伺服電機與伺服控制系統原理

1、課題二伺服電機與伺服控制系統原理指導老師：段建中 學生：虎鑫 學號：12007240649 2012-3-15 基本概念的介紹與舉例 伺服電機原理介紹 伺服控制系統介紹 總結內容 “伺服伺服”詞源于希臘語詞源于希臘語“奴隸奴隸”的意的意思。思。一、“伺服”的含義 Servomechanism伺服系統應用舉例（2）機械手手臂伸縮運動的電液伺服系統原理圖。1電放大器 2電液伺服閥 3液壓缸 4機械手手臂 5齒輪齒條機構 6電位器 7步進電機 伺服系統應用舉例（1）圖圖1.7 液壓仿形車床工作原理圖液壓仿形車床工作原理圖 1.2.3.4節(jié)流口5工件6刀具7樣件8觸銷9油缸10油泵二二. 伺服系統的定

2、義：伺服系統的定義： (servomechanism)(servo-system） 伺服系統是指實現輸出變量精確地跟隨或復現輸入變量的控制系統。伺服電機伺服電機（伺服電機（servo motor ） 伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統中，制系統中，它的轉矩和轉速受信號電壓控它的轉矩和轉速受信號電壓控制制。當信號電壓的大小和相位發(fā)生變化時，。當信號電壓的大小和相位發(fā)生變化時，電動機的轉速和轉動方向將非常靈敏和準電動機的轉速和轉動方向將非常靈敏和準確地跟著變化。當信號確地跟著變化。當信號消失消失時，轉子能及時，轉子能及時地停轉。時地停轉。伺服電機的分類伺服電

3、機伺服電機交流伺服電機交流伺服電機直流伺服電機直流伺服電機鼠籠轉子鼠籠轉子杯形轉子杯形轉子安培定律FBilBil磁場的磁感應強度導體中的電流導體的有效長度2(/)Wb m( )A( )m直流電機原理如圖所示： N和S是一對固定的磁極（一般是電磁鐵，也可為永久磁鐵），兩級之間裝著一個可以轉動的鐵質圓柱體，圓柱體表面上固定這一個線圈，上邊為a，下圈為x，通入如圖所示的電流根據左手定則便可得出電磁轉矩。xNSFF載流線圈在磁場中產生轉矩載流線圈在磁場中產生轉矩ax一、直流電機原理為什么為什么要用要用電刷？電刷？一、直流電機的原理NS12345678nFFAB這樣的連接方法只有一組線圈得電，繞組使用率

4、低，那么如何提高繞組的使用率呢？改進后的繞線NSn12345678改進后的繞組改進后的繞組提高了繞組的使用率提高了繞組的使用率直流電機的勵磁方式勵磁概念：由電流激勵出磁場的過程叫做勵磁。勵磁概念：由電流激勵出磁場的過程叫做勵磁。他勵他勵并勵并勵串勵串勵直流電機的基本方程式電氣系統的電動平衡方程電氣系統的電動平衡方程aaaffa aafffffafdiuG iR iLdtdiuR iLdtuuuaUIaIfIM感應電動勢感應電動勢uau電氣系統的電動平衡方程電氣系統的電動平衡方程fuaifiaRfRaLfL電源電壓電源電壓電樞繞組上的端電壓電樞繞組上的端電壓勵磁繞組上的端電壓勵磁繞組上的端電壓電

5、樞電流電樞電流勵磁電流勵磁電流電樞電路的電阻電樞電路的電阻勵磁回路的電阻勵磁回路的電阻電樞回路的自感系數電樞回路的自感系數勵磁回路的自感系數勵磁回路的自感系數電動機的機械角速度電動機的機械角速度2. 機械系統的轉矩平衡方程20edTTTJdteT電磁轉矩電磁轉矩2T0T負載轉矩負載轉矩空載損耗轉矩空載損耗轉矩 如果電動機以恒如果電動機以恒角速度轉動，則角速度轉動，則 ： 0dJdt實例：直流伺服系統( )ie taiaR0() tNTBJMTaLbefi 常數實例：直流伺服系統伺服電機在磁化曲線的線性范圍內使用，因而氣隙磁通 正比于勵磁電流，即：ffK i式中：fK常數由電動機產生的轉矩 正比

6、于電樞電流和氣隙磁通的乘積，即MT1Mff aTK K i i式中：1K常數fi為磁場勵磁電流ai是電樞電流實例：直流伺服系統在電樞控制的直流電動機中，勵磁電流為常數，故上式可寫成：MT aTK i式中：TK電動機的轉矩常數由控制輸入電壓由控制輸入電壓 開始，系統的因果方程為開始，系統的因果方程為( )ie t1.電樞電壓方程：aaa aibdiLR ieedt實例：直流伺服系統2.電動機轉矩MT aTK i3.轉矩平衡方程2002MNddJBTTdtdt4.電動機的反電動勢正比于速度0bbdeKdtbK反電動勢常數系統因果方程拉氏變換為實例：直流伺服系統200()( )( )( )( )(

7、)()( )( )( )( )aaaibMTaNbbL sR IsE sE sTsK IsJsBssTsE sK ss當負載轉矩( )0NTs其傳遞函數是:實例：直流伺服系統0( )( )( )()()TiaaTbsKG sE ss L sRJsBK K( )iE s( )bE s( )bKs1aaL sR( )aIsTK( )MTs( )NTs1()s JsB0( ) s直流伺服電機的系統方框圖直流伺服電機的系統方框圖主要內容7.3 7.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺服電機及其速度控制mTaTKIaEEKn（ 一定）一定）aaaaRIEU電樞回路電壓平衡方程式電樞回路電壓平衡方程式感應電

8、勢與轉速關系感應電勢與轉速關系電磁轉矩電磁轉矩 直流伺服電機的調速原理與方法直流伺服電機的調速原理與方法MIaIfUfUaRaLaEaUaMIaIfUfUaRaLaEaUa原原理理圖圖等等效效圖圖電機轉速與理想轉速的差電機轉速與理想轉速的差n，反映了電機機械特性硬度，反映了電機機械特性硬度，n越小（轉矩對轉速變化的影響越小（轉矩對轉速變化的影響程度越?。瑱C械特性越硬。程度越小），機械特性越硬。n0主要內容TTn n直流電機轉速與轉矩的關系直流電機轉速與轉矩的關系n=f(T)n=f(T)稱稱機械特性機械特性直流電機的基本調速方式有三種直流電機的基本調速方式有三種: :調節(jié)電阻調節(jié)電阻Ra、調節(jié)

9、電樞電壓調節(jié)電樞電壓Ua和調和調節(jié)磁通節(jié)磁通的值。的值。7.3 7.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺服電機及其速度控制202aamEETamETURnTKK KRnTK K主要內容他勵式直流伺服電機的轉速公式他勵式直流伺服電機的轉速公式202aamEETamETURnTKK KRnTK K電樞電阻調速很少采用，電樞電阻調速很少采用，缺點：缺點：不經濟：要得到低速，不經濟：要得到低速，R R很大，則消耗大量電能；很大，則消耗大量電能；低速，特性很軟，運轉穩(wěn)定性很差；低速，特性很軟，運轉穩(wěn)定性很差；調節(jié)平滑性差，操作費力。調節(jié)平滑性差，操作費力。7.3 7.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺服電

10、機及其速度控制主要內容Tnn0R0R2R1202aamEETamETURnTKK KRnTK K主要內容調節(jié)電樞電壓調節(jié)電樞電壓（調壓調速）（調壓調速）時，直流電機機械特性為時，直流電機機械特性為一組平行線，只改變電機的理想轉速一組平行線，只改變電機的理想轉速n n0 0 ，保持了原，保持了原有較硬的機械特性，所以有較硬的機械特性，所以調壓調速調壓調速主要用于主要用于伺服進給伺服進給驅動系統電機的調速驅動系統電機的調速UaNUa1 Ua2OTNnn0Nn01n02nNn1n2Ua2Ua1UaNNTN nNT12TOn02n01n0Nn2n1nNnN12如果如果n n值較大，不可能值較大，不可能

11、實現寬范圍的調速。永磁實現寬范圍的調速。永磁式直流伺服電機的式直流伺服電機的n n值值較小，因此，較小，因此，進給系統常進給系統常采用永磁式直流電機。采用永磁式直流電機。 7.3 7.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺服電機及其速度控制主要內容調節(jié)磁通調節(jié)磁通（調磁調速）（調磁調速）不但改變了電機的理想轉不但改變了電機的理想轉速，而且使直流電機機械特性變軟速，而且使直流電機機械特性變軟Ua N Ua 1 Ua 2OTNnn0 Nn0 1n0 2nNn1n2Ua 2Ua 1Ua NNTN nNT12TOn0 2n0 1n0 Nn2n1nNnN 1 27.3 7.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺

12、服電機及其速度控制主要內容 直流伺服電機速度控制單元的調速控制方式直流伺服電機速度控制單元的調速控制方式調速的概念有兩個方面的含義調速的概念有兩個方面的含義: :1)1)改變電機轉速：當給定速度變化時改變電機轉速：當給定速度變化時, ,電機的速度電機的速度隨之變化隨之變化, ,并希望以最快的加減速達到新的給定速并希望以最快的加減速達到新的給定速度值；度值；2)2)當給定速度不變化時當給定速度不變化時, ,電機的速度保持穩(wěn)定不變。電機的速度保持穩(wěn)定不變。7.3 7.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺服電機及其速度控制主要內容直流伺服電機速度控制單元的調速控制方式直流伺服電機速度控制單元的調速控制

13、方式 需對直流電壓的大小和方向進行控制需對直流電壓的大小和方向進行控制直流伺服電機速度控制單元的作用：直流伺服電機速度控制單元的作用：將轉速指令信號轉將轉速指令信號轉換成電樞的電壓值換成電樞的電壓值，達到速度調節(jié)的目的。，達到速度調節(jié)的目的。直流電機速度控制單元常采用的調速方法：直流電機速度控制單元常采用的調速方法： 1.1.晶閘管（可控硅）調速系統晶閘管（可控硅）調速系統 2.2.晶體管脈寬調制（晶體管脈寬調制（PWM Pulse Width ModulatedPWM Pulse Width Modulated）調速系統。調速系統。 主要內容1 1晶閘管調速系統晶閘管調速系統常用于大功率及要

14、求不很高的直流伺服電機調速控制。常用于大功率及要求不很高的直流伺服電機調速控制。7.3 7.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺服電機及其速度控制U*n主要內容速度速度調節(jié)器調節(jié)器電流電流調節(jié)器調節(jié)器觸發(fā)脈沖觸發(fā)脈沖發(fā)生器發(fā)生器可控硅可控硅電流反饋電流反饋速度反饋速度反饋電流檢測電流檢測編碼器編碼器電機電機+-UnInI*n+-US 控制控制回路回路主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驅動，使電機轉動。主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驅動，使電機轉動。速度環(huán)：速度調節(jié)，作用：好的靜態(tài)、動態(tài)特性。速度環(huán)：速度調節(jié)，作用：好的靜態(tài)、動態(tài)特性。電流環(huán)：電流調節(jié)，作用：系統快速性、穩(wěn)定性改善。電

15、流環(huán)：電流調節(jié)，作用：系統快速性、穩(wěn)定性改善。觸發(fā)脈沖發(fā)生器：產生移相脈沖，使可控硅觸發(fā)角前移觸發(fā)脈沖發(fā)生器：產生移相脈沖，使可控硅觸發(fā)角前移或后移?；蚝笠?。7.3 7.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺服電機及其速度控制462791113581210ABCMUMUDKMKM+-主回路主回路由大功率晶閘管構成的三相全控橋式反并接可逆電由大功率晶閘管構成的三相全控橋式反并接可逆電路，分成二大部分（路，分成二大部分（ 和和 ），每部分內按三相橋式連），每部分內按三相橋式連接，二組反并接，分別實現正轉接，二組反并接，分別實現正轉 和反轉。和反轉。各有一個可控硅同時導通，形成回路。各有一個可控硅同時導

16、通，形成回路。7.3 7.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺服電機及其速度控制1 1、3 3、5 5在正半周導通，在正半周導通， 2 2、4 4、6 6在負半周導在負半周導通。每組內（即二相間）觸發(fā)脈沖相位相差通。每組內（即二相間）觸發(fā)脈沖相位相差120120，觸發(fā)脈沖的順序：，觸發(fā)脈沖的順序：1-2-3-4-5-61-2-3-4-5-6，相鄰，相鄰之間相位差之間相位差6060。為保證合閘后兩個串聯可控為保證合閘后兩個串聯可控硅能同時導通硅能同時導通，或已截止的相再次導通或已截止的相再次導通，采用，采用雙脈沖控制。即每個觸發(fā)脈沖在導通雙脈沖控制。即每個觸發(fā)脈沖在導通6060后，后，再補發(fā)一個輔

17、助脈沖；也可以采用寬脈沖控制，再補發(fā)一個輔助脈沖；也可以采用寬脈沖控制，寬度大于寬度大于6060，小于，小于120120。7.3 7.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺服電機及其速度控制 只要改變可控只要改變可控硅觸發(fā)角（即改變硅觸發(fā)角（即改變導通角），就能改導通角），就能改變可控硅的整流輸變可控硅的整流輸出電壓，從而改變出電壓，從而改變直流伺服電機的轉直流伺服電機的轉速。速。 觸發(fā)脈沖提前，觸發(fā)脈沖提前，增大整流輸出電壓；增大整流輸出電壓；觸發(fā)脈沖延后，減觸發(fā)脈沖延后，減小整流輸出電壓。小整流輸出電壓。uacbcaba)b)c)d)135 tub246bcatttt1 1 3 3 5 5 1

18、 1 3 3 6 2 2 4 4 6 6 2 2 4 135246120120180601324606056晶閘管調節(jié)電路主要內容2PWM調速控制系統調速控制系統利用大功率晶體管的開關作用，將直流電壓轉換成一定頻利用大功率晶體管的開關作用，將直流電壓轉換成一定頻率的率的方波電壓方波電壓，加到直流電動機的電樞上；通過調整控制，加到直流電動機的電樞上；通過調整控制方波脈沖寬度來改變電樞的平均電壓，從而調節(jié)電機的轉方波脈沖寬度來改變電樞的平均電壓，從而調節(jié)電機的轉速。速?？刂齐娐泛唵危恍韪郊雨P斷電路，開關特性好?？刂齐娐泛唵?，不需附加關斷電路，開關特性好。 廣泛廣泛應用中、小功率直流伺服系統。應用

19、中、小功率直流伺服系統。周期不變周期不變脈寬脈寬脈寬脈寬脈寬脈寬脈寬脈寬平均直流電壓平均直流電壓Ut周期不變周期不變7.3 7.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺服電機及其速度控制主要內容MUtttTonTEaIaUEaUaVDIa-+直流電機電壓的平均值直流電機電壓的平均值: : aonTaaETTETU01T脈沖周期，脈沖周期， Ton導通時間導通時間7.3 7.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺服電機及其速度控制脈寬調制（脈寬調制（PWMPWM）系統組成：）系統組成：主要內容主要內容速度速度調節(jié)器調節(jié)器電流反饋電流反饋脈寬脈寬調制調制基極基極驅動驅動功功放放振蕩器振蕩器 電流電流調節(jié)器調節(jié)器M M速速度度指指令令 三相交流電三相交流電整流整流速度反饋速度反饋U UsrsrU USCSCU UU Ub b7.3 7.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺服電機及其速度控制 控制回路：控制回路： 速度調節(jié)器；電流調節(jié)器；固定頻率振蕩器及三速度調節(jié)器；電流調節(jié)器；固定頻率振蕩器及三角波發(fā)生器；脈寬調制器和基極驅動電路。角波發(fā)生器；脈寬調制器和基極驅動電路。 區(qū)別：區(qū)別： 與晶閘管調速系統比較，速度調節(jié)器和電流調節(jié)與晶閘管調速系統比較，速度調節(jié)器和電流調節(jié) 器原理一樣。不同的是脈寬調制器和功率