1、第三章第三章机电一体化系统机电一体化系统执行元件的选择与设计执行元件的选择与设计 张建民张建民 编著编著高等教育出版社高等教育出版社讲授：何庆中讲授：何庆中机机 电电 工工 程程 系系第第3.1节节 执行元件执行元件 执行元件执行元件是将控制信号转换成机是将控制信号转换成机械运动和机械能量的转换元件。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执行元件的种类及特点执行元件电磁式电磁铁及其他电动机液压马达液压式油 缸气压马达气压式气 缸其 他与材料有关直流伺服电机双金属片压电元件状态记忆金属其他电机交流伺服电机步进电机种类种类特点特点优点优点缺点缺点电电气气式式 可用商业电源；可
2、用商业电源；信号与动力传送信号与动力传送方向相同；有交方向相同；有交流直流之分；注流直流之分；注意使用电压和功意使用电压和功率。率。 操作简便；编程容操作简便；编程容易；能实现定位伺易；能实现定位伺服控制；响应快、服控制；响应快、易与计算机（易与计算机（CPUCPU）连接；体积小、动连接；体积小、动力大、无污染。力大、无污染。 瞬时输出功率大；瞬时输出功率大；过载差；一旦卡过载差；一旦卡死，会引起烧毁死，会引起烧毁事故；受外界噪事故；受外界噪音影响大。音影响大。 气气压压式式 气体压力源压气体压力源压力力5757MpaMpa；要；要求操作人员技术求操作人员技术熟练。熟练。 气源方便、成本低；气
3、源方便、成本低；无泄露而污染环境；无泄露而污染环境；速度快、操作简便。速度快、操作简便。 功率小、体积大、功率小、体积大、难于小型化；动难于小型化；动作不平稳、远距作不平稳、远距离传输困难；噪离传输困难；噪音大；难于伺服。音大；难于伺服。 液液压压式式 液体压力源压液体压力源压力力20802080MpaMpa；要求操作人员技要求操作人员技术熟练。术熟练。输出功率大，速度输出功率大，速度快、动作平稳，可快、动作平稳，可实现定位伺服控制；实现定位伺服控制；易与计算机（易与计算机（CPUCPU）连接。连接。 设备难于小型化；设备难于小型化；液压源和液压油液压源和液压油要求严格；易产要求严格；易产生泄
4、露而污染环生泄露而污染环境。境。 （1）惯量小，动力大。惯量小，动力大。 （2）体积小，重量轻。体积小，重量轻。 （3）安装方便、便于维修维护。安装方便、便于维修维护。 （4）易于实现自动化控制。易于实现自动化控制。 3.2 机电一体化系统常用的控制电动机机电一体化系统常用的控制电动机 常用伺服控制电动机常用伺服控制电动机 ： DC/AC电动机、力矩电动机、步进（脉冲）电动机、力矩电动机、步进（脉冲）电动机、变频调速电动机、开关电磁电动机电动机、变频调速电动机、开关电磁电动机以及其他电动机（直流或交流脉宽调速电动以及其他电动机（直流或交流脉宽调速电动机、电磁伸缩元件）等。机、电磁伸缩元件）等。
5、 主要有：开环控制、半闭环控制、主要有：开环控制、半闭环控制、闭环控制三种。闭环控制三种。 如图所示数控机床伺服系统。如图所示数控机床伺服系统。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工 为实现运动、功率为实现运动、功率/ /能量、控制运动方式的能量、控制运动方式的转换，对伺服控制电动机提出了一些基本要求。转换，对伺服控制电动机提出了一些基本要求。（1）性能密度大。即功率密度）性能密度大。即功率密度 Pw=P/G 或比或比功率密度功率密度 Pbw=(T2/J)/G 大。大。（2）快速性好。加速度大、响应特性好。）快速性好。加速度大、响应特性好。（3）位置控制与速度控制精度高、调速范围）位置控制与速度控
6、制精度高、调速范围大、低速平稳性好、分辨率高以及振动噪音小。大、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，可靠性高、寿命长。）能适应频繁启动，可靠性高、寿命长。（5）易于与计算机对接，实现计算机控制。）易于与计算机对接，实现计算机控制。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工 无论无论动力用动力用伺服控制电动机伺服控制电动机，还是，还是控制用控制用伺服控制电动机伺服控制电动机，功率，功率转速转速转矩的电特转矩的电特性是电机重要的基本特性指标之一。性是电机重要的基本特性指标之一。PnndPw厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工 对于伺服控制电机而言，恒转矩工作特对于伺服控制电机而言，恒
7、转矩工作特性是衡量电机调速性能的重要参数之一。性是衡量电机调速性能的重要参数之一。（1）步进电动机的特点步进电动机的特点 控制精度由步进角决定（控制精度由步进角决定（ ）。）。 抗干扰能力强，在电机电特性工作范围抗干扰能力强，在电机电特性工作范围内，不产生丢步或无法工作等现象。内，不产生丢步或无法工作等现象。 电机每转动一步进角，尽管存在一定的电机每转动一步进角，尽管存在一定的转角误差，但电机转动转角误差，但电机转动360360时，转角累计误时，转角累计误差将归零。差将归零。 控制性能好，不会产生控制性能好，不会产生“丢步丢步 ” ”现象现象（频繁启动、停止、变换）。（频繁启动、停止、变换）。
8、易于与计算机实现对接。易于与计算机实现对接。znko/360厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工 种类种类 按转子构成分类：按转子构成分类： 可变磁组型（可变磁组型（VR）步进电机）步进电机 转子为导转子为导磁体，也称反应式步进电机。磁体，也称反应式步进电机。 永磁型（永磁型（PM）步进电机）步进电机 转子为永磁铁。转子为永磁铁。 混合型（混合型（HB-Hybrid）步进电机）步进电机 转子转子为导磁体和永磁铁的组合。为导磁体和永磁铁的组合。 按定子绕组对数分类：按定子绕组对数分类：分为分为2相、相、 3相、相、 4相、相、 5相、相、 10相等相等步进电机。步进电机。 按定子绕组通电极性分类：
9、按定子绕组通电极性分类： 分为单极性和双极性步进电机。分为单极性和双极性步进电机。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工 当第一个脉冲通入当第一个脉冲通入A A相时，磁通企图沿着磁相时，磁通企图沿着磁阻最小的路径闭合，在此磁场力的作用下，阻最小的路径闭合，在此磁场力的作用下，转子的转子的1 1、3 3齿要和齿要和A A级对齐。当下一个脉冲通级对齐。当下一个脉冲通入入B B相时，磁通同样要按磁阻最小的路径闭合，相时，磁通同样要按磁阻最小的路径闭合，即即2 2、4 4齿要和齿要和B B级对齐，则转子就顺逆时针方级对齐，则转子就顺逆时针方向转动一定的角度：向转动一定的角度：1324AABBCCCB423
10、AC1AB23BACAC14Bznko/360厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工（1）分辨率分辨率主要指步进角主要指步进角=360/znK。如：。如：0.6/1.2、0.75/1.5、0.9/1.8、。（2）静态特性静态特性 主要指步进电机在稳态工作条件下的特性，主要指步进电机在稳态工作条件下的特性，包括：包括：矩矩角特性、静转矩、静态稳定特性角特性、静转矩、静态稳定特性等。等。 失调角示意图失调角示意图 矩角特性曲线矩角特性曲线 e定子转子ppp/2p/2jmaxTjmaxTeT厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工 动态特性参数：主要指动态特性参数：主要指动态稳定区动态稳定区、启动转矩启动转矩
11、、矩频特性矩频特性、惯频特性惯频特性等。等。 动态稳定区：动态稳定区：在步进电机从在步进电机从A A相转换为相转换为B B（或（或ABAB）相通电，不产生丢步时的稳定工作区域）相通电，不产生丢步时的稳定工作区域r r。从图中可以得出，步进电机工作的拍数越多，稳从图中可以得出，步进电机工作的拍数越多，稳定工作区域定工作区域r r越接近静态稳定工作区域越接近静态稳定工作区域e e，越，越不容易丢步。不容易丢步。 起动转矩起动转矩TqTq：两相（两相（A A、B B）矩角特性之交）矩角特性之交点点TqTq表示步进电机单相励磁时所能带动的极限负表示步进电机单相励磁时所能带动的极限负载转矩，与步进电机的
12、相数和通电方式有关。载转矩，与步进电机的相数和通电方式有关。p/3pjmaxTTjmaxTeprTqp/3pjmaxTTjmaxTeprTq矩角矩角特性特性曲线族曲线族厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工 最高连续运转频率最高连续运转频率f fmaxmax及矩频特性：及矩频特性：步步进电机连续运转时所能接受的最高控制频率进电机连续运转时所能接受的最高控制频率f fmaxmax，称最高连续运转频率；步进电机连续，称最高连续运转频率；步进电机连续运转转矩随频率的增加而降低，称矩频特运转转矩随频率的增加而降低，称矩频特性。性。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工p/3pjmaxTTjmaxTeprTqp
13、/3pjmaxTTjmaxTeprTq矩角特性曲线族矩角特性曲线族 步进电机的驱动电路步进电机的驱动电路：主要由脉冲分配器：主要由脉冲分配器和功率放大器两部份组成。和功率放大器两部份组成。 变频控制信号变频控制信号：主要有脉冲频率信号和：主要有脉冲频率信号和方向控制信号。方向控制信号。步进电机驱动电路的组成步进电机驱动电路的组成 脉 冲分 配 器 功 率放 大 器变 频 信 号方 向 信 号厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工步进脉冲输出方向控制0.1f74767486步进脉冲定时器引脚布局引脚布局引脚布局0.1f或0.1f线圈线圈线圈 线圈 由于步进电机的工作
14、原理是各绕组必须按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（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），完成这种通电这种通电顺序变化规律的部件称为环形脉冲分配器。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：实现脉冲环形分配的方法主要有三种： 软件分频软件分频可充分利用计算机资源降低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。计算机运行时间，影响步进电机的运行速度。 ICIC集成电路
15、分频（集成电路分频（DDTDDT分频器）分频器）灵活性灵活性强，可搭接成任意通电顺序的环形分配器，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。不站用计算机的工作时间。 厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工方 向厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工 专用环形分频器专用环形分频器使用使用方便，接口简单，专业化生方便，接口简单，专业化生产质量可靠，成本低等。如：产质量可靠，成本低等。如：CH250三相绕组分频器三相绕组分频器 ；L297和和PMM8714两相绕组两相绕组分频器；分频器；PMM8713五相绕五相绕组电机分频器等。组电机分频器等。 功率放大器是实现控制信号与步进电机匹配的功
16、率放大器是实现控制信号与步进电机匹配的重要组件。重要组件。 常见的步进电机功率放大器的组成与特点如下：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单电压功率放大电路 www厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工特点：电路结构简单，但串联特点：电路结构简单，但串联R2R2消耗能量降低放大消耗能量降低放大功率；电感较大使电路对脉冲反应较慢功率；电感较大使电路对脉冲反应较慢, ,输出波形输出波形差。主要用于转速要求不高的小型步进电机控制。差。主要用于转速要求不高的小型步进电机控制。特点：具有高压驱动，特点：具有高压驱动，电流增长速度快、前电流增长速度快、前沿变陡，电机的扭矩沿变陡，电机
17、的扭矩和频率得到提高和频率得到提高。 w 单稳触发器w特点：仅在脉冲开始时接通高压特点：仅在脉冲开始时接通高压电源，其余时间仅接通低压电源电源，其余时间仅接通低压电源供电。具有功效高、电流上升率供电。具有功效高、电流上升率高、高速运转性能好，但波形陡高、高速运转性能好，但波形陡有时存在过冲现象，谐波丰富，有时存在过冲现象，谐波丰富，在低速运转时易产生振动。在低速运转时易产生振动。 厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工w厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工 采用细分驱动电路的目的：采用细分驱动电路的目的：整步运转或半整步运转或半步运转基础上，不改变步进电机结构，提高步运转基础上，不改变步进电机结构，
18、提高步进电机的运转、控制精度步进电机的运转、控制精度 。 细分驱动电路的基本工作原理细分驱动电路的基本工作原理 ：对每一对每一控制脉冲，细分使其电流逐步增加达到脉冲控制脉冲，细分使其电流逐步增加达到脉冲的最大电流（的最大电流（Imax），又逐步减少达到脉冲），又逐步减少达到脉冲的最小电流（的最小电流（0），从而可实现高精度运转、），从而可实现高精度运转、控制、分辨，以及提高步进精度。控制、分辨，以及提高步进精度。wt厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工 工作原理：工作原理：由基极开关电压由基极开关电压U1U5控制多路控制多路功率开关管功率开关管VTd1VTd5的通断，从而控制功放的通断，从而控制
19、功放管管VT的导通电流大小，即步进电机线圈绕组的导通电流大小，即步进电机线圈绕组电流的大小，实现对步进电机步进量的细分。电流的大小，实现对步进电机步进量的细分。 特点：特点：功率开关管工作在开关状态，功耗功率开关管工作在开关状态，功耗很低，但器件多、体积大。很低，但器件多、体积大。 iwwwittU多路功率开关细分电路多路功率开关细分电路厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工wiw厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工分先放大后叠加；先叠加后放大两种方法分先放大后叠加；先叠加后放大两种方法。 细 分 环 形 分 配 器放 大放 大放 大放 大放 大细 分 环 形 分 配 器加法器w加法器wUttiw厚
20、德达理厚德达理 励志勤工励志勤工主要分为：串行控制主要分为：串行控制和并行控制两种方法并行控制两种方法 串行控制方式串行控制方式 并行控制方式并行控制方式 脉 冲方 向 控 制方 式 信 号环形分配器功率放大电路步进电机驱动电路器步进电机各相绕组相相相相相厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工3.4.1 直流直流（DC）伺）伺服电动机工作原理服电动机工作原理 通过电刷和转换器产生的整流作用，使磁通过电刷和转换器产生的整流作用，使磁场磁动势和电枢电流磁动势正交，从而产生场磁动势和电枢电流磁动势正交，从而产生转动力矩。使用直流供电，实现速度和方向转动力矩。使用直流供电，实现速度和方向调节控制，主要通过
21、对直流电压调节控制，主要通过对直流电压/ /电流的大电流的大小和方向进行调节来实现。小和方向进行调节来实现。 直流伺服电动机的调速控制如下图所示。直流伺服电动机的调速控制如下图所示。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工由于直流伺服电机的机械特性方程为：由于直流伺服电机的机械特性方程为：TCCRCUn2teec厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工式中，式中，UC 电枢控制电压；电枢控制电压；R 电枢回路电阻；电枢回路电阻； 每极磁通；每极磁通；Ce、Ct分别为电动机分别为电动机的结构常数。的结构常数。 由此，直流伺服电机的控制方式如下：由此，直流伺服电机的控制方式如下：厚德达理厚德达理 励志勤工励志
22、勤工 特点：特点：具有较高的响应速度、精度和频率，具有较高的响应速度、精度和频率，优良的控制特性等，但由于所用电刷和转换优良的控制特性等，但由于所用电刷和转换器是使用寿命较低，需要定期更换。器是使用寿命较低，需要定期更换。3.4.2 直流（直流（DC）伺）伺服电动机的驱动服电动机的驱动 要实现对直流电动机的速度和方向进行调节要实现对直流电动机的速度和方向进行调节控制，通常可用两种驱动控制方式：控制，通常可用两种驱动控制方式： 晶体管直流脉宽调制驱动晶体管直流脉宽调制驱动； 晶闸管直流脉宽调速驱动晶闸管直流脉宽调速驱动；厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工 在给定供电电压在给定供电电压U，由控制脉
23、冲信号，由控制脉冲信号Ud控制控制晶体管晶体管VT的通断，从而使直流电动机得到脉冲的通断，从而使直流电动机得到脉冲驱动信号，改变脉冲控制信号的没一周期通电驱动信号，改变脉冲控制信号的没一周期通电时间，就可改变直流电动机的平均工作电压时间，就可改变直流电动机的平均工作电压Ua达到调速的目的；改变供电压和续流二极管的达到调速的目的；改变供电压和续流二极管的极性，便可改变直流电动机的转向。极性，便可改变直流电动机的转向。 1）直流电动机的脉宽调速电路原理）直流电动机的脉宽调速电路原理厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工dba厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工直流电机直流电机PWM调速电路调速电路晶闸管
24、驱动晶闸管驱动直流电机直流电机PWM调速电路调速电路H桥驱动桥驱动厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工（1）常用交流伺服电动机常用交流伺服电动机永磁同步型（永磁同步型（SM）、电磁感应型（电磁感应型（IM）伺服电动机。伺服电动机。（2）基本工作原理）基本工作原理 检测检测交流伺服电动机交流伺服电动机（SM型型/IM型）气隙磁场的大型）气隙磁场的大小和方向，用电力电子转化器代替整流子和电刷，通小和方向，用电力电子转化器代替整流子和电刷，通过控制与气隙磁场方向相同的磁化电流和与与气隙磁过控制与气隙磁场方向相同的磁化电流和与与气隙磁场方向相垂直的等效电流的方法，最终控制场方向相垂直的等效电流的方法，最
25、终控制交流伺服交流伺服电动机主磁通量大小和转矩，实现对电机的有效控制，电动机主磁通量大小和转矩，实现对电机的有效控制，简称矢量控制方法。简称矢量控制方法。 1）永磁同步型（）永磁同步型（SM ） 转子由永磁构成，不需磁化控制电流，只需检测磁转子由永磁构成，不需磁化控制电流，只需检测磁铁转子位置和定子绕组磁通矢量控制电流，实现对电铁转子位置和定子绕组磁通矢量控制电流，实现对电机主磁通矢量电流的控制，从而获得对电机的速度和机主磁通矢量电流的控制，从而获得对电机的速度和位置控制。位置控制。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工CONV.整流器；整流器；SM同步电机；同步电机；INV.变换器；变换器；PS
26、磁极磁极位置检测器；位置检测器；REF速度基准；速度基准；IGF电流函数发生器；电流函数发生器；SC速度放大器；速度放大器；CC电流放大器；电流放大器；RD速度变换器；速度变换器；PWM脉宽调制器；脉宽调制器；P.B.U再生电力吸收电路。再生电力吸收电路。iwiviuSMPSPWMCCIFGSCRDREFAC输入CONV.P.B.U.INV.GRTGRTGRTGRTGRTGRTGRTGRTi厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工交流电机CONV.位置指令AC输入GRTGRTPWMGRTiGRTGRTGRTGRTiiwviuP.B.U.INV.位置控制速度指令放大器矢量处理电路脉冲放大检测器厚德达理
27、厚德达理 励志勤工励志勤工 r1,X1定子绕组阻抗和漏抗；定子绕组阻抗和漏抗； r2,X2转子绕组阻抗和漏抗；转子绕组阻抗和漏抗； rm,Xm铁芯等效阻抗和主磁通所对应电抗；铁芯等效阻抗和主磁通所对应电抗； Im负载范围内不变。负载范围内不变。S转差率转差率I1ImI2XmX1X2r12rrm1-ss2rU1I2I1Ima) 交流电机等效电路b) 电流矢量2221IIIm厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工重点掌握：重点掌握：1 1）执行元件的主要类型和特点。）执行元件的主要类型和特点。2 2）机电一体化系统（产品）对执行元件基本要求。）机电一体化系统（产品）对执行元件基本要求。3 3）常用控制
28、电机类型与主要特点。）常用控制电机类型与主要特点。4 4）机电一体化系统对伺服控制电动机基本要求。）机电一体化系统对伺服控制电动机基本要求。5 5）典型伺服控制电动机的主要特点和选用原则。）典型伺服控制电动机的主要特点和选用原则。6 6）步进电动机的运行特性与主要性能指标。）步进电动机的运行特性与主要性能指标。7 7）步进电机的驱动与控制（驱动电路、变频控制）步进电机的驱动与控制（驱动电路、变频控制信号、环形脉冲分配器、功率放大器、细分驱动信号、环形脉冲分配器、功率放大器、细分驱动电路、典型细分驱动电路）。电路、典型细分驱动电路）。 厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工1 题：简述机电一体化系统中对执行元件的题：简述机电一体化系统中对执行元件的分类与特点（优缺点）。分类与特点（优缺点）。2 题：机电一体化系统的执行元件的基本要题：机电一体化系统的执行元件的基本要求是什么？求是什么？3 题：步进电机具有哪些特点与环形分配方题：步进电机具有哪些特点与环形分配方式是什么？式是什么？4 题：步进电机驱动电源功率放大器电路种题：步进电机驱动电源功率放大器电路种类以及工作原理是什么？类以及工作原理是什么？5 题：步进电机细分电路的特点、细分方式题：步进电机细分电路的特点、细分方式和原理是什么？和原理是什么？厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工
