1、1第第6章章 机电一体化伺服驱动系机电一体化伺服驱动系统设计统设计 伺服驱动系统伺服驱动系统是带有信号反馈并可自动是带有信号反馈并可自动调节的驱动系统，它比一般无伺服的驱动系调节的驱动系统，它比一般无伺服的驱动系统的性能要好得多。相当于人的四肢。统的性能要好得多。相当于人的四肢。6.1 伺服驱动系统概述伺服驱动系统概述 26.1.1 伺服驱动系统的概念伺服驱动系统的概念 伺服驱动系统（随动系统或自动跟踪系统）伺服驱动系统（随动系统或自动跟踪系统）是指以机械参数作为控制对象，在控制指令是指以机械参数作为控制对象，在控制指令的指挥下，控制执行元件工作，使机械运动部的指挥下，控制执行元件工作，使机械
2、运动部件按照控制命令的要求进行运动的一种自动控件按照控制命令的要求进行运动的一种自动控制系统。所涉及的机械参量包括位移（位置）、制系统。所涉及的机械参量包括位移（位置）、速度、加速度、力和力矩等。伺服系统必须随速度、加速度、力和力矩等。伺服系统必须随时跟踪指定目标。时跟踪指定目标。36.1.2 伺服系统的分类伺服系统的分类 按控制原理：按控制原理：开环、闭环和半闭环等伺服系统；开环、闭环和半闭环等伺服系统；按信息传递：按信息传递：连续控制和采样控制；连续控制和采样控制；按驱动方式：按驱动方式：电气、液压和气动等伺服系统；电气、液压和气动等伺服系统；按被控量性质：按被控量性质：位置控制、速度控制
3、或加速度控位置控制、速度控制或加速度控制、力或力矩控制、速度或位置的同步控制等伺制、力或力矩控制、速度或位置的同步控制等伺服系统；服系统；按控制过程：按控制过程：点位控制和轮廓控制。点位控制和轮廓控制。4（1）开环伺服系统开环伺服系统开环伺服系统开环伺服系统 控制系统中没有检测反馈环节控制系统中没有检测反馈环节开环伺服系统结构简图开环伺服系统结构简图缺点：缺点：精度低（定位精度精度低（定位精度0.02mm0.01mm），速度有限；），速度有限；优点：优点：结构简单，调试、维修、使用方便，工作稳定、可靠；结构简单，调试、维修、使用方便，工作稳定、可靠；应用：应用：一些精度要求不高的机电一体化系统
4、，如线切割机、办公一些精度要求不高的机电一体化系统，如线切割机、办公自动化设备、大多数经济型数控机床和老式机床的改造自动化设备、大多数经济型数控机床和老式机床的改造5（2）闭环伺服系统闭环伺服系统闭环伺服系统结构简图闭环伺服系统结构简图闭环系统闭环系统是误差控制随动系统，位置检测元件直接安是误差控制随动系统，位置检测元件直接安装在工作台上装在工作台上 （双闭环）（双闭环）内环内环速度环速度环外环外环位置环位置环缺点：缺点：在结构复杂，成本高，稳定性会要受到固有频率、刚性、在结构复杂，成本高，稳定性会要受到固有频率、刚性、阻尼、间隙、摩擦等的影响，设计和调试复杂；阻尼、间隙、摩擦等的影响，设计和
5、调试复杂；优点：优点：控制精度高；控制精度高；应用：应用：主要用于高精密和大型的机电一体化设备主要用于高精密和大型的机电一体化设备 6（3）半闭环伺服系统半闭环伺服系统位置检测元件安装在传动链的中间，间接测量工作台的位置位置检测元件安装在传动链的中间，间接测量工作台的位置 图图6-3 半闭环伺服系统结构简图半闭环伺服系统结构简图位置检测装置位置检测装置可以安装在电动机上或安装在丝杠轴端的编可以安装在电动机上或安装在丝杠轴端的编码器码器 精度比闭环系统的精度要低，结构比较简单，调整、维护精度比闭环系统的精度要低，结构比较简单，调整、维护也比较方便，稳定性好，具有较高的性价比，被广泛应用也比较方便
6、，稳定性好，具有较高的性价比，被广泛应用于各种机电一体化设备。于各种机电一体化设备。76.1.3 对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求（1）稳定性稳定性（2）精度精度（3）快速响应，无超调快速响应，无超调（4）灵敏度灵敏度86.2 机电一体化系统常用伺服执行机电一体化系统常用伺服执行元件元件6.2.1 执行元件的分类及特点执行元件的分类及特点最常用的分类方法是根据使用最常用的分类方法是根据使用能量能量的不同，把伺服的不同，把伺服执行元件分为执行元件分为液压式、气压式和电气式液压式、气压式和电气式等主要类型等主要类型 9机机电电一一体体化化系系统统执执行行装装置置的的分分类类 10常用执行元
7、件特点常用执行元件特点种类种类特点特点优点优点缺点缺点电电动动式式可使用商用电源；可使用商用电源；信号与动力的传信号与动力的传送方向相同；有送方向相同；有交流和直流之分；交流和直流之分；应特别注意电压应特别注意电压之大小之大小操作简便；编程容易；操作简便；编程容易；能实现定位伺服；能实现定位伺服；响应快、易与微响应快、易与微机相连接；体积机相连接；体积小、动力较大；小、动力较大；无污染无污染瞬时输出功率大；过载瞬时输出功率大；过载能力差；特别是由于能力差；特别是由于某种原因而堵转时，某种原因而堵转时，会引起烧毁事故，易会引起烧毁事故，易受外部噪声影响受外部噪声影响液液压压式式对操作人员要求高；
8、对操作人员要求高；液压源压强为液压源压强为（2080）105Pa输出功率大，速度快，输出功率大，速度快，动作平稳，可实动作平稳，可实现定位伺服易与现定位伺服易与微机相连；响应微机相连；响应快快设备难于小型化；对液设备难于小型化；对液压源或液压油要求严压源或液压油要求严格（比如杂质、温度、格（比如杂质、温度、油量、油质）；易泄油量、油质）；易泄漏且有污染漏且有污染气气压压式式对操作人员要求高；对操作人员要求高；空气源压强为空气源压强为(57）105Pa气源方便、成本低；气源方便、成本低；无泄漏、无污染；无泄漏、无污染；速度快；操作比速度快；操作比较简单较简单功率小，体积大，动作功率小，体积大，动
9、作不够平稳，不易于小不够平稳，不易于小型化；远距离传输困型化；远距离传输困难；工作噪声大、难难；工作噪声大、难于伺服于伺服116.2.2 机电一体化系统对伺服执行元件的基机电一体化系统对伺服执行元件的基本要求本要求（1）体积小、重量轻、输出功率大体积小、重量轻、输出功率大功率密度功率密度执行装置执行装置单位重量单位重量所能达到的输出功率所能达到的输出功率 /GPP G(W/N)反映了电动机单位重量的输出功率，在电动机起停频率低，反映了电动机单位重量的输出功率，在电动机起停频率低，但要求运行平稳和扭矩脉动小的场合可采用这一指标但要求运行平稳和扭矩脉动小的场合可采用这一指标 比功率比功率功率的时间
10、变化率功率的时间变化率，是衡量电动机，是衡量电动机加速性能加速性能的一的一个指标，具有高的比功率对于起停频率高的机械是非常重要个指标，具有高的比功率对于起停频率高的机械是非常重要的的 2/dP dtPTJ 12（2）快速性能好快速性能好直线运动为质量直线运动为质量m，对回，对回转运动为转动惯量转运动为转动惯量J （3）宜于计算机控制宜于计算机控制（4）可靠性高、便于维修与安装可靠性高、便于维修与安装（5）有足够有精确度，即实际的输出与指令值之有足够有精确度，即实际的输出与指令值之差要小差要小（6）动作平稳、准确度和分辨率高动作平稳、准确度和分辨率高 步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机步
11、进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机 136.2.3 交流伺服系统交流伺服系统（1）交流伺服电动分类及特点交流伺服电动分类及特点分类：分类：同步交流伺服电动机、异步交流伺服电动机同步交流伺服电动机、异步交流伺服电动机 特点：特点：同步交流伺服电动机的转子上装有永久磁铁或直同步交流伺服电动机的转子上装有永久磁铁或直流励磁绕组；同步交流伺服电动机的转速严格的与电源流励磁绕组；同步交流伺服电动机的转速严格的与电源频率保持同步，而异步交流伺服电动机的转速永远低于频率保持同步，而异步交流伺服电动机的转速永远低于同步转速。同步转速。异步交流伺服电动机属于交流感应电动机，可分为鼠笼异步交流伺服电动机属于
12、交流感应电动机，可分为鼠笼式和绕线式，鼠笼式异步交流伺服电动机的结构简单、式和绕线式，鼠笼式异步交流伺服电动机的结构简单、容量大、成本低、适宜大功率传动。容量大、成本低、适宜大功率传动。14（2）交流伺服电动调速方法交流伺服电动调速方法异步机的调速方法可分为异步机的调速方法可分为变频调速、变极对数调速和变转变频调速、变极对数调速和变转差率调速差率调速。06011fnsnsp15 变极对数调速：变极对数调速：异步电动机的极对数一般不能异步电动机的极对数一般不能随意改，必须做成专门的双速或多速异步电动随意改，必须做成专门的双速或多速异步电动机，故变极对数调速为有级调速；机，故变极对数调速为有级调速
13、；变转差率调速：变转差率调速：可以通过调定子电压、转子电可以通过调定子电压、转子电阻、转差电压等方法来实现，变转差率调速时阻、转差电压等方法来实现，变转差率调速时转差损耗大、效率低；转差损耗大、效率低；变频调速：变频调速：由于同步转速随频率而改变，转差由于同步转速随频率而改变，转差变化小，调速性能好，故应用广变化小，调速性能好，故应用广 注意：同步电动机不能采用调节转差的方法，注意：同步电动机不能采用调节转差的方法，只能进行变频调速只能进行变频调速 16（3）交流伺服电动变频调速原理交流伺服电动变频调速原理 V/f变频调速原理变频调速原理 气隙磁通气隙磁通减小减小，电动机转子的感应电流，电动机
14、转子的感应电流I2也相应也相应减小减小，导致机的允许导致机的允许输出转矩输出转矩M下降下降，严重时电动机会产生，严重时电动机会产生堵转；堵转；若相电压若相电压U不变，随着不变，随着f1的减小的减小，气隙磁通，气隙磁通将增加将增加，这会使这会使磁路饱和磁路饱和，激磁电流上升激磁电流上升，导致铁耗剧增，导致铁耗剧增，功功率因数下降率因数下降。因此改变频率因此改变频率f1进行调速时，需要同时改变定子的相进行调速时，需要同时改变定子的相电压电压U，以维持，以维持值接近不变，从而使值接近不变，从而使M也接近不变也接近不变,这这就是就是VVVF（Variable Voltage Variable Freq
15、uency）114.44UEfN22cosMMCI17 变频器变频器 交流伺服电动机变频调速的关键问题是交流伺服电动机变频调速的关键问题是要获得要获得调频调压的交流电源调频调压的交流电源频率变换频率变换：交交-直直-交变频器、交交变频器、交-交变频器交变频器。交交-交变频器交变频器(直接变频器或周波变频器直接变频器或周波变频器)采用元采用元器件的数量较多，其输出的电压波形是由电源波形器件的数量较多，其输出的电压波形是由电源波形的区段组成的，为了使波形畸变不至过大，输出频的区段组成的，为了使波形畸变不至过大，输出频率不能高于电网频率的率不能高于电网频率的1/31/2，通常用于大功率通常用于大功率
16、(500kW或或1000kW以上以上)、低速、低速(600r/min以下以下)的场合的场合18交交-直直-交变频器结构框图交变频器结构框图19 交交-直直-交变频器交变频器（带直流环节的间接变频（带直流环节的间接变频器）器）这种型式的变频器技术成熟，这种型式的变频器技术成熟，应用较多，输出交流电的频率可高于电应用较多，输出交流电的频率可高于电网的频率网的频率 20 SPWM变频器变频器 SPWM（正弦波脉冲宽度调制），其主（正弦波脉冲宽度调制），其主要特点是在脉冲宽度调制时，采用三相要特点是在脉冲宽度调制时，采用三相正弦信作为调制波正弦信作为调制波 21SPWM波生成原理波生成原理22SPWM
17、变频器电路原理图变频器电路原理图23 在在SPWM逆变器中，载波电压频率逆变器中，载波电压频率ft与与调制波电压频率调制波电压频率fr（即逆变器的输出频（即逆变器的输出频率）这比率）这比N=ft/fr称为称为载波比（调制比）载波比（调制比）。根据载波比的是否改变，根据载波比的是否改变，SPWM调制方调制方式式可分为可分为同步调制方式同步调制方式、异步调制方式异步调制方式和和分段同步调制方式分段同步调制方式 SPWM变频器调制方式变频器调制方式24 SPWM变频调速系统变频调速系统 恒压频比（恒压频比（U1/f1=常数）的常数）的SPWM变频变频调速系统的原理如图调速系统的原理如图6-8所示。在
18、需要恒所示。在需要恒速，但要求不高的场合常采用开环系统速，但要求不高的场合常采用开环系统 25恒压频比恒压频比SPWM变频调速原理图变频调速原理图 26SA8282引脚图引脚图SPWM信号可信号可由单片机运行由单片机运行软件查表及必软件查表及必要的计算来生要的计算来生成。也可用专成。也可用专用的大规模集用的大规模集成电路芯片产成电路芯片产生，如生，如HEF4752、SLE4520、SA4828、SA8282 27微机控制微机控制SPWM变频调速系统变频调速系统框图框图28（4）转差频率控制变频调速系统转差频率控制变频调速系统 依据依据转差率可以控制电动机的转速，转差率可以控制电动机的转速，而转
19、差角频率而转差角频率可以通过速度反馈确定，可以通过速度反馈确定，转差角频率与异步电动机的转矩有比例转差角频率与异步电动机的转矩有比例关系，因此通过控制转差频率而控制电关系，因此通过控制转差频率而控制电动机转矩，可以达到电动机调速的目的。动机转矩，可以达到电动机调速的目的。29 转差频率调速的控制律可归纳为：转差频率调速的控制律可归纳为：按按满足式满足式 的函数关系控制定的函数关系控制定 子电流，以保持气隙磁通子电流，以保持气隙磁通恒定；恒定；在在转差频率转差频率smax的范围内，保证气隙磁的范围内，保证气隙磁通通恒定，则转矩基本上与恒定，则转矩基本上与s成正比。成正比。22smTKr30转差频
20、率控制的交流调速系统转差频率控制的交流调速系统结构图结构图31 转差频率控制同恒压频比控制一样，转转差频率控制同恒压频比控制一样，转差频率控制所依赖的控制规律差频率控制所依赖的控制规律不管是不管是转矩与转差的关系，还是保持恒磁通时转矩与转差的关系，还是保持恒磁通时定子电流与转差的关系都是在稳态条件定子电流与转差的关系都是在稳态条件下得出的，不能反映动态特性，因而仍下得出的，不能反映动态特性，因而仍然不能保证最优的动态品质。对于最优然不能保证最优的动态品质。对于最优的动态性能，显然希望控制的基本原理的动态性能，显然希望控制的基本原理基于异步机的真实动态模型。矢量控制基于异步机的真实动态模型。矢量
21、控制就是这样就是这样 32（5）交流伺服电动机矢量控制交流伺服电动机矢量控制 交流电动机交流电动机矢量控制矢量控制的作用是使得交流电动机的作用是使得交流电动机能像直流电动机那样，实现磁通和转矩的单独能像直流电动机那样，实现磁通和转矩的单独控制，使交流电动机能够获得与直流电动机同控制，使交流电动机能够获得与直流电动机同样的控制灵活性和动态特性。样的控制灵活性和动态特性。为此，必须将三相交流矢量转换成与之等效的为此，必须将三相交流矢量转换成与之等效的直流标量，建立起交流电动机与直流电动机等直流标量，建立起交流电动机与直流电动机等效的数学模型，然后按直流电动机的控制方法效的数学模型，然后按直流电动机
22、的控制方法对其进行控制。对其进行控制。33交流电动机三相绕组等效变换为交流电动机三相绕组等效变换为两相绕组两相绕组 34交流电动机绕组矢量变换交流电动机绕组矢量变换 35矢量变换控制的基本原理矢量变换控制的基本原理 由所要求的气隙磁通由所要求的气隙磁通M确定电流确定电流IM，由气隙，由气隙磁通和所要求的转矩磁通和所要求的转矩T确定转子电流确定转子电流IT。由此。由此经过经过IM、IT到到iD、iQ再到再到iA、iB、iC的变换，的变换，就可以得三相电流就可以得三相电流iA、iB、iC的瞬时值，以此的瞬时值，以此作为定子三相电流的给定值对三相交流电动机作为定子三相电流的给定值对三相交流电动机进行
23、控制。由于进行控制。由于IM和和IT可以单独调节，从而就可以单独调节，从而就调节了三相电流的瞬时给定值，这就使交流电调节了三相电流的瞬时给定值，这就使交流电动机的控制具有直流电动机同样的控制灵活性，动机的控制具有直流电动机同样的控制灵活性，并且由于是瞬时值控制，所以有良好的动态控并且由于是瞬时值控制，所以有良好的动态控制性能。制性能。36矢量控制系统分类矢量控制系统分类 矢量控制系统可分为矢量控制系统可分为磁通反馈式磁通反馈式和和磁通磁通前馈式前馈式两大类，其中两大类，其中反馈式矢量控制反馈式矢量控制又又可分为可分为磁通直接测量磁通直接测量和和磁通仿真磁通仿真两种。两种。37交流电动机矢量控制
24、系统框图交流电动机矢量控制系统框图38 优点：转动可以连续平滑调节，调速范围宽。优点：转动可以连续平滑调节，调速范围宽。缺点：由于运行过程中转子参数常发生变化，缺点：由于运行过程中转子参数常发生变化，转子磁链难以精确地观测和定向，系统参数鲁转子磁链难以精确地观测和定向，系统参数鲁棒性差，并由于矢量运算的复杂性，使得实际棒性差，并由于矢量运算的复杂性，使得实际的控制效果很难与理论分析完全一致，控制器的控制效果很难与理论分析完全一致，控制器的参数很难在整个调速范围内保证控制性能一的参数很难在整个调速范围内保证控制性能一致，控制参数的选择需在线调整。致，控制参数的选择需在线调整。变结构控制和直接转矩
25、控制是交流电动机的新型变结构控制和直接转矩控制是交流电动机的新型控制方法，它们力图在控制方法鲁棒性和控制方控制方法，它们力图在控制方法鲁棒性和控制方法的简单化方面进行改进。法的简单化方面进行改进。396.2.4 直线电动机直线电动机直线电动机直线电动机（Direct Drive Linear Motor）是是直接驱动的一种，取消了中间传动机构，直接驱动直接驱动的一种，取消了中间传动机构，直接驱动执行机构（拖板、工作台主轴等），弹性环节减少，执行机构（拖板、工作台主轴等），弹性环节减少，系统刚性提高，改善动态性能，可实现高速、高加系统刚性提高，改善动态性能，可实现高速、高加速度运行速度运行 40
26、（1）直线电动机基本原理直线电动机基本原理02vf0vvsv初级固定次级移动、次级固定初级移动初级固定次级移动、次级固定初级移动41（2）直线电动机的分类与特点直线电动机的分类与特点 分类：分类：按工作原理按工作原理交流感应式、交流同步交流感应式、交流同步式、直流式、步进式、振荡式和压电式；式、直流式、步进式、振荡式和压电式；按结按结构型式构型式扁平型、圆筒型、圆盘型和圆弧型扁平型、圆筒型、圆盘型和圆弧型等等 特点：特点：结构简单，不需要中间传动机，可实现直接结构简单，不需要中间传动机，可实现直接驱动，使系统得到简化，提高动态性能与可靠驱动，使系统得到简化，提高动态性能与可靠性，易于维护；性，
27、易于维护；移动速度高；移动速度高；精度高，可达纳米级；精度高，可达纳米级；安装简单；安装简单；在低速时效率和功率因数下降较大。在低速时效率和功率因数下降较大。426.3 数控机床伺服驱动系统设计数控机床伺服驱动系统设计 6.3.1 主轴伺服驱动系统设计主轴伺服驱动系统设计 主轴伺服驱动含义：驱动控制主轴伺服驱动含义：驱动控制+定向控制。定向控制。主轴的驱动控制主轴的驱动控制主要是指主轴的速度、转向控制；主要是指主轴的速度、转向控制；而主轴的定向控制而主轴的定向控制指某些数控机床要求在主轴停下指某些数控机床要求在主轴停下换刀等情况下，为了便于机械手操作必须停在某一角度，换刀等情况下，为了便于机械
28、手操作必须停在某一角度，这样就需要对主轴的位置进行控制这样就需要对主轴的位置进行控制 伺服驱动系统：伺服驱动系统：主轴驱动系统主轴驱动系统+进给伺服驱动系统。进给伺服驱动系统。主轴伺服驱动系统一般都采用无级调速，以适应各种加工方主轴伺服驱动系统一般都采用无级调速，以适应各种加工方式的需要，保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得高式的需要，保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得高的生产率、加工精度和表面质量的生产率、加工精度和表面质量 43（1）主轴伺服驱动原理主轴伺服驱动原理 对主轴驱动特殊要求对主轴驱动特殊要求：结构尽量简单结构尽量简单，降低成本、便于维护及提高可靠性；，降低成本、便于维
29、护及提高可靠性；转速范围也要很大转速范围也要很大。现代数控机床多采用电气控制。现代数控机床多采用电气控制调速的办法，使主轴能在大范围内进行恒转矩无级调调速的办法，使主轴能在大范围内进行恒转矩无级调速；速；在尽可能大的调速范围内保持在尽可能大的调速范围内保持恒功率的输出恒功率的输出；要求主轴能与进给驱动实行要求主轴能与进给驱动实行同步控制同步控制；在加工中心；在加工中心上为了自动换刀还要求主轴能进行高精度停位控制，上为了自动换刀还要求主轴能进行高精度停位控制，即主轴即主轴定向控制定向控制。有的数控机床还要求主轴具有角度。有的数控机床还要求主轴具有角度分度控制分度控制的功能的功能 电主轴电主轴 4
30、4（2）电主轴选择以及与控制系统电主轴选择以及与控制系统连接连接 电主轴单元选取：据切削工艺计算所得电主轴单元选取：据切削工艺计算所得转速、转矩和功率、电主轴转矩、功率转速、转矩和功率、电主轴转矩、功率和转速之间的关系来决定和转速之间的关系来决定45数控机床中完整的电主轴系统数控机床中完整的电主轴系统466.3.2 进给伺服驱动系统设计进给伺服驱动系统设计 是数控机床的重要组成部分是数控机床的重要组成部分:伺服驱动电路、伺服驱动电路、伺服驱动装置伺服驱动装置(电动机电动机)、位置检测装置、机械、位置检测装置、机械传动机构以及执行部件等部分。传动机构以及执行部件等部分。作用：作用：接受数控系统发
31、出的进给位移和速度指接受数控系统发出的进给位移和速度指令信号，由伺服驱动电路作一定的转换和放大令信号，由伺服驱动电路作一定的转换和放大后，经伺服驱动装置（直流、交流伺服电动机、后，经伺服驱动装置（直流、交流伺服电动机、直线电动机、功率步进电动机、电液伺服阀直线电动机、功率步进电动机、电液伺服阀液压马达等）和机械传动机构，驱动机床的工液压马达等）和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴头架等执行部件进行工作进给和快作台、主轴头架等执行部件进行工作进给和快速进给速进给 47（1）进给伺服系统的技术要求进给伺服系统的技术要求 调速范围宽调速范围宽(调速范围是指最高进给速调速范围是指最高进给速度与最低进
32、给速度之比度与最低进给速度之比);位移精度高位移精度高;稳定性好稳定性好,即负载特性要硬即负载特性要硬;动态响应快动态响应快 即有高的灵敏度，达到即有高的灵敏度，达到最大稳态速度的时间要短最大稳态速度的时间要短 48（2）进给伺服电动机选择与相应进给伺服电动机选择与相应连线连线 计算的电动机额定转速nj、额定转矩TR以及电动机惯量Jm等要求，选择安川（yaskawa）公司-II系列的SGMSH-30ACA3E型交流伺服电动机，采用14bit增量式编码器构成半闭环系统。同时，选用与之配套的SGDM-30AD型伺服驱单元。49SGMSH-30ACA3E交流伺服电动机特性参数项目额定功率（kW）额定
33、电流(A)额定转速(rpm)额定转矩(Nm)峰值转矩(Nm)转动惯量(10-4 kg/m2)数值3.018.830009.829.49.150图图6-18 -II系列伺服驱动器的连接系列伺服驱动器的连接516.4 机电一体化新执行装置机电一体化新执行装置 6.4.1 磁致伸缩执行装置磁致伸缩执行装置 磁致伸缩现象磁致伸缩现象磁性体的外部一旦加上磁场，磁性体的外部一旦加上磁场，则磁性体的外形尺寸会发生变化则磁性体的外形尺寸会发生变化(Joule effect，焦耳效应焦耳效应)，这种现象称为，这种现象称为 超磁致伸缩材料超磁致伸缩材料特伏诺（特伏诺（Terfenol），这），这种材料具有超磁致伸
34、缩特性，可用于开发磁致种材料具有超磁致伸缩特性，可用于开发磁致伸缩驱动器伸缩驱动器 52磁致伸缩驱动原理磁致伸缩驱动原理536.4.2 压电执行装置压电执行装置 压电效应压电效应是指某些压电材料在机械力的作用是指某些压电材料在机械力的作用下发生变形，内部产生极化现象，在材料的某些下发生变形，内部产生极化现象，在材料的某些表面产生极性相反的电荷；当去掉外力后，电荷表面产生极性相反的电荷；当去掉外力后，电荷消失，这种现象就是压电效应。消失，这种现象就是压电效应。逆压电效应逆压电效应是指对压电陶瓷施加一直流电场，是指对压电陶瓷施加一直流电场，改变其表面的极性强度，从而使压电陶瓷的形状改变其表面的极性
35、强度，从而使压电陶瓷的形状和尺寸发生改变。和尺寸发生改变。压电执行器压电执行器是利用压电陶瓷（是利用压电陶瓷（Piezoceramic）的逆压电效应来实现微量位移的执行装置。的逆压电效应来实现微量位移的执行装置。54分类分类 压电执行装置分类：压电执行装置分类：双压电式和积层式两大。双压电式和积层式两大。双电压式压电执行装置双电压式压电执行装置以金属弹性板为中以金属弹性板为中心电极，两边贴合两层压电材料，当驱动元件心电极，两边贴合两层压电材料，当驱动元件加上电源时，则一层压电材料伸长，另一层发加上电源时，则一层压电材料伸长，另一层发生收缩，发生与施加的电源波形相应的弯曲变生收缩，发生与施加的电
36、源波形相应的弯曲变形；形；积层式压电驱动元件积层式压电驱动元件与双压电式相比较，与双压电式相比较，在变形量、输出力、能量变换率和稳定性方面在变形量、输出力、能量变换率和稳定性方面有优势。有优势。d V压电原理：压电原理：55积层式压电驱动器积层式压电驱动器驱动原理驱动原理特点：特点：能量变换率高能量变换率高(约约50)；驱动电压低驱动电压低，75V（最大变形量为（最大变形量为4m时），时），150V（最大变形量为（最大变形量为16m时）；时）；输出力大输出力大（3400N/cm2）；）；响应快响应快（几十微（几十微秒秒)；稳定性好稳定性好；超精度驱动超精度驱动（1m以下可达以下可达10nm）5
37、6压电元件驱动压电元件驱动 压电元件驱动：电压控制、电流控制压电元件驱动：电压控制、电流控制(a)电压型驱动电路电压型驱动电路 (b)电流型驱动电路电流型驱动电路57表表6-3 压电执行装置的用途压电执行装置的用途装置名称装置名称应用举例应用举例CDR、VDR计算机硬盘计算机硬盘打印机打印机继电器、开关继电器、开关气压阀、油压阀气压阀、油压阀汽车汽车机器人、精密加工机构机器人、精密加工机构照相机、摄像机照相机、摄像机扬声器扬声器光头的聚焦机构、跟踪调节光头的聚焦机构、跟踪调节磁头的跟踪调节、读出机构磁头的跟踪调节、读出机构打印机的线驱动元件打印机的线驱动元件接点的驱动元件接点的驱动元件喷嘴挡板
38、的驱动元件喷嘴挡板的驱动元件燃料喷嘴、制动部件燃料喷嘴、制动部件精密进给机构、高精度直线精密进给机构、高精度直线驱动器驱动器测长、调焦机构测长、调焦机构振动源振动源压力传感器压力传感器加速度传感器加速度传感器CTR的选择板的选择板地震仪、汽车的控制地震仪、汽车的控制58单轴微驱动器的基本结构单轴微驱动器的基本结构杠杆杠杆596.4.3 热变形执行装置热变形执行装置热变形执行装置原理热变形执行装置原理优点：优点：高刚度和无间隙的，并可通过控制加热电流来高刚度和无间隙的，并可通过控制加热电流来获得所需要的微量位移；获得所需要的微量位移；缺点：缺点：只适用于行程较短、频率不高的场合（热惯性只适用于行
39、程较短、频率不高的场合（热惯性以及冷却速度难以精确控制等）。以及冷却速度难以精确控制等）。606.4.4 形装记忆合金执行装置形装记忆合金执行装置 形状记忆效应形状记忆效应某些特殊的金属材料在发生某些特殊的金属材料在发生了塑性变形后，经过加热到某一温度之后，仍了塑性变形后，经过加热到某一温度之后，仍能回复到变形前的形状的现象；能回复到变形前的形状的现象；形状记忆合金形状记忆合金(SMA，Shape Memory Alloy)具有形状记忆效应的金属通常是由两种以上具有形状记忆效应的金属通常是由两种以上金属元素组成的合金：金属元素组成的合金：TiNi合金合金、AuAlNi合合金金、FeMnSi合金
40、、合金、Cu-Zn-Al合金合金61优缺点优缺点 优点：优点：结构小，重量轻结构小，重量轻;动作柔性好动作柔性好;不易受到周围环境（温度除外）的影响。不易受到周围环境（温度除外）的影响。缺点：缺点：响应速度较慢（靠加热、冷却使其运动的，而响应速度较慢（靠加热、冷却使其运动的，而驱动器本身具有一定的热惯量）；驱动器本身具有一定的热惯量）；性能还有待提高性能还有待提高 626.4.5 静电执行装置静电执行装置静静电电步步进进执执行行装装置置微型静电驱动马达、静电步进执行装置等微型静电驱动马达、静电步进执行装置等63静电驱动器的特点静电驱动器的特点 构造简单、呈平面结构构造简单、呈平面结构;适宜于小型化、微型化适宜于小型化、微型化(缩小空间有利缩小空间有利于提高静电作用力于提高静电作用力);小型化时能量变换率高。小型化时能量变换率高。64思考与习题思考与习题 P186 1、2、3、6
