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1、第三章机电一体化系统执行元件的选择与设计第一节执行元件一、执行元件在机电一体化系统中的作用：1.是机电一体化系统必不可少的驱动元件2.是处于机电一体化系统的机械运行机构与微电子控制部件的联接部位的能量转换元件，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二、执行元件的种类及特点1.种类：见No.2Powerpoint2.特点：见No.3Powerpoint123.电气式将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动运行机构运动对控制用电动机的性能除了要求稳速运转性能外，还要求具有良好的加速、减速性能和伺服性能等动态性能以及频繁使用时的适应性和便于维修性能控制用电动机驱动系统一般由电源供电，经
2、电力变换器变换后输送给电动机，使电动机作回转（直线）运动，驱动负载机械运动，并在指令器给定的指令位置定位停止。4.液压式先将电能变换成液压能并用电磁阀改变压力油的流向，从而时液压执行元件驱动运行机构运动。5.气压式气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液压式执行元件无什么区别代表性的气压执行元件有气缸、气压马达等3种类特点优点缺点电气式可使用商用电源；信号与动力的传送方向相同；有交流和直流之别；应注意电压的大小操作简便；编程容易；能实现定位伺服；响应快、易于CPU连接；体积小、动力较大；无污染瞬时输出功率大；过载差，特别是由于某种原因而卡住时，会引起烧毁事故，易受外部噪声影响气压式空气压
3、力源的压力为(57)105Pa；要求操作人员技术熟练气源方便、成本低；无泄漏污染；速度快、操作比较简单功率小，体积大，动作不够平稳；不易小型化；远距离传输困难；工作噪声大、难于伺服液压式液 压 源 的 压 力 为(2080)105Pa；要求操作人员技术熟练输出功率大，速度快，动作平稳，可实现定位伺服；易于CPU相接；响应快设备难于小型化；液压源或液压油要求（杂质、温度、油量、质量）严格；易泄漏且有污染执行元件的特点及优缺点4三、机电一体化系统对执行元件的要求1.惯量小、动力大惯量小、动力大惯量：质量m，转动惯量J动力：推力F，转矩T，功率P比功率比功率（表征动力大小的综合性能指标，包含了功率、
4、加速性能与转速三种因素）：2.体积小、重量轻体积小、重量轻：用功率密度功率密度(=P/G；G为执行元件的重量)或比功率密度比功率密度(=)来评价3.便于维修、安装便于维修、安装：执行元件最好不需要维修。无刷DC及AC就是走向无维修的一例4.易于微机控制易于微机控制：电气式执行元件最易于用微机控制；因此机电一体化系统所用执行元件主流是电气式，其次是液压式和气压式5第二节 机电一体化系统常用的控制电动机一、概述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。它能在很宽的速度和负载范围内进行连续、精确地控制，因而在各种机电一体化系统中得到了广泛的应用。基本控制方式：
5、目标运动不同，电动机及其控制方式也不同；步进电动机的开环方式；DC或AC伺服电动机的半闭环方式和全闭环方式1)开环方式：没有反馈，结构简单，稳定可靠，精度差，在一般的伺服驱动及数字控制中有大量应用。2)（半）闭环方式：用于精度、速度要求较高的场合。直流伺服电动机特性范围宽，易控制，成本低，是目前机电一体化设备中应用最为广泛的执行元件。交流伺服电动机则以其特殊环境应用及不需维修为特征，已越来越具有竞争性。67二、机电一体化系统对控制用电动机的基本要求1.性能密度大（功率密度、比功率大）功功率率密密度度：PG=P/G(W/N)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
6、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）是主要性能指标。比功率比功率：式中，TN：电动机的额定转矩(Nm)；Jm：电动机转子的转动惯量(kgm2)对于起停频率高（如几百次/分）、但不特别要求低速平稳性的机械设备(高速打印机、绘图机)，是主要性能指标。无刷伺服电动机步进电动机直流伺服电动机交流伺服电动机2.快速性好，即加减速扭矩大，频率特性好；3.位置控制精度高，调速范围宽(速比110000)，低速运行平稳无爬行现象，分辨率高；振动噪声小4适应起、停频繁的工作要求；5可靠性高，寿命长。8三、控制用电动机的种类、特点及选用种类主要特点优点缺点应用
7、实例步进电动机步进电动机VR:可变磁阻PM:永磁型HB:混合型转角与控制脉冲数成比例，可构成直接数字控制；有定位转矩；可构成廉价的开环控制系统低速转矩大，速度控制简单；外形尺寸小转矩、效率、精度、高速性差计算机外围设备、办公机械、数控装置DC伺服电动机伺服电动机高响应特性；高功率密度；可实现高精度数字控制；接触换向部件（电刷与换向器）需要维护停电时可制动；控制器简单；小容量的成本低；功率密度高；无铁心型的不存在齿槽效应转矩需对整流子维护；不能在高速大力矩下工作；产生磨耗粉尘NC机械、机器人、计算机外围设备、办公机械、音响和音像设备、计测机械等SM(同步同步)型伺型伺服电动机服电动机无接触换向部
8、件；需要磁极位置检测器(如同轴编码器等)；具有DC伺服电动机的全部优点 停电时可制动；可在高速大力矩工作；耐环境性好，无需维修；小型轻量；功率密度高 无自启动功能；电动机与控制器需有一一对应；控制器较复杂 音响和音像设备、计算机外围设备IM(感感应应)型型伺伺服电动机服电动机对定子电流的激励分量和转矩分量分别控制；具有DC伺服电动机的全部优点耐环境性好，无需维修；可高速大转矩工作；大容量下效率良好；结构坚固在小容量下工作效率低；温度特性差；停电时不能制动；控制器较复杂；NC机械、机器人等9第三节步进电动机及其驱动一、定义和特性将电脉冲信号转换为机械角位移的执行元件；每当电动机绕组接受一个电脉冲
9、，转子就转过一个相应的步距角；转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步；只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电脉冲绕组的通电顺序，电动机就可获得所需的转角、转速及转向，很容易用微机实现数字控制。二、特点工作状态不易受各种干扰因素（如电源电压的波动，电流的大小与波形的变化、温度等）的影响，只要在它们的大小未引起步进电动机产生“丢步”现象之前，就不影响其正常工作。步进电动机的步距角有误差，转子转过一定步数后也会出现累积误差；但转子转过一转后，其累积误差变为“零”，因此不会长期积累。控制性能好，在起动、停止、反转时不易“丢步”广泛应用于开环控制的机电一体化系统，
10、使系统简化，并可靠地获得较高的位置精度10三、种类及特点1.1.可变磁阻型可变磁阻型(VR)或者反应式：或者反应式：P.91图图3.3 1)由定子绕组通电激磁产生的反应电磁力力矩吸引用软磁钢制成的齿形转子作步进驱动；2)转子朝定子与转子之间磁阻最小方向转动。3)转子结构简单、直径小；工作可靠；运行频率高，有利于高速响应；步距角小(0.099)4)定子与转子均不含永久磁铁，故无励磁时没有保持力。5)制造成本高(气隙要做得尽可能小)、效率低、转子的阻尼差、噪声大2.永磁型永磁型(PM)：P.91图图3.41)转子用永久磁铁、定子用软磁钢制成2)定子上绕组通电建立的磁场与永久磁铁的恒定磁场相互吸引与
11、排斥产生转矩3)无励磁时也具有保持力，具有记忆能力，可用作定位驱动。4)励磁功率小、效率高、造价便宜。5)转子磁铁的磁化间距受到限制，步距角大(7.518)；转矩大，转子惯量也较大113.混合型混合型(HB)或永磁反应式：或永磁反应式：P.91图图3.51)定子和VR型相似，磁极上有控制绕组，极靴表面切有小齿；转子由永久磁铁和铁芯构成，同样切有小齿。2)综合VR型和PM型的优点：步距角小(0.93.6)，工作频率高；控制功率小，无励磁时具有转矩定位。3)结构复杂，成本高。四、工作原理P.91图3.61.励磁相数：每两个相对磁极组成一相三相、四相、五相、六相、八相2.工作原理：A相励磁绕组通以电
12、脉冲时定子A相磁极产生磁通对转子产生磁拉力转子的1，3两个齿转动一定的角度（步距角）与A相磁极对齐B相励磁绕组通以电脉冲时定子B相磁极产生磁通对转子产生磁拉力转子的2，4两个齿转动一定的角度（步距角）与B相磁极对齐3.通电方式：决定电动机获得的步距角1)单拍通电方式（三相单三拍通电方式）：ABCA：转子沿逆时针方向一步步地转动ACBA：转子沿顺时针方向一步步地转动一个绕组断电而另一绕组刚开始通电，高速时易失步；单一绕组吸引转子，在平衡位置易振荡。很少采用。122)双拍通电方式（三相双三拍通电方式）：ABBCCAAB每拍都有两相同时通电，在状态变换时总有一相持续通电，运转平稳，输出转矩大，发热大
13、。步距角单拍通电方式3)单双拍通电方式（三相六拍通电方式）：AABBBCCCAAP.92图3.7每拍总有一相持续通电，运转平稳，步距为前面两种的一半，采用最多。4.步距角()：1)每输入一个电脉冲信号，转子所转过的角度称为步距角。其值越小，意味着它所能达到的位置精度越高。2)通常的步距角是1.5或0.75。因此电动机的结构：转子做成多齿式，定子磁极上也制成小齿；它们的大小一样，齿宽和齿距相等3)步距角的大小与通电方式和转子的齿数有关=360/(zm)=360/(zKN)z:转子齿数；m:运行拍数，通常等于相数或相数的整数倍，即m=KN(N为电动机的相数，单拍时K=1;单双拍时K=2;)13五、
14、运行特性及性能指标1.分辨率S：S=360/s；步距角s越小，分辨率越高。2.静态特性：步进电动机在稳定状态时的特性，包括静转矩、矩角特性及静态稳定区1)矩角特性矩角特性：电磁转矩Tj和失调角e之间的关系曲线称为矩角特性。大致为一条正弦曲线2)最大静转矩最大静转矩：e=/2时的静态转矩为最大静转矩Tjmax在产品说明书中标示静态转矩越大，自锁力矩越大，静态误差越小；3)3)静态稳定区静态稳定区：-e 负载扭矩；最大静态转矩Tjmax大，负载转矩也大。2.负载惯量、起动频率和电动机相匹配并有一定余量3.步进电动机最高连续工作频率满足产品快速移动要求4.步进电动机的步距角和机械系统相匹配，以得到所
15、需的脉冲当量九、步进电动机驱动的开环系统及其参数开环系统：没有反馈检测装置的伺服系统；无反馈系统。伺服驱动装置：步进电动机用途：精度和速度要求不高的场合（机械手、小型操作台等）系统工作原理：2122参数：直线运动工作台旋转运动工作台(1)线位移脉冲当量(mm/P)角位移脉冲当量r(/P)(2)指令脉冲频率f(P/s或HZ)同左(3)移动速度V(mm/s或mm/min)V=f(mm/s)=60f(mm/min)转速nr(r/s或r/min)nr=fr/360(r/s)=fr/6(r/min)(4)电动机的转速nm(r/min)(tsp，ns分别为滚珠丝杠的导程，转速。i：齿轮传动比)同左（i1，
16、i2：分别为齿轮传动比和蜗轮蜗杆传动比）s：步进电动机的步距角；s：电动机每转所需的脉冲数，或称为电动机的分辨率，s=360/s(5)脉冲当量的计算脉冲当量r的计算23选择、设计：(1)脉冲当量应等于或小于系统的定位精度(2)最大移动速度（或转速）受到步进电动机的最高运行频率fmax的限制.(3)步进电动机的型号应根据负载转矩，惯性负载，电动机的特性曲线通过计算来选择。十、实例1.已 知 直 线 工 作 台 的 定 位 精 度=0.02mm，最 大 速 度Vmax=4500mm/min，tsp=6mm，试选三相步进电动机单双拍运行，步距角s=0.75，s=480p/r，当i=1时，脉冲当量0.
17、0125mm；当i=1.25时，脉冲当量0.01mm；电动机所需的最高运行频率分别为fmax=6000p/s或7500p/s，电动机达到的最大转速nmax=750r/min或937.5r/min。2.已 知 旋 转 工 作 台 系 统 的 定 位 精 度=0.01，最 大 速 度nrmax=10r/min，试 选 三 相 步 进 电 动 机 单 双 拍 运 行，步 距 角s=0.75及r=0.01/p时，传动比i1i275；此时，再分配传动比，如i1=1，i2=75；电动机所需的最高运行频率分别为fmax=6000p/s，电动机达到的最大转速nmax=750r/min。24十一、开环系统的说明：1.开环系统没有反馈作用，不能补偿系统误差。2.系统的实际定位精度取决于电动机的步距角精度、机械系统的传动误差、摩擦负载引起的定位误差（是随机误差，和摩擦负载的大小、电动机的矩-角特性曲线有关）。3.定位精度低，一般在0.01-0.03mm之间。且其速度受到步进电动机最高运行频率的限制。因此，开环系统设计时，应选择合适的脉冲当量，要求传动元件具有足够的刚度合制造精度，并使传动系统的惯量、间隙合摩擦系数要小等。4.结构简单，调试方便，成本低，无稳定性问题，工作可靠，广泛应用于精度或速度不高的场合。25