62 执行元件 621执行元件的分类及其特点 执行元件是能量变换

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1、6.2执行元件6.2.1执行元件的分类及其特点执行元件是能量变换元件，其目的是控制机械执行机构运动。机电一体化伺服系统要求执行元件具有转动惯量小，输出动力大，便于控制，可靠性高和安装维护简便等特点。根据使用能量的不同，可以将执行元件分为电磁式、液压式和气压式等几种类型，如图6-2所示。图6-2执行元件的种类(1)电磁式执行元件能将电能转化成电磁力，并用电磁力驱动执行机构运动，如交流电机、直流电机、力矩电机、步进电机等。(2)液压式执行元件先将电能变化成液体压力，并用电磁阀控制压力油的流向，从而使液压执行元件驱动执行机构运动。(3)气压式执行元件与液压式执行元件的原理

2、相同，只是介质由液体改为气体。6.2.2直流伺服电动机1.直流伺服电动机的分类直流伺服电动机按励磁方式可分为电磁式和永磁式两种。2.直流伺服电动机的基本结构及工作原理直流伺服电动机主要由磁极、电枢、电刷及换向片组成,如图6-3所示。图6-3直流伺服电动机基本结构3.直流伺服电动机的特性分析直流伺服电动机采用电枢电压控制时的电枢等效电路如图6-4所示。图6-4电枢等效电路当电动机处于稳态运行时，回路中的电流Ia保持不变，则电枢回路中的电压平衡方程式为Ea=Ua-IaRa(6-1)式中，Ea是电枢反电动势；Ua是电枢电压；Ia是电枢电流；Ra是电枢电阻。

3、转子在磁场中以角速度ω切割磁力线时，电枢反电动势Ea与角速度ω之间存在如下关系：Ea=CeΦω(6-2)式中，Ce是电动势常数，仅与电动机结构有关；Φ是定子磁场中每极的气隙磁通量。由式（6-1）、式（6-2）得Ua-IaRa=CeΦω（6-3）此外，电枢电流切割磁场磁力线所产生的电磁转矩Tm可由下式表达:Tm=CmΦIa则Tm=CmΦIn式中，Cm是转矩常数，仅与电动机结构有关。将式（6-4）代入式（6-3）并整理，可得到直流伺服电动机运行特性的一般表达式由此可以得出空载（Tm＝0，转子惯量忽略不计）和电机启动（ω＝0）时的电机特性:（1）当Tm＝

4、0时，有（2）当ω＝0时，有式中，Td称为启动瞬时转矩，其值也与电枢电压成正比。如果把角速度ω看作是电磁转矩Tm的函数，即ω=f(Tm)，则可得到直流伺服电动机的机械特性表达式为如果把角速度ω看作是电枢电压Ua的函数，即ω=f(Ua)，则可得到直流伺服电动机的调节特性表达式根据式(6-8)和式(6-9)，给定不同的Ua值和Tm值，可分别绘出直流伺服电动机的机械特性曲线和调节特性曲线如图6-5、图6-6所示。图6-5直流伺服电动机的机械特性图6-6直流伺服电动机的调节特性由图6-5可见，直流伺服电动机的机械特性是一组斜率相同的直线簇。每条机械特性和一种电枢电压相对应，与

5、ω轴的交点是该电枢电压下的理想空载角速度，与Tm轴的交点则是该电枢电压下的启动转矩。由图6-6可见，直流伺服电动机的调节特性也是一组斜率相同的直线簇。每条调节特性和一种电磁转矩相对应，与Ua轴的交点是启动时的电枢电压。从图中还可看出，调节特性的斜率为正，说明在一定的负载下，电动机转速随电枢电压的增加而增加；而机械特性的斜率为负，说明在电枢电压不变时，电动机转速随负载转矩增加而降低。4.影响直流伺服电动机特性的因素上述对直流伺服电动机特性的分析是在理想条件下进行的，实际上电动机的驱动电路、电动机内部的摩擦及负载的变动等因素都对直流伺服电动机的特性有着不容忽略的影响。

6、(1)驱动电路对机械特性的影响直流伺服电动机是由驱动电路供电的，假设驱动电路的内阻是Ri，加在电枢绕组两端的控制电压是Uc，则可画出如图6-7所示的电枢等效回路。在这个电枢等效回路中，电压平衡方程式为Ea=Uc-Ia(Ra+Ri)(6-10)于是在考虑了驱动电路的影响后，直流伺服电动机的机械特性表达式变成将式(6-11)与式(6-8)比较可以发现，由于驱动电路内阻Ri的存在而使机械特性曲线变陡了，图6-8给出了驱动电路内阻影响下的机械特性。图6-7含驱动电路的电枢等效回路如果直流伺服电动机的机械特性较平缓，则当负载转矩变化时，相应的转速变化较小，这时称直流伺

7、服电动机的机械特性较硬。反之，如果机械特性较陡，当负载转矩变化时，相应的转速变化就较大，则称其机械特性较软。显然，机械特性越硬，电动机的负载能力越强；机械特性越软，负载能力越低。毫无疑问，对直流伺服电动机应用来说，其机械特性越硬越好。由图6-8可知，由于功放电路内阻的存在而使电动机的机械特性变软了，这种影响是不利的，因而在设计直流伺服电动机功放电路时，应设法减小其内阻。(2)直流伺服电动机内部的摩擦对调节特性的影响由图6-6可知，直流伺服电动机在理想空载时（即Tm1=0），其调节特性曲线从原点开始。但实际上直流伺服电动机内部存在摩擦（如