伺服驱动装置课件.ppt
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- 伺服 驱动 装置 课件
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1、机电一体化系统设计机电一体化系统设计人造肌肉与人的臂膀比较人造肌肉与人的臂膀比较“强悍强悍”的的17岁女中学生岁女中学生现年现年17岁的美国女中学生潘娜岁的美国女中学生潘娜 菲尔森,菲尔森,3月月8日在美国航日在美国航天局喷气推进实验室举行的一场国际竞赛中,连续与天局喷气推进实验室举行的一场国际竞赛中,连续与3个个具有人造肌肉臂膀的机器人比赛掰腕子,都取得胜利。由具有人造肌肉臂膀的机器人比赛掰腕子,都取得胜利。由于具有人造肌肉的机器人还处于初步研制阶段,最有力的于具有人造肌肉的机器人还处于初步研制阶段,最有力的机器人也不过坚持了机器人也不过坚持了30秒钟就败下阵来。秒钟就败下阵来。电机应用于移
2、动型工作台、绘图机、打印机、电机应用于移动型工作台、绘图机、打印机、复印机、扫描仪等设备和计算机外设的驱动。复印机、扫描仪等设备和计算机外设的驱动。打印机同步带驱动机构打印机同步带驱动机构 伺服系统基本概念伺服系统基本概念伺服驱动技术概述伺服驱动技术概述控制装置控制装置执行机构执行机构功率放大器功率放大器检测装置检测装置伺服系统的组成伺服系统的组成 执行装置及其分类执行装置及其分类伺服驱动技术概述伺服驱动技术概述电机电机同步性同步性电气伺服驱动装置电气伺服驱动装置 电气驱动装置是将电气驱动装置是将电能电能变成电磁力,变成电磁力,并用该电磁力驱动运动机构运动。并用该电磁力驱动运动机构运动。优点优
3、点电源容易得到电源容易得到电机容易控制电机容易控制可靠性、稳定性和环可靠性、稳定性和环 境适应性好境适应性好与计算机等控制装置与计算机等控制装置的接口简单的接口简单电气伺服驱动装置电气伺服驱动装置缺点缺点容易受载荷的影响容易受载荷的影响获得大功率比较困难获得大功率比较困难在多数情况下,为了实在多数情况下,为了实 现一定的旋转运动或直现一定的旋转运动或直线运动,需要使用齿轮线运动,需要使用齿轮等运动传递和变换机构等运动传递和变换机构液压伺服驱动装置液压伺服驱动装置 液压驱动装置是采用液压驱动装置是采用高压液体高压液体为动为动力的驱动装置。力的驱动装置。优点优点容易获得大功率容易获得大功率功率功率
4、/重量比大重量比大刚度高,能够实现高刚度高,能够实现高 速、高精度的位置控制速、高精度的位置控制通过流量控制可以实通过流量控制可以实现无极变速现无极变速液压伺服驱动装置液压伺服驱动装置缺点缺点必须对油的温度和污染必须对油的温度和污染进行控制、稳定性较差进行控制、稳定性较差有因漏油而发生火灾的有因漏油而发生火灾的危险危险液压油源和进油、回液压油源和进油、回油管路等附属设备占油管路等附属设备占空间较大空间较大气压伺服驱动装置气压伺服驱动装置 气压驱动装置是采用压缩空气作为气压驱动装置是采用压缩空气作为动力的驱动装置,价格低廉。动力的驱动装置,价格低廉。优点优点利用汽缸可以实利用汽缸可以实现高速直线
5、运动现高速直线运动利用空气的可压缩性容易利用空气的可压缩性容易实现力控制和缓冲控制实现力控制和缓冲控制无火灾危险和环境污染无火灾危险和环境污染系统结构简单,价格低系统结构简单,价格低气压伺服驱动装置气压伺服驱动装置缺点缺点任意位置上停止任意位置上停止的动作速度很慢的动作速度很慢由于空气的可压缩,高精由于空气的可压缩,高精度的位置控制和速度控制度的位置控制和速度控制都比较困难都比较困难能量效率较低能量效率较低各执行装置的性能比较各执行装置的性能比较便宜便宜贵贵一般一般价格价格良好良好一般一般差差防暴性能防暴性能一般一般差差良好良好可靠性可靠性良好良好差差良好良好使用环境使用环境大大大大小小占用空
6、间占用空间不需要不需要不需要不需要需要需要减速机构减速机构差差一般一般良好良好控制特性控制特性快快一般一般慢慢简单动作速度简单动作速度小小10Hz大大100Hz中中20Hz快速响应特性快速响应特性中中大大小小输出功率输出功率/重量比重量比气动式气动式液压式液压式电气式电气式比较项目比较项目伺服系统的分类伺服系统的分类按其调节原理类:按其调节原理类:开环伺服系统开环伺服系统驱动电路驱动电路步进电动机步进电动机指令脉冲指令脉冲工工 作作 台台开环伺服系统是最简单的伺服系统,无位置反馈环节。开环伺服系统是最简单的伺服系统,无位置反馈环节。由数控系统发出的指令脉冲,经功率放大器后,使由数控系统发出的指
7、令脉冲,经功率放大器后,使伺服电机转动,通过齿轮副、丝杠螺母副驱动执行部件。伺服电机转动,通过齿轮副、丝杠螺母副驱动执行部件。控制脉冲的数量、频率等,便可控制执行件控制脉冲的数量、频率等,便可控制执行件运动的位移、速度和运动方向。运动的位移、速度和运动方向。系统精度主要取决于系统精度主要取决于步进电机的角位移步进电机的角位移精度;齿轮、丝杠等传动元件的精度以及系精度;齿轮、丝杠等传动元件的精度以及系统的摩擦、阻尼等特性。统的摩擦、阻尼等特性。特点:结构简单,调试、维修方便,成本低特点:结构简单,调试、维修方便,成本低廉,但精度较差,一般用于经济型数控设备。廉,但精度较差,一般用于经济型数控设备
8、。闭环伺服系统闭环伺服系统其驱动装置主要是直流、交流伺服电机以及电其驱动装置主要是直流、交流伺服电机以及电液伺服阀、液压伺服马达等。液伺服阀、液压伺服马达等。与开环系统最主要的区别是:与开环系统最主要的区别是:在执行部件上安装有检测装置,检测执在执行部件上安装有检测装置,检测执行部件的实际位移,反馈到输入端,并与输行部件的实际位移,反馈到输入端,并与输入指令进行比较,求得误差,依此构成闭环入指令进行比较,求得误差,依此构成闭环控制。控制。闭环系统的精度主要取决于检测装置的精度。闭环系统的精度主要取决于检测装置的精度。半闭环伺服系统半闭环伺服系统 是将检测元件安装在是将检测元件安装在中间传动件中
9、间传动件上,间接测量执行部上,间接测量执行部件的位置。件的位置。理论上,闭环系统可消除传动机构的全部误差,而半理论上,闭环系统可消除传动机构的全部误差,而半闭环系统只能补偿环路内的部分误差。闭环系统只能补偿环路内的部分误差。控制器控制器功率放大器功率放大器执行机构执行机构机械执行装置机械执行装置检测装置检测装置电机电机结构结构三种电机驱动的特点:三种电机驱动的特点:转角与数字脉冲成比例,可构成直接数字控制;转角与数字脉冲成比例,可构成直接数字控制;可构成廉价的开环系统;可构成廉价的开环系统;控制系统控制较简单。控制系统控制较简单。响应速度快、功率密度大;响应速度快、功率密度大;可实现高精度的数
10、字控制;可实现高精度的数字控制;需用需用换向器件,且应及时维护更换。换向器件,且应及时维护更换。具有直流伺服电机的全部优点具有直流伺服电机的全部优点输出转矩高,转速受负载的变化影响较小输出转矩高,转速受负载的变化影响较小无接触换向器件,维护方便无接触换向器件,维护方便常见步进电机外形构造常见步进电机外形构造 反应式:转子无绕组,由被激磁的定子绕组产生反应力矩 激磁式:定、转子均有激磁绕组(或转子用永久磁钢),由电磁力矩实现步进运行 步进电机伺服驱动步进电机伺服驱动一、步进电机的工作原理一、步进电机的工作原理 一种能将电脉冲信号变换成相应的一种能将电脉冲信号变换成相应的角位移角位移或或直线位移直
11、线位移的变换器。的变换器。特点:特点:(1)(1)来一个脉冲,转一个步距角。来一个脉冲,转一个步距角。(2)(2)控制脉冲频率,可控制电机转速。控制脉冲频率,可控制电机转速。(3)(3)改变脉冲顺序,就可改变电机转向。改变脉冲顺序,就可改变电机转向。应用:应用:由于其调速性、灵活性和准确性好,常应用在运由于其调速性、灵活性和准确性好,常应用在运动轨迹复杂、精度要求高的中小型机电设备中。动轨迹复杂、精度要求高的中小型机电设备中。结构组成结构组成1)1)定子定子:由:由硅钢片硅钢片叠成叠成的凸极结构的凸极结构,装上一定,装上一定相数的控制绕组,由环形分配器送来电脉冲,对相数的控制绕组,由环形分配器
12、送来电脉冲,对多相定子绕组轮流励磁。多相定子绕组轮流励磁。2)2)转子转子:用:用硅钢片硅钢片叠成或软叠成或软磁性材料做成的凸极结构。磁性材料做成的凸极结构。相数相数:定子上的磁极对数:定子上的磁极对数拍数拍数:步进电机走过一个:步进电机走过一个齿矩角(转子相邻两齿的齿矩角(转子相邻两齿的夹角)所需要的步数或经夹角)所需要的步数或经过几次切换控制绕组的电过几次切换控制绕组的电脉冲为一个循环。脉冲为一个循环。AABBCC ABCABCNS AA12AA1243电机电机1 1电机电机2 2 AA12ABB12AAC1260BCC12 b=60 ACC12AA12BBC1260AAB1260 b=6
13、0 AABB12ABBCC1260AABBC1260AABCC1260 b=60 AABCC1260AABB12ABBCC1260AABBC1260b=60 AA12AABB1230ABB1230AABCC1230BCC1230ABBCC12 b=30 ACC1230AABCC12AA12ABBCC12BBC1230 b=30 AABBC1230 AA1243ABB4231AAC423130BCC423130b=30 bbbb360=m*Z*CAA12AA1243b360360=3(1.5)m*Z*C3*40*1(2)b360360=1.5(0.75)m*Z*C5*48*1(2)实际步进电机转
14、动的模拟实际步进电机转动的模拟电机电机3 3 b=N b36060 f60 f 60fmZCn=360360mZC电机转动的工作原理电机转动的工作原理电机电机运转运转34013360360Zkm34013360360Zkm5.14023360360Zkm二、步进电机的性能参数二、步进电机的性能参数 最大启动转矩最大启动转矩 步进电机在启动时,能带动的最大负载,如步进电步进电机在启动时,能带动的最大负载,如步进电机的负载转矩超过此值,则电机不能启动。机的负载转矩超过此值,则电机不能启动。其值越大,其值越大,则承载能力越强。则承载能力越强。Zkm360 M f三、步进控制系统的组成三、步进控制系统
15、的组成典型的步进电机控制系统的组成典型的步进电机控制系统的组成返返 回回直流伺服电机直流伺服电机旋转方向旋转方向线圈中电流流动方向线圈中电流流动方向换换 相相 器器线圈线圈磁极磁极一、直流电机控制原理图一、直流电机控制原理图原理原理应用应用 电磁式直流电动机由定子磁极、转子(电枢电磁式直流电动机由定子磁极、转子(电枢)、换向器、电刷、机壳、轴承等构成。)、换向器、电刷、机壳、轴承等构成。电动机电枢回路的电电动机电枢回路的电压平衡方程式为:压平衡方程式为:aaaRIdtdILEU E:电枢回路的反电动势:电枢回路的反电动势R:电枢回路总电阻:电枢回路总电阻La:电动机电枢绕组电感:电动机电枢绕组
16、电感Ia:电动机电枢电流:电动机电枢电流二、直流伺服电机的特性二、直流伺服电机的特性 稳态运行时,稳态运行时,Ia等于常数,等于常数,dIa/dt=0,则:,则:aaaRIdtdILEU aRIEU :电动机主磁极的磁通:电动机主磁极的磁通Ce:电动机的结构常数,称为电动势常数:电动机的结构常数,称为电动势常数n:电动机转速:电动机转速 电枢回路的反电动势为:电枢回路的反电动势为:nCEe 电动机的转矩为电动机的转矩为:aeeaeICRCUnRInCU aTICT CT:电动机的结构常数,称为转矩常数:电动机的结构常数,称为转矩常数 直流电动机的机械特性方程:直流电动机的机械特性方程:TCCR
17、CUnTee2 当电源电压当电源电压U U、励磁磁通、励磁磁通、电枢回路总电阻、电枢回路总电阻等于常数时,电动机的机械特性是一根向下倾斜等于常数时,电动机的机械特性是一根向下倾斜的直线,其斜率是:的直线,其斜率是:eCUn0kTnn 0电动机输出转矩为电动机输出转矩为0 0时的转速时的转速n0为为 直流电动机的机械特性方程:直流电动机的机械特性方程:kCCRdTdnTe 2kTnn 0 他励直流电动机的固有机械特性:他励直流电动机的固有机械特性:调压调速机械特性族:调压调速机械特性族:电源电压、励磁磁通额定值分别为电源电压、励磁磁通额定值分别为Un、n,当当U从从Un向减少的方向变化,所得到的
18、机械特性向减少的方向变化,所得到的机械特性族叫调压调速机械特性族。族叫调压调速机械特性族。调压调速机械特性:调压调速机械特性:采用调压调速法时,采用调压调速法时,=常数,只要输入同样常数,只要输入同样的电枢电流的电枢电流Ia,电动机产生的转矩,电动机产生的转矩T T就相等,则调就相等,则调压调速法是恒转矩调速。压调速法是恒转矩调速。最大转矩:最大转矩:Tmax=CTnIanCT:转矩常数:转矩常数n:励磁磁通额定值:励磁磁通额定值Ian:额定电流:额定电流PWMPWM调速调速 调磁调速机械特性族:调磁调速机械特性族:电源电压为电源电压为Un,当调节励磁电阻或者调节励,当调节励磁电阻或者调节励磁
19、电压磁电压Uf,都可以改变磁通,都可以改变磁通,采用减小励磁的,采用减小励磁的方法来改变磁通方法来改变磁通,n所得到的机械特性族所得到的机械特性族叫弱磁调速机械特性族。叫弱磁调速机械特性族。0n 0n0n n 调磁调速机械特性:调磁调速机械特性:弱磁调速时,要使电动机的输出转矩弱磁调速时,要使电动机的输出转矩T不变不变,电枢电流,电枢电流Ia应当成比例加大。电动机输出功率应当成比例加大。电动机输出功率:2602602602aaneTaeenaTRIIUCCICRCUICnTTP 由上式可知电动机的输出功率与磁通无关,由上式可知电动机的输出功率与磁通无关,因此弱磁调速是恒功率调速法。因此弱磁调速
20、是恒功率调速法。电枢电路串电阻调速机械特性族:电枢电路串电阻调速机械特性族:电源电压、励磁磁通额定值分别为电源电压、励磁磁通额定值分别为Un、n。TCCRCUnnTenen2 此种调速方法转此种调速方法转速调得越低,转化为速调得越低,转化为热能而消耗的电能也热能而消耗的电能也就越大,一般生产机就越大,一般生产机械不采用,属恒转矩械不采用,属恒转矩调速。调速。电阻电阻调速调速三、直流伺服电机的调速三、直流伺服电机的调速TCCRCUnTee2 自制自制电机电机四、电动机与负载的匹配四、电动机与负载的匹配 机床的各种运动可分为主运动,进给运动与机床的各种运动可分为主运动,进给运动与辅助运动,主运动要
21、求恒功率调速,进给运动要辅助运动,主运动要求恒功率调速,进给运动要求恒转矩调速。求恒转矩调速。四、电动机与负载的匹配四、电动机与负载的匹配 设一工件毛坯切削时设一工件毛坯切削时,车床主轴转速车床主轴转速120r/min,切削力矩是切削力矩是200Nm;精加工时精加工时,主轴转速主轴转速1200r/min,切削力矩是切削力矩是20Nm;选用直流电机直接驱动主轴选用直流电机直接驱动主轴,电电动机动机Un=220v,nn=1500r/min,求电动机额定功率。求电动机额定功率。P粗粗=P精精=(2/60)2/60)n粗粗T粗粗=(22/60)n精精T精精2.5kwi粗粗=1500/120=12.5
22、粗加工调压粗加工调压U粗粗=220/i粗粗=17.6v电动机额定电流:电动机额定电流:I额额(2.5/17.6)103=142A电动机额定功率:电动机额定功率:P额额14222010-3=31.2kw解:切削功率为:解:切削功率为:四、电动机与负载的匹配四、电动机与负载的匹配 从上述例子可得,在电动机直接带动机床主从上述例子可得,在电动机直接带动机床主轴的情况下,机床要求的调速比越大,电动机的轴的情况下,机床要求的调速比越大,电动机的功率也必须成正比的加大,浪费越严重。功率也必须成正比的加大,浪费越严重。解决的方法:解决的方法:1 1、在电动机主轴之间加一个减速机,若电动机的、在电动机主轴之间
23、加一个减速机,若电动机的调速比是调速比是5 5,减速机的减速比是,减速机的减速比是6 6,则机床主轴的,则机床主轴的调速范围是调速范围是3030。2 2、使用稀土永磁低速大转矩电动机,但这种电动、使用稀土永磁低速大转矩电动机,但这种电动机用在机床主运动系统中尚有困难。机用在机床主运动系统中尚有困难。交流伺服电机驱动交流伺服电机驱动异步异步原理原理1 11)1)交流伺服电动机的工作原理交流伺服电动机的工作原理 电机定子上有两相绕组。电机定子上有两相绕组。一相叫一相叫励磁绕组励磁绕组,接到交流励磁,接到交流励磁交流电网交流电网上;另一上;另一相为相为控制绕组控制绕组,接入控制电压。,接入控制电压。
24、两绕组在空间上互差两绕组在空间上互差9090的电角度,励磁电压的电角度,励磁电压 U Uf f 和控制电压和控制电压 Uc Uc 频率相同。频率相同。控制绕组控制绕组励磁绕组励磁绕组转子转子异步异步原理原理 工作时两个绕组中产生的电流工作时两个绕组中产生的电流 和和 的相的相位差位差90,产生旋转磁场。在旋转磁场的作用下,产生旋转磁场。在旋转磁场的作用下,转子转动起来,转速转子转动起来,转速fIcI)1()1(600snpsfn 式中,式中,ff交流电源频率交流电源频率(Hz)(Hz);pp磁极对数;磁极对数;n n0 0旋转磁场的转速旋转磁场的转速(r/min)(r/min);ss转差率转差
25、率 。2)2)伺服电机的控制伺服电机的控制:幅值控制原理图幅值控制原理图 不同控制电压下的不同控制电压下的 机械特性曲线机械特性曲线 由右图可知,在一定负载转矩下,控制电压越高,转差率越由右图可知,在一定负载转矩下,控制电压越高,转差率越小,电动机的转速就越高,不同的控制电压对应着不同的转速。小,电动机的转速就越高,不同的控制电压对应着不同的转速。这种维持与相位差为这种维持与相位差为9090,利用改变控制电压幅值大小来改,利用改变控制电压幅值大小来改变转速的方法,称为变转速的方法,称为幅值控制法幅值控制法。直线(线性)传动是什么?直线(线性)传动是什么?在传统的机械电气系统中,需要直在传统的机
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