1、机电工程学院 1 机电工程学院 http:/ 机器人技术与应用 第4 章 机器人的驱动系统机电工程学院 2 4 . 1 机器人的驱动方式 1. 机 器人驱动 方式概 述 机器人驱动器 人体的肌肉( 臂部及关节 骨骼) ， 带动 机器人自身和负载运动 ， 要求其轻便 、 经济 、 精确 、 灵敏 、 可 靠 及便于 维护等 。 常见的机器人驱动系统： 电气驱动系统； 液压驱动系 统； 气压 驱动系 统； 新型驱 动器 。 机 器 人 机械系统执行机构 驱动系统 控制系统 感知系统 基 座 （ 固 定 或 移 动 ） 手 部 腕 部 臂 部 腰 部 电 驱 动 装 置 液 压 驱 动 装 置 气
2、压 驱 动 装 置 处 理 器 关 节 伺 服 控 制 器 内 部 传 感 器 外 部 传 感 器机电工程学院 3 4 . 1 机器人的驱动方式 1. 机 器人驱动 方式概 述 液压 气压 电动 功率/ 质量比 大 小 较大 控制性能 精度较高 反应灵敏 精度较低 低速不易 控 制 精度高 系统较复 杂 维护与应 用 方便 对油温要 求 高 方便 对气压要 求 高 方便 对环境影 响 漏油 噪声 基本没有 投资/ 运行成本 较高/ 高 低/ 低 高/ 较低 应用范围 低速、中 大 型 快速、小 型 通用 电 动 ： 伺 服 电机、 步进电 机、直 线电机 等。机电工程学院 4 4 . 1 机器
3、人的驱动方式 2. 驱 动 系统 的性能 （1） 刚 度和柔性 刚度 ：材 料对抗 变形的 阻抗 ， 与材料 的弹性 模量有 关 。 【 例 】 梁在负载作用下抗弯曲的刚度；气缸中气体在负载作用下抗 压 缩 的 阻 抗 ；瓶中 的酒在 木塞作 用下抗 压缩的 阻抗 。 系统刚度越大 ， 使其变形 所 需的负载 越 大；相反 ， 系统柔 性越大 ， 则 在负载 作用下 越容易 变形。 液压系统刚性 很 好 ，没有 柔性 （ 液体弹 性模量210 9 N/m 2 左右 ） ； 气动系统很容 易 压缩 ， 是 柔性的 。 刚性系统特点 ：响 应快 、 精度高 。 二 者的平 衡 【 例 】 机器人
4、装配 电路板 ，需要 系统有 一定刚 度 。 【 例 】 机器人进行带孔零件的装配 ， 需要系统通过 弯曲防止机器 人 或零 件 损坏 。机电工程学院 5 4 . 1 机器人的驱动方式 2. 驱 动 系统 的性能 （2） 重量 、功率重量比和工作压强 电 子系统 的功率 重量比 属中等 水平 。 功率相同时 ， 步进电动机通常比伺服电动机 重 ， 即具有较 低 的 功率重 量比 。 气 动系统 功率重 量比最 低 。 气缸 工作 压 强范围689.5827.4kPa 。 液 压系统 功率重 量比最 高 。 液压系统重量包括：液压驱动器和液压功率 源( 较重 、 且固 定 ， 在计算 功率重 量
5、比时 忽略不 计) ； 工 作 压强较 高 ，一般 在37934475kPa ； 功率越 大 ， 越难维 护 ，且 发生泄 漏时非 常危险 。机电工程学院 6 4 . 1 机器人的驱动方式 3. 驱 动 系统 的驱动 方式 直 角 坐 标 型 圆 柱 坐 标 型 球 坐 标 型 关 节 型机电工程学院 7 4 . 1 机器人的驱动方式 3. 驱 动 系统 的驱动 方式 （1） 直 线驱动方式 实现方式：直接由气缸或液压缸和活塞产生 ， 也可用滚珠丝 杠螺母 、齿轮 齿 条等 。机电工程学院 8 4 . 1 机器人的驱动方式 3. 驱 动 系统 的驱动 方式 （1） 直 线驱动方式 实现方式：直
6、接由气缸或液压缸和活塞产生 ， 也可用滚珠丝 杠 螺母 、齿轮 齿 条等 。 双 螺 母 滚珠丝杠 数 控 机 床用滚珠丝杠机电工程学院 9 1电动机； 2蜗杆； 3臂架； 4丝杠； 5蜗轮； 6箱体； 7花键套 丝杠螺母传动的 手 臂 升降 机 构机电工程学院 10 4 . 1 机器人的驱动方式 3. 驱 动 系统 的驱动 方式 （1） 直 线驱动方式 实现方式：直接由气缸或液压缸和活塞产生 ， 也可用滚珠丝 杠螺母 、齿 轮齿条 等。 齿轮齿条传动 机 构机电工程学院 11 （2） 旋 转驱动方式 普通电动机和伺服电动机能够直接产生旋转运动 ， 但是 ， 输 出 力矩小 、转 速高 。 也
7、可以采用直线液压缸或直线气缸驱动 ， 此时需要将直线运 动 转 换成旋 转运动 。 运动的传递和转换方法：齿轮传动 链 传动 、 同步带传动 、 谐波齿 轮 传动 、 绳 传动与 钢 带传动 等 。 旋 转驱动 的 优点 ：旋转 轴强度 高 、摩擦 小 、 可靠性 好 。 4 . 1 机器人的驱动方式 3. 驱 动 系统 的驱动 方式机电工程学院 12 （2） 旋 转驱动方式 齿轮传动 链 ：由两个或两个以上的齿轮组成的传动机构 ， 可 以 传 递运动 角位移 和角速 度 ，也 可以传 递力和 力矩 。 齿 轮 机构使 用中的 两个问 题 ： 齿轮链的引入会改变系统的等效转动惯量 ， 减小驱动
8、电机 的 响 应时间 ，使伺 服系统 容易控 制 ； 在 引入齿轮链的同时 ， 由于齿轮间隙误差 ， 会导致机器人 的 手 臂定位 误差增 加，且 引起伺 服系统 的不稳 定性 。 4 . 1 机器人的驱动方式 3. 驱 动 系统 的驱动 方式 齿轮传动 链机电工程学院 13 （2） 旋 转驱动方式 同步带传动 ， 也 称 啮合 型 带传动 。 它通过传动带内表面上等 距 分 布的横 向齿和 带轮上 的相应 齿槽的 啮合来 传递运 动 。 4 . 1 机器人的驱动方式 3. 驱 动 系统 的驱动 方式 同步带传动 同步带机电工程学院 14 （2） 旋 转驱动方式 谐波齿轮传动 ： 谐波齿轮行星
9、传动 的 简称 ， 是 一种少齿差 行 星齿轮传动 。 通常由刚性圆柱齿轮1 、 柔性圆柱齿轮2 、 波发生器 H 和 柔 性轴承等 零部件 构成 。 4 . 1 机器人的驱动方式 3. 驱 动 系统 的驱动 方式 刚轮1 ， 其齿数 为 z 1 ， 它相当 于中心轮。 H 为波发生器 ， 它相当于行 星轮系中的系 杆 ， 运动由此 输入。 柔轮2 ， 其齿数为 z 2 ， 它相当于行星 轮 ， 可产生较大的 弹性变形 。 运动由 此输出。 谐波齿轮传动的传 动比与少齿差行星 传动的传动比计算 公式完全一样。机电工程学院 15 （2） 旋 转驱动方式 4 . 1 机器人的驱动方式 3. 驱 动
10、 系统 的驱动 方式 谐波齿轮传动 的 工作 原 理机电工程学院 16 （2） 旋 转驱动方式 谐波齿轮传动中 ， 刚轮齿数z 1 略大于柔轮齿数z 2 。 谐波传动的 齿 数 差应等 于波数 或波数 的整数 倍 。目前 多用 双波 和 三波传动 。 4 . 1 机器人的驱动方式 3. 驱 动 系统 的驱动 方式机电工程学院 17 4 . 1 机器人的驱动方式 1刚轮；2刚轮内齿圈；3 输入轴 ； 4谐波发生器；5轴；6柔 轮；7柔轮 齿圈 2 2 7 31 Z Z Z i = 如果刚轮1 不动 7 2 7 35 Z Z Z i = 如果柔轮6 静止 谐波齿 轮 传动比 ：机电工程学院 18
11、4 . 1 机器人的驱动方式 谐 波 齿轮工 作特点 ： 传动比大 承载能力大 传动精度高 传动平稳基本上无 冲击振动 传动效率较高 结构简单 、 体积小 、 质量小机电工程学院 19 4 . 1 机器人的驱动方式 绳 传 动与钢 带传动机电工程学院 20 4 . 1 机器人的驱动方式 绳 传 动与钢 带传动 摩擦式钢带传动是依靠带与带 轮之间的摩擦力实现无限转角 的传动形式。 啮合式钢带传动主要用于精密无 限转角的传动。机电工程学院 21 ADEPT机器人美国Adept Technology 公司 ADEPT_cobra800 机器人机电工程学院 22 传动件的定位和 消 隙 1 传动件的定
12、位 1) 电气开关定位 2) 机械挡块定位 3) 伺服定位 利用机械插销定位的结构 1节流阀 ；2 圆盘；3 插销；4 定位油缸机电工程学院 23 2 传动件的消隙 1 、2薄齿轮；3螺钉 消隙齿轮机电工程学院 24 柔性齿轮消隙机电工程学院 25 4 . 2 液压驱动系统 1. 液 压 伺服 系统的 组成和 特点 液 压 驱 动在机器人中应用较早，例如“ 尤尼梅特” 。 液压驱动主要用于中大型机器人和有防爆要求的机器人 （ 如 喷 漆机器人）等。 Unimate 喷漆机器 人机电工程学院 26 4 . 2 液压驱动系统 1. 液 压 伺服 系统的 组成和 特点 液 压 驱动系 统的优 点 单
13、位面积压力高 ，体积小，具有大的推力或转矩； 可压缩性小 ，工作平稳可靠，位置精度高； 力 、 速 度和方向易实现自动控制； 具有防锈性和润滑性能 ，寿命长。 液 压 驱动系 统的缺 点 油液的粘度随温度变化 ， 影响工作性能 ， 高温易燃 烧爆炸； 易泄漏 ，造价高； 需要相应的供油系统及滤油装置 。机电工程学院 27 4 . 2 液压驱动系统 1. 液 压 伺服 系统的 组成和 特点 （1） 液 压伺服系统的组成 组成 ：液压 源 、驱动 器 、 伺服阀 、 传感 器和控 制器等 组成 。 工作过程 ： 液压源产生一定的压力 ， 通过伺服阀控制液体的压 力和流量 ， 继而驱动驱动器 ； 位
14、置指令与位置传感器的差被放大后 得到电气信号 ， 然后被输入给伺服阀中 ， 驱动液压执行器 ， 直至偏差 为 零 为止； 若传 感器信 号与位 置指令 相同 ， 则负载 停止运 动 。机电工程学院 28 4 . 2 液压驱动系统 1. 液 压 伺服 系统的 组成和 特点 （2） 液 压伺服系统的工作特点 1 ） 系统输出与 输入之 间有反 馈连接 ， 构成 闭环控 制系统 。 2 ） 系统的主反 馈是负反 馈 ， 使其向 减小偏 差的方 向移动 。 3 ） 系统是一个功率放大装置 （ 即系统的输入信号功率很小 ， 而系 统 输 出功率 可以达 到很大 ） ，功 率放大 所需的 能量由 液压能
15、源提供 。机电工程学院 29 4 . 2 液压驱动系统 2. 电 液 伺服 系统 （1） 电 液伺服系统的组成 电液伺服系统是一种由电信号处理装置 和 液压动力机构组成的反 馈 控 制系统 。 液压油缸机电工程学院 30 油缸和齿轮齿条 手臂机构机电工程学院 31 4 . 2 液压驱动系统 2. 电 液 伺服 系统 （2） 电 液伺服阀的工作原理喷嘴挡板伺服阀 喷嘴挡板式电液伺 服阀两部分组 成 ： 1 ） 电磁: 是一 个 动 铁式力矩马达; 2 ） 液压: 分两级, 第一级是双 喷嘴挡板阀 ( 称前置级, 先导级) ； 第二级是四边滑阀( 功 率放大级, 主阀) 。机电工程学院 32 回油
16、 进油 进油 差动控 制电流机电工程学院 33 4 . 2 液压驱动系统 2. 电 液 伺服 系统 （2） 电 液伺服阀的工作原理机电工程学院 34 4 . 2 液压驱动系统 2. 电 液 伺服 系统 （3） 液 压伺服马达机电工程学院 35 4 . 3 气压驱动系统 1. 气 压 驱动 回路 气 压 驱动系 统的优 点 粘度小 ，易达到高速； 利用集中站供气 ，不必添加动力设备； 无污染 ，安全，可高温作业； 工作压力低 ，制造要求比液压元件低 。 气 压 驱动系 统的缺 点 要获得较大的出力 ，其结构要相对增大； 工作平稳性差 ，速度控制困难，准确的位置控制难； 很难解决除水问题 ，零件易
17、生锈； 噪声污染 。机电工程学院 36 4 . 3 气压驱动系统 1. 气 压 驱动 回路 （1） 四 部分组成 气源 装置 （1 ） 将 空气升压的空气压缩机 ： 按 工作原 理 分为 容积式( 活塞式 、 叶片式和螺杆式) ； 速度式( 离心式 、轴流 式和混 流式等) 。 （2 ） 气 源净化装置：包括后冷却器 、 油水 分离器 、 储 气罐 、 干燥器 、过滤 器等 。 执 行 元器件 控 制 元器件 辅 助 元器件 活塞式空 气压缩机机电工程学院 37 4 . 3 气压驱动系统 1. 气 压 驱动 回路 （2） 工 作原理机电工程学院 38 【 例 】 气压驱动器 的 控制原理机电工
18、程学院 39 【 例 】 气压驱动 的 控 制结构机电工程学院 40 4 . 3 气压驱动系统 2. 气源装 置 往 复 活 塞式空气压缩机机电工程学院 41 4 . 3 气压驱动系统 其 转子相对于气缸呈偏心式运转 ， 滑片于转子沟槽中借助离心力被推至 气缸壁 ，形成压缩室。 高效的喷油系统能够确保压缩机的 冷却及润滑 ， 在滑片沟槽中及气缸壁 上形成油膜 ， 以防止与滑片之间直接 接触 。 转子 、 滑片与气缸之间的压缩室 ， 随着转子的转动 ， 容积逐渐缩小， 空 气因而被 压 缩 。 2. 气源装 置 回 转 式空压 机机电工程学院 42 4 . 3 气压驱动系统 单 螺 杆空压 机
19、通过一个圆柱形的螺杆与两个对称配置的 平面星轮 组 成啮合 副 ， 装 在主机 壳内 。 螺杆的螺槽 、 主机壳的内壁 、 星轮的齿面 三者围成的空 间 构成 了 压 缩机的 工作容 积 。 电机直接带动螺杆轴转动 ， 螺杆再带动星 轮旋转 。 气体由主机上的吸气口进入螺槽内 ， 经压缩后再由 主 机壳 上 的排 气 孔排 出 。 主机壳上还开有喷液孔 ， 将润滑油喷入工 作容积内 ， 起到密 封 、 冷 却和润 滑的作 用 。 螺杆螺槽在星轮齿尚未啮入前与吸气腔相 通 ， 处于吸气状态 。 当螺杆转到一定位置时 ， 星轮齿将螺槽 封 闭 ，此时 吸气过 程 结束 。 吸气过程结束后 ， 螺杆
20、继续转动 ， 随着星 轮齿沿着螺槽推进 ， 封闭的工作容积逐渐缩小 ， 实现气体的压缩过程 。 当工作容积与排气孔 口连通时 ， 压缩过 程结束 。 2. 气源装 置机电工程学院 43 4 . 3 气压驱动系统 2. 气源装 置机电工程学院 44 4 . 3 气压驱动系统 3. 气压驱 动 器 典 型 的 气动驱动器： （1） 气缸 已系列化 、标准化、通用化。与液压缸基本相同。 （2） 气 动马达 作用：相当于电动机或液压马达 ， 输出力矩， 拖动机构做 旋转运动 。 分类 ：叶片式、活塞式、齿轮式等。机电工程学院 45 4 . 3 气压驱动系统 单作用 双作用 单作用 双作用 单活塞 杆
21、双活塞 杆 机械耦合（无杆气缸） 磁性耦合（磁性气缸） 绳索、 钢 索 有活塞 杆 无活塞 杆 单活塞 双活塞 活塞式 膜片式 平膜式 皮囊 汽缸 气缸 分类 3. 气压驱 动 器机电工程学院 46 4 . 3 气压驱动系统 普通气 缸 3. 气压驱 动 器机电工程学院 47 4 . 3 气压驱动系统 无杆汽 缸 3. 气压驱 动 器机电工程学院 48 4 . 3 气压驱动系统 手指汽 缸 3. 气压驱 动 器机电工程学院 49 【 例 】 气缸和齿 轮 齿 条增倍手臂机构 1运动齿条；2齿轮；3活 塞杆机电工程学院 50 【 例 】 气动机械 手机电工程学院 51 4 . 3 气压驱动系统
22、3. 气压驱 动 器 叶 片 式气动 马达机电工程学院 52 4 . 4 电气驱动系统 机器人电动伺服驱动系统 利用各种电动机产生的力矩和力， 直接或间接地驱动机 器人本体 ，以获得机器人的各种运动。 负载1000N 以 下的工业机器人大多采用电伺服驱动系统。 常用电机：交/ 直流伺服( 高精度 、 高速度 ， 位置闭环) ， 步进( 精度速度要求 不 高 ， 开环) 。 驱动 关节机 器人 的 电机要 求 最 大 功率质量比和扭矩惯量比； 高 起 动转矩； 低惯量 ； 较 宽 且平滑的调速范围。机电工程学院 53 电动机分 类机电工程学院 54 电动机分 类机电工程学院 55 电动机分 类机
23、电工程学院 56 4 . 4 电气驱动系统 步进电 动 机( 脉 冲电动 机) 将 电 脉冲信号变换为相应的角位移或线位移 的元器件。 角位移或直线位移 与 脉冲数成正比；转速或线速度与脉 冲频率 成正比。 作 为 开环数字控制系统，多用于小型、简易机器人 。 1. 步 进 电动 机驱动 通过脉冲实现 步进 、 单向旋转 、 每给一个脉冲实现 一个步距 、 自身有 一定的位置控制能 力 。机电工程学院 57 4 . 4 电气驱动系统 步 进 电机的 特点： 输出 角 与 输入脉冲严格成比例 ， 且在时间上同步 ， 不受电压 、 负载或 环境条 件变换 的影响 ； 易实现 正 反 转和启 停控制
24、 ，启停 时间短 ； 输出转角的 精度高 ，无累 积误差 ； 直接用数字信 号 控制 ， 与 计算机 接口方 便； 维修方便 ， 寿命长； 缺点是过载能力差 ， 调速范围相对较小 ， 低速运动 有脉动 、 不 平衡等 。 1. 步 进 电动 机驱动机电工程学院 58 4 . 4 电气驱动系统 步 进 电动机 实物图 普通步进电机 减速步进电机 直线步进电机 微型步进电机机电工程学院 59 步进 电机 内部 结构 4 . 4 电气驱动系统机电工程学院 60 步进电机解剖 图 4 . 4 电气驱动系统机电工程学院 61 步进电动机 结构和原理: 按电磁吸 引的 原 理工作的 。 错齿是其工 作的关
25、键 ， 是推 动其工作 的根 本 原因 。 4 . 4 电气驱动系统 1. 步 进 电动 机驱动 步 进 电 机的相序机电工程学院 62 相数：是指电机内部的线圈组数 ， 目前常用的有二相 、 三相 、 四相 、 五相步进电机 。 电机相数不同 ， 其步距角也不同 ， 一 般二相电机的步距角为0.9/1.8 、 三相的为0.75/1.5 、 五相的 为0.36/0.72 。 在没有细分驱动器时 ， 用户主要靠选择不同 相数的步进电机来满足自己步距角的要求；如果使用细分驱动 器 ， 则“ 相数” 将变得没有意义， 用户只需在驱动器上改变细分 数 ， 就 可以改变步距角。 步距角：它表示控制系统每
26、发一个步进脉冲信号 ， 电机所转动 的角度 。 电机出厂时给出了一个步距角的值 ， 如86BYG250A 型电机给出的值为0.9/1.8 （ 表示半步工作时为0.9 、 整步工 作时为1.8 ） ， 这个步距角可以称之为“ 电机固有步距角” ， 它 不一定是电机实际工作时的真正步距角 ， 真正的步距角和驱动 器有关 。 4 . 4 电气驱动系统 1. 步 进 电动 机驱动 静态技术 指标机电工程学院 63 拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态 ， 或指电机转过一个步距角所需脉冲数 ， 以四相电机为例 ， 有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB ， 四相八拍运 行方式即 A
27、-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A 。 定位转矩：电机在不通电状态下 ， 电机转子自身的锁定力 矩 （ 由 磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。 保持转矩：是指步进电机通电但没有转动时 ， 定子锁住转 子的力矩 。 它是步进电机最重要的参数之一 ， 通常步进电 机在低速时的力矩接近保持转矩 。 由于步进电机的输出力 矩随速度的增大而不断衰减 ， 输出功率也随速度的增大而 变化 ， 所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数 之一 。 比如 ， 当人们说2Nm 的步进电机 ， 在没有特殊说 明 的 情 况下是指保持转矩为2Nm 的步进电机 。 4 . 4 电气驱动系统 1. 步 进 电动
28、 机驱动 静态技术 指标机电工程学院 64 步进电机的两种 脉 冲 序列 为了用步进电机获得高的定位精度 ， 需要有位 置信息 ， 可 以采用 位置反 馈装置 来实现 。 单向单拍 双拍 4 . 4 电气驱动系统 1. 步 进 电动 机驱动 以 四 相 电 机 为例， 有单 向单拍 、双 拍（见 图）， 四相 四拍运 行方式 即 AB-BC-CD-DA-AB ， 四相八 拍运行 方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A 。机电工程学院 65 当A 相通电B 、C 相不通电时， 由于磁通具有力图走磁 阻最小路径的特点 ， 转子齿1 和3 的轴线与定子A 极轴线对齐 。 同理断开A 接通
29、B 时 、 断开B 接通C 转子转过30 。 按 AB C A 接通和断开控制绕组转子就连续转动 。 转速 取决于控制绕组通 、 断电的频率 ， 转向取决于通电的顺序 。 三 相 单 三 拍 运 行 4 . 4 电气驱动系统 1. 步 进 电动 机驱动机电工程学院 66 三相六拍 运 行 供电方式是AABBBC C CA A ，共有 6 种 通电状态，每一循环换接 6 次，这 6 种通电状态中有时只有一 相绕组通电( 如A 相) 即单拍 ， 有时有两相绕组同时通电( 如A相和 B 相) 即双拍 ，故称三相单、双六拍。 图表示按这种方式对控 制 绕 组 供 电时转子位置和磁通分布的图形。 4 .
30、 4 电气驱动系统 1. 步 进 电动 机驱动机电工程学院 67 三相六拍运行(1) (a) A相通电； (b) A 、 B 相通电； 4 . 4 电气驱动系统 1. 步 进 电动 机驱动机电工程学院 68 三相六拍运行(2) (c) B相通电； (d) B 、C 相通电 4 . 4 电气驱动系统 1. 步 进 电动 机驱动机电工程学院 69 4 . 4 电气驱动系统 1. 步 进 电动 机驱动 按照力矩 产生原 理分类 ： 永磁式 （PM ） 永磁式步进电机一般为两相 ， 转矩和体积较小 ， 步进角一 般为7.5 度或15 度。 反应式 （VR ） 反应式步进电机一般为三相 ， 可实现大转矩
31、输出 ，步进角 一 般为1.5 度 ，但 噪声 和振 动都 很大 。在欧 美等 发达 国家80 年 代已被淘 汰 。 混合式 （HB ） 混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点 。 它又分为 两相和五相：两相步进角一般为1.8 度而五相步进角一般为 0.72 度 。应用最为广泛。机电工程学院 70 永磁式步进电动机的结构和 原理 由 转子 和 定子组成( 可互作永磁铁 、 线圈) ； 磁性转子铁芯 通过由定子产生的脉冲电磁场相互作用而产生转动； 一般为 两相 ，转矩 和体积 较小 、 控制功 率小 ， 但步距 大启动 频率低 。 永磁铁 通电绕 组 4 . 4 电气驱动系统 1. 步 进 电
32、动 机驱动机电工程学院 71 反应式步进电动机的结构原理 4 . 4 电气驱动系统 1. 步 进 电动 机驱动 由 转子 和 定子 组 成； 转子由叠片铁心( 矽或硅钢片) 构 成( 沿圆周有很多小齿) ， 通过定子产生 的脉冲电磁场 相互 作用产 生转动 ； 转子上均匀分布很多小齿 ， 定子齿有励磁绕组( 轴线依次与转子齿 轴错开) 。 电动机的位置 、 速度由导电次 数( 脉冲 数) 和频率 对应 ，方向由 导电 顺序决定 。 四相反应式步进电动机机电工程学院 72 混合式步进电动机结构 4 . 4 电气驱动系统 1. 步 进 电动 机驱动机电工程学院 73 4 . 4 电气驱动系统 1.
33、 步 进 电动 机驱动 步进电动机开环控制系统示意图 与 闭环系统相比 ， 它没有位置反馈电路和速度反馈电路 ， 因此这种系统结构简单可靠 ， 与机床配接容易 、 控制方便 、 成本低 。机电工程学院 74 4 . 4 电气驱动系统 直 流 电动机 一 个方向或反向连续旋转 、 运动连续平滑 、 没有位置 控制能力 ； 动力电动机 伺服电动机 2. 直 流 伺服 电动机 驱动机电工程学院 75 4 . 4 电气驱动系统 2. 直 流 伺服 电动机 驱动 直 流 电动机 的工作 原理 直流电源 电刷 换向器 线圈机电工程学院 76 4 . 4 电气驱动系统 2. 直 流 伺服 电动机 驱动 直
34、流 电动机 的构成 ：定子 、 转子和机座 等 。 机座 磁极 励磁 绕组 转子 励磁式直流电动 机 结 构机电工程学院 77 1. 转子（又称电枢 ） 由铁芯、绕组（ 线圈 ） 、 换向 器 组 成。 2. 定子 定子的分类： 永磁式：由永久 磁 铁 做成 。 励磁式：磁极上 绕 线 圈， 然 后 在线 圈 中 通过直流电，形 成电 磁 铁 。 励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电 产生磁通，称为 励 磁 。 4 . 4 电气驱动系统 2. 直 流 伺服 电动机 驱动机电工程学院 78 根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的直流 电机又可细分为 ： 他励电动机 ： 励磁线圈与转子电枢的电源
35、分开。 并励电动机 ： 励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。 串励电动机 ： 励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。 复励电动机 ： 励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上 。 M 他励 U f I f I a U M 并励 U I f M 串励 U M 复励 U 4 . 4 电气驱动系统 2. 直 流 伺服 电动机 驱动机电工程学院 79 4 . 4 电气驱动系统 一般直流电动机和位置 反馈、 速度反馈形成一个 整体 ， 即直流伺服电机。 直流电动机可利用继电 器开关或采用功率放大器 来 实 现 驱动控制 。 直流伺服电动机具有启 动转矩大、 体积小 、 重量 轻 、 转速易控制
36、、 效率高 等 优点， 其可达到很大的 功率重量比 ， 远高于步进 电机 。 2. 直 流 伺服 电动机 驱动 直流伺服电动机 实 物 图机电工程学院 80 4 . 4 电气驱动系统 3. 交 流 伺服 电动机 交 流 电动机 的分类 ： 交 流 电 动 机 异步电动机 同步电动机 三相电动机 单相电动机 (交流感应)机电工程学院 81 4 . 4 电气驱动系统 3. 交 流 伺服 电动机 三 相 异步电 动机的 结构 交流电动机 定子 转子 铁芯 绕组 机座 铁芯 绕组 线绕式 鼠笼式机电工程学院 82 三相异步机 的 结 构 Y B Z X A C 转子 定子 定子绕组 （三相） 机 座
37、转子：在旋转磁 场 作 用下 ， 产生感应电动势 或 电流。 三相定子绕组： 产 生 旋转 磁场。 线绕式 鼠笼式 鼠笼转子机电工程学院 83 n 1 n e i N S f 磁铁 闭合 线圈 e 方向用 右手定则 确定 f 方向用 左手定则 确定 磁场旋转 4 . 4 电气驱动系统 3. 交 流 伺服 电动机 三 相 异步电 动机的 工作原 理: 机电工程学院 84 磁极旋转 导线切割磁力线 产 生 感应 电 动 势 v l B e = 导线长 磁感应强度 切割速度 （右手定则） 闭合导线产生电 流 i （左手定则） 通电导线在磁场 中 受 力 i l B f = n 1 n e i N S
38、 f机电工程学院 85 1. 线圈跟着磁铁转 两者转动方向一致 结论： 2. 线圈比磁场转得 慢 1 n n n 1 n e i N S f 异步机电工程学院 86 4 . 5 新型驱动器 1、压电驱动器 2、形状记忆合金驱动器 3、磁致伸缩驱动器 4、超声波电机 5、人工肌肉 6、静电驱动器机电工程学院 87 1. 压电驱 动 器 4 . 5 新型驱动器 压电效应原理 对压电材料施加压力 ， 将产生电位差( 正压电效应) ；反之 ， 施 加电压 ，产 生机械 应力( 逆压电效 应) 。 压 电 驱动器 ：利用 逆压电 效应原 理 。 微型管道机器人的 足式压电微 执行器 ： 压 电双晶片在电
39、压信号作 用下产生周 期性的定向 弯曲 ， 使弹性体与 管道 两侧接触处 的动态摩擦 力不同 ， 从而推动执行 器向前运动 。机电工程学院 88 4 . 5 新型驱动器 2. 形 状 记忆 合金驱 动器 形状记忆合金 ： 一般金属材料受到外力作用后， 首先 发生弹性变形 ， 达到屈服点 ， 就产生塑性 变形 ， 应力消除后留下永久变形 。 但 有些 材料 ， 在发生了塑性变形后 ， 经过合适的 热过程 ， 能够回复到变形前的形状 ， 这种 现象叫做 形状记忆效应（SME ）。 具有形状记忆效应的金属一般是两种 以上金属元素组成的合金 ， 称为形状记忆 合金 （SMA ）。机电工程学院 89 4
40、 . 5 新型驱动器 2. 形 状 记忆 合金驱 动器机电工程学院 90 4 . 5 新型驱动器 2. 形 状 记忆 合金驱 动器机电工程学院 91 六足微 小 型 机器人 手爪 用背部的金属纤 维 振 动翅 膀 4 . 5 新型驱动器 2. 形 状 记忆 合金驱 动器机电工程学院 92 移 动 跳 跃机器人“KOHARO” 4 . 5 新型驱动器 2. 形 状 记忆 合金驱 动器机电工程学院 93 4 . 5 新型驱动器 3. 电 磁 致伸 缩驱动 器 工作原理 ： 在一些磁性体的 外部一旦加上磁 场 ， 则磁性体的 外形尺寸会发生 变化 。机电工程学院 94 4 . 5 新型驱动器 4.
41、超声波 电 机 工作原理 ： 对极化 的 压电陶瓷元件施加一 定的高频交变电压 ， 压 电陶瓷随着高频电压的 幅值变化而膨胀或收缩 ， 从而在定子弹性体 内 激发出超声波振动 ， 这 种振动传递给与定子紧 密接触的摩擦材料 ， 从 而驱动转子 旋转 。机电工程学院 95 4 . 5 新型驱动器 5. 人工肌 肉 气动人工肌肉 (PMA, 应用最多) ： 是一种拉伸型气 动执行元器件 ， 当通入压缩空气 时 ， 能像人类的 肌肉那样 ， 产生 很强的收缩力 。 结构简单 、 紧凑 ， 用于小型 、 轻 质的机械手 。机电工程学院 96 比利时Lucy 气动肌肉驱动 ， 身高150cm ， 重30kg ， 每条腿6 个自由度 ， 采 用12 个气动肌肉控制， 总共拥 有23个自 由 度 4 . 5 新型驱动器 5. 人工肌 肉机电工程学院 97 习题：4.1 4.2 4.5 4.6 4.7 4.9 （PPT 报 告 ，课堂交流 ） 作业：
