第四讲 动力系统设计(机电液一体化)

4.1 常用动力元件的类型及特性
4.1.2 柴油机的类型与特性
Z12V190B柴油机的
通用特性曲线，最
内层的等油耗率曲 线表明发动机最经 济的工作范围。
4.1 常用动力元件的类型及特性
4.1.3 汽油机的类型与特性
汽油机功率较柴油机小，可用于液压驱动的足式机器人等。
4.1 常用动力元件的类型及特性
4.1.4 电气执行元件及其特性
步进电动机具有以下特点： ①步进电动机的工作状态不易受各种干扰因素的影响(如电 源电压的波动、电流的大小与波形的变化、温度等)的影响， 只要在它们的大小未引起步进电动机产生“丢步”现象之 前，就不影响其正常工作； ②步进电动机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也 会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差变为 “零”，因此不会长期积累； ③控制性能好,在起动、停止、反转时不易“丢步”。 ④不需要传感器进行反馈，可以进行开环控制； ⑤缺点是能量效率较低。 因此，步进电动机被广泛应用于开环控制的机电一体 化系统，使系统简化，并可靠地获得较高的位置精度。
4.1 常用动力元件的类型及特性
动力元件（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。
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。
4.1.4 电气执行元件及其特性
二、直流（DC）伺服电动机 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范Leabharlann Baidu 内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动 领域中得到了广泛的应用。
1、工作原理：直流伺服电动机的 结构由永磁体定子、线圈转子 （电枢）、电刷和换向器组成， 磁场中的线圈通入电流时，就会 产生电磁力，驱动转子转动。为 了得到连续的旋转运动，就必须 随着转子的转动角度不断改变电 流方向，因此，必须有电刷和换 向器。
4.1 常用动力元件的类型及特性
4.1.4 电气执行元件及其特性 ①电磁铁是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压电驱动器是利用压电晶体的压电效应来驱动运行机 构作微量位移的；
③电热驱动器是利用物体(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。
4.1 常用动力元件的类型及特性
4.1.4 电气执行元件及其特性
一般电动机分为两类,一类为动力用电动机,如 感应式异步电动机和同步电动机等;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。 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。
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4.1 常用动力元件的类型及特性
4.1 常用动力元件的类型及特性
4.1.1 发动机特性 发动机性能指标随调整情况或运转工况而变化的规 律称为发动机特性。 调整情况 调整特性
性能指标
运转工况 性能特性
用来表示特性的曲线称为特性曲线，它是评价发 动机性能的一种简单、直观、方便的形式。
4.1 常用动力元件的类型及特性
4.1.4 电气执行元件及其特性
控制用电动机有力矩电动机、脉冲（步进）电动 机、变频调速电动机、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 确的控制，因而在各种机电一体化液系统中得到 广泛应用。
4.1 常用动力元件的类型及特性
4.1.2 柴油机的类型与特性 定转速下油耗ge随功率 Ne而变化的规律，称负荷 特性。 依据负荷特性，可确定 动力机在定转速下工作时 的经济负荷，即耗油率最 小时柴油机的功率范围。 方法：由坐标原点引射线 与ge曲线相切，切点所对 应之功率即最经济的功率， 因为该点Ne与ge比值最大。
4.1 常用动力元件的类型及特性
4.1.2 柴油机的类型与特性
4.1 常用动力元件的类型及特性
4.1.2 柴油机的类型与特性 当喷油量为最大时，性能 参数Ne、Me 、ge、Ge随n变 化的规律性，即外特性。 外特性是正确选择及合理 使用发动机的基础。 (1)曲线定量地指明了不同 转速下的Ne、Me和ge的值。 (2)曲线指明了最大功率 Nmax、最大扭矩Mmax、最大 功率时扭矩Me、最小耗油量 gemin及相应的经济转速，可 确定适应性系数Ｋ和合理的工 作转速范围。
4.1 常用动力元件的类型及特性
4.1.2 柴油机的类型与特性 柴油机广泛用作设备动力,尤其是移动的机电液装备。其 主要特点是： (1) 不受地区限制，具有自持能力。无论寒带、热带、高 原、山地、平原、沙漠、沼泽、海洋，自带燃料都可工作。
(2) 产品系列化后，可采用所谓“积木式”，即增加相同 类型机组数目的办法，以增加总装机功率，从而减少柴油机品 种。 (3) 结构紧凑，体积小，重量轻，便于搬迁移运，适于野外 流动作业。
4.1.4 电气执行元件及其特性
二、直流（DC）伺服电动机 2、特点 有较高响应速度、精度和频率，优良控制特性等优点； 由于使用电刷和换向器，故寿命较低，需要定期维修； 在位置控制和速度控制时，必须使用角度传感器来实现闭 环控制。 3、选用 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，即负载转矩和惯性负载。根据负载情况， 所选电机必须能满足下列条件： 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； 4）等效惯性负载与电机的转子惯量相匹配。
4.1.4 电气执行元件及其特性
三、交流(AC)伺服电动机 由于直流伺服电动机具有优良的调速性能，因此长期以 来，在要求调速性能较高的场合，直流电动机调速系统 一直占据主导地位。但直流伺服电动机结构上存在机械 整流子、电刷维护困难、造价高、寿命短、应用环境受 到限制的缺点。 近年来交流驱动技术有了飞速的发展，它具有坚固耐用、 经济可靠及动态响应好等优点。因此，交流伺服系统已 在很大程度上取代了直流伺服系统。 交流伺服电动机包括同步型、感应型两种。
4.1.3 汽油机的类型与特性 （1）燃油消耗率曲线 发动机空转（Pe=0）时，η m=0，be为无穷大。随负荷 （节气门开度）增大，由于η i、η m同时上升，使耗油率 曲线迅速下降。
4.1 常用动力元件的类型及特性
4.1.3 汽油机的类型与特性 （2）每小时耗油量曲线
4.1 常用动力元件的类型及特性
4.1.4 电气执行元件及其特性
一、步进电动机的特点与种类 1. 步进电动机的特点 步进电动机又称脉冲电动机。它是将电脉冲信号转换成 机械角位移的执行元件。 输入一个电脉冲就转动一步，即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通电 相序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。
4.1 常用动力元件的类型及特性
4.1.4 电气执行元件及其特性
不同的应用场合，对控制用电动机性能密度的要求 也有所不同： ①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； ②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。
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机电液一体化技术及应用
（机电液系统装备设计）
教 师：张延军
第 四 讲 动 力 系 统 设 计
E-mail:hebei0735@126.com
主 要 内 容
◆常用动力元件的类型及特性 ◆能量存储与释放机制 ◆动力系统方案的确定 ◆动力系统匹配性 ◆动力系统设计方法及设计实例
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4.2 能量存储与释放机制 液压蓄能器
4.2 能量存储与释放机制
性能要求： 功率密度 储能装置重量 循环效率 价格、可靠性 环境污染 维护性
4.2 能量存储与释放机制 燃料电池
燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学 能通过电极反应直接转化为电能的发电装置。目 前应用于电动汽车中的燃料电池是一种被称为质 子交换膜的氢燃料电池，它以纯氢为燃料、以空 气或氧为氧化剂。
4.1 常用动力元件的类型及特性
4.1.2 柴油机的类型与特性 (4) 在性能上，转速可平稳调节，能防止工作机过载，避 免出设备事故。装上全制式调速器，油门手柄处于不同位置 时，即可得到不同的稳定工作转速。当外载增加超过Ｍmax 时，柴油机便越过外特性上稳定工作点而灭火，不致造成传 动机构或工作机因过载而损坏。 (5) 扭矩曲线较平坦，适应性系数小(1.05～1.15)，过载能 力有限；转速调节范围窄(1.3～1.8)；噪音大，影响工人健康； 与电驱动比较，驱动传动效率低，燃料成本高等。
4.1 常用动力元件的类型及特性
4.1.2 柴油机的类型与特性 油门手柄固定，油泵齿条由调速器 自动控制时，Ne、Me与转速n的关系， 称调速特性，如图所示。 由调速特性知，装有全制式调速器 的柴油机，负荷可以在很大范围内变 化，而转速则可维持<5％的变化。 调节油门手柄位置，可得到一系列 形状类似的调速线。 在选择匹配和操作使用柴油机时， 联合工作点都应在调速线上。若外载 超过Ｍe点，发动机将在超负荷工况下 运行，动力性和经济性指标都会变坏， 这是不利的。
4.1.3 汽油机的类型与特性
4.1 常用动力元件的类型及特性
4.1.4 电气执行元件及其特性 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、磁致伸缩器件、压电元 件、超声波电动机以及电磁铁等。 要求： 稳速运转性能；
具有良好的加速、减速性能；
伺服性能等动态性能； 频繁使用时的适应性； 便于维修性能。
4.1.4 电气执行元件及其特性
三、交流(AC)伺服电动机
在小功率伺服系统中，一般使用永磁式同步电动机，因 为它有优良的动态性能，过载能力大等优点。
感应型交流伺服电动机结构简单，质量轻，价格低，可 用做主轴电机。目前的交流伺服驱动装置一般采用DSP的 全数字化控制。 对交流伺服电动机的控制以矢量控制为基础。
氢燃料电池的真正实用化还面临氢的制取和存储 困难、使用成本高等难题。
4.2 能量存储与释放机制
4.2 能量存储与释放机制
4.2 能量存储与释放机制 蓄电池 蓄电池储能:蓄电池储能以电能方式储存能量。系 统以具有可逆作用的发电机／电动机实现蓄电池中 的电能和车辆动能之间的转化。 蓄电池储能的功率密度低 ，充放电频率小 ，不能 迅速转化吸收大量功率，而车辆在制动或起动时 ， 需要迅速释放或得到大量功率，这使蓄电池储能受 到很大限制。
4.1.4 电气执行元件及其特性
4.1.4 电气执行元件及其特性
4.1.4 电气执行元件及其特性
4.1 常用动力元件的类型及特性
4.1.5 液压蓄能器 蓄能器是液压系 统中一种储存油液压 力能的装置，部分场 合也可用作动力源。
如右图冲击台，其蓄 能器组由大容积的蓄能 器组成，提供速度发生 器所需的全部能量。即 把大功率液压能转化为 机械能，推动撞击试验编程装置产生所需的动量（质量块的质 量与速度的乘积）。撞击试验编程装置用于传递动量模拟实际 的冲击力。由质量块和可调节冲击力和冲击时间的冲击头组成。 可产生标准的半正弦波、近似的三角波和方波波。