执行元件的控制与驱动
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。
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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
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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
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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
学习情境八气动控制元件和执行元件的使用
单向型控制阀
单向阀
单向型控制阀
或门型梭阀 在气压传动系统中，当两个通路P1和P2均与另一通路A相通，而 不允许P1与P2相通时，就要用或门型梭阀，如图所示。由于阀芯 像织布梭子一样来回运动，因而称之为梭阀，该阀相当于两个单 向阀的组合。在逻辑回路中，它起到或门的作用。
单向型控制阀
或门型梭阀 如图a所示，当P1进气时，将阀芯推向右边，通路P2被关闭，于 是气流从P1进入通路A。反之，气流则从P2进入A，如图b所示。 当P1，P2同时进气时，哪端压力高，A就与哪端相通，另一端就 自动关闭。
学习情境八 气动执行元件及控制元件的使用
项目1：气缸气马达的使用
知识点 ➢ 气缸的分类、结构、原理 ➢ 气马达的结构原理 ➢ 气缸的工作特性 ➢ 气缸的主要尺寸及结构设计
技能点 ➢ 拆装气缸、气马达
气动执行元件
气动执行元件 将压缩空气的压力能转换为机械能的装置 包括气缸和气马达。
气缸 气缸是气动系统的执行元件之一。 它是将压缩空气的压力能转换为机械能并驱动工作机构作往复直 线运动或摆动的装置。 与液压缸比较，它具有结构简单，制造容易，工作压力低和动作 迅速等优点。故应用十分广泛。
标准化气缸
我国目前已生产出五种从结构到参数都已经标准化、系列化的气缸（简 称标准化气缸）供用户优先选用，在生产过程中应尽可能使用标准化气缸， 这样可使产品具有互换性，给设备的使用和维修带来方便。 标准化气缸的系列和标记
标准化气缸的标记是用符号“QG”表示气缸，用符号“A、B、C、D、H” 表示五种系列。具体的标志方法是：
单向型控制阀
与门型梭阀的应用
单向型控制阀
快速排气阀快速排气阀又称快排阀。 它是为加快气缸运动作快速排 气用的。图示为膜片式快速排气阀。当P口进气时，膜片被压下封住 排气口，气流经膜片四周小孔，由A口流出，同时关闭下口。当气流 反向流动时，A口气压将 膜片顶起封住P口，A 口气体经T口迅速排掉。
电动执行器工作原理
电动执行器工作原理电动执行器是一种用电能驱动的机电一体化设备，可将电能转化为机械运动，并实现对执行元件的控制。
它被广泛应用于各种工业自动化系统中，如管道控制、阀门控制、门窗控制等。
电动执行器的工作原理涉及到电动机、减速器和控制系统等几个重要组成部分。
1. 电动执行器的电动机电动执行器的核心部件是电动机，它通过电能转化为机械能，驱动执行元件进行运动。
电动执行器常用的电动机有直流电机和交流电机两种。
直流电机特点是转速可调，启动力矩大，响应速度快，适合对运动速度要求较高且需要频繁启动的场合；而交流电机具有结构简单、可靠性高的优点，适用于功率较小、转速较低的场合。
2. 电动执行器的减速器减速器主要用于减小电动机的输出速度，并增加输出力矩。
通过减速器的作用，电动执行器能够更精确地控制执行元件的行程和力量。
减速器常用的有齿轮减速器、行星减速器等。
齿轮减速器具有结构简单、传动效率高的特点，适用于较小的负载条件下；行星减速器具有结构紧凑、传动平稳的优点，适用于负载较大的场合。
3. 电动执行器的控制系统电动执行器的控制系统是对电动执行器进行控制和监控的关键部分。
控制系统包含电动机控制器、传感器、执行器阀门等组成部分。
电动机控制器用于控制电机的启动、停止、正转和反转等运动状态，可以根据用户需求进行自动化控制。
传感器则用于检测执行元件的位置和力量，以提供反馈信号给控制系统，实现闭环控制。
执行器阀门则用于控制介质的流动和阻断，实现管道和阀门的控制。
电动执行器的工作过程可以简单描述为：用户通过控制器发送控制信号给电动执行器，电动执行器根据接收到的信号控制电机启动或停止，通过减速器传递适当的力矩给执行元件，从而实现执行元件的运动，最终完成控制的目标。
总结起来，电动执行器是一种通过电能驱动的机电一体化设备，利用电动机、减速器和控制系统等组成部分实现对执行元件的控制。
它在工业自动化系统中起到了至关重要的作用，广泛应用于各个领。
机电系统基础课程设计
机电系统基础课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握机电系统的基本概念、组成及工作原理，了解其在现代工业中的应用。
2. 使学生了解常见传感器的工作原理及其在机电系统中的应用，掌握传感器信号的采集与处理方法。
3. 让学生掌握常见的执行元件及其在机电系统中的应用，了解其控制方法。
技能目标：1. 培养学生运用所学知识分析和解决实际机电系统问题的能力。
2. 培养学生进行简单的机电系统设计和搭建的能力，提高动手操作和团队协作能力。
3. 培养学生运用计算机软件进行数据采集、处理和控制系统仿真的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对机电系统的兴趣，激发学生学习热情，提高学习积极性。
2. 培养学生具备良好的团队合作意识，学会与他人沟通交流，共同解决问题。
3. 培养学生关注机电系统的实际应用，认识到其在社会发展中的重要作用，树立正确的价值观。
课程性质：本课程为实践性较强的学科，旨在培养学生的实际操作能力、创新能力和团队合作能力。
学生特点：学生具备一定的物理和数学基础，对机电系统有一定了解，但缺乏实际操作经验。
教学要求：结合课本内容，注重理论与实践相结合，充分调动学生的积极性，提高学生的动手能力和解决问题的能力。
通过课程学习，使学生能够将所学知识应用于实际机电系统的设计和搭建。
二、教学内容1. 机电系统概述- 机电系统的基本概念、组成及分类- 机电系统在现代工业中的应用案例2. 传感器及其应用- 常见传感器的原理及特性- 传感器在机电系统中的应用- 传感器信号的采集与处理方法3. 执行元件及其控制- 常见执行元件的原理及特性- 执行元件在机电系统中的应用- 执行元件的控制方法及策略4. 机电系统设计与搭建- 机电系统的设计原则与方法- 机电系统搭建的步骤及注意事项- 常用设计工具及软件介绍5. 机电系统实例分析- 分析典型的机电系统案例，如自动化生产线、机器人等- 探讨案例中的关键技术及其应用教学进度安排：1. 第1-2周：机电系统概述，了解机电系统的基本概念、组成及分类2. 第3-4周：传感器及其应用，学习常见传感器的原理及在机电系统中的应用3. 第5-6周：执行元件及其控制，掌握常见执行元件的原理及控制方法4. 第7-8周：机电系统设计与搭建，学习设计原则、搭建步骤及软件应用5. 第9-10周：机电系统实例分析，分析典型案例，巩固所学知识教学内容依据课本章节进行组织，强调理论与实践相结合，注重培养学生的实际操作能力。
液压驱动的原理
液压驱动的原理
液压驱动的原理是利用液体的压力传递力量和动力。
它基于压力不可压缩的特性，通过液体在封闭系统中传输压力，从而使得液体能够产生驱动力。
液压驱动系统的基本组成包括液体介质、液压能源、执行元件和控制元件。
液体介质通常是油，它具有压缩性小、传递能力强和工作效率高等特点，能够在压力传递过程中保持较稳定的流体压力。
液压能源是驱动液体运动的动力源，通常由液压泵提供。
液压泵通过转动机械运动将液体吸入到泵腔中，然后通过泵腔的压力变化将液体推送出来，形成一定的流量和压力。
执行元件是液压系统中负责实现特定工作任务的部件，例如液压缸和液压马达。
液压驱动通过对液压缸或液压马达施加液体压力，从而产生线性或旋转运动。
控制元件用于控制液压系统的工作状态，常见的控制元件包括液压阀和液控阀。
液压阀通过控制液体的流动方向和流量来实现对执行元件的控制，确保液压系统按需工作。
液压驱动系统的工作原理是液体在封闭系统中的压力传递。
当液体被泵入液压系统时，液体会填充整个系统，通过液体的不可压缩性，使得液体在系统中形成均匀的压力。
通过控制元件的作用，液体的流动方向和流量可以被调节，从而控制液压系
统的工作状态。
总之，液压驱动的原理是利用液体的不可压缩性和压力传递的特性，通过液压能源、执行元件和控制元件的配合工作，实现力量和动力的传递。
机电一体化系统的执行元件控制电动机
1 以三相步进电机为例;画简图叙述其基本 工作原理
2 三相步进电机不同通电方式有何特点 3 若用单片机控制三相步进电机;试说明如 何实现三相双三拍通电方式的软环分 4 直流伺服电动机有何优点 其结构特点是 什么 5 画出直流伺服电机PWM双极性控制的T 形直流调压驱动电路;并叙述其基本原理
异步电动机 直流电动机等都是作为动力使用 的;其主要任务是能量的转换
图5 1 伺服系统的组成
伺服系统的种类：按控制方式划分 开环伺服系统 闭环伺服系统 半闭环系统;以及 由它们组合的复合伺服控制系统
2按使用驱动元件划分：步进伺服系统 直流伺服系统 交流伺服系统 液压伺服系统 气压伺服系统
第四章 机电一体化系统执行元件 —控制
第一节 概 述
一 功能： 执行元件是伺服系统的组成部分;也是机电一体 化系统的重要组成部分;用来将输入的各种形式的能 量转化成机械能;驱动被控对象工作 是一种能量变换 元件 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
本章介绍的各种控制电机的主要任务是转换和 传递控制信号;能量的转换是次要的
控制电机的种类很多;本章只讨论常用的几种: 步进电动机 直流伺服电动机 交流伺服电动机和直线电 动机
各种控制电机有各自的控制任务： 如: 步进电动机将脉冲信号转换为角位移或线位移
伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱 动控制对象；
一个换向片和电刷B流到电源负极;如图所示 线圈ab和
cd作为载流导体要受到磁场力安培力的作用;力的方向
可用左手定则判定 可用判定出;ab受到向左的力f;cd受
到向右的力f;这两个力对转轴形成逆时针方向力矩;线
圈被驱动沿逆时针方向转动 因此;电枢逆时针方向旋转
机器人的驱动与控制
3）控制特性的连续性和直线性，随着控制信号的变化，电动机的转 速能连续变化，有时还需转速与控制信号成正比或近似成正比。
所采用的关节驱动电动机主要是AC伺服电动机，步进电动机 和DC伺服电动机。其中，交流伺服电动机、直流伺服电动机、直 接驱动电动机（DD）均采用位置闭环控制，一般应用于高精度、 高速度的机器人驱动系统中。步进电动机驱动系统多适用于对精 度、速度要求不高的小型简易机器人开环系统中。交流伺服电动 机由于采用电子换向，无换向火花，在易燃易爆环境中得到了广 泛的使用。机器人关节驱动电动机的功率范围一般为0.1～10kW。 工业机器人驱动系统中所采用的电动机，大致可细分为以下几种：
4）调速范围宽。能使用于1：1000～10000的调速范围。 5）体积小、质量小、轴向尺寸短。 6）能经受起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向和加减 速运行，并能在短时间内承受过载。 目前，由于高起动转矩、大转矩、低惯量的交、直流伺服电动机 在工业机器人中得到广泛应用，一般负载1000N（相当100kgf）以下 的工业机器人大多采用电伺服驱动系统。
3）应用计算机的机器人具有故障诊断功能，可在屏幕上指示有 故障的部分和提示排除它的方法。还可显示误操作及工作区内有无障 碍物等工况，提高了机器人的可靠性和安全性。
4）可实现机器人的群控， 使多台机器人在同一时间进行相同作 业，也可使多台机器人在同一时间各自独立进行不同的作业。
5)在现代化的计算机集成制造系统(CIMS) 中，机器人是 不少的设备，但只有计算机控制的工业机器人才便于与CIMS 联网，使其充分发挥柔性 自动化设备的特性。
机电一体化系统设计 第3章 执行元器件
第 3 章 执行元件的选择与设计
§3-3 交流伺服电机及驱动器
伺服系统的有哪几部分组成 ➢ 机构-结构：接受执行器输出的力、力矩或功率产生机构 运动，完成最终目标。结构部分把各组成部分联成一体， 起支持与定位作用。 ➢ 能源：主要作用是给机械运动提供足够的动力，同时也 向传感器、信息处理器提供所需的能量。 ➢ 伺服电机:（M）驱动信号控制转换电路 电力电子驱动放 大模块, 电流调解单元，速度调解单元 检测装置
6）电机测试方式
通过键盘操作，伺服电机按照参数设定的脉冲频率转动。用于测试位置控制方式。
第 3 章 执行元件的选择与设计
§3-3 交流伺服电机及驱动器
交流伺服系统 PSDD驱动器驱动方式简介
电子齿轮
第 3 章 执行元件的选择与设计
§3-3 交流伺服电机及驱动器
交流伺服系统 PSDD驱动器
（1）电源输入端子：
§3-3 交流伺服电机及驱动器
交流伺服系统 PSDD驱动器驱动方式简介
4）JOG控制方式
通过按键操作控制电机点动。按下按键，电机按设定的参数转动，松开按键， 停止转动。用于手动移动机械装置到某一固定位置。
5）电机零点调试方式
长期使用后，编码器的零点可能偏移。该操作重新将编码器调零。该操作只能 在空载下进行，否则影响精度。
第 3 章 执行元件的选择与设计
§3-1 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
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
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一、步进电动机的控制与驱动 (一)脉冲分配控制
要使步进电动机正确运转，必须将指令脉冲按一定规 律分配给步进电动机各相绕组，以产生旋转磁场。把实现 这一功能的器件称为脉冲分配器或环形分配器，可由硬件 电路或软件程序来实现。 1．硬件脉冲分配器 YB系列国产TTL集成脉冲 分配器： YB013、YB014 、YB015、YB016
值与电源电压UC相等。设三角波周期为T，US的正脉冲宽 度为TP，则一个周期内电枢绕组两端的电压Ua为：
Ua
U AB
Up
UUC
,0 C,
t TP
Tp t T
展开成傅里叶级数，得：
U a
A0 2
( An
n1
cos 2n t
T
Bn sin
2n t)
T
A0 2
Cn
n1
26
A0
2 T
T
0 Uadt
2UC T
(2TP
T)Tp源自T 2(1 2U I U TPP
)
A0 4UcU I /UTPP
U a
2U c U TPP
UI
Cn
n 1
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晶体管的切换频率(即Us的频率)通常高于1000Hz，比 直流伺服电动机的频带高得多，因而所有的谐波(即交流 分量)都将被电动机的低通滤波作用所衰减掉。这样，式 中的交流分量可忽略，从而简化为Ua=2UcUi／UTpp。考 虑到PWM晶体管功率放大器所具有的限幅特性，可得到 其数学模型如下：
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(二)速度控制 (1)硬件方法：在硬件脉冲分配器的时钟脉冲输入端(CP端 )接一可变频率脉冲发生器，改变其振荡频率，即可改变 步进电动机速度。 (2)软件方法：采用定时器来确定每相邻两次脉冲分配的 时间间隔，即脉冲分配周期，并通过中断服务程序向输出 口分配控制数据。
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速度控制定时常数的确定? 设数控X-Y工作台的脉冲当量为δ(mm)，
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2．开关功率放大器 作用：对电压—脉宽变换器输出的信号Us进行放大，输 出具有足够功率的信号Up，以驱动直流伺服电动机。
开关功率放大器常采用大功率晶体管构成。根据各晶 体管基极所加的控制电压波形，可分为单极性输出、双极 性输出和有限单极性输出三种方式。
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(二)PWM晶体管功率放大器的数学模型 如果忽略功放电路中晶体管的导通压降，则UP的幅
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2．软件自动升降速控制 基本原理：根据允许的启动频率确定定时器的初始定时常 数。 a.在升速过程中，按一定规律不断增加定时常数(对加法计 数的定时器来讲)，减小中断时间间隔，加快脉冲分配频 率； b.在恒速过程中，保持定时常数不变； c.在降速过程中，按规律不断减小定时常数，降低脉冲分 配频率，直到定时常数等于希望的制动频率所对应的值时 ，停止脉冲分配，使步进电动机制动。
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2．软件脉冲分配器 指实现脉冲分配控制的计算机程序。 软件脉冲分配控制的基本原理： (1).根据步进电动机与计算机的接线情况及通电方式列出 脉冲分配控制数据表； (2).运行时按节拍序号查表获得相应控制数据； (3).在规定时刻通过输出口将数据输出到步进电动机驱动 电路。
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升降速过程可按指数或直线(匀加速)规律控制。
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采用分段直线规律进行自动升降速控制的程序框图
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(四)步进电动机的驱动
要使步进电动机输出足够的转矩以驱动负载工作，必 须对控制信号进行放大，实现该功能的电路称为步进电动 机驱动电路或功放电路。
常见的步进电动机驱动电路有三种：
(1)单电源驱动电路 采用单一电源供电，结构简单，成本低，但电流波形差， 效率低，出力小，主要用于对速度要求不高的小型步进电 动机的驱动。
2．大功率晶体管的选择 大功率晶体管工作在开关状态，其允许的开关频率一定要 大于切换频率，而且开关特性要好，导通后的压降要小， 反向耐压要高，以保证驱动电路和电动机性能的发挥。
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(2)双电源驱动电路(又称高低压驱动电路) 高压和低压两个电源供电。在步进电动机绕组刚接通时， 通过高压电源供电，以加快电流上升速度，延迟一段时间 后，切换到低压电源供电。这种电路使电流波形、输出转 矩及运行频率等都有较大改善，但效率仍较低。 19
(3)斩波限流驱动电路 采用单一高压电源供电，以加快电流上升速度，并通过对 绕组电流的检测，控制功放管的开和关，使电流在控制脉 冲持续期间始终保持在规定值上下，电路出力大，功耗小 ，效率高，目前应用最广。
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二、直流伺服电动机的控制与驱动 控制信号由计算机控制系统给定，通过接口和功放电
路驱动直流伺服电动机 功放电路(功率放大器)，目前主要有两种：
1.晶闸管功率放大器； 2.晶体管脉冲宽度调制(PWM)功率放大器。
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(一).PWM晶体管功率放大器的工作原理
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1、电压—脉宽变换器 作用：根据控制指令信号对脉冲宽度进行调制，用宽度随 指令变化的脉冲信号去控制大功率晶体管的导通时间，实 现对电枢绕组两端电压的控制。
Ua
UP
U2UTPcP
UC ,U I UTPP U I ,UTPP / 2 U I
/2 UTPP
/2
UC ,U I UTPP / 2
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(三)设计功放电路时应注意的问题 1．切换频率的选择
1)切换频率应使电动机轴产生微振，以克服静摩擦，改善 运行特性，但微振的最大角位移不应大于允许的角位置误 差。 2)切换频率应选得足够高，以使电动机电枢感抗足够大， 减小电动机内产生的高频功耗和交流分量的影响。 3)切换频率应高于系统中任一部件的谐振频率，以防止共 振产生。
要求运动速度为v(mm／min)，
8031的晶振频率为fosc (Hz)， 采用CTC0的工作模式1(即16位定时器模式)，则
定时常数Tx(s)可按下式确定：
Tx
216
5 f osc
v
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(三)自动升降速控制 步进电动机允许的启动频率一般较低
(1)当要求高速运行时，必须用较低的频率启动，然后逐 渐加速，否则不能正常启动。 (2)制动时也应逐渐降到较低频率后再制动，否则定位不 准。步进电动机自动升降速控制也可通过硬、软件两种方 法实现。 1．硬件自动升降速控制