机电一体化系统设计：第4章 执行元件及控制

2.晶闸管接口 晶闸管：是一种大功率电器元件，也称可控硅。 晶闸管特点：体积小、效率高、寿命长等优点，在计算机 自动控制系统中，可作为大功率驱动器件，实现用小功率 控件控制大功率设备。
VCC
R1 R2
控 制 信 号
SCR 1 3 RL
2
220V AC
图4-19 控制电路与单向晶闸管接口电路
4
3. 继电器输出接口
4.1 执行元件的分类
执行元件根据使用场合不同分为：
电动执行元件、气动执行元件、液压执行元件。
4.1.1 电动执行元件
将电能转换成机械能以实现往复运动或回转运动的电磁元件。
电动执行元件的种类： 常用的有直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机、 电磁制动器、继电器等。
电动执行元件的特点： 电动执行元件具有调速范围宽、灵敏度高、响应速度快、 无自转现象等性能，并能长期连续可靠地工作。 操作简单，易实现伺服控制，长时间过载易烧毁。
4.5.1 直线感应电动机
直线感应电动机可以看作是由普通的旋转感应电动机直接演变而来的。 图4-9 a表示一台旋转的感应电动机，设想将它沿径向剖开，并将定、转子 沿圆周方向展成直线，如图4-9 b，这就得到了最简单的平板型直线感应电 动机。 由定子演变而来的一侧称作初级，由转子演变而来的一侧称作次级。 直线电动机的运动方式可以是固定初级，让次级运动，此称为动次级；相 反，也可以固定次级而让初级运动，则称为动初级。
图4.-9 直线感应电机的形成
行波磁场：当初级的多相绕组中通入多相电流后，会产生一个
气隙基波磁场，但是这个磁场的磁通密度波Bδ是直线移动的，故 称为行波磁场。 同步速度：行波的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线 速度是一样的，称为同步速度。 切向电磁力：在行波磁场切割下，次级导条将产生感应电势和 电流。所有导条的电流和气隙磁场相互作用，便产生切向电磁力。 如果初级是固定不动的。那末次级就顺着行波磁场运动的方向作 直线运动。
4.2 直流电机的基本工作原理
任何电机的工作原理都是建立在电磁力和电磁感应这 个基础上的，直流电机也是如此。
图4.1 直流发电机的工作原理
图4.2 直流电动机的工作原理
直流电机的发展过程： 永磁定子→他励定子→稀土高强度永磁定子
图 直流电机转子铁芯
工业用直流伺服电机
直流伺服电机结构特点： • 大起动力矩
机械得到简化，提高了精度，减少了振动和噪声。 2）快速响应。用直线电动机驱动时，由于不存在中间传动机 构的惯量和阻力矩的影响，因而加速和减速时间短，可实现快速启 动和正反向运行。 3）可靠性高。仪表用的直线电动机，可以省去电刷和换向器 等易损零件，提高可靠性，延长使用寿命。 4）装配灵活性大。往往可将电动机和其它机件合成一体。
4.1.2 气动执行元件
将气体能转换成机械能以实现往复运动或回转运动的执行元件。 气动元件的种类： 实现直线往复运动的气动执行元件称为气缸；实现回转运动的 称为气动马达。 气动元件的特点： 操作简单，成本低； 动作不够平稳，功率小，不易小型化， 难于连续伺服控制； 低压，0.5～0.7兆帕，输出推力小； 压缩空气清洁，结构简单易维护。
图4-14 永磁式直线直流电动机
a) 单极 b) 两极 1－电枢绕组 2－极靴 3－励磁绕组 4－电枢铁心 5－非磁性端板 图4-15 电磁式直线直流电动机
4.5.3 直线步进电动机
直线步进电动机特点： 直接驱动、容易控制、定位精确等优点。
直线步进电动机种类：反应式、永磁式。
图4-16 永磁直线步进电动机工作原理
1.光电隔离技术
图4-17 正确的光电隔离
图4-18 不正确的光电隔离
由于一般计算机控制系统的接口芯片大都采用TTL电平，不能直接驱 动发光二极管，所叨通常在它们之间加一级驱动器，如7406和7407等。 需要注意，光电耦合器的输入、输出端两个电源必须单独供电，如图 4-17所示。否则，如果使用同一电源 (或共地的两个电源)，外部干扰信号可 能通过电源串到系统申来，如图4-18所示，这样就失去了隔离的意义。
UT 0V 0V
UT 0V
UT
U1+UT 0V
(a) (b) 图4-28 单极性PWM脉宽调制波形 (c)
U1+UT 0V 0V
U1+UT
US
US
US
0V
0V
0V
(a)
(b) 图4-27 双极性PWM脉宽调制波形
(c)
Title
Size B
Number
2．功率放大电路
1 2
功率放大器是PWM功率接口的主电路，分为单极性和双极性两种。
i A I msin t
i B I m sin(t
iC I m sin(t
4 ) 3
2 ) 3
图4.4 三相电流的波形图
(a) 钳放情况 (b) 星形连接接线图 图4.3 定子三相绕组
永磁式同步电机工作原理
交流伺服电机(永磁式同步电机+光电编码器)
4.4 步进电动机
图4-16 永磁直线步进电动机工作原理
4.6 直流电机的驱动控制
直流电机的驱动控制包括控制电路、驱动电路和接 口电路三个部分。目前，直流电机的驱动多采用开关型 PWM驱动控制方式，弱电控制电路和强电驱动电路之间 也相应采用开关型光电隔离方式接口连接。 4.6.1 开关型功率接口电路 光电隔离技术 晶闸管接口 继电器输出接口 固态继电器接口 大功率场效应管开关接口
工业用直流固态继电器
图4-22 步进电机驱动接口电路图
5.大功率场效应管开关接口 场效应管特点： 输入阻抗高，关断漏电流小、响应速度快，在计算机开 C 关量输出控制中也常作为开关元件使用。
G：控制栅极，D：漏极，S：源极。 当G为高电平时，源极与漏极导通，允许电流通过。否则，场效应管关断。
G
图4-23 N型大功率场效应管符号及元件
D1
D1 DC1
DC M OTO R
+
B
V1
D1
A -
DC
+
DC MOTOR
Q1 V1
V2 D2 D2 DC2
（ a）
（ b）
图4-29 功率放大电路
A
-
3
4
R1 V1 1K R5 5.1K Q2 Q4 D1 D3 R6 5.1K
Q1 R2 V2
A
Q6 DC
+ -
1K
DC MOTOR Q3 R3 V3 1K D2 D4 Q5
4.1.3 液压执行元件
液压执行元件是将液压能转换为机械能以实现往复运动或 回转运动的执行元件。
液压执行元件的种类： 液压执行元件分为液压缸、摆动液压马达和旋转液压 马达三类。 液压执行元件的特点： 中高压力，输出力巨大； 功率密度很大，机械刚性好，动态响应快； 制造工艺复杂、维护困难。 功率大，动作平稳，易实现伺服控制； 难于小型化，易泄漏污染。
滑差率：
vs v s vs
图4-10 直线感应电机的工作原理
a) 短初级 b) 短次级 图4-11 平板型直线感应电动机
图4-12 双边型直线感应电动机
平板直线电机
U型直线电机
图4-13 管型直线感应电动机的形成
4.5.2 直线直流电动机
直线直流电动机类型： 永磁式：功率小、体积小 电磁式：功率大、体积大
图4.6 三相四极反应式 步进电动机的结构示意图
三相三拍工作方式： 正向旋转A→B→C→A→ 步距角30º 反向旋转A→C→B→A→
(a) A相通电 (b) B相通电 (c) C相通电 图4.7 单三拍通电方式时转子的位置
三相六拍工作距角15º 反向旋转 A→AC→C→CB→B→BA→A→
T1 Q1 VS1 R1 100
T3
T5
D1
D2
D3 Q4 Q6 +15V
R4 100 R6 100
Ri
0.1
图4-31 PWM直流伺服系统驱动电路原理图
4.7 交流伺服电机控制 交流伺服系统优点：
1) 2) 3) 4) 5) 无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。 定子绕组散热比较方便。 惯量小，易于提高系统的快速性。 适应于高速大力矩工作状态。 同功率下有较小的体积和重量。
继电器特点：接触电阻小、流过电流大、耐高压；动作 可靠性和反应速度不及晶闸管。 继电器种类：电压线圈、电流线圈。
VCC UC UCC K? R1 220V AC
控 制 信 号
1K
1K
图4-20 继电器接口电路
4.固态继电器接口 固态继电器 (Solid State Relay)： 简称SSR，是用晶体管或晶闸管代替常规继电器的触 点开关，而在前级中与光电隔离器融为一体。 固态继电器种类：直流型固态继电器、交流型固态继电器。 固态继电器特点： 输入控制电流小、输出无触点、体积小、重量轻、无 机械噪声、无抖动和回跳、开关速度快、工作可靠。
第 4 章 执行元件及控制
4.1 执行元件的分类
4.2 直流电机的基本工作原理 4.3 三相异步电动机 4.4 步进电动机
4.5 直线电动机
4.6 直流电机的驱动控制 4.7 交流伺服电机控制
4.8 电-气比例阀、伺服阀
4.9 电-液比例阀、伺服阀
执行元件定义：
执行元件是根据来自控制器的控制信 息完成对受控对象的控制作用的元件，它 将电能或流体能量转换成机械能或其他能 量形式。
转子是光滑无槽铁心，线圈是用绝缘粘合剂贴在铁心表面。
• 小惯量转子
减小转子铁心直径，增加铁心长度；也采用空心转子铁心。 保证直流伺服电机起停的即时性。
• 改进结构使其具有良好的线性伺服性能。
4.3 三相异步电动机
旋转磁场
异步交流电机工作原理
图4.4 三相电流的波形图
(a) t=0 (b) t=T/6 (c) t=T/3 (d) t=T/2 图4.5 两极旋转磁场
(a) A相通电 (b) A、B相通电 (c) C相通电 (d) B、C相通电 图4.8 步进电动机通电方式
4.5 直线电动机
直线电动机：是一种不需要中间转换装置，而能直 接作直线运动的电动机械。 直线电动机种类： 直线感应电动机、直线直流电动机、直线步进电动机。 直线电动机传动优点： 1）精度高。直线电动机由于不需要中间传动机械，因而使整个
步进电动机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直 线位移的机电执行元件，每当输入一个电脉冲时，它便转过 一个固定的角度，这个角度称为步距角β，简称为步距。
三相两极步进电机
三相三拍工作方式： • 正向旋转A→B→C→A→步距角60º • 反向旋转A→C→B→A→
三相六拍工作方式： • 正向旋转A→AB→B→BC→C→CA→A→步距角30º • 反向旋转A→AC→C→CB→B→BA→A→
S
D
UT UT 4.6.2 直流电机PWM驱动方式 （PULSE WIDTH MODULATEUT ） 0V 0V 0V
1.PWM功率驱动接口工作原理
U1+UT 0V 0V U1+UT 0V U1+UT
US
US
US
0V
0V
0V
Title
Size B Date: File: 3 4 5
Number
29-Mar-2011 H:\机 电 一 体 化 教材 \机 电 一 体 化 课程 2010
R4 V4 1K
图4-30 H桥功率放大电路
4.6.3 IR2130S三相驱动控制集成芯片
U1 PWM1 PWM3 PWM5 PWM2 PWM4 PWM6 Vb1 Vb2 Vb3 Iv Vs1 Vs2 Vs3 2 3 4 5 6 7 28 24 20 13 26 22 18 1 +15V Vs1 C1 4.7u + + Vs2 C2 4.7u + Vs3 U C3 4.7u T2 Vb1 Vb2 Vb3 Q2 R2 100 T4 T6 V W IR2130S HO1 HO2 HO3 LO1 LO2 LO3 FLT ITRIP CACAO NC NC NC MGND 27 23 19 16 15 14 8 9 11 10 21 25 17 12 Q1 Q3 Q5 Q2 Q4 Q6 Q5 VS3 Q3 VS2 DC R3 100 R5 100 HIN1 HIN2 HIN3 LIN1 LIN2 LIN3 Vb1 Vb2 Vb3 Vso Vs1 Vs2 Vs3 15V
图4-25 PWM功率驱动接口组成框图
US
三角波发生器 电压合成
模拟电压控制信号
+5V UT R3 1K R4 1K
0V -(U1+UT)
电压比较
R5 1K US R6 1K
U1
R1 1K R2 1K -(U1+UT)
-5V
图4-26 PWM调制电路（电压-脉宽变换器）
U1>0V U1=0V 0V 0V 0V U1<0V