第1章 机电控制及自动化绪论

1、 第一章第一章 概概 论论 机电一体化的定义机电一体化的定义“机电一体化机电一体化”一词的英文名词是“Mechatronics”,它是取Mechanics（机械学）的前半部分和Electronics（电子学）的后半部分拼合而成的。第一节第一节 机电控制系统组成机电控制系统组成MechatronicsMechanicsElectronics第一节第一节 机电控制系统组成机电控制系统组成n机电一体化技术：机电一体化技术：从系统的观点出发，将机械技术 、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合，以实现整个系统最佳化的一门新科学技术。机电一机电一体化体化信息科学信息科学机机械械学

2、学电子学电子学视频视频第一节第一节 机电控制系统组成机电控制系统组成n 研究什么样的机电控制系统？研究什么样的机电控制系统？机电控制系统是机电一体化系统或产品中的自动控制系统机电控制系统是机电一体化系统或产品中的自动控制系统第一节第一节 机电控制系统组成机电控制系统组成机电控制系统结构及功能机电控制系统结构及功能机电控制系统要素与人体组成要素典型机电控制系统的基本构成典型机电控制系统的基本构成切削力检测切削力检测冷却液温度检测冷却液温度检测冷却液压力检测冷却液压力检测步进电机、步进电机、伺服电机伺服电机或伺服液或伺服液压缸压缸丝杠丝母丝杠丝母PLC或或(IPC)工控机工控机控制：控制：驱动：驱

3、动：光栅光栅位移检测：位移检测：传动：传动：第一节第一节 机电控制系统组成机电控制系统组成4 4、机电控制系统的组成框图、机电控制系统的组成框图放 大 器控 制图 机 电 控 制 系 统 方 框 图机 构指 令+-检 测 元 件元 件执 行装 备机 械本书研究内容本书研究内容5、机电控制系统的分类、机电控制系统的分类执行元件机电控制系统机电控制系统机械式机械式电气式电气式流体式流体式第一节第一节 机电控制系统组成机电控制系统组成第一节第一节 机电控制系统组成机电控制系统组成机械式没有能量转换元件，控制元件只能用离合器、飞轮等很难进行控制的器件，目前已被淘汰。 阀式控制操纵功率小、响应快，但系统

4、的效率低、能耗大。阀控流体式执行元件中能量变换多，功率损失大，系统效率低，可用于高速、大功率的场合。 电气式的执行元件虽然能量转换较少，但功率也小，虽然目前控制电机也在不断发展，在快速性和功率容量上都有所提高，但总的容量及响应性能还是不能代替液压式的。改变功率源的输出来控制，功率大、响应慢，但节能，一般只在动态要求不高时采用。 第一节第一节 机电控制系统组成机电控制系统组成第二节第二节 机电控制系统简介机电控制系统简介1 1、电动机控制系统、电动机控制系统 执行元件：执行元件：控制电机控制电机直流伺服电动机直流伺服电动机交流伺服电动机交流伺服电动机步进电动步进电动机机图1 - 3 直流伺服电动

5、机反馈控制系统及其响应曲线D C 电动机输入误差e ( t )r ( t )反馈差动放大器( a )功率放大器1移动平台输出 x ( t )检测元件x ( t )1e ( t )( b )ttr ( t )1t图1-3 直流伺服电动机反馈控制系统及其响应曲线DC电动机输入误差e(t)r(t)反馈差动放大器(a)功率放大器1移动平台输出 x(t)检测元件x(t)1e(t)(b)ttr(t)1t 特征特征：惯性小、启动力矩大、启动时能迅速达到要求的速度，能承受频繁的加、减速，设计得当不存在散热、退磁等问题。 （一）直流伺服电动机（一）直流伺服电动机应用应用：机械手、数控机床等机械手、数控机床等。第

6、二节第二节 机电控制系统简介机电控制系统简介(二二) 交流伺服电动机交流伺服电动机( (两相异步电动机两相异步电动机) )第二节第二节 机电控制系统简介机电控制系统简介它的定子上装有两个绕组，一个是励磁绕组，另一个是控制绕组。两者在空间相隔90。 交流伺服电动机目前有两种，一种为笼形转子，另一种为杯形转子。(二二) 交流伺服电动机交流伺服电动机( (两相异步电动机两相异步电动机) )第二节第二节 机电控制系统简介机电控制系统简介 笼形转子的制作与三相笼形异步电动机转子相似。但从结构上，为了减少转动惯量常做成细长形，并且转子导体采用高导电率的铝或黄铜制成。 (二二) 交流伺服电动机交流伺服电动机

7、( (两相异步电动机两相异步电动机) )第二节第二节 机电控制系统简介机电控制系统简介杯形转子通常用铝合金或铜合金制成空心薄壁圆筒，以降低转动惯量。此外空心杯形转子内放置固定的内定子，目的是减少磁路的磁阻。第二节第二节 机电控制系统简介机电控制系统简介永磁(PM)式反应(VR)式 混合(HB)式（三）步进电动机（三）步进电动机 脉冲信号步进电动机角位移直线位移优点优点：精度高、惯性小，特别适合于数字控制系统。三种结构形式三种结构形式驱动器步进电机第二节第二节 机电控制系统简介机电控制系统简介（三）步进电动机（三）步进电动机 定子：定子：有6个极，均装有励磁绕组。6个绕组分为3相，相对两极的绕组

8、串联起来构成一个相极。运行时，将定子三相接成Y连接(即A-B-C接在一起)。转子：转子：有四个齿，齿宽与定子磁极极靴宽度相等，但无绕组。第二节第二节 机电控制系统简介机电控制系统简介（三）步进电动机（三）步进电动机 步距角步距角b:定子控制绕组通电状态改变之后，转子朝反时针主方向转过的角度。 定子三相绕组一个通电循环(ABCA)，转子转过三个步距角，即走过90(一个转子齿距角)。 二、电液二、电液(或气动或气动)控制系统控制系统 电液伺服控制系统 被控量：位置ix给定位置指令 被控工作台位移 fxiefe偏差电压)(fifixxkeeei)当工作台位置( xf )与指令位置(xi )相一致时，

9、电桥输出偏差电压e=0 ，此时放大器输出电流I=0 ，电液伺服阀于零位，没有电流输出，工作台不动，系统处于平衡状态。第二节第二节 机电控制系统简介机电控制系统简介fx电液伺服控制系统 ii）当指令电位器滑臂位置发生变化时，如右移，在工作台位置变化之前，电桥输出偏差电压 e=kxi，该偏差电压经放大器放大并转换成为电流信号I去控制伺服阀，伺服阀输出压力油进入液压缸推动工作台右移xf ， xf 逐渐增大，当 xf= xi时，电桥重新平衡， e=0 ，工作台停止右移，停在新的位置上。二、电液二、电液(或气动或气动)控制系统控制系统 第二节第二节 机电控制系统简介机电控制系统简介小结：小结：电液控制机

10、构使控制系统能进行高速、大功率的控制，被广泛应用在冶金、塑料机械、大型飞机和船舶等的操纵机构及大功率科学实验装备和军工部门等。电液控电液控制机构与电气的相比，制机构与电气的相比，缺点是需要液压源、价格比较高、缺点是需要液压源、价格比较高、液压油的管理和使用也比较麻烦。液压油的管理和使用也比较麻烦。二、电液二、电液(或气动或气动)控制系统控制系统 第二节第二节 机电控制系统简介机电控制系统简介二、电液二、电液(或气动或气动)控制系统控制系统 第二节第二节 机电控制系统简介机电控制系统简介 电电-气动机构气动机构的结构原理图和电液系统相似，所不同的仅是以空气代替液压油作为介质。 这种控制系统维护管

11、理维护管理较容易较容易，但由于空气的可压缩性而使动态特性恶化动态特性恶化，此外运动副还需要加以润滑，它在机器人、机械它在机器人、机械手、机床的程序控制等容手、机床的程序控制等容易维护的机构中得到广泛易维护的机构中得到广泛应用。应用。三、机电控制系统实例三、机电控制系统实例机 械 式 调 速 器重 锤 操 作 手 柄（ 转 速 设 定 ）针 阀燃 烧 油示例1：用于船舶推进器的离心调速器离心调速器 第二节第二节 机电控制系统简介机电控制系统简介 利用离心力原理的机械式调速器图1-9 电子调速器控制简图实际转速操作手柄（转速设定）执行装置针阀伺服电机PID控制控制燃烧油示例2：用于船舶推进器的电子

12、调速器电子调速器 第二节第二节 机电控制系统简介机电控制系统简介三、机电控制系统实例三、机电控制系统实例差值电压信号控制信号空气调节器过滤器燃料箱汽缸EGR控制阀水温传感器ECU旋转传感器、曲轴角度传感器点火时间信号排气温度传感器三元触媒氧气传感器（空燃比传感器）燃料喷射阀消音器空气滤清器示例3：汽车发动机电子控制系统第二节第二节 机电控制系统简介机电控制系统简介三、机电控制系统实例三、机电控制系统实例发动机控制单元最佳空气燃料比点火时间排气再循环率(EGR)第三节第三节 控制机构的适用范围控制机构的适用范围 着眼点：输出功率和响应速度 在控制微小运动时，必须特别注意它的频带范围。在输入较大信号时，必须考虑放大器和伺服阀的饱和情况、电动机的最大电流、控制机构的力和速度的使用范围等。这些称为静态特性或操作性能，应与控制性能相区别。控制性能应注意它的响应能力，一般称为动态性能。第三节第