运动控制系统（第2版新形态版）课件 第五章 致动方式与驱动器

11运动建模与控制系统设计

第五章致动方式与驱动器1Ch.5

ActuationModesAndActuatorsModelingandControlSystemDesignofMotion4学时22

目录2驱动器的发展概述

致动方式伺服电动机驱动器液压驱动器气压驱动器压电陶瓷驱动器形状记忆合金驱动器人工肌肉驱动器35.1驱动器的发展概述

根据牛顿力学定律，力是物体运动改变的原因。动力系统发展是伴随着三次工业革命进行的。蒸汽机示例45.1驱动器的发展概述二冲程汽油内燃机结构及工作过程。二冲程汽油内燃机55.1驱动器的发展概述内燃机是将热能转化为机械能的一种热机。65.2致动方式静电。静电电动机是利用静电为能量源的一种能量转换装置。电磁。电磁是物质所表现的电性和磁性的统称。硅电机电磁原理75.2致动方式相变。物质从一种相转变为另一种相的过程称为相变。石蜡热膨胀驱动器原理图85.2致动方式热机。物质有热胀冷缩的现象。热机利用物体吸热后的变形来提供驱动力。热机原理及示例95.2致动方式压电。压电材料在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，在两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，又恢复到不带电状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。105.2致动方式压电效应原理图115.2致动方式形状记忆效应。合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，又可以魔术般地变回到原来的形状，这种特殊功能合金称为形状记忆合金。形状记忆效应125.2致动方式135.2致动方式磁致伸缩。铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场后，其又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。磁致伸缩原理145.2致动方式电致动聚合物。在外加电场的作用下，导致物体内部离子规律运动，从而使得聚合物发生变形。155.2致动方式磁流体力学(Magentohydrodynamic,MHD)。磁流体又称磁性液体、铁磁流体或磁液，是一种新型的功能材料，既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性。磁流体原理165.2致动方式电流变ER和磁流变MR(ElectroRheologicalandMagnetorheologicalFluid)。将石膏、石灰和碳粉加在橄榄油中，然后加水搅拌成一种悬浮液。这种悬浮液的状态可以用电场来控制，称为电流变体。电流变原理175.2致动方式磁流变液属可控流体，是由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体。磁流变原理185.2致动方式生物肌肉(Biomuscle)195.3伺服电动机驱动器

伺服电动机又称为执行电动机，在自动控制系统中作为执行元件，可将输入的电压信号变换成转轴的角位移或角速度而输出。运动控制系统对伺服电动机的基本要求可归结如下：

(A)宽广的调速范围。(B)机械特性和调节特性均为线性。(C)无“自转”现象。(D)快速响应。功率：-4000w-750w-205.3伺服电动机驱动器直流伺服电动机结构

输出或输入为直流电能的旋转电动机，能实现直流电能和机械能互相转换的电动机。

根据有无换向电刷可分为：直流有刷电动机和直流无刷电动机。

根据励磁方式可分为：(永磁、他励和自励)

(1)他励直流电动机

(2)并励直流电动机

(3)串励直流电动机

(4)复励直流电动机215.3伺服电动机驱动器直流伺服电动机励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机直流电动机由于定子绕组和转子绕组之间的串接形式不同，又可分为并励、串励、复励等类别。采用并励形式的电机，电机的定子磁场线圈与电枢绕组线圈并联后接到电源上。当通电后电机可保持磁场恒定，并利用电枢电路控制电机转速。225.3伺服电动机驱动器减速器驱动控制器输出转轴编码器电机高紧密装配直流伺服电动机系统示例235.3伺服电动机驱动器典型的转子结构电磁式直流伺服电动机定子结构简图硅钢片：导磁性好、导电性差交变磁场在铁芯中产生电流:涡流直流伺服电动机杯形电枢直流伺服电动机24磁轭通常指本身不生产磁场（磁力线）、在磁路中只起磁力线传输的软磁材料，作用是约束感应圈漏磁向外扩散机电时间常数最小可达1ms以下直流伺服电动机盘形电枢直流伺服电动机25机电时间常数10-15ms直流伺服电动机无槽电枢直流伺服电动机26直流伺服电动机功率0-600w，常用的在0.1-100w，最常用的30w以下275.3伺服电动机驱动器交流伺服电动机结构。

没有换向器，通常采用笼型转子两相伺服电动机和空心杯转子两相伺服电动机，常把交流伺服电动机称为两相伺服电动机。

(1)同步电动机结构

特点是稳态运行时，转子的转速n和电网频率之间有不变的关系：(5-1)功率几瓦到几十万瓦285.3伺服电动机驱动器同步电动机结构模型295.3伺服电动机驱动器

永磁同步电动机分类方法比较多。按工作主磁场方向的不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式；按电枢绕组位置的不同，可分为内转子式（常规式）和外转子式；按转子上有无起动绕组，可分为无起动绕组的电动机（常称为调速永磁同步电动机）和有起动绕组的电动机（常称为异步起动永磁同步电动机）；按供电电流波形的不同．可分为矩形波永磁同步电动机和正弦波永磁同步电动机（简称为永磁同步电动机）。305.3伺服电动机驱动器(a)凸出式(b)侵入式表面式转子磁路结构转子磁路结构是永磁同步伺服电动机与其他电动机最主要区别;按照永磁体在转子上的位置进行分类：表面、内置、爪极315.3伺服电动机驱动器

内置式转子磁路结构又可分为径向式、切向式和混合式三种。

1)径向式结构内置径向式转子磁路结构325.3伺服电动机驱动器2)切向式结构内置切向转子磁路结构335.3伺服电动机驱动器

3)混合式结构内置混合式转子磁路结构345.3伺服电动机驱动器

爪极式转子结构通常由两个带爪的法兰盘和一个圆环形的永磁体构成，左右法兰盘的爪数相同，爪极互相错开，形成磁极。爪极式永磁转子结构355.3伺服电动机驱动器

切向式转子结构的隔磁措施一般采用非磁性铂或在轴上加隔磁铜套。几种典型隔磁措施铁的磁导率很大，铁能隔磁吗？365.3伺服电动机驱动器

三相永磁同步电动机(PermanentMagnetSynchronousMotor,PMSM)是目前比较常用的交流同步电动机。PMSM的结构图PMSM转子的三种结构375.3伺服电动机驱动器

(2)异步电动机若电动机的转速（转子转速）小于旋转磁场的转速，则称为异步电动机。异步伺服电动机的转子通常有三种结构型式：高电阻率导条的笼形转子、非磁性空心杯转子和铁磁性空心转子。385.3伺服电动机驱动器(1)高电阻率导条的笼形转子结构笼形转子异步伺服电动机395.3伺服电动机驱动器(2)非磁性空心杯形转子结构非磁性杯形转子异步伺服电动机405.3伺服电动机驱动器

(3)铁磁性空心转子结构铁磁性空心转子415.3伺服电动机驱动器直线电动机结构也称线性电动机、线性马达、直线马达或推杆马达等。直线电动机的控制和旋转电动机一样。425.3伺服电动机驱动器电动机的驱动放大器 由于控制器输出的控制信号是弱点型号，需转换成可以驱动电动机带动负载运动的强电，因此，控制电动机转动的控制器与电动机之间需通过驱动放大器链接。435.3伺服电动机驱动器 目前主流的伺服放大器均采用数字信号处理器(DSP)作为控制核心，可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。 伺服驱动器主要包括功率驱动单元和伺服控制单元，伺服控制单元是整个交流伺服系统的核心，实现系统位置控制、速度控制、转矩和电流控制器。软启动也是伺服驱动器功率驱动部分的关键。445.3伺服电动机驱动器

三相永磁式交流伺服电动机驱动器主要功能：三相全桥整流电路整流输入的三相电，得到直流电；控制器计算得到驱动电流大小；调节电流、放大功率；三相PWM电压型逆变器驱动电机转动。AC-DC-AC455.4液压驱动器

液压传动是以油液作为工作介质，依靠密封容积的变化来传递运动，依靠油液内部的压力来传递动力。动力部分—液压泵执行部分—液压缸控制部分—控制阀辅助部分—油箱、油管、滤油、去燥工作介质—液压油465.4液压驱动器常见的液压元器件示例475.5气压驱动器 气压传动是以压缩空气为工作介质来进行能量和信号的传递，以实现生产自动化。气压伺服控制系统原理图485.5气压驱动器气压张力控制系统495.5气压驱动器导弹舵机系统原理图505.6压电陶瓷驱动器压电效应及驱动器示例515.7形状记忆合金驱动器功率重量比较SMA是一种热敏性功能材料，具有记忆效应。SMA一维本构方程的增量表达式为：(5-2)525.7形状记忆合金驱动器SMA丝加热后的收缩率，定义为：

奥氏体向马氏体转变过程中，马氏体体积百分数为

升温过程中，即马氏体向奥氏体转变过程中，马氏体体积百分数为

(5-3)(5-4)(5-5)将公式(5-5)对温度求导可得(5-6)535.7形状记忆合金驱动器联立公式(5-6)和公式(5-2)可得由于实际应用中σ对SMA的收缩率影响较小，相比也很小，所以公式(5-8)可简化为积分公式(5-7)可得(5-7)(5-8)(5-9)545.7形状记忆合金驱动器

当降温时，SMA由奥氏体向马氏体转变。同样设整个过程σ保持不变，且小于SMA最大回复力，将公式(5-4)对温度求导可得(5-10)联立公式(5-10)和公式(5-2)可得(5-11)简化，可得(5-12)555.7形状记忆合金驱动器56形状记忆合金丝的应用5.7形状记忆合金驱动器形状记忆合金驱动器示例形状记忆合金接头575.7形状记忆合金驱动器记忆合金太空天线585.7形状记忆合金驱动器合金气管支架状记忆合金手指595.7形状记忆合金驱动器道微小机器人示例形状记忆合金薄膜示例605.8人工肌肉驱动器气动肌肉加压收缩过程示例McKibbeh气动人工肌肉驱动的机器人灵巧手示例615.8人工肌肉驱动器气动肌肉仿人手臂示例625.8人工肌肉驱动器气动肌肉仿生腿示例635.8人工肌肉驱动器气动肌肉仿生腿示例气动肌肉仿生腿示例645.8人工肌肉驱动器SMA气动肌肉

(1)智能气动肌肉机构与驱动模型智能气动肌肉机构示意图655.8人工肌肉驱动器编织网几何关系图665.8人工肌肉驱动器由图所示的三角关系，可得忽略橡胶弹力、摩擦力等因素，并将充气后的形状当成理想圆柱体，可建立轴向的力平衡方程为(5-13)(5-14)(5-15)(5-16)(5-17)675.8人工肌肉驱动器径向的力平衡方程为联立公式(5-17)和(5-18)可得气动肌肉输出驱动力为气动肌肉的收缩率定义为(5-18)(5-19)(5-20)685.8人工肌肉驱动器由于纤维丝刚度较大，所以收缩过程中，传统的气动肌肉理论最大收缩率为采用了SMA编织丝，智能气动肌肉的为可主动调节量，则其理论最大收缩率为(5-21)(5-22)推导可得气动肌肉单位截面积的理论输出收缩力为(5-23)695.8人工肌肉驱动器气动肌肉体积为在θ不变情况下，由公式(5-24)和(5-25)可得在条件下，联立公式(5-23)和(5-26)可得(5-25)(5-26)(5-27)(5-24)705.8人工肌肉驱动器

(2)变刚度特性分析

气动肌肉静态刚度为刚密度为刚度与截