执行元件的种类和特点以及基本要求
第3章机电一体化系统执行元件-文档资料
噪声久磁铁、定子用软磁钢制成
8) 定子上绕组通电建立的磁场与永久磁铁的恒定磁场相互吸 引与排斥产生转矩
电方式有关。
15
3)矩－频特性曲线：步进电动机在连续运行 状态下，电磁转矩随控制频率的升高而逐步 下降。这种电磁转矩与控制频率之间的变化 关系称为矩－频特性。 4) 空载起动频率（空载突跳频率，fq）：在 空载状态下，转子从静止状态能够不失步地 起动时的最大控制频率。反映电动机跟踪的 快速性。负载惯量增加 fq 5) 最高连续运行频率fmax： 步进电动机在额定状态下不丢步地连续 运行时所能接受的最高控制频率。 fmax fq
4. 液压式 先将电能变换成液压能并用电磁阀改变压力油的流向，从而 时液压执行元件驱动运行机构运动。
5. 气压式 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 代表性的气压执行元件有气缸、气压马达等
3
执行元件的特点及优缺点
种 特点 类
优点
缺点
电 可使用商用电源；信 操作简便；编程容 瞬时输出功率大；过载
六、步进电动机的驱动
1. 步进电动机的运行特性与配套使用的驱动电源有密切关系。 2.驱动电源由脉冲分配器和功率放大器等组成 P.99图3.11 3.脉冲分配器：步进电动机的各相绕组必须按一定的顺序通电才
6
7
二、机电一体化系统对控制用电动机的基本要求
1. 性能密度大（功率密度、比功率大）
功率密度：PG=P/G (W/N) 对于起停频率低（如几十次/分）、但
要求低速平稳和扭矩脉动小，高速运行时振动、噪声小，在整个
6.2执行元件6.2.1执行元件的分类及其特点
6.2 执行元件6.2.1执行元件的分类及其特点执行元件是能量变换元件，其目的是控制机械执行机构运动。
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。
根据使用能量的不同，可以将执行元件分为电磁式、液压式和气压式等几种类型，如图6-2所示。
图6-2 执行元件的种类(1)电磁式执行元件能将电能转化成电磁力，并用电磁力驱动执行机构运动，如交流电机、直流电机、力矩电机、步进电机等。
(2)液压式执行元件先将电能变化成液体压力，并用电磁阀控制压力油的流向，从而使液压执行元件驱动执行机构运动。
(3)气压式执行元件与液压式执行元件的原理相同，只是介质由液体改为气体。
6.2.2直流伺服电动机1.直流伺服电动机的分类直流伺服电动机按励磁方式可分为电磁式和永磁式两种。
2.直流伺服电动机的基本结构及工作原理直流伺服电动机主要由磁极、电枢、电刷及换向片组成,如图6-3所示。
图6-3 直流伺服电动机基本结构3.直流伺服电动机的特性分析直流伺服电动机采用电枢电压控制时的电枢等效电路如图6-4所示。
图6-4 电枢等效电路当电动机处于稳态运行时，回路中的电流Ia保持不变，则电枢回路中的电压平衡方程式为Ea=Ua-IaRa (6-1)式中，Ea是电枢反电动势； Ua是电枢电压；Ia是电枢电流；Ra是电枢电阻。
转子在磁场中以角速度ω切割磁力线时，电枢反电动势Ea与角速度ω之间存在如下关系：Ea=CeΦω (6-2)式中，Ce是电动势常数，仅与电动机结构有关；Φ是定子磁场中每极的气隙磁通量。
由式（6-1）、式（6-2）得Ua-IaRa=CeΦω（6-3）此外，电枢电流切割磁场磁力线所产生的电磁转矩Tm可由下式表达:Tm=CmΦIa则 Tm=CmΦIn式中，Cm是转矩常数，仅与电动机结构有关。
将式（6-4）代入式（6-3）并整理，可得到直流伺服电动机运行特性的一般表达式由此可以得出空载（ Tm＝0，转子惯量忽略不计）和电机启动（ω＝0）时的电机特性: （1）当Tm＝0时，有（2）当ω＝0时，有式中，Td称为启动瞬时转矩，其值也与电枢电压成正比。
第三章 执行元件讲解
不相等，因此，活塞向右
运动。
特点：
差动连接时因回油腔的油液 利用两端面积差进行工作！
液压与气动技术
殷国栋 ygd@
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液压缸的工作原理及设计计算
柱塞式液压缸
单活塞杆式液压缸
双活塞杆式液压缸
伸缩式液压缸
液压与气动技术
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液压缸的工作原理及设计计算
双活塞杆式液压缸
单活塞杆式液压缸
伸缩式液压缸
液压与气动技术
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液压缸的工作原理及设计计算
活塞式液压缸分类：
双杆
按伸出活塞杆不同 单杆
无杆
按固定方式不同
缸体固定 活塞杆固定
液压与气动技术
殷国栋 ygd@
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液压缸的工作原理及设计计算
（1）双杆活塞缸
特点： 1） 两腔面积相等； 2） 压力相同时，推力相等，
流量相同时，速度相等。
即具有等推力等速度特性！
液压与气动技术
殷国栋 ygd@
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液压缸的工作原理及设计计算
单杆活塞缸 由于只在活塞的一端有活塞杆，使两 腔的有效工作面积不相等，因此在两腔分别输入流 量相同的情况特下点，：活塞的往复运动速度不相等。 12） ）压两力腔相面同积时不，等推，力A1不>单等A杆2 活塞缸的安装 流量相同时，速度不也等有缸筒固定和活 即不具有等推力等速度塞特杆性固！定两种，进、
d D v 1（5） v
由此可见，速比λv 越大，活塞杆直径d越大。
液压与气动技术
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液压缸的工作原理及设计计算
差动液压缸
单杆活塞缸的左右腔同时接 通压力油，如右图所示， 称为差动连接，此缸称为 差动液压缸。
液压系统的执行元件
第四章、液压执行元件第一节液压马达一、液压马达的特点及分类液压马达是把液体的压力能转换为机械能的装置，从原理上讲，液压泵可以作液压马达用，液压马达也可作液压泵用。
但事实上同类型的液压泵和液压马达虽然在结构上相似，但由于两者的工作情况不同，使得两者在结构上也有某些差异。
例如：1.液压马达一般需要正反转，所以在内部结构上应具有对称性，而液压泵一般是单方向旋转的，没有这一要求。
2.为了减小吸油阻力，减小径向力，一般液压泵的吸油口比出油口的尺寸大。
而液压马达低压腔的压力稍高于大气压力，所以没有上述要求。
3.液压马达要求能在很宽的转速范围内正常工作，因此，应采用液动轴承或静压轴承。
因为当马达速度很低时，若采用动压轴承，就不易形成润滑滑膜。
4.叶片泵依靠叶片跟转子一起高速旋转而产生的离心力使叶片始终贴紧定子的内表面，起封油作用，形成工作容积。
若将其当马达用，必须在液压马达的叶片根部装上弹簧，以保证叶片始终贴紧定子内表面，以便马达能正常起动。
5.液压泵在结构上需保证具有自吸能力，而液压马达就没有这一要求。
6.液压马达必须具有较大的起动扭矩。
所谓起动扭矩，就是马达由静止状态起动时，马达轴上所能输出的扭矩，该扭矩通常大于在同一工作压差时处于运行状态下的扭矩，所以，为了使起动扭矩尽可能接近工作状态下的扭矩，要求马达扭矩的脉动小，内部摩擦小。
由于液压马达与液压泵具有上述不同的特点，使得很多类型的液压马达和液压泵不能互逆使用。
液压马达按其额定转速分为高速和低速两大类，额定转速高于500r/min的属于高速液压马达，额定转速低于500r/min的属于低速液压马达。
高速液压马达的基本型式有齿轮式、螺杆式、叶片式和轴向柱塞式等。
它们的主要特点是转速较高、转动惯量小，便于启动和制动，调速和换向的灵敏度高。
通常高速液压马达的输出转矩不大(仅几十牛·米到几百牛·米)，所以又称为高速小转矩液压马达。
高速液压马达的基本型式是径向柱塞式，例如单作用曲轴连杆式、液压平衡式和多作用内曲线式等。
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
第四章 机电一体化系统的执行元件(一)
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。
电路原理：
可控硅交流调压器由可控整流电路和触发电路两部分组 成。二极管D1—D4组成桥式整流电路，双基极二极管T1构 成张弛振荡器作为可控硅的同步触发电路。通电后，220V 交 流 电 通 过 负 载 电 阻 RL 经 二 极 管 D1—D4 整 流 ， 在 可 控 硅 SCR的A、K两端形成一个脉动直流电压，该电压由电阻R1 降压后作为触发电路的直流电源。
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。
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 繁使用，便于维修等。
2、液压式执行元件
双向晶闸管（TRIAC） ：
双向晶闸管为NPNPN 五层半导体器件，结构和 特性相当一对反向并联普 通晶闸管，可实现双向导 通。其结构和符号如右图 所示。
伺服驱动系统-常用伺服执行元件
PC104
USB接口 CAN卡
104总线
CANopen
机械臂复位
绝对编码器 绝对编码器 绝对编码器
接近开关
接近开关
扭矩传感器
传感器信号 转接板
GPIO
8051单片机
CAN通信 USB接口 串口通信 以太网接口 LCD液晶显示
机械臂电机驱 动器1
机械臂+送管机构
肩关节电机
光电编码器
机械臂电机驱 动器5
第五章 伺服驱动系统
5.2 常用伺服执行元件
5.2.1 执行元件的种类及特点
执行元件的特点以及优缺点
种类
特点
可用商业电源；
电 信号与动力传送方 气 向相同；有交流直 式 流之分；注意使用
电压和功率。
优点
缺点
操作简便；编程容易； 瞬时输出功率大； 能实现定位伺服控制； 过载差；一旦卡死， 响应快、易与计算机 会引起烧毁事故； （CPU）连接；体积小、受外界噪音影响大。 动力大、无污染。
压 操作人员技术熟练。 位伺服控制；易与计 求严格；易产生泄
式
算机（CPU）连接。 露而污染环境。
5.2.2 对伺服执行元件的基本要求
（1） 体积小、重量轻、输出功率大
功率密度——执行装置单位重量所能达到的输出功率
PG P / G(W / N )
反映了电动机单位重量的输出功率，在电动机起停频率 低，但要求运行平稳和扭矩脉动小的场合可采用这一指标 。
步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机
5.2.3 电机概述
电动机是电能转换为机械能的基本装置，在各行各业广泛 应用。
• 直流电机 • 交流电机 步进电机
直流电动机
交流电动机
机电一体化系统第三章执行元件
一、 特点
1、稳定性好 2、可控性好 3、响应迅速 4、控制功率低，损耗小 5、转矩大
补偿绕组(c)
励磁绕组 (f) ia
Fr Ua Fc Uf
电枢绕组(a)
直流伺服电动机的结构与一般的电机结构相似，也是 由定子、转子和电刷等部分组成，在定子上有励磁绕组 和补偿绕组，转子绕组通过电刷供电。由于转子磁场和 定子磁场始终正交，因而产生转矩使转子转动。
步进电机驱动电源
Hale Waihona Puke 四、步进电动机的功率放大1．单电压功率放大电路
此电路的优点是电路结构简单，不足 之处是Rc消耗能量大，电流脉冲前后 沿不够陡，在改善了高频性能后，低 频工作时会使振荡有所增加，使低频 特性变坏。
2．高低电压功率放大电路
电源U1为高电压，电源大约为80～150V， U2为低电压电源，大约为5～20V。在绕组 指令脉冲到来时，脉冲的上升沿同时使VT1 和VT2导通。由于二极管VD1的作用，使绕组 只加上高电压U1，绕组的电流很快达到规定 值。到达规定值后，VT1的输入脉冲先变成 下降沿，使VT1截止，电动机由低电压U2供 电，维持规定电流值，直到VT2输入脉冲下 降沿到来VT2截止。 不足之处是在高低压衔接处的电流波形在顶 部有下凹，影响电动机运行的平稳性。
步进电机驱动电源总结
作用：对控制脉冲进行功率放大，以使步进电机获 得足够大的功率驱动负载运行。 1、步进电机是用脉冲供电，且按一定工作方式轮 流作用于各相励磁线圈上。 2、步进电机正反转是靠给各相励磁线圈通电顺序 变化来实现的。 3、速度控制是靠改变控制脉冲的频率实现的。 4、在通电脉冲内使励磁线圈的电流能快速建立， 而在断电时电流能快速消失。
伺服电机控制方式
伺服电机比较
液压系统执行元件资料
对要求较高的液压 缸，采用排气阀：
注意排气针的自位 性。
4．5 液压马达
一、液压马达特点： 1、液压马达的工作压力高，驱动负载大； 2、 液压马达，尤其是低速大扭矩马达，均可直接驱 动负载。液压马达力密度大，在同等功率输出情况下， 其重量、尺寸仅为直流电马达的5％～20％，相对质量 很轻，所以转动惯量小，启动、制动、反向运转快速 性及低速稳定性好，并可方便地实施无级调速； 3、承受静负载； 4、调速范围广，无级调速。 5、效率较低，能量损失大。
密封种类： 密封圈种类较多，根据不同的密封要求，选用不同的 形状的密封圈，常用的密封圈有： 1、O型密封圈 2、U型密封圈 3、V型密封圈 4、Y型密封圈 密封形式：间隙密封、密封圈密封 运动形式：往复运动和旋转密封 密封材料：金属 铜、铝、橡胶：各种类型，高温，常 温； 尼龙：聚四 氟乙烯：
六、缓冲装置
qt V n
5、流量损耗Δq：由于泄漏引起流量的损失，与压力成 正比；实际流量qn 与理论流量qt 之差。
6、 实际流量qn ：输入马达的流量。
qn
V n
mv
V -排量；n -马达转速；ηv- 泄漏系数；
7、理论转速
nt
qt V
8、实际转速
n
qt V
mv
四、马达的转矩、功率：
1、
理论输出转矩T t
二、执行机构作用
1、推拉缸：实现往复直线 运动，输出力和速度；
2、液压马达：实现连续回转，输出扭矩和角速度。
3、摆动缸：实现往复摆动，输出力矩和角速度；
4．1 液压缸
一、单ห้องสมุดไป่ตู้活塞缸
1、简介：往复运动主体为活塞，是双作用油缸。 两个吸油口，两个排油口；单出杆。
机电一体化(第二版)课后答案
1—1、试说机电一体化的含义答：机电一体化是在机械主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术,并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。
1-2、机电一体化的主要组成、作用及其特点是什么答:主要由机械本体、动力系统、传感与检测系统、信息处理及控制系统和执行装置等组成。
机械本体用于支撑和连接其他要素，并把这些要素合理的结合起来，形成有机的整体。
动力系统为机电一体化产品提供能量和动力功能，驱动执行机构工作以完成预定的主功能。
传感与检测系统将机电一体化产品在运行过程中所需要的自身和外界环境的各种参数及状态转换成可以测定的物理量，同时利用检测系统的功能对这些物理量进行测定，为机电一体化产品提供运行控制所需的各种信息。
执行装置在控制信息的作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。
1-3、工业三大要素是什么？答:物质、能量和信息.1-4、传统机电产品与机电一体化产品主要区别是什么？答：传统的机电产品机械与电子系统相对独立，可以分别工作。
机电一体化产品是机械系统和微电子系统的有机结合，从而赋予其新的功能和性能的一种新产品，产品功能是由所有功能单元共同作用的结果。
1-5、试举几个日常生活中的机电一体化产品?自动洗衣机、空调、数码相机1-6、应用机电一体化技术的突出特点是什么？答：①精度提高;②生产能力和工作质量提高;③使用安全性和可靠性提高；④调解和维护方便，使用性能改善;⑤具有复合功能，适用面广；⑥改善劳动条件,有利于自动化生产;⑦节约能源,减少耗材；⑧增强柔性.1—7、机电一体化的主要支撑技术有哪些,它们的作用如何?答：1、传感测试技术，在机电一体化产品中，工作过程的各种参数、工作状态以及工作过程有关的相关信息都要通过传感器进行接收，并通过相应的信号检测装置进行测量，然后送入信息处理装置以及反馈给控制装置，以实现产品工作过程的自动控制。
2、信息处理技术,在机电一体化产品工作过程中，参与工作过程各种参数和状态以及自动控制有关的信息输入、识别、变换、运算、存储、输出和决策分析.3、自动控制技术，主要实现机电一体化系统的目标最佳化.4、伺服驱动技术，5、接口技术，将各组成要素的输入/输出装置联系成一体的系统。
机电一体化系统(产品)对执行元件基本要求
T Tjmax
定 子
p
p /2 p /2
p
e
转子
Tjmax
失调角示意图
矩－角特性曲线
（3）动态特性
厚 励 志 勤 工 德 达 理
动态特性参数：主要指动态稳定区、启动转矩、 动态特性参数：主要指动态稳定区、启动转矩、 动态稳定区 频特性、 频特性等 矩－频特性、惯－频特性等。 动态稳定区：在步进电机从A相转换为B AB） 动态稳定区：在步进电机从A相转换为B（或AB） 相通电，不产生丢步时的稳定工作区域 θr 。 从 相通电 ， 图中可以得出，步进电机工作的拍数越多， 图中可以得出，步进电机工作的拍数越多，稳定 工作区域θr越接近静态稳定工作区域θe，越不 容易丢步。 容易丢步。 两相（ 起动转矩Tq：两相（A、B）矩－角特性之交点 Tq表示步进电机单相励磁时所能带动的极限负载 Tq表示步进电机单相励磁时所能带动的极限负载 转矩，与步进电机的相数和通电方式有关。 转矩，与步进电机的相数和通电方式有关。
P Pw nd n
对于伺服控制电机而言， 对于伺服控制电机而言，恒转矩工作特 性是衡量电机调速性能的重要参数之一。 性是衡量电机调速性能的重要参数之一。
3.3 步进电动机与驱动
3.3.1 步进电动机的特点、种类、工作原理 步进电动机的特点、种类、
厚 励 志 勤 工 德 达 理
（1）步进电动机的特点 ） 控制精度由步进角决定（ ① 控制精度由步进角决定（ ）。 抗干扰能力强， ② 抗干扰能力强，在电机电特性工作范围 不产生丢步或无法工作等现象。 内，不产生丢步或无法工作等现象。 电机每转动一步进角， ③ 电机每转动一步进角，尽管存在一定的 转角误差，但电机转动360 360时 转角误差，但电机转动360时，转角累计误 差将归零。 差将归零。 控制性能好，不会产生“ ④ 控制性能好，不会产生“丢步 ”现象 频繁启动、停止、变换）。 （频繁启动、停止、变换）。 易于与计算机实现对接。 ⑤易于与计算机实现对接。
机电一体化(第3章 执行元件)
伺服电动机的特点及应用实例
伺服电动机的性能比较
伺服电动机优缺点比较
三、直流(DC)伺服电动机
1、直流伺服电动机的特性及选用 直流伺服电动机通过电刷和换向器产生的整流作用，使 磁场磁动势和电枢电流磁动势正交，从而产生转矩。其电枢大 多为永久磁铁。 直流伺服电动机具有较高的响应速度、精度和频率，优 良的控制特性等优点。但由于使用电刷和换向器，故寿命较低， 需要定期维修。 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；③应使加速度与希望的时间常数一致。一般讲，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。
伺服电动机控制方式的基本形式
1、对控制用电动机的基本要求
2、控制电动机的种类、特点及选用 在机电一体化系统(或产品)中使用两类电动机： （1）一类为一般的动力用电动机，如感应式异步电动机和同 步电动机等； （2）另一类为控制用电动机,如力矩电动机、脉冲电动机、开 关磁阻电动机、变频调速电动机和各种AC/DC电动机等。 不同的应用场合，对控制用电动机的性能密度的要求也 有所不同。 对于起停频率低(如几十次／分)，但要求低速平稳和扭 矩脉动小，高速运行时振动、噪声小，在整个调速范围内均可 稳定运动的机械，如NC工作机械的进给运动、机器人的驱动 系统，其功率密度是主要的性能指标； 对于起停频率高(如数百次／分)，但不特别要求低速平 稳性的产品，如高速打印机、绘图机、打孔机、集成电路焊接 装置等主要的性能指标是高比功率。 在额定输出功率相同的条件下,交流伺服电动机的比功率 最高、 直流伺服电动机次之、步进电动机最低。
伺服系统概述
12 伺服系统概述
半闭环数控系统
半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置 (常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测， 不是直接检测运动部件的实际位置。
位置控制单元 CNC 插补 指令 + 位置控制调节 器
速度控制单元 +
-
速度控制 调节与驱动
机械执行部件
实际 位置 反馈
实际 速度 反馈 检测与反馈单 元
电机
12 伺服系统概述
从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、
间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。
由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚 性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳 定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。
该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、 超精磨床以及较大型的数控机床等。
12 伺服系统概述
气压系统与液压系统的比较
1.
2.
3. 4.
5.
空气可以从大气中取之不竭且不易堵塞；将用过的气体排入大 气，无需回气管路处理方便；泄漏不会严重的影响工作，不污 染环境。 空气粘性很小，在管路中的沿程压力损失为液压系统的干分之 一，易于远距离控制。 工作压力低．可降低对气动元件的材料和制造精度要求。 对开环控制系统，它相对液压传动具有动作迅速、响应快的优 点。 维护简便，使用安全，没有防火、防爆问题；适用于石油、化 工、农药及矿山机械的特殊要求。对于无油的气动控制系统则 特别适用于无线电元器件生产过程，也适用于食品和医药的生 产过程。
输入指令
比较 元件
调节 元件
执行 元件
被控 对象
输出量
测量、反 馈元件
《机电一体化系统设计》复习资料解读
思考题：
1.机电一体化的涵义、目的、特征、基本组成 要素以及分别实现哪些功能?
2. 工业三大要素指的是什么？机电一体化设计 的目标是哪些？
3. 机电一体化的接口功能有哪些？根据不同的 接口功能试说明接口的种类。
4. 说明机电一体化系统设计的设计思想、方法。
5. 开发性设计、变异性设计、适应性设计有何 异同？
一对齿轮区中在的闭一环个系齿统轮中4装，则可能造成系统不稳 在电机输定出，轴常上会，使并得将系电统机产生以1～5倍的间隙 2安装在偏而心进套行1的(或低偏频心振轴荡) 。 上，通过转动为偏此心尽套量(采偏用心齿轴侧) 隙较小、精度较高 的轮齿轮转的正角中、， 心的 则反就 距齿 多转可 ，轮 采时调 从传用的节而动各齿两消副种侧啮除。调间合圆但整隙齿柱为齿。了侧13偏减降隙心速低的套箱 2制方电动造法机成来本消，除 特点是结或构减简小单啮，合但间其隙侧，隙以提4和高5减传速动齿轮精度和系 不能自动统补的偿稳。定性。
弹簧-阻尼系统图
1-主动件；2-弹簧-阻尼； 3-运动件；4-静导轨
防止爬行现象采取以 下几项措施
为防止爬行现象的出现，可同时采取以下 几项措施： ★ 采用滚动导轨、静压导轨、卸荷导轨、贴 塑料层导轨等； ★ 在普通滑动导轨上使用含有极性添加剂的 导轨油； ★ 用减小结合面、增大结构尺寸、缩短传动 链、减少传动副等方法来提高传动系统的刚度。
导向支承部件
▪ 导向支承部件的作用是支承和限制运动部件按给定的运动要 求和规定的运动方向运动。这样的部件通常被标为导轨副， 简称导轨。
▪ 导轨副主要由承导件1和运动件2两部分组成，如图2-20所 示。运动方向为直线的被称为直线导轨副，为回转的被称为 回转运动导轨副。常用的导轨副种类很多，按其接触面的摩 擦性质可分为滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨等。
执行器的基本原理及分类
调节阀配用多弹簧式薄膜执行机构，其结构 紧凑，输出力大。泄漏量：金属阀座：符合 标准ANSIBl6.104Ⅵ级，小于额定的Cv的 0.5℅；聚四氟乙烯阀座：标准符合 ANSIBl6.104VI级，小于额定Cv的10-7回 差：5℅(不带定位器)；3℅(带定位器)线性 ：±11℅(不带定位器)；±3℅(带定位器) 备注：采用标准的V型聚四氟乙烯填料
隔膜调节阀 1－阀杆；2－阀盖；3－阀芯；4－隔膜；5－阀体
（8）偏心旋转阀
又称凸轮挠曲阀，简称偏转阀
（9）套筒阀
也叫笼式阀，阀体与一般直通单座阀结构相 似，阀内有圆柱型套筒，也叫笼子，阀芯在 套筒中上下移动，利用套筒导向，阀芯在套 筒中移动，改变了套筒的节流孔面积，形成 了各种特性并实现流量的调节。
7－转板；8－轴；9－连杆；10－滑快；11－手轮机构；12－阀杆
1.3.2调节机构
调节机构又简称阀。阀的种类很多，根据阀的结构、 用途来分，其基本形式是直通单座阀、直通双座阀、 蝶阀、三通阀等，在此基础上根据特殊用途要求， 派生出波纹管密封阀、低温阀、保温夹套阀、隔膜 阀、角形阀、以及阀体分离阀等，近年来，随着工 业自动化装置向大型化、高性能发展，研制出许多 新型调节阀，如高温蝶阀、高压蝶阀和超高压调节 阀；在阀的结构方面发展也很快，出现偏心旋转阀、 套筒阀、O形球阀、V形球阀。在特殊要求下使用 的有卫生阀、低噪声阀、低压降比阀以及单座塑料 阀和全钛钢调节阀等品种。
执行器的基本原理及分类
仪表车间－刘洪波
1.概述
1.1执行器在自动控制系统中的作用 执行器在自动控制系统中的作用，就是接受调节器发出的控制信号，改变调节
参数，把被调参数在要求的范围内，从而达到生产过程自动化，因此，执行器 是自动控制系统中极为重要的而不可缺少的组成部分。 在生产现场，执行器直接控制工艺介质，尤其是高温、高压、低温、强腐蚀、 易燃、易爆、易渗透、剧毒及高粘稠、易结晶等介质情况下，若选择或使用不 当，往往会给生产过程自动化带来困难，导致调节质量下降，甚至会造成严重 的生产事故。因此，对执行器的正确选用、安装和维修等各个环节都必须十分 重视。 执行器按其能源形式可分为气动、电动和液动3大类。气动执行器习惯称其为 气动薄膜调节阀，以压缩空气为能源，具有结构简单、动作可靠、平稳、输出 推力大、本质防爆、价格便宜、维修方便、等独特的优点，大大优于电动和液 动执行器，因此，气动薄膜调节阀被广泛应用在石油、化工、冶金、电力等工 业部门中。 气动调节阀可以很方便地与气动仪表配套使用，当采用电动仪表或电子计算机 控制时，只要用电气－阀门定位器或电气转换器，将电量信号转换成20－ 100Kpa的气压信号即可。本次主要介绍气动执行器。
步进电机选用方法
一是按照直线规律升速；加速度是恒定值，步进电机的转矩也应该是恒定值，但是由于电机本身的矩-频特性可以知道，在低速时可以认为其输出的转矩为恒定值，但是随着转速的升高，输出转矩会下降。
二是按指数规律升速，与电机的矩频特性比较吻合。 系统在执行升降速的控制过程中，对加减速的控制还需准备下列数据：①加减速的斜率；②升速过程的总步数；③恒速运行总步数；④减速运行的总步数。
闭环控制是直接或间接检测转子的位置和速度，然后通过反馈及适当的处理，自动给出驱动的脉冲串。采用闭环控制，可以获得更加精确的位置控制和高得多、平稳得多的转速，而且可以在步进电动机的许多其他领域获得更大的通用性。
步进电机的选用计算方法
（1）计算齿轮的减速比：根据所要求脉冲当量，齿轮减速比i计算如下：
步进电动机速度控制：控制系统发出脉冲的频率或者是换相周期，其方法有两种： 一种是软件延时：调用延时子程序，占用CPU的时间来实现。 另一种是用定时器：通过设定定时的时间常数来实现。
对于点位控制系统来说：
步进电机的加减速控制
如果系统要求的运行频率小于极限启动频率，则可以直接起动和运行； 如果系统要求的运行频率大于极限启动频率，为了保证正常启动或者启动时不丢步，其运行需要一个过程： “加速一恒速一减速一(低恒速)一停止 ”（如图）
升速规律一般可有两种选择：
加减速过程的控制方法：
步进电动机的开环控制： 步进电动机驱动系统，其输入的脉冲不依赖于转子的位置，而是事先按一定的规律给定的。其缺点是电动机的输出转矩、加速度在很大程度上取决于驱动电源和控制方式。对于不同的电动机或者同一种电动机而不同的负载，很难找到通用的加减速规律，因此使步进电动机的性能指标的提高受到限制。
绕组的电压波形
绕组的电流波形
第3章 执行元件
机电一体化
8、步进电机的升降速控制
如要求步进电动机运行速度低，运行脉冲频率低于它本 身的起动频率时，步进电动机可以用运行频率直接起动，并 以该频率连续运行； 停止的时候，可以从运行频率直接降到零速，无需升降 频控制。 如要求运行速度较高，脉冲 频率选择不当，步进电机或者不 能正常启动，或者由于惯性不能 准确地移到新的位置，即发生失 步或过冲现象。 在步进电机开环控制系统中， 如何防止失步或过冲是步进电机 开环控制系统能否正常运行的关 键。
机电一体化
三、步进电动机及其驱动
将电脉冲信号转换成机械角位移的 执行元件。 每当电动机绕组接受一个电脉冲， 转子就转过一个相应的步距角。 转子角位移的大小及转速分别 与输入的电脉冲数及频率成正比， 并在时间上与输入脉冲同步。 只要控制输入电脉冲的数量、 频率以及电动机绕组的通电顺序， 电动机即可获得所需的转角、转速 及转向，很容易用微机实现数字控 制。
机电一体化
6、步进电机驱动电源
单电压驱动
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机电一体化
单电压驱动（3相功放）
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机电一体化
高、低压双电压驱动电路
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机电一体化
高、低压双电压驱动电路
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机电一体化
斩波恒流驱动电路
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机电一体化
7、步进电机的细分驱动
基本步距角的大小只有两种，即整步或半步工作（如三相三 拍，三相六拍工作方式：1.5°/0.75°）。步距角已由步进电 动机结构所确定。 如果要求步进电动机有更小的转角（实际步距角）或者为减 小电动机振动、噪声等原因，可以在每次脉冲切换时，不将绕 组电流全部通入或切除，而是只改变相应绕组中额定电流的一 部分，电动机转过的每步运动也只是基本步距角的一部分。 绕组电流不再是一个方波，而是阶梯波，额定电流是台阶式 的投入或切除。电流分成多少个台阶，则转子就以同样的个数 转过一个步距角。这样将一个步距角细分成若干步的驱动方法 被称为细分驱动。 细分驱动的特点：在不改动电动 机结构参数的情况下，可使运行平稳， 提高匀速性，减弱或消除振荡。但细 分后的步距角精度并未提高，功率放 大驱动电路也相应复杂。 回首页
机电一体化系统的执行元件控制电动机
1 以三相步进电机为例;画简图叙述其基本 工作原理
2 三相步进电机不同通电方式有何特点 3 若用单片机控制三相步进电机;试说明如 何实现三相双三拍通电方式的软环分 4 直流伺服电动机有何优点 其结构特点是 什么 5 画出直流伺服电机PWM双极性控制的T 形直流调压驱动电路;并叙述其基本原理
异步电动机 直流电动机等都是作为动力使用 的;其主要任务是能量的转换
图5 1 伺服系统的组成
伺服系统的种类：按控制方式划分 开环伺服系统 闭环伺服系统 半闭环系统;以及 由它们组合的复合伺服控制系统
2按使用驱动元件划分：步进伺服系统 直流伺服系统 交流伺服系统 液压伺服系统 气压伺服系统
第四章 机电一体化系统执行元件 —控制
第一节 概 述
一 功能： 执行元件是伺服系统的组成部分;也是机电一体 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 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
本章介绍的各种控制电机的主要任务是转换和 传递控制信号;能量的转换是次要的
控制电机的种类很多;本章只讨论常用的几种: 步进电动机 直流伺服电动机 交流伺服电动机和直线电 动机
各种控制电机有各自的控制任务： 如: 步进电动机将脉冲信号转换为角位移或线位移
伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱 动控制对象；
一个换向片和电刷B流到电源负极;如图所示 线圈ab和
cd作为载流导体要受到磁场力安培力的作用;力的方向
可用左手定则判定 可用判定出;ab受到向左的力f;cd受
到向右的力f;这两个力对转轴形成逆时针方向力矩;线
圈被驱动沿逆时针方向转动 因此;电枢逆时针方向旋转
机电一体化
第一章1、机电一体化是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引用微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。
2、优化机电一体化的六大技术：检测传感器、信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术、精密机械技术、系统总体技术。
3、机电一体化的目的：高附加价值化.即:多功能化、高效率化、高可靠化、省材料省能源化。
4、机电一体化系统的五个子系统:机械系统(机构)、电子信息处理系统(计算机)、动力系统(动力源)、传感检测系统(传感器)、执行元件系统(如电动机)5、根据接口的变换、调整功能，可将接口分成以下四种：1)零接口。
不进行任何变换和调整、输出即为输入等，仅起连接作用的接口，称为零接口。
2）无源接口。
只用无源要素进行变换、调整的接口，称为无源接口。
3)有源接口。
含有有源要素、主动进行匹配的接口，称为有源接口。
4)智能接口。
含有微处理器，可进行程序编制或可适应性地改变接口条件的接口，称为智能接口。
6、根据输入／输出功能可分成以下四种广义接口：1）机械接口2）物理接口3）信息接口4）环境接口7、工业三大要素与机电一体化的三大效果8、系统设计的考虑方法机电一体化系统(产品)的主要特征是自动化操作。
因此。
设计人员应从其通用性、耐环境性、可靠性、经济性的观点进行综合分析，使系统充分发挥机电一体化的三大效果。
第二章：1、机电一体化系统与一般机械系统的不同：较高的定位精度、良好的动态响应特性（响应要快、稳定性要好）★2、机电一体化系统的机械系统设计要求：无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比。
3、采取措施（1）采用低摩擦的传动和导向支承件，如：滚珠丝杠副、滚动导向和支承、动静压导向支承。
（2）缩短传动链，提高传动与支承刚度，如：采用大扭矩、宽调速的伺服电动机；轴端预紧或预拉伸、滚珠丝杠副或滚动导轨副预紧消除间隙提高刚度。
（3）选择合理传动比，提高系统分辨率，减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能的提高系统的加速能力。
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目录
执行元件的种类和特点以及基本要求 (1)
1.执行元件的种类及特点 (1)
（1）电气式执行元件 (1)
（2）液压式执行元件 (2)
（3）气压式执行元件 (2)
3.执行元件的特点及优缺点 (2)
4.系统对执行元件的基本要求 (2)
（1）惯量小、动力大 (2)
（2）体积小、重量轻 (3)
（3）便于维修、安装 (3)
（4）宜于微机控制 (3)
执行元件的种类和特点以及基本要求
执行元件是工业机器人、CNC机床、各种自动机械、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，如数控机床的主轴转动、工作台的进给运动以及工业机器人手臂的升降、回转和伸缩运动等所用驱动部件即执行元件。
该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（连接）部位的能量转换元件。
它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，例如电动机、电磁铁、继电器、液动机、油（气缸）、内燃机等分别把输入的电能、液压能、气压能和化学能转换为机械能。
由于大多数执行元件已作为系列化商品生产，故在设计机电一体化系统时，可作为标准件选用、外购。
1.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磁式、液压式和气压式等几种类型，如下图所示。
电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。
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流向，从而使液压执行元件驱动运行机构运动。
气压式与液压式的原理相同，只是将介质由油改为气体而已。
其他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。
（1）电气式执行元件
电气式执行元件包括：控制用电动机(步进电机、DC和AC伺服电机)、静电电动机、磁致伸缩器件、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。
控制用电动机驱动系统一般由电源供给电力，经电力变换器变换后输送给电动机，使电动机作回转(或直线)运动，驱动负载机械(运行机构)运动，并在指令器给定的指令位置定位停止。
这种驱动系统具有位置（或速度）反馈环节的称为闭环系统，没有位置与速度反馈环节的称为开环系统。
另外，其他电气式执行元件中还有微量位移用器件，例如：
1）电磁铁：由线圈和衔铁两部分组成，结构简单，由于是单向驱动，故需用弹簧复位，用于实现两固定点间的快速驱动；
2）压电驱动器：利用压电晶体的压电效应来驱动运行机构作微量位移；
3）电热驱动器：利用物体(如金属棒)的热变形来驱动运行机构的直线位移，用控制电热器(电阻)的加热电流来改变位移量，由于物体的线膨胀量有限，位移量当然很小，可用在机电一体化产品中实现微量进给。
（2）液压式执行元件
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。
目前，世界上已开发了各种数字式液压式执行元件，例如电-液伺服马达和电-液步进马达，这些电-液式马达的最大优点是比电动机的转矩大，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。
（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。
气压驱动虽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。
3.执行元件的特点及优缺点
i
4.系统对执行元件的基本要求
（1）惯量小、动力大
（2）体积小、重量轻
既要缩小执行元件的体积、减轻重量，同时又要增大其动力，故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
功率密度为P/G。
比功率密度为(T^2/J)/G。
（3）便于维修、安装
执行元件最好不需要维修。
无刷DC及AC伺服电机就是走向无维修的一例。
（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，其次是液压式和气压式(在驱动接口中需要增加电-液或电-气变换环节)。
内燃机定位运动的微机控制较难，故通常仅被用于交通运输机械。
i摘自张建民《机电一体化系统设计》第四版。