机电一体化原理及应用第三章

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1、§3.1执行装置概述执行元件是工业机器人、CNC机床、各种自动机械、信息处理计算机外围设备、办公室设备等机电一体化系统必不可少的驱动部件。执行元件是处于机电一体化系统的机械执行机构与微电子控制装置的接点部位的能量转换元件。它可以将输入的各种形式的能量转换为机械能。§3.1.1执行元件的种类与特点根据使用能量的不同，可将执行元件分为三类：①电气式：将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动运行机构，包括控制用电动机、静电电动机、磁致伸缩器件、压电元件、超声波电动机及电磁铁。第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置特性：可用商用电源，信号与动力的传送方向相同，操作简便，编程容易，能实现定位

2、伺服，易与CPU相接，动力较大，无污染，但瞬时输出功率大，过载差。②气压式：采用压缩空气作为工作介质，具有气源方便、成本低、无泄漏污染、速度快等特性，但动作不够平稳、远距离传输困难、工作噪声大、难于伺服，由于空气粘性差，具有可压缩性，故不能在定位精度较高的场合使用。③液压式：先将电能变成液压能，并用电磁阀改变压力油的流向，从而使液压执行元件驱动运行机构运动。具有输出功率大、速度快、动作平稳、可实现定位伺服等特性，但设备难于小型化，易泄漏且有污染。第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置§3.1.2机电一体化对执行元件的基本要求1．惯量小、动力大表征执行元件惯量的性能指标：对直线

3、运动为质量，对回转运动为转动惯量。表征输出动力的性能指标为推力、转矩或功率。2．体积小、重量轻用单位重量所能达到的输出功率或比功率，即比功密度或功率密度衡量。3．便于维修、安装4．宜于微机控制。第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置§3.2常用控制用电动机及特性分析3.2.1常用控制用电动机1.控制用电动机的定义电气式执行元件是机电系统的常用元件，由于控制用电动机可以在很宽的速度和负载范围内进行连续、精确的控制,因而在各种机电一体化系统中得到广泛的应用。机电系统中常用两类电动机：一类是一般动力用电动机，如感应式异步电动机和同步电动机等。另一类为控制用电动机，如力矩电动机、步进

4、电动机和各种交直流伺服电动机。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。第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置控制用电动机是指能提供正确运动或较复杂动作的伺服电动机。利用电压、电流、频率（包括指令脉冲）等控制方式，实现定速（或变速）驱动，反复启、停的增量驱动以及复杂驱动。它具有稳速运转性能，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。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。②快速性好，即加速转矩大，频响特性好。③位置控制精度高、调速范围宽、低速运行平稳

5、无爬行、分辨力高、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。第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置不同的应用场合对控制用电动机的性能要求不同。比如：对于启停频率低，但要求平稳和扭矩脉动小，高速运行时振动、噪声小，在整个调速范围内均可稳定运动的机械，如机器人的驱动系统，其功率密度是主要指标，对于起停频率高，但不要求低速平稳性的产品，如高速打印机、绘图仪等，主要性能只表示高比功率。在额定输出功率相同的条件下，交流伺服电动机的比功率最高，直流伺服电动机次之，步进电动机最低。2.控制用电动机的种类、特点及选用第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置第三章机电一体化系统

6、驱动技术和执行装置第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置3.2.2伺服电动机控制方式的基本形式伺服电动机的控制方式包括：开环、闭环和和半闭环三种基本控制形式。被控量为机械参数（位移、速度、加速度、力和力矩等）开环系统：没有检测反馈装置的伺服系统。开环系统通常采用步进电动机作为伺服驱动装置，主要用于精度和速度要求不高的场合，如简易数控机械、机械手、小型工作台、冲床自动送料装置和绕线机的同步运动等。第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置半闭环系统(采用脉冲编码器)：测量角位移，并从传动链中间部位取出检测反馈信号的伺服系统。由于这种系统只能补偿

7、反馈回路的系统误差，其定位精度比闭环系统低，一般为±0.005-0.01mm，但其结构简单、调试方便，广泛用于各种机电一体化设备，如数控机床和加工中心的伺服进给系统。第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置闭环系统：具有直接测量系统输出反馈装置的伺服系统。闭环系统通常采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为伺服驱动装置，较少采用步进电动机驱动。主要用于精度和速度高的精密、大型的机电一体化设备，如精度要求很高的镗铣床。第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置直流伺服电动机：通常采用连续的电压控制（晶体管、晶闸管