第四章 机电一体化系统的执行元件(一)

闭环控制：有检测装置，装在移动部件上，可直 接检测移动部件的位移，系统采用了反馈和误差
补偿技术，可很精确地控制移动部件的移动距离。

半闭环控制：也有检测装置，装在伺服电动机上，在
伺服电动机的尾部装有编码器或测速发电机，分别检
测移动部件的位移和速度。由于传动件不可避免地存
在受力变形和消除传动间隙等问题，因而半闭环控制 系统的控制精度不如闭环系统。
螺栓形晶闸管
平板形晶闸管外形及结构
（4）按电流容量分类
可分为大功率晶闸管、中功率晶闸管和小 功率晶闸管三种。通常，大功率晶闸管多采用 金属壳封装，而中、小功率晶闸管则多采用塑 封或陶瓷封装。
（5）按关断速度分类 可分为普通晶闸管和高频（快速）晶闸管。
（二）普通单向晶闸管
1、晶闸管的结构、原理 单向晶闸管 (SCR) 符号和 原理如图所示。 SCR 有三个 极，分别为阳极 A 、阴极 K 和控制极 G （又称门极）。 从物理结构看，它是一个 PNPN 四层半导体器件，其 工作原理可以用一个 PNP 晶 体管和一个 NPN 晶体管的组 合来加以说明。图 b ）为晶 闸管的内部等效电路图。
四、常用伺服控制电动机的控制方式 P66
主要有：开环控制、半闭环控制、闭环控制三种。
开环控制：无检测装置，常用步进电动机驱动实现， 每输入一个指令脉冲，步进电动机就旋转一定角度， 它的旋转速度由指令脉冲频率控制，转角大小由脉 冲个数决定。 因无检测装置，结构简单、成本低，但由于误 差无法测出和补偿，因此开环系统精度不高。
3、 晶闸管的分类
晶闸管有多种分类方法。 （1）按关断、导通及控制方式分类 可分为普通晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、 门极关断晶闸管（ GTO ）、 BTG 晶闸管、温控晶
闸管和光控晶闸管等多种。
（2）按引脚和极性分类 可分为二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管。
（3）按封装形式分类
可分为金属封装晶闸管、 塑封晶闸管和陶瓷封装晶闸 管三种类型。其中，金属封 装晶闸管又分为螺栓形、平 板形、圆壳形等多种；塑封 晶闸管又分为带散热片型和 不带散热片型两种。
对照等效电路分析原理
2、等效电路分析得出的三个结论：

（1）晶闸管导通必须具备两个条件：① 阳极A与
阴极 K 之间要加正向电压 EA ；② 控制极 G 与阴极 K 之 间也要有足够的正向电压和正向电流（EG，IG）。
（ 2 ）晶闸管一旦导通，控制极即失去控制作用，
只要维持阳极电位高于阴极电位和阳极电流 IA 大于维 持电流IH，就可继续导通。 （ 3 ）为使晶闸管关断，必须使阳极电流 IA 减小到 维持电流 IH 以下，这只要使阳极电压减小到零或者将 其反向即可。
三、晶闸管
（一）概述 晶闸管是晶体闸流管 (Thyristor) 的简称，又称可控硅整流器 （ Silicon Controlled Rectifier—— SCR ），简称可控硅，是目前应用 最广的半导体功率开关元件。它既 有单向导电的整流作用，又有可控 的开关作用。晶闸管的通态损耗小， 控制功率大。几十 ~ 一、二百 mA 的 电流， 2 、 3 伏电压的微小功率信号 可以对>几百安、数千伏的电源进行 控制和转换。
第四章 机电一体化系统的执行元ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ （一）
第一节 概 述
一、功能： 执行元件是机电一体化系统的重要组成部分，用来将输 入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。是 一种能量变换元件。 机电一体化伺服系统要求执行元件具有转动惯量小、输 出动力大、便于控制、可靠性高和安装维护简便等特点。 二、执行元件的种类及特点 根据使用能量的不同，执行元件主要分为电磁（气）式、 液压式和气压式三大类型，如图所示。
常用执行元件的种类
各种执行元件的特点：
1、电气执行元件 电气执行元件主要是直流 (DC)伺服电机、交流（AC） 伺服电机和步进电机。能实现定位伺服，响应快，易于 CPU 接口，体积小，动力大，无污染。对这些伺服电机 除了要求运转平稳以外，一般还要求动态性能好，适合 于频繁启动，便于维修等。
2、液压式执行元件 液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转
第二节 功率电子器件及应用
一、概述 电子技术分为微电子技术和电力电子技术。微电子技 术处理的对象是小信号（ mV~ 几十伏， mA~ 几安），属 弱电领域，微电子器件是信息处理部件。电力电子技术 处理的对象是大信号（几十伏 ~ 几千伏，几安 ~ 几百安）， 属强电领域。电力电子器件能实现小信号控制大信号及 对电能进行控制和转换，从而实现弱电对执行元件，如 伺服电机、步进电机、比例电磁铁等的控制。目前功率 电子器件在机电一体化领域获得了广泛的应用。 二、常用功率电子器件 晶闸管SCR、功率晶体管GTR、 功率场效应晶体管MOSFET、绝缘 栅双极晶体管IGBT等。
1、晶闸管的特点： 体积小、重量轻、效率高、寿命长、动作快以及使 用方便等。被广泛应用于可控整流、交流调压、无触 点电子开关、逆变及变频等电子电路中。
2、晶闸管的主要用途： （1）整流 — AC→DC （2）逆变 — 将直流电转变为交流电 （3）变频 — 改变交流电频率 （4）交流调压 — 调节交流电压 （5）无触点开关 — 能迅速接通或切断大功率的交流 或直流电路，而不产生火花，适用于防火、防爆的场合。
三、对伺服控制电动机的基本要求
为实现运动、功率/能量、控制运动方式的转换，对伺 服控制电动机提出了一些基本要求。
（1）性能密度大 即功率密度（Pw=P/G）或比功率密度 （Pbw=(T2/J)/G）大。 （2）快速性好 加速度大、响应特性好。 （ 3 ）位置控制与速度控制精度高、 调速范围大、低速平稳性好、分辨率 高以及振动噪音小。 （ 4 ）能适应频繁启动，可靠性高、 寿命长。 （ 5 ）易于与计算机接口，实现计 算机控制。
油缸、液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出 功率的情况下，液压元件具有重量轻、快速性好等特 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， 与液压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的 驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差且具有可压缩 性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。