执行机构工作原理及使用方法

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。
它由控制器、被控对象、反馈测量装置 等部分组成。
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。
换向器是由多个
紧压在一起的梯形 铜片构成的一个圆 筒，片与片之间用 一层薄云母绝缘， 电枢绕组各元件的 始端和末端与换向 片按一定规律连接， 如图所示。换向器 与转轴固定在一起。
图2-8 直流电机换向器
2.无刷直流电机结构 图2-9 无刷直流电机结构
2. 直流电机PWM调速原理 图2-10 直流电机调速结构框图 图2-11 直流电机调速结构框图
种类
特点
优点
缺点
可用商业电源； 操作简便；编程容 瞬时输出功率大；
电 信号与动力传送方 易；能实现定位伺 过载差；一旦卡死，
气 向相同；有交流直 服控制；响应快、 会引起烧毁事故；
式Hale Waihona Puke 流之分；注意使用 电压和功率。
易与计算机（CPU） 受外界噪音影响大。 连接；体积小、动
力大、无污染。
气体压力源压力 气源方便、成本低； 功率小、体积大、
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
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 压缩性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。
2.2 执行元件的种类及性能
（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。
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。
P Pw
nd
n
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。
2.3.1 直流电机驱动
一、直流电机工作原理 1. 直流电机分类
（1）根据励磁相数 （2）根据励磁方式 （3）根据电机结构
有刷直流电机：通过换向器和电刷改变电枢励磁电流方向， 实现电机驱动。
无刷直流电机：由电子换向器改变绕组励磁电流方向和相 序，实现电机驱动。
图2-3 直流电机结构
1—固定主磁极的螺钉； 2—主磁极铁心； 3—励磁绕组
图2-4 直流电机主磁极
换向极用来改善换向， 由铁心和套在铁心上的 绕组构成，如图2.5所示。 换向极铁心一般用整块 钢制成，如换向要求较 高 ， 则 用 1.0mm ～ 1.5mm 厚 的 钢 板 叠 压 而 成，其绕组中流过的是 电枢电流。换向极装在 相邻两主极之间，用螺 钉固定在机座上。
Φ —每极磁通；Ce、Ct—分别为电动机的
结构常数。 由此，直流伺服电机的控制方式如下：
（1）调压调速（变电枢电压，恒转矩调速） （2）调磁调速（变励磁电流，恒功率调速） （3）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
2.3.3 步进电机驱动
1—换向极铁心；2—换向极绕组
图2-5 直流电机换向极
电刷与换向器配 合可以把转动的电 枢绕组电路和外电 路连接并把电枢绕 组中的交流量转变 成电刷端的直流量。 电刷装置由电刷、 刷握、刷杆、刷杆 架、弹簧、铜辫构 成，如图所示。电 刷组的个数，一般 等于主磁极的个数。
1—电刷；2—刷握；3—弹簧压板； 4—座圈；5—刷杆
执行机构工作原理及使用方法
路漫漫其悠远
少壮不努力，老大徒悲伤
执行元件的特点
1. 电气执行元件 电气执行元件包括直流(DC)伺服电机、交流
（AC）伺服电机、步进电机以及电磁铁等。对这些 伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态性 能好，适合于频繁使用，便于维修等
2．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
气 5~7×Mpa；要求 无泄露而污染环境； 难于小型化；动作
压 操作人员技术熟练。 速度快、操作简便。 不平稳、远距离传
式
输困难；噪音大； 难于伺服。
液
液体压力源压力 输出功率大，速度 20~80×Mpa；要 快、动作平稳，可
设备难于小型化； 液压源和液压油要
压 求操作人员技术熟 实现定位伺服控制； 求严格；易产生泄
图2-6 直流电机电刷装置
电枢铁心是电机磁 路的一部分，其外圆 周开槽，用来嵌放电 枢绕组。电枢铁心一 般用0.5mm厚、两边 涂有绝缘漆的硅钢片 冲片叠压而成，如图 所示。电枢铁心固定 在转轴或转子支架上。 铁心较长时，为加强 冷却，可把电枢铁心 沿轴向分成数段，段 与段之间留有通风孔。
图2-7 直流电机电枢
2.普通直流电机工作原理
+
i A
F n
φ N
a
d
φ
B
S
b i
ic
F
电动机模型
-
图2-1 直流电机模型
3.无刷直流电机工作原理
图2-2 无刷直流电机简图
二.直流电机结构
1.普通直流电机结构
1—风扇；2—机 座；3—电枢； 4—主磁极；5— 刷架；6—换向器； 7—接线板；8— 出线盒；9—换向 极；10—端盖
式 练。
易与计算机（CPU） 露而污染环境。 连接。
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、便于维修维护。 （4）易于实现自动化控制。
2.3 电动执行机构
常用电动执行机构 ： 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。
3. PWM功率放大器
（a）单极性功放
（b）带动力控制的单极性功放
图2-12 单极性PWM功放
图2-13 直流电机H型单极性PWM功放
H型PWM功率放大器 图2-15 直流电机H型双极性PWM功放
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：
n Uc R T Ce CeCt2
式中，UC —电枢控制电压；R —电枢回路电阻；