交流伺服系统课件.ppt

1、现代机电系统概论现代机电系统概论第六讲第六讲 伺服技术伺服技术教学目标教学目标1.掌握伺服系统的结构组成及分类。掌握伺服系统的结构组成及分类。2.理解直流伺服系统、交流伺服系统、理解直流伺服系统、交流伺服系统、步进电机控制系统的工作原理。步进电机控制系统的工作原理。伺服伺服(Servo)(Servo)的意思即的意思即“伺候服务伺候服务”，就是在，就是在控制指令的指挥下，控制驱动元件，使机械系统的控制指令的指挥下，控制驱动元件，使机械系统的运动部件按照指令要求进行运动。伺服系统主要用运动部件按照指令要求进行运动。伺服系统主要用于机械设备位置和速度的动态控制，在数控机床、于机械设备位置和速度的动态

2、控制，在数控机床、工业机器人、坐标测量机以及自动导引车等自动化工业机器人、坐标测量机以及自动导引车等自动化制造、装配及测量设备中，已经获得非常广泛的应制造、装配及测量设备中，已经获得非常广泛的应用。用。2.4.1 2.4.1 伺服系统的结构组成及分类伺服系统的结构组成及分类1.1.伺服系统的结构组成伺服系统的结构组成图图2.4.1 2.4.1 伺服系统的组成伺服系统的组成1)控制器控制器 控制器的主要任务是根据输入信号和反馈信号决定控控制器的主要任务是根据输入信号和反馈信号决定控制策略。制策略。2)2)功率放大器功率放大器 伺服系统中的功率放大器的作用是将信号进行放大，伺服系统中的功率放大器的

3、作用是将信号进行放大，并用来驱动执行机构完成某种操作。并用来驱动执行机构完成某种操作。3)3)执行机构执行机构 执行机构主要由伺服电动机或液压伺服机构和机械传执行机构主要由伺服电动机或液压伺服机构和机械传动装置等组成。动装置等组成。伺服电动机伺服电动机液压马达液压马达4)4)检测装置检测装置 检测装置的任务是测量被控制量检测装置的任务是测量被控制量(即输出量即输出量)，实现，实现反馈控制。反馈控制。检测位置量的检测装置检测位置量的检测装置自整角机自整角机旋转变压器旋转变压器检测速度的检测装置检测速度的检测装置测速发电机测速发电机光电编码器光电编码器2.2.伺服系统的分类伺服系统的分类1)1)根

4、据使用能量的不同，可以将伺服驱动系统分为电根据使用能量的不同，可以将伺服驱动系统分为电气式、液压式和气压式等几种类型。气式、液压式和气压式等几种类型。图图2.4.2 2.4.2 伺服驱动系统的种类伺服驱动系统的种类表表2.4.1 2.4.1 伺服驱动系统的特点及优缺点伺服驱动系统的特点及优缺点种类种类特点特点优点优点缺点缺点电电气气式式可使用商用电源；可使用商用电源；信号与动力的传送信号与动力的传送方向相同；有交流方向相同；有交流和直流之别，需注和直流之别，需注意电压大小意电压大小操作简单；编程容易；操作简单；编程容易；能实现定位伺服；响能实现定位伺服；响应快、易与应快、易与CPUCPU相接；

5、相接；体积小，动力较大；体积小，动力较大；无污染无污染瞬时输出功率大；过瞬时输出功率大；过载差，由于某种原因载差，由于某种原因而卡住时，会引起烧而卡住时，会引起烧毁事故，易受外部噪毁事故，易受外部噪声影响声影响液液压压式式要求操作人员技术要求操作人员技术熟练；液压源压力熟练；液压源压力为为输出功率大，速度快，输出功率大，速度快，动作平稳，可实现定动作平稳，可实现定位伺服；易与位伺服；易与CPUCPU相相接；响应快接；响应快设备难于小型化；液设备难于小型化；液压源或液压油要求压源或液压油要求（杂质、温度、测量、（杂质、温度、测量、质量）严格；易泄漏质量）严格；易泄漏且有污染且有污染气气压压式式要

6、求操作人员技术要求操作人员技术熟练熟练；空气压力源；空气压力源压力为压力为气源方便、成本低；气源方便、成本低；无泄漏污染；速度快、无泄漏污染；速度快、操作比较简单操作比较简单功率小，体积大，动功率小，体积大，动作不够平稳；不易小作不够平稳；不易小型化；远距离传输困型化；远距离传输困难；工作噪声大、难难；工作噪声大、难于伺服于伺服Pa510)8020(Pa510)75(图图2.4.3 2.4.3 开环伺服系统与闭环伺服系统开环伺服系统与闭环伺服系统2)按控制方式划分，可分为开环伺服系统和闭环伺服系统。按控制方式划分，可分为开环伺服系统和闭环伺服系统。2.4.2 直流伺服系统（采用直流伺服电动直流

7、伺服系统（采用直流伺服电动机作为执行元件的伺服系统）机作为执行元件的伺服系统）1.直流电机的结构及其工作原理直流电机的结构及其工作原理图图2.4.4 2.4.4 直流电机的结构直流电机的结构2.直流电机的转速、转矩控制直流电机的转速、转矩控制改变直流电机的转速和转矩的控制方法：改变直流电机的转速和转矩的控制方法：作电机转速调节时作电机转速调节时可改变电源电压可改变电源电压 作电机转矩调节时作电机转矩调节时可改变电枢电流可改变电枢电流1)线性控制方式线性控制方式图图2.4.5 2.4.5 线性控制方式的原理线性控制方式的原理晶体管的内晶体管的内电阻变化电阻变化控制基控制基极电压极电压通过晶体管内

8、电阻消耗功率来控制电机转速。通过晶体管内电阻消耗功率来控制电机转速。晶体管工作于不饱和区。晶体管工作于不饱和区。特点：效率较低，不经济。可用于额定功率为数瓦的小电机的控制电路。特点：效率较低，不经济。可用于额定功率为数瓦的小电机的控制电路。2)PWM(Pulse Width Modulation)控制方式控制方式图图2.4.6 PWM2.4.6 PWM控制方式控制方式3)直流电机的直流电机的PWM控制电路举例控制电路举例 直流电机直流电机PWM控制的原理控制的原理改变占空比就可以控制电机的转速。改变占空比就可以控制电机的转速。中速中速高速高速低速低速图图2.4.7 PWM2.4.7 PWM控制

9、的原理控制的原理图图2.4.10 PWM2.4.10 PWM控制电路控制电路该二极管用该二极管用于防止开关于防止开关时的贯通电时的贯通电流流图图2.4.11 2.4.11 鉴幅型直流伺服系统的原理框图鉴幅型直流伺服系统的原理框图3.鉴幅型直流伺服系统鉴幅型直流伺服系统 旋转变压器旋转变压器旋转变压器是一种输出电压随转角变化的角位移测量旋转变压器是一种输出电压随转角变化的角位移测量装置。装置。1)位置检测与信号综合位置检测与信号综合环节环节 相敏放大器相敏放大器相敏放大器也称为鉴幅器。它的功能是将交流电压转相敏放大器也称为鉴幅器。它的功能是将交流电压转换为与之成正比的直流电压，并使它的极性与输入

10、的换为与之成正比的直流电压，并使它的极性与输入的交流电压的相位相适应。交流电压的相位相适应。位置检测与信号综合环节位置检测与信号综合环节 旋转变压器组完成了位置检测和信号综合功能。放旋转变压器组完成了位置检测和信号综合功能。放大器和相敏放大器承担了信号变换任务。大器和相敏放大器承担了信号变换任务。PWMPWM功率放大器的基本原理是：利用大功率器件的开关作用，功率放大器的基本原理是：利用大功率器件的开关作用，将直流电压转换成一定频率的方波电压，通过对方波脉冲宽度将直流电压转换成一定频率的方波电压，通过对方波脉冲宽度的控制，改变输出电压的平均值。的控制，改变输出电压的平均值。2）PWM功率放大器功

11、率放大器PWM功率放大器功率放大器3.减速器减速器 减速器的任务是实现电动机与负载之间的匹配。减速器的任务是实现电动机与负载之间的匹配。减速器减速器l 采用交流伺服电动机作为执行元件的伺服系统，称为交流采用交流伺服电动机作为执行元件的伺服系统，称为交流伺服系统。伺服系统。l 交流伺服按其选用不同的电动机而分为两大类：同步型交交流伺服按其选用不同的电动机而分为两大类：同步型交流伺服电动机和异步型交流伺服电动机。流伺服电动机和异步型交流伺服电动机。2.4.3 交流伺服系统交流伺服系统恒压频比控制恒压频比控制SPWM变频调速系统变频调速系统图图2.4.14 2.4.14 恒压频比控制恒压频比控制SP

12、WMSPWM变频调速系统的原理框图变频调速系统的原理框图1)1)绝对值运算器绝对值运算器 根据电动机正转、反转的要求，给定电位器输出的正根据电动机正转、反转的要求，给定电位器输出的正值或负值电压。但在系统调频过程中，改变逆变器输出电值或负值电压。但在系统调频过程中，改变逆变器输出电压和频率仅需要单一极性的控制电压。因而设置了绝对值压和频率仅需要单一极性的控制电压。因而设置了绝对值运算器。绝对值运算器输出单一极性的电压，输出电压的运算器。绝对值运算器输出单一极性的电压，输出电压的数值与输入相同。数值与输入相同。1U1f图2.4.13 分段调制函数发生器用来实现调速过程中电压函数发生器用来实现调速

13、过程中电压和频率和频率2)2)函数发生器函数发生器的协调关系。的协调关系。的关系曲线的关系曲线cff 与与3)3)逻辑控制器逻辑控制器 根据给定电位器送来的正值电压、零值电压或负值电压根据给定电位器送来的正值电压、零值电压或负值电压，经过逻辑开关，使控制系统的，经过逻辑开关，使控制系统的SPWMSPWM波输出按正相序、停发波输出按正相序、停发或逆相序送到逆变器，以实现电动机的正转、停止或反转。或逆相序送到逆变器，以实现电动机的正转、停止或反转。另外，逻辑控制器还要完成各种保护控制。另外，逻辑控制器还要完成各种保护控制。步进电机控制系统有开环和闭环两种控制方式。步进电机控制系统有开环和闭环两种控

14、制方式。一般一般数控机械和普通机床的微机改造中大多数均采用开环步进电数控机械和普通机床的微机改造中大多数均采用开环步进电机控制系统。机控制系统。2.4.4 步进电机控制系统步进电机控制系统图图2.4.15 2.4.15 开环步进电动机控制开环步进电动机控制系统框图系统框图1.步进电动机步进电动机 步进电动机是步进电动机是一种将输入脉冲信一种将输入脉冲信号转换成相应角位号转换成相应角位移的旋转电机，可移的旋转电机，可以实现高精度的角以实现高精度的角度控制。度控制。2.2.环形分配器环形分配器 步进电动机的各绕组必须按一定的顺序通电才能正确工步进电动机的各绕组必须按一定的顺序通电才能正确工作，这种

15、使电动机绕组的通电顺序按输入脉冲的控制而循环作，这种使电动机绕组的通电顺序按输入脉冲的控制而循环变化的装置称为脉冲分配器，又称为环形分配器。变化的装置称为脉冲分配器，又称为环形分配器。3.功率驱动器功率驱动器 功器驱动器实际上是一个功率开关电路，其功能是将环功器驱动器实际上是一个功率开关电路，其功能是将环形分配器的输出信号进行功率放大，得到步进电动机控制绕形分配器的输出信号进行功率放大，得到步进电动机控制绕组所需要的脉冲电流组所需要的脉冲电流(对于伺服步进电动机，励磁电流为几对于伺服步进电动机，励磁电流为几安培，而功率步进电动机的励磁电流可达十几安培安培，而功率步进电动机的励磁电流可达十几安培

16、)及所需及所需要的脉冲波形。要的脉冲波形。图图2.4.16 2.4.16 由通用逻辑由通用逻辑ICIC构成的步进电机驱动电路构成的步进电机驱动电路4.使用通用集成逻辑电路的步进电机驱动电路举例使用通用集成逻辑电路的步进电机驱动电路举例脉冲分配电路脉冲分配电路功率放大器功率放大器由振荡由振荡器构成器构成信号发信号发生电路生电路 步进电动机驱动电路按其采用的功率元件来分，有步进电动机驱动电路按其采用的功率元件来分，有晶闸管功率驱动器和晶体管功率驱动器等；按其主电路晶闸管功率驱动器和晶体管功率驱动器等；按其主电路结构分，有单电压驱动和高、低电压驱动两种。目前广结构分，有单电压驱动和高、低电压驱动两种

17、。目前广泛应用的是晶体管功率驱动器，它具有控制方便、调试泛应用的是晶体管功率驱动器，它具有控制方便、调试容易、开关速度快等优点。容易、开关速度快等优点。步进电机与微型机接口电路之一步进电机与微型机接口电路之一1 10 00 01 10 00 0 1 10 00 0只要按一定的顺序只要按一定的顺序 改变改变 P1.0P1.2 三位通电的状况，三位通电的状况，即可控制步进电机依选定的方向步进。即可控制步进电机依选定的方向步进。步进电机与微型机接口电路之一步进电机与微型机接口电路之一步进电机与微型机接口电路之二步进电机与微型机接口电路之二 由于步进电机运行时功率较大，由于步进电机运行时功率较大，可在微型机与驱动器之间增加一级光电隔离可在微型机与驱动器之间增加一级光电隔离器，器，以防强功率的干扰信号反串进主控系统。以防强功率的干扰信号反串进主控系统。