机电一体化系统设计(第三章)

常用伺服控制电动机的控制方式
主要有：开环控制、半闭环控制、
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闭环控制三种。 如图所示数控机床伺服系统。
工
它由控制器、被控对象、反馈测量装置 等部分组成。
3.2.1 机电一体化系统 对伺服控制电动机的基本要求
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工
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。
A
A
C1
B 4
B2
3C
A
A
C
4
B
1 2
3
B
C
A
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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。
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
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。
3.1.2机电一体化系统对执行元件的基本要求
（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。
（4）能适应频繁启动，可靠性高、寿命长。
（5）易于与计算机对接，实现计算机控制。
3.2.2 伺服控制电动机基本特性
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（3）步进电动机的工作原理
当第一个脉冲通入A相时，磁通企图沿着磁 阻最小的路径闭合，在此磁场力的作用下， 转子的1、3齿要和A级对齐。当下一个脉冲 通入B相时，磁通同样要按磁阻最小的路径闭 合，即2、4齿要和B级对齐，则转子就顺逆 时针方向转动一定的角度：
A
C1
B
2
4
B3
C
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无论动力用伺服控制电动机，还是控制用 伺服控制电动机，功率—转速—转矩的电特 性是电机重要的基本特性指标之一。
P Pw
nd
n
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。
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
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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： 分为2相、 3相、 4相、 5相、 10相等步进电机。 ·按定子绕组通电极性分类： 分为单极性和双极性步进电机。
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执行元件的特点以及优缺点
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种类
特点
可用商业电源；
电 信号与动力传送 气 方向相同；有交 式 流直流之分；注
意使用电压和功 率。
气体压力源压力
气 5~7×Mpa；要 压 求操作人员技术 式 熟练。
液
液体压力源压力 20~80×Mpa；
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。
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
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（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－角特性之交
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。
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（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）。
⑤易于与计算机实现对接。
电磁式
电动机 电磁铁及其他
交流伺服电机 直流伺服电机
执
液压式
行
元
件 气压式
油缸 液压马达 气缸 气压马达
步进电机 其他电机 双金属片 状态记忆金属
其他
与材料有关
压电元件
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执行元件的特点
1. 电气执行元件
电气执行元件包括直流(DC)伺服电机、交流 （AC）伺服电机、步进电机以及电磁铁等。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
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（1）惯量小，动力大。 （2）体积小，重量轻。 （3）安装方便、便于维修维护。 （4）易于实现自动化控制。
3.2 机电一体化系统常用的控制电动机
常用伺服控制电动机 ：
DC/AC电动机、力矩电动机、步进（脉冲） 电动机、变频调速电动机、开关电磁电动机 以及其他电动机（直流或交流脉宽调速电动 机、电磁伸缩元件）等。
机电一体化系统设计
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第三章
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机电一体化系统 执行元件的选择与设计
张建民 编著 高等教育出版社
讲授：何庆中 机电工程系
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第三章 机电一体化系统 执行元件的选择与设计
第3.1节 执行元件
执行元件——是将控制信号转换成机械 运动和机械能量的转换元件。
3.1.1 执行元件的种类及特点
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。