机电一体化系统设计执行元件及控制

1、4.3 三相异步电动机三相异步电动机4.2 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理4.1 执行元件的分类执行元件的分类 第第 4 章章 执行元件及控制执行元件及控制4.4 步进电动机步进电动机4.5 直线电动机直线电动机 4.7 交流伺服电机控制交流伺服电机控制4.6 直流电机的驱动控制直流电机的驱动控制4.8 电电-气比例阀、伺服阀气比例阀、伺服阀4.9 电电-液比例阀、伺服阀液比例阀、伺服阀 执行元件定义：执行元件定义： 执行元件是根据来自控制器的控制信执行元件是根据来自控制器的控制信息完成对受控对象的控制作用的元件，它息完成对受控对象的控制作用的元件，它将电能或流体能量转换成机械能

2、或其他能将电能或流体能量转换成机械能或其他能量形式。量形式。 4.1 执行元件的分类执行元件的分类 4.1.1 4.1.1 电动执行元件电动执行元件 执行元件根据使用场合不同分为：电动执行元件、气动执行元件、液压执行元件。 将电能转换成机械能以实现往复运动或回转运动的电磁元件。电动执行元件的种类：电动执行元件的种类： 常用的有直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机、电磁制动器、继电器等。电动执行元件的特点：电动执行元件的特点： 电动执行元件具有调速范围宽、灵敏度高、响应速度快、无自转现象等性能，并能长期连续可靠地工作。操作简单，易实现伺服控制，长时间过载易烧毁。 4.1.2 4.1.2 气

3、动执行元件气动执行元件 将气体能转换成机械能以实现往复运动或回转运动的执行元件。气动元件的种类：气动元件的种类：实现直线往复运动的气动执行元件称为气缸；实现回转运动的称为气动马达。 气动元件的特点：气动元件的特点：操作简单，成本低；动作不够平稳，功率小，不易小型化，难于连续伺服控制；低压，0.50.7兆帕，输出推力小；压缩空气清洁，结构简单易维护。4.1.3 4.1.3 液压执行元件液压执行元件 液压执行元件是将液压能转换为机械能以实现往复运动或回转运动的执行元件。液压执行元件的种类：液压执行元件的种类： 液压执行元件分为液压缸、摆动液压马达和旋转液压马达三类。液压执行元件的特点：液压执行元件

4、的特点：中高压力，输出力巨大；功率密度很大，机械刚性好，动态响应快；制造工艺复杂、维护困难。功率大，动作平稳，易实现伺服控制；难于小型化，易泄漏污染。 4.2 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理 任何电机的工作原理都是建立在电磁力和电磁感应这个基础上的，直流电机也是如此。 图4.1 直流发电机的工作原理 图4.2 直流电动机的工作原理直流电机的发展过程：直流电机的发展过程：永磁定子他励定子稀土高强度永磁定子 图图 直流电机转子铁芯 工业用直流伺服电机工业用直流伺服电机直流伺服电机结构特点：直流伺服电机结构特点： 大起动力矩大起动力矩 转子是光滑无槽铁心，线圈是用绝缘粘合剂贴在铁心表面

5、。转子是光滑无槽铁心，线圈是用绝缘粘合剂贴在铁心表面。 小惯量转子小惯量转子 减小转子铁心直径，增加铁心长度；也采用空心转子铁心。减小转子铁心直径，增加铁心长度；也采用空心转子铁心。保证直流伺服电机起停的即时性。保证直流伺服电机起停的即时性。 改进结构使其具有良好的线性伺服性能。改进结构使其具有良好的线性伺服性能。4.3 三相异步电动机三相异步电动机旋转磁场旋转磁场(a) t=0 (b) t=T/6 (c) t=T/3 (d) t=T/2 图4.5 两极旋转磁场异步交流电机工作原理异步交流电机工作原理图4.4 三相电流的波形图(a) 钳放情况 (b) 星形连接接线图图4.3 定子三相绕组图4.

6、4 三相电流的波形图tIimAsin)32sin(tIimB)34sin(tIimC永磁式同步电机工作原理永磁式同步电机工作原理交流伺服电机交流伺服电机(永磁式同步电机永磁式同步电机+光电编码器光电编码器)4.4 步进电动机步进电动机 三相两极步进电机 步进电动机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件，每当输入一个电脉冲时，它便转过一个固定的角度，这个角度称为步距角，简称为步距。三相三拍工作方式： 正向旋转ABCA步距角60 反向旋转ACBA 三相六拍工作方式： 正向旋转AABBBCCCAA步距角30 反向旋转AACCCBBBAA图4.6 三相四极反应式步进电动机的结构示

7、意图(a) A相通电 (b) B相通电 (c) C相通电图4.7 单三拍通电方式时转子的位置三相三拍工作方式：三相三拍工作方式：正向旋转ABCA步距角30反向旋转ACBA (a) A相通电 (b) A、B相通电 (c) C相通电 (d) B、C相通电 图4.8 步进电动机通电方式三相六拍工作方式：三相六拍工作方式：正向旋转AABBBCCCAA步距角15反向旋转AACCCBBBAA4.5 直线电动机直线电动机 直线电动机：是一种不需要中间转换装置，而能直直线电动机：是一种不需要中间转换装置，而能直接作直线运动的电动机械。接作直线运动的电动机械。直线电动机种类：直线电动机种类：直线感应电动机直线感

8、应电动机、直线直流电动机直线直流电动机、直线步进电动机直线步进电动机。 直线电动机传动优点：直线电动机传动优点：1）精度高。精度高。直线电动机由于不需要中间传动机械，因而使整个机械得到简化，提高了精度，减少了振动和噪声。2）快速响应。快速响应。用直线电动机驱动时，由于不存在中间传动机构的惯量和阻力矩的影响，因而加速和减速时间短，可实现快速启动和正反向运行。3）可靠性高。可靠性高。仪表用的直线电动机，可以省去电刷和换向器等易损零件，提高可靠性，延长使用寿命。4）装配灵活性大。装配灵活性大。往往可将电动机和其它机件合成一体。 图4.-9 直线感应电机的形成 直线感应电动机可以看作是由普通的旋转感应

9、电动机直接演变而来的。直线感应电动机可以看作是由普通的旋转感应电动机直接演变而来的。图图4-9 a表示一台旋转的感应电动机，设想将它表示一台旋转的感应电动机，设想将它沿径向剖开，并将定、转子沿径向剖开，并将定、转子沿圆周方向展成直线沿圆周方向展成直线，如图，如图4-9 b，这就得到了最简单的平板型直线感应电，这就得到了最简单的平板型直线感应电动机。动机。 由定子演变而来的一侧称作初级，由转子演变而来的一侧称作次级。由定子演变而来的一侧称作初级，由转子演变而来的一侧称作次级。直线电动机的运动方式可以是固定初级，让次级运动，此称为动次级；相直线电动机的运动方式可以是固定初级，让次级运动，此称为动次

10、级；相反，也可以固定次级而让初级运动，则称为动初级。反，也可以固定次级而让初级运动，则称为动初级。 4.5.1 直线感应电动机直线感应电动机 图4-10 直线感应电机的工作原理行波磁场行波磁场：当初级的多相绕组中通入多相电流后，会产生一个气隙基波磁场，但是这个磁场的磁通密度波B是直线移动的，故称为行波磁场。同步速度同步速度：行波的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度是一样的，称为同步速度。切向电磁力切向电磁力：在行波磁场切割下，次级导条将产生感应电势和电流。所有导条的电流和气隙磁场相互作用，便产生切向电磁力。如果初级是固定不动的。那末次级就顺着行波磁场运动的方向作直线运动。滑差率：滑差率

11、： ssvvvsa) 短初级 b) 短次级图4-11 平板型直线感应电动机图4-12 双边型直线感应电动机 U型直线电机 平板直线电机 图4-13 管型直线感应电动机的形成 4.5.2 直线直流电动机直线直流电动机直线直流电动机类型：直线直流电动机类型：永磁式：功率小、体积小电磁式：功率大、体积大图4-14 永磁式直线直流电动机 a) 单极 b) 两极1电枢绕组 2极靴 3励磁绕组 4电枢铁心 5非磁性端板 图4-15 电磁式直线直流电动机4.5.3 直线步进电动机直线步进电动机特点直线步进电动机特点： 直接驱动、容易控制、定位精确等优点。直线步进电动机种类直线步进电动机种类：反应式、永磁式。

12、 图4-16 永磁直线步进电动机工作原理 图4-16 永磁直线步进电动机工作原理4.6 直流电机的驱动控制直流电机的驱动控制 直流电机的驱动控制直流电机的驱动控制包括控制电路控制电路、驱动电路驱动电路和接接口电路口电路三个部分。目前，直流电机的驱动多采用开关型开关型PWM驱动控制驱动控制方式，弱电控制电路和强电驱动电路之间也相应采用开关型光电隔离开关型光电隔离方式接口连接。 4.6.1 开关型功率接口电路开关型功率接口电路 光电隔离技术晶闸管接口继电器输出接口 固态继电器接口 大功率场效应管开关接口 由于一般计算机控制系统的接口芯片大都采用TTL电平，不能直接驱动发光二极管，所叨通常在它们之间

13、加一级驱动器，如7406和7407等。 需要注意，光电耦合器的输入、输出端两个电源必须单独供电，如图4-17所示。否则，如果使用同一电源 (或共地的两个电源)，外部干扰信号可能通过电源串到系统申来，如图4-18所示，这样就失去了隔离的意义。 图4-17 正确的光电隔离 图4-18 不正确的光电隔离1.光电隔离技术2.晶闸管接口 123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:1-Apr-2011 Sheet of File:E:教学文件机电一体化教材机电一体化课程2010机制07教案MyDesign.ddbDrawn By:R1RL220V A

14、CSCR1234R2VCC控制信号图4-19 控制电路与单向晶闸管接口电路晶闸管晶闸管：是一种大功率电器元件，也称可控硅。晶闸管特点晶闸管特点：体积小、效率高、寿命长等优点，在计算机自动控制系统中，可作为大功率驱动器件，实现用小功率控件控制大功率设备。 3. 继电器输出接口继电器特点继电器特点：接触电阻小、流过电流大、耐高压；动作可靠性和反应速度不及晶闸管。 继电器种类继电器种类：电压线圈、电流线圈。 123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:1-Apr-2011 Sheet of File:E:教学文件机电一体化教材机电一体化课程201

15、0机制07教案MyDesign.ddbDrawn By:R11K1KVCC控制信号K?220V ACUCUCC图4-20 继电器接口电路4.4.固态继电器接口固态继电器接口 固态继电器固态继电器 (Solid State Relay)： 简称SSR，是用晶体管或晶闸管代替常规继电器的触点开关，而在前级中与光电隔离器融为一体。固态继电器种类固态继电器种类：直流型固态继电器、交流型固态继电器。固态继电器特点固态继电器特点： 输入控制电流小、输出无触点、体积小、重量轻、无机械噪声、无抖动和回跳、开关速度快、工作可靠。工业用直流固态继电器工业用直流固态继电器 图4-22 步进电机驱动接口电路图 5.大

16、功率场效应管开关接口场效应管特点场效应管特点：输入阻抗高，关断漏电流小、响应速度快，在计算机开关量输出控制中也常作为开关元件使用。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:1-Apr-2011 Sheet of File:E:教学文件机电一体化教材机电一体化课程2010机制07教案MyDesign.ddbDrawn By: GDS图4-23 N型大功率场效应管符号及元件G：控制栅极，D：漏极，S：源极。当G为高电平时，源极与漏极导通，允许电流通过。否则，场效应管关断。 4.6.2 4.6.2 直流电机直流电机PWMPWM驱动方式驱动方式（

17、PULSE WIDTH MODULATE）1.PWM功率驱动接口工作原理 图4-25 PWM功率驱动接口组成框图123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:29-Mar-2011Sheet of File:H:机电一体化教材机电一体化课程2010机制07教案MyDesign.ddbDrawn By:U1=0VUTU1+UTUS0V0V0V0VU10VUTU1+UTUS0V0V0V0VU10VUTU1+UTUS0V0V0V0VU10VUTU1+UTUS0V0V0V0V (a) (b) (c)图4-28 单极性PWM脉宽调制波形123456AB

18、CD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:27-Mar-2011Sheet of File:E:教学文件机电一体化教材机电一体化课程2010机制07教案MyDesign.ddbDrawn By:D1 D1 DC2 A-+ DC MOTORD2 D2 DC1 V1 V2 （a） （b） 图4-29 功率放大电路123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:27-Mar-2011Sheet of File:E:教学文件机电一体化教材机电一体化课程2010机制07教案MyDesign.ddbDrawn By:

19、A-+ DC MOTORQ1 D1 DC V12功率放大电路 功率放大器是PWM功率接口的主电路，分为单极性和双极性两种。 123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:27-Mar-2011Sheet of File:E:教学文件机电一体化教材机电一体化课程2010机制07教案MyDesign.ddbDrawn By:Q5 Q4 Q6 Q3 Q1 Q2 D1 D2 D3 D4 R55.1KR65.1KR21KR31KR41KR11KA-+ DC MOTORDC V1 V2 V3 V4图4-30 H桥功率放大电路4.6.3 IR2130S4.

20、6.3 IR2130S三相驱动控制集成芯片三相驱动控制集成芯片 123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:20-Jun-2011Sheet of File:E:教学文件机电一体化教材机电一体化课程2010机制07教案MyDesign.ddbDrawn By:T1 T2 T6 T4 T3 T5 Ri0.1DCR2100R4100R6100R5100R3100R1100Q5VS3Q3VS2Q1VS1Q2Q4Q6UVWQ1Q3Q5Q2Q4Q6HIN12HIN23HIN34LIN15LIN26LIN37FLT8ITRIP9CAO10CA-11Vs

21、o13LO314LO215LO116NC17Vs318HO319Vb320NC21Vs222HO223Vb224NC25Vs126HO127Vb12815V1MGND12U1IR2130S+15VVb1Vb2Vb3Vs1Vs2Vs3PWM1PWM3PWM5PWM2PWM4PWM6IvVs1Vs2Vs3Vb1Vb2Vb3D1D2D3 +15V+C14.7u+C24.7u+C34.7u图4-31 PWM直流伺服系统驱动电路原理图4.7 4.7 交流伺服电机控制交流伺服电机控制交流伺服系统优点：交流伺服系统优点： 1) 无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。 2) 定子绕组散热比较方便。

22、 3) 惯量小，易于提高系统的快速性。 4) 适应于高速大力矩工作状态。 5) 同功率下有较小的体积和重量。 1.1.位置控制方式位置控制方式 指令脉冲（PULS）、指令符号（SIGN）、清除脉冲（CLR）。 2.2.速度控制方式速度控制方式 模拟电压信号（-5V+5V）到速度信号输入端就可以控制交流伺服电机的速度。3.3.扭矩控制方式扭矩控制方式 模拟电压信号（-5V+5V）到扭矩信号输入端就可以控制交流伺服电机的扭矩。 （a）控制信号连接方式 （b）控制信号波形 图4-32 交流伺服驱动器位置控制方式图4-33 交流伺服驱动器速度控制方式图4-34 交流伺服驱动器扭矩控制方式第第1 章章

23、机电一体化系统设计绪论机电一体化系统设计绪论4.8 电电-气比例阀、伺服阀气比例阀、伺服阀电电-气比例阀和伺服阀种类：气比例阀和伺服阀种类：压力式比例/伺服阀、流量式比例/伺服阀。压力式比例压力式比例/伺服阀：伺服阀：将输给的电信号线性地转换为气体压力；流量式比例流量式比例/伺服阀：伺服阀：将输给的电信号转换为气体流量。4.8.1滑阀式电气方向比例阀 流量式四通或五通比例控制阀可以控制气动执行元件在两个方向上的运动速度，这类阀也称方向比例阀， 直流比例电磁铁1、阀芯2、阀套3、阀体4、位移传感器5和控制放大器6 图4-35 方向比例控制阀结构控制放大器的主要作用是：1) 将位移传感器的输出信号

24、进行放大；2) 比较指令信号Ue和位移反馈信号Uf，得到两者的差植U；3) 将U放大，转换为电流信号I输出。此外，为了改善比例阀的性能，控制放大器含有对反馈信号Uf和电压差U的处理环节。比如状态反馈控制和PID调节等。4.8.2 滑阀式二级方向伺阀滑阀式二级方向伺阀动圈式二级方向伺服阀动圈式二级方向伺服阀：主要由动圈式力马达、喷嘴挡板式气动放大器、滑阀式气动放大器、反馈弹簧等组成。喷嘴档板气动放大器做前置级前置级，滑阀式气动放大器做功功率级率级。图4-36 动圈式二级方向伺服阀4.8.3 4.8.3 动圈式压力伺服阀动圈式压力伺服阀 动圈式力马达1、喷嘴2、挡板3、固定节流口4、阀芯5、阀体6

25、、复位弹簧7、租尼孔8 图4-37是一种压力伺服阀压力伺服阀压力伺服阀：将电信号成比例地转换为气体压力输出。 （a）一个周期的脉冲波 （b）调制量与平均输出关系 图4-39 一个周期的脉冲波及调制量 与平均输出的关系4.8.4 4.8.4 脉宽调制伺服阀脉宽调制伺服阀 脉宽调制气动伺服阀脉宽调制气动伺服阀： 一种数字式伺服控制，采用的控制阀是开关式气动电磁阀，与模拟式伺服阀不同。 脉 宽 调 制 器 数 字 放 大 器 气 动 执 行 元 件 气 动 电 磁 阀 检 测 及 变 换 元 件负 载脉 宽 调 制 伺 服 系 统 方 块 图一个周期的脉冲波；调制量与平均输出关系。图4-38 脉宽调

26、制伺服系统方块图1-电磁铁；2-衔铁；3-阀芯；4-阀体；5-反馈弹簧；6-气缸。图4-40 滑阀式脉宽调制伺服阀的结构原理图该系统可以根据输入的电信号使气缸活塞在任意位置定位。4.8.5 电电气比例伺服系统的应用实例气比例伺服系统的应用实例（柔性定位伺服气缸、位置伺服控制系统 ）控制阀伺服阀 气缸位移传感器 柔性定位伺服气缸原理图 （a)系统原理图；(b)系统方块图1、2-气缸；3-位移传感器；4-控制放大器（a）系统原理图（b）系统方块图1、2气缸；3位移传感器；4-控制放大器 图4-41 柔性定位伺服气缸原理图4.9 电电-液比例阀、伺服阀液比例阀、伺服阀 4.9.1 电液伺服阀电液伺服

27、阀：电液伺服阀： 由电气机械转换器和液压放大器两部分组成。阀的输入为小功率电流信号，输出为大功率的液压信号。 图4-42 电液伺服阀的基本构成永久磁铁1、导磁体2、衔铁3、控制线圈4和弹簧管5 图4-43 QDY电液伺服阀 无电流信号输入时，永久磁铁1在a、b、c、d四个气隙中形成的磁通g是相同的，衔铁3由弹簧管5支撑在上、下导磁体2的中间位置，此时挡板9处于两个喷嘴6的中间，控制压力p1P=p2P，滑阀7在反馈杆10小球的约束下也处于中位置。当输入控制电流信号时，控制线圈4便产生相应的控制磁通c，在图2-43所示情况下，气隙b、c中c与g方向相同，而a、d中c与g方向相反，致使b、c中的合成

28、磁通大于a、d中的合成磁通，于是在衔铁上产生一个逆时针方向的磁力矩，使其绕弹簧管中心逆时针偏转，使挡极向右偏移，结果使控制压力p2P大于p1P，推动滑阀左移，同时使反馈杆产生弹性变形，又对衔铁挡板组伴形成一个反向力矩，当作用在衔铁挡板组件上的磁力矩、弹簧管阻力矩、反馈杆反力矩相平衡时，滑阀便停在一个平衡位置上，输出相应流量。在阀的负载压力一定时，输出流量大小决定于输入控制电流大小，输出流量的方向亦由输入控制电流方向决定。 由于滑阀的位置是通过反馈杆的变形力反馈到衔铁上使诸力平衡所决定的，所以也称为力反馈式电液伺服阀。又因为采用两级液压放大，故又称为力反馈两级电液伺服阀。8是固定节流孔。3-导磁体，4-控制线圈，5-衔铁，6-弹簧管，7-挡板，8-喷嘴，9-反馈杆，10-阀芯，11-固定节流孔，12-盖，13-滤油器。 图4-44 工业伺服阀图4-45 带电反馈的电液伺服阀 功率级滑阀阀芯4位置由位移传感器8检测，由集成电路5向传感器提供激磁电压。并调制其输出电压后反馈到放大器7的输入端形成位置闭环。工作原理是当输入控制电信号经大后输入力矩马达，