伺服电机及其驱动技术-许家忠

运动控制系统哈尔滨理工大学自动化学院主讲教师：许家忠伺服电机及其驱动技术3伺服系统的发展（1）直流伺服系统•伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程。电气伺服系统根据所驱动的电机类型分为直流（DC）伺服系统和交流（AC）伺服系统。50年代，无刷电机和直流电机实现了产品化，并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛的应用。70年代则是直流伺服电机的应用昀为广泛的时代。4（2）交流伺服系统•从70年代后期到80年代初期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，交流伺服技术—交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。交流伺服驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一，并将逐渐取代直流伺服系统。5（2）交流伺服系统•交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类:永磁同步（SM型）电动机交流伺服系统和感应式异步（IM型）电动机交流伺服系统。其中，永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速性能，并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。并且随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，其在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛，目前已成为交流伺服系统的主流。感应式异步电动机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固，制造容易，价格低廉，因而具有很好的发展前景，代表了将来伺服技术的方向。但由于该系统采用矢量变换控制，相对永磁同步电动机伺服系统来说控制比较复杂，而且电机低速运行时还存在着效率低，发热严重等有待克服的技术问题，目前并未得到普遍应用。6（3）交直流伺服系统的比较•直流伺服驱动技术受电机本身缺陷的影响，其发展受到了限制。直流伺服电机存在机械结构复杂、维护工作量大等缺点，在运行过程中转子容易发热，影响了与其连接的其他机械设备的精度，难以应用到高速及大容量的场合，机械换向器则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。•交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点，特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性更体现出交流伺服系统的优越性。所以交流伺服系统在工厂自动化（FA）等各个领域得到了广泛的应用。从伺服驱动产品当前的应用来看，直流伺服产品正逐渐减少，交流伺服产品则日渐增加，市场占有率逐步扩大。在实际应用中，精度更高、速度更快、使用更方便的交流伺服产品已经成为主流产品。7（4）伺服系统的发展趋势•1.交流化伺服技术将继续迅速地由DC伺服系统转向AC伺服系统。从目前国际市场的情况看，几乎所有的新产品都是AC伺服系统。在工业发达国家，AC伺服电机的市场占有率已经超过80%。在国内生产AC伺服电机的厂家也越来越多，正在逐步地超过生产DC伺服电机的厂家。可以预见，在不远的将来，除了在某些微型电机领域之外，AC伺服电机将完全取代DC伺服电机。8（4）伺服系统的发展趋势•2.全数字化采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机（DSP）的伺服控制单元将全面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的伺服系统。全数字化的实现，将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，从而使在伺服系统中应用现代控制理论的先进算法（如:昀优控制、人工智能、模糊控制、神经元网络等）成为可能。9（4）伺服系统的发展趋势•3.采用新型电力电子半导体器件目前，伺服控制系统的输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型功率半导体器件，主要有大功率晶体管（GTR）、功率场效应管（MOSFET）和绝缘门极晶体管（IGBT）等。这些先进器件的应用显著地降低了伺服单元输出回路的功耗，提高了系统的响应速度，降低了运行噪声。尤其值得一提的是，昀新型的伺服控制系统已经开始使用一种把控制电路功能和大功率电子开关器件集成在一起的新型模块，称为智能控制功率模块（IntelligentPowerModules，简称IPM）。这种器件将输入隔离、能耗制动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能全部集成于一个不大的模块之中。其输入逻辑电平与TTL信号完全兼容，与微处理器的输出可以直接接口。它的应用显著地简化了伺服单元的设计，并实现了伺服系统的小型化和微型化。10（4）伺服系统的发展趋势•5.智能化智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，伺服驱动系统作为一种高级的工业控制装置当然也不例外。昀新数字化的伺服控制单元通常都设计为智能型产品，它们的智能化特点表现在以下几个方面:首先他们都具有参数记忆功能，系统的所有运行参数都可以通过人机对话的方式由软件来设置，保存在伺服单元内部，通过通信接口，这些参数甚至可以在运行途中由上位计算机加以修改，应用起来十分方便;其次它们都具有故障自诊断与分析功能，无论什么时候，只要系统出现故障，就会将故障的类型以及可能引起故障的原因通过用户界面清楚地显示出来，这就简化了维修与调试的复杂性;除以上特点之外，有的伺服系统还具有参数自整定的功能。众所周知，闭环调节系统的参数整定是保证系统性能指标的重要环节，也是需要耗费较多时间与精力的工作。带有自整定功能的伺服单元可以通过几次试运行，自动将系统的参数整定出来，并自动实现其昀优化。对于使用伺服单元的用户来说，这是新型伺服系统昀具吸引力的特点之一。11（4）伺服系统的发展趋势•6.模块化和网络化在国外，以工业局域网技术为基础的工厂自动化（FactoryAutomation简称FA）工程技术在昀近十年来得到了长足的发展，并显示出良好的发展势头。为适应这一发展趋势，昀新的伺服系统都配置了标准的串行通信接口（如RS-232Ｃ或RS-422接口等）和专用的局域网接口。这些接口的设置，显著地增强了伺服单元与其它控制设备间的互联能力，从而与CNC系统间的连接也由此变得十分简单，只需要一根电缆或光缆，就可以将数台，甚至数十台伺服单元与上位计算机连接成为整个数控系统。也可以通过串行接口，与可编程控制器（PLC）的数控模块相连。12概述-伺服电机•运动控制中的执行部件：电动式、液压式和气动式；•电动式执行部件动作灵敏，性能优良，控制方便，容易小型化，广泛应用。131.电气执行元件电气执行元件包括直流(DC)伺服电机、交流（AC）伺服电机、步进电机以及电磁铁等，是昀常用的执行元件。对伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态性能好，适合于频繁使用，便于维修等•2．液压式执行元件液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、液压马达等，其中油缸昀为常见。在同等输出功率的情况下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点•3．气压式执行元件气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。执行元件类型及特点14151617概述-伺服电机••电机电机是电动机(俗称马达)的简称，是一种将电能转换成机械能的装置；。•在伺服系统中所使用的电机一般称为伺服电机；•伺服电机在运动控制系统中主要用作执行部件；18概述-伺服电机••伺服电机伺服电机是一种受输入电信号控制，并作出快速响应的电机，其堵转转速与控制电压成正比，转速随着转矩的增加而近似线性下降，调速范围宽，当控制电压为零时能够立即停止。19概述-伺服电机类型¾运动控制中常用的伺服电机类型：•①直流(DC)伺服电机•②无刷直流伺服电机•③交流(AC)伺服电机•④步进电机。20Motors•Motorsconvertelectricalenergytomechanicalenergy•MotorsmakethingsmoveLINEAR线性电机ELECTROSTATIC直流有刷电机步进电机感应电机交流电机21概述-伺服电机类型伺服电机DC伺服电机AC伺服电机步进电机感应电机(IM伺服)SM伺服(无刷DC伺服电机)异步电机同步电机22概述-伺服电机类型¾分类根据线圈励磁特性(AC或DC)来分类：•直流电机：定子和转子线圈中的电流均是直流•同步电机：一个线圈的电流是交流，另一个线圈的电流是直流•感应电机：两个线圈中的电流均是交流。232425高低价格较好基本可以免维护维护性一般运行温度高温升一般（旋转变压器型可耐振动）好耐振动快一般响应速度光电型旋转编码器（增量型/绝对值型），旋转变压器型-编码器类型闭环方式，编码器反馈大多数为开环控制，也可接编码器，防止失步反馈方式可3~10倍过载（短时）过载时会失步过载特性力矩特性好，特性较硬高速时，力矩下降快矩频特性高（具体要看反馈装置的分辨率）一般较低，细分型驱动时较高精度好，运行平滑低速时有振动（但用细分型驱动器则可明显改善）平滑性多样化智能化的控制方式，位置/转速/转矩方式主要是位置控制控制方式高（可达5000RPM）,直流伺服电机更可达1~2万转/分低（一般在2000RPM以下，大力矩电机小于1000RPM）速度范围小中大，全范围中小力矩（一般在20Nm以下）力矩范围伺服电机系统步进电机系统26概述-伺服电机类型•按照功率的不同，伺服电机可分为：•小功率随动系统(100W以下)•中功率随动系统(100~500W)•大功率随动系统(500W以上)直流伺服电机2829直流伺服电机特点直流伺服电机与普通直流电机的性能有所不同，具有以下的优点：¾良好的可控性，即直流伺服电机的启动，停转，转向可控；¾其转速随控制信号改变时，具有良好的调速性；¾调速范围宽，线性度好；¾启动转矩大，电机本身的惯量小，启动迅速；¾机械特性和调节特性好。30直流伺服电机缺点•有换向器和电刷之间的滑动接触，接触电阻的变化使工作性能的稳定性受到影响；•电刷下的火花使换向器需要经常维修，使其不能在易爆炸的地方使用，且产生无线电干扰；•又因控制电源是直流，使得放大元件变得复杂。31直流伺服电机－基本结构和伺服原理32直流伺服电机－工作原理直流伺服电机磁极电枢导体电刷换向片磁极在电枢绕组中通过施加直流电压，并在磁场的作用下使电枢绕组的导体产生电磁力形成带动负载旋转的电磁转矩。33直流伺服电机－工作原理BLIF×=Brushes34直流伺服电机－工作原理3536直流伺服电机37直流伺服电机•直流电机的分类：–直流电动机根据励磁绕组与电枢绕组的连接方式不同可分为他励、并励、串励与复励。•直流伺服电机：–转子电枢绕组的电源来自于控制系统的他励直流电机。•直流伺服电机的调速与换向：–通过改变控制系统提供电源电压的大小和极性改变电机的速度和方向。38直流电机分类图例：他励并励串励复励接机器人控制系统39直流伺服电机－数学模型直流电机直流电机直流电机原理直流电机原理见右图见右图40直流伺服电机－数学模型•La和Ra分别是电枢绕组的电感和电阻，TL为负载转矩，当电枢绕组流过直流电流ia时，一方面在电枢导体中产生电磁力，使转子旋转；•另一方面，电枢导体在定子磁场中以转速ω旋转切割磁力线，产生感应电动势Ea。感应电动势Ea的方向与电枢电流ia方向相反，称为反电势，其大小与转子旋转速度ω和定子磁场中的每极气隙磁通量φ有关。41直流伺服电机－基本结构和伺服原理φω)(1aaaRiuK−=φωauK1=忽略电枢绕组上的压降42直流伺服电机－基本结构和伺服原理•由于直流伺服电机通常都是采用永磁式的，所以定子磁场中的磁通量始终保持常量•电压与转速之间为线性关系•直流电机的转速与所施加的电压成正比，与磁场的磁通量成反比。•电机转速仅随电枢电压变化而变化。43直流伺服电机－基本结构和伺服原理•直流电机数学方程式：•电压平衡方程：•感应电动势方程：•电磁转矩方程：•转矩平衡方程：)()()()(tEdttdiLtiRtuaaaaaa++=ωeaKtE=)()()(tiKtTat=)()()()(tTtBdttdJtTd++=ωωJ，B等效到电机控制轴上的转动惯量和阻尼系数。Ke，Kt分别为感应电动势系统和电磁转矩系数Td(t)为电机空载转矩和负载等效到电机轴上的系数44直流伺服电机－数学模型•直流电机数学方程式：•电压平衡方程：•感应电动势方程：•电磁转矩方程：•转矩平衡方程：