第七章 机电控制工程中执行部件的设计Word格式文档下载.docx

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气动式与液压式的原理相同，只是将介质由油改为气体而已。

其他执行元件与使用材料有关，如使用双金属片、形状记忆合金或压电元件。

1）电气式行元件

电气式执行元件的能源通常是工业电源，通过晶闸管、功率晶体管等构成的电力变换装置产生电力，供给电气式执行元件，由气报执行元件产生所需要的力和运动。

常用的电气式执行元件有控制用电动机、直线式电动机、超声波电动机及电磁铁等。

控制用伺服电动机有直流电动机、交流电动机和步进电动机。

直流伺服电动机响应速度快、可控性好，用于高精度伺服系统中。

交流伺服电动机又分感应电动机和同步电坳机。

同步电动机主要用于机床进给机构，而感应电动机主要用于机床主轴驱动等。

由于交流伺服电动机控制技术的发展，采用向量控制的感应民动机也完全可以取代直流电动机用于位置、速度伺服系统。

步进伺服电动机主要用于办公自动化机械、计算机终端设备、测试装置等小型伺服系统。

功率步进电动机也常用于一些需较大功率的场合，如中、小型数控机床伺服进给驱动。

电气式执行元件主要以电动机控制技术为基础。

控制用电动机驱动系统一般由电源供给电力，经电力转换后输送给电动机，使电动机做回转（或直线）运动，驱动负载机械（运行机械）运动，并在指令器给定的指令位置定位停止。

对控制用电动机的性能除了要求稳定运转这一性能之外，还要求具有良好的加速、减速性能和伺服性能等动态性能。

2）液压式执行元件

液压式执行元件的能源来自液体的压力，通过控制阀转换成可控制的能量，由液压马达产生所需要的力和运动。

在同样的输出功率下，液压驱动装置具有重量轻、惯量小、快速性好等优点。

它通常不使用减速器便可以直接驱动机构得到平滑的运动，且无死区。

行元件主要包括往复运动的油缸、回转油缸、液压马达等。

目前，世界上已开发出各种数字式液压式执行元件，如电-液伺服马达和电-液步进马达，这些电-液式马达的最大优点是比电动机的转矩大，可以直接驱动运行机构，具有高精确度和定位性能好等特点。

也有它因有的一些缺点，如对管道的安装、调整以及防止整个油路的污染及维护等性能要求较高。

管路中不可避免的泄漏、输油管引起的动态延迟等都将使控制特性变坏。

因此，在中、小规模的机电系统中更多地使用电动驱动装置。

3）气动式执行机构

行元件除了使用压缩空气作为工作介质外，与液压式执行元件无其他区别，其驱动功率在液压和电动之间，具有代表性的气动式执行元件有气缸、气动马达等，气动式执行元件具有结构简单、可靠性高、价格低等优点。

系统近些年得到大量应用。

其主要特点是动作迅速、反应快、维护简单、成本低；

同时由于空气黏度很小，压力损失小，节能高效，适用于远距离输送；

工作环境适应性好，特别适合在易燃、易爆、强振、辐射等恶劣环境中工作。

乞动控制系统的最大优点是有积木性，气动控制系统的动力源泉可经过一个公用的多路接头为所有的气动模块所共享，并可利用标准构件组建起一个任意复杂的系统。

三、电动机的分类、选择和控制

1、电动机的分类

驱动电动机：

作为动力来使用，主要的任务能量的传递和转换。

煤炭输送带用的电机、洗衣机用的电机，冲击钻用的电机等等。

控制电动机：

主要任务是转换和传递控制信号，能量的转换是次要的。

步进电机、伺服电机、直接驱动电机等。

对控制电动机的要求是：

动作灵敏、准确度高、重量轻、体积小、耗电少和运行可靠等特点。

因此在机电控制工程中选择电动机的前提是看电动机的主要任务和用途是什么。

2、控制中低压电器的选择

（1）刀开关：

手动隔离开关电器。

用来不平繁接通和分断电路。

或将电路与电源隔离。

（2）主令电器：

用于发布控制指令的电器

a、控制按钮：

用来发布手动控制指令。

b、组合开关：

用作电源隔离开关以接通和分断小电流电路。

c、万能转换开关：

用来控制许多条通断要求不同的电路。

d、行程开关：

依据生产机械的行程发出命令以控制其运动方向或行程长短的电器。

（3）继电器：

继电器是一种根据特定形式的输入信号而动作的自动控制器。

分为：

a、电流继电器：

其线圈与被测量电路串联，以反映电路电流的变化。

分为欠电流和过电流继电器。

b、电压继电器：

其线圈与负载并联以反映负载电压，分为过电压、欠电压和零电压继电器。

c、中间继电器：

其结构属于电压继电器，用来转换控制信号的中间元件。

它输入的是线圈的通断电信号，输出为触电的动作信号。

d、时间继电器：

其敏感元件获得信号后，执行元件要延迟一段时间才动作。

分为电磁式、空气阻尼式、电动式和电子式。

e、热继电器：

是利用热源效应原理实现过载保护的一种自动电器。

（4）熔断器：

熔断器是一种当电流超过规定值一定时间后，以本身产生的热量使熔体融化而分断电路的电器。

（5）接触器：

是一种自动化的控制电器，主要用于频繁接通或分断交流、直流电路，具有控制容量大和可远距离操作等特点，主要控制对象是电动机。

也可以用于其他电力负载，如电热器、照明设备、电焊机等。

接触器由电磁系统、触电系统和灭弧系统组成。

继电器和接触器的比较：

继电器触点容量通常较小，接在控制线路中主要用于反映控制信号，是控制系统中的信号检测元件；

接触器触点容量大，直接用于开、断主电路，是控制系统中的执行元件。

（6）现代低压电器

a、高频振荡行程开关

b、电磁感型行程开关

c、电容型行程开关

d、光电型行程开关

e、永磁型行程开关

f、超声波型行程开关

g、霍尔型行程开关

h、晶体管时间继电器

i、数字式时间继电器

j、固态继电器：

其接通和断开无需机械接触部件，因而具有控制功率小、开关速度快、工作频率高、使用寿命长、耐振动和冲击能力强、动作可靠、抗干扰、对电流电压适应范围广等优点。

在自动控制中代替了常规的电磁式继电器。

k、软启动器

3、异步电机控制

异步电机的正反转控制如图8-3所示。

图8-3电机正反转按钮控制电路

控制的步骤如下。

正转：

按下正转启动按钮SB2，接触器KM1线圈得电，正转主电路触点闭合；

辅助触点中的常开触点闭合而常闭触点断开，电机正转。

反转：

按下反转启动按钮SB3，接触器KM2线圈得电，反转主电路触点闭合；

辅助触点中的常开触点闭合而常闭触点断开，电机反转。

将正反转的的常闭触电串接在对方的工作线圈里，构成“互锁”。

电机由正到反或由反到正必须先按下，停止按钮SB1.

4、控制电机的选择与控制

（1）步进电机的选择及控制

概念：

步进电机是一种利用电磁铁的作用原理将电脉冲信号转化为线位移或角位移的执行机构。

特点：

（a）步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比；

（b）步进电机与驱动电路组成简单、廉价的开环控制系统，也可以与角度反馈环境组成高性能的闭环控制系统；

（c）步进电机的动态响应快，易于启停、正方转及变速；

（d）调速范围宽，低速转矩大；

（e）步进电机的转矩会随转速的升高而下降；

（f）步进电机只能通过脉冲电源工地才能运行，不能直接使用交、直流电源。

选择：

（a）输出转矩的选择：

正常工作状态下，启动转矩必须大于折算到电动机轴上的负载转矩。

为了可靠稳定，还应有一定的安全系数，即

Ma≥（2~3）MLmax

式中Ma—步进电动机启动转矩，MLmax——最大负载力矩。

在系统要求的运行频率范围内，步进电动机的电磁转矩应大于折算到电动机轴上的最大静态负载转矩与最大惯性力矩之和，以保证加速性能。

（b）步矩角的选择：

电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。

电机的步距角应等于或小于此角度。

目前市场上步进电机的步距角一般有0.36°

、0.75°

、0.9°

、1.5°

、2.25°

、3.0°

、7.5°

等。

步矩角ap要满足系统最小位移量的要求，即

ap≤amin

式中，amin为负载轴要求的最小位移增量（即脉冲当量）。

（c）精度的选择：

步进电动机的精度用步距精度△am应满足

△am≤△aL

式中，△aL为负载轴允许的角度误差。

（d）启动频率与运行频率的选择：

步进电机运行频率连续上升时，电动机不失步的最高频率为运行频率，它的值跟负载有关。

要求在同样负载下，运行频率要远大于启动频率。

（e）电流的选择：

静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）

（f）辐射干扰的选择：

在检测系统和计算机控制系统组合条件下的机电产品，应选择无辐射干扰的步进电动机，有利于检测和控制精度及可靠性。

（g）尺寸选择：

在满足总体控制要求的条件下，选择结构尺寸小、重量轻的步进电动机。

控制：

图8-2步进电机工作控制系统框图

（2）伺服电机的选择及控制

伺服电机是一种将信号电压信号转化为转矩和转速的执行机构。

（a）调速范围广。

伺服电机的转速随着控制电压改变，能在宽广的范围内连续调节。

（b）转子的惯性小，即能实现迅速启动、停转，当信号电压为零时无自转现象。

（c）控制功率小，过载能力强，可靠性好。

（a）电机的类型选择：

无刷电机具有转矩高、速度范围宽、坚固耐用、易维修等优点，因而伺服电机一般选择用无刷电机，如异步感应电机（IM）、三相永磁同步电机（PMSM）和无刷直流电机（BDCM）。

矢量控制技术解决了这三种电机各自的不足，特别是在伺服驱动中的动态控制问题的解决，使交流伺服驱动系统可与直流伺服驱动系统相媲美。

在转矩/惯量比等方面交流伺服驱动系统明显优于直流伺服驱动系统，特别是在一些高精度伺服驱动系统中，一般选择交流伺服电机。

（b）电机成本选择：

由于交流伺服驱动系统一般是同伺服电机、变频装置（流器和逆变器）和控制系统三部分组成。

对于三相异步（感应）电机、三相永磁同步电机和无刷交流电机这三种交流伺服系统来说，变频装置和控制系统的价格相差无几，后两种电机的价格差距也不大，而三相感应电机的价格仅为三相交流永磁同步电机的1/3左右。

因而，从经济性来考虑，在控制精度要求不高时，选择三相交流笼型感应电机最合适，价格低，使用方便。

转速和编码器分辨率的确认

（c）按转矩/惯量比选择：

径向磁场的三相永磁同步电机和无刷交流电机的转矩/惯量比可达4200s—2，轴向磁场的三相永磁同步电机可达5600—2，而感应电机仅为其一半。

转矩/惯量比是电机加速性能和动态性能的重要指标，在高性能伺服控制系统中，应选转矩/惯量比大的电机。

计算负载惯量，惯量的匹配

（d）电机调整范围选择。

电机调整范围应在满足负载功率要求的条件下进行选择，并且电机调整范围大于应用的负载转速。

（e）电机的额定功率应与驱动器功率匹配，原则上驱动器功率大于电机功率的20%。

（f）电机的功率选择。

负载功率的大小是由理论计算和实测结果确定的，为了保证电机的正常稳定工作，电机的功率应大于负载功率的2~3倍。

电机轴上负载力矩的折算和加减速力矩的计算。

（g）电机尺寸。

电机的结构尺寸和安装方式，应在满足总体设计要求条件下选择，必须根据电机功率、性能特性确定。

（a）幅值控制：

保持控制电压与励磁电压间的相位差不变，仅仅改变控制电压的幅值。

（b）相位控制：

保持控制电压的幅值不变，改变制电压与励磁电压间的相位差。

（a）幅-相控制：

同时改变控制电压的幅值和相位。

（3）步进电机与伺服电机的比较

控制精度不同

　　两相混合式步进电机步距角一般为1.8°

，五相混合式步进电机步距角一般为0.72°

、0.36°

。

也有一些高性能的步进电机通过细分后步距角更小。

如山洋公司（SANYODENKI）生产的二相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°

、0.72°

、0.18°

、0.09°

、0.072°

、0.036°

，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。

　　交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。

以山洋全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2000线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°

/8000=0.045°

对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°

/131072=0.0027466°

，是步距角为1.8°

的步进电机的脉冲当量的1/655。

低频特性不同

步进电机在低速时易出现低频振动现象。

振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。

这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。

当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。

交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。

交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。

矩频特性不同

步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。

交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。

过载能力不同

步进电机一般不具有过载能力。

交流伺服电机具有较强的过载能力。

以山洋交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。

其最大转矩为额定转矩的二到三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。

步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。

运行性能不同　

步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。

交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。

速度响应性能不同

步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。

交流伺服系统的加速性能较好，以山洋400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。

综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。

但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。

所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。

（4）力矩电机的选择及控制

是一种将电信号转化成恒力矩输出的执行机构。

（a）调速简单，范围广。

电机转矩与交流电压成平方比，因此只要改变输入的电压即可调速

（b）大转矩矩且转矩矩波动小。

适用与收卷取设备。

（c）过载能力强，可在堵转状态下运转。

在堵转或接近堵转状态下输出稳定的转矩，适用于顶住物体等需要静止转矩的场合。

（d）响应快，特性线性度好

（5）直线电机简介

直线电机是一种将信号转化为直线运动的执行机构。

（a）速度快

（b）结构简单

（c）直接拖动

（d）适应性强

（e）灵活性大

（f）不能连续地作直线运动

例：

券钞箱自动开箱机的设计

四、液压系统的控制

1、液压系统的组成

液压系统是由若干具有特定功能的液压元件组成并完成某种具体任务的一个整体，图8-4示出了一个典型的液压系统。

图8-4液压系统的组成

通常一个完整的液压系统由以下5个部分组成。

（1）液压动力元件。

将原动机的机械能转换成机械能，典型的动力元件为液压泵等。

在图8-3中液压泵把油箱中的液压油打入液压系统中去。

（2）液压执行元件。

将液体的压力能转换成机械能，如液压马达等，从原理上讲液压泵和液压马达具有互逆性。

就像发电机和电动机一样。

但是为了提高其工作性能，在其各自结构上采取的措施限制了这种可逆性。

另一种重要的执行元件是液压缸。

液压缸分为直线往复式和摆动式两种，直线往复式又有单作用与双作用、单出杆与双出杆、活塞式与柱塞式等区别。

单作用指的是液压只能在一个方向上推动活塞，活塞的返回要靠弹簧。

图8-3中的液压缸即为最典型的双作用单出杆活塞缸，这种缸通过两个油口液压油的进出实现活塞杆的双向直线运动。

（3）液压控制元件。

对系统压力、执行机构的运动速度和运动方向实行控制。

利用控制元件对系统中的液体压力、流量及方向进行控制或调节，以满足工作装置对传动的要求。

控制元件主要是各种各样的阀。

溢流阀：

的作用是在压力过大时让部分油返回油箱，从而控制了系统中的油压。

单向阀“（逆止阀）防止液压油逆向流动。

换向阀：

只具有开关切换的功能，而节流阀因为可以通过改变阀口通流面积或通流道的长度来改变流阻，则使其具有连续调节流量的功能。

在需要系统具有开关切换功能，且使系统的输出自动地、快速地和准确地跟踪输入时，就需要采用伺服阀。

液压伺服阀有滑阀式、射流管式、喷嘴挡板式、转阀式和电液式等。

（4）液压辅助元件。

起辅助作用，如油箱、滤油器、管路、管接头及各种控制、检测仪表等。

其作用是储存、输送、净化工作液及监控系统等。

在有些系统中，为了进一步改善系统性能，还采用了蓄能器、加热器及散热器等辅助元件。

（5）工作介质。

液压系统中的工作介质为液压油或水基液体，它们存在于上述4种元件之中，起传递动力和能量的作用。

上述各种元件之间的关系如图8-5所示

图8-5液压系统组成框图

2、液压系统的优缺点

理论上液压系统可以用来实现与负载无关的任意运动规律，很容易实现对液体压力、流量和运动方向的控制，从而实现对输出力、速度和运动方向的控制。

因此，液压系统在控制上获得了广泛应用。

液压系统的优点

（1）液压传动可在运行过程中方便地实现大范围的无级调速，调速范围可达1000：

1。

液压传动装置可在极低的速度下输出很大的力。

例如，当液压成达转速达1r/min时仍具有良好的特性一，这是电气传动不能实现的，如果采用机械传动装置减速，其减速器结构往往十分复杂。

（2）在输出相同功率的情况下，液压传动装置的体积小、质量轻、结构紧凑、惯性小。

由于液压系统中的压力比电枢磁场中单位面积上的磁力大30~40倍，液压传动装置的体积和质量只占机同功率电动机的12%左右。

因此，液压传动易于实现快速起动、制动及频繁换向，每分钟的换向次数可达500次（左右摆动）或1000次（往复移动）。

（3）液压传动易于实现自动化，特别是采用电液和气液传动时，可实现复杂的自动控制。

（4）液压装置易于实现过载保护。

当液压系统超负荷（或系统承受液压冲击）时，液压油可以经溢流阀排回油箱，使系统得到过载保护。

（5）易于设计、制造。

液压元件已实现了标准化、系列化和通用化。

液压系统的设计、制造和使用都比较方便。

液压元件的排列布置也有很大灵活性。

液压系统的缺点

（1）不能保证严格的传动比。

这是由于液压介质的可压缩性和不可避免的泄漏等因素造成的。

（2）系统工作时，对温度的变化较为敏感。

液压介质的黏性随温度变化而变化，从而使液压系统不易保证在高温和低温下都具有良好的工作稳定性。

（3）在液压传动中，能量需经过两次。

且液压能在传递过程中有流量和压力损失，所以系统能量损失较大，传输效率较低。

（4）元件投敌精度高、造价高，对其使用和维护提出了较高的要求。

（5）出现故障时，比较难以查找和排除，对维修人员的技术水平要求较高。

五、气动系统的控制

1、气动系统的组成

基本的气动系统组成如图8-6所示，它是由压缩空气的产生、输送系统、压缩空气消耗系统等主要部分组成。

（1）气压发生装置：

空气压缩机将大气压力的空气压缩并以较高的压力输绷带气动系统，这样就把将原动机输出的机械能转变为空气的压力能；

电坳机则给压缩机提供机械能，它是把电能转变成机械能；

储气罐用来储存压缩空气，它的尺寸大小由压缩机的容量来决定，储气罐的容积越大，压缩机运行时间间隔就越长。

（2）控制元件是用来控制压缩空气的压力、流量和流动方向，以保证执行元件具有一定的输出力和速度，并按设计的程序正常工作。

常见的有压力阀、流量阀，方向阀、安全阀和逻辑等，如让望而却步缩空气从压缩机进入储气罐时必须有一单向阀，当压缩机关闭时，用于阻止压缩空气反方向流动。

方向控制阀则通过对气缸两个接口交替地加压和排气，来控制运动的方向。

（3）执行元件是将空气的压力能转变为机械能的能量转换装置，如气缸、气动马达。

（4）辅助元件是用于辅助保证气动系统正常工作的一些装置。

如主管道过滤器，主管过滤器用来清除管道内灰尘、水分和油，同时过滤器必须具有油雾分离能力。

另外，空气干燥器、空气过滤器、消声器和油雾器也是必不可少的。

图8-6气动系统的基本组成图

2、气动控制系统的优缺特点

气动系统的优点。

（1）空气作为工作介质，取之不尽，用后排气处理简单，不污染环境。

（2）工作环境适应性好。

即使在易燃、易爆、多尘埃、辐射、强磁、振动、冲击等恶劣环境中，气压传动系统也可安全可靠也工作。

对于要求高净化、无污染的场合，如食品加工、印刷、精密检测等更具有独特的适应能力，优于液压、电气控制系统。

（3）由于空气流动损失小，空气黏度小，只有油的0.01%；

流动阻力小，管路损失仅为油路损失的0.1%。

便于介质集中供应和远距离输送。

（4）与液压传动相比，气动传动动作迅速、反应快，可在较短的时间内达到所需的压力和速度。

（5）气动系统压力等级低，因此装置结构简单、轻便、安装维护方便，使用较为安全。

气动元件结构简单，易于加工制造，使用寿命第，可靠性高