第三章機電一體化系統(tǒng)執(zhí)行元件的選擇與設計了解伺服系統(tǒng)概念、類型、基本要求了解執(zhí)行元件的種類、特點、基本要求掌握常用電動機的特點、驅動方法和選用了解伺服系統(tǒng)的設計方法學習目的與要求教學重點與難點步進電機、直流、交流伺服電機及其控制

本章內容伺服系統(tǒng)概述伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件概述控制電動機及其選擇計算伺服系統(tǒng)設計

4伺服系統(tǒng)

伺服來自英文單詞Servo，指系統(tǒng)跟隨外部指令進行人們所期望的運動，運動要素包括位置、速度和力矩。伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從液壓、氣動到電氣的過程，而電氣伺服系統(tǒng)包括伺服電機、反饋裝置和控制器。一、伺服系統(tǒng)基本概念

電氣控制裝置機械執(zhí)行裝置執(zhí)行元件傳感器伺服系統(tǒng)組成圖機械執(zhí)行裝置部分由兩部分組成：電氣控制裝置部分第一節(jié)伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的結構組成機電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結構、類型繁多，但從自動控制理論的角度來分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器、被控對象、執(zhí)行環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)等五部分。比較元件調節(jié)元件執(zhí)行元件被控對象測量、反饋元件輸入指令輸出量伺服系統(tǒng)組成原理框圖

按控制原理分有開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)三種形式

按被控制量性質分有位移、速度、力和力矩等伺服系統(tǒng)形式

按驅動方式分有電氣、液壓和氣壓等伺服驅動形式

按執(zhí)行元件分有步進電機伺服、直流電機伺服和交流電機伺服形式二、伺服系統(tǒng)基本類型

第二節(jié)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件概述執(zhí)行元件的種類及特點執(zhí)行元件的基本要求常用的控制用電機執(zhí)行元件，是處于執(zhí)行機構與電子控制裝置的接點部位的能量轉換部件。它能在電子控制裝置控制下，將輸入的各種形式的能量轉換為機械能。例如電動機、液動機、氣缸、內燃機、電磁鐵、繼電器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。一、執(zhí)行元件的種類及其特點

1.電氣執(zhí)行元件電氣執(zhí)行元件包括直流(DC)伺服電機、交流（AC）伺服電機、步進電機以及電磁鐵等，是最常用的執(zhí)行元件。對伺服電機除了要求運轉平穩(wěn)以外，一般還要求動態(tài)性能好，適合于頻繁使用，便于維修等

2．液壓式執(zhí)行元件液壓式執(zhí)行元件主要包括往復運動油缸、回轉油缸、液壓馬達等，其中油缸最為常見。在同等輸出功率的情況下，液壓元件具有重量輕、快速性好等特點

3．氣壓式執(zhí)行元件氣壓式執(zhí)行元件除了用壓縮空氣作工作介質外，與液壓式執(zhí)行元件沒有區(qū)別。氣壓驅動雖可得到較大的驅動力、行程和速度，但由于空氣粘性差，具有可壓縮性，故不能在定位精度要求較高的場合使用。異步電動機

感應電動機離合器電動機永磁同步電動機

微型直流減速電動機

電氣式液壓式

氣壓式應用：液壓系統(tǒng)用于需大的功率重型設備;氣動用于工件夾緊、輸送等自動化生產線;電動應用最廣泛.種類特點優(yōu)點缺點電氣式

可用商業(yè)電源；信號與動力傳送方向相同；有交流直流之分；注意使用電壓和功率。操作簡便；編程容易；能實現(xiàn)定位伺服控制；響應快、易與計算機（CPU）連接；體積小、動力大、無污染。瞬時輸出功率大；過載差；一旦卡死，會引起燒毀事故；受外界噪音影響大。氣壓式

氣體壓力源壓力5~7×Mpa；要求操作人員技術熟練。氣源方便、成本低；無泄露而污染環(huán)境；速度快、操作簡便。功率小、體積大、難于小型化；動作不平穩(wěn)、遠距離傳輸困難；噪音大；難于伺服。液壓式

液體壓力源壓力20~80×Mpa；要求操作人員技術熟練。輸出功率大，速度快、動作平穩(wěn)，可實現(xiàn)定位伺服控制；易與計算機（CPU）連接。設備難于小型化；液壓源和液壓油要求嚴格；易產生泄露而污染環(huán)境。1．慣量小、動力大表征執(zhí)行元件慣量的性能指標：對直線運動為質量m，對回轉運動為轉動慣量J。表征輸出動力的性能指標為椎力F、轉矩T或功率P。另一種表征動力大小的綜合性指標稱為比功率。它包含了功率、加速性能相轉速三種因素。2．體積小、重量輕既要縮小執(zhí)行元件的體積、減輕重量，同時義要增大其動力，故通常用執(zhí)行元件的單位重量所能達到的輸出功率或比功率，即用功率密度或比功率密度來評價這項指標。3．便于維修、安裝執(zhí)行元件最好不需要維修。4．宜于微機控制根據(jù)這個要求，用微機控制最方便的是電動式執(zhí)行元件。因此機電一體化系統(tǒng)所用執(zhí)行元件的主流是電動式，其次是液動和氣動式。二、執(zhí)行元件的基本要求控制用電機是電氣伺服控制系統(tǒng)的動力部件。它是將電能轉換為機械能的一種能量轉換裝置。機電一體化產品中常用的控制用電機是指能提供正確運動或較復雜動作的伺服電機。三、常用的控制用電機

控制用電機有回轉和直線驅動電機，通過電壓、電流、頻率(包括指令脈沖)等控制，實現(xiàn)定速、變速驅動或反復啟動、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。電動機工作原理NS＋U－電刷換向片主要有：開環(huán)控制、半閉環(huán)控制、閉環(huán)控制三種。閉環(huán)系統(tǒng):驅動系統(tǒng)具有位置(或速度)反饋環(huán)節(jié)開環(huán)系統(tǒng):沒有位置與速度反饋環(huán)節(jié)常用伺服控制電動機的控制方式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；調速范圍寬（1：1000以上）；適應啟停頻繁的工作要求等.3.位置控制精度高、調速范圍寬、低速運行平穩(wěn)無爬行現(xiàn)象.4.適應啟、停頻繁的工作要求.5.可靠性高、壽命長.6.易于與計算機對接，實現(xiàn)計算機控制.

1控制用電動機的基本要求動力用電動機，如感應式異步電動機和同步電動機等；控制用電動機，如力矩電動機、脈沖電動機、開關磁阻電動機、變頻調速電動機和各種AC／DC電動機等等。2控制用電機分類控制用旋轉電機按其工作原理可分為旋轉磁場型和旋轉電樞型。前者有同步電機(永磁)、步進電機(永磁)；后者有直流電機(永磁)、感應電機(按矢量控制等效模型)。具體的可細分為：

DC伺服電機(永磁)

：有槽鐵芯電樞型、無槽(平滑型)鐵芯電樞型、電樞型(無槽(平滑)鐵芯型與無鐵芯型)。

AC伺服電機：同步型(SM)、感應型(IM)。步進電機：變磁阻型(VR)、永磁型(PM)、混合型(HB)。步進電機（SteppingMotor）直流伺服電機(DCServoMotor)交流伺服電機(ACServoMotor)伺服驅動電機一般是指：常用電動機固定磁阻電動機

變磁阻電動機無磁電動機

直流伺服電機

交流伺服電機

反應式步進電動機

永磁式步進電動機

混合式步進電動機

直線步進電動機

——超聲波電機常用電機特點：名稱特點直流伺服電動機可控性好、穩(wěn)定性好、響應快、有電刷接觸交流伺服電動機勵磁電流小、體積較小、機械強度高、無電刷反應式步進電動機啟動和運行頻率高、斷電無定位轉矩、消耗功率較大永磁式步進電動機消耗功率較反應電機小、需正負脈沖供電、啟動和運行頻率較小、有定位轉矩混合式步進電動機啟動和運行頻率較高、需正負脈沖供電、消耗功率較小、有定位轉矩直線步進電動機提供直線運動、結構簡單、