4.2.2_伺服電機及其調(diào)速

1、2021-6-144.1 進給伺服系統(tǒng)的概述（進給伺服系統(tǒng)的概述（1學(xué)時）學(xué)時）4.2 伺服電機及其調(diào)速（伺服電機及其調(diào)速（2學(xué)時）學(xué)時） 4.3 位置檢測裝置（位置檢測裝置（2學(xué)時）學(xué)時） 4.4 進給伺服系統(tǒng)的分析（進給伺服系統(tǒng)的分析（1學(xué)時）學(xué)時）第四章第四章 進給伺服系統(tǒng)進給伺服系統(tǒng) 2021-6-144.2 伺服電機及其調(diào)速伺服電機及其調(diào)速一一 步進電機的結(jié)構(gòu)與工作原理步進電機的結(jié)構(gòu)與工作原理二二 直流伺服電機及其調(diào)速直流伺服電機及其調(diào)速三三 交流伺服電機及其調(diào)速交流伺服電機及其調(diào)速 2021-6-14二二 直流伺服電機及驅(qū)動直流伺服電機及驅(qū)動 直流電機的工作原理是建立在電磁力定律基

2、直流電機的工作原理是建立在電磁力定律基礎(chǔ)上的，電磁力的大小正比于電機中的氣隙磁場，礎(chǔ)上的，電磁力的大小正比于電機中的氣隙磁場，直流電機的勵磁繞組所建立的磁場是電機的主磁場，直流電機的勵磁繞組所建立的磁場是電機的主磁場，按對勵磁繞組的勵磁方式不同，直流電機可分為：按對勵磁繞組的勵磁方式不同，直流電機可分為： 他勵式、他勵式、 并勵式、并勵式、 串勵式、串勵式、 復(fù)勵式、復(fù)勵式、 永磁式。永磁式。 20世紀(jì)世紀(jì)8090年代中期，永磁式直流伺服電機年代中期，永磁式直流伺服電機在在NC機床中廣泛采用。機床中廣泛采用。 2021-6-141 直流伺服電機基本原理直流伺服電機基本原理 直流伺服電機與一般直

3、流直流伺服電機與一般直流電機的基本原理是完全相同電機的基本原理是完全相同的，如圖所示，電機轉(zhuǎn)子上的，如圖所示，電機轉(zhuǎn)子上的載流導(dǎo)體的載流導(dǎo)體(即電樞繞組即電樞繞組)在定在定子磁場中，受到電磁轉(zhuǎn)矩子磁場中，受到電磁轉(zhuǎn)矩M的作用，使電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。的作用，使電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。M=kTIa(kT=CM)反向電動勢：反向電動勢：Ea=ken(ke=Ce)電樞電壓：電樞電壓：U=Ea+IaRa電機轉(zhuǎn)速：電機轉(zhuǎn)速：n=（U-IaRa）/ke 2021-6-14調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速的方法：調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速的方法：(1)改變電柜電壓改變電柜電壓U；(2)改變磁通量改變磁通量，即改變，即改變ke的值。改變的值。改變激磁回路的

4、電阻激磁回路的電阻Rj以改變激磁電流小可以改變激磁電流小可以達到改變磁通量由的目的；以達到改變磁通量由的目的；(3)在電樞回路中串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻在電樞回路中串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻Rt。2 直流伺服電機調(diào)速方直流伺服電機調(diào)速方法法 2021-6-143 直流伺服電機的可控硅調(diào)速系統(tǒng)直流伺服電機的可控硅調(diào)速系統(tǒng) 可控硅可控硅(晶閘管晶閘管)直流調(diào)速系統(tǒng)，由電流調(diào)節(jié)直流調(diào)速系統(tǒng)，由電流調(diào)節(jié)回路回路(內(nèi)環(huán)內(nèi)環(huán))、速度調(diào)節(jié)回路、速度調(diào)節(jié)回路(外環(huán)外環(huán))和可控硅整和可控硅整流放大器流放大器(主回路主回路)等部分組成，如圖所示。等部分組成，如圖所示。 2021-6-14 來自控裝置的速度指令電壓來自控裝置的速度指令電壓U

5、p，一般，一般010V的直流電壓與速度反饋電壓的直流電壓與速度反饋電壓UG(由測速發(fā)電由測速發(fā)電機或脈沖編碼器檢測并經(jīng)變換而得機或脈沖編碼器檢測并經(jīng)變換而得)比較后、比較后、其偏差值送到速度調(diào)節(jié)器其偏差值送到速度調(diào)節(jié)器ST的輸入端，速度的輸入端，速度調(diào)節(jié)器的輸出就是電流指令信號調(diào)節(jié)器的輸出就是電流指令信號Ui， Ui與電與電流反饋信號流反饋信號Ui(由霍爾元件檢測器測出并經(jīng)變由霍爾元件檢測器測出并經(jīng)變換而得換而得)比較后，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器比較后，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器LT輸出輸出Uk到觸到觸發(fā)電路，產(chǎn)生主回路中晶閘管的觸發(fā)脈沖，發(fā)電路，產(chǎn)生主回路中晶閘管的觸發(fā)脈沖，通過脈沖分配器去觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管。通過脈沖

6、分配器去觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管。3 直流伺服電機的可控硅調(diào)速系統(tǒng)直流伺服電機的可控硅調(diào)速系統(tǒng) 2021-6-14可控硅直流調(diào)速主回路可控硅直流調(diào)速主回路 2021-6-144 直流伺服電機的脈沖調(diào)寬調(diào)速系統(tǒng)直流伺服電機的脈沖調(diào)寬調(diào)速系統(tǒng) 直流伺服電機的脈沖調(diào)寬調(diào)速系統(tǒng)的原理如直流伺服電機的脈沖調(diào)寬調(diào)速系統(tǒng)的原理如圖所示它是一個雙閉環(huán)的脈寬調(diào)速系統(tǒng)。系圖所示它是一個雙閉環(huán)的脈寬調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)的主電路是晶體管脈寬調(diào)制放大器統(tǒng)的主電路是晶體管脈寬調(diào)制放大器PWM，此外還有速度控制回路和電流控制回路此外還有速度控制回路和電流控制回路 2021-6-14 測速發(fā)電機或脈沖編碼器測速發(fā)電機或脈沖編碼器TG檢測電

7、機的速度并變檢測電機的速度并變換換成反饋電壓成反饋電壓UG與速度給定電壓與速度給定電壓Up在速度控制器在速度控制器ST的的輸入端進行比較，構(gòu)成速度環(huán)。電機的電樞電流由霍輸入端進行比較，構(gòu)成速度環(huán)。電機的電樞電流由霍爾元件檢測器測量，并輸出反饋電壓從與速度控制器爾元件檢測器測量，并輸出反饋電壓從與速度控制器的輸出電壓的輸出電壓Ui*在電流控制器在電流控制器LT的輸入端進行比較，這的輸入端進行比較，這樣構(gòu)成電流環(huán)。電流控制器的輸出樣構(gòu)成電流環(huán)。電流控制器的輸出UC是經(jīng)變換后的速是經(jīng)變換后的速度指令電壓它與三角波度指令電壓它與三角波UT經(jīng)脈寬調(diào)制電路經(jīng)脈寬調(diào)制電路C，調(diào)制，調(diào)制后得到調(diào)寬的脈沖系列，

8、它作為控制信號輸送到晶體后得到調(diào)寬的脈沖系列，它作為控制信號輸送到晶體管脈寬調(diào)制放大器管脈寬調(diào)制放大器PWM各相關(guān)晶體管的基極，使調(diào)寬各相關(guān)晶體管的基極，使調(diào)寬脈沖系列得到放大，成為直流伺服電機電樞的輸入電脈沖系列得到放大，成為直流伺服電機電樞的輸入電壓。壓。4 直流伺服電機的脈沖調(diào)寬調(diào)速系統(tǒng)直流伺服電機的脈沖調(diào)寬調(diào)速系統(tǒng) 2021-6-14直流脈寬調(diào)制信號直流脈寬調(diào)制信號 2021-6-14晶體管脈寬放大器晶體管脈寬放大器 2021-6-14三三 交流伺服電機及驅(qū)動交流伺服電機及驅(qū)動l在交流伺服系統(tǒng)中，按電機種類可分為同在交流伺服系統(tǒng)中，按電機種類可分為同步型和異步型（感應(yīng)電機）兩種。數(shù)控機

9、床進給步型和異步型（感應(yīng)電機）兩種。數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)中多采用永磁式同步電機，同步電機的伺服系統(tǒng)中多采用永磁式同步電機，同步電機的轉(zhuǎn)速是由供電頻率所決定的，即在電源電壓和頻轉(zhuǎn)速是由供電頻率所決定的，即在電源電壓和頻率固定不變時，它的轉(zhuǎn)速是穩(wěn)定不變的。由變頻率固定不變時，它的轉(zhuǎn)速是穩(wěn)定不變的。由變頻電源供電給同步電機時，能方便地獲得與頻率成電源供電給同步電機時，能方便地獲得與頻率成正比的可變速度，可以得到非常硬的機械特性及正比的可變速度，可以得到非常硬的機械特性及寬的調(diào)速范圍。寬的調(diào)速范圍。l 交流主軸電機多采用交流異步電機，很少采交流主軸電機多采用交流異步電機，很少采用永磁同步電機，主要因為

10、永磁同步電機的容量用永磁同步電機，主要因為永磁同步電機的容量做得不夠大，且電機成本較高。另外主軸驅(qū)動系做得不夠大，且電機成本較高。另外主軸驅(qū)動系統(tǒng)不象進給系統(tǒng)那樣要求很高的性能，調(diào)速范圍統(tǒng)不象進給系統(tǒng)那樣要求很高的性能，調(diào)速范圍也不要太大。因此，采用異步電機完全可以滿足也不要太大。因此，采用異步電機完全可以滿足數(shù)控機床主軸的要求，籠型異步電機多用在主軸數(shù)控機床主軸的要求，籠型異步電機多用在主軸驅(qū)動系統(tǒng)中。驅(qū)動系統(tǒng)中。 2021-6-14 矢量控制理論最先是在矢量控制理論最先是在1971年由德年由德國學(xué)者國學(xué)者F.Blachke提出的。在伺提出的。在伺 服系服系統(tǒng)中，直流伺服電機能獲得優(yōu)良的動態(tài)

11、統(tǒng)中，直流伺服電機能獲得優(yōu)良的動態(tài)與靜態(tài)性能，其根本原因是被控制量只與靜態(tài)性能，其根本原因是被控制量只有電機磁場和電樞電流有電機磁場和電樞電流Ia，且這兩個量且這兩個量是獨立的。此外，電磁轉(zhuǎn)矩：是獨立的。此外，電磁轉(zhuǎn)矩： 2021-6-14與磁通與磁通和電樞電流和電樞電流Ia分別成正比關(guān)系。因此，控制分別成正比關(guān)系。因此，控制簡單，性能為線性。如果能夠模擬直流電機，求出交簡單，性能為線性。如果能夠模擬直流電機，求出交流電機與之對應(yīng)的磁場與電樞電流，分別而獨立地加流電機與之對應(yīng)的磁場與電樞電流，分別而獨立地加以控制，就會使交流電機具有與直流電機近似的優(yōu)良以控制，就會使交流電機具有與直流電機近似的優(yōu)良特性。為此，必須將三相交變量（矢量）轉(zhuǎn)換為與之特性。為此，必須將三相交變量（矢量）轉(zhuǎn)換為與之等效的直流量（標(biāo)量），建立起交流電機的等效模等效的直流量（標(biāo)量），建立起交流電機的等效模型，然后按直流電機的控制方法對其進行控制。型，然后按直流電機的控制方法對其進行控制。 2021-6-14電機選擇步驟電機選擇步驟1 確定運動機構(gòu)確定運動機構(gòu) 2021-6-142 加減速時間、勻速時間、停止時間