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1、机电一体化系统设计 第三章 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 厚德达理 励志勤工 厚德达理 励志勤工 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 厚德达理 励志勤工 执行元件的特点 厚德达理 励志勤工 1. 1. 电气执行元件电气执行元件 电气执行元件包括直流电气执行元件包括直流(DC)(DC)伺服电机、交流（伺服电机、交流（ ACAC）伺服电机、步进电机以及电磁铁等。对这些伺伺服电机、步进电机以及电磁铁等。对
2、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，便于维修等好，适合于频繁使用，便于维修等 2 2液压式执行元件液压式执行元件 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、快速性好等特点率的情况下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点 3 3气压式执行元件气压式执行元件 气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外， 与液
3、压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大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。压缩性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。 执行元件的特点以及优缺点 种 类类 特点优优点缺点 电电 气 式 可用商业电源 ；信号与动力传 送方向相同；有 交流直流之分； 注意使用电压和 功率。 操作简便；编程容 易；能实现定位伺 服控制；响应快、 易与计算机（CPU ）连接；体积小、 动力大、无污染。 瞬时输出功率大 ；过载差；一旦 卡死，会引起烧 毁事故；受外界
4、噪音影响大。 气 压压 式 气体压力源压 力57Mpa；要 求操作人员技术 熟练。 气源方便、成本低 ；无泄露而污染环 境；速度快、操作 简便。 功率小、体积大 、难于小型化； 动作不平稳、远 距离传输困难； 噪音大；难于伺 服。 液 压压 式 液体压力源压 力2080Mpa； 要求操作人员技 术熟练。 输出功率大，速度 快、动作平稳，可 实现定位伺服控制 ；易与计算机（ CPU）连接。 设备难于小型化 ；液压源和液压 油要求严格；易 产生泄露而污染 环境。 厚德达理 励志勤工 3.1.2机电一体化系统对执行元件的基本要求 （1）惯量小，动力大。 （2）体积小，重量轻。 （3）安装方便、便于维
5、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。 厚德达理 励志勤工 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 、闭环控制三种。 如图所示数控机床伺服系统。 厚德达理 励志勤工 它由控制器、被控对象、反馈测量装置它由控制器、被控对象、反馈测量装置 等部分组成。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 为实现运动、功率/能量、控制运动方式的转 换，对伺服
6、控制电动机提出了一些基本要求。 （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。 厚德达理 励志勤工 3.2.2 伺服控制电动机基本特性 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。 厚德达理 励志勤工 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
7、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 （1）步进电动机的特点 控制精度由步进角决定（ ）。 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。 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。 控制性能好，不会产生“丢步 ”现象（频 繁启动、停止、变换）。 易于与计算机实现对接。 厚德达理 励志勤工 （2）步进电动机的种类 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
8、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。 厚德达理 励志勤工 （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： 厚德达理 励志勤工 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=360/znK。如：0.6/1.2、 0.75/1.5、0.9/1.8、。 （2）静态
9、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。 失调角示意图 矩角特性曲线 厚德达理 励志勤工 （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r。 从图中可以得出，步进电机工作的拍数越多，稳 定工作区域r越接近静态稳定工作区域e，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。 矩角 特性 曲线族 厚德达理 励志勤工 最高连续运转频率fma
10、x及矩频特性：步进 电机连续运转时所能接受的最高控制频率fmax ，称最高连续运转频率；步进电机连续运转转 矩随频率的增加而降低，称矩频特性。 厚德达理 励志勤工 矩角特性曲线族 3.3.3 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。 变频控制信号：主要有脉冲频率信号和 方向控制信号。 步进电机驱动电路的组成 厚德达理 励志勤工 一种四相步进电机驱动实用电路 厚德达理 励志勤工 （1）环形脉冲分配器 由于步进电机的工作原理是各绕组必须按一 定的顺序通电变化才能正常工作（A B C A B ；A AB B BC C CA A AB B ），完成这种通电顺
11、序变 化规律的部件称为环形脉冲分配器。实现脉冲 环形分配的方法主要有三种： 软件分频可充分利用计算机资源降低硬 件成本，可适用多相脉冲分配，但将占用计算 机运行时间，影响步进电机的运行速度。 IC集成电路分频（DDT分频器）灵活性 强，可搭接成任意通电顺序的环形分配器，不 站用计算机的工作时间。 厚德达理 励志勤工 CH250 管角定义与三相六拍工作状态的接线图 厚德达理 励志勤工 专用环形分频器使用 方便，接口简单，专业化生 产质量可靠，成本低等。如 ：CH250三相绕组分频器 ；L297和PMM8714两相绕 组分频器；PMM8713五相 绕组电机分频器等。 （2）功率放大器 功率放大器是
12、实现控制信号与步进电机匹配的重 要组件。 常见的步进电机功率放大器的组成与特点如下： 单电压功率放大电路 厚德达理 励志勤工 特点：电路结构简单，但串联R2消耗能量降低放大 功率；电感较大使电路对脉冲反应较慢,输出波形 差。主要用于转速要求不高的小型步进电机控制。 高低压功率放大器 特点：具有高压驱动 ，电流增长速度快、 前沿变陡，电机的扭 矩和频率得到提高。 特点：仅在脉冲开始时接通高压 电源，其余时间仅接通低压电源 供电。具有功效高、电流上升率 高、高速运转性能好，但波形陡 有时存在过冲现象，谐波丰富， 在低速运转时易产生振动。 厚德达理 励志勤工 恒流源功率放大器 厚德达理 励志勤工 （
13、3）细分驱动电路 采用细分驱动电路的目的：整步运转或半 步运转基础上，不改变步进电机结构，提高 步进电机的运转、控制精度 。 细分驱动电路的基本工作原理 ：对每一 控制脉冲，细分使其电流逐步增加达到脉冲 的最大电流（Imax），又逐步减少达到脉冲 的最小电流（0），从而可实现高精度运转 、控制、分辨，以及提高步进精度。 厚德达理 励志勤工 常用的步进电机细分驱动电路 工作原理：由基极开关电压U1U5控制多路功 率开关管VTd1VTd5的通断，从而控制功放管 VT的导通电流大小，即步进电机线圈绕组电 流的大小，实现对步进电机步进量的细分。 特点：功率开关管工作在开关状态，功耗很 低，但器件多、体
14、积大。 多路功率开关细分电路 厚德达理 励志勤工 单功率放大细分驱动电路 厚德达理 励志勤工 阶梯波控制信号的产生与放大方法 分先放大后叠加；先叠加后放大两种方法。 厚德达理 励志勤工 （4）步进电机的微机控制 主要分为：串行控制和并行控制两种方法 串行控制方式 并行控制方式 厚德达理 励志勤工 3.4 直流（DC）伺服电动机及其驱动 3.4.1 直流（DC）伺服电动机工作原理 通过电刷和转换器产生的整流作用，使磁 场磁动势和电枢电流磁动势正交，从而产生 转动力矩。使用直流供电，实现速度和方向 调节控制，主要通过对直流电压/电流的大 小和方向进行调节来实现。 直流伺服电动机的调速控制如下图所示
15、。 厚德达理 励志勤工 直流电机的调速方式 由于直流伺服电机的机械特性方程为： 厚德达理 励志勤工 式中，UC 电枢控制电压；R 电枢回路电阻； 每极磁通；Ce、Ct分别为电动机 结构常数。 由此，直流伺服电机的控制方式如下： （1 1）调压调速（变电枢电压，恒转矩调速）调压调速（变电枢电压，恒转矩调速） （2 2）调磁调速（变励磁电流，恒功率调速）（）调磁调速（变励磁电流，恒功率调速）（3 3 ）改变电枢回路电阻调速）改变电枢回路电阻调速 典型直流伺服电动机控制数学模型 厚德达理 励志勤工 直流（DC）伺服电动机的特性 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。 3.4.2 直流（DC）伺服电动机的驱动 要实现对直流电动机的速度和方向进行调节 控制，通常可用两种驱动控制方式： 晶体管直流脉宽调制驱动； 晶
