袁中凡 主 编李彬彬 陈 爽 副主编冼 进 审邮箱：机电一体化技术机电一体化技术 机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束第六章第六章 机电一体化系统的执行与驱动技术机电一体化系统的执行与驱动技术¡知识点：知识点：¡ 机电一体化系统执行元件的特点及类型¡ 步进电机的工作原理及驱动方法¡ 直流伺服电机的工作原理及驱动方法¡ 交流伺服电机的工作原理及驱动方法¡ 机电一体化系统常用控制电机性能的比较¡ 液压执行元件的特性及选择方法 机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束本章导读本章导读 ¡执行元件接受控制器的指令，通过传动机构驱动执行机构实现某种特定的功能根据使用能量的不同，可将执行元件分为电气式、液压式和气压式等几种类型¡本章就各种常用的执行元件的构成和伺服驱动方式的特点进行了概述机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束6.1基本概念 ¡6.1.1执行元件的特点及类型 机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束¡6.1.2机电控制系统对执行元件的要求机电控制系统对执行元件的要求¡ 一般来说，工作机的执行机构要对外界做功，因此必须实现一定的运动和传递必要的动力。
通常对执行机构提出如下基本要求：¡（1）能够实现系统所需的运动¡（2）传递必要的动力¡（3）保证系统具有良好的动态品质机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束¡机电一体化系统的执行元件应满足以下几项性能要求：¡（1）惯量小、动力大；¡（2）体积小、重量轻；¡（3）快速性好，加减速扭矩大，频率特性好；¡（4）位置控制精度高机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束6.2步进电机的工作原理及驱动方法步进电机的工作原理及驱动方法¡步进电机是一种把开关激励的变化变换成精确的转子位置增量运动的执行机构，它将电脉冲转化为角位移当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步距角）¡步进电机具有转矩大、惯性小、响应频率高等优点,因此具有瞬间起动与急速停止的优越特性 机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束图6-2 磁阻式步进电机 机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束图6-3 永磁式步进电机机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束6.2.1步进电机的工作原理及特性步进电机的工作原理及特性图6-4 三相反应式步进电机 图6-5 三相六拍反应式步进电机工作原理图机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束¡6.2.2步进电机的驱动方法步进电机的驱动方法¡步进电动机的运行特性与配套使用的驱动电源有密切关系。
驱动电源由脉冲分配器、功率放大器组成机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束图6-8 步进电机驱动组成框图图6-9 点位控制的加减速过程 机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束6.3直流伺服电机的工作原理及驱动方法直流伺服电机的工作原理及驱动方法¡伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程电气伺服系统根据所驱动的电机类型分为直流（DC）伺服系统和交流（AC）伺服系统¡20世纪50年代，无刷电机和直流电机实现了产品化，并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛的应用20世纪70年代则是直流伺服电机的应用最为广泛的时代 机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束¡6.3.1直流伺服电机的分类与特性直流伺服电机的分类与特性¡直流伺服电机的基本结构与工作原理与一般直流电动机相类似 图6-10 直流电动机原理机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束（a）宽调速直流电动机结构 （b）带制动器的直流伺服电动机图6-11直流伺服电动机机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束（a）机械特性（b）电枢控制时的调速特性图 6-13直流伺服电动机特性机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束¡6.3.2直流伺服电机的驱动方法直流伺服电机的驱动方法¡直流伺服电动机为了直流供电和调节电动机转速与方向，需要将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¡ 脉冲宽度调制（Pulse-Width Modulator PWM）电路脉冲调宽式功率放大器得到愈来愈广泛的应用 机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束图6-15 PWM系统的主回路电气原理机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束6.4交流伺服电机的工作原理及驱动方交流伺服电机的工作原理及驱动方法法¡自从德国MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年汉诺威贸易博览会上正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统，这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段¡到20世纪80年代中后期，各公司都已有完整的系列产品整个伺服装置市场都转向了交流系统¡近年来随着微处理器、新型数字信号处理器（DSP）的应用，出现了数字控制系统，控制部分可完全由软件进行机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束图6-16 永磁式伺服电机剖图机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束¡6.4.1交流伺服电机的分类特性交流伺服电机的分类特性¡交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类：¡采用永久磁铁磁场的同步电动机（SM）不需要磁化电流控制，只要检测磁铁转子的位置即可。
¡感应式异步电动机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固，制造容易，价格低廉，因而具有很好的发展前景，代表了将来伺服技术的方向机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束¡交流伺服电机的控制方式有以下几种¡（1）幅值控制¡（2）相位控制¡（3）幅相控制¡（4）双相控制机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束¡交流伺服电机的运行特性如下：¡交流伺服电机幅值控制、相位控制、幅相控制和双相控制时的机械特性和调节持性分别 图6-16交流伺服电机的机械特性（a）幅值控制 （b）相位控制 （c）幅相控制 （d）双相控制机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束图6-17交流伺服电机的调节特性（a）幅值控制 （b）相位控制 （c）幅相控制 （d）双相控制机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束图6-18同步型（SM）伺服电动机控制框图机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束图6-19交流电动机等效电路及简化等效电路（a）等效电路 （b）电流矢量 （c）简化等效电路 （d）简化电路电流矢量 机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束¡6.4.3机电一体化系统常用控制用电机性机电一体化系统常用控制用电机性能比较能比较¡ 控制用电动机是电气伺服控制系统的动力部件。
它是将电能转换为机械能的一种能量转换装置，由于它们的工作可在很宽的速度和负载范围内受到连续而精确的控制，因而在各种机电一体化系统中得到了广泛的应用机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束图6-20 伺服电动机控制方式的基本形式机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束6.5液压执行元件的特性与选择方法液压执行元件的特性与选择方法¡利用流体能量做机械功的液压元件称为液压执行元件与机械传动、电气传动相比在同等功率情况下，液压执行元件体积小、重量轻、结构紧凑操纵控制方便，可实现大范围的无级调速（调速范围2000：1），它还可以在运行的过程中进行调速¡液压执行元件实现了标准化、系列化、通用化，便于设计、制造和使用机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束¡6.5.1液压泵液压泵¡液压泵是将原动机的机械能转换为液压能的能量转换元件、在液压传动中、液压泵作为动力元件向液压系统提供液压能图6-21液压泵的分类 机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束¡五、泵的参数选择¡泵的基本参数是压力、流量、转速、效率。
¡选择泵的第二个最重要的因素是泵的流量或排量，泵的流量与工况有关，选择的泵的流量须大于液压系统工作时的最大流量¡泵的最高压力与最高转速不宜同时使用，以延长泵的使用寿命¡产品说明书中往往提供较详细的泵的技术参数图表，在选择时，应严格遵照产品说明书中的规定机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束¡6.5.3液压马达液压马达¡液压马达的分类机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束¡6.5.4液压执行元件的选择方法液压执行元件的选择方法¡ 一、液压泵的选择¡（1）确定液压泵的最大工作压力PP ¡PP≥P1十∑ΔP （式6-11）¡P1－液压缸或液压马达最大工作压力；¡∑ΔP－从液压泵出口到液压缸或液压马达入口之间总的管路损失∑ΔP的准确计算要待元件选定并绘出管路图时才能进行，初算时可按经验数据选取：管路简单、流速不大的，取∑ΔP＝ (0.2~0.5)Mpa；管路复杂，进口有调速阀的取∑ΔP＝(0.5~1.5)MPa 机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束¡（2）确定液压泵的流量QP 多液压缸或液压马达同时工作时，压泵的输出流量应为 QP≥K∑QMAX （式6-12）¡式中：K—系统泄漏系数，一般取K＝1.1～1.3；¡∑QMAX—同时动作的液压缸或液压马达的最大总流量。
对于在工作过程中用节流调速的系统，还须加上溢流阀的最小溢流量，一般取0.5×10-4m3／s 系统使用蓄能器作辅助动力源时¡ （式6-13）¡K一系统泄漏系数，一般取K＝1.2；¡Tt－液压设备工作周期（s）；¡Vi－每一个液压缸或液压马达在工作周期中的总耗油量（m3）；¡z－液压缸或液压马达的个数 机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束¡（3）选择液压泵的规格 根据以上求得的PP和QP值，按系统中拟定的液压泵的形式，从产品样本或手册中选择相应的液压泵为使液压泵有一定的压力储备，所选泵的额定压力一般要比最大工作压力大25%~60%¡（4）确定液压泵的驱动功率¡在工作循环中，如果液压泵的压力和流量比较恒定，即(P-t)、(Q-t)图变化较平缓，则¡P=PPQP/ηP （式6-14）¡式中：PP－液压泵的最大工作压力（Mpa）；¡QP－液压泵的流量（m3）；¡ηP－液压泵的总效率 机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束本章小结 ¡对不同的机电一体化设备，伺服系统驱动部件时所需功率的差异很大，在确定驱动方式时一般从输出功率与响应频率两个方面综合选择。
液压驱动伺服系统输出功率大、响应频率高伺服电机驱动的伺服系统，对不同的伺服电机具有不同的要求，因此具有所选择的输出功率范围大、响应频率宽的特点机电一体化技术六 9/15/20249/15/20249/15/2024开始开始 前页前页 后页后页 结束结束思考练习思考练习¡1、步进电机的结构及工作原理是什么？驱动方式有哪些？各有何特点？¡2、直流伺服的特点是什么？驱动方式有哪些？¡3、交流伺服的特点是什么？驱动方式有哪些？¡4、各种伺服电机的区别和特点？¡5、液压执行机构的特点是什么？机电一体化技术六 。