机电一体化(四)执行元件及驱动技术-直流伺服课件.ppt

1、n步进电机n直流伺服电机n交流伺服电机机电伺服系统中的执行元件机电伺服系统中的执行元件伺服系统的三种控制方式伺服系统的三种控制方式:1.转矩控制方式：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入来设定电转矩控制方式：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入来设定电机轴对外的输出转矩的大小机轴对外的输出转矩的大小;2、位置控制：位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率、位置控制：位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。有些伺服可以通过通讯方式直接对

2、速度和位移进行赋值。3、速度控制：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动、速度控制：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。上位反馈以做运算用。选择伺服电机和步进电机？步进电机伺服电机力矩范围中小力矩（一般在20Nm以下）小、中、大，全范围速度范围低（一般在2000RPM以下，大力矩电机小于1000RPM高（可达5000RPM）,直流伺服电机更可达1

3、2万转/分 控制方式主要是位置控制多样化智能化的控制方式，位置/转速/转矩方式平滑性(低频特性）低速时有振动（但用细分型驱动器则可明显改善）好，运行平滑控制精度一般较低，细分型驱动时较高高（具体要看反馈装置的分辨率）矩频特性高速时，力矩下降快力矩特性好，特性较硬过载特性过载时会失步可310倍过载（短时）反馈方式大多数为开环控制，也可接编码器，防止失步闭环方式，编码器反馈编码器类型-光电型旋转编码器（增量型/绝对值型），旋转变压器型响应速度一般（需要200400毫秒）快价格低较高n 在自动控制系统中，伺服电动机将电压信号转在自动控制系统中，伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱动被控对象，当信

4、号电压的换为转矩和转速以驱动被控对象，当信号电压的大小和极性大小和极性(或相位或相位)发生变化时，电动机的转速发生变化时，电动机的转速和转向将快速、准确地跟着变化。目前常用的伺和转向将快速、准确地跟着变化。目前常用的伺服电动机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进服电动机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机。电机。二、伺服电机及其控制二、伺服电机及其控制永磁式直流伺服电机结构永磁式直流伺服电机结构n直流伺服电机构成n直流伺服电机的电源特点n直流伺服电机的类型4.3 4.3.1 4.3.1 直流伺服电机工作原理与机械特性直流伺服电机工作原理与机械特性（1）定子:定子磁场由定子的磁极产生，根据磁场的

5、产生方式，直流伺服电动机可分为永磁式和他励式。永磁式磁极由永磁材料制成；他励式磁极由冲裁的硅钢片叠压而成，外部绕线圈，通以直流电流便产生恒定磁场。（2）转子:又叫电枢，由硅钢片叠压而成，表面嵌有线圈，通以直流电时，在定子磁场作用下产生带动负载旋转的电磁转矩。（3）电刷与换向片:为使产生的电磁转矩保持恒定方向，确保转子能沿着固定的方向均匀连续旋转，电刷与外加直流电源相接，换向片与电枢导体相接。4.3.1 4.3.1 直流电机工作原理与机械特性直流电机工作原理与机械特性 4.3 atICTaaREUInCEe直流电机电刷间的反电动势：直流电机的电磁转矩表示为：电枢回路中的电压平衡方程式为:4.3.

6、1 4.3.1 直流电机工作原理与机械特性直流电机工作原理与机械特性 4.3 TCCRCURIUCnteaeaae21atICTaaREUInCEe直流电动机的机械特性方程式为:控制方式：控制方式：1.1.电枢控制（主要）；电枢控制（主要）；2.2.磁极控制（少用）。磁极控制（少用）。TCCRCURIUCnteaeaae214.3.1 4.3.1 直流电机工作原理与机械特性直流电机工作原理与机械特性 4.3 n0Tn nn 称为转速降落Ua一定时，当 M时n，但由于有转速反馈回路，转速 n 的变化不大。TCCRCURIUCnteaeaae214.3.1 4.3.1 直流电机工作原理与机械特性直

7、流电机工作原理与机械特性 4.3 Td称为启动瞬时转矩，其值也与电枢电压成正比。N0是空载转速;负载转矩增加转速下降反电势减少电流增加电磁转矩增加平衡电机以较低的转速稳定运行4.3.1 4.3.1 直流电机工作原理与机械特性直流电机工作原理与机械特性 4.3 直流伺服电动机的调节特性直流伺服电动机的调节特性也是一组斜率相同的直线簇。每条调节特性和一种电磁转矩相对应，与Ua轴的交点是启动时的电枢电压。4.3.2 4.3.2 直流电机控制系统的数学模型直流电机控制系统的数学模型 nCeedtdiLiRueaaaaa电枢电压平衡方程为：sTKRsLRseusiaaaaaaa1/1/1)()(4.3

8、电枢电流与电枢电压之间传递函数为:4.3.2 4.3.2 直流电机控制系统的数学模型直流电机控制系统的数学模型 转矩平衡方程为：atLiCTTTdtdnJ4.3 J0JdtdnJdtdnJndtdJdtdJTTL00030602030JJ转速惯量(Nmsmin/r)，它与常用的转动惯量(N m/rad)的关系可从下式推得：即 JsTTnL14.3.2 4.3.2 直流电机控制系统的数学模型直流电机控制系统的数学模型 4.3 JsTTnL1sTKRsLReuiaaaaaaa1/1/1直流电机的精确模型aaaRsLR/1/1Js1eCtCaueaiTLTn4.3 2/etamCCJRT引入一个机电

9、时间常数引入一个机电时间常数:电枢回路电磁时间常数电枢回路电磁时间常数:aaaRLT aaaRsLR/1/1Js1eCtCaueaiTLTnsTRaa111sTCCRmtea12eCtCaueaiTLTn4.3.2 4.3.2 直流电机控制系统的数学模型直流电机控制系统的数学模型 转速与电枢电压间传递关系转速与电枢电压间传递关系:4.3.2 4.3.2 直流电机控制系统的数学模型直流电机控制系统的数学模型 4.3 2/etamCCJRT1/1)()(2sTsTTCSUsmamea若若电磁时间常数很小电磁时间常数很小,既既忽略电感忽略电感:1/1)()(sTCSUsmea可见可见:直流伺服电机过

10、渡过程的快慢直流伺服电机过渡过程的快慢,取决于机电时间常数取决于机电时间常数.为了加快系统响应速度为了加快系统响应速度,可以可以:1.减小机械系统等效转动惯量减小机械系统等效转动惯量;2.给电机供电的电源内阻小给电机供电的电源内阻小,Ra小小;3.加大等效反电动势系数加大等效反电动势系数直流伺服电机的技术指标额定功率 PN ,额定电压UN 额定电流 IN 在此功率下允许电机长期连续的运行而不过热.额定转速 nN:额定转矩 TN,最大 转矩 TM:电机在短时间内可以输出的最大转矩,反应其过载能力;(一般是额定转矩的510倍)机电时间常数(通常小于20ms)电磁时间常数(通常小于5ms)转动惯量N

11、NNNNNNnPnPPT55.9260 连续工作区：电机可在转矩和转速的任意组合下长期工作。断续工作区：电机只能作间断工作，间断周期要根据载荷周期曲线求得。加减速区/瞬时工作区：电机只允许瞬时过渡，在2#整流线以外电机不允许使用。曲线a为电机温度限制，在此曲线上，电机达到绝缘所允许的极限值，故只允许电机在此曲线内长时间连续运行。曲线c为电机最高转速限制线，随着转速上升，电枢电压升高，整流子片间电压加大，超过一定值有发生环火的危险。最大转矩d主要受永磁材料的去磁特性所限制，当除磁超过某值后，铁氧体磁性发生变化。最高转速最大转矩n对要求频繁起动/制动的数控机床，为避免电机过热，必须检查在一个周期内

12、电机转矩的均方根值，即有效力矩，并使它小于电机连续额定转矩。直流伺服电机的技术指标例例1：n满足有效力矩小于电机连续额定转矩满足有效力矩小于电机连续额定转矩 龙门刨床工作台控制龙门刨床工作台控制vtttttcMjMgMM1M2M3M4M5M6M1t2t3t4t5t6t往 复 运 动摩 擦 力 矩惯 性 力 矩切 削 力 矩合 成 力 矩例例2：设计实例设计实例4.3.3 4.3.3 直流伺服电机的驱动直流伺服电机的驱动4.3 u 晶闸管（可控硅）晶闸管（可控硅）调速系统调速系统通过对晶闸管触发角的控制来控制电机电枢电压，以达到调速的目的。u晶体管脉宽调制（晶体管脉宽调制（PWM）调速系统调速系

13、统通过脉宽调制器将直流电压转换成方波电压，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，以达到调速的目的。1.1.晶闸管调速系统晶闸管调速系统 包括 控制回路：速度环、电流环、触发脉冲发生器等。主回路：可控硅整流放大器等。速度环：速度调节（PI），作用：好的静态、动态特性。电流环：电流调节(P或PI)。作用：加快响应、启动、低频稳定等。触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或后移。可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。速度速度调节器调节器电流电流调节器调节器触发脉冲触发脉冲发生器发生器可控硅可控硅整流器整流器电流反馈电流反馈速度反馈速度反馈电流检测电流检测编码器编码器电机电

14、机UR+-UfIfIR+-E1ES1).直流斩波器的基本结构直流斩波器的基本结构 直流斩波器电动机系统原理图和电压波形直流斩波器电动机系统原理图和电压波形电动机得到的平均电压为：电动机得到的平均电压为：2.2.晶体管脉宽调制（晶体管脉宽调制（PWMPWM）调速系统）调速系统2).斩波器的三种控制方式斩波器的三种控制方式直流斩波器的基本结构与工作原理直流斩波器的基本结构与工作原理PWM:Pulse width modulation几种典型几种典型PWM变换器的基本结构及工作原理变换器的基本结构及工作原理n1).无制动作用的不可逆PWM变换器工作状态与波形工作状态与波形（2）有制动的不可逆）有制动

15、的不可逆PWM变换器变换器UdUg2OttUg1Ot1TUS-USOttidid1id2id1id2O12电动状态电动状态一般电动状态一般电动状态制动状态：能耗制动，再生能耗制动制动状态：能耗制动，再生能耗制动OOOOt1t3Tt2t3t1Ug1Ug2Udidttttid1id1id4id2id3id4id234（2）有制动的不可逆）有制动的不可逆PWM变换器变换器3).可逆可逆PWM变换器变换器T1 和T4 同时导通和关断，其基极驱动电压Ub1=Ub4。T2和T3同时导通和关断，基极驱动电压Ub2=Ub3=Ub1。Ub3Ub4Ub1Ub2USABD1D2D3D4MT1T2T4T31UdUAB

16、Ub2Ub3OttUb1Ub 4Ot1TUS-USOttidid1id2id1id2O负载较重时：电动状态：当0t t 1时，Ub1、Ub4为正，T1 和T4 导通；Ub2、Ub3 为负，T2和T3截止。电机端电压UAB=Us，电枢电流id=id1，由US T1 T4 地。续流维持电动状态：在t1 t T时，Ub1、Ub4为负，T1 和T4截止；Ub2、Ub3 变正，但T2和T3并不能立即导通，因为在电枢电感储能的作用下，电枢电流id=id2，由D2 D3续流，在D2、D3 上的压降使T2、T3的c-e极承受反压不能导通。UAB=-Us。接着再变到电动状态、续流维持电动状态反复进行.2Ub3U

17、b4Ub1Ub2USABD1D2D3D4MT1T2T4T3负载较轻时：反接制动状态，电流反向：状态中，在负载较轻时，则id小，续流电流很快衰减到零，即t=t2 时,id=0。在t2 T 区段，T2、T3 在US 和反电动势E的共同作用下导通，电枢电流反向，id=id3 由US T3 T2 地。电机处于反接制动状态。电枢电感储能维持电流反向：在T t3区段时，驱动脉冲极性改变，T2、T3截止，因电枢电感维持电流，id=id4，由D4 D1。3).可逆可逆PWM变换器变换器OOOOt1t3Tt2t3t1Ub1、Ub 4Ub2、Ub 3UdUABidttttid1id1id4id2id3id4id2

18、电机正转、反转、停止：电机正转、反转、停止：由正、负由正、负驱动电压脉冲宽窄而定。驱动电压脉冲宽窄而定。当当正正脉冲较宽时，既脉冲较宽时，既t1 T/2，平均电压为正，电机正转；平均电压为正，电机正转；当当正正脉冲较窄时，既脉冲较窄时，既t1 T/2，平均电压为负，电机反转；平均电压为负，电机反转；如果正、负如果正、负脉冲宽度相等，脉冲宽度相等，t1=T/2，平均电压为零，电机停转。平均电压为零，电机停转。电机速度的改变：电机速度的改变：电枢上的电枢上的平均平均电压电压UAB越大，转速越高。它是由越大，转速越高。它是由驱动电压脉冲宽度驱动电压脉冲宽度 决定的。决定的。双极性双极性：由以上分析表

19、明：由以上分析表明：可逆可逆H型双极式型双极式PWM开关功率放大器，无论负载是重还是轻、电机开关功率放大器，无论负载是重还是轻、电机是正转还是反转，加在电枢上的电压极性在一个开关周期内，都在是正转还是反转，加在电枢上的电压极性在一个开关周期内，都在US和和 US之间变换一次，故称为双极性。之间变换一次，故称为双极性。相关方程：相关方程：性能评价性能评价PWM变换器的数学模型变换器的数学模型（2 2）晶体管脉宽调制（晶体管脉宽调制（PWMPWM）调速系统结构）调速系统结构1 1速度调节器速度调节器电流调节器电流调节器脉宽调制脉宽调制振荡器振荡器基极驱动基极驱动MG电流反馈电流反馈Uusrus f

20、整流整流功放功放ttU U S r+U U S C+U S rooo-U S rtttt同向加法放大器电路图U Sr 速度指令转化过 来的直流电压U-三角波USC-脉宽调制器的输出（U S r+U ）调制波形图R1+12VUSCR1R3R2+-12VU S rU-USr为0时调制出正负脉宽一样方波平均电压为0US r为正时USr为负时调制出脉宽较宽的波形平均电压为正调制出脉宽较窄的波形平均电压为负脉宽调制器脉宽调制器U S r+U（2）晶体管脉宽调制（晶体管脉宽调制（PWM）调速系统结构）调速系统结构2-数字控制器直接发出PWM控制信号 仿真实验 直流伺服电机闭环控制系统（位置直流伺服电机闭环控制系统（位置/速度伺服）速度伺服）例4.2 其中可控硅整流器传函用PWM变换器传函替换，机械系统传动装置按数控机床进给传动系统模型建立。参考相应论文参考相应论文准备：准备：第第4章例子章例子例例5.1，速度闭环速度闭环+位置闭环位置闭环 P134-142例例5.4，5.5 5.6习题：习题：5-6，5-7