2.2.2　执行元件

执行元件是将电能转换为机械能的动力部件，是机电伺服系统的核心组成之一。整个伺服系统的调速性能、动态特性和运行精度等均与执行元件息息相关。机电伺服系统的执行元件主要是指伺服电动机，包括直流有刷电动机、交流异步电动机、直流无刷电动机、交流永磁同步电动机、步进电动机等几种类型，下面将一一进行介绍。

1. 直流有刷电动机

直流有刷电动机是将直流电能转换为机械能的旋转机械，主要由定子和转子两部分组成。定子又称磁极，其作用是产生磁场，由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成。转子又称电枢，其作用是产生电磁转矩和感应电动势，由电枢铁芯和绕组、换向器、轴等组成。

图2-8所示为简化的直流有刷电动机工作原理图。当在A、B之间施加直流电压源时，假设A接正极，B接负极，则线圈中产生电流。当线圈处于图2-8所示位置时，ab边在N极下，cd边在S极上，两边中的电流方向为a→b、c→d。由安培定律可知，ab边和cd边所受的电磁力为：F=BLI，式中，I为导线中的电流，单位为安（A）。根据左手定则可知，两个力的方向相反，形成电磁转矩，驱使线圈逆时针方向旋转。当线圈转过180°时，cd边处于N极下，ab边处于S极上。由于换向器的作用，使两有效边中电流的方向与原来相反，变为d→c、b→a，这就使得两极下的有效边中电流的方向保持不变，因而其受力和电磁转矩方向都不变。

直流有刷电动机有以下几大优点：①结构简单，响应快速，具有较大的启动转矩，从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能；②运行平稳，启动、制动效果好；③控制精度高。此外，直流有刷电动机也存在以下缺点：①电刷和换向器之间有摩擦，造成效率降低、噪声增加、容易发热，有刷电动机的寿命要比无刷电动机短好多；②维护麻烦，需要不停地更换电刷；③因为电阻大，效率低、输出功率小；④电刷和换向器摩擦会引起火花，干扰大。

直流有刷电动机启动快，调速性能好，因此常应用于对启动和调速有较高要求的场合，如高速电梯、龙门刨床、电力机车、大型精密机床和大型起重机等应用场合。

2. 交流异步电动机

交流异步电动机又称感应电动机，是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩，从而将机电能量转换为机械能量的一种交流电动机。常见的异步电动机为三相异步电动机。三相异步电动机主要由定子和转子两部分组成，定子的作用是利用三相对称绕组产生旋转磁场，主要包括铁芯、绕组和机座；转子的作用是通过转子绕组中的感应电流与定子磁场的相互作用产生电磁转矩，主要由铁芯和绕组组成。异步电动机按照转子绕组形式的不同可分为两种形式：鼠笼式和绕线式。

三相异步电动机的工作原理基于定子旋转磁场（定子三相绕组所产生的合成磁场）与转子电流的相互作用。当在三相异步电动机定子绕组（各相差120°电角度）上加对称电压后，会产生一个旋转气隙磁场。若定子三相绕组的电流按照图2-9所示的规律变化，则利用右手螺旋法则即可确定不同时刻的合成气隙磁场的方向。转子绕组导体切割该磁场将产生感应电动势。由于转子导体两端被短路环短接，在感应电动势的作用下，转子绕组中将产生转子电流。转子电流与气隙磁场相互作用就会产生电磁转矩，从而驱动转子旋转。电动机的转速一定低于磁场同步转速，因为只有这样转子导体才可以感应电动势从而产生转子电流和电磁转矩。所以该电动机被称为异步电动机，也叫感应电动机。

异步电动机的特点有：①小型轻量化；②易实现转速超过10000r/min的高速旋转；③高速低转矩时运转效率高；④低速时有高转矩，以及有宽泛的速度控制范围；⑤高可靠性（坚固），制造成本低，控制装置简单。

异步电动机的功率范围从几瓦到上万千瓦，是国民经济各行业和人们日常生活中应用最广泛的电动机，在机床、中小型轧钢设备、风机、水泵、轻工机械、冶金和矿山机械、洗衣机、冰箱和空调等众多领域均得到了广泛应用。

3. 直流无刷电动机

直流无刷电动机是一种用电子换向装置取代机械换向装置的电动机，由电动机主体、位置传感器和电子逆变器组成。直流无刷电动机的定子绕组一般采用三相对称接法，同三相异步电动机十分相似，转子上粘贴或内埋已充磁的永磁体。电子逆变器为直流无刷电动机提供了电子换相器，而位置传感器则提供换相点位置信息。直流无刷电动机反电动势为梯形波，电枢绕组控制电流为直流电流。直流无刷电动机的实质是由直流电源输入，采用电子逆变器将直流电转换为交流电，有转子位置反馈的三相交流永磁同步电动机。

以三相两极直流无刷电动机两两通电模式、导通120°电角度为例介绍其工作原理。如图2-10（a）所示，电枢绕组全部通电，仅是各相通电顺序和电流方向不同。顺时针旋转时，绕组的通电顺序为U//WV、W//UV、V//UW、U//VW、W//VU、V//WU，分别打开六个开关管中的两个开关管即可切换通电顺序。其中，U//WV表示W相绕组与V相绕组串联以后再与U相绕组并联，此时需打开开关管VT1和VT4，并关闭其他四个开关管，其余类推。切换点位置的判断需借助位置传感器实现。如假定流过U相绕组的电流为I，则流过V、W相绕组的电流分别为I/2。定子绕组流过的电流通过铁芯产生的磁场和转子永磁体相互作用，从而产生电磁转矩，三相绕组U、V、W产生的电磁转矩的相位依次相差120°电角度。当通电顺序为U//WV时，电枢合成转矩图如图2-10（b）所示。当电动机旋转一周时，需要进行六次绕组换相，每相邻两次换相时合成转矩夹角为60°。按照规定的顺序依次切换通电顺序，电动机便能持续旋转。以上即为直流无刷电动机的工作原理。

直流无刷电动机克服了直流有刷电动机的先天缺陷，以电子换向器取代了机械换向器，所以直流无刷电动机既具有直流电动机良好的调速性能等特点，又具有交流电动机结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护等优点。但是直流无刷电动机在换相时易产生转矩脉动，将影响其控制性能。

正是由于直流无刷电动机具备调速性能好、无换向火花、运行效率高等优点，因此广泛应用于航空航天、电动车辆、医疗器械、仪器仪表、数控机床、军事装备、化工、轻纺和现代家用电器等领域。随着稀土永磁材料性价比的不断提高、电力电子技术和微电子技术的不断进步，直流无刷电动机将日益普及。

4. 交流永磁同步电动机

永磁同步电动机是一种交流电动机，其主要特点是电动机转速与定子绕组电流频率及极对数间存在恒定不变的关系。交流永磁同步电动机的结构与直流无刷电动机基本相同，转子也是永磁体，定子上对称安装三相绕组，如图2-11（a）所示。但交流永磁同步电动机的气隙磁场是按正弦波分布的，而直流无刷电动机是按梯形波分布的。与交流异步电动机相比，交流永磁同步电动机的定子结构基本相同，主要区别是将转子绕组换成了永磁体。

交流永磁同步电动机的工作原理基于定子绕组和永磁体两者产生的磁场的相互作用。如图2-11（b）所示，当给定子绕组通入三相对称电流时，与交流异步电动机类似地，气隙中将产生定子旋转磁场，转子上的永磁体产生的励磁磁场与定子旋转磁场相互作用，就会产生电磁转矩，从而带动转子旋转。转子旋转磁场与定子旋转磁场保持相同的旋转速度，因此称为交流永磁同步电动机。

交流永磁同步电动机的特点如下：①效率高：嵌入永磁材料的转子绕组消除了感应电流带来的电阻和磁滞损耗，提高了效率；②功率因数高：转子中无感应电流励磁，电动机的功率大大提高；③启动转矩大：在需要大启动转矩的设备中，可以用较小容量的交流永磁同步电动机替代较大容量的交流异步电动机；④力能指标好：相比交流异步电动机，交流永磁同步电动机在负载下工作的力能指标更高；⑤温升低：转子绕组中不存在电阻损耗，定子绕组中几乎不存在无功电流，因而电动机温升低；⑥体积和质量小，耗材少：同容量的交流永磁同步电动机体积、质量、所用材料相较于交流异步电动机可减小30%左右。

正是由于交流永磁同步电动机具有以上优点，在电梯驱动、船舶电力推进、混合动力汽车、数控机床进给系统、雷达伺服系统等众多领域均得到了广泛应用。随着稀土永磁材料性价比的不断提高，交流永磁同步电动机已成为电机技术的主要发展方向之一，在未来也必将发挥更重要的作用。

5. 步进电动机

步进电动机是利用输入电脉冲的个数来输出与其成正比的角位移量的电动机，位移时序与输入脉冲同步，电动机转速与输入脉冲频率成正比，因此改变电脉冲频率即可调节步进电动机的转速。步进电动机旋转方向由其绕组的通电顺序决定，电动机每转一周都对应固定的步数，理论上其步距误差不会累积。步进电动机按照磁场建立方式来分，主要有反应式、永磁反应式和混合式三种。

这里以如图2-12所示的三相反应式步进电动机为例，介绍步进电动机的基本工作原理。设A相首先通电（B、C两相不通电），产生A—A′轴线方向的磁通，并通过转子形成闭合回路。这时A、A′极就成为电磁铁的N、S极。在磁场的作用下，转子总是力图转到磁阻最小的位置，也就是要转到转子的齿对齐A、A′极的位置（见图2-12（a））；接着B相通电（A、C两相不通电），转子便逆时针方向转过30°，它的齿和B、B′极对齐（见图2-12（b））。不难理解，当脉冲信号一个一个发来时，如果按A→B→C→A→B的顺序通电，则电动机转子便逆时针方向转动起来。这种通电方式称为单三拍方式。此外，还有单双拍、双三拍的工作模式，可改进单三拍工作模式的不足。

步进电动机结构简单，速度控制比较容易实现，但在大负载和高转速情况下，会产生失步，同时输出功率也不够大。因此，步进电动机主要用于开环控制系统的进给驱动。当为步进电动机装上角度检测元件时，也可构成闭环伺服系统，可用于控制精度要求不高的场合。