机电一体化系统设计机电一体化系统设计第三章

机电一体化系统执行元件的选择与设计

张建民 编著高等教育出版社

讲授：何庆中机 电 工 程 系

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第三章 机电一体化系统第三章 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

第 3.1 节 执行元件 执行元件——是将控制信号转换成机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

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

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执行元件的特点执行元件的特点

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1. 1. 电气执行元件电气执行元件 电气执行元件包括直流电气执行元件包括直流 (DC)(DC) 伺服电机、交流（伺服电机、交流（ AACC ）伺服电机、步进电机以及电磁铁等。对这些伺服）伺服电机、步进电机以及电磁铁等。对这些伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态性能好，电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态性能好，适合于频繁使用，便于维修等适合于频繁使用，便于维修等 22 ．．液压式执行元件液压式执行元件 液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点情况下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点 33 ．．气压式执行元件气压式执行元件 气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的液压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。缩性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。

执行元件的特点以及优缺点执行元件的特点以及优缺点

种类 特点 优点 缺点

电气式

可用商业电源；信号与动力传送方向相同；有交流直流之分；注意使用电压和功率。

操作简便；编程容易；能实现定位伺服控制；响应快、易与计算机（ CPU ）连接；体积小、动力大、无污染。

瞬时输出功率大；过载差；一旦卡死，会引起烧毁事故；受外界噪音影响大。

气压式

气体压力源压力 5~7×Mpa ；要求操作人员技术熟练。

气源方便、成本低；无泄露而污染环境；速度快、操作简便。

功率小、体积大、难于小型化；动作不平稳、远距离传输困难；噪音大；难于伺服。

液压式

液体压力源压力 20~80×Mpa ；要求操作人员技术熟练。

输出功率大，速度快、动作平稳，可实现定位伺服控制；易与计算机（ CPU ）连接。

设备难于小型化；液压源和液压油要求严格；易产生泄露而污染环境。

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3.1.23.1.2 机电一体化系统对执行元件的基本要求机电一体化系统对执行元件的基本要求

（ 1 ）惯量小，动力大。 （ 2 ）体积小，重量轻。 （ 3 ）安装方便、便于维修维护。 （ 4 ）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 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、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机、电磁伸缩元件）等。

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常用伺服控制电动机的控制方式常用伺服控制电动机的控制方式 主要有：开环控制、半闭环控制、闭环控制三种。 如图所示数控机床伺服系统。

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它由控制器、被控对象、反馈测量装置它由控制器、被控对象、反馈测量装置等部分组成。等部分组成。

3.2.1 3.2.1 机电一体化系统机电一体化系统对伺服控制电动机的基本要求对伺服控制电动机的基本要求

为实现运动、功率 /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。（ 1 ）性能密度大。即功率密度 Pw=P/G 或比功率密度 Pbw=(T2/J)/G 大。（ 2 ）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。（ 5 ）易于与计算机对接，实现计算机控制。

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3.2.2 3.2.2 伺服控制电动机基本特性伺服控制电动机基本特性 无论动力用伺服控制电动机，还是控制用伺服控制电动机，功率—转速—转矩的电特性是电机重要的基本特性指标之一。

P

nnd

Pw

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对于伺服控制电机而言，恒转矩工作特性是衡量电机调速性能的重要参数之一。

3.3 3.3 步进电动机与驱动步进电动机与驱动 3.3.1 3.3.1 步进电动机的特点、种类、工作原理步进电动机的特点、种类、工作原理 （ 1 ）步进电动机的特点 ① 控制精度由步进角决定（ ）。② 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。③ 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 360 时，转角累计误差将归零。④ 控制性能好，不会产生“丢步 ”现象（频繁启动、停止、变换）。⑤易于与计算机实现对接。

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（（ 22 ）步进电动机的种类）步进电动机的种类① 种类 · 按转子构成分类： 可变磁组型（ VR ）步进电机 ——转子为导磁体，也称反应式步进电机。 永磁型（ PM ）步进电机 ——转子为永磁铁。 混合型（ HB-Hybrid ）步进电机 ——转子为导磁体和永磁铁的组合。 · 按定子绕组对数分类：分为 2 相、 3 相、 4 相、 5 相、 10 相等步进电机。 · 按定子绕组通电极性分类： 分为单极性和双极性步进电机。

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（（ 33 ）步进电动机的工作原理）步进电动机的工作原理 当第一个脉冲通入 A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，转子的 1、 3 齿要和 A 级对齐。当下一个脉冲通入 B相时，磁通同样要按磁阻最小的路径闭合，即 2、 4 齿要和 B 级对齐，则转子就顺逆时针方向转动一定的角度：

1

3

2 4

A

A

B

B

C

C C

B

4

23

A

C

1

A

B

2

3

B

A

C

A

C

1

4 B

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3.3.2 3.3.2 步进电动机的运行特性与性能指标步进电动机的运行特性与性能指标 （ 1 ）分辨率主要指步进角 =360º/znK 。如： 0.6º/1.2º 、 0.75º/1.5º 、 0.9º/1.8º 、………。（ 2 ）静态特性 主要指步进电机在稳态工作条件下的特性，包括：矩—角特性、静转矩、静态稳定特性等。

失调角示意图 矩－角特性曲线

e

定子

转子

pp

p / 2p / 2

j maxT

j maxT

e

T

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（（ 33 ））动态特性动态特性 动态特性参数：主要指动态稳定区、启动转矩、矩－频特性、惯－频特性等。 动态稳定区：在步进电机从 A 相转换为 B（或 AB）相通电，不产生丢步时的稳定工作区域 θr 。从图中可以得出，步进电机工作的拍数越多，稳定工作区域 θr越接近静态稳定工作区域θe，越不容易丢步。 起动转矩 Tq：两相（ A、 B）矩－角特性之交点 Tq 表示步进电机单相励磁时所能带动的极限负载转矩，与步进电机的相数和通电方式有关。

p / 3p

j maxT

T

j maxT

e

p

r

Tq

p / 3

p

j maxT

Tj maxT

e

p

r

Tq矩－角特性曲线族

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最高连续运转频率 fmax及矩－频特性：步进电机连续运转时所能接受的最高控制频率fmax，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－频特性。

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p / 3p

j maxT

T

j maxT

e

p

r

Tq

p / 3

p

j maxT

Tj maxT

e

p

r

Tq

矩－角特性曲线族

3.3.3 3.3.3 步进电机的驱动与控制步进电机的驱动与控制

步进电机的驱动电路：主要由脉冲分配器和功率放大器两部份组成。 变频控制信号：主要有脉冲频率信号和方向控制信号。

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

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一种四相步进电机驱动实用电路一种四相步进电机驱动实用电路

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步进脉冲输出

方向控制

0. 1μ f

7476

7486

步进脉冲

定时器引脚布局

引脚布局 引脚布局

0. 1μ f

或

0. 1μ f

线圈

线圈

线圈

线圈

（（ 11 ））环形脉冲分配器环形脉冲分配器 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（ A B C A B …… ； A AB B BC C CA A AB B …… ），完成这种通电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： 软件分频——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，但将占用计算机运行时间，影响步进电机的运行速度。 IC集成电路分频（ DDT分频器）——灵活性强，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。

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CH250 CH250 管角定义与三相六拍工作状态的接线图管角定义与三相六拍工作状态的接线图

方向

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专用环形分频器——使用方便，接口简单，专业化生产质量可靠，成本低等。如： CH250 三相绕组分频器 ； L297 和 PMM8714两相绕组分频器； PMM8713五相绕组电机分频器等。

（（ 22 ））功率放大器功率放大器 功率放大器是实现控制信号与步进电机匹配的重要组件。 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

w w w

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特点：电路结构简单，但串联 R2消耗能量降低放大功率；电感较大使电路对脉冲反应较慢 ,输出波形差。主要用于转速要求不高的小型步进电机控制。

高低压功率放大器高低压功率放大器

特点：具有高压驱动，电流增长速度快、前沿变陡，电机的扭矩和频率得到提高。

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、电流上升率高、高速运转性能好，但波形陡有时存在过冲现象，谐波丰富，在低速运转时易产生振动。

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恒流源功率放大器恒流源功率放大器

w厚德达理

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（（ 33 ））细分驱动电路细分驱动电路 采用细分驱动电路的目的：整步运转或半步运转基础上，不改变步进电机结构，提高步进电机的运转、控制精度 。 细分驱动电路的基本工作原理 ：对每一控制脉冲，细分使其电流逐步增加达到脉冲的最大电流（ Imax ），又逐步减少达到脉冲的最小电流（ 0 ），从而可实现高精度运转、控制、分辨，以及提高步进精度。

w

t

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常用的步进电机细分驱动电路常用的步进电机细分驱动电路

工作原理：由基极开关电压 U1~U5控制多路功率开关管 VTd1~VTd5的通断，从而控制功放管 VT 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。 特点：功率开关管工作在开关状态，功耗很低，但器件多、体积大。

i ww

wi

t

t

U

多路功率开关细分电路

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单功率放大细分驱动电路单功率放大细分驱动电路

wi w厚德达理

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阶梯波控制信号的产生与放大方法阶梯波控制信号的产生与放大方法

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

wU

t

t

i w

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（（ 44 ））步进电机的微机控制步进电机的微机控制

主要分为：串行控制和并行控制两种方法

串行控制方式 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

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3.4 3.4 直流直流（（ DCDC ）伺）伺服电动机及其驱动服电动机及其驱动3.4.1 直流（ DC ）伺服电动机工作原理 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，实现速度和方向调节控制，主要通过对直流电压 /电流的大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。

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直流电机的调速方式直流电机的调速方式由于直流伺服电机的机械特性方程为：

TCC

R

C

Un

2tee

c

厚

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励志勤工 式中， UC —电枢控制电压； R —电枢回路电

阻； Φ —每极磁通； Ce 、 Ct—分别为电动机的结构常数。 由此，直流伺服电机的控制方式如下：（（ 11 ）调压调速（变电枢电压，恒转矩调速））调压调速（变电枢电压，恒转矩调速）（（ 22 ）调磁调速（变励磁电流，恒功率调速））调磁调速（变励磁电流，恒功率调速）（（ 33 ）改变电枢回路电阻调速）改变电枢回路电阻调速

典型直流伺服电动机控制数学模型典型直流伺服电动机控制数学模型厚德达理

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直流直流（（ DCDC ）伺）伺服电动机的特性服电动机的特性

特点：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器是使用寿命较低，需要定期更换。

3.4.2 直流（ DC ）伺服电动机的驱动 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； 晶闸管直流脉宽调速驱动；

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（（ 11）晶体管直流脉宽调制驱动）晶体管直流脉宽调制驱动 (PWM)(PWM) 工作原工作原理理

在给定供电电压 U ，由控制脉冲信号 Ud 控制晶体管 VT 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

τ τ

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22 ）直流电动机的方向控制电路）直流电动机的方向控制电路

d b

a

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直流直流 PMWPMW 调速驱动电路调速驱动电路

直流电机PWM 调速电路晶闸管驱动

直流电机PWM 调速电路

H桥驱动

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3.53.5 交流（交流（ ACAC ）伺）伺服电动机及其驱动服电动机及其驱动（ 1 ）常用交流伺服电动机永磁同步型（ SM ）、电磁感应型（ IM ）伺服电动机。（ 2 ）基本工作原理 检测交流伺服电动机（ SM 型 /IM 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，简称矢量控制方法。 1 ）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位置控制。

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永磁同步（永磁同步（ SMSM ）型伺服电动机控制框）型伺服电动机控制框图图

CONV.— 整流器； SM— 同步电机； INV. 变换器； PS— 磁极位置检测器； REF— 速度基准； IGF— 电流函数发生器；SC— 速度放大器； CC— 电流放大器； RD— 速度变换器；PWM— 脉宽调制器； P.B.U— 再生电力吸收电路。

i w

i v

i u

SM

PS

PWMCCI FGSC

RD

REF

AC输入

CONV. P. B. U. I NV. GRT

GRT GRT GRT GRT

GRTGRTGRT

i

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22 ）感应（）感应（ IMIM ）型伺服电动机控制框图）型伺服电动机控制框图

交流电机

CONV.

位置指令

AC输入

GRT

GRT

PWM

GRT

i

GRT

GRT

GRT

GRT

ii w

v

i u

P. B. U. I NV.

位置控制

速度指令 放大器

矢量处理电路 脉冲放大

检测器

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33 ））交流伺服电动机的矢量控制交流伺服电动机的矢量控制

r1,X1— 定子绕组阻抗和漏抗； r2,X2— 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；

Im— 负载范围内不变。 S— 转差率

I 1

I m

I 2Xm

X1 X2r 1 2r

r m

1-ss 2r

U1

I 2 I 1

I m

a) 交流电机等效电路 b) 电流矢量

22

21 III m

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本章小节本章小节

重点掌握：1）执行元件的主要类型和特点。2）机电一体化系统（产品）对执行元件基本要求。3）常用控制电机类型与主要特点。4）机电一体化系统对伺服控制电动机基本要求。5）典型伺服控制电动机的主要特点和选用原则。6）步进电动机的运行特性与主要性能指标。7）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、细分驱动电路、典型细分驱动电路）。

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课外作业课外作业：：

1 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）。2 题：机电一体化系统的执行元件的基本要求是什么？3 题：步进电机具有哪些特点与环形分配方式是什么？4 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？5 题：步进电机细分电路的特点、细分方式和原理是什么？

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