了功率 P、加速性能 ε与转速 ω三种因素： P T T T T 2 比功率 J J 比功率还可以理解为功率的时间变化率：
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第三节 直流（DC）与交流（AC） 伺服电动机及驱动
一、直流(DC)伺服电动机及其驱动
1. 直流伺服电动机的特性及选用 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范 围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖 动领域中得到了广泛的应用。 由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成 熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统 的基础。因此，为了保持由浅入深的教学顺序，应该首 先很好地掌握直流拖动控制系统。
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伺服电动机控制方式的基本形式
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伺服－ servo （随动）： 系统由如此几种设备组成，它们可以连续地监测系统 的实际信息（位置、速度、加速度等），把这些信息 与理想的给定信号相比较，然后做出适当的必要的调 整以使差值为最小。
伺服电动机（servo motor）： 在伺服系统中用作执行元件的电动机。要求方便调速。
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宽调速直流伺服电动机是目前机电一体化闭环 伺服系统中应用较广泛的一种控制用电动机。 其主要特点：

– 调速范围宽、低速运行平稳；
– 负载特性硬、过载能力强，在一定的速度范围内可
以做到恒力矩输出，反应速度快，动态响应特性好。 – 当然，宽调速直流伺服电动机体积较大，其电刷易 磨损，寿命受到一定限制。

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PWM系统的优点： （1）主电路线路简单，需用的功率器件少； （2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发 热都较小； （3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000 左右； （4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应 快，动态抗扰能力强； （5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关 频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高； 由于功率晶体管比晶闸管具有更优良的特性，而且，目 前功率晶体管的功率、耐压等都已有了很大的提高，所 以在中小功率直流伺服驱动系统中，晶体管脉宽调制方 式（PWM）驱动系统得到了广泛的应用。
起停频率低：要求整个调速范围内均可稳定运动的机 械，主要要求的性能指标是功率密度；
起停频率高：不特别要求低速平稳的产品，主要要求 的性能指标是高的比功率。
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表3.3 伺服电动机的特点及应用实例
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表3.4 伺服电动机的性能比较
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表3.5 伺服电动机优缺点比较
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（1）常用交流伺服电动机 永磁同步型（SM）、电磁感应型（IM）伺服电动机。 在小功率伺服系统中，一般使用永磁式同步电动机， 因为它有优良的动态性能，过载能力大等优点。感应 型交流伺服电动机结构简单，质量轻，价格低，可用 做主轴电机。
（2）基本工作原理 检测交流伺服电动机（SM型/IM型）气隙磁场的大小 和方向，用电力电子变换器代替整流子和电刷，通过 控制与气隙磁场方向相同的磁化电流和与气隙磁场方 向相垂直的有效电流的方法，最终控制交流伺服电动 机主磁通量大小和转矩，实现对电机的有效控制。
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电动机 电磁式 电磁铁及其他 执 行 元 件 油 缸 液压式 液压马达 气 缸 气压式 气压马达 其 他 与材料有关
图3.1 执行元件的分类
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交流伺服电机 直流伺服电机 步进电机 其他电机 双金属片 状态记忆金属 压电元件
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表3.1 执行元件的特点以及优缺点
种类
电 气 式
特点
优点

一般的直流伺服电动机均配有专门的驱动器。
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伺服电动机与驱动器 电动机 驱动器
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宽调速直流伺服电动机应根据负载条件来选择。加 在电动机轴上的有两种负载，即负载转矩和负载惯量。
根据负载，电动机必须满足下列条件： ①在整个调速范围内，其负载转矩应在电动机连续 额定转矩范围以内； ②工作负载与过载时间应在规定的范围以内； ③应使加速度与希望的时间常数一致。 ④等效惯性负载与电机的转子惯量相匹配。 如果负载惯量达到转子惯量的三倍，灵敏度要受到 影响，当负载惯量比转子惯量大三倍时响应时间将降低 很多，而当惯量大大超过时，伺服放大器就不能在正常 条件范围内调整，必须避免使用这种惯性负载。