电机运动控制系统 教学课件 ppt 作者 洪乃刚 第7章.ppt
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- 电机运动控制系统 教学课件 ppt 作者 洪乃刚 第7章 电机 运动 控制系统 教学 课件
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1、第第7章章 位置伺服控制系统位置伺服控制系统7.1 位置伺服控制系统组成和控制要求位置伺服控制系统组成和控制要求 7.2 步进电动机步进电动机7.3 位置闭环伺服控制系统位置闭环伺服控制系统7.4 位置检测位置检测 伺服控制系统是一种能够跟随输入指令信号进行控制的系伺服控制系统是一种能够跟随输入指令信号进行控制的系统,也称随动控制系统。位置伺服控制系统用于机械的定位统,也称随动控制系统。位置伺服控制系统用于机械的定位和定向控制,机器人,数控机床,雷达跟踪,舰船操舵都大和定向控制,机器人,数控机床,雷达跟踪,舰船操舵都大量使用电机控制的位置伺服系统量使用电机控制的位置伺服系统。舰船操舵控制示意图
2、舵手操纵舵轮带动电位器舵手操纵舵轮带动电位器1RP的动臂转动的动臂转动 *发出船舵位置指令,发出船舵位置指令,1RP电位器电位器 将转角将转角转换为电信号转换为电信号船尾船舵上电位器船尾船舵上电位器*1U2RP检测船舵的实际转角检测船舵的实际转角船舵与转向指令偏差船舵与转向指令偏差*经放大器、变流器控制电动机并经减速机带动船舵转动,经放大器、变流器控制电动机并经减速机带动船舵转动,在船舵转角与方向轮转角相同在船舵转角与方向轮转角相同时,时,舰船按舵手操控的方向舰船按舵手操控的方向前进前进7.1 位置伺服控制系统组成和控制要求位置伺服控制系统组成和控制要求7.1.1 位置伺服控制系统的组成位置伺
3、服控制系统的组成位置伺服系统一般包括位置检测、控制器、执行机构等部分位置伺服系统一般包括位置检测、控制器、执行机构等部分位置检测方法有光电编码器,光栅,磁尺等位置检测方法有光电编码器,光栅,磁尺等控制器控制器:伺服控制的心脏,采用步进电动机的位置开环控伺服控制的心脏,采用步进电动机的位置开环控制,控制器是环形脉冲分配器;对闭环控制,控制器可以制,控制器是环形脉冲分配器;对闭环控制,控制器可以是是PID控制,前馈控制,复合控制以及发展迅速的各种智能控制,前馈控制,复合控制以及发展迅速的各种智能控制。控制。电气位置伺服系统的执行机构电气位置伺服系统的执行机构:主要包括电力电子变流器,主要包括电力电
4、子变流器,电动机和减速齿轮箱,从电动机区分有直流伺服系统,交电动机和减速齿轮箱,从电动机区分有直流伺服系统,交流伺服系统,永磁电机伺服系统等。流伺服系统,永磁电机伺服系统等。位置开环控制位置开环控制 位置闭环控制位置闭环控制7.1.2 位置伺服控制的基本要求位置伺服控制的基本要求 电气伺服系统的基本要求是控制精度高,响应快,稳定性电气伺服系统的基本要求是控制精度高,响应快,稳定性好,工作频率宽,负载和抗干扰能力强等,同时还要求体积好,工作频率宽,负载和抗干扰能力强等,同时还要求体积小、轻便,可靠性高和成本低。开环控制,结构简单,成本小、轻便,可靠性高和成本低。开环控制,结构简单,成本低廉,易于
5、维护,但是由于没有位置检测,精度低,抗干扰低廉,易于维护,但是由于没有位置检测,精度低,抗干扰能力差。闭环控制可以根据位置偏差调节,控制精度较高能力差。闭环控制可以根据位置偏差调节,控制精度较高 直流伺服系统有良好的机械特性和调节特性,机电时间常直流伺服系统有良好的机械特性和调节特性,机电时间常数小,起动电压低,缺点是有换向器和电刷,造成摩擦转矩数小,起动电压低,缺点是有换向器和电刷,造成摩擦转矩比较大,有火花干扰和维护不方便。交流伺服系统结构简单,比较大,有火花干扰和维护不方便。交流伺服系统结构简单,无电刷,转动惯量较直流电机小,响应快,交流伺服系统又无电刷,转动惯量较直流电机小,响应快,交
6、流伺服系统又有交流感应式伺服电机和交流永磁式伺服电机有交流感应式伺服电机和交流永磁式伺服电机, 7.2 步进电动机位置开环伺服控制系统步进电动机位置开环伺服控制系统 位置开环伺服系统一般使用步进电动机,步进电动位置开环伺服系统一般使用步进电动机,步进电动机由脉冲驱动,每个脉冲使电机转过一个角度,带机由脉冲驱动,每个脉冲使电机转过一个角度,带动机械移动一步,机械的转角或线位移正比于脉冲动机械移动一步,机械的转角或线位移正比于脉冲个数。个数。 步进电动机不用位置检测,定位精度取决于步进步进电动机不用位置检测,定位精度取决于步进电动机的步距精度和机械传动精度。步进电动机开电动机的步距精度和机械传动精
7、度。步进电动机开环伺服系统结构简单,使用维护方便,可靠性高,环伺服系统结构简单,使用维护方便,可靠性高,制造成本低,在经济型数控机床中广泛应用。制造成本低,在经济型数控机床中广泛应用。7.2.1 步进电动机原理步进电动机原理 (a) (b) (c) 图7.3 步进电动机原理 三相反应式步进电动机,其定子有三相反应式步进电动机,其定子有6个极,每极都装有控制绕组,个极,每极都装有控制绕组,转子铁芯上有四个均匀分布的齿,齿上没有绕组。转子铁芯上有四个均匀分布的齿,齿上没有绕组。 当当A相绕组通电时,因为磁通有使磁路磁阻最小的特性,因此拉相绕组通电时,因为磁通有使磁路磁阻最小的特性,因此拉动转子齿动
8、转子齿1、3与定子极与定子极 对齐对齐AAA相绕组断电,相绕组断电,B绕组通电时,绕组通电时,30 转子转过转子转过齿齿2、4与定子极与定子极BB对齐对齐BB B相断电,相断电,C相通电时转子相通电时转子又转过又转过30按ACBA顺序循环通电,电机顺时针旋转顺序循环通电,电机顺时针旋转 步进电动机每改变一次通电方式(接受一个脉冲),称为一步进电动机每改变一次通电方式(接受一个脉冲),称为一拍,每拍通电转子转过的角度称为步距角拍,每拍通电转子转过的角度称为步距角s, 1. 三相单三拍通电方式三相单三拍通电方式 按按ACBA2. 三相双三拍通电方式三相双三拍通电方式ABCABCAB30s每拍步距角
9、每拍步距角 每拍步距角每拍步距角30s3. 三相六拍通电方式三相六拍通电方式ACACBCBABA每拍步距角每拍步距角152/30s 为了使一相绕组通电时转子在该相牵引下转过一个步距角,为了使一相绕组通电时转子在该相牵引下转过一个步距角,对对m相步进电动机转子齿数为相步进电动机转子齿数为)1(2mKpzp22p为步进电动机定子极数;为步进电动机定子极数;m为相数;为相数;K为正整数为正整数 步进电动机的步距角步进电动机的步距角mzks3601k2k采用单拍或双拍工作方式采用单拍或双拍工作方式采用单、双拍工作方式时采用单、双拍工作方式时 若步进电动机通电频率为若步进电动机通电频率为 ff,步进电动
10、机的转速,步进电动机的转速 min/60rmzkfn 步进电动机有二相、三相、四相、五相、六相,甚至更步进电动机有二相、三相、四相、五相、六相,甚至更多相数,相数和齿数越多,步距角越小。在脉冲频率一定多相数,相数和齿数越多,步距角越小。在脉冲频率一定时,步进电动机的转速就越低。相数越多步进电机成本越时,步进电动机的转速就越低。相数越多步进电机成本越高,驱动脉冲电源越复杂,因此步进电机一般最多为六相高,驱动脉冲电源越复杂,因此步进电机一般最多为六相。7.2.2 步进电动机参数和特性步进电动机参数和特性步进电动机的参数除相数、额定电压和电流外主要有步进电动机的参数除相数、额定电压和电流外主要有1.
11、 步距角和静态步距误差步距角和静态步距误差静态步距误差是指理论步距角与实际的步距角之间的误差,以静态步距误差是指理论步距角与实际的步距角之间的误差,以分表示,一般在分表示,一般在10以内以内 2. 起动频率起动频率qf步进电动机在空载以阶跃给定起动时,能进入不丢步的正常步进电动机在空载以阶跃给定起动时,能进入不丢步的正常工作状态所允许的最高频率,称为起动频率或突眺频率工作状态所允许的最高频率,称为起动频率或突眺频率与与负载惯性有关,负载惯量越大产生丢步可能性越大,负载惯性有关,负载惯量越大产生丢步可能性越大,qf这时这时 不能很大不能很大qf3. 连续运行的最高工作频率连续运行的最高工作频率m
12、axf步进电动机保证不丢步的极限工作频率步进电动机保证不丢步的极限工作频率4. 加、减速特性加、减速特性 步进电动机在加速和减速步进电动机在加速和减速时,为了不发生丢步或加步时,为了不发生丢步或加步现象,脉冲频率的变化不能现象,脉冲频率的变化不能太快,因此转速上升时间太快,因此转速上升时间和和下降时间不能太短下降时间不能太短5. 矩频特性和动态转矩矩频特性和动态转矩矩频特性是步进电动机稳定矩频特性是步进电动机稳定连续工作时转矩与频率关系,连续工作时转矩与频率关系,动态转矩是矩频特性上每一动态转矩是矩频特性上每一频率对应的转矩,动态转矩频率对应的转矩,动态转矩随频率增加而减小。随频率增加而减小。
13、7.2.3 步进电动机的选用步进电动机的选用系统的精度和速度系统的精度和速度为了提高精度,希望脉冲当量小,但是脉冲当量越小系统的为了提高精度,希望脉冲当量小,但是脉冲当量越小系统的运行速度越低,因此要兼顾精度和速度来选择系统的脉冲当运行速度越低,因此要兼顾精度和速度来选择系统的脉冲当量量。 按脉冲当量按脉冲当量选择步进电动机的步距角和传动机构的传选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比,步进电动机的步距角理论上是固定的,实际上存在动比,步进电动机的步距角理论上是固定的,实际上存在误差,一般应将步进电机的步距误差,负载引起的定位误误差,一般应将步进电机的步距误差,负载引起的定位误差,传动机构的误
14、差等都全部考虑在内,使总的误差小于差,传动机构的误差等都全部考虑在内,使总的误差小于机械允许的定位误差。机械允许的定位误差。vf步进电动机进给速度步进电动机进给速度(mm/min)和工作频率)和工作频率 关系关系601000vf 脉冲当量,即每个脉冲进给移动的距离(脉冲当量,即每个脉冲进给移动的距离(mm/pulse)7.2.4 步进电动机的驱动步进电动机的驱动步进电动机控制电路原理由双稳态触发器组成环形脉冲分配器由双稳态触发器组成环形脉冲分配器一般由脉冲分配器,功率驱动两部分组成一般由脉冲分配器,功率驱动两部分组成1. 由双稳态触发器组成环形脉冲分配器由双稳态触发器组成环形脉冲分配器双稳态触
15、发器组成的三相六拍脉冲分配器2. 专用环形分配器模块专用环形分配器模块二相步进电动机二相步进电动机L297,PMM8713三相步进电动机三相步进电动机CH2503. 采用软件,利用查表或计算实现脉冲分配采用软件,利用查表或计算实现脉冲分配,2. 功率驱动功率驱动 (1) 单电压驱动电路单电压驱动电路单电压驱动器只用一路电单电压驱动器只用一路电源源U,结构简单,缺点是,结构简单,缺点是绕组通电时电流上升速度绕组通电时电流上升速度慢,高频时负载能力低慢,高频时负载能力低(2)高低压驱动电路)高低压驱动电路二路电源供电二路电源供电输入脉冲信号来到时输入脉冲信号来到时高电高电压,压,当电流上升到规定值
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