第三章执行元件的选择与设计

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、精确地控
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、变速驱动或反复起动、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动机。
1、惯量小、动力大： 如对直线运动来说，设 加速度为 a ，则推力为 而对回转运动来说，设 角速度为，角加速度 为 ，则转矩 / 功率为
F ma a F /m
T J T /J P T
这里， a 和 表征了执行元件的加速性能。
二、对执行元件的基本要求
1、惯量小、动力大： 另一种表征执行元件动力大小的综合性指标是 比功率： 比功率＝ P / TT / J (1/ ) T 2 / J 包含了功率、加速性能与转速三种因素。
二、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) 便于维修、安装 (4) 宜于微机控制
二、对执行元件的基本要求
1、惯量小、动力大：
表征执行元件惯量的性能指标有： 直线运动为质量
m
回转运动为转动惯量 J 表征执行元件输出动力的性能指标有： 推力
F
P
转矩 T 功率
二、对执行元件的基本要求
分为鼠笼式和绕线式两种
鼠笼式异步电动机若去掉转子铁心，嵌放在铁心槽中的转子绕组，就 象一个“鼠笼”，它一般是用铜或铝铸成。
四、交流(AC)伺服电动机及其驱动
2 三相异步电动机工作原理
磁场旋转
磁铁
n1
N
f
e方向用 右手定则 确定
n
e i
S
f方向用 左手定则 确定
闭合 线圈
磁极旋转
导线切割磁力线产生感应电动势
脉宽调制(PWM)直流调速原理：
1 Ua T
Udt T U U
0


三、直流伺服电机及驱动
电动机双向调速原理
四、交流(AC)伺服电动机及其驱动
1 三相异步电动机的结构
由定子(固定部分)和转子(旋转部分)两个部分组成 。
定子构成：由机座和装在机座内的圆筒形铁心以及其中的三相定子绕组组成 机座：是用铸铁或铸钢制成的
e B l v
磁感应强度 导线长
（右手定则）
切割速度
闭合导线产生电流 i
N
通电导线在磁场中受力
n1 f
f B l i
（左手定则）
n
e i
S
结论：1. 线圈跟着磁铁转→两者转动方向一致
2. 线圈比磁场转得慢
n n1
异步
n1 f
N
n
i e
S
三相异步机的结构
定子绕组 （三相）
A Y
常数
转子电流 每极磁通
转子电路的功率因数
cos2
四、交流(AC)伺服电动机及其驱动
同步型和感应型（异步型）伺服电动机称为交流伺服电动机，
2．电动机负载增加，转速下降时
2 2 ) 2 3 ) 21) 负载转矩增加 n ( E ( I a ( T n n2 (稳定)
平
衡
此时工作点对应图中 b 点上。
E Cen
电动机的机械负载变化时，通过E的的变 化反映到电枢电路，引起电流变化。
三、直流伺服电机及驱动
1、直流伺服电动机的特性及选用
优点：较高的响应速度、精度和频率，优良的控制特性。 缺点：使用电刷和换向器，寿命较低，需要定期维修。
三、直流伺服电机及驱动
三、直流伺服电机及驱动
三、直流伺服电机及驱动
宽调速直流伺服电动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；
一、执行元件的种类及特点
（2）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。 数字式液压式执行元件：电—液伺服马达和电—液步进马达。优 点：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。电—液式马达在强力驱动
和高精度定位时性能好、使用方便。
一般动力用电动机
Y系列三相异步电动机
ST系列单相交流同步电动机
二、控制用电动机的种类、特点及选用
控制用电动机
直流力矩电动机
步进电动机
变频调速电机
二、控制用电动机的种类、特点及选用
ST系列永磁交流 伺服电动机
直流伺服电动机
开关磁阻电动机
二、控制用电动机的种类、特点及选用
二、控制用电动机的种类、特点及选用
二、控制用电动机的种类、特点及选用
二、控制用电动机的种类、特点及选用
二、控制用电动机的种类、特点及选用
第三节 直流与交流伺服电机及驱动
一、直流电动机结构
直流电动机的基本结构也是由定子、转子和结构件（端盖、轴承
等）三大部分所组成。图是一台电磁式直流电动机的结构示意图。
一、直流电动机结构
1．定子
电动机转速（额定转速）:
n
异步电动机
电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致， 但
n n1
提示：如果
n n1
转子与旋转磁场间没有相对运动
无转子电动势（转子导体不切割磁力线） 无转子电流 无转距
转矩公式的推导
电磁转矩 T：转子中各载流导体在旋转磁场的作用下,
受到电磁力所形成的转距之总和。
T KTΦm I 2 cos2（牛顿米）
一、执行元件的种类及特点
一、执行元件的种类及特点
（1）电气式执行元件
电气式执行元件包括控制用电动机(步进电动机、DC和AC
伺服电动机)、静电电动机、滋致伸缩器件、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。
定子
Z
三相定子绕组：产生旋转磁场。 转子：在旋转磁场作用下， 产生感应电动势或 电流。 线绕式 鼠笼式 转子
C
B
X
鼠笼转子
机 座
转磁场的产生
异步机中,旋转磁场代替了旋转磁极 (•)电流出
A
n1
Z B
i A I m sin t
iB I m sin t 120
Y
iC I m sin t 240
二、对执行元件的基本要求
2、体积小、重量轻： 常用功率密度/比功率密度来评价这项指标： 设执行元件的重力为 G 则功率密度＝ P / G
2 ( T / J)/G 比功率密度＝
第二节
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、变颇调速电
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
一、执行元件的种类及特点
(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 元件无什么区别。具有代表性的气压执行元件有气缸、气压马达等。 气压驱动且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。
一、执行元件的种类及特点
二、直流电动机工作原理与运行特性
三、直流电动机的机械特性
1．当电动机稳定运行时
与负载转矩相平衡时 U 产生 I a 产生 T T n n1 ( 稳定)
E 稳定
平衡 (2–2)
此时工作点对应下图 的 a 点上。
二、直流电动机工作原理与运行特性
三、直流电动机的机械特性
n1称为同步转速
f 50Hz, p 1, n1 3000 转/ 分
转差率
( s ) 的概念：
n1 n s 100 % n 1
转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差。即：
60 f n 1 S p
f
p
电流频率 极对数
电动机转速和旋转磁场同步转速的关系
第三章 执行元件的选择与设计
第一节 执行元件的种类、特点及基本要求
一、执行元件的种类及特点
执行元件是工业机器人、CNC机床、各种自动机械、信息处理 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。 执行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(联接)部位的能量转换元件，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。
定子包括机座、主磁极、换向磁极、前、后端盖和电刷装置等几 个部分。
2．转子(电枢)
转子是直流电动机实现能量转换的枢纽，又称为“电枢”。 电枢包括电枢铁心、电枢绕组及换向器。
二、直流电动机工作原理与运行特性
一、直流电动机的运转原理
ia
二、直流电动机工作原理与运行特性
一、直流电动机的工作原理
1．外部输入是直流电，而线圈内是交流电，换向片（与电刷配 合），起逆变作用。 2．ia与ea二者方向始终相反。 ea从外施电源吸收电能，是反电势。 3. 由电枢电流ia建立的电枢磁场是恒定的。 4. T的方向和电枢转向一致，是驱动转矩。
或
UE Ia Ra