机电一体化系统执行元件的选择与设计.共100页
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机电一体化系统设计
机电一体化系统设计一、概论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。
2、对检测传感器的要求：要求检测传感器具有高精度、高灵敏度和高可靠性。
3、检测传感技术的主要难点：提高可靠性、精度和灵敏度。
需要研究的问题有：①提高各种敏感材料和元件灵敏度及可靠性②改进传感器结构，开发温度与湿度、视觉与触觉同时存在的符合传感器③研究在线检测技术，提高抗干扰能力④研究具有自动诊断与自动补偿功能的传感器。
4、自动控制：自动控制是指在没有人参与的情况下，通过控制装置使被控制的对象或控制过程自动的按照预定的规律运行。
5、系统总体技术：系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统的观点和方法将总体分解成若干功能单元，找出能完成各个功能的技术方案，再把功能与技术方案组合成方案组进行分析、评价和优选的综合应用技术。
6、系统总体技术包括：插件、接口转换、软件开发、微机应用技术、控制系统的成套性和成套设备自动化技术。
7、系统总体技术需要研究的问题：①软件开发与应用技术，包括过程参数应用软件、实时精度补偿软件②研究接插件技术，体改可靠性③通过接口和数据总线标准化④控制系统成套性和成套设备自动化⑤软件的标准化。
8、机电一体化系统由机械系统、信息处理系统、动力系统、传感检测系统、执行元件系统五个系统组成。
9、系统的五种内部功能：即主功能、动力功能、计策功能、控制功能、构造功能。
主功能是实现系统“目的功能”直接必须的功能，主要是对物质、能量、信息及其相互结合进行变换、传递和存储。
动力功能的作用是根据系统内部信息和外部信息对整个系统进行控制，使系统正常运转，实时“目的功能”。
而构造功能则是使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和空间上的相互关系所必须的功能。
10、机电一体化系统设计的考虑方法同城有：几点互补法、融合法和组合法。
11、系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的科学方法。
第3章机电一体化系统执行元件-文档资料
高速响应；步距角小(0.099) 4) 定子与转子均不含永久磁铁，故无励磁时没有保持力。 5) 制造成本高(气隙要做得尽可能小)、效率低、转子的阻尼差、
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
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。
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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
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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
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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
机电一体化系统的微机控制系统的选择与设计PPT课件
8255：三个8位并行口 8243：四个4位并行口 8251：串行口 8279：专用键盘显示控制芯片 适用于 组成较小的控制系统。
用集成电路自行设计接口电路
可设计任意要求的接口， 价格低，但可靠性差。
如： • 74LS138：三-八译码器 • 74LS373：八位锁存器 • 74LS244：三态缓冲器等
1、光电隔离电路原理
VC +5V
+12V
1
输入信号 （来自微机）
输出 （去执行系统）
G
2、光电隔离电路的作用：
（1）可将输入与输出两部分电 路的地线分开，各自使用一套电 源供电；
（2）可以进行电平转换； （3）提高驱动能力。
3、光电耦合器的分类
1）普通型
3
1
输入
输出
管脚3主要 用于温度补 偿及检测等。
4）总线型工业控制计算机 特点：
• 提高设计效率，缩短设计和制造周期 • 提高了系统的可靠性； • 便于调试和维修； • 能适应技术发展的需要，迅速改进系
统的性能
总线类型：
• ISA总线 • VESA 总线 • PCI总线 • AGP标准 • STD总线
ISA总线:
• ISA（industrial standard architecture） 总线标准是IBM 公司1984年为推出 PC/AT机而建立的系统总线标准，所以 也叫AT总线。它是对XT总线的扩展， 以适应8/16位数据总线要求。
二、控制系统的设计思路
1、确定系统整体控制方案 1）从系统构成上考虑是否采用 开环控制或闭环控制；
2）执行元件采用何种
3）考虑系统是否有特殊控制要 求及采取的措施是什么？
4）考虑微机在整个控制系 的作用
用集成电路自行设计接口电路
可设计任意要求的接口， 价格低，但可靠性差。
如： • 74LS138：三-八译码器 • 74LS373：八位锁存器 • 74LS244：三态缓冲器等
1、光电隔离电路原理
VC +5V
+12V
1
输入信号 （来自微机）
输出 （去执行系统）
G
2、光电隔离电路的作用：
（1）可将输入与输出两部分电 路的地线分开，各自使用一套电 源供电；
（2）可以进行电平转换； （3）提高驱动能力。
3、光电耦合器的分类
1）普通型
3
1
输入
输出
管脚3主要 用于温度补 偿及检测等。
4）总线型工业控制计算机 特点：
• 提高设计效率，缩短设计和制造周期 • 提高了系统的可靠性； • 便于调试和维修； • 能适应技术发展的需要，迅速改进系
统的性能
总线类型：
• ISA总线 • VESA 总线 • PCI总线 • AGP标准 • STD总线
ISA总线:
• ISA（industrial standard architecture） 总线标准是IBM 公司1984年为推出 PC/AT机而建立的系统总线标准，所以 也叫AT总线。它是对XT总线的扩展， 以适应8/16位数据总线要求。
二、控制系统的设计思路
1、确定系统整体控制方案 1）从系统构成上考虑是否采用 开环控制或闭环控制；
2）执行元件采用何种
3）考虑系统是否有特殊控制要 求及采取的措施是什么？
4）考虑微机在整个控制系 的作用
机电一体化系统设计 第2章 机械系统设计
第 2 章 机械系统部件的选择与设计
§2-2 机械系统传动部件的选择与设计
三、滚珠丝杠副传动部件 滚珠丝杠副支撑方式 双推-自由式/简支式
如下图所示，一端安装推力轴承与圆柱滚子轴承的组合，另一端悬空呈 自由状态，故轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低速的垂直安装的 丝杠传动系统。
第 2 章 机械系统部件的选择与设计
§2-2 机械系统传动部件的选择与设计
机械传动部件及其功能要求
➢ 常用的机械传动部件有螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传 动、各种非线性传动部件等。
➢ 主要功能是传递转矩和转速。因此，它实质上是一种转矩、转速变换 器，其目的是使执行元件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配。
➢ 机械传动部件对伺服系统的伺服特性有很大影响，特别是其传动类型、 传动方式、传动刚性以及传动的可靠性对机电一体化系统的精度、稳 定性和快速响应性有重大影响。因此，应设计和选择传动间隙小、精 度高、体积小、重量轻、运动平稳、传递转矩大的传动部件。
第 2 章 机械系统部件的选择与设计
§2-2 机械系统传动部件的选择与设计
三、滚珠丝杠副传动部件 滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧
弹簧自动调整预紧式
如图所示，双螺母中， 一个活动，另一个固定， 用弹簧使其间始终具有 产生轴向位移的推动力， 从而获得预紧力。其特 点是能消除使用过程中 因磨损或弹性变形产生 的间隙，但其结构复杂、 轴向刚度低，适用于轻 载场合。
单螺母变位导程自预紧式 和单螺母滚珠过盈预紧式
第 2 章 机械系统部件的选择与设计
§2-2 机械系统传动部件的选择与设计
三、滚珠丝杠副传动部件 滚珠丝杠副支撑方式
典型支承方式
第 2 章 机械系统部件的选择与设计
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。
机电一体化执行元件总体方案设计
机电一体化执行元件总体方案设计摘要：本文主要对此执行元件的机械、电驱动执行和信号检测三方面进行研究，完成了相应的设计与分析计算，根据项目要求，提出了设计方案，确定了合理的传动机构，经过一系列计算选取了此机电一体化执行元件中各单元的参数，提高了效率。
关键词：机电一体化；执行元件；方案设计机电一体化技术的迅速发展使得机构在实现原理和组成内容等方面有了突破性的进展，发展成为具有更广泛意义的广义执行机构。
广义执行机构是由是驱动元件与执行件(或执行机构)组成的可控执行机构，是机电一体化系统的核心。
广义执行机构最主要的特点就是可控性，它的输出运动是由机构参数和输入函数共同决定的，改变控制程序就可使同一机构系统实现不同需要的输出运动或改进机构的运动和动力参数，因此广义执行机构具有传统机构无可比拟的优越性和更大的设计空间。
电动机是将电能转化为机械能的装置，可以说是现在世界上使用最普遍的装置，如果没有电机这样的装置，我们甚至无法想象我们这个世界会是什么样子。
但原始的电机的功能却是单一的，就是接受电流以后转动，转数是恒定的，然而，人们对生产、生活的速度要求却是多种多样的，由它带动的机械对转数的要求也是多种多样化。
一、总体方案设计思路1．总体设计要求盖板能够实现可靠的打开及关闭是实现远程操控系统在各种恶劣环境下可靠地执行勤务和值守任务的保障，也是远程操控系统实现从勤务状态到戒备值守状态快捷、可靠、准确转换的关键。
因此，为使此机电一体化执行元件在远程操控的各种工作状况下均能可靠地工作，其总体设计应满足如下要求：(1)应保证盖板在关闭状态下，密封可靠．具有防雨、防潮、防盐雾侵入等功能，并且使关闭后的盖板结构牢同，具有防盗、防撬和防撞击功能。
保证此机电一体化执行元件在承受较大的外力撞击后，仍能正常可靠地工作，盖板仍能正常、轻松地开启。
(2)盖板的开启和关闭应平稳、可靠、快捷，并可同时实现自动扁闭和应急人工手动启闭。
具有机电联动互锁功能，保证自动启闭可靠、准确，手动扁闭轻松、方便，不误动，不锁死。
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
机电一体化系统设计
• 其关键是建立统一的全局产品数据模型和数据管理及共享的 机制，以保证正确的信息在正确的时刻以正确的方式传到所 需的地方。
1、先进制造技术
先进制造技术（AMT－Advanced Manufacturing Technology）先进制造 技术是传统制造技术不断吸收机械、电子、信息、材料、能源和现代管理 等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、 使用、服务的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产， 并取得理想技术经济效果的制造技术的总称。
2.1.2 丝杠螺母机构传动机构形式
作用：主要用来将旋转运动变换为直线运动或 将直线运动变换为旋转运动。
1按摩擦类型分
滑动摩擦机构和滚动摩擦机构
• 滑动丝杠螺母机构
结构简单、加工方便、制造成本低、具有自锁功能，但 其摩擦阻力矩大、传动效率低(30％～40％)。
• 滚珠丝杠螺母机构
结构复杂、制造成本高，但其最大优点是摩擦阻力矩小 、传动效率高(92％～98％)，因此在机电一体化系统中得到广 泛应用。
4、以“自动化”技术为发展前提
“自动化”从自动控制、自动调节、自动补偿、自动辨识等发展到自学习、 自组织、自维护、自修复等更高的自动化水平。
5、以“成化集”为发展的方法
“集成化”，一是技术的集成，二是管理的集成，三是技术与管理的集成。
6、以“网络化”为发展道路
利用网络，进行产品设计、制造与生产管理等活动。
• 3、六轴以上联动-----加工任意曲面
数控设备
• 除了制造业的数控设备外： • 1 焊接设备 • 2激光切割机（刻字机） • 3数控雕刻机 • 4数控绕线机 • 5数控鞋楦机
焊接机器人
焊接机器人
焊接机器人
1、先进制造技术
先进制造技术（AMT－Advanced Manufacturing Technology）先进制造 技术是传统制造技术不断吸收机械、电子、信息、材料、能源和现代管理 等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、 使用、服务的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产， 并取得理想技术经济效果的制造技术的总称。
2.1.2 丝杠螺母机构传动机构形式
作用：主要用来将旋转运动变换为直线运动或 将直线运动变换为旋转运动。
1按摩擦类型分
滑动摩擦机构和滚动摩擦机构
• 滑动丝杠螺母机构
结构简单、加工方便、制造成本低、具有自锁功能，但 其摩擦阻力矩大、传动效率低(30％～40％)。
• 滚珠丝杠螺母机构
结构复杂、制造成本高，但其最大优点是摩擦阻力矩小 、传动效率高(92％～98％)，因此在机电一体化系统中得到广 泛应用。
4、以“自动化”技术为发展前提
“自动化”从自动控制、自动调节、自动补偿、自动辨识等发展到自学习、 自组织、自维护、自修复等更高的自动化水平。
5、以“成化集”为发展的方法
“集成化”，一是技术的集成，二是管理的集成，三是技术与管理的集成。
6、以“网络化”为发展道路
利用网络，进行产品设计、制造与生产管理等活动。
• 3、六轴以上联动-----加工任意曲面
数控设备
• 除了制造业的数控设备外： • 1 焊接设备 • 2激光切割机（刻字机） • 3数控雕刻机 • 4数控绕线机 • 5数控鞋楦机
焊接机器人
焊接机器人
焊接机器人
机电一体化系统(产品)对执行元件基本要求
e
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。
T Tjmax
定 子
p
p /2 p /2
p
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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。
第3章 机电一体化系统的执行元件的选择与设计
[缺点] 由于空气的可压缩性，高精度的位置控制和速度控制都比较困难； 虽然撞停等简单动作速度较高，但在任意位置上停止的动作速度很慢， 能量效率较低。
二、对执行元件的基本要求
1. 惯量小、动力大
11
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
当t=T/6时，U相电流为正，由U1端流向U2端，V相电流为负，由V2端 流向V1端，W相电流为零所形成的磁场，也是一个两极磁场，但N、S极的 轴线在空间顺时针方向转了60°。
转子转动
直流电
同 步 电 机
永磁型（SM）
励磁型（IM）
同步电机将永磁体或励磁线圈装在转子上，定子上装有绕组。三相 交流电流通过定子绕组，在定子上产生旋转磁场。旋转磁场与转子磁场 相互作用驱动转子转动。
12
第二节 常用的控制用电动机
电动式的执行元件由于 其操作简单、编程容易、易 于实现计算机控制，因此电 动机在机电一体化中应用的 最为广泛。
一、 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，下图为常用电动机的适用范围。
42
此类电动机的转子结构简单、转子直径小，有利于高速响应。由于VR型 步进电机的铁心无极性，故不需改变电流极性，因此多为单极性励磁。
43
2)永磁型(PM-Permanent Magnet)
永磁（PM）型步进电机的转子2 采用永久磁铁、定子1采用软磁钢 制成，绕组3轮流通电，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。其结构如右图所 示。这种电动机由于采用了永久磁 铁，即使定子绕组断电也能保持一 定转矩，故具有记忆能力，可用做 定位驱动。PM型电动机的特点是励 磁功率小、效率高、造价低，因此 需要量也大。由于转子磁铁的磁化 间距受到限制，难于制造，故步距 角较大。与VR型相比转矩大，但转 子惯量也较大。
二、对执行元件的基本要求
1. 惯量小、动力大
11
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
当t=T/6时，U相电流为正，由U1端流向U2端，V相电流为负，由V2端 流向V1端，W相电流为零所形成的磁场，也是一个两极磁场，但N、S极的 轴线在空间顺时针方向转了60°。
转子转动
直流电
同 步 电 机
永磁型（SM）
励磁型（IM）
同步电机将永磁体或励磁线圈装在转子上，定子上装有绕组。三相 交流电流通过定子绕组，在定子上产生旋转磁场。旋转磁场与转子磁场 相互作用驱动转子转动。
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第二节 常用的控制用电动机
电动式的执行元件由于 其操作简单、编程容易、易 于实现计算机控制，因此电 动机在机电一体化中应用的 最为广泛。
一、 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，下图为常用电动机的适用范围。
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此类电动机的转子结构简单、转子直径小，有利于高速响应。由于VR型 步进电机的铁心无极性，故不需改变电流极性，因此多为单极性励磁。
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2)永磁型(PM-Permanent Magnet)
永磁（PM）型步进电机的转子2 采用永久磁铁、定子1采用软磁钢 制成，绕组3轮流通电，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。其结构如右图所 示。这种电动机由于采用了永久磁 铁，即使定子绕组断电也能保持一 定转矩，故具有记忆能力，可用做 定位驱动。PM型电动机的特点是励 磁功率小、效率高、造价低，因此 需要量也大。由于转子磁铁的磁化 间距受到限制，难于制造，故步距 角较大。与VR型相比转矩大，但转 子惯量也较大。
机电一体化执行部件
• 缺点是需要相应的液压源，容易漏油， 维护困难，控制和校正不如电气执行 部件方便等。
• 液压执行部件应用广泛，特别在在驱 动大动力机床和机器人中得到了广泛 的应用。
液压系统的组成
•
液压系统的动力元件，即泵站，主要包括液
压泵和驱动电机；
• 控制元件有压力控制阀、方向控制阀、流量控制 阀和各类电液伺服阀等；
6. 电液伺服阀
电液伺服阀是一种可将小功率电信号转换为大功率的 液压信号，以实现对流量和压力控制的转换装置。电液伺 服阀为一种控制灵活、精度高、快速性好、输出功率大的 控制元件。
4.3气动执行部件
气动执行部件是将压缩空气的压力能转变为机械能的 能量转换装置，包括气缸和气马达。广泛应用于各种工业 机械和车辆、机器人、气动工具及测量仪器等领域。
•
其次，还应特别注意以下事项：
• （1）液压缸承受负载后，如果其输出速度达到一定的 值，为了避免或降低液压缸高速运动中忽然停车所产生的 液压冲击，应选用带有缓冲装置的液压缸；速度更高的，
还需在液压缸外加阻尼元件。
• （2）对于行程超过1000mm的液压缸，为了防止活塞杆 过载及活塞过快磨损，应该使用支承环。
• （3）一般来说，不同的液压油适用于不同材质的油封， 选择液压油或油封时应注意密封材料与液压油和工作温度 的关系，从而保障液压缸的寿命和使用性能。
4.2.2液压马达类型和主要参数
液压马达是将压力能转变成机械能（旋转力矩）并对外 做功的执行部件。
液压马达通常分为高速和低速两大类。
额定转速高于500 r/min的为高速液压马达，主要结构形式有齿 轮式、螺杆式、叶片式和轴向柱塞式。其特点是转速较高、功 率密度高、转动惯量小、排量小，启动、制动、调速及换向方 便，其输出扭矩不大，为几十到几百Nm。； 额定转速低于500 r／min的为低速液压马达．低速马达排量大， 体积也大，转速在低到每分钟几转时仍能输出几千到几万Nm的 扭矩．这就是通常所说的低速大扭矩液压马达。其主要形式有 多作用内曲线液压马达和径向柱塞型液压马达，它适用于直接 连接并驱动负载，且启动、加速时间短，性能好，所以在工程 实际中得到了广泛应用。
• 液压执行部件应用广泛，特别在在驱 动大动力机床和机器人中得到了广泛 的应用。
液压系统的组成
•
液压系统的动力元件，即泵站，主要包括液
压泵和驱动电机；
• 控制元件有压力控制阀、方向控制阀、流量控制 阀和各类电液伺服阀等；
6. 电液伺服阀
电液伺服阀是一种可将小功率电信号转换为大功率的 液压信号，以实现对流量和压力控制的转换装置。电液伺 服阀为一种控制灵活、精度高、快速性好、输出功率大的 控制元件。
4.3气动执行部件
气动执行部件是将压缩空气的压力能转变为机械能的 能量转换装置，包括气缸和气马达。广泛应用于各种工业 机械和车辆、机器人、气动工具及测量仪器等领域。
•
其次，还应特别注意以下事项：
• （1）液压缸承受负载后，如果其输出速度达到一定的 值，为了避免或降低液压缸高速运动中忽然停车所产生的 液压冲击，应选用带有缓冲装置的液压缸；速度更高的，
还需在液压缸外加阻尼元件。
• （2）对于行程超过1000mm的液压缸，为了防止活塞杆 过载及活塞过快磨损，应该使用支承环。
• （3）一般来说，不同的液压油适用于不同材质的油封， 选择液压油或油封时应注意密封材料与液压油和工作温度 的关系，从而保障液压缸的寿命和使用性能。
4.2.2液压马达类型和主要参数
液压马达是将压力能转变成机械能（旋转力矩）并对外 做功的执行部件。
液压马达通常分为高速和低速两大类。
额定转速高于500 r/min的为高速液压马达，主要结构形式有齿 轮式、螺杆式、叶片式和轴向柱塞式。其特点是转速较高、功 率密度高、转动惯量小、排量小，启动、制动、调速及换向方 便，其输出扭矩不大，为几十到几百Nm。； 额定转速低于500 r／min的为低速液压马达．低速马达排量大， 体积也大，转速在低到每分钟几转时仍能输出几千到几万Nm的 扭矩．这就是通常所说的低速大扭矩液压马达。其主要形式有 多作用内曲线液压马达和径向柱塞型液压马达，它适用于直接 连接并驱动负载，且启动、加速时间短，性能好，所以在工程 实际中得到了广泛应用。
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51、 天 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 之 事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——易 卜 生 54、 唯 书 籍 不 朽。——乔 特
55、 为 中 华 之 崛起而 读书。 ——周 恩来
39、没有不老的誓言，没有不变的承 诺，踏 上旅途 ，义无 反顾。 40、对时间的价值没有没有深切认识 的人， 决不会 坚韧勤 勉。
谢谢！
机电一体化系统执行元件的选择与设 计.
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——易 卜 生 54、 唯 书 籍 不 朽。——乔 特
55、 为 中 华 之 崛起而 读书。 ——周 恩来
39、没有不老的誓言，没有不变的承 诺，踏 上旅途 ，义无 反顾。 40、对时间的价值没有没有深切认识 的人， 决不会 坚韧勤 勉。
谢谢！
机电一体化系统执行元件的选择与设 计.
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。