执行元件的种类和特点以及基本要求
第3章机电一体化系统执行元件-文档资料
噪声久磁铁、定子用软磁钢制成
8) 定子上绕组通电建立的磁场与永久磁铁的恒定磁场相互吸 引与排斥产生转矩
电方式有关。
15
3)矩－频特性曲线：步进电动机在连续运行 状态下，电磁转矩随控制频率的升高而逐步 下降。这种电磁转矩与控制频率之间的变化 关系称为矩－频特性。 4) 空载起动频率（空载突跳频率，fq）：在 空载状态下，转子从静止状态能够不失步地 起动时的最大控制频率。反映电动机跟踪的 快速性。负载惯量增加 fq 5) 最高连续运行频率fmax： 步进电动机在额定状态下不丢步地连续 运行时所能接受的最高控制频率。 fmax fq
4. 液压式 先将电能变换成液压能并用电磁阀改变压力油的流向，从而 时液压执行元件驱动运行机构运动。
5. 气压式 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 代表性的气压执行元件有气缸、气压马达等
3
执行元件的特点及优缺点
种 特点 类
优点
缺点
电 可使用商用电源；信 操作简便；编程容 瞬时输出功率大；过载
六、步进电动机的驱动
1. 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。 2.驱动电源由脉冲分配器和功率放大器等组成 P.99图3.11 3.脉冲分配器：步进电动机的各相绕组必须按一定的顺序通电才
6
7
二、机电一体化系统对控制用电动机的基本要求
1. 性能密度大（功率密度、比功率大）
功率密度：PG=P/G (W/N) 对于起停频率低（如几十次/分）、但
要求低速平稳和扭矩脉动小，高速运行时振动、噪声小，在整个
6.2执行元件6.2.1执行元件的分类及其特点
6.2 执行元件6.2.1执行元件的分类及其特点执行元件是能量变换元件，其目的是控制机械执行机构运动。
机电一体化伺服系统要求执行元件具有转动惯量小，输出动力大，便于控制，可靠性高和安装维护简便等特点。
根据使用能量的不同，可以将执行元件分为电磁式、液压式和气压式等几种类型，如图6-2所示。
图6-2 执行元件的种类(1)电磁式执行元件能将电能转化成电磁力，并用电磁力驱动执行机构运动，如交流电机、直流电机、力矩电机、步进电机等。
(2)液压式执行元件先将电能变化成液体压力，并用电磁阀控制压力油的流向，从而使液压执行元件驱动执行机构运动。
(3)气压式执行元件与液压式执行元件的原理相同，只是介质由液体改为气体。
6.2.2直流伺服电动机1.直流伺服电动机的分类直流伺服电动机按励磁方式可分为电磁式和永磁式两种。
2.直流伺服电动机的基本结构及工作原理直流伺服电动机主要由磁极、电枢、电刷及换向片组成,如图6-3所示。
图6-3 直流伺服电动机基本结构3.直流伺服电动机的特性分析直流伺服电动机采用电枢电压控制时的电枢等效电路如图6-4所示。
图6-4 电枢等效电路当电动机处于稳态运行时，回路中的电流Ia保持不变，则电枢回路中的电压平衡方程式为Ea=Ua-IaRa (6-1)式中，Ea是电枢反电动势； Ua是电枢电压；Ia是电枢电流；Ra是电枢电阻。
转子在磁场中以角速度ω切割磁力线时，电枢反电动势Ea与角速度ω之间存在如下关系：Ea=CeΦω (6-2)式中，Ce是电动势常数，仅与电动机结构有关；Φ是定子磁场中每极的气隙磁通量。
由式（6-1）、式（6-2）得Ua-IaRa=CeΦω（6-3）此外，电枢电流切割磁场磁力线所产生的电磁转矩Tm可由下式表达:Tm=CmΦIa则 Tm=CmΦIn式中，Cm是转矩常数，仅与电动机结构有关。
将式（6-4）代入式（6-3）并整理，可得到直流伺服电动机运行特性的一般表达式由此可以得出空载（ Tm＝0，转子惯量忽略不计）和电机启动（ω＝0）时的电机特性: （1）当Tm＝0时，有（2）当ω＝0时，有式中，Td称为启动瞬时转矩，其值也与电枢电压成正比。
第三章 执行元件讲解
不相等，因此，活塞向右
运动。
特点：
差动连接时因回油腔的油液 利用两端面积差进行工作！
液压与气动技术
殷国栋 ygd@
6
液压缸的工作原理及设计计算
柱塞式液压缸
单活塞杆式液压缸
双活塞杆式液压缸
伸缩式液压缸
液压与气动技术
殷国栋 ygd@
7
液压缸的工作原理及设计计算
双活塞杆式液压缸
单活塞杆式液压缸
伸缩式液压缸
液压与气动技术
殷国栋 ygd@
8
液压缸的工作原理及设计计算
活塞式液压缸分类：
双杆
按伸出活塞杆不同 单杆
无杆
按固定方式不同
缸体固定 活塞杆固定
液压与气动技术
殷国栋 ygd@
9
液压缸的工作原理及设计计算
（1）双杆活塞缸
特点： 1） 两腔面积相等； 2） 压力相同时，推力相等，
流量相同时，速度相等。
即具有等推力等速度特性！
液压与气动技术
殷国栋 ygd@
13
液压缸的工作原理及设计计算
单杆活塞缸 由于只在活塞的一端有活塞杆，使两 腔的有效工作面积不相等，因此在两腔分别输入流 量相同的情况特下点，：活塞的往复运动速度不相等。 12） ）压两力腔相面同积时不，等推，力A1不>单等A杆2 活塞缸的安装 流量相同时，速度不也等有缸筒固定和活 即不具有等推力等速度塞特杆性固！定两种，进、
d D v 1（5） v
由此可见，速比λv 越大，活塞杆直径d越大。
液压与气动技术
殷国栋 ygd@
18
液压缸的工作原理及设计计算
差动液压缸
单杆活塞缸的左右腔同时接 通压力油，如右图所示， 称为差动连接，此缸称为 差动液压缸。
液压系统的执行元件
第四章、液压执行元件第一节液压马达一、液压马达的特点及分类液压马达是把液体的压力能转换为机械能的装置，从原理上讲，液压泵可以作液压马达用，液压马达也可作液压泵用。
但事实上同类型的液压泵和液压马达虽然在结构上相似，但由于两者的工作情况不同，使得两者在结构上也有某些差异。
例如：1.液压马达一般需要正反转，所以在内部结构上应具有对称性，而液压泵一般是单方向旋转的，没有这一要求。
2.为了减小吸油阻力，减小径向力，一般液压泵的吸油口比出油口的尺寸大。
而液压马达低压腔的压力稍高于大气压力，所以没有上述要求。
3.液压马达要求能在很宽的转速范围内正常工作，因此，应采用液动轴承或静压轴承。
因为当马达速度很低时，若采用动压轴承，就不易形成润滑滑膜。
4.叶片泵依靠叶片跟转子一起高速旋转而产生的离心力使叶片始终贴紧定子的内表面，起封油作用，形成工作容积。
若将其当马达用，必须在液压马达的叶片根部装上弹簧，以保证叶片始终贴紧定子内表面，以便马达能正常起动。
5.液压泵在结构上需保证具有自吸能力，而液压马达就没有这一要求。
6.液压马达必须具有较大的起动扭矩。
所谓起动扭矩，就是马达由静止状态起动时，马达轴上所能输出的扭矩，该扭矩通常大于在同一工作压差时处于运行状态下的扭矩，所以，为了使起动扭矩尽可能接近工作状态下的扭矩，要求马达扭矩的脉动小，内部摩擦小。
由于液压马达与液压泵具有上述不同的特点，使得很多类型的液压马达和液压泵不能互逆使用。
液压马达按其额定转速分为高速和低速两大类，额定转速高于500r/min的属于高速液压马达，额定转速低于500r/min的属于低速液压马达。
高速液压马达的基本型式有齿轮式、螺杆式、叶片式和轴向柱塞式等。
它们的主要特点是转速较高、转动惯量小，便于启动和制动，调速和换向的灵敏度高。
通常高速液压马达的输出转矩不大(仅几十牛·米到几百牛·米)，所以又称为高速小转矩液压马达。
高速液压马达的基本型式是径向柱塞式，例如单作用曲轴连杆式、液压平衡式和多作用内曲线式等。
第四章 机电一体化系统的执行元件(一)
闭环控制：有检测装置，装在移动部件上，可直 接检测移动部件的位移，系统采用了反馈和误差
补偿技术，可很精确地控制移动部件的移动距离。
半闭环控制：也有检测装置，装在伺服电动机上，在
伺服电动机的尾部装有编码器或测速发电机，分别检
测移动部件的位移和速度。由于传动件不可避免地存
在受力变形和消除传动间隙等问题，因而半闭环控制 系统的控制精度不如闭环系统。
螺栓形晶闸管
平板形晶闸管外形及结构
（4）按电流容量分类
可分为大功率晶闸管、中功率晶闸管和小 功率晶闸管三种。通常，大功率晶闸管多采用 金属壳封装，而中、小功率晶闸管则多采用塑 封或陶瓷封装。
（5）按关断速度分类 可分为普通晶闸管和高频（快速）晶闸管。
（二）普通单向晶闸管
1、晶闸管的结构、原理 单向晶闸管 (SCR) 符号和 原理如图所示。 SCR 有三个 极，分别为阳极 A 、阴极 K 和控制极 G （又称门极）。 从物理结构看，它是一个 PNPN 四层半导体器件，其 工作原理可以用一个 PNP 晶 体管和一个 NPN 晶体管的组 合来加以说明。图 b ）为晶 闸管的内部等效电路图。
四、常用伺服控制电动机的控制方式 P66
主要有：开环控制、半闭环控制、闭环控制三种。
开环控制：无检测装置，常用步进电动机驱动实现， 每输入一个指令脉冲，步进电动机就旋转一定角度， 它的旋转速度由指令脉冲频率控制，转角大小由脉 冲个数决定。 因无检测装置，结构简单、成本低，但由于误 差无法测出和补偿，因此开环系统精度不高。
3、 晶闸管的分类
晶闸管有多种分类方法。 （1）按关断、导通及控制方式分类 可分为普通晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、 门极关断晶闸管（ GTO ）、 BTG 晶闸管、温控晶
第四章 机电一体化系统的执行元件(一)
1、晶闸管的特点： 体积小、重量轻、效率高、寿命长、动作快以及使 用方便等。被广泛应用于可控整流、交流调压、无触 点电子开关、逆变及变频等电子电路中。
2、晶闸管的主要用途： （1）整流 — AC→DC （2）逆变 — 将直流电转变为交流电 （3）变频 — 改变交流电频率 （4）交流调压 — 调节交流电压 （5）无触点开关 — 能迅速接通或切断大功率的交流 或直流电路，而不产生火花，适用于防火、防爆的场合。
电路原理：
可控硅交流调压器由可控整流电路和触发电路两部分组 成。二极管D1—D4组成桥式整流电路，双基极二极管T1构 成张弛振荡器作为可控硅的同步触发电路。通电后，220V 交 流 电 通 过 负 载 电 阻 RL 经 二 极 管 D1—D4 整 流 ， 在 可 控 硅 SCR的A、K两端形成一个脉动直流电压，该电压由电阻R1 降压后作为触发电路的直流电源。
三、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。
（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。
常用执行元件的种类
各种执行元件的特点
1、电气执行元件
电气执行元件主要是直流(DC)伺服电机、交流（AC） 伺服电机和步进电机。能实现定位伺服，响应快，易于 CPU接口，体积小，动力大，无污染。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
双向晶闸管（TRIAC） ：
双向晶闸管为NPNPN 五层半导体器件，结构和 特性相当一对反向并联普 通晶闸管，可实现双向导 通。其结构和符号如右图 所示。
伺服驱动系统-常用伺服执行元件
PC104
USB接口 CAN卡
104总线
CANopen
机械臂复位
绝对编码器 绝对编码器 绝对编码器
接近开关
接近开关
扭矩传感器
传感器信号 转接板
GPIO
8051单片机
CAN通信 USB接口 串口通信 以太网接口 LCD液晶显示
机械臂电机驱 动器1
机械臂+送管机构
肩关节电机
光电编码器
机械臂电机驱 动器5
第五章 伺服驱动系统
5.2 常用伺服执行元件
5.2.1 执行元件的种类及特点
执行元件的特点以及优缺点
种类
特点
可用商业电源；
电 信号与动力传送方 气 向相同；有交流直 式 流之分；注意使用
电压和功率。
优点
缺点
操作简便；编程容易； 瞬时输出功率大； 能实现定位伺服控制； 过载差；一旦卡死， 响应快、易与计算机 会引起烧毁事故； （CPU）连接；体积小、受外界噪音影响大。 动力大、无污染。
压 操作人员技术熟练。 位伺服控制；易与计 求严格；易产生泄
式
算机（CPU）连接。 露而污染环境。
5.2.2 对伺服执行元件的基本要求
（1） 体积小、重量轻、输出功率大
功率密度——执行装置单位重量所能达到的输出功率
PG P / G(W / N )
反映了电动机单位重量的输出功率，在电动机起停频率 低，但要求运行平稳和扭矩脉动小的场合可采用这一指标 。
步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机
5.2.3 电机概述
电动机是电能转换为机械能的基本装置，在各行各业广泛 应用。
• 直流电机 • 交流电机 步进电机
直流电动机
交流电动机
机电一体化系统第三章执行元件
一、 特点
1、稳定性好 2、可控性好 3、响应迅速 4、控制功率低，损耗小 5、转矩大
补偿绕组(c)
励磁绕组 (f) ia
Fr Ua Fc Uf
电枢绕组(a)
直流伺服电动机的结构与一般的电机结构相似，也是 由定子、转子和电刷等部分组成，在定子上有励磁绕组 和补偿绕组，转子绕组通过电刷供电。由于转子磁场和 定子磁场始终正交，因而产生转矩使转子转动。
步进电机驱动电源
Hale Waihona Puke 四、步进电动机的功率放大1．单电压功率放大电路
此电路的优点是电路结构简单，不足 之处是Rc消耗能量大，电流脉冲前后 沿不够陡，在改善了高频性能后，低 频工作时会使振荡有所增加，使低频 特性变坏。
2．高低电压功率放大电路
电源U1为高电压，电源大约为80～150V， U2为低电压电源，大约为5～20V。在绕组 指令脉冲到来时，脉冲的上升沿同时使VT1 和VT2导通。由于二极管VD1的作用，使绕组 只加上高电压U1，绕组的电流很快达到规定 值。到达规定值后，VT1的输入脉冲先变成 下降沿，使VT1截止，电动机由低电压U2供 电，维持规定电流值，直到VT2输入脉冲下 降沿到来VT2截止。 不足之处是在高低压衔接处的电流波形在顶 部有下凹，影响电动机运行的平稳性。
步进电机驱动电源总结
作用：对控制脉冲进行功率放大，以使步进电机获 得足够大的功率驱动负载运行。 1、步进电机是用脉冲供电，且按一定工作方式轮 流作用于各相励磁线圈上。 2、步进电机正反转是靠给各相励磁线圈通电顺序 变化来实现的。 3、速度控制是靠改变控制脉冲的频率实现的。 4、在通电脉冲内使励磁线圈的电流能快速建立， 而在断电时电流能快速消失。
伺服电机控制方式
伺服电机比较
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
目录
执行元件的种类和特点以及基本要求 (1)
1.执行元件的种类及特点 (1)
（1）电气式执行元件 (1)
（2）液压式执行元件 (2)
（3）气压式执行元件 (2)
3.执行元件的特点及优缺点 (2)
4.系统对执行元件的基本要求 (2)
（1）惯量小、动力大 (2)
（2）体积小、重量轻 (3)
（3）便于维修、安装 (3)
（4）宜于微机控制 (3)
执行元件的种类和特点以及基本要求
执行元件是工业机器人、CNC机床、各种自动机械、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，如数控机床的主轴转动、工作台的进给运动以及工业机器人手臂的升降、回转和伸缩运动等所用驱动部件即执行元件。
该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（连接）部位的能量转换元件。
它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，例如电动机、电磁铁、继电器、液动机、油（气缸）、内燃机等分别把输入的电能、液压能、气压能和化学能转换为机械能。
由于大多数执行元件已作为系列化商品生产，故在设计机电一体化系统时，可作为标准件选用、外购。
1.执行元件的种类及特点
根据使用能量的不同，可以将执行元件分为电磁式、液压式和气压式等几种类型，如下图所示。
电磁式是将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动运行机构运动。
液压式是先将电能变换为液压能并用电磁阀改变压力油的流向，从而使液压执行元件驱动运行机构运动。
气压式与液压式的原理相同，只是将介质由油改为气体而已。
其他执行元件与使用材料有关，如使用双金属片、形状记忆合金或压电元件。
（1）电气式执行元件
电气式执行元件包括：控制用电动机(步进电机、DC和AC伺服电机)、静电电动机、磁致伸缩器件、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。
控制用电动机驱动系统一般由电源供给电力，经电力变换器变换后输送给电动机，使电动机作回转(或直线)运动，驱动负载机械(运行机构)运动，并在指令器给定的指令位置定位停止。
这种驱动系统具有位置（或速度）反馈环节的称为闭环系统，没有位置与速度反馈环节的称为开环系统。
另外，其他电气式执行元件中还有微量位移用器件，例如：
1）电磁铁：由线圈和衔铁两部分组成，结构简单，由于是单向驱动，故需用弹簧复位，用于实现两固定点间的快速驱动；
2）压电驱动器：利用压电晶体的压电效应来驱动运行机构作微量位移；
3）电热驱动器：利用物体(如金属棒)的热变形来驱动运行机构的直线位移，用控制电热器(电阻)的加热电流来改变位移量，由于物体的线膨胀量有限，位移量当然很小，可用在机电一体化产品中实现微量进给。
（2）液压式执行元件
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。
目前，世界上已开发了各种数字式液压式执行元件，例如电-液伺服马达和电-液步进马达，这些电-液式马达的最大优点是比电动机的转矩大，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。
（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，故不能在定位精度较高的场合使用。
3.执行元件的特点及优缺点
i
4.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
既要缩小执行元件的体积、减轻重量，同时又要增大其动力，故通常用执行元件的单位重量所能达到的输出功率或比功率，即用功率密度或比功率密度来评价这项指标。
设执行元件的重量为G，则
功率密度为P/G。
比功率密度为(T^2/J)/G。
（3）便于维修、安装
执行元件最好不需要维修。
无刷DC及AC伺服电机就是走向无维修的一例。
（4）宜于微机控制
根据这个要求，用微机控制最方便的是电气式执行元件。
因此，机电一体化系统所用执行元件的主流是电气式，其次是液压式和气压式(在驱动接口中需要增加电-液或电-气变换环节)。
内燃机定位运动的微机控制较难，故通常仅被用于交通运输机械。
i摘自张建民《机电一体化系统设计》第四版。