1、4.3 三相異步電動機三相異步電動機4.2 直流電機的基本工作原理直流電機的基本工作原理4.1 執行元件的分類執行元件的分類 第第 4 章章 執行元件及控制執行元件及控制4.4 步進電動機步進電動機4.5 直線電動機直線電動機 4.7 交流伺服電機控制交流伺服電機控制4.6 直流電機的驅動控制直流電機的驅動控制4.8 電電-氣比例閥、伺服閥氣比例閥、伺服閥4.9 電電-液比例閥、伺服閥液比例閥、伺服閥 執行元件定義：執行元件定義： 執行元件是根據來自控制器的控制信執行元件是根據來自控制器的控制信息完成對受控對象的控制作用的元件，它息完成對受控對象的控制作用的元件，它將電能或流體能量轉換成機械能

2、或其他能將電能或流體能量轉換成機械能或其他能量形式。量形式。 4.1 執行元件的分類執行元件的分類 4.1.1 4.1.1 電動執行元件電動執行元件 執行元件根據使用場合不同分為：電動執行元件、氣動執行元件、液壓執行元件。 將電能轉換成機械能以實現往復運動或回轉運動的電磁元件。電動執行元件的種類：電動執行元件的種類： 常用的有直流伺服電動機、交流伺服電動機、步進電動機、電磁制動器、繼電器等。電動執行元件的特點：電動執行元件的特點： 電動執行元件具有調速范圍寬、靈敏度高、響應速度快、無自轉現象等性能，并能長期連續可靠地工作。操作簡單，易實現伺服控制，長時間過載易燒毀。 4.1.2 4.1.2 氣

3、動執行元件氣動執行元件 將氣體能轉換成機械能以實現往復運動或回轉運動的執行元件。氣動元件的種類：氣動元件的種類：實現直線往復運動的氣動執行元件稱為氣缸；實現回轉運動的稱為氣動馬達。 氣動元件的特點：氣動元件的特點：操作簡單，成本低；動作不夠平穩，功率小，不易小型化，難于連續伺服控制；低壓，0.50.7兆帕，輸出推力小；壓縮空氣清潔，結構簡單易維護。4.1.3 4.1.3 液壓執行元件液壓執行元件 液壓執行元件是將液壓能轉換為機械能以實現往復運動或回轉運動的執行元件。液壓執行元件的種類：液壓執行元件的種類： 液壓執行元件分為液壓缸、擺動液壓馬達和旋轉液壓馬達三類。液壓執行元件的特點：液壓執行元件

4、的特點：中高壓力，輸出力巨大；功率密度很大，機械剛性好，動態響應快；制造工藝復雜、維護困難。功率大，動作平穩，易實現伺服控制；難于小型化，易泄漏污染。 4.2 直流電機的基本工作原理直流電機的基本工作原理 任何電機的工作原理都是建立在電磁力和電磁感應這個基礎上的，直流電機也是如此。 圖4.1 直流發電機的工作原理 圖4.2 直流電動機的工作原理直流電機的發展過程：直流電機的發展過程：永磁定子他勵定子稀土高強度永磁定子 圖圖 直流電機轉子鐵芯 工業用直流伺服電機工業用直流伺服電機直流伺服電機結構特點：直流伺服電機結構特點： 大起動力矩大起動力矩 轉子是光滑無槽鐵心，線圈是用絕緣粘合劑貼在鐵心表面

5、。轉子是光滑無槽鐵心，線圈是用絕緣粘合劑貼在鐵心表面。 小慣量轉子小慣量轉子 減小轉子鐵心直徑，增加鐵心長度；也采用空心轉子鐵心。減小轉子鐵心直徑，增加鐵心長度；也采用空心轉子鐵心。保證直流伺服電機起停的即時性。保證直流伺服電機起停的即時性。 改進結構使其具有良好的線性伺服性能。改進結構使其具有良好的線性伺服性能。4.3 三相異步電動機三相異步電動機旋轉磁場旋轉磁場(a) t=0 (b) t=T/6 (c) t=T/3 (d) t=T/2 圖4.5 兩極旋轉磁場異步交流電機工作原理異步交流電機工作原理圖4.4 三相電流的波形圖(a) 鉗放情況 (b) 星形連接接線圖圖4.3 定子三相繞組圖4.

6、4 三相電流的波形圖tIimAsin)32sin(tIimB)34sin(tIimC永磁式同步電機工作原理永磁式同步電機工作原理交流伺服電機交流伺服電機(永磁式同步電機永磁式同步電機+光電編碼器光電編碼器)4.4 步進電動機步進電動機 三相兩極步進電機 步進電動機是一種將電脈沖信號變換成相應的角位移或直線位移的機電執行元件，每當輸入一個電脈沖時，它便轉過一個固定的角度，這個角度稱為步距角，簡稱為步距。三相三拍工作方式： 正向旋轉ABCA步距角60 反向旋轉ACBA 三相六拍工作方式： 正向旋轉AABBBCCCAA步距角30 反向旋轉AACCCBBBAA圖4.6 三相四極反應式步進電動機的結構示

7、意圖(a) A相通電 (b) B相通電 (c) C相通電圖4.7 單三拍通電方式時轉子的位置三相三拍工作方式：三相三拍工作方式：正向旋轉ABCA步距角30反向旋轉ACBA (a) A相通電 (b) A、B相通電 (c) C相通電 (d) B、C相通電 圖4.8 步進電動機通電方式三相六拍工作方式：三相六拍工作方式：正向旋轉AABBBCCCAA步距角15反向旋轉AACCCBBBAA4.5 直線電動機直線電動機 直線電動機：是一種不需要中間轉換裝置，而能直直線電動機：是一種不需要中間轉換裝置，而能直接作直線運動的電動機械。接作直線運動的電動機械。直線電動機種類：直線電動機種類：直線感應電動機直線感

8、應電動機、直線直流電動機直線直流電動機、直線步進電動機直線步進電動機。 直線電動機傳動優點：直線電動機傳動優點：1）精度高。精度高。直線電動機由于不需要中間傳動機械，因而使整個機械得到簡化，提高了精度，減少了振動和噪聲。2）快速響應。快速響應。用直線電動機驅動時，由于不存在中間傳動機構的慣量和阻力矩的影響，因而加速和減速時間短，可實現快速啟動和正反向運行。3）可靠性高。可靠性高。儀表用的直線電動機，可以省去電刷和換向器等易損零件，提高可靠性，延長使用壽命。4）裝配靈活性大。裝配靈活性大。往往可將電動機和其它機件合成一體。 圖4.-9 直線感應電機的形成 直線感應電動機可以看作是由普通的旋轉感應

9、電動機直接演變而來的。直線感應電動機可以看作是由普通的旋轉感應電動機直接演變而來的。圖圖4-9 a表示一臺旋轉的感應電動機，設想將它表示一臺旋轉的感應電動機，設想將它沿徑向剖開，并將定、轉子沿徑向剖開，并將定、轉子沿圓周方向展成直線沿圓周方向展成直線，如圖，如圖4-9 b，這就得到了最簡單的平板型直線感應電，這就得到了最簡單的平板型直線感應電動機。動機。 由定子演變而來的一側稱作初級，由轉子演變而來的一側稱作次級。由定子演變而來的一側稱作初級，由轉子演變而來的一側稱作次級。直線電動機的運動方式可以是固定初級，讓次級運動，此稱為動次級；相直線電動機的運動方式可以是固定初級，讓次級運動，此稱為動次

10、級；相反，也可以固定次級而讓初級運動，則稱為動初級。反，也可以固定次級而讓初級運動，則稱為動初級。 4.5.1 直線感應電動機直線感應電動機 圖4-10 直線感應電機的工作原理行波磁場行波磁場：當初級的多相繞組中通入多相電流后，會產生一個氣隙基波磁場，但是這個磁場的磁通密度波B是直線移動的，故稱為行波磁場。同步速度同步速度：行波的移動速度與旋轉磁場在定子內圓表面上的線速度是一樣的，稱為同步速度。切向電磁力切向電磁力：在行波磁場切割下，次級導條將產生感應電勢和電流。所有導條的電流和氣隙磁場相互作用，便產生切向電磁力。如果初級是固定不動的。那末次級就順著行波磁場運動的方向作直線運動。滑差率：滑差率

11、： ssvvvsa) 短初級 b) 短次級圖4-11 平板型直線感應電動機圖4-12 雙邊型直線感應電動機 U型直線電機 平板直線電機 圖4-13 管型直線感應電動機的形成 4.5.2 直線直流電動機直線直流電動機直線直流電動機類型：直線直流電動機類型：永磁式：功率小、體積小電磁式：功率大、體積大圖4-14 永磁式直線直流電動機 a) 單極 b) 兩極1電樞繞組 2極靴 3勵磁繞組 4電樞鐵心 5非磁性端板 圖4-15 電磁式直線直流電動機4.5.3 直線步進電動機直線步進電動機特點直線步進電動機特點： 直接驅動、容易控制、定位精確等優點。直線步進電動機種類直線步進電動機種類：反應式、永磁式。

12、 圖4-16 永磁直線步進電動機工作原理 圖4-16 永磁直線步進電動機工作原理4.6 直流電機的驅動控制直流電機的驅動控制 直流電機的驅動控制直流電機的驅動控制包括控制電路控制電路、驅動電路驅動電路和接接口電路口電路三個部分。目前，直流電機的驅動多采用開關型開關型PWM驅動控制驅動控制方式，弱電控制電路和強電驅動電路之間也相應采用開關型光電隔離開關型光電隔離方式接口連接。 4.6.1 開關型功率接口電路開關型功率接口電路 光電隔離技術晶閘管接口繼電器輸出接口 固態繼電器接口 大功率場效應管開關接口 由于一般計算機控制系統的接口芯片大都采用TTL電平，不能直接驅動發光二極管，所叨通常在它們之間

13、加一級驅動器，如7406和7407等。 需要注意，光電耦合器的輸入、輸出端兩個電源必須單獨供電，如圖4-17所示。否則，如果使用同一電源 (或共地的兩個電源)，外部干擾信號可能通過電源串到系統申來，如圖4-18所示，這樣就失去了隔離的意義。 圖4-17 正確的光電隔離 圖4-18 不正確的光電隔離1.光電隔離技術2.晶閘管接口 123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:1-Apr-2011 Sheet of File:E:教學文件機電一體化教材機電一體化課程2010機制07教案MyDesign.ddbDrawn By:R1RL220V A

14、CSCR1234R2VCC控制信號圖4-19 控制電路與單向晶閘管接口電路晶閘管晶閘管：是一種大功率電器元件，也稱可控硅。晶閘管特點晶閘管特點：體積小、效率高、壽命長等優點，在計算機自動控制系統中，可作為大功率驅動器件，實現用小功率控件控制大功率設備。 3. 繼電器輸出接口繼電器特點繼電器特點：接觸電阻小、流過電流大、耐高壓；動作可靠性和反應速度不及晶閘管。 繼電器種類繼電器種類：電壓線圈、電流線圈。 123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:1-Apr-2011 Sheet of File:E:教學文件機電一體化教材機電一體化課程201

15、0機制07教案MyDesign.ddbDrawn By:R11K1KVCC控制信號K?220V ACUCUCC圖4-20 繼電器接口電路4.4.固態繼電器接口固態繼電器接口 固態繼電器固態繼電器 (Solid State Relay)： 簡稱SSR，是用晶體管或晶閘管代替常規繼電器的觸點開關，而在前級中與光電隔離器融為一體。固態繼電器種類固態繼電器種類：直流型固態繼電器、交流型固態繼電器。固態繼電器特點固態繼電器特點： 輸入控制電流小、輸出無觸點、體積小、重量輕、無機械噪聲、無抖動和回跳、開關速度快、工作可靠。工業用直流固態繼電器工業用直流固態繼電器 圖4-22 步進電機驅動接口電路圖 5.大

16、功率場效應管開關接口場效應管特點場效應管特點：輸入阻抗高，關斷漏電流小、響應速度快，在計算機開關量輸出控制中也常作為開關元件使用。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:1-Apr-2011 Sheet of File:E:教學文件機電一體化教材機電一體化課程2010機制07教案MyDesign.ddbDrawn By: GDS圖4-23 N型大功率場效應管符號及元件G：控制柵極，D：漏極，S：源極。當G為高電平時，源極與漏極導通，允許電流通過。否則，場效應管關斷。 4.6.2 4.6.2 直流電機直流電機PWMPWM驅動方式驅動方式（

17、PULSE WIDTH MODULATE）1.PWM功率驅動接口工作原理 圖4-25 PWM功率驅動接口組成框圖123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:29-Mar-2011Sheet of File:H:機電一體化教材機電一體化課程2010機制07教案MyDesign.ddbDrawn By:U1=0VUTU1+UTUS0V0V0V0VU10VUTU1+UTUS0V0V0V0VU10VUTU1+UTUS0V0V0V0VU10VUTU1+UTUS0V0V0V0V (a) (b) (c)圖4-28 單極性PWM脈寬調制波形123456AB

18、CD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:27-Mar-2011Sheet of File:E:教學文件機電一體化教材機電一體化課程2010機制07教案MyDesign.ddbDrawn By:D1 D1 DC2 A-+ DC MOTORD2 D2 DC1 V1 V2 （a） （b） 圖4-29 功率放大電路123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:27-Mar-2011Sheet of File:E:教學文件機電一體化教材機電一體化課程2010機制07教案MyDesign.ddbDrawn By:

19、A-+ DC MOTORQ1 D1 DC V12功率放大電路 功率放大器是PWM功率接口的主電路，分為單極性和雙極性兩種。 123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:27-Mar-2011Sheet of File:E:教學文件機電一體化教材機電一體化課程2010機制07教案MyDesign.ddbDrawn By:Q5 Q4 Q6 Q3 Q1 Q2 D1 D2 D3 D4 R55.1KR65.1KR21KR31KR41KR11KA-+ DC MOTORDC V1 V2 V3 V4圖4-30 H橋功率放大電路4.6.3 IR2130S4.

20、6.3 IR2130S三相驅動控制集成芯片三相驅動控制集成芯片 123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:20-Jun-2011Sheet of File:E:教學文件機電一體化教材機電一體化課程2010機制07教案MyDesign.ddbDrawn By:T1 T2 T6 T4 T3 T5 Ri0.1DCR2100R4100R6100R5100R3100R1100Q5VS3Q3VS2Q1VS1Q2Q4Q6UVWQ1Q3Q5Q2Q4Q6HIN12HIN23HIN34LIN15LIN26LIN37FLT8ITRIP9CAO10CA-11Vs

21、o13LO314LO215LO116NC17Vs318HO319Vb320NC21Vs222HO223Vb224NC25Vs126HO127Vb12815V1MGND12U1IR2130S+15VVb1Vb2Vb3Vs1Vs2Vs3PWM1PWM3PWM5PWM2PWM4PWM6IvVs1Vs2Vs3Vb1Vb2Vb3D1D2D3 +15V+C14.7u+C24.7u+C34.7u圖4-31 PWM直流伺服系統驅動電路原理圖4.7 4.7 交流伺服電機控制交流伺服電機控制交流伺服系統優點：交流伺服系統優點： 1) 無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養要求低。 2) 定子繞組散熱比較方便。

22、 3) 慣量小，易于提高系統的快速性。 4) 適應于高速大力矩工作狀態。 5) 同功率下有較小的體積和重量。 1.1.位置控制方式位置控制方式 指令脈沖（PULS）、指令符號（SIGN）、清除脈沖（CLR）。 2.2.速度控制方式速度控制方式 模擬電壓信號（-5V+5V）到速度信號輸入端就可以控制交流伺服電機的速度。3.3.扭矩控制方式扭矩控制方式 模擬電壓信號（-5V+5V）到扭矩信號輸入端就可以控制交流伺服電機的扭矩。 （a）控制信號連接方式 （b）控制信號波形 圖4-32 交流伺服驅動器位置控制方式圖4-33 交流伺服驅動器速度控制方式圖4-34 交流伺服驅動器扭矩控制方式第第1 章章

23、機電一體化系統設計緒論機電一體化系統設計緒論4.8 電電-氣比例閥、伺服閥氣比例閥、伺服閥電電-氣比例閥和伺服閥種類：氣比例閥和伺服閥種類：壓力式比例/伺服閥、流量式比例/伺服閥。壓力式比例壓力式比例/伺服閥：伺服閥：將輸給的電信號線性地轉換為氣體壓力；流量式比例流量式比例/伺服閥：伺服閥：將輸給的電信號轉換為氣體流量。4.8.1滑閥式電氣方向比例閥 流量式四通或五通比例控制閥可以控制氣動執行元件在兩個方向上的運動速度，這類閥也稱方向比例閥， 直流比例電磁鐵1、閥芯2、閥套3、閥體4、位移傳感器5和控制放大器6 圖4-35 方向比例控制閥結構控制放大器的主要作用是：1) 將位移傳感器的輸出信號

24、進行放大；2) 比較指令信號Ue和位移反饋信號Uf，得到兩者的差植U；3) 將U放大，轉換為電流信號I輸出。此外，為了改善比例閥的性能，控制放大器含有對反饋信號Uf和電壓差U的處理環節。比如狀態反饋控制和PID調節等。4.8.2 滑閥式二級方向伺閥滑閥式二級方向伺閥動圈式二級方向伺服閥動圈式二級方向伺服閥：主要由動圈式力馬達、噴嘴擋板式氣動放大器、滑閥式氣動放大器、反饋彈簧等組成。噴嘴檔板氣動放大器做前置級前置級，滑閥式氣動放大器做功功率級率級。圖4-36 動圈式二級方向伺服閥4.8.3 4.8.3 動圈式壓力伺服閥動圈式壓力伺服閥 動圈式力馬達1、噴嘴2、擋板3、固定節流口4、閥芯5、閥體6

25、、復位彈簧7、租尼孔8 圖4-37是一種壓力伺服閥壓力伺服閥壓力伺服閥：將電信號成比例地轉換為氣體壓力輸出。 （a）一個周期的脈沖波 （b）調制量與平均輸出關系 圖4-39 一個周期的脈沖波及調制量 與平均輸出的關系4.8.4 4.8.4 脈寬調制伺服閥脈寬調制伺服閥 脈寬調制氣動伺服閥脈寬調制氣動伺服閥： 一種數字式伺服控制，采用的控制閥是開關式氣動電磁閥，與模擬式伺服閥不同。 脈 寬 調 制 器 數 字 放 大 器 氣 動 執 行 元 件 氣 動 電 磁 閥 檢 測 及 變 換 元 件負 載脈 寬 調 制 伺 服 系 統 方 塊 圖一個周期的脈沖波；調制量與平均輸出關系。圖4-38 脈寬調

26、制伺服系統方塊圖1-電磁鐵；2-銜鐵；3-閥芯；4-閥體；5-反饋彈簧；6-氣缸。圖4-40 滑閥式脈寬調制伺服閥的結構原理圖該系統可以根據輸入的電信號使氣缸活塞在任意位置定位。4.8.5 電電氣比例伺服系統的應用實例氣比例伺服系統的應用實例（柔性定位伺服氣缸、位置伺服控制系統 ）控制閥伺服閥 氣缸位移傳感器 柔性定位伺服氣缸原理圖 （a)系統原理圖；(b)系統方塊圖1、2-氣缸；3-位移傳感器；4-控制放大器（a）系統原理圖（b）系統方塊圖1、2氣缸；3位移傳感器；4-控制放大器 圖4-41 柔性定位伺服氣缸原理圖4.9 電電-液比例閥、伺服閥液比例閥、伺服閥 4.9.1 電液伺服閥電液伺服

27、閥：電液伺服閥： 由電氣機械轉換器和液壓放大器兩部分組成。閥的輸入為小功率電流信號，輸出為大功率的液壓信號。 圖4-42 電液伺服閥的基本構成永久磁鐵1、導磁體2、銜鐵3、控制線圈4和彈簧管5 圖4-43 QDY電液伺服閥 無電流信號輸入時，永久磁鐵1在a、b、c、d四個氣隙中形成的磁通g是相同的，銜鐵3由彈簧管5支撐在上、下導磁體2的中間位置，此時擋板9處于兩個噴嘴6的中間，控制壓力p1P=p2P，滑閥7在反饋桿10小球的約束下也處于中位置。當輸入控制電流信號時，控制線圈4便產生相應的控制磁通c，在圖2-43所示情況下，氣隙b、c中c與g方向相同，而a、d中c與g方向相反，致使b、c中的合成

28、磁通大于a、d中的合成磁通，于是在銜鐵上產生一個逆時針方向的磁力矩，使其繞彈簧管中心逆時針偏轉，使擋極向右偏移，結果使控制壓力p2P大于p1P，推動滑閥左移，同時使反饋桿產生彈性變形，又對銜鐵擋板組伴形成一個反向力矩，當作用在銜鐵擋板組件上的磁力矩、彈簧管阻力矩、反饋桿反力矩相平衡時，滑閥便停在一個平衡位置上，輸出相應流量。在閥的負載壓力一定時，輸出流量大小決定于輸入控制電流大小，輸出流量的方向亦由輸入控制電流方向決定。 由于滑閥的位置是通過反饋桿的變形力反饋到銜鐵上使諸力平衡所決定的，所以也稱為力反饋式電液伺服閥。又因為采用兩級液壓放大，故又稱為力反饋兩級電液伺服閥。8是固定節流孔。3-導磁體，4-控制線圈，5-銜鐵，6-彈簧管，7-擋板，8-噴嘴，9-反饋桿，10-閥芯，11-固定節流孔，12-蓋，13-濾油器。 圖4-44 工業伺服閥圖4-45 帶電反饋的電液伺服閥 功率級滑閥閥芯4位置由位移傳感器8檢測，由集成電路5向傳感器提供激磁電壓。并調制其輸出電壓后反饋到放大器7的輸入端形成位置閉環。工作原理是當輸入控制電信號經大后輸入力矩馬達，