机电一体化系统设计第3章：执行元件的分类及控制用电机的驱动a

统中所处的位置参见下图。
一、执行元件分类
•
根据使用能量的不同，可以将执行元件分
为电气式、液压式和气压式等几种类型。
• (1) 电气(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的。电动执行装置 由于能源容易获得，使用方便，所以得到了广 泛的应用。
• (2)液压式：是先将电能变换为液压能并用电 磁阀改变压力油的压力和流向，从而使液压执 行元件驱动运行机构运动，包括液压油缸、液 压马达等。具有体积小、输出功率大等特点。
双金属片
其它
形状记忆合金 与材料有关
压电元件
二、执行元件的特点与性能
• 1.电气执行元件： • 优点： • ① 以电源为能源，在大多数情况下容易得到； • ② 容易控制； • ③ 可靠性、稳定性与环境适应性好； • ④ 与计算机等控制装置的接口简单； • 缺点： • ① 为了实现一定的旋转运动或直线运动，经常要
电气式执行元件的动作原理
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• 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。至于交流感 应电机是在线圈内产生感应电流，再产 生电磁力进行工作的。电机所产生的转 矩与通过的电流大小成正比；
• 2. 液（气）压式 执行元件的动作原理
• 液压式和气压式执行元件是用一定压力的 油或气体推动活塞或叶片产生直线运动或旋转 运动。
• 利用阀门等调整液（气）体的流量，就可 以控制速度，而且可以在很大范围内调整。
3.2 机电一体化系统常用的控制用电机
一、控制用电机的控制方式与优点
• 控制用电机是将电能转换成机械能的一种 能量转换装置。
• 包括：力矩电动机、脉冲电动机、变频调 速电动机、开关磁阻电动机和各种AC/DC 电动机等。
伺服电动机控制方式的基本形式
异步电动机内部结构
• 普通电机可正反转，但不能调速 • 普通电机+微电子控制=控制用电机 • 方便调速 • 异步电机转速表达式： •
• 调速方法： 改变电源频率f
•
改变转差率s
•
改变磁极对数p
• 直流伺服电动机的机械特性方程为：
• 式中， 一电枢控制电压； 一电枢回路电 阻； —每极磁通； 、 —分别为电动机的 结构常数。
第三章
机电一体化系统执行元件 的选择与设计
第三章 机电一体化系统执行元件的选 择与设计
• 一、本章教学目标及要求 • ① 执行元件的作用、分类、特点及机电一体化系
统对其要求； • ② 步进电机的特点与种类、工作原理； • ③ 步进电机的性能指标及运行特性、驱动与控制； • ④ 直流伺服电动机的原理及其驱动； • ⑤ 交流伺服电动机的原理及其驱动。 • 本章教学重点：步进电机工作原理及驱动控制，直流、
• 2、体积小，重量轻
• 通常用执行元件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＝P/G ，比功率密 度＝ T2/J/G
• 3、便于维修、安装
• 4、易于微机控制
四、执行装置的基本动作原理
• 1.电气式执行元件的动作原理
• 直流电机等电气式执行元件都是由电磁力驱 动运行机构运动的，基本工作原理相同。如图 3.1所示，直流伺服电动机由永磁体定子、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。
交流伺服电机选用及控制。 • 本章教学难点：步进电机、直流、交流伺服电机控制。
第一节执行元件的作用、分类及机电一体化系统
• 作用：
对其基本要求
• 执行元件主要用来根据控制信息和指令，
将来自电、液压、气压等各种能源的能量转换
成旋转运动、直线运动等方式机械能，并完成
要求动作的能量转换装置，它在机电一体化系
使用齿轮等传动部件； • ② 过载能力差，容易受载荷影响，不慎被“卡住”
时甚至会烧毁； • ③ 获得大功率比较困难；
二、执行元件的特点与性能
• 2.液压执行元件： • 优点： • ① 输出功率大； • ② 功率密度大，可以减小执行元件的体积； • ③ 刚度高，能够实现高速、高精度的位置
控制； • 缺点： • ① 液压油源和进油、回油管路等附属设备
占空间，使设备难于小型化。 • ② 对油的要求（杂质、温度等）严格； • ③ 易泄露且有污染；
二、执行元件的特点与性能
• 3. 气压执行元件： • 优点： • ① 气源方便、成本低； • ② 无泄漏污染； • ③ 速度快、操作比较简单； • ④ 利用空气的可压缩性可实现缓冲控制； • 缺点： • ① 由于空气的可压缩性，高精度伺服控制
• 由上式知，直流伺服电动机的控制方式如下： • （1）调压调速（变电枢电压，恒转矩调速） • （2）调磁调速（变励磁电流，恒功率调速 • （3）改变电枢回路电阻调速 • 常用的是前面2种调速方式。
二、机电一体化系统对控制用电机的基 本要求
比较困难； • ② 虽然撞停等简单动作速度较高，但在任
意位置上停止的速度很慢； • ③ 能量效率低, 噪声大。
三、机电一体化系统对执行元件的基本要求
1、惯量小、动力大
加速度表征执行元件的加速性能；另一表征 动力大小的综合性指标为比功率（功率的时 间变化率） ,它包含了功率、加速性能与转
速三种因素。 比 功率 P T2 J
• (3)气压式：与液压式的原理相同，只是 将介质由油改为气体，包括气缸和气动 马达。特点是重量轻、价格便宜。
• (4)其它执行元件：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。
一、执行元件分类
电磁式 电磁铁及其它
电动机
执
油缸
行 元
液压式 液压马达
件 气压式 气缸 气压马达
交流伺服电机 直流伺服电机 步进电机 其它电机
• 图3.4为控制用电动的基本控制形式。目标运 动不同，电动机及其控制方式也不同。步进电 动机的开环方式、其它电动机的半闭环方式和 全闭环方式是控制用电动机的基本控制方式。 闭环方式比开环方式的伺服控制精度高。
• 伺服（随动）－servo：系统由如此几种设备 组成，它们可以连续地监测系统的实际信息 （位置、速度、加速度等），把这些信息与理 想的给定信号相比较，然后做出适当的必要的 调整以使差值为最小。