伺服电机与伺服控制系统原理

课题二伺服电机与伺服控制系统原理指导老师：段建中学生：虎鑫学号：120072406492012-3-15•基本概念的介绍与举例•伺服电机原理介绍•伺服控制系统介绍•总结内容“伺服”—词源于希腊语“奴隶”的意思。一、“伺服”的含义Servomechanism伺服系统应用举例（2）机械手手臂伸缩运动的电液伺服系统原理图。1－电放大器2－电液伺服阀3－液压缸4－机械手手臂5－齿轮齿条机构6－电位器7－步进电机伺服系统应用举例（1）图1.7液压仿形车床工作原理图1.2.3.4——节流口5——工件6——刀具7——样件8——触销9——油缸10——油泵二.伺服系统的定义：(servomechanism)(servo-system）伺服系统是指实现输出变量精确地跟随或复现输入变量的控制系统。伺服电机伺服电机（servomotor）伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，它的转矩和转速受信号电压控制。当信号电压的大小和相位发生变化时，电动机的转速和转动方向将非常灵敏和准确地跟着变化。当信号消失时，转子能及时地停转。伺服电机的分类伺服电机交流伺服电机直流伺服电机鼠笼转子杯形转子一、直流电动机工作原理安培定律FBilBil——磁场的磁感应强度——导体中的电流——导体的有效长度2(/)Wbm()A()m直流电机原理如图所示：N和S是一对固定的磁极（一般是电磁铁，也可为永久磁铁），两级之间装着一个可以转动的铁质圆柱体，圆柱体表面上固定这一个线圈，上边为a，下圈为x，通入如图所示的电流根据左手定则便可得出电磁转矩。xNSF'F载流线圈在磁场中产生转矩ax一、直流电机原理为什么要用电刷？一、直流电机的原理NS12345678nFFAB这样的连接方法只有一组线圈得电，绕组使用率低，那么如何提高绕组的使用率呢？改进后的绕线NSn12345678改进后的绕组提高了绕组的使用率直流电机的励磁方式励磁概念：由电流激励出磁场的过程叫做励磁。他励并励串励直流电机的基本方程式1.电气系统的电动平衡方程aaaffaaafffffafdiuGiRiLdtdiuRiLdtuuuaUIaIfIM感应电动势uau1.电气系统的电动平衡方程fuaifiaRfRaLfL——电源电压——电枢绕组上的端电压——励磁绕组上的端电压——电枢电流——励磁电流——电枢电路的电阻——励磁回路的电阻——电枢回路的自感系数——励磁回路的自感系数——电动机的机械角速度2.机械系统的转矩平衡方程20edTTTJdteT——电磁转矩2T0T——负载转矩——空载损耗转矩如果电动机以恒角速度转动，则：0dJdt实例：直流伺服系统()ietaiaR0()tNTBJMTaLbefi常数实例：直流伺服系统伺服电机在磁化曲线的线性范围内使用，因而气隙磁通正比于励磁电流，即：ffKi式中：fK——常数由电动机产生的转矩正比于电枢电流和气隙磁通的乘积，即MT1MffaTKKii式中：1K——常数fi为磁场励磁电流ai是电枢电流实例：直流伺服系统在电枢控制的直流电动机中，励磁电流为常数，故上式可写成：MTaTKi式中：TK——电动机的转矩常数由控制输入电压开始，系统的因果方程为()iet1.电枢电压方程：aaaaibdiLRieedt实例：直流伺服系统2.电动机转矩MTaTKi3.转矩平衡方程2002MNddJBTTdtdt4.电动机的反电动势正比于速度0bbdeKdtbK——反电动势常数系统因果方程拉氏变换为实例：直流伺服系统200()()()()()()()()()()()aaaibMTaNbbLsRIsEsEsTsKIsJsBssTsEsKss当负载转矩()0NTs其传递函数是:实例：直流伺服系统0()()()[()()TiaaTbsKGsEssLsRJsBKK()iEs()bEs()bKs1aaLsR()aIsTK()MTs()NTs1()sJsB0()s直流伺服电机的系统方框图主要内容7.3直流伺服电机及其速度控制mTaTKIaEEKn（一定）aaaaRIEU电枢回路电压平衡方程式感应电势与转速关系电磁转矩直流伺服电机的调速原理与方法MIaIfUfUaRaLaEaUaMIaIfUfUaRaLaEaUa原理图等效图电机转速与理想转速的差Δn，反映了电机机械特性硬度，Δn越小（转矩对转速变化的影响程度越小），机械特性越硬。n0主要内容TTnn直流电机转速与转矩的关系n=f(T)称机械特性直流电机的基本调速方式有三种:调节电阻Ra、调节电枢电压Ua和调节磁通Φ的值。7.3直流伺服电机及其速度控制202aamEETamETURnTKKKRnTKK主要内容他励式直流伺服电机的转速公式202aamEETamETURnTKKKRnTKK电枢电阻调速很少采用，缺点：不经济：要得到低速，R很大，则消耗大量电能；低速，特性很软，运转稳定性很差；调节平滑性差，操作费力。7.3直流伺服电机及其速度控制主要内容Tnn0R0R2R1202aamEETamETURnTKKKRnTKK主要内容调节电枢电压（调压调速）时，直流电机机械特性为一组平行线，只改变电机的理想转速n0，保持了原有较硬的机械特性，所以调压调速主要用于伺服进给驱动系统电机的调速UaNUa1Ua2OTNnn0Nn01n02nNn1n2Ua2Ua1UaNΦNTNΔnNTΦ1Φ2TOn02n01n0Nn2n1nNnΦNΦ1Φ2如果Δn值较大，不可能实现宽范围的调速。永磁式直流伺服电机的Δn值较小，因此，进给系统常采用永磁式直流电机。7.3直流伺服电机及其速度控制主要内容调节磁通（调磁调速）不但改变了电机的理想转速，而且使直流电机机械特性变软UaNUa1Ua2OTNnn0Nn01n02nNn1n2Ua2Ua1UaNΦNTNΔnNTΦ1Φ2TOn02n01n0Nn2n1nNnΦNΦ1Φ27.3直流伺服电机及其速度控制主要内容直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式调速的概念有两个方面的含义:1)改变电机转速：当给定速度变化时,电机的速度随之变化,并希望以最快的加减速达到新的给定速度值；2)当给定速度不变化时,电机的速度保持稳定不变。7.3直流伺服电机及其速度控制主要内容直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式需对直流电压的大小和方向进行控制直流伺服电机速度控制单元的作用：将转速指令信号转换成电枢的电压值，达到速度调节的目的。直流电机速度控制单元常采用的调速方法：1.晶闸管（可控硅）调速系统2.晶体管脉宽调制（PWMPulseWidthModulated）调速系统。主要内容1．晶闸管调速系统常用于大功率及要求不很高的直流伺服电机调速控制。7.3直流伺服电机及其速度控制U*n主要内容速度调节器电流调节器触发脉冲发生器可控硅电流反馈速度反馈电流检测编码器电机+-UnInI*n+-US控制回路主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。速度环：速度调节，作用：好的静态、动态特性。电流环：电流调节，作用：系统快速性、稳定性改善。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。7.3直流伺服电机及其速度控制462791113581210ABCMⅠⅡUMUDKMKM+-主回路由大功率晶闸管构成的三相全控桥式反并接可逆电路，分成二大部分（Ⅰ和Ⅱ），每部分内按三相桥式连接，二组反并接，分别实现正转和反转。各有一个可控硅同时导通，形成回路。7.3直流伺服电机及其速度控制1、3、5在正半周导通，2、4、6在负半周导通。每组内（即二相间）触发脉冲相位相差120º，触发脉冲的顺序：1-2-3-4-5-6，相邻之间相位差60º。为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通，或已截止的相再次导通，采用双脉冲控制。即每个触发脉冲在导通60º后，再补发一个辅助脉冲；也可以采用宽脉冲控制，宽度大于60º，小于120º。7.3直流伺服电机及其速度控制只要改变可控硅触发角（即改变导通角），就能改变可控硅的整流输出电压，从而改变直流伺服电机的转速。触发脉冲提前，增大整流输出电压；触发脉冲延后，减小整流输出电压。uacbcaba)b)c)d)135①②③④⑤⑥ωtub246bcaωtωtωtωt11335511336224466224135246120°120°180°60°132460°60°56α晶闸管调节电路主要内容2．PWM调速控制系统利用大功率晶体管的开关作用，将直流电压转换成一定频率的方波电压，加到直流电动机的电枢上；通过调整控制方波脉冲宽度来改变电枢的平均电压，从而调节电机的转速。控制电路简单，不需附加关断电路，开关特性好。广泛应用中、小功率直流伺服系统。周期不变脉宽脉宽脉宽脉宽平均直流电压Uωt周期不变7.3直流伺服电机及其速度控制主要内容MUtttTonTEaIaUEaUaVDIa-+直流电机电压的平均值:aonTaaETTETU01T—脉冲周期，Ton—导通时间7.3直流伺服电机及其速度控制脉宽调制（PWM）系统组成：主要内容速度调节器电流反馈脉宽调制基极驱动功放振荡器电流调节器M速度指令三相交流电整流速度反馈UsrUSCU△Ub7.3直流伺服电机及其速度控制控制回路：速度调节器；电流调节器；固定频率振荡器及三角波发生器；脉宽调制器和基极驱动电路。区别：与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器。脉宽调制器作用：将电压量转换成可由控制信号调节的矩形脉冲，为功率晶体管的基极提供一个宽度可由速度指令信号调节的脉宽电压。组成：调制信号发生器（三角波和锯齿波两种）和比较放大器。原理：以三角波发生器为例介绍7.3直流伺服电机及其速度控制R1+12VUSCR1R3R2+-12VUSrU△-USr–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（USr+U△）调制波形图ttUSr+U△+USroo-USrttUSr为正时USr为负时USr+U△ttUSr为0时调制出正负脉宽一样方波平均电压为0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7.3直流伺服电机及其速度控制7.3直流伺服电机及其速度控制全数字式PWM