第四章41-44机电控制系统执行元件及其驱动控制(XXXX

1朱玉川E-mail:[e-mail]；联系电话：[phone]；办公室：15号楼B-412室南京航空航天大学机电学院机械电子工程系第四章机电控制系统执行元件及其驱动控制2第四章机电控制系统执行元件及其驱动控制本章摘要§4.1概述§4.2直流电动机转矩转速控制§4.3交流同步伺服电动机及其矢量控制§4.4交流异步电动机及恒压变频调速§4.5液压放大器与动力机构的控制特性3本章参考书目1.高钟毓.机电控制工程.清华大学出版社2.舒志兵.交流伺服运动控制系统.清华大学出版社3.寇宝泉，程树康.交流伺服电机及其控制4.孔凡才.自动控制系统——工作原理、性能分析与系统调试.机械工业出版社5.王春行.液压控制系统.机械工业出版社6.宋志安.基于MATLAB的液压伺服控制系统分析与设计4§4.1概述本节摘要§4.1.1相关的几个基本概念§4.1.2执行驱动元件分类与特点§4.1.3执行驱动元件的发展历史第四章机电控制系统执行元件及其驱动控制5§4.1.1相关的几个基本概念机器：机器是由各种金属和非金属部件组装成的装置，消耗能源，可以运转、做功。它是用来代替人的劳动、进行能量变换、以及产生有用功。经典机器（早期机器）：一切已经发展的机器，都是由其本质上不同的部分——发动机，传动机构和工作机构组成。现代机器：以大规模集成电路和微型计算机为代表的微电子技术，以信息转换与系统综合为代表的自动控制理论，迅速应用到机械工程中，产生了现代机器，现代机器由原动机、控制与调节机构、传动机构、工作机构与机械本体、检测与转换装置组成。一、本章内容的目标对象本章学习内容定位于现代机器中传动机构、控制与调节机构，重点是控制与调节机构！6§4.1.1机电控制系统执行驱动元件分类与特点1.什么样的机电控制系统？（1）是一种自动控制系统，但区别于开环的自动控制系统，本章涉及的机电控制系统是一种闭环的反馈控制系统；（2）不同于由继电器接触器控制的通断式电气控制系统而是由晶体管伺服放大器控制的电气伺服控制系统；（3）不同于由普通的开关式液压阀控制的液压控制系统而是以伺服阀或比例阀等液压伺服放大器控制的液压伺服系统。二、本章内容目标对象的进一步限定7§4.1.1机电控制系统执行驱动元件分类与特点2.什么样的执行驱动元件？（1）包括放大变换元件与执行元件；（2）其中放大变换元件位于执行元件之前，通过对执行元件的驱动控制实现将输入的各种形式的能量转换成机械能；（3）其中执行元件位于功率变换及放大元件和被控对象节点之间的一种能量转换装置。二、本章内容目标对象的进一步限定8§4.1.2机电控制系统执行驱动元件分类与特点一、机电控制系统执行驱动元件分类离合器控制机械式飞轮控制直流伺服电机控制交流同步伺服电机控制执行元件电气式交流异步电机控制步进电机控制液压伺服式流体式气压伺服式9§4.1.2机电控制系统执行驱动元件分类与特点二、机电控制系统执行驱动元件特点工作能量功率源能量变换元件功率变换控制器阀式控制功率源控制机械式（动力）原动机、飞轮无离合器无流体式（压力）液压泵、蓄能器液压马达或液压缸伺服阀、比例阀变量泵电气（电力）发电机、蓄电池电动机晶体管可变电压发电机10§4.1.2机电控制系统执行驱动元件分类与特点二、机电控制系统执行驱动元件特点机械式：没有能量转换元件，控制元件只能用离合器、飞轮等很难进行控制的器件，目前在高性能控制系统中基本淘汰；电气式：用晶体管来控制电机的转速和转矩，功率小，响应较液压式慢；无油液污染与泄露问题，维护方便；流体式：采用伺服阀和比例阀及变量泵来控制执行元件流量和压力，功率大，响应较电气式快；有油液污染与泄露问题，维护不便；11§4.1.3机电控制系统执行驱动元件发展历史一、机电执行元件（电机)的发展历程：1800年意大利物理学家伏特发明电池，是电气技术出现的开端。从1820年一直到整个19世纪末叶，发现了电磁现象以及相关的各种法则，诞生了交流电机的原型，并确立了电机的工业运用。从20世纪开始一直到1970年代，是电动机的成长和成熟期，有刷直流电机、感应电动机、同步电动机和步进电动机等各种电机相继诞生，半导体驱动技术和电子控制概念引入，带来变频驱动的实用化。12§4.1.3机电控制系统执行驱动元件发展历史进入21世纪，在以多媒体和互联网为特征的信息时代，电动机和驱动装置继续发挥支撑作用，向节约资源、环境友好、高效节能运行的方向发展。从1970年代到20世纪末期，计算机技术的飞跃发展为发展高性能驱动带来了机会，电动机本体经历了轻量化、小型化、高效化、高力矩输出、低噪音振动、高可靠、低成本等一系列变革，相应的驱动和控制装置也更加智能化和程序化。一、机电执行元件（电机)的发展历程：13§4.1.3机电控制系统执行驱动元件发展历史二、机电功率放大与转换元件（机电伺服控制）发展历程：第一阶段（20世纪40年代～60年代）：液压伺服控制系统居于主导地位，适应当时军事工业先进武器和飞机控制系统以及加工制造复杂零件的机床控制系统要求，即大功率、高精度、快响应；第二阶段（20世纪60年代～70年代）：直流伺服电机的诞生与全盛发展时代，直流伺服电机调速方便，但结构上换向器成为技术发展瓶颈；第三阶段（20世纪80年代～至今）：交流伺服电机的大发展时期，以无刷直流伺服电机与永磁交流伺服电机为代表的交流伺服电机以及矢量控制技术的成熟，使交流伺服电机性能与直流伺服电机相当甚至超越；144.2直流伺服电机转矩转速控制本节摘要§4.2.1直流电动机基本结构与原理§4.2.2直流电动机静动态基本特性§4.2.3直流伺服电动机的PWM驱动技术§4.2.4直流伺服电动机的转矩转速控制§4.2.5无刷直流伺服电动机调速控制15§4.2.1直流电动机基本结构与原理一、直流电动机的结构由定子和转子两大部分组成，直流电动机的转子也叫电枢，转子一端装有换向器。161．定子图4-2直流电动机的定子§4.2.1直流电动机基本结构与原理一、直流电动机的结构172．直流电动机的转子主要由转子铁芯、转子绕组和换向器组成，此外，还包括转轴和风扇等部分。图4-3直流电动机的转子§4.2.1直流电动机基本结构与原理一、直流电动机的结构183．换向器换向器由许多彼此绝缘的钢质换向片组成一个圆柱体，装在转子转轴的一端。当转子转轴每旋转180°时，接在相应换向片上的直流电改变一次极性，相当于每个转子绕组线圈中接的是交流电，保证了形成固定方向的电磁转矩。换向片通过和电刷的滑动接触与外加直流电源相连通。换向器是直流电动机的标志性部件，它将加于电刷之间固定极性的直流电流变成转子绕组内部的交流电流。§4.2.1直流电动机基本结构与原理一、直流电动机的结构19直流电动机的转动过程是以电磁相互作用的基本规律为基础的。处在均匀磁场B中的一段通有电流I的导体l将受到磁场力的作用。由安培定律可知，磁场作用力F的大小为。F的方向由左手定则确定。如果一段长度为l的导体在均匀磁场B中沿垂直于磁场的方向以速度v匀速运动，导体中将产生感生电动势。由电磁感应定律可知，感生电动势e的大小为e=lvB，e的方向由右手定则确定。二、直流电动机的基本原理BIlF§4.2.1直流电动机基本结构与原理20二、直流电动机的基本原理§4.2.1直流电动机基本结构与原理21二、直流电动机的基本原理§4.2.1直流电动机基本结构与原理22§4.2.2直流电动机静动态基本特性一.基本方程转矩公式：atemiKT转矩平衡方程式：demTTtJdd电枢反电动势：eaKE电压平衡方程式：aaaaaaEtiLiRudd23§4.2.2直流电动机静动态基本特性二.静态特性转速公式：emteaeaTKKRKu机械特性0T024§4.2.2直流电动机静动态基本特性三.动态特性转矩公式：)()()()(sIKsTtiKtTatematem转矩平衡方程式：)()()()()()()(d)(dsTsBsTsJstTtBtTttJdemdem电枢反电动势：)()()(sKsEtKEeaea电压平衡方程式：)()()()()()(dd)()(sEssILsIRsUtEttiLtiRtuaaaaaaaaaaa25§4.2.2直流电动机静动态基本特性三.动态特性传递函数框图：Ua(s)sLRaa1tKBsJ1eKTd(s))(s传递函数：)1()(/1)()(2TTsTTTTsTTKsUsmmmamaea机械系统时间常数—电动机机电时间常数；—电动机电磁时间常数；—BJTKKJRTRLTteamaaa26§4.2.2直流电动机静动态基本特性三.动态特性传递函数简化（忽略电枢电感及粘性阻尼系数）：1/1)()(sTKsUsmea电机动态响应完全取决于机电时间常数TmteamKKJRT(1)减小等效转动惯量J；——减小电机质量设计为细长型(2)减小电枢回路电阻Ra；——使用内阻小的电机供电电源(3)增大等效反电势系数Ke；——采用速度负反馈)1()(/1)()(2TTsTTTTsTTKsUsmmmamaea机械系统时间常数—电动机机电时间常数；—电动机电磁时间常数；—BJTKKJRTRLTteamaaa271.普通直流电动机一般作为动力部件，着重于对启动和运行状态动态指标的要求；2.直流伺服电动机一般作为机电控制系统中伺服元件，着重于特性的高精度和快速响应。3.直流伺服电动机结构上较普通直流电动机体积小，惯量小，结构细长。四、普通直流电动机与直流伺服电动机的共性与区别在基本工作原理上，两者完全一样。§4.2.2直流电动机静动态基本特性28一、发展概况§4.2.3直流伺服电动机PWM驱动技术1、国外于20世纪60年代开始注意PWM（PulseWidthModulation的缩写，简称脉冲宽度调制）伺服控制技术，起初用于飞行器中小功率伺服系统；70年代中后期在中等功率直流伺服系统上较为广泛地使用PWM装置，80年代，PWM驱动在直流伺服系统中应用已经普及；2、典型产品：美国kollmorgen公司Inland电机部为公司研制的各种HRB-ANDPWM驱动装置；日本的“安川电机”为数控机床研制的CPCR-MR-NPWM驱动装置；德国AEG公司为坦克火炮稳定器、舰载平台、雷达天线、自行火炮伺服系统研制的GEADRIVE系列晶体管PWM驱动装置；3、目前，用大功率晶体管PWM控制的永磁式直流伺服电动机驱动装置，是高精度伺服控制领域应用得最为广泛的驱动形式；29二、基本概念1、直流PWM调制：把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机速度。§4.2.3直流伺服电动机PWM驱动技术30二、基本概念2、PWM不可逆控制与可逆控制：不可逆控制指PWM只能提供一个方向电枢电流，即一个方向转矩控制；反之称为可逆控制；§4.2.3直流伺服电动机PWM驱动技术31二、基本概念3、可逆PWM单极性与双极性控制：单极性控制即在一个开关周期内如果不改变脉冲施加方式，PWM只提供一个方向的控制电压；双极性控制即在一个开关周期内可以提供两个方向的控制电压；§4.2.3直流伺服电动机PWM驱动技术32二、基本概念4、电机电动与制动运行：当电枢电流方向与反电势方向相反时电机做电动运行，当电枢电流方向与反电势方向相同时电机做制动运行；§4.2.3直流伺服电动机PWM驱动技术33二、基本概念5、电机四象限运行§4.2.3直流伺服电动机PWM驱动技术34三、直流斩波器的基本结构与工作原理2、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1、直流斩波器：是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为DC/DC变换。§4.2.3直流伺服电动机PWM驱动技术353.斩波器的基本工作原理在原理图中，S表示电力电