机电一体化(第3章 执行元件)

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
三、直流(DC)伺服电动机
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。 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。
伺服电动机控制方式的基本形式
1、对控制用电动机的基本要求
2、控制电动机的种类、特点及选用 在机电一体化系统(或产品)中使用两类电动机： （1）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； （2）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。 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。
开环脉冲宽度调速系统 开环脉冲宽度调速系统的原理，由五部分组成（各部分 的说明）。
电机控制接口。下图为采用固态继电器的直流电机接口 连接方法。
PWM调速系统设计 用微机或单片机实现PWM很容易，只需改变电机定子绕 组电压的通断电时间即可达到调节电机转速的目的。 由平均速度，及电机全通电时的最大速度Vmax求出占空比 D，由D值进一步求脉冲宽度（亦即通电时间）。 电机控制程序的设计有两种方法：软件延时；计数法。 为使电动机实现双向调速，多采用下图所示桥式电路。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。
（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。
机电一体化系统设计
——郭世伟
第三点及基本要求
执行元件是机电一体化系统必不可少的驱动部件， 执行元件应用于： 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)中。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。 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。
控制系统软件设计：8155初始化；读入给定值N、方向控 制标志和启停控制标志。 流程图如下：
程序清单：
ORG 8000H START：MOV DPTR，#0FD00H ；8155控制口 MOV A，#01H MOVX @DPTR，A ；设置A口输出，B、C口输入 LOOP： MOV DPTR，#0FD02H ；8155 B口 MOVX A，@DPTR MOV 20H，A ；（20H）=N CPL A INC A MOV 21H，A ；（21H）=n-N，n=256 MOV DPTR，#0FD03H ；8155 C口 MOVX A，@DPTR JB ACC.1，STOP JB ACC.0，INVERT MOV A，#02H ；正转 OUTPUT：MOV DPTR，#0FD01H ；8155 A口 MOVX @DPTR，A
带方向控制的PWM调速系统的 原理图也可如下所示。
实例：一个完整的双向直流电机控制接口电路如下图所示。 8155A口为输出方式，电机工作状态真值表和电机的控制模 型如下表所示：
电机正转时，控制模型为02H（PA1=1，PA0=0）； 电机反转时，控制模型为01H； 电机刹车时，控制模型为03H； 电机滑行时，控制模型为00H。 PB口和PC口为输入方式： PB口输入8个开关提供的脉冲宽度给定值N； PC1口线的单刀双掷开关提供启停控制，PC1=0为启动， PC1=1为停止； PC0口线的单刀双掷开关提供正反转向控制，PC0=0时正 转，PC0=1为反转。
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。 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。电流有不连续性。 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。
1、执行元件的种类及特点 执行元件是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。 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。 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。例如电动机、电磁铁、继电器等，把输入的电能 转换为机械能。 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。如液 动机、油（气缸）等把液压能、气压能转换为机械能。 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 。内燃机把化学能转换为机械能。
小功率直流电机调速原理 小功率直流电机的调速可通过控制电枢平均电压来实现。 用微机或单片机控制，通过改变电枢电压接通时间与通电周期的 比值（即占空比）来控制电机速度——此即脉冲宽度调制PWM。 电机转速由电枢电压Ua决定， Ua越大，电机转速越高。 电机通电时速度增加，断电时速度逐渐减小，控制通、断时间比 即可控制电机转速。 设电机全通电时的转速为Vmax，占空比为D=t1/T,则电机的 平均速度为：Vd=Vmax×D （近似的线性关系）
二、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。 现代化生产对电机的性能要求越来越高：精度、速度、带 负载能力、灵活性、智能化等。 电机的控制用自动化控制设备，朝向集成化、微型化、智 能化方向发展。微机和单片机使电机控制产生革命性的飞跃。目 前已研制出了许多微机或单片机控制电机的系统及专用控制板。 不远的将来，智能化调速系统、电机一体化等会广泛应用。 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。
（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)、压电元件及电磁铁等。以电动机和电磁铁为最 常用。 对控制用电动机的性能要求：稳速运转性能，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。 控制用电动机驱动系统可在指令器给定的指令位置定位停 止。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。 还有微量位移用器件： 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，位移量很小， 可用在机电一体化产品中实现微量进给。
MOV 22H，20H ；延时t1 DELAY1：ACALL DELAY0 DJNZ 22H，DELAY1 MOV A，#00H ；滑行 MOVX @DPTR，A MOV 23H，21H ；延时t2 DELAY2：ACALL DELAY0 DJNZ 23H，DELAY2 AJMP LOOP STOP：MOV A，#03H ；刹车 MOV DPTR，#0FD01H MOVX @DPTR，A AJMP LOOP INVERT：MOV A，#01H ；反转 AJMP OUTPUT DELAY0：… ；软件延时的单位时间