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第八讲机电控制工程中执行机构的设计本章教学要求和要点1、了解执行部件的组成和分类2、掌握控制电机的选型和控制3、掌握液压执行部件的基本组成4、了解气动执行部件的基本组成一、执行机构的组成及要求1、执行机构的构成执行机构能将输入的各种形式的能量转换为机械能，如电动机、液动机、气缸、内燃机等分别把输入的电能、液压能、气压能和化学能转换为机械能。执行机构的基本构成如图8-1所示，即由能源、运算控制装置、能量转换控制装置和动力产生装置构成。图8-1执行机构的组成执行机构的功率可大到几万kW，小到1IW以下。从控制角度来看，执行机构主要有以下三个作用：1）高效率地给负载提供动力。2）正确控制动力产生装置产生的力或运动。3）快速实现对动力产生装置的控制。2、机电控制工程对执行机构的要求1）惯量小、动力大表征执行元件惯量的性能指标为质量m（直线运动）或转动惯量J（回转运动）。表征输出动力的性能指标为推力F、转矩T或功率P。不管是直线运动还是回转运动，人们都希望执行元件的惯量小、动力大，能适应启停平繁的要求。2）体积小、重量轻既要缩小执行元件的体积、减轻重量，同时又要增大其动力，故通常采用执行元件单位重量所能达到的输出功率或比功率，即功率密度或比功率密度，来评价这项指标。3）便于安装维修要求执行元件便于安装、维修。4）适宜进行计算机控制根据这项要求，使用计算机控制最方便的是电气式执行元件。因此机电控制系统中所使用执行元件的主流是电气式，其次是液压式和气动式。近些年，电气式执行元件得到尤为迅速的发展。如：数控机床的发展。二、执行机构的分类按照动力产生装置的种类，可将执行元件分为电气式、液压式和气动式等几种类型，其使用能量有所不同。电气式是将电能转换成电磁力，并用该电磁力驱动运行机构运动；液压式是先将电能转换为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；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。如：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概念：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。特点：（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。选择：（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