第一節執行元件的種類、特點及基本要求第二節常用的控制用電動機第三節DC與AC伺服電動機及驅動第四節步進電動機及驅動第三章執行元件的選擇與設計執行元件機電一體化系統(或產品)必不可少的驅動部件。執行元件是處于機電一體化系統的機械運行機構與微電子控制裝置的接點（聯接）部位的能量轉換元件。它能在微電子裝置的控制下，將輸入的各種形式的能量轉換為機械能。例如：電動機、電磁鐵、繼電器、液動機、油（氣缸）、內燃機等分別把輸入的電能、液壓能、氣壓能和化學能轉換為機械能。多數執行元件已作為系列化商品生產，在設計機電一體化系統時，可作為標準件選用、外購。第三章執行元件的選擇與設計第一節執行元件的種類、特點及基本要求計算機動力源傳感器執行元件機構第三章執行元件的選擇與設計第一節執行元件的種類、特點及基本要求一、執行元件的種類及特點（1）慣量小，動力大。

表征執行元件慣量的性能指標：m(直線運動）、轉動慣量J（回轉運動）表征輸出動力的性能指標：推力F、轉矩T、功率P對直線運動：a=F/m；對回轉運動：P=ωT，ε=T/J。即加速度a與角加速度ε表征了執行元件的加速性能。比功率：表征動力大小的綜合指標，包含功率、加速性能與轉速三種因素，即:比功率＝Pε/ω=T2/J二、對執行元件的基本要求第三章執行元件的選擇與設計第一節執行元件的種類、特點及基本要求（2）體積小，重量輕:用功率密度或比功率密度來評價

功率密度＝P/G；比功率密度＝(T2/J)/G，

其中G

為執行元件重量。（3）安裝方便、便于維修維護。

最好不要維修，無刷DC及AC伺服電機→走向無維修（4）易于實現自動化控制：主流是電氣式。其次是液壓式和氣壓式(在驅動接口中需要增加電-液或電-氣變換環節)。內燃機定位運動的微機控制較難，故通常僅被用于交通運輸機械。二、對執行元件的基本要求第三章執行元件的選擇與設計第一節執行元件的種類、特點及基本要求控制用電動機：力矩電動機、脈沖（步進）電動機、變頻調速電動機、開關磁阻電動機和各種AC/DC電動機等。控制用電動機是電氣伺服控制系統的動力部件，是將電能轉換為機械能的一種能量轉換裝置。由于其可在很寬的速度和負載范圍內進行連續、精確的控制，因而在各種機電一體化系統中得到廣泛應用。控制用電動機有回轉和直線驅動電動機，通過電壓、電流、頻率(包括指令脈沖)等控制，實現定速、變速驅動或反復起動、停止的增量驅動以及復雜的驅動，而驅動精度隨驅動對象的不同而不同。機電一體化系統中常用的控制用電動機是指能提供正確運動或較復雜動作的伺服電動機。第三章執行元件的選擇與設計第二節常用的控制電動機（1）性能密度大。即功率密度：P/G，或比功率密度

(T2/J)/G

大。（2）快速性好。即加速轉矩大、頻響特性好。（3）位置控制精度高、調速范圍寬、低速平穩性好、分辨率高以及振動噪音小。（4）能適應頻繁啟動，。（5）可靠性高、壽命長。第三章執行元件的選擇與設計第二節常用的控制電動機一、對控制用電動機的基本要求第三章執行元件的選擇與設計第二節常用的控制電動機二、控制用電動機的種類、特點及選用機電一體化系統中使用的兩類電動機,動力用電動機;和控制用電動機。不同的應用場合，對控制用電動機性能密度的要求也有所不同。①對于起停頻率低(如幾十次／分)，但要求低速平穩和扭矩脈動小，高速運行時振動、噪聲小，在整個調速范圍內均可穩定運動的機械，如NC工作機械的進給運動、機器人的驅動系統，其功率密度是主要的性能指標；②對于起停頻率高(如數百次／分)，但不特別要求低速平穩性的產品，如高速打印機、繪圖機、打孔機、集成電路焊接裝置等主要的性能指標是高比功率。在額定輸出功率相同的條件下,交流伺服電動機的比功率最高，直流伺服電動機次之，步進電動機最低。伺服電動機的性能比較伺服電機的優缺點比較接受控制裝置發來的進給脈沖指令信號，經過信號變換和功率放大由執行元件(伺服電機)將其轉換成角位移或直線位移，驅動運動部件實現所需要的運動.

伺服系統是自動控制系統的一類，它的輸出變量通常是機械的位置或角度，根本任務是實現執行機構對給定指令的準確跟蹤，即實現輸出變量的某種狀態能夠自動、連續、精確地復現輸入指令信號的變化規律。簡單了解一下伺服系統(servo-system)定義：以移動部件的位置和速度作為控制量的自動控制系統。簡單了解一下伺服系統(servo-system)早期的電液伺服控制系統簡單了解一下伺服系統(servo-system)早期的電液伺服控制系統簡單了解一下伺服系統(servo-system)早期的電液伺服控制系統伺服系統的基本組成：控制器、功率驅動裝置、檢測反饋裝置、伺服電機(M).簡單了解一下伺服系統(servo-system)數控機床伺服系統控制器伺服放大器電動機工作臺輸入+-誤差反饋測速發電機位移傳感器角度傳感器伺服系統的結構簡單了解一下伺服系統(servo-system)(1)組成：步進電機、驅動控制電路(控制器)。1、開環伺服系統簡單了解一下伺服系統(servo-system)(2)開環伺服系統特點①沒有位置和速度反饋回路;②設備投資低，調試維修方便;③精度差；④高速扭矩小.(3)開環伺服系統應用場合①中、低檔數控機床;②普通機床數控改造.1、開環伺服系統簡單了解一下伺服系統(servo-system)(1)閉環伺服系統組成：控制器、功率驅動電路、檢測反饋裝置、伺服電機。2、閉環與半閉環伺服系統簡單了解一下伺服系統(servo-system)(2)閉環伺服系統特點

①精度高

位置測量沒有中間環節，可通過閉環控制消除整個環內傳動鏈的全部累積誤差。②結構復雜、調整困難由于閉環系統位置環內包含的機械傳動部件比較多,因此閉環系統結構復雜、調整困難.簡單了解一下伺服系統(servo-system)2、閉環與半閉環伺服系統(3)半閉環與閉環伺服系統區別簡單了解一下伺服系統(servo-system)半閉環系統閉環系統2、閉環與半閉環伺服系統簡單了解一下伺服系統(servo-system)

(4)半閉環和閉環伺服系統應用場合

半閉環系統應用較多,閉環系統一般只用在精度要求較高的大型數控機床上.①

半閉環位置檢測裝置安裝位置：半閉環位置檢測裝置安裝位置在滾珠絲杠或電機軸上,而不是工作臺上。②

精度較低傳動鏈有一部分在位置閉環以外，其傳動誤差沒有得到系統的補償，因而半閉環伺服系統的精度低于閉環系統.③

調整比較容易(3)半閉環與閉環伺服系統區別2、閉環與半閉環伺服系統簡單了解一下伺服系統(servo-system)常見電機的工作原理常見電機的工作原理常見電機的工作原理常見電機的工作原理——直流電機基本特點（1）調速性能好:調速范圍廣，易于平滑調節。（2）起動、制動轉矩大，易于快速起動、停車。（3）易于控制。直流電機的優點：應用：（1）軋鋼機、電氣機車、無軌電車、中大型龍門刨床等調速范圍大的大型設備。（2）用蓄電池做電源的地方，如汽車、拖拉機等。（3）家庭：電動縫紉機、電動自行車、電動玩具與異步電動機相比，直流電動機的結構復雜，使用和維護不如異步機方便，而且要使用直流電源。常見電機的工作原理——直流電機工作原理NSU+–電刷換向器IFFE1.轉子（又稱電樞）

由鐵芯、繞組（線圈）、換向器組成。2.定子定子的分類：永磁式：由永久磁鐵做成。勵磁式：磁極上繞線圈，然后在線圈中通過直流電，形成電磁鐵。直流電機構成常見電機的工作原理——直流電機勵磁：磁極上的線圈通以直流電產生磁通，稱為勵磁。機座磁極勵磁繞組轉子勵磁式直流電動機結構直流電機構成常見電機的工作原理——直流電機根據勵磁線圈和轉子繞組的聯接關系：他勵電動機：勵磁線圈與轉子電樞的電源分開。并勵電動機：勵磁線圈與轉子電樞并聯到同一電源上。串勵電動機：勵磁線圈與轉子電樞串聯接到同一電源上。復勵電動機：勵磁線圈與轉子電樞的聯接有串有并，接在同一電源上。M他勵UfIfIaUM并勵UIfM串勵UM復勵U直流電機分類常見電機的工作原理——直流電機他勵電動機和并勵電動機的特性一樣。一、他勵電動機的機械特性M他勵UfIfIaU直流電機機械特性常見電機的工作原理——直流電機機械特性：電機的電磁轉矩和轉速間的關系。即：其中，1.負載轉矩變化時，電機會怎樣？2.電機怎樣調速？當T

時n

，但由于他勵電動機的電樞電阻Ra很小，所以在負載變化時，轉速

n

的變化不大，屬硬機械特性。根據n-T公式畫出特性曲線n0nNTNTn

n一、他勵電動機的機械特性直流電機機械特性常見電機的工作原理——直流電機機械特性：電機的電磁轉矩和轉速間的關系。

恒轉矩的生產機械(T一定，和轉速無關）要選硬特性的電動機，如：起重機械等。特點：勵磁線圈的電流和電樞線圈的電流相同。二、串勵電動機的機械特性直流電機機械特性常見電機的工作原理——直流電機機械特性：電機的電磁轉矩和轉速間的關系。M串勵UIanT設磁通和電流成正比，即

=K

Ia

,則(1)T=0

時，在理想情況下，n

。但實際上負載轉矩不會為0，不會工作在T=0的狀態，但空載時T很小，n很高。串勵電機不允許空載運行，以防轉速過高。串勵特性：(2)隨轉矩的增大，n下降得很快，這種特性屬軟機械特性。二、串勵電動機的機械特性直流電機機械特性常見電機的工作原理——直流電機機械特性：電機的電磁轉矩和轉速間的關系。(3)恒功率負載（P一定時，T和n成反比），要選軟特性電機拖動。如：薄膜卷取機等。與異步電動機相比，直流電動機結構復雜，價格高，維護不方便，但它的最大優點是調速性能好。（1）調速均勻平滑，可以無級調速。（2）調速范圍大，調速比可達200（他勵式）以上（調速比等于最大轉速和最小轉速之比）。直流電動機調速的主要優點是：直流電動機的調速原理常見電機的工作原理——直流電機（1）改變磁通；（2）改變電壓；（3）改變電樞電阻。直流電動機調速方法：在勵磁回路中串上電阻Rf

，改變Rf

大小調節勵磁電流，從而改變

的大小。1.原理M他勵UfIfIaU一、改變磁通（調磁）直流電動機的調速原理常見電機的工作原理——直流電機，，兩種情況：

Rf

If

n

，額定工況下，

已接近飽和，

If加大對

影響不大，故增加磁通的辦法一般不用。

Rf

If

n

，減弱磁通是常用的調速方法。（1）調速平滑，可做到無級調速，但只能向上調，受機械本身強度所限，n不能太高。（2）調的是勵磁電流（該電流比電樞電流小得多），調節控制方便。

減小

調速的特點：一、改變磁通（調磁）直流電動機的調速原理常見電機的工作原理——直流電機二、改變電樞電壓直流電動機的調速原理常見電機的工作原理——直流電機，，調電樞電壓U，n0變化，斜率不變，所以調速特性是一組平行曲線。nn0"n0'n0電壓降低T（1）電樞電壓不允許超過UN，所以調速只能向下調。（2）可得到平滑、無級調速。（3）調速幅度較大。MUfIfIaU變壓整流220V~整流調壓220V~Uf

=110V固定U=0~110V可調方案舉例：二、改變電樞電壓直流電動機的調速原理常見電機的工作原理——直流電機這種調速方法耗能較大，只用于小型直流機。串勵電機也可用類似的方法調速。電樞中串入電阻，使

n

、

n0不變，電機的特性曲線斜率變大，相同力矩下，n

nn0RaRa+

RT三、改變轉子電阻調速直流電動機的調速原理常見電機的工作原理——直流電機，，常見電機的工作原理——交流異步電動機基本特點結構簡單、價格低廉、供電方便、工作可靠。主要部件的拆分圖SN工作原理常見電機的工作原理——交流異步電動機（1）電磁轉矩的產生▲

右手定則判斷轉子繞組中感應電流的方向▲

左手定則判斷轉子繞組受到的電磁力的方向電磁力→電磁轉矩TT與n0同方向。工作原理常見電機的工作原理——交流異步電動機（2）如何產生旋轉磁場？工作原理常見電機的工作原理——交流異步電動機（2）如何產生旋轉磁場？V2V1W2U2U1W1定子三相繞組轉子工作原理常見電機的工作原理——交流異步電動機（2）如何產生旋轉磁場？V2V1W2U2U1W1工作原理常見電機的工作原理——交流異步電動機（2）如何產生旋轉磁場？工作原理常見電機的工作原理——交流異步電動機（3）異步電動機的同步轉速600pfn=min）r/

(

p12

3456n0/(r/min)300015001000750600500同步轉速

f=50Hz時，不同極對數時的同步轉速如下:轉子的轉速怎樣計算呢？電機如何調速呢？工作原理常見電機的工作原理——交流異步電動機（4）電動機轉速n和旋轉磁場同步轉速n0的關系電機轉子轉動方向與磁場旋轉的方向一致，但

異步電動機無轉矩轉子與旋轉磁場間沒有相對運動無轉子電動勢（轉子導體不切割磁力線）無轉子電流提示：如果永磁同步交流電機與異步電機的區別常見電機的工作原理——交流異步電動機SN常用伺服電機常見電機的工作原理（1）直流電機直流伺服電機（2）交流電機交流伺服電機（3）步進電機常見電機的工作原理——步進電機BIAC定子轉子IBIC步進電機結構簡圖定子磁極上有控制繞組，兩個相對的磁極組成一相。

這里的相和三相交流電中的“相”的概念不同，主要是指線圈的聯接和組數的區別。定子定子繞組轉子AABBCC常見電機的工作原理——步進電機基本工作原理步進電機是利用電磁鐵原理，將脈沖信號轉換成線位移或角位移的電機。每來一個電脈沖，電機轉動一個角度，帶動機械移動一小段距離。特點：(1)來一個脈沖，轉一個步距角。

(2)控制脈沖頻率，可控制電機轉速。

(3)改變脈沖順序，改變方向。常見電機的工作原理——步進電機特點和分類種類：反應式、永磁式、混合式。

步進電機的工作方式可分為：三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍等。工作方式一、三相單三拍三相繞組中的通電順序為：A相

B相

C相A相

C相

B相

常見電機的工作原理——步進電機OR工作方式CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A34121C'342CA'BB'A

這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，而且，一個循環周期共包括三個脈沖，所以稱三相單三拍。三相單三拍的特點：（1）每來一個電脈沖，轉子轉過30

。此角稱為步距角，用

S表示。（2）轉子的旋轉方向取決于三相線圈通電的順序，改變通電順序即可改變轉向。常見電機的工作原理——步進電機一、三相單三拍工作方式三相繞組的通電順序為：A

AB

B

BC

C

CA

A

共六拍。A相通電，轉子1、3齒和A相對齊。CA'BB'C'A3412常見電機的工作原理——步進電機二、三相單雙六拍工作方式CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412A、B相同時通電B相通電，轉子2、4齒和B相對齊，又轉了15

。三相繞組的通電順序為：

AB

BC

CA

AB

共三拍。AB通電CA'BB'C'A34123412CA'BB'C'ABC通電常見電機的工作原理——步進電機三、三相雙三拍工作方式以上三種工作方式，三相雙三拍和三相單雙六拍較三相單三拍穩定，因此較常采用。工作方式為三相雙三拍時，每通入一個電脈沖，轉子也是轉30

，即

S=30

。CA通電CA'BB'C'A3412常見電機的工作原理——步進電機三、三相雙三拍工作方式f：電脈沖的頻率

轉速

步進機通過一個電脈沖,轉子轉過的角度,稱為步距角。m:一個周期的運行拍數z

：轉子齒數如：z=4,m=3時步距角常見電機的工作原理——步進電機步距角和轉速實際采用的步進電機的步距角多為3度和1.5度，步距角越小，運動控制的精度越高。為產生小步距角，定、轉子都做成多齒的，圖中轉子40個齒，定子仍是6個磁極，但每個磁極上也有五個齒。常見電機的工作原理——步進電機小步距角的步進電動機轉子的齒距等于360

/40=9

，齒寬、齒槽各4.5

。

為使轉、定子的齒對齊，定子磁極上的小齒，齒寬和齒槽和轉子相同。工作原理：假設是單三拍通電工作方式。（1）A相通電時，定子A相的五個小齒和轉子對齊。此時，B相和A相空間差120

，含

120

/9

=

齒

A相和C相差240

，含240/9

=個齒。所以，A相的轉子、定子的五個小齒對齊時，B相、C相不能對齊，B相的轉子、定子相差1/3個齒（3

），C相的轉子、定子相差2/3個齒（6

）。常見電機的工作原理——步進電機小步距角的步進電動機常見電機的工作原理——步進電機小步距角的步進電動機若工作方式改為三相六拍，則每通一個電脈沖，轉子只轉1.5

。轉動方向仍由相序決定。同理，C相通電再轉3

……（2）A相斷電、B相通電后，轉子只需轉過1/3個齒（3

），使B相轉子、定子對齊。常見電機的工作原理——步進電機小步距角的步進電動機z=40,m=3步距角常見電機的工作原理——步進電機運行特性及性能指標1.分辨力

在一個電脈沖作用下(即一拍)，電動機轉子轉過的角位移，即步距角越小，分辨力越高。最常用的有0.6°／1.2°、0.75°／1.5°、0.9°／1.8°、1°／2°、1.5°／3°等。3.最大靜轉矩Tmax：在規定的通電相數下，轉矩的最大值。2.失調角θe：單相定子通電時，該相定子齒與轉子齒的中心線不重合所夾角。常見電機的工作原理——步進電機運行特性及性能指標4.啟動轉矩：相鄰兩通電狀態時，矩角特性交點的靜轉矩，反映了電機的承載能力。常見電機的工作原理——步進電機運行特性及性能指標6.最高啟動頻率fqmax：步進電機由靜止狀態不失步達到穩速所允許的最高輸入脈沖頻率（可以是空載下或有負載下）。5.最高運行頻率fmax：步進電機不失步運行時，輸入脈沖的最高頻率。失步丟步：齒距數少于脈沖數越步：齒距數多于脈沖數常見電機的工作原理——步進電機運行特性及性能指標7.矩頻特性：步進電機運行時，輸出轉矩與輸入脈沖頻率的關系。第三章執行元件的選擇與設計第三節直流與交流伺服電機及驅動一、直流(DC)伺服電機及驅動1.直流伺服電動機的特性及選用有較高的響應速度、精度和頻率，優良的控制特性等優點；由于使用電刷和換向器，故壽命較低，需要定期維修；在位置控制和速度控制時，必須使用角度傳感器來實現閉環控制。直流伺服電動機的特點：（1）小慣量伺服電機：其轉子無槽，繞組直接粘接固定在轉子鐵心上，轉動慣量小、反應靈敏、動態特性好，適用于高速且負載慣量較小的場合。直流伺服電動機的種類：第三章執行元件的選擇與設計第三節直流與交流伺服電機及驅動一、直流(DC)伺服電機及驅動1.直流伺服電動機的特性及選用（2）印刷電樞電機：是一種盤形伺服電動機，電摳由導電板的切口成形，裸導體的線圈端部起整流子作用，這種空心式高性能伺服電動機大多用于工業機器人、小型NC機床及線切割機床上。第三章執行元件的選擇與設計第三節直流與交流伺服電機及驅動一、直流(DC)伺服電機及驅動1.直流伺服電動機的特性及選用直流伺服電動機的種類：（3）大慣量寬調速伺服電機：70年代研制成功。在結構上采取了一些措施，盡量提高轉矩改善動態特性，既具有一般直流電動機的各項優點，又具有小慣量直流電動機的快速響應性能，易與較大的慣性負載匹配，能較好地滿足伺服驅動的要求，因此得到了廣泛應用。第三章執行元件的選擇與設計第三節直流與交流伺服電機及驅動一、直流(DC)伺服電機及驅動1.直流伺服電動機的特性及選用直流伺服電動機的種類：第三章執行元件的選擇與設計第三節直流與交流伺服電機及驅動一、直流(DC)伺服電機及驅動1.直流伺服電動機的特性及選用直流伺服電動機的選用：（1）電機連續工作額定轉矩必須能夠覆蓋整個負載轉矩區間；（2）過載程度與過載時間應該在規定范圍以內；（3）使加速度與希望的時間常數一致。（4）等效慣性負載與電機的轉子慣量相匹配。第三章執行元件的選擇與設計第三節直流與交流伺服電機及驅動一、直流(DC)伺服電機及驅動2.直流伺服電機的驅動

直流供電，需要調整的參數：電壓大小和方向方法（1）：相控變流法方法（2）：脈寬調制法（PWM：PulseWidthModulation）第三章執行元件的選擇與設計第三節直流與交流伺服電機及驅動一、直流(DC)伺服電機及驅動2.直流伺服電機的驅動單相相控變流法第三章執行元件的選擇與設計第三節直流與交流伺服電機及驅動一、直流(DC)伺服電機及驅動2.直流伺服電機的驅動單相相控變流法第三章執行元件的選擇與設計第三節直流與交流伺服電機及驅動一、直流(DC)伺服電機及驅動2.直流伺服電機的驅動單相相控變流法第三章執行元件的選擇與設計第三節直流與交流伺服電機及驅動一、直流(DC)伺服電機及驅動2.直流伺服電機的驅動單相相控變流法第三章執行元件的選擇與設計第三節直流與交流伺服電機及驅動一、直流(DC)伺服電機及驅動2.直流伺服電機的驅動

直流供電，需要調整的參數：電壓大小和方向