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1、机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 第第2章章 机机电电一体化的系一体化的系统组统组成成 2.1 机械机械单单元元2.2 伺服与伺服与驱动单驱动单元元2.3 检测单检测单元元2.4 控制控制单单元元2.5 接口技接口技术术参考教材：第参考教材：第2 2章章机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.2 伺服与伺服与驱动单元元2.2.1 伺服与伺服与驱动单元基元基础 2.2.2 步步进电机机 2.2.3 伺服伺服电机机机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.2.1 伺服与伺服
2、与驱动单元基元基础 伺服与驱动单元伺服与驱动单元是将输入的其他形式能量转换成机械能的装置，可以根据单元输入的控制指令，产生相应的机械运动。雷达天线自动瞄准跟踪控制系统雷达天线自动瞄准跟踪控制系统 性能稳定动作灵敏控制精度高 特点：特点： 机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 伺服与驱动单元基本组成 1. 1. 伺服与驱动单元组成伺服与驱动单元组成机电一体化概论An Introduction to Mechatronics （1）控制元件 系统反馈信号与给定的输入信号和指令进行比较，将得到的偏差信号送给驱动元件处理，一般由电子电路或微处理器构成。 机电一体
3、化概论An Introduction to Mechatronics （2）驱动元件 将控制元件的输出信号进行变换和放大，以驱动伺服元件工作，是单元正常运行的前提和保证。在机电一体化系统中，常采用各种电力电子器件构成驱动电路。 机电一体化概论An Introduction to Mechatronics （3）伺服元件 将输入的各种形式能量转换成机械能，以带动系统产生机械动作。在机电一体化系统中，常采用直流伺服电动机、交流伺服电动机和步进电动机作为伺服元件 。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics （1）按系统输入能源不同：）按系统输入能源不同： 可分为电
4、气、液压和气动三种类型可分为电气、液压和气动三种类型 电气伺服与驱动单元电气伺服与驱动单元 将电气系统中的电磁能转换成机械能的一种能量转换装置，由直流伺服电动机、步进电动机、交流伺服电动机等伺服元件构成。2. 2. 伺服与驱动单元分类伺服与驱动单元分类机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 将液压系统中的压力能转换成机械能的一种能量转换装置，其包括液压马达和液压缸等伺服元件。 液压伺服与驱动单元液压伺服与驱动单元机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 气动伺服与驱动单元气动伺服与驱动单元 将压缩空气的压力能转换成机械能
5、的一种能量转换装置，其包括气缸和气动马达等伺服元件。 机电一体化概论An Introduction to Mechatronics （2）按系统控制方式不同，分为开环控制系统和闭环控制系统。 开环控制系统开环控制系统 打印头移动开环控制系统打印头移动开环控制系统 当操作者在计算机中给出打印指令，即输入控制信号，打印机的字车步进电机驱动电路工作，驱动字车步进电机，使载有打印头的字车移动到需要打印位置，并通过打印头电磁铁的吸合或释放来控制打印针击打色带，从而完成文件打印。 机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 闭环控制系统闭环控制系统 操作者设定空调温度，此
6、温度设定值与温度传感器检测到的室温值相比较，产生的偏差值送至控制板处理，控制板发出控制指令，驱动变频制冷压缩机中的直流无刷伺服电动机工作，从而使制冷压缩机启动，调节空调房间的室温。温度传感器再次检测空调房间的室温，当室温基本达到预设值时，控制器发出命令，使制冷压缩机停止工作。变频空调温度闭环控制系统变频空调温度闭环控制系统 机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 在工作时应满足如下要求：（1）精度高（2）惯量小 （3）稳定性好3. 3. 伺服与驱动单元的工作要求伺服与驱动单元的工作要求机电一体化概论An Introduction to Mechatroni
7、cs 发展方向主要为： （1）技术性能向高精度、高速度、智能化方向发展。 （2）单元规模将向高集成、体积小方向发展。 （3）控制信号将向数字化方向发展。4. 4. 伺服与驱动单元的发展方向伺服与驱动单元的发展方向机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.2.2 步步进电机机 步进电机步进电机是一种机电执行元件，其作用是将 电脉冲信号转换成相应角位移或直线位移信号。当输入一个电脉冲信号时，步进电机就转过一个角度，脉冲依次地输入，电机就一步步地转动。由于步进电机输入的是电脉冲信号，所以又称为脉冲电动机。反应式步进电动机反应式步进电动机 混合式步进电动机混合式
8、步进电动机 机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 1. 特点特点（1）由于输入信号的特殊性，使其易于与计算机 通信，可直接实现数字控制。 （2）步距值不受外界干扰因素影响。步进电机的 输出角位移与脉冲数成正比；单位时间内输入 的脉冲个数越多，脉冲频率越高，转过的角度 累积值越大，转速越快，电机转速与脉冲频率 成正比。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics （3）步距误差不长期积累。步进电机每转一步所转 过的实际步距值与理论步距值间会有一些误差。 随步数增加，总会有一定的误差累积，但每转 一圈的累积误差却为零。 （4）
9、调速范围大，调速平滑性好。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2. 基本结构基本结构 定子定子由六个凸极组成，在相对的凸极上套有一相能产生磁场的绕组，三相绕组的首端轮流接收电脉冲信号，尾端连在一起；转子转子铁心上冲槽，不装有绕组。三相反应式步进电动机为例：三相反应式步进电动机为例： 定子定子转子转子机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 定子定子由六个凸极组成，在相对的凸极上套有一相能产生磁场的绕组，三相绕组的首端轮流接收电脉冲信号，尾端连在一起；转子转子铁心上冲槽，不装有绕组。三相反应式步进电动机为例：三相反应式
10、步进电动机为例： 机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 定子定子由六个凸极组成，在相对的凸极上套有一相能产生磁场的绕组，三相绕组的首端轮流接收电脉冲信号，尾端连在一起；转子转子铁心上冲槽，不装有绕组。三相反应式步进电动机为例：三相反应式步进电动机为例： 机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 定子定子由六个凸极组成，在相对的凸极上套有一相能产生磁场的绕组，三相绕组的首端轮流接收电脉冲信号，尾端连在一起；转子转子铁心上冲槽，不装有绕组。三相反应式步进电动机为例：三相反应式步进电动机为例： 机电一体化概论An Intro
11、duction to Mechatronics 定子定子由六个凸极组成，在相对的凸极上套有一相能产生磁场的绕组，三相绕组的首端轮流接收电脉冲信号，尾端连在一起；转子转子铁心上冲槽，不装有绕组。三相反应式步进电动机为例：三相反应式步进电动机为例： 机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 3. 工作原理工作原理三相反应式步进电动机，通电方式为三相单三拍三相反应式步进电动机，通电方式为三相单三拍A-B-C-AA-B-C-A，其工作过程如下：，其工作过程如下： 当只有A相绕组通入电脉冲时，在绕组周围会产生磁场，载流导体在磁场中产生电磁力，在电磁力作用下，转子齿1、
12、3被吸引，从而转过一个角度，与定子凸极相对，即定子凸极AA与转子齿1、3相对。 机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 三相反应式步进电动机，通电方式为三相单三拍三相反应式步进电动机，通电方式为三相单三拍A-B-C-AA-B-C-A，其工作过程如下：，其工作过程如下： 当只有A相绕组通入电脉冲时，在绕组周围会产生磁场，载流导体在磁场中产生电磁力，在电磁力作用下，转子齿1、3被吸引，从而转过一个角度，与定子凸极相对，即定子凸极AA与转子齿1、3相对。 A相绕组通电，相绕组通电， 定子定子AA 与转子齿与转子齿1、3相对相对3. 工作原理工作原理机电一体化概论
13、An Introduction to Mechatronics 三相反应式步进电动机，通电方式为三相单三拍三相反应式步进电动机，通电方式为三相单三拍A-B-C-AA-B-C-A，其工作过程如下：，其工作过程如下： 当A相断电，只有B相绕组通入电脉冲时，在绕组上也产生电磁力，在电磁力作用下，转子齿2、4被吸引，从而逆时针方向转过一个角度，与定子凸极BB相对。 B相绕组通电，相绕组通电， 定子定子BB 与转子齿与转子齿4、2相对相对3. 工作原理工作原理机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 三相反应式步进电动机，通电方式为三相单三拍三相反应式步进电动机，通电
14、方式为三相单三拍A-B-C-AA-B-C-A，其工作过程如下：，其工作过程如下： 当B相断电，只有C相绕组通入电脉冲，在绕组电磁力作用下，转子齿3、1被吸引，从而逆时针方向转过一个角度，与定子凸极CC相对。 C相绕组通电，相绕组通电， 定子定子CC 与转子齿与转子齿3、1相对相对3. 工作原理工作原理机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 三相反应式步进电动机，通电方式为三相单三拍三相反应式步进电动机，通电方式为三相单三拍A-B-C-AA-B-C-A，其工作过程如下：，其工作过程如下： 当C相断电，A相绕组又重新通入电脉冲时，在电磁力作用下，转子齿2、4被
15、吸引，从而逆时针方向转过一个角度，与定子凸极AA相对。 A相绕组通电，相绕组通电， 定子定子AA 与转子齿与转子齿2、4相对相对机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 定子绕组如此的反复通入电定子绕组如此的反复通入电脉冲，转子就一步一步的逆时针脉冲，转子就一步一步的逆时针转动。转动。 机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 步距角：转子每前进一步转过的角度。步距角：转子每前进一步转过的角度。 齿距角：转子前进一个齿所对应的角度。齿距角：转子前进一个齿所对应的角度。 在一个通电循环内，改变三次通电方式，转子在一个通电循环
16、内，改变三次通电方式，转子前进了三步，转过前进了三步，转过 ，刚好转过一个转子齿距角。，刚好转过一个转子齿距角。 机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 思 考 题如何实现步进电动机的反转？如何实现步进电动机的反转？改变步进电动机的绕组通电顺序机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 4. 驱动单元驱动单元 加到步进电机控制绕组上的电脉冲信号，是通过步进电机的驱动单元提供的。 由计算机等控制器发出脉冲指令，送至变频信号源，由变频信号源输出具有一定频率的脉冲串，脉冲串经环形脉冲分配器按一定规律分配给三相电路，且保持三相脉冲
17、间存在一定的相位差，再经功率放大器将脉冲进行功率放大，从而驱动三相步进电机动作。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 5. 应用领域与实例应用领域与实例制袋机教学机器人数控钻床机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 应用实例应用实例: 应用二维绘图仪在绘图纸上绘制出一个“好”字。首先在计算机的编程软件中编写一段程序，下载存入驱动卡的单片机中，使其发出变频脉冲信号，送至驱动单元，驱动 轴、 轴的步进电机动作，从而带动绘图工作台与绘图笔相对移动，这样在绘图纸上“好”字就勾勒出来。 机电一体化概论An Introducti
18、on to Mechatronics 二维绘图仪伺服与驱动单元实物图 机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.2.3 伺服伺服电机机伺服电机伺服电机是一种机电执行元件，其作用是将输入的电压信号转换成轴上的转速信号或转角信号，从而带动控制对象动作。 SZ系列直流伺服电机系列直流伺服电机 BL(3)系列交流伺服电机系列交流伺服电机 机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 伺服电机与步进电机性能比较伺服电机与步进电机性能比较 控制方式控制精度矩频特性过载能力运行性能伺服电机伺服电机连续电压信号 高（全数字式）输出恒力矩（
19、额定转速内）强闭环控制步进电机步进电机电脉冲信号低输出力矩随转速升高而下降弱开环控制机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 伺服电机按所接电流种类的不同，可伺服电机按所接电流种类的不同，可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两种类型。两种类型。 机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 伺服电动机与普通直流、交流电动机相比，除具有转子惯性小、响应快、过载能力强、可靠性好等特点之外，其最大特点是输出转矩和转速变化由最大特点是输出转矩和转速变化由控制电压信号控制控制电压信号控制，即： （1）控
20、制电压信号的有或无 控制伺服电机的启动或停止（2）控制电压信号的极性 控制伺服电机的转向（3）控制电压信号的大小 控制伺服电机的转速大小机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 1.1.直流伺服电动机直流伺服电动机 直流伺服电动机将输入的直流电压信号转换成轴上的转速或转角信号。永磁直流伺服电动机基本类型按传统的励磁方式电磁直流伺服电动机他励并励串励按低惯量构成结构 无刷直流伺服电动机 无槽直流伺服电动机 圆盘直流伺服电动机 杯形直流伺服电动机机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q基本基本结构与工作原理基本构与工作原理
21、基本结构与工作原理构与工作原理 以永磁式直流伺服电动机为例。 伺服电机由定子和转子两部分构成。 定子部分定子部分是指电机中固定不动的部分，包括永久磁铁（N极、S极）、电刷装置（A、B电刷）、机座、端盖等。 转子部分转子部分是指电机中能够转动的部分，包括转子铁心、转子绕组、换向器、轴、轴承等。为减小转动惯量，将转子铁心做得细长些。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 简化的电机结构：N、S永久磁铁作磁极，转子铁心省略未画，在铁心槽里嵌放转子绕组，假设转子绕组只有一匝线圈abcd构成。将转子绕组的首尾两端分别焊在两个半圆形的铜质换向片上，在换向片上下分别安置
22、两个静止不动的电刷A和B，电刷与换向片是摩擦接触的。在电刷A、B间连接控制电压信号机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 当电刷A接电源+极电刷B接电源-极 直流电流经换向片、电刷流入绕组abcd 载流导体在N、S极形成磁场中受到电磁力作用 根据左手定则判断 N极下导体ab所受作用力F 方向向左S极下导体cd所受作用力F 方向向右 绕组abcd逆时针方向转动 换向片转动绕组abcd的电流方向改变转子沿同一方向转动带动控制对象旋转机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 思 考 题若将控制电压信号若将控制电压信号若将控制电
23、压信号若将控制电压信号UcUc撤掉，直流伺服电动机撤掉，直流伺服电动机撤掉，直流伺服电动机撤掉，直流伺服电动机能否停止转动能否停止转动能否停止转动能否停止转动 ？Uc撤掉 无电流I 无力F 停转 机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q 驱动方法方法将直流控制信号直接进行电压和功率放大，驱动直流伺服电动机。 通常直流伺服电动机采用专门的驱动模块，例如用L165集成电路构成直流伺服放大器。 机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q应用用领域与域与实例例 直流位置伺服控制系统，由自整角机、相敏放大器、校正装置、功率放大
24、器、直流伺服电机等元件组成。 当发送机输入的转子偏转机械角度为 ，接收机根据电磁感应现象使转子偏转的机械角度为 ，此时接收机转子绕组产生交流感应电动势 ， 经相敏放大器处理后转换成直流电压，再通过校正和功率放大，来驱动直流伺服电动机，使直流伺服电动机带动接收机偏转，从而使 值逐渐接近 ，直到 ，这样就实现了位置系统的精确跟踪。 ，机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.2.交流伺服电动机交流伺服电动机 交流伺服电动机将输入的交流电压信号转换成轴上的转速或转角信号。基本类型按转速是否变化同步伺服电动机异步伺服电动机 按转子结构鼠笼式伺服电动机（形状上像装
25、老鼠的笼子）空心杯形伺服电动机（形状上像喝水的杯子）机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q基本基本结构与工作原理构与工作原理 以两相鼠笼式异步伺服电动机为例，由定子和转子构成。 定子主要由定子铁心和嵌放在铁心中的两个空间轴线相互垂直的绕组 、 组成；转子主要由转子铁心和转子鼠笼铜条绕组组成。为了使电机的转动惯量小，响应灵敏，通常将转子做得细长。、机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 两相鼠笼式异步伺服电动机，在励磁绕组U1U2 回路中串接一个适当的电容C，调节电容C的大小使 和 相位差为 ，假设 超前 。 U1U
26、2、V1V2绕组轴线垂直为90 超前 为90在电机气隙中会产生顺时针方向旋转磁场 旋转磁场转动 切割转子鼠笼铜条绕组 在绕组中产生感应电动势 形成转子电流 电流与磁场相互作用产生转矩 转子以小于旋转磁场的转速转动。 机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 思 考 题若将控制电压信号若将控制电压信号若将控制电压信号若将控制电压信号UcUc撤掉，两相异步伺服电撤掉，两相异步伺服电撤掉，两相异步伺服电撤掉，两相异步伺服电动机能否停止转动动机能否停止转动动机能否停止转动动机能否停止转动 ？ 不能停止转动。 此现象称为“自转”。此时异步伺服电动机就不受控制信号的控制
27、，所以必须消除“自转”现象。方法是增大转子导条的电阻值。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q 驱动方法方法 将电源电压 经90分相电路分解成控制电压 和励磁电压 ，且保持两者相位差为90，将 送给定子励磁绕组，同时将 送至交流调压器改变其幅值大小，然后提供给定子控制绕组，从而调节交流伺服电机的幅值驱动。驱动单元由90分相电路和交流调压器构成。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 不同系列、不同功率的交流伺服电机驱动器也各不相同。 ISMD180系列驱动器ISMD0640系列驱动器机电一体化概论An Introduction to Mechatronics q应用用领域与域与实例例 例如交流伺服电动机在自动控制系统中的典型应用。位置传感器检测负载的运动位置，将检测的位置信号送至比较放大器与给定位置信号比较，产生的偏差驱动伺服电动机，从而带动负载动作。
