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第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置

§3.1执行装置概述

执行元件是工业机器人、CNC机床、各种自动机械、信息处理计

算机外围设备、办公室设备等机电一体化系统必不可少的驱动部件。

执行元件是处于机电一体化系统的机械执行机构与微电子控制

装置的接点部位的能量转换元件。它可以将输入的各种形式的能量转换

为机械能。

§3.1.1执行元件的种类与特点

根据使用能量的不同，可将执行元件分为三类：

①电气式：将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动运行机构，包括控制

用电动机、静电电动机、磁致伸缩器件、压电元件、超声波电动机及电

磁铁。

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特性：可用商用电源，信号与动力的传送方向相同，操作简便，编程容

易，能实现定位伺服，易与CPU相接，动力较大，无污染，但瞬时输出

功率大，过载差。

②气压式：采用压缩空气作为工作介质，具有气源方便、本钱低、无泄

漏污染、速度快等特性，但动作不够平稳、远距离传输困难、工作噪声

大、难于伺服，由于空气粘性差，具有可压缩性，故不能在定位精度较

高的场合使用。

③液压式：先将电能变成液压能，并用电磁阀改变压力油的流向，从而

使液压执行元件驱动运行机构运动。具有输出功率大、速度快、动作平

稳、可实现定位伺服等特性，但设备难于小型化，易泄漏且有污染。

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§3.1.2机电一体化对执行元件的根本要求

1．惯量小、动力大

表征执行元件惯量的性能指标：对直线运动为质量，对回转运动

为转动惯量。表征输出动力的性能指标为推力、转矩或功率。

2．体积小、重量轻

用单位重量所能到达的输出功率或比功率，即比功密度或功率密

度衡量。

3．便于维修、安装

4．宜于微机控制。

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§3.2常用控制用电动机及特性分析

3.2.1常用控制用电动机

1.控制用电动机的定义

电气式执行元件是机电系统的常用元件，由于控制用电动机可

以在很宽的速度和负载范围内进行连续、精确的控制,因而在各种机电

一体化系统中得到广泛的应用。

机电系统中常用两类电动机：一类是一般动力用电动机，如感

应式异步电动机和同步电动机等。另一类为控制用电动机，如力矩电动

机、步进电动机和各种交直流伺服电动机。控制用电动机是电气伺服控

制系统的动力部件，是将电能转换为机械能的一种能量转换装置。

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控制用电动机是指能提供正确运动或较复杂动作的伺服电动机。利用电

压、电流、频率〔包括指令脉冲〕等控制方式，实现定速〔或变速〕驱

动，反复启、停的增量驱动以及复杂驱动。它具有稳速运转性能，良好

的加速、减速性能和伺服性能等动态性能以及频繁使用时的适应性和便

于维修性能。

机电一体化系统对控制用电动机的根本要求：

①性能密度大。②快速性好，即加速转矩大，频响特性好。③位置控制

精度高、调速范围宽、低速运行平稳无爬行、分辨力高、振动噪声小。

④适应起、停频繁的工作要求。⑤可靠性高、寿命长。

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