第3章 驱动方法

常用压电材料： 压电单晶：如压电石英 压电多晶：如压电陶瓷
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4）磁致伸缩驱动器
磁致伸缩效应是指铁磁材料和亚铁磁材料磁化状态的改变 导致其长度发生微小的变化，1840年焦耳就发现了这种现 导致其长度发生微小的变化，1840年焦耳就发现了这种现 象，因此也称为焦耳效应。 超磁致伸缩材料： 1972年，RFe2(R代表稀土元素Tb，Dy，Ho，Er，Sm及 1972年，RFe2(R代表稀土元素Tb，Dy，Ho，Er，Sm及 Tm等 的磁致伸缩在室温下是Fe、Ni等传统磁致伸缩材料的 Tm等)的磁致伸缩在室温下是Fe、Ni等传统磁致伸缩材料的 100多倍，这种材料被称为超磁致伸缩材料。 100多倍，这种材料被称为超磁致伸缩材料。 超磁致伸缩材料具有伸缩应变大，响应速度快，输出 力大等特点。 20世纪80年代末，德国柏林大学Kiese Wetter教授就 20世纪80年代末，德国柏林大学Kiese Wetter教授就 利用超磁致伸缩材料棒作为驱动元件研制成功世界上第一 台超磁致伸缩驱动器，已在造纸工业中进行商业化应用。 它的最大驱动力可达到1000 N，分辨率为2μm，速度可达 它的最大驱动力可达到1000 N，分辨率为2μm，速度可达 20mm/s。 20mm/s。
U c = K e Φn + T Ra Kt Φ
整理得到直流伺服电动机的机械特性表达式：
n= Uc Ra − T =n 0 − ∆n 2 K eΦ Kt K eΦ
由上式可知： （1）当电枢电压Uc一定时，转速n 与转矩T成线性关系。 （2）当电机空载即T＝0时
n = n0 = Uc K eΦ
电机加载后转速以斜率 下降。如图所示。
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直线液压缸一般与各种液压阀组成液压系统，可实现直线运 动。通过电液伺服阀可以实现对液压缸压力和流量的实时控 制，从而实现对液压缸推力和速度的控制。
典型的液压伺服闭环系统
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3.1.2 旋转执行元件
高温时
成功应用于医疗、航空航天领域，同时成功用在管接头及家 用电器中。
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3）压电效应驱动器 某些物质在外力作用下不仅几 何尺寸发生变化，而且内部出 现极化——表面上有电荷出现， 现极化——表面上有电荷出现， 形成电场；当外力消失时，材 料重新回复到原来的状态，电 场也随即消失，这种现象即称 为压电效应。 与此相反，如果将这些物质置 于电场中，则其几何尺寸也发 生变化。这种由于外电场作用 导致物质产生机械变形的现象 称为逆压电效应
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5、其它新型驱动器 1）静电驱动器
静电驱动器利用电荷间引力和 排斥力的互相作用顺序驱动电 极而产生平移或旋转运动。因 静电作用属于表面力，作用力 大小和元件尺寸的二次方成正 比，在尺寸很微小时，能够产 生很足的电量。 通过顺次移动加在定子上的电 压，从而使定子与转子之间产 生引力或排斥力，可以实现转 子回转。
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3.1 液压驱动
液压驱动以高压油液作为工作介质。驱动机构可以是开环的， 也可以是闭环的，可以是直线的或者旋转的。
3.1.1 直线液压缸
1、18—缸盖 11—活塞 12—活塞杆 3、13—进、出油口 7、8、9、15、16—密封圈 18— 11— 12— 13— 15、16—
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（二）直流伺服电机的机械特性 机械特性是指电机带负载的能力，一般用转速和转矩的关 系曲线来表示。首先应掌握的几个公式： 1、电磁转矩公式 T=KtφIa 式中，T－电磁转矩（N 式中，T－电磁转矩（N·m）； Kt－与电机结构有关的常数； Φ－磁极的磁通（Wb）； －磁极的磁通（Wb）； Ia－电枢（转子）电流（A）； －电枢（转子）电流（A •牢记：电磁转矩与电枢电流和磁通有关。
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直流伺服电机的定子磁极可以采用天然磁铁或电磁线圈。N 直流伺服电机的定子磁极可以采用天然磁铁或电磁线圈。N、 S构成一对磁极，形成由上到下的恒定磁场。如果在转子表面 粘上多层独立分匝的绕组（图中只画出了其中一匝），并通 以图示方向的电流，则根据左手定则，绕组将受到逆时针方 向的旋转力，而使转子逆时针旋转。 从图中我们还可看到，在直 流电机中，每匝绕组中的电 流要每180度换向一次，换 流要每180度换向一次，换 向则由和电机轴同轴安装的 换向片和电刷来完成。
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2）形状记忆合金驱动器
形状记忆合金(SMA)驱动器是利用形状记忆合金加热形状 形状记忆合金(SMA)驱动器是利用形状记忆合金加热形状 恢复(形状记忆效应) 恢复(形状记忆效应)时恢复力对外作功的特性来产生动 作和力的热驱动器。 一般金属： 外力作用 弹性 屈服点 塑性 应力消除 永久 变形 变形 变形 形状记忆合金 外力作用 低温时 塑性 变形 恢复 原形
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−
Ra Kt K eΦ 2
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Uc Ra n= − T =n 0 −∆n 2 K eΦ Kt K eΦ
（3）改变控制电压Uc或改变磁通φ都可以控制直流伺服电 机的转速或转向，前者称为电枢控制，后者称为磁场控制。 由于电枢控制具有响应迅速快、机械特性硬，调速特性线 性度好的优点，在实际中应用较多。右图为改变控制电压 Uc后得到的机械特性曲线。
N
定子
转 子
S
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在直流电机中，直流电机的转子电流由固定不动的电刷 提供，两个换向片分别和转子两端固联在一起，并和电 刷保持接触，每隔180度换向一次。 刷保持接触，每隔180度换向一次。
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液压传动优点：
1）液压油液可达到较高压力，使机构体积小，能得到较大的推 力或转矩，适用于大型机器人和大负载。 2）工作平稳可靠，噪声低。 3）压力流量可调，无需减速齿轮，易实现自动控制。 4）具有自润滑性能，机械效率高。
缺点：
1）油液粘度受温度变化影响，性能不稳定,且高温容易引起燃 ）油液粘度受温度变化影响，性能不稳定, 烧爆炸等危险。 2）液体存在泄漏，应用场合受限制。 3）需要专门的供油系统，成本高，需要维护。
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(二）单相交流伺服电机的调速和换向
右图所示为单相交流伺服电机的机械特性曲线，转速随负载 转矩的增加而下降。 调速：在一定负载转矩下， 控制电压U2越高，电机的 转速越高，不同的控制电 压对应着不同的转速。当 U2为零时，电机立即停转， 无自转现象。 换向：只要改变控制电压 与励磁电压的相位超前关 系即可，一般将控制电压 的相位改变180度。 的相位改变180度。
第三章 驱动方法
3.1 液压驱动 3.2 气压驱动 3.3 伺服电机驱动 3.4 步进电机驱动
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作业4 作业4
1、液压和气压传动的特点及二者的区别？
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概论
一、驱动器的作用
驱动器为机器人提供能量和动力。如果把连杆 和关节想象成机器人的骨骼，那么驱动器相当 于机器人的肌肉，它通过移动或转动连杆来改 变机器人的运动状态。
二、对驱动器的基本要求
1）驱动器必须有足够的功率对连杆进行加减速并 带动负载，即提供必要的运动速度和力（矩）。 2）驱动器自身必须轻便、经济、精确、灵敏、可 靠且便于维护。
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三、常用驱动器
1、 液压驱动器 早期机器人中应用非常普遍，现在也很常见。 2、 气动驱动器 主要应用于1/2自由度的开－关类型关节 主要应用于1/2自由度的开－关类型关节 3、步进电机 4、伺服电机 现在最常用的机器人驱动器，可分为 1）直流伺服电机 2）交流伺服电机
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作业
1、液压和气压传动的特点及二者的区别？
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作业
1、伺服电机和步进电机的性能有何不同？
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3.3 伺服电机驱动
交流伺服电机是近年来广泛采用的一种伺服电机。事实上， 这种电机的控制远比直流伺服电机复杂，但由于其电机维 护简单（无刷），控制电路稳定，而得到越来越普遍的应 用。
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河北科技一般结构
分类：交流伺服电机按相数分为单相电机和三相电机两种。 原理：两种电机都是使用符合要求的电源对定子绕组进行励 磁，并产生旋转磁场，从而拖动转子旋转。
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2、反电动势公式 E=Keφn 式中，E为反电势（V 式中，E为反电势（V）； Ke为与电机结构有关的常数；φ 为与电机结构有关的常数；φ 为磁极的磁通（Wb）；n为电枢转速（r/min）。 为磁极的磁通（Wb）；n为电枢转速（r/min）。 •牢记：反电势与转速和磁通有关。
单相交流伺服电机如何产生旋转磁场？ 单相交流伺服电机的定子有两套磁极，其相应绕组分别叫做 励磁绕组和控制绕组。
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