第3章 机电一体化系统的执行元件的选择与设计

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宽调速直流伺服电机应根据负载条件来选择。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。 值得提出的是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 指令速度需要的时间长些。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。
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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 。
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第3章
机电一体化系统的执行元件的 选择与设计
§3-1
§3-2 §3-3 §3-4
执行元件的种类、特点及基本要求
常用的控制用电动机 直流(DC)与交流(AC)伺服电机及驱动 步进电机及其驱动
习题与思考题
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§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。 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。
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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。
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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。
1. 直流伺服电机的特性及选用
直流伺服电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。 20世纪60年代研制出了小惯量直流伺服电机，其电枢无槽，绕组直接粘接固 定在电枢铁心上，因而转动惯量小、反应灵敏、动态特性好，适用于高速且负载 惯量较小的场合，否则需根据其具体的惯量比设置精密齿轮副才能与负载惯量匹 配，增加了成本。 直流印刷电枢电动机是一种盘形伺服电机，电枢由导电板的切口成形，导体 的线圈端部起换向器作用，这种空心式高性能伺服电机大多用于工业机器人、小 型NC机床及线切割机床上。
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2. 直流伺服电机与驱动 直流伺服电机为直流供电，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。由于晶闸管本身的工作原理和电源的特点，导通 后是利用交流(50Hz)过零来关闭的，因此在低整流电压时， 其输出是很小的尖峰值(三相全波时每秒300个)的平均值，从 而造成电流的不连续性。而采用脉宽调速驱动系统，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。
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宽调速直流伺服电机的结构特点是励磁便于调整 ，易 于安排补偿绕组和换向极，电动机的换向性能得到改善，成 本低,可以在较宽的速度范围内得到恒转速特性。永久磁铁 的宽调速直流伺服电机的结构如下图所示。有不带制动器a 和带制动器b两种结构。 电动机定子(磁钢)1采用矫顽力高、不易去磁的永磁材 料(如铁氧体永久磁铁)、转子(电枢)2直径大并且有槽，因而 热容量大，结构上又采用了通常凸极式和隐极式永磁电动机 磁路的组合，提高了电动机气隙磁通密度。同时，在电动机 尾部装有高精密低纹波的测速发电机，并可加装光电编码器 或旋转变压器及制动器，为速度环提供了较高的增量，能获 得优良的低速刚度和动态性能。
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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。
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1. 控制用电动机的种类、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。
3. 便于维修、安装
例。 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
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。
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直流伺服电机与驱动器
电动机 驱动器
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发那科公司直流伺服电机
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PWM直流调速驱动系统原理
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为使电动机实现双向调速，多采用下图所示桥式 电路，其工作原理与线性放大桥式电路相似。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 +90 V→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 +90 V→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。
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二、对执行元件的基本要求
1. 惯量小、动力大

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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 。
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宽调速直流伺服电机
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日本发那科 (FANUC) 公司生产的用于工业机 器人、CNC机床、加工中心 (MC)的L系列( 低惯量 系列)、M系列(中惯量系列)和H系列(大惯量系列 直流伺服电机）。其中L系列适合于频繁启动、 制动场合应用，M系列是在 H系列的基础上发展 起来的，其惯量较H系列小，适合于晶体管脉宽 调制(PWM)驱动，因而提高了整个伺服系统的频 率响应。而H系列是大惯量控制用电动机，它有 较大的输出功率，采用六相全波晶闸管整流驱动。 表中电动机型号带有H标志(如30MH)的表示该电 动机装有热管冷却器，该电动机的有效尺寸与不 带热管冷却器的同型号的相同，但其额定转矩大。
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§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。 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。
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。
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执行元件的特点及优缺点
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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
伺服电机控制方式的基本形式
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控制用电动机应具有的基本功能要求
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伺服电机的特点及应用实例
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伺服电机的性能比较
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伺服电机优缺点比较
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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； 对于启停频率高 ( 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 机的比功率最高、 直流伺服电机次之、步进电 机最低。
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无级变速电动机实例
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伺服电机及其驱动电源电路板
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齿轮减速电动机例
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伺服电机及其驱动器系列例
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§3-3 直流（DC）与交流（AC） 伺服电机及驱动 一、直流(DC)伺服电机及其驱动