机电一体化系统设计课件第三：机电一体化系统执行元件的选择与设计-文档资料

（2）步进电动机的种类
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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。
3.2.2 伺服控制电动机基本特性
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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 Pw nd n
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 步进电动机与驱动
3.3.1 步进电动机的特点、种类、工作原理
（3）步进电动机的工作原理
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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：
A C 2 B 3 A 1 4 C B B C A A
常用伺服控制电动机的控制方式
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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。
它由控制器、被控对象、反馈测量装置 等部分组成。
3.2.1 机电一体化系统 对伺服控制电动机的基本要求
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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。
执行元件的特点
1. 电气执行元件 电气执行元件包括直流(DC)伺服电机、交流 （AC）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，适合于频繁使用，便于维修等 2．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 3．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 压缩性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。
缺点
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。
电 气 式
气 压 式 液 压 式
气源方便、成本低； 功率小、体积大、 无泄露而污染环境； 难于小型化；动 速度快、操作简便。 作不平稳、远距 离传输困难；噪 音大；难于伺服。 输出功率大，速度 设备难于小型化； 快、动作平稳，可 液压源和液压油 实现定位伺服控制； 要求严格；易产 易与计算机（CPU） 生泄露而污染环 连接。 境。
1 2
A
4 3
B
C
B
1
C
B
3 2
A
4
C
3.3.2 步进电动机的运行特性与性能指标
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（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。
e
T Tjmax
定子
p
p /2 p /2
p
e
转子
Tjmax
失调角示意图
矩－角特性曲线
（3）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。
执行元件的特点以及优缺点
种类 特点
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。 气体压力源压 力5~7×Mpa；要 求操作人员技术 熟练。 液体压力源压 力20~80×Mpa； 要求操作人员技 术熟练。
优点
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。
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（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。
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
第三章 机电一体化系统 执行元件的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
电动机 电磁式 电磁铁及其他 执 行 元 件 油 液压式 液压马达 气 气压式 气压马达 其 他 与材料有关 状态记忆金属 压电元件 缸 其他电机 双金属片 缸 直流伺服电机 步进电机 交流伺服电机
3.1.2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。