执行元件

伺服电动机与驱动器 电动机 驱动器
直流伺服电动机调速方法 稳态方程
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（1)改变电枢回路电阻 在电枢回路串联或并联电阻 耗能大 （2)改变磁场磁通 弱磁调速 调速范围小 （3)改变电枢电压 在整个调速范围内均有较大的硬度，可以获得稳定的 运行速度，调速范围较宽，属于恒转矩调速。 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。
脉宽调制(PWM pulse width modulation)
直流调速驱动系统原理
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为使电动机实现双向调速，多采用下图所示桥 式电路，其工作原理与线性放大桥式电路相似。电 桥由四个大功率晶体管VT1~VT4 组成。如果在VT1 和 VT3的基极上加以正脉冲的同时，在VT2和VT4的基极 上加负脉冲，这时VT1和VT4导通，VT2和VT4截止，电 流沿+90V→c→VT1→d→M→b→VT3→a→0V的路径流 通。设此时电动机的转向为正向。反之，如果在晶 体管VT1和VT3的基极上加负脉冲，在VT2和VT4的基极 上加正脉冲，则VT2和VT4导通，VT1和VT3截止，电流 沿+90V→c→VT2→b→M→d→VT4→a→0V的路径流通， 电流的方向与前一情况相反，电动机反向旋转。显 然，如果改变加到VT1和VT3、VT2和VT4这两组管子基 极上控制脉冲的正负和导通率，就可以改变电动机 的转向和转速。
一、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。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。
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。
1.
惯量小、动力大 二、对执行元件的基本要求

2.
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
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。
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。
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第一节 执行元件的种类、 特点及基本要求
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（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。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。
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。 晶闸管直流驱动方式，主要通过调节触发装置控制晶闸管的触发 延迟角(控制电压的大小)来移动触发脉冲的相位，从而改变整流电压 的大小，使直流电动机电枢电压的变化易于平滑调速。由于晶闸管本 身的工作原理和电源的特点，导通后是利用交流(50Hz)过零来关闭的， 因此，在低整流电压时。其输出是很小的尖峰值(三相全波时每秒300 个)的平均值，从而造成电流的不连续性。而采用脉宽调速驱动系统， 其开关频率高(通常达2000~3000Hz)，伺服机构能够响应的频带范围也 较宽，与晶闸管相比，其输出电流脉动非常小，接近于纯直流。
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。
伺服电动机控制方式的基本形式
一、对控制用电动机的基本要求
二、 制用电动机的种类、特点及选用
在机电一体化系统(或产品)中使用两类电动机,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;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。
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；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。 值得提出的是惯性负载值对电动机灵敏度和快速移动时间有 很大影响。对于大的惯性负载，当指令速度变化时，电动机达到 指令速度的时间需要长些。如果负载惯量达到转子惯量的三倍， 灵敏度要受到影响，当负载惯量比转子惯量大三倍时响应时间将 降低很多，而当惯量大大超过时，伺服放大器就不能在正常条件 范围内调整，必须避免使用这种惯性负载。
第三章 执行元件的选择与设计
• • • • • • 伺服系统 执行元件 常用的控制用电机 步进电动机及其驱动 直流伺服电动机及其驱动 交流伺服电动机及其驱动
一、伺服系统概念
• “伺服”一词源于希腊语“奴隶”的意思 。人们想把“伺 服机构”当个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求 而动作。在讯号来到之前，转子静止不动;讯号来到之后， 转子立即转动;当讯号消失，转子能即时自行停转。由于 它的“伺服”性能，因此而得名伺服系统。
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 (T2/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伺服电动机就是走向无 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。
第三节 直流（DC）与交流（AC） 伺服电动机及驱动
一、直流(DC)伺服电动机及其驱动
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。 二十世纪60年代研制出了小惯量直流伺服电动机， 其电枢无槽，绕组直接粘接固定在电枢铁心上，因而转 动惯量小、反应灵敏、动态特性好，适用于高速且负载 惯量较小的场合，否则需根据其具体的惯量比设置精密 齿轮副才能与负载惯量匹配，增加了成本。 直流印刷电枢电动机是一种盘形伺服电动机，电枢 由导电板的切口成形，棵导体的线圈端部起换向器作用， 这种空心式高性能伺服电动机大多用于工业机器人、小 型NC机床及线切割机床上。
二、伺服系统类型
• 从系统组成元件的性质来看，有电气伺服系统、 液压伺服系统和电气—液压伺服系统、电气—气 动伺服系统等； • 从系统输出量的物理性质来看，有速度或加速 度伺服系统和位置伺服系统等； • 从系统中所包含的元件特性和信号作用特点来 看，有模拟式伺服系统和数字式伺服系统； • 从系统结构特点来看，有单回路伺服系统、多 回路伺服系统和开环伺服系统、闭环伺服系统。
伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量 能够跟随输入目标值(或给定值)的任意变化的自动控制系 统。 伺服系统是自动控制系统的一类，它的输出变量通常 是机械或位置的运动，它的根本任务是实现执行机构对给 定指令的准确跟踪，即实现输出变量的某种状态能够自动、 连续、精确地复现输入指令信号的变化规律。
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)反馈环节的叫闭环系统，没有位置与速度反馈环节的叫开环系 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。
二、伺服系统类型
• 例：数控机床伺服系统，
• 由图可以看出，它与一般的反馈控制系统一样， 也是由控制器、被控对象、反馈测量装置等部分 组成。
三、伺服系统的基本要求
对伺服系统的基本要求有稳定性、精度和快速 响应性。 • 稳定性是指作用在系统上的扰动消失后，系统 能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指 令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态 的能力。 • 精度是伺服系统的一项重要的性能要求。它是 指其输出量复现输入指令信号的精确程度。 • 快速响应性是衡量伺服系统动态性能的另一项 重要指标。快速响应性有两方面含义，一是指动 态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的 迅速程度，二是指动态响应过程结束的迅速程度。