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机电一体化技术 胡红生 邮箱：hhs999@ 第五章 机电一体化系统的执行与驱动技术 知识点： 机电一体化系统执行元件的特点及类型 机电一体化系统常用控制电机性能的比较 步进电机的工作原理及驱动方法 直流伺服电机的工作原理及驱动方法 交流伺服电机的工作原理及驱动方法 本章导读 执行元件接受控制器的指令，通过传动机构驱动执行机构实现某种特定的功能。根据使用能量的不同，可将执行元件分为电气式、液压式和气压式等几种类型。 本章就各种常用的执行元件的构成和伺服驱动方式的特点进行了概述。 伺服系统是自动控制系统的一类，它的输出变量通常是机械或位置的运动，它的根本任务是实现执行机构对给定指令的准确跟踪，即实现输出变量的某种状态能够自动、连续、精确地复现输入指令信号的变化规律。 执行元件的特点及类型 1. 电气执行元件 电气执行元件包括直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机以及 电磁铁等，是最常用的执行元件。对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。 在自动控制系统中，伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱动被控对象，当信号电压的大小和极性(或相位)发生变化时，电动机的转速和转向将快速、准确地跟着变化。目前常用的伺服电动机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机。 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。 例：数控机床伺服系统， 由图可以看出，它与一般的反馈控制系统一样，也是由控制器、被控对象、反馈测量装置等部分组成。 对伺服系统的基本要求有稳定性、精度和快速响应性。 稳定性是指作用在系统上的扰动消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态的能力。 精度是伺服系统的一项重要的性能要求。它是指其输出量复现输入指令信号的精确程度，通常用稳态误差表示。 快速响应性是衡量伺服系统动态性能的另一项重要指标。快速响应性有两方面含义，一是指动态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的迅速程度，二是指动态响应过程结束的迅速程度。 一般来说，工作机的执行机构要对外界做功，因此必须实现一定的运动和传递必要的动力。通常对执行机构提出如下基本要求： （1）能够实现系统所需的运动。 （2）传递必要的动力。 （3）保证系统具有良好的动态品质。 机电一体化系统的执行元件应满足以下几项性能要求： （1）惯量小、动力大； （2）体积小、重量轻； （3）快速性好，加减速扭矩大，频率特性好； （4）位置控制精度高。 伺服系统设计步骤 在进行系统方案设计时，需要考虑以下方面的问题： 1．系统闭环与否的确定 当系统负载不大，精度要求不高时，可考虑开环控制；反之，当系统精度要求较高或负载较大时，开环系统往往满足不了要求，这时要采用闭环或半闭环控制系统。一般情况下，开环系统的稳定性不会有问题，设计时仅考虑满足精度方面的要求即可，并通过合理的结构参数匹配，使系统具有尽可能好的动态响应特性。 2．执行元件的选择 选择执行元件时应综合考虑负载能力、调速范围、运行精度、可控性、可靠性以及体积、成本等多方面的要求。一般来讲，对于开环系统可考虑采用步进电动机、电液脉冲马达和伺服阀控制的液压缸和液压马达等，应优先选用步进电动机。对于中小型的闭环系统可考虑采用直流伺服电动机、交流伺服电动机，对于负载较大的闭环伺服系统可考虑选用伺服阀控制的液压马达等。 3．传动机构方案的选择 传动机构是执行元件与执行机构之间的一个连接装置，用来进行运动和力的变换与传递。在伺服系统中，执行元件以输出旋转运动和转矩为主，而执行机构则多为直线运动。用于将旋转运动转换成直线运动的传动机构主要有齿轮齿条和丝杠螺母等。前者可获得较大的传动比和较高的传动效率，所能传递的力也较大，但高精度的齿轮齿条制造困难，且为消除传动间隙而结构复杂；后者因结构简单、制造容易而应用广泛。 4．控制系统方案的选择 控制系统方案的选择包括微型机、步进电动机控制方式、驱动电路等的选择。常用的微型机有单片机、单板机、工业控制微型机等，其中单片机由于在体积、成本、可靠性和控制指令功能等许多方面的优越性，在伺服系统的控制中得到