伺服電機(jī)與伺服控制系統(tǒng)原理全.ppt

《伺服電機(jī)與伺服控制系統(tǒng)原理全.ppt》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《伺服電機(jī)與伺服控制系統(tǒng)原理全.ppt（48頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、課題二 伺服電機(jī)與伺服控制系統(tǒng)原理 指導(dǎo)老師：段建中 學(xué)生：虎鑫 學(xué)號(hào)： 12007240649 2012-3-15 基本概念的介紹與舉例 伺服電機(jī)原理介紹 伺服控制系統(tǒng)介紹 總結(jié) 內(nèi)容 “伺服” 詞源于希臘語(yǔ)“奴隸”的意 思。 一、“ 伺服” 的含義 Servomechanism 伺服系統(tǒng)應(yīng)用舉例（ 2） 機(jī)械手手臂伸縮運(yùn)動(dòng)的電液伺服系統(tǒng)原理圖。 1電放大器 2電液伺服閥 3液壓缸 4機(jī)械手手臂 5齒輪齒條機(jī)構(gòu) 6電位器 7步進(jìn)電機(jī) 伺服系統(tǒng)應(yīng)用舉例（ 1） 圖 1.7 液壓仿形車床工作原理圖 1.2.3.4 節(jié)流

2、口 5 工件 6 刀具 7 樣件 8 觸銷 9 油缸 10 油泵 二 . 伺服系統(tǒng)的定義： (servomechanism) (servo-system） 伺服系統(tǒng)是指實(shí)現(xiàn)輸出變量精確 地跟隨或復(fù)現(xiàn)輸入變量的控制系統(tǒng)。 伺服電機(jī) 伺服電機(jī)（ servo motor ） 伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控 制系統(tǒng)中， 它的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速受信號(hào)電壓控 制 。當(dāng)信號(hào)電壓的大小和相位發(fā)生變化時(shí)， 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向?qū)⒎浅ｌ`敏和準(zhǔn) 確地跟著變化。當(dāng)信號(hào) 消失 時(shí)，轉(zhuǎn)子能及 時(shí)地停轉(zhuǎn)。 伺服電機(jī)的分類 伺服電機(jī) 交流伺

3、服電機(jī) 直流伺服電機(jī) 鼠籠轉(zhuǎn)子 杯形轉(zhuǎn)子 一、直流電動(dòng)機(jī)工作原理 安培定律 F Bil B i l 磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度 導(dǎo)體中的電流 導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度 2( / )Wb m ()A ()m 直流電機(jī)原理 如圖所示： N和 S是一對(duì)固定的磁 極（一般是電磁鐵，也 可為永久磁鐵），兩級(jí) 之間裝著一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng) 的鐵質(zhì)圓柱體，圓柱體 表面上固定這一個(gè)線圈， 上邊為 a，下圈為 x，通 入如圖所示的電流根據(jù) 左手定則便可得出電磁 轉(zhuǎn)矩。 x N S F F 載流線圈在磁場(chǎng)中產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩 a x 一、直流電機(jī)原理 為什么 要用 電刷？ 一、直流電機(jī)的原理 N S 1 2

4、 3 4 56 7 8 n F F A B 這樣的連接方 法只有一組線 圈得電，繞組 使用率低，那 么如何提高繞 組的使用率 呢？ 改進(jìn)后的繞線 N S n 1 2 3 4 5 6 7 8 改進(jìn)后的繞組 提高了繞組的使用率 直流電機(jī)的勵(lì)磁方式 勵(lì)磁概念：由電流激勵(lì)出磁場(chǎng)的過(guò)程叫做勵(lì)磁。 他勵(lì) 并勵(lì) 串勵(lì) 直流電機(jī)的基本方程式 1. 電氣系統(tǒng)的電動(dòng)平衡方程 a a af f a a a f f f f f af di u G i R i L dt di u R i L dt u u u aU I aI fI M 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) u au 1. 電氣系統(tǒng)的電動(dòng)平衡方

5、程 fu ai fi aR fR aL fL 電源電壓 電樞繞組上的端電壓 勵(lì)磁繞組上的端電壓 電樞電流 勵(lì)磁電流 電樞電路的電阻 勵(lì)磁回路的電阻 電樞回路的自感系數(shù) 勵(lì)磁回路的自感系數(shù) 電動(dòng)機(jī)的機(jī)械角速度 2. 機(jī)械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平衡方程 20e d T T T J dt eT 電磁轉(zhuǎn)矩 2T 0T 負(fù)載轉(zhuǎn)矩 空載損耗轉(zhuǎn)矩 如果電動(dòng)機(jī)以恒 角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，則 ： 0dJ dt 實(shí)例：直流伺服系統(tǒng) ()iet ai aR 0()t NT B J MT aL be fi 常數(shù) 實(shí)例：直流伺服系統(tǒng) 伺服電機(jī)在磁化

6、曲線的線性范圍內(nèi)使用， 因而氣隙磁通 正比于勵(lì)磁電流，即： ffKi 式中： fK 常數(shù) 由電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩 正比于電樞電流 和氣隙磁通的乘積，即 MT 1M f f aT K K i i 式中： 1K 常數(shù) fi 為磁場(chǎng)勵(lì)磁電流 ai 是電樞電流 實(shí)例：直流伺服系統(tǒng) 在電樞控制的直流電動(dòng)機(jī)中，勵(lì)磁電流為常數(shù)， 故上式可寫成： M T aT K i 式中： TK 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù) 由控制輸入電壓 開(kāi)始，系統(tǒng)的因果方程為 ()iet 1.電樞電壓方程： a a a a i b diL R i e e dt 實(shí)例：直流伺服系統(tǒng) 2.

7、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩 M T aT K i 3.轉(zhuǎn)矩平衡方程 2 00 2 MN ddJ B T T d t d t 4.電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)正比于速度 0 bb deK dt bK 反電動(dòng)勢(shì)常數(shù) 系統(tǒng)因果方程拉氏變換為 實(shí)例：直流伺服系統(tǒng) 2 0 0 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) a a a i b M T a N bb L s R I s E s E s T s K I s J s B s s T s E s K s s 當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩 ( ) 0NTs 其傳遞函數(shù)是 : 實(shí)例：直流伺服系統(tǒng) 0 ()() (

8、 ) ( ) ( ) T i a a T b s KGs E s s L s R J s B K K ()iEs ()bEs ()bKs 1 aaL s R ()aIs TK ()MTs ()NTs 1 ()s Js B 0()s 直流伺服電機(jī)的系統(tǒng)方框圖 主要內(nèi)容 7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制 m T aT K I aEE K n （ 一定） aaaa RIEU 電樞回路電壓平衡方程式 感應(yīng)電勢(shì)與轉(zhuǎn)速關(guān)系 電磁轉(zhuǎn)矩 直流伺服電機(jī)的調(diào)速原理與方法 M I aI f U f U a R a L a E aU a M I aI f U f U a R a L

9、 a E aU a 原 理 圖 等 效 圖 電機(jī)轉(zhuǎn)速與理想轉(zhuǎn)速的差 n， 反映了電機(jī)機(jī)械特性硬度 ， n 越小 （ 轉(zhuǎn)矩對(duì)轉(zhuǎn)速變化的影響 程度越小 ） ， 機(jī)械特性越硬 。 n0 主要內(nèi)容 T T n n 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系 n=f(T)稱 機(jī)械特性 直流電機(jī)的基本調(diào)速方式有三種 : 調(diào)節(jié)電阻 Ra、 調(diào)節(jié)電樞電壓 Ua和調(diào) 節(jié)磁通 的值。 7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制 2 0 2 aa m E E T a m ET UR nT K K K R nT KK 主要內(nèi)容 他勵(lì)式直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式 2 0 2 aa m E E T a m ET UR n

10、T K K K R nT KK 電樞電阻調(diào)速很少采用， 缺點(diǎn)： 不經(jīng)濟(jì)：要得到低速， R很大，則消耗大量電能； 低速，特性很軟，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性很差； 調(diào)節(jié)平滑性差，操作費(fèi)力。 7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制 主要內(nèi)容 T n n0 R0 R2 R1 2 0 2 aa m E E T a m ET UR nT K K K R nT KK 主要內(nèi)容 調(diào)節(jié)電樞電壓 （調(diào)壓調(diào)速） 時(shí)，直流電機(jī)機(jī)械特性為 一組平行線，只改變電機(jī)的理想轉(zhuǎn)速 n0 ，保持了原 有較硬的機(jī)械特性，所以 調(diào)壓調(diào)速 主要用于 伺服進(jìn)給 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)的調(diào)速 U a N U a 1 U a 2 O

11、 T N n n 0N n 01 n 02 n N n 1 n 2 U a 2 U a 1 U a N N T N n N T 1 2 TO n 02 n 01 n 0N n 2 n 1 n N n N 1 2 如果 n值較大 ， 不可能 實(shí)現(xiàn)寬范圍的調(diào)速 。 永磁 式直流伺服電機(jī)的 n值 較小 ， 因此 ， 進(jìn)給系統(tǒng)常 采用永磁式直流電機(jī) 。 7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制 主要內(nèi)容 調(diào)節(jié)磁通 （ 調(diào)磁調(diào)速 ） 不但改變了電機(jī)的理想轉(zhuǎn) 速 ， 而且使直流電機(jī)機(jī)械特性變軟 U a N U a 1 U a 2 O T N n n 0N n 01 n 02 n

12、N n 1 n 2 U a 2 U a 1 U a N N T N n N T 1 2 TO n 02 n 01 n 0N n 2 n 1 n N n N 1 2 7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制 主要內(nèi)容 直流伺服電機(jī)速度控制單元的調(diào)速控制方式 調(diào)速的概念有兩個(gè)方面的含義 : 1)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速：當(dāng)給定速度變化時(shí) ,電機(jī)的速度 隨之變化 ,并希望以最快的加減速達(dá)到新的給定速 度值； 2)當(dāng)給定速度不變化時(shí) ,電機(jī)的速度保持穩(wěn)定不變。 7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制 主要內(nèi)容 直流伺服電機(jī)速度控制單元的調(diào)速控制方式 需對(duì)直流電壓的大小和方向進(jìn)行控制 直

13、流伺服電機(jī)速度控制單元的作用： 將轉(zhuǎn)速指令信號(hào)轉(zhuǎn) 換成電樞的電壓值 ，達(dá)到速度調(diào)節(jié)的目的。 直流電機(jī)速度控制單元常采用的調(diào)速方法： 1.晶閘管（可控硅）調(diào)速系統(tǒng) 2.晶體管脈寬調(diào)制（ PWM Pulse Width Modulated） 調(diào)速系統(tǒng)。 主要內(nèi)容 1 晶閘管調(diào)速系統(tǒng) 常用于大功率及要求不很高的直流伺服電機(jī)調(diào)速控制 。 7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制 U*n 主要內(nèi)容 速度 調(diào)節(jié)器 電流 調(diào)節(jié)器 觸發(fā)脈沖 發(fā)生器 可控硅 電流反饋 速度反饋 電流檢測(cè) 編碼器 電機(jī) + - Un In I*n + - US 控制 回路 主回路：

14、可控硅整流放大器：整流、放大、驅(qū)動(dòng)，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。 速度環(huán)：速度調(diào)節(jié)，作用：好的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性。 電流環(huán)：電流調(diào)節(jié)，作用：系統(tǒng)快速性、穩(wěn)定性改善。 觸發(fā)脈沖發(fā)生器：產(chǎn)生移相脈沖，使可控硅觸發(fā)角前移 或后移。 7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制 4 6 2 7 9 11 1 3 5 8 12 10 A B C M UM UD KM KM + - 主回路 由大功率晶閘管構(gòu)成的三相全控橋式反并接可逆電 路，分成二大部分（ 和 ），每部分內(nèi)按三相橋式連 接，二組反并接，分別實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn) 和反轉(zhuǎn)。 各有一個(gè)可控硅同時(shí)導(dǎo)通，形成回路。 7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制 1、 3、 5

15、在正半周導(dǎo)通， 2、 4、 6在負(fù)半周導(dǎo) 通。每組內(nèi)（即二相間）觸發(fā)脈沖相位相差 120，觸發(fā)脈沖的順序： 1-2-3-4-5-6，相鄰 之間相位差 60。 為保證合閘后兩個(gè)串聯(lián)可控 硅能同時(shí)導(dǎo)通 ， 或已截止的相再次導(dǎo)通 ，采用 雙脈沖控制。即每個(gè)觸發(fā)脈沖在導(dǎo)通 60后， 再補(bǔ)發(fā)一個(gè)輔助脈沖；也可以采用寬脈沖控制， 寬度大于 60，小于 120。 7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制 只要改變可控 硅觸發(fā)角（即改變 導(dǎo)通角），就能改 變可控硅的整流輸 出電壓，從而改變 直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn) 速。 觸發(fā)脈沖提前， 增大整流輸出電壓； 觸發(fā)脈沖延后，減 小整流輸出電壓。 u a c

16、b c a b a) b) c) d) 1 3 5 t u b 2 4 6 b c a t t t t 1 1 3 3 5 5 1 1 3 3 6 2 2 4 4 6 6 2 2 4 1 3 5 2 4 6 120 120 180 60 1 3 2 4 60 60 5 6 晶閘管調(diào)節(jié)電路 主要內(nèi)容 2 PWM調(diào)速控制系統(tǒng) 利用大功率晶體管的開(kāi)關(guān)作用 ， 將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻 率的 方波電壓 ， 加到直流電動(dòng)機(jī)的電

17、樞上；通過(guò)調(diào)整控制 方波脈沖寬度來(lái)改變電樞的平均電壓 ， 從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn) 速 。 控制電路簡(jiǎn)單，不需附加關(guān)斷電路，開(kāi)關(guān)特性好。 廣泛 應(yīng)用中、小功率直流伺服系統(tǒng)。 周期不變 脈寬 脈寬 脈寬 脈寬 平均直流電壓 U t 周期不變 7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制 主要內(nèi)容 M U t t t T onT E a I a U E a U aVD I a - + 直流電機(jī)電壓的平均值 : a on T aa ET T E T U 0 1 T脈沖周期 ， Ton導(dǎo)通時(shí)間 7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制 脈寬調(diào)制（ PWM）系統(tǒng)組成： 主要內(nèi)容 速度 調(diào)節(jié)

18、器 電流反饋 脈寬 調(diào)制 基極 驅(qū)動(dòng) 功 放 振蕩器 電流 調(diào)節(jié)器 M 速 度 指 令 三相交流電 整流 速度反饋 Usr USC U Ub 7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制 控制回路： 速度調(diào)節(jié)器；電流調(diào)節(jié)器；固定頻率振蕩器及三 角波發(fā)生器；脈寬調(diào)制器和基極驅(qū)動(dòng)電路。 區(qū)別： 與晶閘管調(diào)速系統(tǒng)比較，速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié) 器原理一樣。不同的是脈寬調(diào)制器和功率放大器。 脈寬調(diào)制器 作用：將 電壓量 轉(zhuǎn)換成可由控制信號(hào)調(diào)節(jié)的 矩形脈沖 ，為 功率晶體管的基極提供一個(gè)寬度可由速度指令信號(hào)調(diào)節(jié)的 脈寬電壓。

19、 組成：調(diào)制信號(hào)發(fā)生器（三角波和鋸齒波兩種）和比較放 大器。 原理：以三角波發(fā)生器為例介紹 7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制 R1 +12V USC R1 R3 R2 + -12V U S r U - USr 速度指令轉(zhuǎn)化過(guò) 來(lái)的直流電壓 U - 三角波 USC- 脈寬調(diào)制器的輸出（ US r+U ） 調(diào)制波形圖 t t U S r +U +U S r o o -U S r t t US r為正時(shí) USr為負(fù)時(shí) U S r +U t t USr為 0時(shí) 調(diào)制出正負(fù)脈寬一樣 方波平均電壓為 0 調(diào)制出脈寬較寬的 波形平均電壓為正 調(diào)制出脈寬較窄的 波形平均電壓為負(fù) 7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制 7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制 全數(shù)字式 PWM