机电控制系统中执行和驱动元件的类型和特点
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
机电一体考试答案
机电一体网上考试答案 . 单选题1. 机电一体化产品的动力与驱动部分的主要功能是 提供动力， 传递动力， 传递运动2. 顺序控制系统是按照预先规定的次序完成一系列操作的系统，顺序控制器通常用（ PLC ）。
3. 执行元件： 能量变换元件， 控制机械执行机构运动， 可分为（ 电气式 ）、液压式和气动式等。
4. 计算机集成制造系统包括（ CAD 、CAPP 、CAM ， FMS ，计算机辅助生产管理5. 受控变量是机械运动的一种反馈控制系统称 （伺服系统 ）。
6. 某光栅的条纹密度是100条/mm ，光栅条纹间的夹角0 =0.001孤度，贝U莫尔条纹的宽度是 （10mm ）。
7. PD 称为（ 比例微分 ）控制算法。
8. 某4极交流感应电动机，电源频率为50Hz ,当转差率为0.02时，其转速为（1470 [r/min ]）。
9. 滚珠丝杠螺母副结构类型有两类：外循环插管式和 （ 内循环反向器式 ）。
10. 步进电动机，又称电脉冲马达，是通过（ 脉冲的数量 ）决定转角位移的一种伺服电动机。
11. 在自动控制系统中，伺服电机通常用于控制系统的（ 全闭环控制， 12. 累计式定时器工作时有 （ 2个条件 ） 。
13. 齿轮传动的总等效惯量与传动级数（ 在一定级数内有关 ）。
14. 在数控系统中，复杂连续轨迹通常采用（ 插补 ）方法实现。
15. 以下可对异步电动机进行调速的方法是（ 改变电动机的供电频率 16. 直流测速发电机输出的是与转速（ 成正比的直流电压 ）。
17. 在数控系统中，复杂连续轨迹通常采用（ 插补 ）方法实现。
18. 直流伺服电动机的控制电压与输出转速之间的函数关系式称为其（ 19. 齿轮传动的总等效惯量随传动级数 （增加而减小 ）。
20. PWM 指的是（ 脉宽调制 ）。
21. 电压跟随器的输出电压 （ 等于）输入电压。
22. 一般说来，如果增大幅值穿越频率 3C 的数值，则动态性能指标中的调整时间 23. “机电一体化 ”在国外被称为（ Mechatronics ）。
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
机电一体化系统设计试题_6答案
习题六答案1、什么是伺服控制？为什么机电一体化系统的运动控制往往是伺服控制？伺服控制系统是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度及动力输出的自动控制系统.机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。
2、机电一体化系统的伺服驱动有哪几种形式?各有什么特点？（1）、按被控量参数特性分类按被控量不同，机电一体化系统可分为位移、速度、力矩等各种伺服系统。
其它系统还有温度、湿度、磁场、光等各种参数的伺服系统（2）、按驱动元件的类型分类按驱动元件的不同可分为电气伺服系统、液压伺服系统、气动伺服系统。
电气伺服系统根据电机类型的不同又可分为直流伺服系统、交流伺服系统和步进电机控制伺服系统。
（3）、按控制原理分类按自动控制原理，伺服系统又可分为开环控制伺服系统、闭环控制伺服系统和半闭环控制伺服系统。
3、机电一体化对伺服系统的技术要求是什么？机电一体化伺服系统要求具有精度高、响应速度快、稳定性好、负载能力强和工作频率范围大等基本要求，同时还要求体积小、重量轻、可靠性高和成本低等。
4、试分析直流伺服电机的结构与工作原理。
直流伺服电动机主要由磁极、电枢、电刷及换向片结构组成（如图6-3所示）。
其中磁极在工作中固定不动，故又称定子。
定子磁极用于产生磁场。
在永磁式直流伺服电动机中，磁极采用永磁材料制成，充磁后即可产生恒定磁场。
在他励式直流伺服电动机中，磁极由冲压硅钢片叠成，外绕线圈，靠外加励磁电流才能产生磁场。
电枢是直流伺服电动机中的转动部分，故又称转子，它由硅钢片叠成，表面嵌有线圈，通过电刷和换向片与外加电枢电源相连。
图6-3 直流伺服电动机基本结构图6-4 电枢等效电路直流伺服电动机是在定子磁场的作用下，使通有直流电的电枢（转子）受到电磁转矩的驱使，带动负载旋转。
通过控制电枢绕组中电流的方向和大小，就可以控制直流伺服电动机的旋转方向和速度。
机电系统设计分析
02
机电系统设计基础
机电系统设计基础
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03
机电系统设计流程
需求分析与规格说明
确定系统功能与性能要求
对机电系统的功能、性能参数和运行环境进行 详细分析，明确设计目标。
收集相关资料与技术标准
收集国内外相关技术资料、标准和规范，为后 续设计提供参考。
案例四：自动化生产线设计分析
总结词
高效、可靠、柔性
详细描述
自动化生产线是实现大规模生产的关键设施之一，其设 计需要综合考虑生产工艺、设备选型、控制系统等多个 方面。自动化生产线的设计目标是实现高效、可靠、柔 性的生产，即提高生产效率、降低故障率、增强生产线 的可调整性和可扩展性。为实现这一目标，设计时需要 采用先进的自动化技术和智能技术，优化生产线布局和 设备配置，并加强生产过程中的监控和管理。
优点。
嵌入式数据库
嵌入式数据库是嵌入式系统中的重要 组成部分，用于存储和管理数据。
嵌入式操作系统
嵌入式操作系统是嵌入式系统的软件 基础，具有实时性、可裁剪性、可移 植性等优点。
嵌入式网络技术
嵌入式网络技术是实现远程控制和数 据传输的关键技术，具有低功耗、低 成本等优点。
05
机电系统设计案例分析
案例一：工业机器人设计分析
总结词
功能全面、应用广泛
详细描述
工业机器人是机电一体化技术的典型应用，具有高精度、高效率、可编程性强等特点。在设计工业机 器人时，需要考虑其运动学、动力学特性，以及人机交互、安全防护等方面的要求。此外，还需根据 实际应用需求，选择合适的驱动系统、控制系统和传感器系统等。
案例二：数控机床设计分析
机电一体化技术 习题-参考答案
目录机电一体化技术第1 章习题-参考答案 (1)1-1 试说明较为人们接受的机电一体化的含义。
(1)1-4 何谓机电一体化技术革命？ (1)1-7.机电一体化系统有哪些基本要素组成？分别实现哪些功能？ (1)1-8.工业三大要素指的是什么？ (1)1-12.机电一体化系统的接口功能有哪两种？ (1)1-16.什么是机电互补法、融合法、组合法？ (1)机电一体化技术第2 章习题-参考答案 (2)2-1 设计机械传动部件时，为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，常常提出哪些要求？ (2)2-2 机电一体化系统传动机构的作用是什么？ (2)2-3 机电一体化系统（产品）对传动机构的基本要求是什么？ (2)2-10 现有一双螺母齿差调整预紧式滚珠丝杠，其基本导程λ0=6mm、一端的齿轮齿数为100、另一端的齿轮齿数为98，当其一端的外齿轮相对另一端的外齿轮转过2个齿时，试问：两个螺母之间相对移动了多大距离？ (2)2－16 各级传动比的分配原则是什么？输出轴转角误差最小原则是什么？ (2)2－17 已知：4 级齿轮传动系统，各齿轮的转角误差为Δφ1=Δφ2=Δφ3=…=0.005 rad,各级减速比相同，即ί1=ί2=…=ί4=1.5。
求：该传动系统的最大转角误差Δφmax; 为缩小Δφmax，应采取何种措施？ (2)2－18 谐波齿轮传动有何特点？传动比的计算方法是什么？ (3)2-19.设有一谐波齿轮减速器,其减速比为100，柔轮齿数为100.当刚轮固定时,试求该谐波减速器的刚轮齿数及输出轴的转动方向(与输入轴的转向相比较) (3)2-20.齿轮传动的齿侧间隙的调整方法有哪些? (3)2-25.轴系部件设计的基本要求有哪些？ (4)机电一体化技术第3 章参考答案 (5)3-1 简述机电一体化系统执行元件的分类及特点。
(5)II3-2 机电一体化系统对执行元件的基本要求是什么？ (5)3-3 简述控制用电动机的功率密度及比功率的定义。
机电一体化技术第二版-课后习题答案
第1章1-1、机电一体化是在机械主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。
1-2、机电一体化系统的主要组成、作用及其特点是什么？a、机械本体：用于支撑和连接其他要素，并把这些要素合理地结合起来，形成有机的整体。
b、动力系统：为机电一体化产品提供能量和动力功能，驱动执行机构工作以完成预定的主功能。
c、传感与监测系统：将机电一体化产品在运行过程中所需要的自身和外界环境的各种参数及状态转换成可以测定的物理量，同时利用监测系统的功能对这些物理量进行测定，为机电一体化产品提供运行控制所需的各种信息。
d、信息处理及控制系统：接收传感器与检测系统反馈的信息，并对其进行相应的处理、运算和决策，以对产品的运行施以按照要求的控制，实现控制的功能。
e、执行装置：在控制信息的作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。
1-3、工业三大要素：物质、能量、信息。
1-4、机电一体化产品与传统的机械电气化产品相比，具有较高的功能水平和和附加值，它为开发者、生产者和用户带来越来越多的社会经济效益。
1-7、机电一体化的主要支撑技术：传感检测技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术、接口技术、精密机械技术、系统总成技术。
1-8、机电一体化的发展趋势：智能化、模块化、网络化、微型化、绿色化、人格化、自适应化。
第2章2-1、机电一体化系统对传动机构的基本要求：传动间隙小、精度高、低摩擦、体积小、重量轻、运动平稳、响应速度快、传动转矩大、高谐振频率以及与伺服电动机等其他环节的动态性能相匹配等要求。
2-2、丝杆螺母机构的传动形式及其特点：a、螺母固定、丝杆转动并移动；b、丝杆转动、螺母移动；c、螺母转动、丝杆移动；d、丝杆固定、螺母转动并移动；e、差动传动。
2-3、滚珠丝杆副的组成及特点：由丝杆、螺母、滚珠和反相器四部分组成；具有轴向刚度高、运动平稳、传动精度高、不易磨损、使用寿命长等优点。
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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。
容积掌握型液压掌握系统实际上是由阀来掌握变量机构，再由变量机构掌握泵或马达的排量，而阀控变量机构就是阀控系统。
所以在分析动态性能时应着重分析阀控系统。
阀控系统可分为三通阀控差动液压缸、四通阀掌握单出杆液压缸、四通阀掌握双出杆液压缸和四通阀掌握液压马达等四种状况。
后两种状况尤其是四通阀掌握双出杆缸的应用最多，因此本节重点分析这种动力机构的特性，对其它各种动力机构只作简略的介绍，读者可以实
行类似的方法分析和了解它们的特性。
3、气压式
气压式主要有气缸、气马达等。
其优点是气源猎取便利，成本低，动作块；但输出功率小，体积大，工作噪声大，且难于实现精确掌握。
电气动力机构是一种由功率放大与驱动元件（通常也称驱动电路）和执行电机所组成的，采纳电流作为传动介质，掌握负载运动的机电装置。
按传输功率电流性质和执行电机的不同，电气动力机构分为直流电气动力机构和沟通电气动力机构；按功率放大与驱动元件的不同分为直流线性伺服放大器型动力机构、晶闸管功率放大型电气动力机构、直流PWM型电气动力机构、沟通变频变压（VVVE）型电气动力机构、沟通矢量掌握型电气动力机构、沟通永磁同步掌握型动力机构（此时执行电机必需为沟通永磁同步电机）等。