第3章 机电一体化系统的执行元件的选择与设计共78页
合集下载
机电一体化系统设计第3章
21
机电一体化系统设计
执行元件的比较——气压式
特点：空气压力源的压力为0.5~0.7Mpa；要求 操作人员技术熟练。
优点：气源方便、成本低；无泄漏污染；速度快、操 作比较简单。 缺点：功率小，体积大，动作不够平稳；不易小型化； 远距离传输困难；工作噪声大，难伺服。
22
机电一体化系统设计
3.1.2 执行元件的基本要求
输入一个脉冲电机转动一步，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。
26
机电一体化系统设计
3.3.1 步进电动机的特点与种类
①步进电机的工作状态不易受各种因素干扰的影响；
②步进电机的步距角有误差，转子转过一定角度后会 出现累积误差，但转子转过一圈后，累积误差变为 零。
①性能密度和比功率大，PG＝P/G； ②快速性能，即加速转矩大，频响特性好；
③位置控制精度高、调速范围宽，低速运行平稳， 无爬行现象、分辩力高、振动噪声小； ④适应起、停频繁的工作要求；
⑤可靠性高、寿命长。
25
机电一体化系统设计
3.3 步进电动机及驱动
步进电机：又称脉冲电机，将电脉冲信号 转换成机械 角位移的执行元件。
③动态特性。动态稳定区，启动转矩Tq，最高连续 运行频率，空载启动频率与惯－频特性。 ④步进电机型号表示方法。
38
机电一体化系统设计
失调角示意图
失调角=0, 转矩=0
失调角>0, 转矩<0
失调角=1/2转子齿距 转矩=0
39
机电一体化系统设计
矩—角 特性曲线
40
动态特性参数：主要指动态稳定区、启动转矩、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(或AB)相通电，不产 生丢步时的稳定工作区域θr 。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。 起动转矩Tq：两相(A、B)矩－角特性交点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。
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。
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
机电一体化系统设计课件第三机电一体化系统执行元件的选择与设计.
e
T
Tjmax
定子 转子
失调角示意图
p
p /2
p /2
p
e
Tjmax
矩－角特性曲线
厚
励 志 勤
德 达 理
工
（3）动态特性
动态特性参数：主要指动态稳定区、启动转矩、 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（或AB）
相通电，不产生丢步时的稳定工作区域θr。从
图中可以得出，步进电机工作的拍数越多，稳定
⑤易于与计算机实现对接。
厚
励 志 勤
德 达 理
工
（2）步进电动机的种类
① 种类 · 按转子构成分类： 可变磁组型（VR）步进电机 ——转子为导
磁体，也称反应式步进电机。 永磁型（PM）步进电机 ——转子为永磁铁。 混合型（HB-Hybrid）步进电机 ——转子
为导磁体和永磁铁的组合。 · 按定子绕组对数分类：
3.3.1 步进电动机的特点、种类、工作原理
（1）步进电动机的特点 ① 控制精度由步进角决定（
）。
② 抗干扰能力强，在电机电特性工作范围 内，不产生丢步或无法工作等现象。
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时，转角累计误 差将归零。
④ 控制性能好，不会产生“丢步 ”现象 （频繁启动、停止、变换）。
2．液压式执行元件
液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油 缸、液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功 率的情况下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点
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， 与液压式执行元件没有区别。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，故不能在定位精度要求较高的场合使用。
第3章机电一体化系统驱动元件选择与设计
（2）步进电动机的种类
按转子构成分类： 可变磁阻型（VR）步进电机 ——转子为导磁体，
也称反应式步进电机。 永磁型（PM）步进电机 ——转子为永磁铁。 混合型（HB）步进电机 ——转子为导磁体和永
磁铁的组合。
第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计
按转子构成分类
可变磁阻型（VR）步进电机
（3）细分驱动电路
采用细分驱动电路的目的：不 改变步进电机结构，使步距角 减小，使步进电动机运行平稳、 提高匀速性、并减弱或消除振 w
荡。
细分驱动电路的基本工作原理：
对每一控制脉冲，细分使其电
t
流逐步增加达到脉冲的最大电
率(fq)。当带载起动时，所允许的起跳控制频率会
大大下降。 步进电动机带动惯性负载时的起跳频率与负载转动
惯量之间的关系为起动惯—频特性。
第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计
第3章机电一体化系统驱动元件选 择与设计
四、步进电机的驱动与控制
步进电机的驱动电路：主要由脉冲分配器和功率放大 器两部份组成。
软件分频——采用软件，用查表或计算法进行脉冲分 配。可充分利用计算机资源降低硬件成本，但将占用 计算机运行时间，易影响步进电机的运行速度。
IC集成电路分频——灵活性强，可搭接成任意通电顺 序的环形分配器，不占用计算机的工作时间。
专用环形分频器——使用方便，接口简单，专业化生 产质量可靠，成本低
按三相六拍通电方式工作的步进电动机，即按照A－AB－B －BC－C－CA－A－… 顺序通电，换接六次完成一个通电 循环。这种通电方式的第3章步机距电一角体化为系1统5驱º动。元件选
择与设计
从上述可知，步距角的大小与通电方式和转子 齿数有关，其大小可用下式计算： α＝360º／(Zm)
第三章 执行元件的选择与设计(2—2015)
返回目录
13
结束放映
回看
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 (T2/J)/G 。
返回目录
14
结束放映
返回目录
41
结束放映
回看
二、步进电动机的工作原理
显然，单位时间内通入的电脉冲数越多， 即电脉冲频率越高，电动机转速就越高。如果 按A→C→B→A→„的顺序通电，步进电动机将沿 顺时针方向一步步地转动。从一相通电换接到 另一相通电称为一拍，每一拍转子转动一个步 距角。像上述的步进电动机，三相励磁绕组依 次单独通电运行，换接三次完成一个通电循环， 称为三相单三拍通电方式。
返回目录
8
结束放映
回看
第一节
执行元件的种类、特点及基本要求 2. 液压式执行元件
液压式执行元件主要包括往复运动油缸、 回转油缸、液压马达等，其中油缸最为常见。 在同等输出功率的情况下，液压元件具有重 量轻、快速性好等特点。
返回目录
9
结束放映
回看
第一节
执行元件的种类、特点及基本要求 3. 气压式执行元件
电枢绕组：单个绕组元件组成。
返回目录
35
结束放映
回看
一、步进电动机的特点与种类
混合(HB-Hybrid)型例
混合 型步 进电 动机
返回目录
36
结束放映
回看
一、步进电动机的特点与种类
混合式步进电机在永磁和变磁阻原理 共同作用下，输出转矩大，步距角小，结 构复杂，成本高。
13
结束放映
回看
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 (T2/J)/G 。
返回目录
14
结束放映
返回目录
41
结束放映
回看
二、步进电动机的工作原理
显然，单位时间内通入的电脉冲数越多， 即电脉冲频率越高，电动机转速就越高。如果 按A→C→B→A→„的顺序通电，步进电动机将沿 顺时针方向一步步地转动。从一相通电换接到 另一相通电称为一拍，每一拍转子转动一个步 距角。像上述的步进电动机，三相励磁绕组依 次单独通电运行，换接三次完成一个通电循环， 称为三相单三拍通电方式。
返回目录
8
结束放映
回看
第一节
执行元件的种类、特点及基本要求 2. 液压式执行元件
液压式执行元件主要包括往复运动油缸、 回转油缸、液压马达等，其中油缸最为常见。 在同等输出功率的情况下，液压元件具有重 量轻、快速性好等特点。
返回目录
9
结束放映
回看
第一节
执行元件的种类、特点及基本要求 3. 气压式执行元件
电枢绕组：单个绕组元件组成。
返回目录
35
结束放映
回看
一、步进电动机的特点与种类
混合(HB-Hybrid)型例
混合 型步 进电 动机
返回目录
36
结束放映
回看
一、步进电动机的特点与种类
混合式步进电机在永磁和变磁阻原理 共同作用下，输出转矩大，步距角小，结 构复杂，成本高。
三执行元件的选择与设计
返回目录
4
第四页，共八十四页。
结束放映
回看
控制用电动机驱动系统一般(yībān)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。
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。
结束放映
回看
第三章
执行元件(yuánjiàn)的选择与设计
第一节 执行元件的种类、特点及基本要求
第二节 常用(chánɡ yònɡ)的控制用电动机 第三节 直流(DC)与交流(AC)
伺服电动机及驱动
第四节 步进电动机及驱动
习题(xítí)与思考题
返回目录
1
第一页，共八十四页。
结束放映
回看
第一节
执行元件的种类(zhǒnglèi)、 特点及基本要求
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 。
返回目录
3
第三页，共八十四页。
结束放映
回看
1. 电气式执行(zhíxíng)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(dòngtài) 性能以及频繁使用时的适应性和便于维修性能。
机电一体化系统执行元件的选择与设计.
定子1与转子2由铁芯构成，没有 永久磁铁，定子上嵌有线圈．
转子结构简单、转子直径小，有 利于高速响应。
铁芯无极性，常有吸引力，故不需 改变电流极性，多为单极性励磁。
无励磁时没有保持力。 需要将气隙作得尽可能小，几个微米。 制造成本高、效率低、转子的阻尼差、
噪声大等缺点。 制造材料费用低、结构简单、步距角小。
伺服电机控制三种基本形式
一、对控制用电机的基本要求
(1) 性能密度大、即功率密度和比功率大； 功率密度＝P/G(WN-1)， 比功率密度＝TN2/Jm（Ws-1)
(2) 快速性好，即加速转矩大，频响特性好； (3) 位置控制精度高、调速范围宽、低速运行平稳无爬行现 象、分辩率高、振动噪声小； (4) 适应启、停频繁的工作要求； (5) 可靠性高、寿命长。
第三章 执行元件的选择与设计
机电一体化系统(或产品)离不开执行元件为其提供动力。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升降、回转和伸 缩运动等所用驱动部件 .
在电子控制装置控制下，将输入的各种形式的能量转换为机械能，例 如电动机、液动机、气缸、内燃机、电磁铁、继电器等分别把输入的 电能、液压能、气压能和化学能转换为机械能。
在额定输出功率相同的条件下，交流伺服电机的比功率最高，依 次为步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机。
二、控制用电机的种类、特点及选用
三、直流(DC)伺服电机与驱动
1、直流伺服电机的特性及选用 （1）特点
◆ 电枢大多为永久磁铁磁场； ◆ 直流伺服电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。 ◆ 由于使用电刷和整流子，故寿命较低，需要定期维修。
3．便于维修、安装
执行元件最好不需要维修,例如交/直流无刷伺服电机。
转子结构简单、转子直径小，有 利于高速响应。
铁芯无极性，常有吸引力，故不需 改变电流极性，多为单极性励磁。
无励磁时没有保持力。 需要将气隙作得尽可能小，几个微米。 制造成本高、效率低、转子的阻尼差、
噪声大等缺点。 制造材料费用低、结构简单、步距角小。
伺服电机控制三种基本形式
一、对控制用电机的基本要求
(1) 性能密度大、即功率密度和比功率大； 功率密度＝P/G(WN-1)， 比功率密度＝TN2/Jm（Ws-1)
(2) 快速性好，即加速转矩大，频响特性好； (3) 位置控制精度高、调速范围宽、低速运行平稳无爬行现 象、分辩率高、振动噪声小； (4) 适应启、停频繁的工作要求； (5) 可靠性高、寿命长。
第三章 执行元件的选择与设计
机电一体化系统(或产品)离不开执行元件为其提供动力。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升降、回转和伸 缩运动等所用驱动部件 .
在电子控制装置控制下，将输入的各种形式的能量转换为机械能，例 如电动机、液动机、气缸、内燃机、电磁铁、继电器等分别把输入的 电能、液压能、气压能和化学能转换为机械能。
在额定输出功率相同的条件下，交流伺服电机的比功率最高，依 次为步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机。
二、控制用电机的种类、特点及选用
三、直流(DC)伺服电机与驱动
1、直流伺服电机的特性及选用 （1）特点
◆ 电枢大多为永久磁铁磁场； ◆ 直流伺服电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。 ◆ 由于使用电刷和整流子，故寿命较低，需要定期维修。
3．便于维修、安装
执行元件最好不需要维修,例如交/直流无刷伺服电机。
第3章执行元件-媒
3）混合(HB)型 ）混合(HB)型
• 是永磁型和可变磁阻型相结合的一种形式。 • 这种电动机转子上嵌有永久磁铁，可以说 是永磁型式；但从定子和转子的导磁体来 看，又和可变磁阻型相似；所以称为混合 型步进电动机。 • 其结构如图3．5所示。
• 优点：具有vR型步距角小、响应频率高的优 点，而且还具有PM型励磁功率小、效率高的 优点。 • 这种类型的电动机由转子铁心的凸极 数和定子的副凸极数决定步距角的大小，可 制造出步距角较小(0．9度一3．6度)的电动 机。 • HB和PM型能够实现较低的速度，用作 超低速同步电动机，如用60Hz驱动每步1．8 度的电动机可作为72r／min的同步电动机使 用。
• 1、转动原理： 如果先将电脉冲加到A相励磁绕组， 定子A相磁极就产生磁通，并对转子产生磁拉力，使 转子的l、3两个齿与定子的A相磁极对齐。…… 如 …… 果按照A—B—C—A的顺序通电，转子则沿反时针方 向一步步地转动，每步转过30度，这个角度就叫步 距角。 • 如果按A一C—B—A 的顺序通电，步进电动机将沿顺 时针方向一步步地转动。
二、执行元件的基本要求
• • • • • • (1)惯量小、动力大 表征执行元件惯量的性能指标： 直线运动--质量m， 回转运动--转动惯量J。 表征输出动力的性能指标为推力F、转矩T或功率P。 直线运动：推力 F＝ma； a--加速度 回转运动：P＝ωT．,T=Jε ；ω--角速度， ε--角 加速度为，． • 另一种表征动力大小的综合性指标称为比功率。它包 含了功率、加速性能与转速三种因素， • 比功率＝Pε／ω ＝T／J
• • •
• •
• •
步进电动机具有以下特点： 1）工作状态不易受干扰 (如电源电压的波动、电流的大小与波形的变化、 温度等)，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）步距角有误差不会长期积累 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”。
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。
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。
机电一体化系统执行元件的选择与设计
机电一体化系统执行元件的选择与设 计
典型直流伺服电动机控制数学模型
• •
厚
励 志 勤
德 达 理
工
PPT文档演模板
机电一体化系统执行元件的选择与设 计
直流（DC）伺服电动机的特性
• •
厚
励 志 勤
德 达 理
特点：具有较高的响应速度、精度和频率， 优良的控制特性等，但由于所用电刷和转换器 是使用寿命较低，需要定期更换。
离传输困难；噪 音大；难于伺服。
输出功率大，速度 设备难于小型化；
快、动作平稳，可 液压源和液压油
实现定位伺服控制； 要求严格；易产
易与计算机（CPU） 生泄露而污染环
连接。
境。
机电一体化系统执行元件的选择与设 计
• •
厚
励 志 勤
德 达 理
工
PPT文档演模板
3.1.2机电一体化系统对执行元件的基本要求
德 达 理
工
3.3.2 步进电动机的运行特性与性能指标
（1）分辨率
主 要 指 步 进 角 =360º/znK 。 如 ： 0.6º/1.2º 、 0.75º/1.5º、0.9º/1.8º、………。
（2）静态特性
主要指步进电机在稳态工作条件下的特性， 包括：矩—角特性、静转矩、静态稳定特性等 。
PPT文档演模板
压 要求操作人员技
式 术熟练。
优点
缺点
操作简便；编程容 瞬时输出功率大； 易；能实现定位伺 过载差；一旦卡 服控制；响应快、 死，会引起烧毁 易与计算机（CPU） 事故；受外界噪 连接；体积小、动 音影响大。 力大、无污染。
气源方便、成本低； 功率小、体积大、 无泄露而污染环境； 难于小型化；动 速度快、操作简便。 作不平稳、远距
典型直流伺服电动机控制数学模型
• •
厚
励 志 勤
德 达 理
工
PPT文档演模板
机电一体化系统执行元件的选择与设 计
直流（DC）伺服电动机的特性
• •
厚
励 志 勤
德 达 理
特点：具有较高的响应速度、精度和频率， 优良的控制特性等，但由于所用电刷和转换器 是使用寿命较低，需要定期更换。
离传输困难；噪 音大；难于伺服。
输出功率大，速度 设备难于小型化；
快、动作平稳，可 液压源和液压油
实现定位伺服控制； 要求严格；易产
易与计算机（CPU） 生泄露而污染环
连接。
境。
机电一体化系统执行元件的选择与设 计
• •
厚
励 志 勤
德 达 理
工
PPT文档演模板
3.1.2机电一体化系统对执行元件的基本要求
德 达 理
工
3.3.2 步进电动机的运行特性与性能指标
（1）分辨率
主 要 指 步 进 角 =360º/znK 。 如 ： 0.6º/1.2º 、 0.75º/1.5º、0.9º/1.8º、………。
（2）静态特性
主要指步进电机在稳态工作条件下的特性， 包括：矩—角特性、静转矩、静态稳定特性等 。
PPT文档演模板
压 要求操作人员技
式 术熟练。
优点
缺点
操作简便；编程容 瞬时输出功率大； 易；能实现定位伺 过载差；一旦卡 服控制；响应快、 死，会引起烧毁 易与计算机（CPU） 事故；受外界噪 连接；体积小、动 音影响大。 力大、无污染。
气源方便、成本低； 功率小、体积大、 无泄露而污染环境； 难于小型化；动 速度快、操作简便。 作不平稳、远距
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
返回本章目录
10
结束放映
返回
2. 伺服电机控制方式及控制用电动机 应具有的基本功能要求
密度的要求也有所不同。对于启停频率低(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；
返回本章目录
3
结束放映
返回
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。
6
结束放映
返回
二、对执行元件的基本要求
1. 惯量小、动力大
返回本章目录
7
结束放映
返回
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 (T2/J)/G 。
返回本章目录
8
结束放映
返回
§3-2 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。
返回本章目录
2
结束放映
返回
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。
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。
伺服电机控制方式的基本形式
返回本章目录
11
结束放映
返回
控制用电动机应具有的基本功能要求
返回本章目录
12
结束放映
返回
伺服电机的特点及应用实例
返回本章目录
13
结束放映
返回
伺服电机的性能比较
返回本章目录
14
结束放映
返回
伺服电机优缺点比较
返回本章目录
15
结束放映
返回
不同的应用场合，对控制用电动机的ห้องสมุดไป่ตู้能
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、变速驱动或反复启动、 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机。
返回本章目录
9
结束放映
返回
1. 控制用电动机的种类、特点及选用
返回本章目录
1
结束放映
返回
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 。
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。
返回本章目录
4
结束放映
返回
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。
返回本章目录
5
结束放映
返回
执行元件的特点及优缺点
返回本章目录
结束放映
返回
§3-1 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。
返回本章目录
10
结束放映
返回
2. 伺服电机控制方式及控制用电动机 应具有的基本功能要求
密度的要求也有所不同。对于启停频率低(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；
返回本章目录
3
结束放映
返回
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。
6
结束放映
返回
二、对执行元件的基本要求
1. 惯量小、动力大
返回本章目录
7
结束放映
返回
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 (T2/J)/G 。
返回本章目录
8
结束放映
返回
§3-2 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。
返回本章目录
2
结束放映
返回
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。
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。
伺服电机控制方式的基本形式
返回本章目录
11
结束放映
返回
控制用电动机应具有的基本功能要求
返回本章目录
12
结束放映
返回
伺服电机的特点及应用实例
返回本章目录
13
结束放映
返回
伺服电机的性能比较
返回本章目录
14
结束放映
返回
伺服电机优缺点比较
返回本章目录
15
结束放映
返回
不同的应用场合，对控制用电动机的ห้องสมุดไป่ตู้能
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、变速驱动或反复启动、 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机。
返回本章目录
9
结束放映
返回
1. 控制用电动机的种类、特点及选用
返回本章目录
1
结束放映
返回
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 。
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。
返回本章目录
4
结束放映
返回
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。
返回本章目录
5
结束放映
返回
执行元件的特点及优缺点
返回本章目录
结束放映
返回
§3-1 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。