机电一体化(第3章 执行元件)

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。
电磁继电器 为触点式继电器，由线圈控制机械触点。线圈可由直流 低压控制，而触点输出部分可直接与高压相连。图中继电器为 常开型，其前面接有光电耦合器，二极管D为续流二极管。
电磁阀 电磁阀对气体、液体管道的开关进行控制。广泛应用于液 压机械、空调系统、热水器、自动机床等系统中。 电磁阀可分为交流和直流两类，根据其阀位和通道数目有 两位三通、两位四通、三位四通等。 下图为电磁阀的结构原理图。
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。
机电一体化系统设计
——郭世伟
第三章
执行元件的选择与设计
一、执行元件的种类、特点及基本要求
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。
2、对执行元件的基本要求 （1）惯量小、动力大
（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 。 即单位重量所能达到的输出功率或比功率。
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Βιβλιοθήκη Baidu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。
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。
交流电电磁阀常要使用双向可控硅驱动或用一个直流继 电器作为中间继电器控制。
下图为交流电磁阀的接口电路。MOC3041为光电耦合 器，用于触发双向晶闸管KS，以及隔离单片机和电磁阀系统。
（2）液压式执行元件 液压式执行元件有：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。 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 具有代表性的气压执行元件有气缸、气压马达等。 气压式执行元件用压缩空气作工作介质，其它方面与液 压式执行元件无什么区别。 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，故不能在定位精度较高的场合使 用。
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。
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。
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）
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
（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
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。