第三章执行元件的选择与设计

n1称为同步转速
f 50Hz, p 1, n1 3000 转/ 分
转差率
( s ) 的概念：
n1 n s 100 % n 1
转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差。即：
60 f n 1 S p
f
p
电流频率 极对数
电动机转速和旋转磁场同步转速的关系
定子
Z
三相定子绕组：产生旋转磁场。 转子：在旋转磁场作用下， 产生感应电动势或 电流。 线绕式 鼠笼式 转子
C
B
X
鼠笼转子
机 座
旋转磁场的产生
异步机中,旋转磁场代替了旋转磁极 (•)电流出
A
n1
Z B
i A I m sin t
iB I m sin t 120
Y
iC I m sin t 240
二、直流电动机工作原理与运行特性
二、直流电动机的电磁转矩和电压平衡方程
1．电磁转矩 T
T CTI a
CT ——转矩常数
2．电枢电动式 E
E Cen
Ce ——电动势常数
二、直流电动机工作原理与运行特性
二、直流电动机的电磁转矩和电压平衡方程
3．电枢回路电压平衡方程式
U E Ra I a
第三章 执行元件的选择与设计
第一节 执行元件的种类、特点及基本要求
一、执行元件的种类及特点
执行元件是工业机器人、CNC机床、各种自动机械、信息处理 计算机外围设备、办公室设备、车辆电子设备、医疗器械、各种光 学装置、家用电器(音响设备、录音机、摄像机、电冰箱)等机电一 体化系统(或产品）必不可少的驱动部件。 执行元件是处于机电一体化系统的机械运行机构与微电子控制 装置的接点(联接)部位的能量转换元件，能在微电子装置的控制下， 将输入的各种形式的能量转换为机械能。
一、执行元件的种类及特点
(3)气压式执行元件 气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液压式执行 元件无什么区别。具有代表性的气压执行元件有气缸、气压马达等。 气压驱动且可得到较大的驱动力、行程和速度。但由于空气粘性差， 具有可压缩性，故不能在定位精度较高的场合使用。
一、执行元件的种类及特点
一、执行元件的种类及特点
一、执行元件的种类及特点
（1）电气式执行元件
电气式执行元件包括控制用电动机(步进电动机、DC和AC
伺服电动机)、静电电动机、滋致伸缩器件、压电元件、超声波 电动机以及电磁铁等。其中，利用电磁力的电动机和电磁铁，因 其实用、易得而成为常用的执行元件。对控制用电动机的性能除 了要求稳速运转性能之外，还要求具有良好的加速、减速性能和 伺服性能等动态性能以及频繁使用时的适应性和便于维修性能。
脉宽调制(PWM)直流调速原理：
1 Ua T
Udt T U U
0


三、直流伺服电机及驱动
电动机双向调速原理
四、交流(AC)伺服电动机及其驱动
1 三相异步电动机的结构
由定子(固定部分)和转子(旋转部分)两个部分组成 。
定子构成：由机座和装在机座内的圆筒形铁心以及其中的三相定子绕组组成 机座：是用铸铁或铸钢制成的
分为鼠笼式和绕线式两种
鼠笼式异步电动机若去掉转子铁心，嵌放在铁心槽中的转子绕组，就 象一个“鼠笼”，它一般是用铜或铝铸成。
四、交流(AC)伺服电动机及其驱动
2 三相异步电动机工作原理
磁场旋转
磁铁
n1
N
f
e方向用 右手定则 确定
n
e i
S
f方向用 左手定则 确定
闭合 线圈
磁极旋转
导线切割磁力线产生感应电动势
C
iA
iB
iC
t
Im
X
()电流入
iA
Z
A
iA
iB
iC
t
X Y
Im
B
Fra Baidu bibliotek
iC
iB
C
A
Y
N
Z
t 0
合成磁场方向： 向下
C
B
S
X
iA
同理分析，可得 其它电流角度下 的磁场方向：
iB
iC
t
Im
n1
A Y
60
Z Y
n1
S
A
n1
Z C Y
A
N
B X C
S
N
X
Z
B
C S
N B
X
t 60
t 120
二、直流电动机工作原理与运行特性
三、直流电动机的机械特性
1．当电动机稳定运行时
与负载转矩相平衡时 U 产生 I a 产生 T T n n1 ( 稳定)
E 稳定
平衡 (2–2)
此时工作点对应下图 的 a 点上。
二、直流电动机工作原理与运行特性
三、直流电动机的机械特性
电动机转速（额定转速）:
n
异步电动机
电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致， 但
n n1
提示：如果
n n1
转子与旋转磁场间没有相对运动
无转子电动势（转子导体不切割磁力线） 无转子电流 无转距
转矩公式的推导
电磁转矩 T：转子中各载流导体在旋转磁场的作用下,
受到电磁力所形成的转距之总和。
T KTΦm I 2 cos2（牛顿米）
t 180
旋转磁场的旋转方向
旋转方向：取决于三相电流的相序。
iA
iB
iC
t
iA
iC
iB
t
Im
Im
n1
改变电机的旋转方向：换接其中两相。
n1
旋转磁场的转速大小
一个电流周期，旋转磁场在空间转过360°
电流频率为 f Hz，则磁场1/f秒旋转1圈，每秒旋转f圈。每分钟旋转：
60 f n1 (转/分） p
二、直流电动机工作原理与运行特性
四、直流电动机的调速
n U Ra I a E C e C e
从直流电动机的转速方程中可以看出，直流电动机的转速与电源电压 U、 磁通 和电枢绕组 R a有关。
调压调速：n0 正比于 U， n 不受 U 的影响。调解 U 可以平滑 的调解电动机转速，且机械特性 硬度不受影响，如图所示
或
UE Ia Ra
二、直流电动机工作原理与运行特性
三、直流电动机的机械特性
n U Ra I a Ra E U T n0 n C e C e C e C e CT 2
n:转速；n0:理想空载转速；△n:改变的转速
该式表示电机接上负载时的输出转速
硬机械特性：机械特性曲线的工作段接近于水平。软，反之。
e B l v
磁感应强度 导线长
（右手定则）
切割速度
闭合导线产生电流 i
N
通电导线在磁场中受力
n1 f
f B l i
（左手定则）
n
e i
S
结论：1. 线圈跟着磁铁转→两者转动方向一致
2. 线圈比磁场转得慢
n n1
异步
n1 f
N
n
i e
S
三相异步机的结构
定子绕组 （三相）
A Y
2．电动机负载增加，转速下降时
2 2 ) 2 3 ) 21) 负载转矩增加 n ( E ( I a ( T n n2 (稳定)
平
衡
此时工作点对应图中 b 点上。
E Cen
电动机的机械负载变化时，通过E的的变 化反映到电枢电路，引起电流变化。
常数
转子电流 每极磁通
转子电路的功率因数
cos2
四、交流(AC)伺服电动机及其驱动
同步型和感应型（异步型）伺服电动机称为交流伺服电动机，
1、惯量小、动力大： 如对直线运动来说，设 加速度为 a ，则推力为 而对回转运动来说，设 角速度为，角加速度 为 ，则转矩 / 功率为
F ma a F /m
T J T /J P T
这里， a 和 表征了执行元件的加速性能。
二、对执行元件的基本要求
1、惯量小、动力大： 另一种表征执行元件动力大小的综合性指标是 比功率： 比功率＝ P / TT / J (1/ ) T 2 / J 包含了功率、加速性能与转速三种因素。
一、执行元件的种类及特点
（2）液压式执行元件
主要包括往复运动的油缸、回转油缸、液压马达等，其中油缸占
绝大多数。 数字式液压式执行元件：电—液伺服马达和电—液步进马达。优 点：比电动机的转矩大，可以直接驱动运行机构，转矩／惯量比大， 过载能力强，适合于重载的高加减速驱动。电—液式马达在强力驱动
和高精度定位时性能好、使用方便。
二、对执行元件的基本要求
(1) 惯量小、动力大 (2) 体积小、重量轻 (3) 便于维修、安装 (4) 宜于微机控制
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有： 直线运动为质量
m
回转运动为转动惯量 J 表征执行元件输出动力的性能指标有： 推力
F
P
转矩 T 功率
二、对执行元件的基本要求
一般动力用电动机
Y系列三相异步电动机
ST系列单相交流同步电动机
二、控制用电动机的种类、特点及选用
控制用电动机
直流力矩电动机
步进电动机
变频调速电机
二、控制用电动机的种类、特点及选用
ST系列永磁交流 伺服电动机
直流伺服电动机
开关磁阻电动机
二、控制用电动机的种类、特点及选用
二、控制用电动机的种类、特点及选用
四、交流(AC)伺服电动机及其驱动
1 三相异步电动机的结构
铁心： 是由互相绝缘的硅钢片叠成的。铁心的内圆周表面冲有槽，用 以放置定子绕组。 定子绕组：是起电磁作用的三相对称的线圈
四、交流(AC)伺服电动机及其驱动
1 三相异步电动机的结构
三相异步电动机的转子铁心是 圆柱状的，也是用硅钢片叠成， 表面冲有槽，用来放置转子绕 组。转子铁心装在转轴上，轴 上加机械负载。
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。由于其可在很宽的速度和负载范围内进行连续、精确地控
制，因而在各种机电一体化系统中得到了广泛的应用。
控制用电动机有回转和直线驱动电动机，通过电压、电流、频
率(包括指令脉冲)等控制，实现定速、变速驱动或反复起动、停止
的增量驱动以及复杂的驱动，而驱动精度随驱动对象的不同而不同。 机电一体化系统或产品中常用的控制用电动机是指能提供正确运动 或较复杂动作的伺服电动机。
三、直流伺服电机及驱动
1、直流伺服电动机的特性及选用
优点：较高的响应速度、精度和频率，优良的控制特性。 缺点：使用电刷和换向器，寿命较低，需要定期维修。
三、直流伺服电机及驱动
三、直流伺服电机及驱动
三、直流伺服电机及驱动
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。当选用电动机时，必须正确地计算负 载，即必须确认电动机能满足下列条件： 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；
二、控制用电动机的种类、特点及选用
二、控制用电动机的种类、特点及选用
二、控制用电动机的种类、特点及选用
第三节 直流与交流伺服电机及驱动
一、直流电动机结构
直流电动机的基本结构也是由定子、转子和结构件（端盖、轴承
等）三大部分所组成。图是一台电磁式直流电动机的结构示意图。
一、直流电动机结构
1．定子
③应使加速度与希望的时间常数一致。由于负载转矩起减速作用，如果可
能加减速应选取相同的时间常数。
三、直流伺服电机及驱动
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。目前常用晶体管脉宽调 速驱动和晶闸管直流调速驱动两种方式。
三、直流伺服电机及驱动
定子包括机座、主磁极、换向磁极、前、后端盖和电刷装置等几 个部分。
2．转子(电枢)
转子是直流电动机实现能量转换的枢纽，又称为“电枢”。 电枢包括电枢铁心、电枢绕组及换向器。
二、直流电动机工作原理与运行特性
一、直流电动机的运转原理
ia
二、直流电动机工作原理与运行特性
一、直流电动机的工作原理
1．外部输入是直流电，而线圈内是交流电，换向片（与电刷配 合），起逆变作用。 2．ia与ea二者方向始终相反。 ea从外施电源吸收电能，是反电势。 3. 由电枢电流ia建立的电枢磁场是恒定的。 4. T的方向和电枢转向一致，是驱动转矩。
二、对执行元件的基本要求
2、体积小、重量轻： 常用功率密度/比功率密度来评价这项指标： 设执行元件的重力为 G 则功率密度＝ P / G
2 ( T / J)/G 比功率密度＝
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、变颇调速电
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
一、控制用电动机的基本要求
1)性能密度大、即功率密度和比功率大；
功率密度 PG=P/G
比功率=TN2/Jm
2) 快速性能好，即加速转矩大，频响特性好；
3)位置控制精度高、调速范围宽、低速运行平稳无爬行现象、分辨
力高、振动噪声小； 4) 适应起、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