执行元件的选择与设计.ppt

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1、第三章执行元件的选择与设计第一节执行元件的种类、特点及基本要求第二节常用的控制用电动机第三节直流(DC)与交流(AC)伺服电动机及驱动第四节步进电动机及驱动机电一体化系统设计作用：执行元件主要用来根据控制信息和指令，将来自电、液压、气压等各种能源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式机械能，并完成要求动作的能量转换装置。它在机电一体化系统中所处的位置参见下图：第一节执行元件的种类、特点及基本要求一、执行元件的种类及特点根据使用能量的不同，可以将执行元件分为电气式、液压式和气压式等几种类型。(1)电气(磁)

2、式：是将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动运行机构运动的。电动执行装置由于能源容易获得，使用方便，所以得到了广泛的应用。(2)液压式：是先将电能变换为液压能并用电磁阀改变压力油的压力和流向，从而使液压执行元件驱动运行机构运动，包括液压油缸、液压马达等。具有体积小、输出功率大等特点。(3)气压式：与液压式的原理相同，只是将介质由油改为气体，包括气缸和气动马达。特点是重量轻、价格便宜。(4)其它执行元件：与使用材料有关，如使用双金属片、形状记忆合金或压电元件。图3.1执行元件的分类种类特点优点缺点电气式可用商

3、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；过载能力差；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；无泄露污染；速度快、操作比较简单。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

4、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；易产生泄露污染。表3.1执行元件的特点以及优缺点二、对执行元件的基本要求惯量小、动力大表征执行元件惯量的性能指标：直线运动——质量m；回转运动——转动惯量J。表征输出动力的性能指标：推力F、转矩T、功率P。另一种表征动力大小的综合性指标是比功率，它包含了功率P、加速性能ε与转速ω三种因素：比功率还可以理解为功率的时间变化率：2.体积小、重量轻通常用执行元件的单位重量所能达到的输出功率或比功率，即用功率密度或比功率

5、密度来评价这项指标。设执行元件的重量为G，则功率密度：P/G。比功率密度：(T2/J)/G。3.便于维修、安装执行元件最好不需要维修，如无刷DC及AC伺服电动机。4.宜于微机控制根据这个要求，用微机控制最方便的是电气式执行元件。因此机电一体化系统所用执行元件的主流是电气式。第二节常用的控制用电动机控制用电动机有力矩电动机、脉冲（步进）电动机、变频调速电动机、开关磁阻电动机和各种AC/DC电动机等。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，可在很宽的速度和负载范围内

6、进行连续、精确的控制。控制用电动的基本控制形式：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、其它电动机的半闭环方式和全闭环方式是控制用电动机的基本控制方式。闭环方式比开环方式的伺服控制精度高。伺服电动机控制方式的基本形式伺服－servo（随动）：系统由如此几种设备组成，它们可以连续地监测系统的实际信息（位置、速度、加速度等），把这些信息与理想的给定信号相比较，然后做出适当的必要的调整以使差值为最小。伺服电动机（servomotor）：在伺服系统中用作执行元件的电动机。要求方便调速。一、

7、机电一体化系统对控制用电机的基本要求性能密度大，即功率密度和比功率大；快速性好，加减速扭矩大，频率特性好；位置控制精度高，调速范围宽，低速运行平稳，分辨率高；适应启、停频繁的工作要求；可靠性高，寿命长。二、控制用电动机的种类、特点及选用不同的应用场合对控制用电动机的性能密度的要求不同：起停频率低：要求整个调速范围内均可稳定运动的机械，主要要求的性能指标是功率密度；起停频率高：不特别要求低速平稳的产品，主要要求的性能指标是高的比功率。表3.3伺服电动机的特点及应用实例表3.4伺服电动机的性能比较表3.5伺

8、服电动机优缺点比较第三节直流（DC）与交流（AC）伺服电动机及驱动一、直流(DC)伺服电动机及其驱动1.直流伺服电动机的特性及选用直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，为了保持由浅入深的教学顺序，应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。工作原理：直流伺服电动机的