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1、第三章自动化典型执行装置与控制本讲稿第一页，共二十四页2直流伺服电机 （1）特点（优点、缺点）（2）构造（主要组成部分）与工作原理 （3）特性与驱动方法图3-2 DC电机的构造图3-3 DC电机的转矩-转速特性本讲稿第二页，共二十四页3交流伺服电机 （1）特点（优点、缺点）（2）工作原理与种类 （3）特性与控制方式图 3-6 AC电机的构造 图3-7 异步交流电机的工作原理图3-8 交流电机的转矩-转速特性本讲稿第三页，共二十四页4步进电机 （1）特点 （2）工作原理与种类 （3）特性与驱动方式 图3-9 步进电机的构造 图3-10 步进电机的转矩-转速特性 图3-11 步进电机的驱动系统本讲
2、稿第四页，共二十四页5直接驱动电机表 3-1 主要直接驱动电机的分类转矩产生方式名称特性电磁式直流力矩电机高输出转矩。高线性特性，低转矩波动，高效率，转矩重量比不高，有刷，需维护永磁同步电机峰值转矩为额定转矩的35倍，高线性个性，低转矩脉动，高转矩重量比，无刷，不需维护感应式变磁阻电机较大的注续转矩，较大的电机常数，价格低（不需永磁体，单极性功率放大器），无刷，不需维护混合型电机高效率，高连续转矩，无刷，不需维护本讲稿第五页，共二十四页3.1.3 液压与气动装置 1液压和气动执行装置的基本动作原理图3-10 液压油缸的动作原理图3-11 叶片式液压马达的工作原理2液压执行装置 (1)液压系统
3、(2)液压油缸（3）液压马达（4）驱动方式与液压控制阀本讲稿第六页，共二十四页（1）液压系统（2）液压油缸（3）液压马达图3-12 液压系统 图 3-13 液压马达的构造 本讲稿第七页，共二十四页(4)驱动方式与液压控制阀 图3-14 电一液伺服阀的构造 本讲稿第八页，共二十四页3 气动执行装置及控制阀 (1)气动系统 图 3-15 气动系统 (2)汽缸与气动马达 式中 R气体常数；T绝对温度；V为汽缸腔的容积上为比热常数；k为比热常数；p汽缸腔内压力；A活塞的有效受压面积。本讲稿第九页，共二十四页叶片式气动马达的结构 (3)无杆气缸 图3-16 叶片式气动马达的结构 图 3-17 无杆汽缸的
4、结构 (4)气动控制阀 本讲稿第十页，共二十四页3.1.3 执行装置的特点与性能 1.1.电动执行装置电动执行装置优点：以电源为能源，在大多数情况下容易得到；容易控制；可靠性、稳定性和环境适应性好；与计算机等控制装置的接口简单。缺点：在多数情况下，为了实现一定的旋转运动或者直线运动，必须使用齿轮等运动传递和变换机构；容易受载荷的影响；获得大功率比较困难。本讲稿第十一页，共二十四页2.2.液压执行装置液压执行装置优点：容易获得大功率；功率重量比大，可以减小执行装置的体积；刚度高，能够实现高速、高精度的位置控制；通过流量控制可以实现无级变速。缺点：必须对油的温度和污染进行控制，稳定性较差；有因漏油
5、而发生火灾的危险；液压油源和进油、回油管路等附属设备占空间较大。3.3.气动执行装置气动执行装置优点：利用汽缸可以实现高速直线运动；利用空气的可压缩性容易实现力控制和缓冲控制；无火灾危险和环境污染；系统结构简单，价格低。缺点：由于空气的可压缩性，高精度的位置控制和速度控制都比较困难；虽然撞停等简单动作速度较高，但在任意位置上停止的动作速度很慢；能量效率较低。本讲稿第十二页，共二十四页各种执行装置的性能比较比较项目电动式液压式气动式输出功率重量比小大中快速响应特性中20Hz大100Hz小20Hz简单动作速度慢一般快控制特性良好一般差减速机构需要不需要不需要占用空间小大大使用环境良好差良好可靠性良
6、好差一般防爆性能差一般良好价格一般贵便宜本讲稿第十三页，共二十四页3.1.6 机械传动机构 1 齿轮与减速机构齿轮与减速机构 (1)齿轮的种类与模数齿轮的种类与模数图 3-18 各种齿轮 本讲稿第十四页，共二十四页(2)减速机构 图3-19 齿轮减速机构 TM(JMJL2)d2Mdt2 （3-14）式中 TM电机转矩；JM包括齿轮、轴的电机系统惯性矩；JL 负载惯性矩；减速比(齿数比ZLZM)；M电机的旋转角度。本讲稿第十五页，共二十四页2同步齿型带与带传动机构 图3-20 同步齿型带传动机构 图3-20是用电动机通过带传动机构驱动滑板，实现直线运动的传送机构简图，忽略摩擦作用可以得到如下公式
7、TM(JMR2M)d2Mdt2 （3-15）式中 R带轮节圆半径；M载荷质量。如果令=lR，则式(3-15)与式(3-14)的形式相同，说明带传动机构基本上与齿轮减速机构相同。1R是由滑板位移X向电机轴转角M作惯性矩变换的变换系数。在齿轮传动机构中，也可以认为减速比是从负载转角M。向电机轴转角M作惯性矩变换的变换系数。本讲稿第十六页，共二十四页3其它传动机构 图 3-21 滚珠丝杠传动机构 图3-21中所示为电机通过滚珠丝杠带动滑板运动的传动简图。当忽略粘性摩擦时可以得到如下式子TMJM(p2)2Md2Mdt2(3-16)式中 p滚珠丝杠的螺距。若令p2=，则式(3-16)与式(3-14)形式
8、相同。p2为滑板位移X向电机转角M作惯性矩变换的变换系数。本讲稿第十七页，共二十四页3.2 3.2 控制系统控制系统3.2.1 控制系统的基本组成+-_控制器执行装置被控对象传感与检测装置被控参数图3-22 控制系统的基本组成控制装置机电系统给定值3.2.2控制系统的分类 控制系统从信号传送的通路可分为两大类：控制系统从信号传送的通路可分为两大类：是开环控制系统；是开环控制系统；二是闭环控制系统。技制系统从信号形式来看，又可分为连续控制二是闭环控制系统。技制系统从信号形式来看，又可分为连续控制系统系统(模拟控制系统模拟控制系统)和计算机控制系统和计算机控制系统(离散控制系统离散控制系统)。本讲
9、稿第十八页，共二十四页1具有单向信号的控制系统 本讲稿第十九页，共二十四页2具有反馈信号的控制系统 本讲稿第二十页，共二十四页计算机控制系统 计算机控制系统大致分为三类：采样控制系统；离散控制系统；混合式计算机控制系统。本讲稿第二十一页，共二十四页3.2.3 3.2.3 机械系统的速度与位置控制机械系统的速度与位置控制 机械系统的速度与位置控制系统是数控伺服系统中的重要组成部分，它由速度机械系统的速度与位置控制系统是数控伺服系统中的重要组成部分，它由速度(位置位置)控制单元、伺服电机、速度控制单元、伺服电机、速度(位置位置)检测装置检测装置(由速度传感器、信号处理电路由速度传感器、信号处理电路
10、和软件组成和软件组成)等构成。等构成。1 1速度控制速度控制速度控制可分为速度的模拟反馈控制和数字反馈控制两种。(1)速度的模拟反馈控制 (2)速度的数字反馈控制 本讲稿第二十二页，共二十四页2 2位置控制位置控制 位置控制按其控制指令来分有绝对值方式和增量方式两种绝对值方式是先确定基准坐标系，以此坐标系的坐标值为位置控制指令。而增量控制方式则以从当前位置向下个位置移动时所需的移动量为控制指令。(1)利用步进电机定位 (2)利用直流(或交流)伺服电机定位(绝对值方式)(3)利用直流，(或交流)伺服电机定位(增量式)本讲稿第二十三页，共二十四页复习题1.简述执行装置及其分类2.简述直流伺服电机和交流伺服电机的优缺点3.简述直流伺服电机的驱动方法4.根据电动、液压、气动执行装置的特点，完成表3-25.简述液压系统的主要组成部分及功能6.简述气动系统的主要组成部分及功能7.给出图3-21，3-22，3-23所需的电机转矩计算公式本讲稿第二十四页，共二十四页