机电一体化系统设计第3章：执行元件的分类及控制用电机的驱动a
合集下载
第3章机电一体化系统执行元件-文档资料
高速响应；步距角小(0.099) 4) 定子与转子均不含永久磁铁，故无励磁时没有保持力。 5) 制造成本高(气隙要做得尽可能小)、效率低、转子的阻尼差、
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
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
机电一体化系统设计课件第三机电一体化系统执行元件的选择与设计.
e
T
Tjmax
定子 转子
失调角示意图
p
p /2
p /2
p
e
Tjmax
矩－角特性曲线
厚
励 志 勤
德 达 理
工
（3）动态特性
动态特性参数：主要指动态稳定区、启动转矩、 矩－频特性、惯－频特性等。
动态稳定区：在步进电机从A相转换为B（或AB）
相通电，不产生丢步时的稳定工作区域θr。从
图中可以得出，步进电机工作的拍数越多，稳定
⑤易于与计算机实现对接。
厚
励 志 勤
德 达 理
工
（2）步进电动机的种类
① 种类 · 按转子构成分类： 可变磁组型（VR）步进电机 ——转子为导
磁体，也称反应式步进电机。 永磁型（PM）步进电机 ——转子为永磁铁。 混合型（HB-Hybrid）步进电机 ——转子
为导磁体和永磁铁的组合。 · 按定子绕组对数分类：
3.3.1 步进电动机的特点、种类、工作原理
（1）步进电动机的特点 ① 控制精度由步进角决定（
）。
② 抗干扰能力强，在电机电特性工作范围 内，不产生丢步或无法工作等现象。
③ 电机每转动一步进角，尽管存在一定的 转角误差，但电机转动360时，转角累计误 差将归零。
④ 控制性能好，不会产生“丢步 ”现象 （频繁启动、停止、变换）。
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 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。
机电一体化系统设计_第三章执行元件选择与设计
机电一体化系统设计
第三章 机电一体化系统 执行元件的选择与设计
第三章 机电一体化系统 执行元件的选择与设计 第3.1节 执行元件
执行元件——是将控制信号转换成机 械运动和机械能量的转换元件。
3.1.1 执行元件的种类及特点
电动机 电磁式 电磁铁及其他 执 行 元 件 油 液压式 液压马达 气 气压式 气压马达 其 他 与材料有关 状态记忆金属 压电元件 缸 其他电机 双金属片 缸 直流伺服电机 步进电机 交流伺服电机
或 0.1μ f 0.1μ f
步进脉冲输出
0.1μ f
定时器引 脚布局
引脚布局
引脚布局
步进脉冲
线圈
方 向 控 制
线圈
7476 7486
线圈
线圈
（1）环形脉冲分配器
由于步进电机的工作原理是各绕组必须按 一定的顺序通电变化才能正常工作（A B C A B ……；A AB B BC C CA A AB B ……），完成这种通电 顺序变化规律的部件称为环形脉冲分配器。 实现脉冲环形分配的方法主要有三种： 软件分频——可充分利用计算机资源降低 硬件成本，可适用多相脉冲分配，但将占用 计算机运行时间，影响步进电机的运行速度。 IC集成电路分频（DDT分频器）——灵活性 强，可搭接成任意通电顺序的环形分配器， 不站用计算机的工作时间。
专用环形分频器——使用 方便，接口简单，专业化生 产质量可靠，成本低等。如： CH250三相绕组分频器 ； L297和PMM8714两相绕组 分频器；PMM8713五相绕 组电机分频器等。
方向
CH250 管角定义与三相六拍工作状态的接线图
（2）功率放大器
功率放大器是实现控制信号与步进电机匹配的 重要组件。 常见的步进电机功率放大器的组成与特点如下： · 单电压功率放大电路
第三章 机电一体化系统 执行元件的选择与设计
第三章 机电一体化系统 执行元件的选择与设计 第3.1节 执行元件
执行元件——是将控制信号转换成机 械运动和机械能量的转换元件。
3.1.1 执行元件的种类及特点
电动机 电磁式 电磁铁及其他 执 行 元 件 油 液压式 液压马达 气 气压式 气压马达 其 他 与材料有关 状态记忆金属 压电元件 缸 其他电机 双金属片 缸 直流伺服电机 步进电机 交流伺服电机
或 0.1μ f 0.1μ f
步进脉冲输出
0.1μ f
定时器引 脚布局
引脚布局
引脚布局
步进脉冲
线圈
方 向 控 制
线圈
7476 7486
线圈
线圈
（1）环形脉冲分配器
由于步进电机的工作原理是各绕组必须按 一定的顺序通电变化才能正常工作（A B C A B ……；A AB B BC C CA A AB B ……），完成这种通电 顺序变化规律的部件称为环形脉冲分配器。 实现脉冲环形分配的方法主要有三种： 软件分频——可充分利用计算机资源降低 硬件成本，可适用多相脉冲分配，但将占用 计算机运行时间，影响步进电机的运行速度。 IC集成电路分频（DDT分频器）——灵活性 强，可搭接成任意通电顺序的环形分配器， 不站用计算机的工作时间。
专用环形分频器——使用 方便，接口简单，专业化生 产质量可靠，成本低等。如： CH250三相绕组分频器 ； L297和PMM8714两相绕组 分频器；PMM8713五相绕 组电机分频器等。
方向
CH250 管角定义与三相六拍工作状态的接线图
（2）功率放大器
功率放大器是实现控制信号与步进电机匹配的 重要组件。 常见的步进电机功率放大器的组成与特点如下： · 单电压功率放大电路
执行元件的分类及控制用电机的驱动
BC
3 1 1 0 06H
C
4 1 0 0 04H
CA
5 1 0 1 05H
正
A
6 0 0 1 01H
通过读取数据的顺序可控制电动机的转向；
通过控制脉冲的频率可控制电动机的转速。
76
电源
A相驱动
CNC A 装置 B
C
B相驱动 M
C相驱动
软件环分驱动控制
对于三相六拍环形分配器，每当接收到一个进 给脉冲指令，环形分配器软件根据下表所示真值表， 按顺序及方向控制输出接口将A、B、C的值输出即 可。
21
一、步进电机的特点与种类 1、特点
1）步进电机的工作状态不易受各种干 扰因素的影响； 2）步进电机的步距角有误差，但不会 长期累积； 3）控制系统简单
22
2、步进电机的种类
（1）按运动方式分
➢ 旋转式步进电机 ➢ 直线式步进电机
23
（2）按励磁相数分 三相步进电机 四相步进电机 五相步进电机 六相步进电机
Tj max
54
3、动态特性 系统的动态特性包括：
• 动态稳定区 • 起动转矩 • 矩-频特性 • 最高连续运行频率 • 空载起动频率 • 惯-频特性等
55
1）动态稳定区
AB C
2 3
e
裕量角
步进电动机从A相通电状态切 换到B相通电状态时，不致引起丢 步的区域称为动态稳定区。
56
步进电动机在通电相数越多
9
伺服电动机控制方式有： 开环控制方式 闭环控制方式 半闭环控制方式
10
开环控制
指 令
运 算 处
驱 动
输理 电
入电 路
路
执行机构
机电控制系统中执行和驱动元件的类型和特点
机电控制系统中执行和驱动元件的类型和特点执行元件是位于功率转换及放大元件和被掌握对象节点之间的一种能量转换装置，它能在掌握装置的掌握下，将输入的各种形式的能量转换成机械能。
机电掌握系统所用到的执行元件主要由以下几类：1、电气式电气式主要有步进电动机、直流伺服电动机、沟通伺服电动机、力矩电动机、沟通永磁同步电动机、异步电动机和各种电气－机械转换装置等。
其优点是掌握调整便利，在地面固定设备使用时能源猎取便利等；缺点是定位刚度和力矩/惯量比不上液压式执行元件，另外实现往复直线运动不如液压式执行元件便利。
电气式执行元件是机电一体化系统最常用的执行元件。
关于这方面的内容前面已经介绍，这里不再赘述。
2、液压式液压式主要有液压缸、摇摆液压缸、液压马达等。
其优点是输出功率大，动作平稳，快速性好和便于实现往复直线运动等；缺点是需要相应的液压源，简单漏油，维护困难，掌握和教正不如电气执行元件便利等。
这里简洁介绍一下液压动力机构：它是指采纳压力油作为传动介质，油液压放大元件和液压执行元件所组成的通过调整液压功率驱动和掌握负载运动的装置。
液压动力机构世液压掌握系统中必不行少的组成部分，由于它位于系统的功率转换、放大与驱动部位，一般是系统中动态响应特性最慢的部分，所以它的动态特性对整个系统的动态特性有着打算性的影响。
液压动力机构有阀控和排量掌握两种掌握方式。
阀控又称节流掌握。
用掌握阀来掌握从油源流入执行元件的液压油的流量，油源通常为恒压油源（可以采纳定量泵加溢流阀或恒压变量泵加平安阀构成）。
属于此种掌握方式的液压动力机构油阀控液压缸和阀控液压马达。
排量掌握，又称流量掌握。
用电控变排量泵（电液比例变排量泵或电液伺服变排量泵）给执行元件供油或恒压网络驱动电控变排量马达（电液比例变排量马达、电液伺服变排量马达），通过转变泵或马达的排量来掌握流入执行元件的流量或执行元件的驱动转矩从而使执行元件的速度收到掌握。
对于泵控方式，系统的压力取决于负载；对于马达掌握方式，恒压网络的输出流量取决于负载的实际需要。
机电一体化系统设计第3章：执行元件的分类及控制用电机的驱动a
比 功率 P T2 J
• 2、体积小，重量轻
• 通常用执行元件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＝P/G ，比功率 密度＝ T2/J/G
• 3、便于维修、安装
• 4、易于微机控制
四、执行装置的基本动作原理
• 1.电气式执行元件的动作原理
• 本章教学难点：步进电机、直流、交流伺服电机控 制。
第一节执行元件的作用、分类及机电一体化系统
• 作用：
对其基本要求
• 执行元件主要用来根据控制信息和指令，
将来自电、液压、气压等各种能源的能量转换
成旋转运动、直线运动等方式机械能，并完成
要求动作的能量转换装置，它在机电一体化系
统中所处的位置参见下图。
占空间，使设备难于小型化。 • ② 对油的要求（杂质、温度等）严格； • ③ 易泄露且有污染；
二、执行元件的特点与性能
• 3. 气压执行元件： • 优点： • ① 气源方便、成本低； • ② 无泄漏污染； • ③ 速度快、操作比较简单； • ④ 利用空气的可压缩性可实现缓冲控制； • 缺点： • ① 由于空气的可压缩性，高精度伺服控制
• 伺服（随动）－servo：系统由如此几种设备 组成，它们可以连续地监测系统的实际信息 （位置、速度、加速度等），把这些信息与理 想的给定信号相比较，然后做出适当的必要的 调整以使差值为最小。
伺服电动机控制方式的基本形式
异步电动机内部结构
• 普通电机可正反转，但不能调速 • 普通电机+微电子控制=控制用电机 • 方便调速 • 异步电机转速表达式： •
一、执行元件分类
•
根据使用能量的不同，可以将执行元件分
• 2、体积小，重量轻
• 通常用执行元件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＝P/G ，比功率 密度＝ T2/J/G
• 3、便于维修、安装
• 4、易于微机控制
四、执行装置的基本动作原理
• 1.电气式执行元件的动作原理
• 本章教学难点：步进电机、直流、交流伺服电机控 制。
第一节执行元件的作用、分类及机电一体化系统
• 作用：
对其基本要求
• 执行元件主要用来根据控制信息和指令，
将来自电、液压、气压等各种能源的能量转换
成旋转运动、直线运动等方式机械能，并完成
要求动作的能量转换装置，它在机电一体化系
统中所处的位置参见下图。
占空间，使设备难于小型化。 • ② 对油的要求（杂质、温度等）严格； • ③ 易泄露且有污染；
二、执行元件的特点与性能
• 3. 气压执行元件： • 优点： • ① 气源方便、成本低； • ② 无泄漏污染； • ③ 速度快、操作比较简单； • ④ 利用空气的可压缩性可实现缓冲控制； • 缺点： • ① 由于空气的可压缩性，高精度伺服控制
• 伺服（随动）－servo：系统由如此几种设备 组成，它们可以连续地监测系统的实际信息 （位置、速度、加速度等），把这些信息与理 想的给定信号相比较，然后做出适当的必要的 调整以使差值为最小。
伺服电动机控制方式的基本形式
异步电动机内部结构
• 普通电机可正反转，但不能调速 • 普通电机+微电子控制=控制用电机 • 方便调速 • 异步电机转速表达式： •
一、执行元件分类
•
根据使用能量的不同，可以将执行元件分
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
机电一体化系统执行元件的选择与设计.
定子1与转子2由铁芯构成，没有 永久磁铁，定子上嵌有线圈．
转子结构简单、转子直径小，有 利于高速响应。
铁芯无极性，常有吸引力，故不需 改变电流极性，多为单极性励磁。
无励磁时没有保持力。 需要将气隙作得尽可能小，几个微米。 制造成本高、效率低、转子的阻尼差、
噪声大等缺点。 制造材料费用低、结构简单、步距角小。
伺服电机控制三种基本形式
一、对控制用电机的基本要求
(1) 性能密度大、即功率密度和比功率大； 功率密度＝P/G(WN-1)， 比功率密度＝TN2/Jm（Ws-1)
(2) 快速性好，即加速转矩大，频响特性好； (3) 位置控制精度高、调速范围宽、低速运行平稳无爬行现 象、分辩率高、振动噪声小； (4) 适应启、停频繁的工作要求； (5) 可靠性高、寿命长。
第三章 执行元件的选择与设计
机电一体化系统(或产品)离不开执行元件为其提供动力。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升降、回转和伸 缩运动等所用驱动部件 .
在电子控制装置控制下，将输入的各种形式的能量转换为机械能，例 如电动机、液动机、气缸、内燃机、电磁铁、继电器等分别把输入的 电能、液压能、气压能和化学能转换为机械能。
在额定输出功率相同的条件下，交流伺服电机的比功率最高，依 次为步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机。
二、控制用电机的种类、特点及选用
三、直流(DC)伺服电机与驱动
1、直流伺服电机的特性及选用 （1）特点
◆ 电枢大多为永久磁铁磁场； ◆ 直流伺服电机具有较高的响应速度、精度和频率，优良的控制
特性等优点。 ◆ 由于使用电刷和整流子，故寿命较低，需要定期维修。
3．便于维修、安装
执行元件最好不需要维修,例如交/直流无刷伺服电机。
转子结构简单、转子直径小，有 利于高速响应。
铁芯无极性，常有吸引力，故不需 改变电流极性，多为单极性励磁。
无励磁时没有保持力。 需要将气隙作得尽可能小，几个微米。 制造成本高、效率低、转子的阻尼差、
噪声大等缺点。 制造材料费用低、结构简单、步距角小。
伺服电机控制三种基本形式
一、对控制用电机的基本要求
(1) 性能密度大、即功率密度和比功率大； 功率密度＝P/G(WN-1)， 比功率密度＝TN2/Jm（Ws-1)
(2) 快速性好，即加速转矩大，频响特性好； (3) 位置控制精度高、调速范围宽、低速运行平稳无爬行现 象、分辩率高、振动噪声小； (4) 适应启、停频繁的工作要求； (5) 可靠性高、寿命长。
第三章 执行元件的选择与设计
机电一体化系统(或产品)离不开执行元件为其提供动力。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升降、回转和伸 缩运动等所用驱动部件 .
在电子控制装置控制下，将输入的各种形式的能量转换为机械能，例 如电动机、液动机、气缸、内燃机、电磁铁、继电器等分别把输入的 电能、液压能、气压能和化学能转换为机械能。
在额定输出功率相同的条件下，交流伺服电机的比功率最高，依 次为步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机。
二、控制用电机的种类、特点及选用
三、直流(DC)伺服电机与驱动
1、直流伺服电机的特性及选用 （1）特点
◆ 电枢大多为永久磁铁磁场； ◆ 直流伺服电机具有较高的响应速度、精度和频率，优良的控制
特性等优点。 ◆ 由于使用电刷和整流子，故寿命较低，需要定期维修。
3．便于维修、安装
执行元件最好不需要维修,例如交/直流无刷伺服电机。
- 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)。
使用齿轮等传动部件； • ② 过载能力差，容易受载荷影响，不慎被“卡住”
时甚至会烧毁； • ③ 获得大功率比较困难；
二、执行元件的特点与性能
• 2.液压执行元件： • 优点： • ① 输出功率大； • ② 功率密度大，可以减小执行元件的体积； • ③ 刚度高，能够实现高速、高精度的位置
控制； • 缺点： • ① 液压油源和进油、回油管路等附属设备
• (3)气压式：与液压式的原理相同，只是 将介质由油改为气体，包括气缸和气动 马达。特点是重量轻、价格便宜。
• (4)其它执行元件：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。
一、执行元件分类
电磁式 电磁铁及其它
电动机
执
油缸
行 元
液压式 液压马达
件 气压式 气缸 气压马达
交流伺服电机 直流伺服电机 步进电机 其它电机
• 利用阀门等调整液（气）体的流量，就可 以控制速度，而且可以在很大范围内调整。
3.2 机电一体化系统常用的控制用电机
一、控制用电机的控制方式与优点
• 控制用电机是将电能转换成机械能的一种 能量转换装置。
• 包括：力矩电动机、脉冲电动机、变频调 速电动机、开关磁阻电动机和各种AC/DC 电动机等。
双金属片
其它
形状记忆合金 与材料有关
压电元件
二、执行元件的特点与性能
• 1.电气执行元件： • 优点： • ① 以电源为能源，在大多数情况下容易得到； • ② 容易控制； • ③ 可靠性、稳定性与环境适应性好； • ④ 与计算机等控制装置的接口简单； • 缺点： • ① 为了实现一定的旋转运动或直线运动，经常要
占空间，使设备难于小型化。 • ② 对油的要求（杂质、温度等）严格； • ③ 易泄露且有污染；
二、执行元件的特点与性能
• 3. 气压执行元件： • 优点： • ① 气源方便、成本低； • ② 无泄漏污染； • ③ 速度快、操作比较简单； • ④ 利用空气的可压缩性可实现缓冲控制； • 缺点： • ① 由于空气的可压缩性，高精度伺服控制
交流伺服电机选用及控制。 • 本章教学难点：步进电机、直流、交流伺服电机控制。
第一节执行元件的作用、分类及机电一体化系统
• 作用：
对其基本要求
• 执行元件主要用来根据控制信息和指令，
将来自电、液压、气压等各种能源的能量转换
成旋转运动、直线运动等方式机械能，并完成
要求动作的能量转换装置，它在机电一体化系
统中所处的位置参见下图。
一、执行元件分类
•
根据使用能量的不同，可以将执行元件分
为电气式、液压式和气压式等几种类型。
• (1) 电气(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的。电动执行装置 由于能源容易获得，使用方便，所以得到了广 泛的应用。
• (2)液压式：是先将电能变换为液压能并用电 磁阀改变压力油的压力和流向，从而使液压执 行元件驱动运行机构运动，包括液压油缸、液 压马达等。具有体积小、输出功率大等特点。
• 图3.4为控制用电动的基本控制形式。目标运 动不同，电动机及其控制方式也不同。步进电 动机的开环方式、其它电动机的半闭环方式和 全闭环方式是控制用电动机的基本控制方式。 闭环方式比开环方式的伺服控制精度高。
• 伺服（随动）－servo：系统由如此几种设备 组成，它们可以连续地监测系统的实际信息 （位置、速度、加速度等），把这些信息与理 想的给定信号相比较，然后做出适当的必要的 调整以使差值为最小。
• 2、体积小，重量轻
• 通常用执行元件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＝P/G ，比功率密 度＝ T2/J/G
、执行装置的基本动作原理
• 1.电气式执行元件的动作原理
• 直流电机等电气式执行元件都是由电磁力驱 动运行机构运动的，基本工作原理相同。如图 3.1所示，直流伺服电动机由永磁体定子、线 圈转子（电枢）、电刷和换向器组成，磁场中 的线圈通入电流时，就会产生电磁力，驱动转 子转动。
伺服电动机控制方式的基本形式
异步电动机内部结构
• 普通电机可正反转，但不能调速 • 普通电机+微电子控制=控制用电机 • 方便调速 • 异步电机转速表达式： •
• 调速方法： 改变电源频率f
•
改变转差率s
•
改变磁极对数p
• 直流伺服电动机的机械特性方程为：
• 式中， 一电枢控制电压； 一电枢回路电 阻； —每极磁通； 、 —分别为电动机的 结构常数。
电气式执行元件的动作原理
可整理ppt
13
• 为了得到连续的旋转运动，就必须随着 转子的转动角度不断改变电流方向，因 此，必须有电刷和换向器。至于交流感 应电机是在线圈内产生感应电流，再产 生电磁力进行工作的。电机所产生的转 矩与通过的电流大小成正比；
• 2. 液（气）压式 执行元件的动作原理
• 液压式和气压式执行元件是用一定压力的 油或气体推动活塞或叶片产生直线运动或旋转 运动。
• 由上式知，直流伺服电动机的控制方式如下： • （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 • 常用的是前面2种调速方式。
二、机电一体化系统对控制用电机的基 本要求
第三章
机电一体化系统执行元件 的选择与设计
第三章 机电一体化系统执行元件的选 择与设计
• 一、本章教学目标及要求 • ① 执行元件的作用、分类、特点及机电一体化系
统对其要求； • ② 步进电机的特点与种类、工作原理； • ③ 步进电机的性能指标及运行特性、驱动与控制； • ④ 直流伺服电动机的原理及其驱动； • ⑤ 交流伺服电动机的原理及其驱动。 • 本章教学重点：步进电机工作原理及驱动控制，直流、
比较困难； • ② 虽然撞停等简单动作速度较高，但在任
意位置上停止的速度很慢； • ③ 能量效率低, 噪声大。
三、机电一体化系统对执行元件的基本要求
1、惯量小、动力大
加速度表征执行元件的加速性能；另一表征 动力大小的综合性指标为比功率（功率的时 间变化率） ,它包含了功率、加速性能与转
速三种因素。 比 功率 P T2 J
时甚至会烧毁； • ③ 获得大功率比较困难；
二、执行元件的特点与性能
• 2.液压执行元件： • 优点： • ① 输出功率大； • ② 功率密度大，可以减小执行元件的体积； • ③ 刚度高，能够实现高速、高精度的位置
控制； • 缺点： • ① 液压油源和进油、回油管路等附属设备
• (3)气压式：与液压式的原理相同，只是 将介质由油改为气体，包括气缸和气动 马达。特点是重量轻、价格便宜。
• (4)其它执行元件：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。
一、执行元件分类
电磁式 电磁铁及其它
电动机
执
油缸
行 元
液压式 液压马达
件 气压式 气缸 气压马达
交流伺服电机 直流伺服电机 步进电机 其它电机
• 利用阀门等调整液（气）体的流量，就可 以控制速度，而且可以在很大范围内调整。
3.2 机电一体化系统常用的控制用电机
一、控制用电机的控制方式与优点
• 控制用电机是将电能转换成机械能的一种 能量转换装置。
• 包括：力矩电动机、脉冲电动机、变频调 速电动机、开关磁阻电动机和各种AC/DC 电动机等。
双金属片
其它
形状记忆合金 与材料有关
压电元件
二、执行元件的特点与性能
• 1.电气执行元件： • 优点： • ① 以电源为能源，在大多数情况下容易得到； • ② 容易控制； • ③ 可靠性、稳定性与环境适应性好； • ④ 与计算机等控制装置的接口简单； • 缺点： • ① 为了实现一定的旋转运动或直线运动，经常要
占空间，使设备难于小型化。 • ② 对油的要求（杂质、温度等）严格； • ③ 易泄露且有污染；
二、执行元件的特点与性能
• 3. 气压执行元件： • 优点： • ① 气源方便、成本低； • ② 无泄漏污染； • ③ 速度快、操作比较简单； • ④ 利用空气的可压缩性可实现缓冲控制； • 缺点： • ① 由于空气的可压缩性，高精度伺服控制
交流伺服电机选用及控制。 • 本章教学难点：步进电机、直流、交流伺服电机控制。
第一节执行元件的作用、分类及机电一体化系统
• 作用：
对其基本要求
• 执行元件主要用来根据控制信息和指令，
将来自电、液压、气压等各种能源的能量转换
成旋转运动、直线运动等方式机械能，并完成
要求动作的能量转换装置，它在机电一体化系
统中所处的位置参见下图。
一、执行元件分类
•
根据使用能量的不同，可以将执行元件分
为电气式、液压式和气压式等几种类型。
• (1) 电气(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的。电动执行装置 由于能源容易获得，使用方便，所以得到了广 泛的应用。
• (2)液压式：是先将电能变换为液压能并用电 磁阀改变压力油的压力和流向，从而使液压执 行元件驱动运行机构运动，包括液压油缸、液 压马达等。具有体积小、输出功率大等特点。
• 图3.4为控制用电动的基本控制形式。目标运 动不同，电动机及其控制方式也不同。步进电 动机的开环方式、其它电动机的半闭环方式和 全闭环方式是控制用电动机的基本控制方式。 闭环方式比开环方式的伺服控制精度高。
• 伺服（随动）－servo：系统由如此几种设备 组成，它们可以连续地监测系统的实际信息 （位置、速度、加速度等），把这些信息与理 想的给定信号相比较，然后做出适当的必要的 调整以使差值为最小。
• 2、体积小，重量轻
• 通常用执行元件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＝P/G ，比功率密 度＝ T2/J/G
、执行装置的基本动作原理
• 1.电气式执行元件的动作原理
• 直流电机等电气式执行元件都是由电磁力驱 动运行机构运动的，基本工作原理相同。如图 3.1所示，直流伺服电动机由永磁体定子、线 圈转子（电枢）、电刷和换向器组成，磁场中 的线圈通入电流时，就会产生电磁力，驱动转 子转动。
伺服电动机控制方式的基本形式
异步电动机内部结构
• 普通电机可正反转，但不能调速 • 普通电机+微电子控制=控制用电机 • 方便调速 • 异步电机转速表达式： •
• 调速方法： 改变电源频率f
•
改变转差率s
•
改变磁极对数p
• 直流伺服电动机的机械特性方程为：
• 式中， 一电枢控制电压； 一电枢回路电 阻； —每极磁通； 、 —分别为电动机的 结构常数。
电气式执行元件的动作原理
可整理ppt
13
• 为了得到连续的旋转运动，就必须随着 转子的转动角度不断改变电流方向，因 此，必须有电刷和换向器。至于交流感 应电机是在线圈内产生感应电流，再产 生电磁力进行工作的。电机所产生的转 矩与通过的电流大小成正比；
• 2. 液（气）压式 执行元件的动作原理
• 液压式和气压式执行元件是用一定压力的 油或气体推动活塞或叶片产生直线运动或旋转 运动。
• 由上式知，直流伺服电动机的控制方式如下： • （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 • 常用的是前面2种调速方式。
二、机电一体化系统对控制用电机的基 本要求
第三章
机电一体化系统执行元件 的选择与设计
第三章 机电一体化系统执行元件的选 择与设计
• 一、本章教学目标及要求 • ① 执行元件的作用、分类、特点及机电一体化系
统对其要求； • ② 步进电机的特点与种类、工作原理； • ③ 步进电机的性能指标及运行特性、驱动与控制； • ④ 直流伺服电动机的原理及其驱动； • ⑤ 交流伺服电动机的原理及其驱动。 • 本章教学重点：步进电机工作原理及驱动控制，直流、
比较困难； • ② 虽然撞停等简单动作速度较高，但在任
意位置上停止的速度很慢； • ③ 能量效率低, 噪声大。
三、机电一体化系统对执行元件的基本要求
1、惯量小、动力大
加速度表征执行元件的加速性能；另一表征 动力大小的综合性指标为比功率（功率的时 间变化率） ,它包含了功率、加速性能与转
速三种因素。 比 功率 P T2 J