第三章 执行元件的选择与设计

第一节执行元件的种类、特点及基本要求第二节常用的控制用电动机第三节DC与AC伺服电动机及驱动第四节步进电动机及驱动第三章执行元件的选择与设计执行元件机电一体化系统(或产品)必不可少的驱动部件。执行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（联接）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。多数执行元件已作为系列化商品生产，在设计机电一体化系统时，可作为标准件选用、外购。第三章执行元件的选择与设计第一节执行元件的种类、特点及基本要求计算机动力源传感器执行元件机构第三章执行元件的选择与设计第一节执行元件的种类、特点及基本要求一、执行元件的种类及特点（1）惯量小，动力大。

表征执行元件惯量的性能指标：m(直线运动）、转动惯量J（回转运动）表征输出动力的性能指标：推力F、转矩T、功率P对直线运动：a=F/m；对回转运动：P=ωT，ε=T/J。即加速度a与角加速度ε表征了执行元件的加速性能。比功率：表征动力大小的综合指标，包含功率、加速性能与转速三种因素，即:比功率＝Pε/ω=T2/J二、对执行元件的基本要求第三章执行元件的选择与设计第一节执行元件的种类、特点及基本要求（2）体积小，重量轻:用功率密度或比功率密度来评价

功率密度＝P/G；比功率密度＝(T2/J)/G，

其中G

为执行元件重量。（3）安装方便、便于维修维护。

最好不要维修，无刷DC及AC伺服电机→走向无维修（4）易于实现自动化控制：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。二、对执行元件的基本要求第三章执行元件的选择与设计第一节执行元件的种类、特点及基本要求控制用电动机：力矩电动机、脉冲（步进）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。控制用电动机是电气伺服控制系统的动力部件，是将电能转换为机械能的一种能量转换装置。由于其可在很宽的速度和负载范围内进行连续、精确的控制，因而在各种机电一体化系统中得到广泛应用。控制用电动机有回转和直线驱动电动机，通过电压、电流、频率(包括指令脉冲)等控制，实现定速、变速驱动或反复起动、停止的增量驱动以及复杂的驱动，而驱动精度随驱动对象的不同而不同。机电一体化系统中常用的控制用电动机是指能提供正确运动或较复杂动作的伺服电动机。第三章执行元件的选择与设计第二节常用的控制电动机（1）性能密度大。即功率密度：P/G，或比功率密度

(T2/J)/G

大。（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、低速平稳性好、分辨率高以及振动噪音小。（4）能适应频繁启动，。（5）可靠性高、寿命长。第三章执行元件的选择与设计第二节常用的控制电动机一、对控制用电动机的基本要求第三章执行元件的选择与设计第二节常用的控制电动机二、控制用电动机的种类、特点及选用机电一体化系统中使用的两类电动机,动力用电动机;和控制用电动机。不同的应用场合，对控制用电动机性能密度的要求也有所不同。①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，在整个调速范围内均可稳定运动的机械，如NC工作机械的进给运动、机器人的驱动系统，其功率密度是主要的性能指标；②对于起停频率高(如数百次／分)，但不特别要求低速平稳性的产品，如高速打印机、绘图机、打孔机、集成电路焊接装置等主要的性能指标是高比功率。在额定输出功率相同的条件下,交流伺服电动机的比功率最高，直流伺服电动机次之，步进电动机最低。伺服电动机的性能比较伺服电机的优缺点比较接受控制装置发来的进给脉冲指令信号，经过信号变换和功率放大由执行元件(伺服电机)将其转换成角位移或直线位移，驱动运动部件实现所需要的运动.

伺服系统是自动控制系统的一类，它的输出变量通常是机械的位置或角度，根本任务是实现执行机构对给定指令的准确跟踪，即实现输出变量的某种状态能够自动、连续、精确地复现输入指令信号的变化规律。简单了解一下伺服系统(servo-system)定义：以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。简单了解一下伺服系统(servo-system)早期的电液伺服控制系统简单了解一下伺服系统(servo-system)早期的电液伺服控制系统简单了解一下伺服系统(servo-system)早期的电液伺服控制系统伺服系统的基本组成：控制器、功率驱动装置、检测反馈装置、伺服电机(M).简单了解一下伺服系统(servo-system)数控机床伺服系统控制器伺服放大器电动机工作台输入+-误差反馈测速发电机位移传感器角度传感器伺服系统的结构简单了解一下伺服系统(servo-system)(1)组成：步进电机、驱动控制电路(控制器)。1、开环伺服系统简单了解一下伺服系统(servo-system)(2)开环伺服系统特点①没有位置和速度反馈回路;②设备投资低，调试维修方便;③精度差；④高速扭矩小.(3)开环伺服系统应用场合①中、低档数控机床;②普通机床数控改造.1、开环伺服系统简单了解一下伺服系统(servo-system)(1)闭环伺服系统组成：控制器、功率驱动电路、检测反馈装置、伺服电机。2、闭环与半闭环伺服系统简单了解一下伺服系统(servo-system)(2)闭环伺服系统特点

①精度高

位置测量没有中间环节，可通过闭环控制消除整个环内传动链的全部累积误差。②结构复杂、调整困难由于闭环系统位置环内包含的机械传动部件比较多,因此闭环系统结构复杂、调整困难.简单了解一下伺服系统(servo-system)2、闭环与半闭环伺服系统(3)半闭环与闭环伺服系统区别简单了解一下伺服系统(servo-system)半闭环系统闭环系统2、闭环与半闭环伺服系统简单了解一下伺服系统(servo-system)

(4)半闭环和闭环伺服系统应用场合

半闭环系统应用较多,闭环系统一般只用在精度要求较高的大型数控机床上.①

半闭环位置检测装置安装位置：半闭环位置检测装置安装位置在滚珠丝杠或电机轴上,而不是工作台上。②

精度较低传动链有一部分在位置闭环以外，其传动误差没有得到系统的补偿，因而半闭环伺服系统的精度低于闭环系统.③

调整比较容易(3)半闭环与闭环伺服系统区别2、闭环与半闭环伺服系统简单了解一下伺服系统(servo-system)常见电机的工作原理常见电机的工作原理常见电机的工作原理常见电机的工作原理——直流电机基本特点（1）调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。（2）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。（3）易于控制。直流电机的优点：应用：（1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。（2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。（3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。常见电机的工作原理——直流电机工作原理NSU+–电刷换向器IFFE1.转子（又称电枢）

由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。2.定子定子的分类：永磁式：由永久磁铁做成。励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中通过直流电，形成电磁铁。直流电机构成常见电机的工作原理——直流电机励磁：磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称为励磁。机座磁极励磁绕组转子励磁式直流电动机结构直流电机构成常见电机的工作原理——直流电机根据励磁线圈和转子绕组的联接关系：他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在同一电源上。M他励UfIfIaUM并励UIfM串励UM复励U直流电机分类常见电机的工作原理——直流电机他励电动机和并励电动机的特性一样。一、他励电动机的机械特性M他励UfIfIaU直流电机机械特性常见电机的工作原理——直流电机机械特性：电机的电磁转矩和转速间的关系。即：其中，1.负载转矩变化时，电机会怎样？2.电机怎样调速？当T

时n

，但由于他励电动机的电枢电阻Ra很小，所以在负载变化时，转速

n

的变化不大，属硬机械特性。根据n-T公式画出特性曲线n0nNTNTn

n一、他励电动机的机械特性直流电机机械特性常见电机的工作原理——直流电机机械特性：电机的电磁转矩和转速间的关系。

恒转矩的生产机械(T一定，和转速无关）要选硬特性的电动机，如：起重机械等。特点：励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同。二、串励电动机的机械特性直流电机机械特性常见电机的工作原理——直流电机机械特性：电机的电磁转矩和转速间的关系。M串励UIanT设磁通和电流成正比，即

=K

Ia

,则(1)T=0

时，在理想情况下，n

。但实际上负载转矩不会为0，不会工作在T=0的状态，但空载时T很小，n很高。串励电机不允许空载运行，以防转速过高。串励特性：(2)随转矩的增大，n下降得很快，这种特性属软机械特性。二、串励电动机的机械特性直流电机机械特性常见电机的工作原理——直流电机机械特性：电机的电磁转矩和转速间的关系。(3)恒功率负载（P一定时，T和n成反比），要选软特性电机拖动。如：薄膜卷取机等。与异步电动机相比，直流电动机结构复杂，价格高，维护不方便，但它的最大优点是调速性能好。（1）调速均匀平滑，可以无级调速。（2）调速范围大，调速比可达200（他励式）以上（调速比等于最大转速和最小转速之比）。直流电动机调速的主要优点是：直流电动机的调速原理常见电机的工作原理——直流电机（1）改变磁通；（2）改变电压；（3）改变电枢电阻。直流电动机调速方法：在励磁回路中串上电阻Rf

，改变Rf

大小调节励磁电流，从而改变

的大小。1.原理M他励UfIfIaU一、改变磁通（调磁）直流电动机的调速原理常见电机的工作原理——直流电机，，两种情况：

Rf

If

n

，额定工况下，

已接近饱和，

If加大对

影响不大，故增加磁通的办法一般不用。

Rf

If

n

，减弱磁通是常用的调速方法。（1）调速平滑，可做到无级调速，但只能向上调，受机械本身强度所限，n不能太高。（2）调的是励磁电流（该电流比电枢电流小得多），调节控制方便。

减小

调速的特点：一、改变磁通（调磁）直流电动机的调速原理常见电机的工作原理——直流电机二、改变电枢电压直流电动机的调速原理常见电机的工作原理——直流电机，，调电枢电压U，n0变化，斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。nn0"n0'n0电压降低T（1）电枢电压不允许超过UN，所以调速只能向下调。（2）可得到平滑、无级调速。（3）调速幅度较大。MUfIfIaU变压整流220V~整流调压220V~Uf

=110V固定U=0~110V可调方案举例：二、改变电枢电压直流电动机的调速原理常见电机的工作原理——直流电机这种调速方法耗能较大，只用于小型直流机。串励电机也可用类似的方法调速。电枢中串入电阻，使

n

、

n0不变，电机的特性曲线斜率变大，相同力矩下，n

nn0RaRa+

RT三、改变转子电阻调速直流电动机的调速原理常见电机的工作原理——直流电机，，常见电机的工作原理——交流异步电动机基本特点结构简单、价格低廉、供电方便、工作可靠。主要部件的拆分图SN工作原理常见电机的工作原理——交流异步电动机（1）电磁转矩的产生▲

右手定则判断转子绕组中感应电流的方向▲

左手定则判断转子绕组受到的电磁力的方向电磁力→电磁转矩TT与n0同方向。工作原理常见电机的工作原理——交流异步电动机（2）如何产生旋转磁场？工作原理常见电机的工作原理——交流异步电动机（2）如何产生旋转磁场？V2V1W2U2U1W1定子三相绕组转子工作原理常见电机的工作原理——交流异步电动机（2）如何产生旋转磁场？V2V1W2U2U1W1工作原理常见电机的工作原理——交流异步电动机（2）如何产生旋转磁场？工作原理常见电机的工作原理——交流异步电动机（3）异步电动机的同步转速600pfn=min）r/

(

p12

3456n0/(r/min)300015001000750600500同步转速

f=50Hz时，不同极对数时的同步转速如下:转子的转速怎样计算呢？电机如何调速呢？工作原理常见电机的工作原理——交流异步电动机（4）电动机转速n和旋转磁场同步转速n0的关系电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但

异步电动机无转矩转子与旋转磁场间没有相对运动无转子电动势（转子导体不切割磁力线）无转子电流提示：如果永磁同步交流电机与异步电机的区别常见电机的工作原理——交流异步电动机SN常用伺服电机常见电机的工作原理（1）直流电机直流伺服电机（2）交流电机交流伺服电机（3）步进电机常见电机的工作原理——步进电机BIAC定子转子IBIC步进电机结构简图定子磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。

这里的相和三相交流电中的“相”的概念不同，主要是指线圈的联接和组数的区别。定子定子绕组转子AABBCC常见电机的工作原理——步进电机基本工作原理步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。

(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。

(3)改变脉冲顺序，改变方向。常见电机的工作原理——步进电机特点和分类种类：反应式、永磁式、混合式。

步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。工作方式一、三相单三拍三相绕组中的通电顺序为：A相

B相

C相A相

C相

B相

常见电机的工作原理——步进电机OR工作方式CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A34121C'342CA'BB'A

这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过30

。此角称为步距角，用

S表示。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。常见电机的工作原理——步进电机一、三相单三拍工作方式三相绕组的通电顺序为：A

AB

B

BC

C

CA

A

共六拍。A相通电，转子1、3齿和A相对齐。CA'BB'C'A3412常见电机的工作原理——步进电机二、三相单双六拍工作方式CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412A、B相同时通电B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15

。三相绕组的通电顺序为：

AB

BC

CA

AB

共三拍。AB通电CA'BB'C'A34123412CA'BB'C'ABC通电常见电机的工作原理——步进电机三、三相双三拍工作方式以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转30

，即

S=30

。CA通电CA'BB'C'A3412常见电机的工作原理——步进电机三、三相双三拍工作方式f：电脉冲的频率

转速

步进机通过一个电脉冲,转子转过的角度,称为步距角。m:一个周期的运行拍数z

：转子齿数如：z=4,m=3时步距角常见电机的工作原理——步进电机步距角和转速实际采用的步进电机的步距角多为3度和1.5度，步距角越小，运动控制的精度越高。为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子40个齿，定子仍是6个磁极，但每个磁极上也有五个齿。常见电机的工作原理——步进电机小步距角的步进电动机转子的齿距等于360

/40=9

，齿宽、齿槽各4.5

。

为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽和齿槽和转子相同。工作原理：假设是单三拍通电工作方式。（1）A相通电时，定子A相的五个小齿和转子对齐。此时，B相和A相空间差120

，含

120

/9

=

齿

A相和C相差240

，含240/9

=个齿。所以，A相的转子、定子的五个小齿对齐时，B相、C相不能对齐，B相的转子、定子相差1/3个齿（3

），C相的转子、定子相差2/3个齿（6

）。常见电机的工作原理——步进电机小步距角的步进电动机常见电机的工作原理——步进电机小步距角的步进电动机若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，转子只转1.5

。转动方向仍由相序决定。同理，C相通电再转3

……（2）A相断电、B相通电后，转子只需转过1/3个齿（3

），使B相转子、定子对齐。常见电机的工作原理——步进电机小步距角的步进电动机z=40,m=3步距角常见电机的工作原理——步进电机运行特性及性能指标1.分辨力

在一个电脉冲作用下(即一拍)，电动机转子转过的角位移，即步距角越小，分辨力越高。最常用的有0.6°／1.2°、0.75°／1.5°、0.9°／1.8°、1°／2°、1.5°／3°等。3.最大静转矩Tmax：在规定的通电相数下，转矩的最大值。2.失调角θe：单相定子通电时，该相定子齿与转子齿的中心线不重合所夹角。常见电机的工作原理——步进电机运行特性及性能指标4.启动转矩：相邻两通电状态时，矩角特性交点的静转矩，反映了电机的承载能力。常见电机的工作原理——步进电机运行特性及性能指标6.最高启动频率fqmax：步进电机由静止状态不失步达到稳速所允许的最高输入脉冲频率（可以是空载下或有负载下）。5.最高运行频率fmax：步进电机不失步运行时，输入脉冲的最高频率。失步丢步：齿距数少于脉冲数越步：齿距数多于脉冲数常见电机的工作原理——步进电机运行特性及性能指标7.矩频特性：步进电机运行时，输出转矩与输入脉冲频率的关系。第三章执行元件的选择与设计第三节直流与交流伺服电机及驱动一、直流(DC)伺服电机及驱动1.直流伺服电动机的特性及选用有较高的响应速度、精度和频率，优良的控制特性等优点；由于使用电刷和换向器，故寿命较低，需要定期维修；在位置控制和速度控制时，必须使用角度传感器来实现闭环控制。直流伺服电动机的特点：（1）小惯量伺服电机：其转子无槽，绕组直接粘接固定在转子铁心上，转动惯量小、反应灵敏、动态特性好，适用于高速且负载惯量较小的场合。直流伺服电动机的种类：第三章执行元件的选择与设计第三节直流与交流伺服电机及驱动一、直流(DC)伺服电机及驱动1.直流伺服电动机的特性及选用（2）印刷电枢电机：是一种盘形伺服电动机，电抠由导电板的切口成形，裸导体的线圈端部起整流子作用，这种空心式高性能伺服电动机大多用于工业机器人、小型NC机床及线切割机床上。第三章执行元件的选择与设计第三节直流与交流伺服电机及驱动一、直流(DC)伺服电机及驱动1.直流伺服电动机的特性及选用直流伺服电动机的种类：（3）大惯量宽调速伺服电机：70年代研制成功。在结构上采取了一些措施，尽量提高转矩改善动态特性，既具有一般直流电动机的各项优点，又具有小惯量直流电动机的快速响应性能，易与较大的惯性负载匹配，能较好地满足伺服驱动的要求，因此得到了广泛应用。第三章执行元件的选择与设计第三节直流与交流伺服电机及驱动一、直流(DC)伺服电机及驱动1.直流伺服电动机的特性及选用直流伺服电动机的种类：第三章执行元件的选择与设计第三节直流与交流伺服电机及驱动一、直流(DC)伺服电机及驱动1.直流伺服电动机的特性及选用直流伺服电动机的选用：（1）电机连续工作额定转矩必须能够覆盖整个负载转矩区间；（2）过载程度与过载时间应该在规定范围以内；（3）使加速度与希望的时间常数一致。（4）等效惯性负载与电机的转子惯量相匹配。第三章执行元件的选择与设计第三节直流与交流伺服电机及驱动一、直流(DC)伺服电机及驱动2.直流伺服电机的驱动

直流供电，需要调整的参数：电压大小和方向方法（1）：相控变流法方法（2）：脉宽调制法（PWM：PulseWidthModulation）第三章执行元件的选择与设计第三节直流与交流伺服电机及驱动一、直流(DC)伺服电机及驱动2.直流伺服电机的驱动单相相控变流法第三章执行元件的选择与设计第三节直流与交流伺服电机及驱动一、直流(DC)伺服电机及驱动2.直流伺服电机的驱动单相相控变流法第三章执行元件的选择与设计第三节直流与交流伺服电机及驱动一、直流(DC)伺服电机及驱动2.直流伺服电机的驱动单相相控变流法第三章执行元件的选择与设计第三节直流与交流伺服电机及驱动一、直流(DC)伺服电机及驱动2.直流伺服电机的驱动单相相控变流法第三章执行元件的选择与设计第三节直流与交流伺服电机及驱动一、直流(DC)伺服电机及驱动2.直流伺服电机的驱动

直流供电，需要调整的参数：电压大小和方向