伺服電機(jī)原理

1、伺服電機(jī)原理第1頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日3.1 直流伺服電機(jī)及其控制3.1.1 伺服系統(tǒng)的要求 “伺服”一詞是跟隨的意思，即被控的電機(jī)忠實(shí)地執(zhí)行頻繁變化的位置或速度指令，精確地控制機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動的位移或角度，這種自動系統(tǒng)稱伺服系統(tǒng)或隨動系統(tǒng)。 以直流伺服電機(jī)為驅(qū)動元件的伺服系統(tǒng)，稱直流伺服系統(tǒng)。 以交流伺服電機(jī)為驅(qū)動元件的伺服系統(tǒng)，稱交流伺服系統(tǒng)。 第2頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日伺服系統(tǒng)的要求 工作精度高 調(diào)速性能好 帶負(fù)載能力強(qiáng) 響應(yīng)速度快 穩(wěn)定性和可靠性高 第3頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日3.1.

2、2 直流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)和速度控制原理 第4頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日直流電機(jī)的輸出電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為：控制直流伺服電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和速度的方法有兩種： 一種是改變電樞電壓Ua即改變電樞電流Ia的方法； 另一種是改變勵(lì)磁電流If即改變磁通的方法。常用調(diào)節(jié)電樞電壓的方法。 第5頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日優(yōu)點(diǎn)：一元函數(shù)，線性較好，控制方便；響應(yīng)速度快； 輸出轉(zhuǎn)矩大。第6頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日3.1.3 直流伺服電機(jī)的基本特性 1、機(jī)械特性 在輸入的電樞電壓Ua保持不變時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速n隨電磁轉(zhuǎn)矩M變化而變化的規(guī)

3、律，稱直流電機(jī)的機(jī)械特性。 K值大表示電磁轉(zhuǎn)矩的變化引起電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化大，這種情況稱直流電機(jī)的機(jī)械特性軟；反之，斜率K值小，電機(jī)的機(jī)械特性硬。在直流伺服系統(tǒng)中，總是希望電機(jī)的機(jī)械特性硬一些，這樣，當(dāng)帶動的負(fù)載變化時(shí)，引起的電機(jī)轉(zhuǎn)速變化小，有利于提高重流電機(jī)的速度穩(wěn)定性和工件的加工精度。 功耗增大。第7頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日機(jī)械特性曲線第8頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日2、調(diào)節(jié)特性直流電機(jī)在一定的電磁轉(zhuǎn)矩M（或負(fù)載轉(zhuǎn)矩）下電機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速n隨電樞的控制電壓Ua變化而變化的規(guī)律，被稱為直流電機(jī)的調(diào)節(jié)特性 。第9頁，共64頁，2022年，

4、5月20日，22點(diǎn)21分，星期日 斜率K反映了電機(jī)轉(zhuǎn)速n隨控制電壓Ua的變化而變化快慢的關(guān)系，其值大小與負(fù)載大小無關(guān)，僅取決于電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)。 第10頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日3、動態(tài)特性 從原來的穩(wěn)定狀態(tài)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，存在一個(gè)過渡過程，這就是直流電機(jī)的動態(tài)特性。 決定時(shí)間常數(shù)的主要因素有： 慣性J的影響、電樞回路電阻Ra的影響、機(jī)械特性硬度的影響。第11頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日3.1.4 直流伺服電機(jī)的種類和主要技術(shù)參數(shù)按轉(zhuǎn)動部分慣性大小來分：小慣量直流電機(jī) 印刷電路板的自動鉆孔機(jī)中慣量直流電機(jī)（寬調(diào)速直流電機(jī)）

5、數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)大慣量直流電機(jī) 數(shù)控機(jī)床的主軸電機(jī)特種形式的低慣量直流電機(jī)第12頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日主要技術(shù)參數(shù)：額定功率Pe額定電壓Ue額定電流Ie額定轉(zhuǎn)速ne額定轉(zhuǎn)矩MIe調(diào)速比D直流伺服電機(jī)的選擇，是根據(jù)被驅(qū)動機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩、運(yùn)動規(guī)律和控制要求來確定。第13頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日3.1.5 直流伺服電機(jī)的速度控制1、直流伺服電機(jī)速度控制技術(shù)指標(biāo) （1）調(diào)速范圍D電機(jī)在額定負(fù)載下 （2）靜差度S 指電機(jī)由理想空載增加到額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落ne與理想空載轉(zhuǎn)速n。之比 第14頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)

6、21分，星期日 （3）調(diào)速的平滑性Q 用兩個(gè)相近轉(zhuǎn)速之比表示 Q值越接近1，表示調(diào)速平滑性越好。 第15頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日2、直流伺服電機(jī)調(diào)速對控制信號進(jìn)行功率放大 （1）線性型優(yōu)點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)和原理簡單，成本低，加速能力強(qiáng) ；缺點(diǎn)：發(fā)熱厲害，耗損大。適用于小功率低慣量直流電機(jī)。 第16頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日（2）開關(guān)型 對直流電機(jī)采用脈沖方式供電 ，PWM優(yōu)點(diǎn)：功率損耗小，運(yùn)行效率高，加減速性能好，尤其是在要求低速大轉(zhuǎn)矩下連續(xù)運(yùn)行的場合。已普遍用于中小慣量的直流電機(jī)調(diào)速。 （3）晶閘管型（可控硅型） 對直流電機(jī)采用脈沖

7、方式供電 ，PWM優(yōu)點(diǎn)：輸出功率大，電流大 。適用于大功率大慣量的直流電機(jī)調(diào)速。 第17頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日雙向式PWM調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向處決于t1的大小。第18頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日優(yōu)點(diǎn)：電樞電流穩(wěn)定連續(xù)，外特性硬度高，死區(qū)很小，低速性能好，調(diào)速范圍寬；缺點(diǎn)：工作過程中4個(gè)功率三極管都處于開關(guān)狀態(tài)，故開關(guān)損耗大，易發(fā)生上、下兩管直通，造成電源短路等。 第19頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日單向式PWM調(diào)速第20頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日3、直流伺服電機(jī)閉環(huán)速度控

8、制系統(tǒng)第21頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日第22頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日第23頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日3.1.6 直流伺服電機(jī)位置伺服控制系統(tǒng)第24頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日第25頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日位置伺服模塊第26頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日第27頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日第28頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日第29頁，共64頁，2022年

9、，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日3.2 交流伺服電機(jī)及其控制3.2.1 交流伺服控制的發(fā)展直流電動機(jī)具有很好的控制性能和調(diào)速性能 ；但其致 命弱點(diǎn)是常產(chǎn)生火花和磨損，電刷和換向 器需要經(jīng)常的維護(hù)和保養(yǎng) 。交流電動機(jī)調(diào)速比較困難。 隨著變頻調(diào)速技術(shù)的進(jìn)步，交流電機(jī)調(diào)速控制己在大功率、高電壓、高精度、快響應(yīng)等領(lǐng)域中的應(yīng)用己取得重要進(jìn)展 。第30頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日3.2.2 交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理第31頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日第32頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日工作原理：定子繞組通入三相交流電

10、后，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子中銅條產(chǎn)生電流，有電流流過的銅條在磁場中受力的作用，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向相同，其旋轉(zhuǎn)速度n可表達(dá)為： 第33頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日第34頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日感應(yīng)式電機(jī)的速度控制有3種方法： 改變加在電機(jī)上的電源頻率f； 改變轉(zhuǎn)差率s，即改變加在電機(jī)上的電源電壓； 改變電機(jī)的磁極對數(shù)p。 第35頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日改變定子電壓的速度控制第36頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日其基本

11、原理是利用電機(jī)轉(zhuǎn)差率的改變來達(dá)到 控制速度的目的。 第37頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日控制定子電壓調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是： 速度控制范囿為1：10； 可以進(jìn)行制動控制（定子繞組中通人直流電流或通入 相序反向的交流電流）。 缺點(diǎn)是： 由于轉(zhuǎn)子輸入功率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩成比例，隨著轉(zhuǎn)速的降低，損失增加，效率降低。 采用改變電機(jī)輸入電壓控制電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)選用轉(zhuǎn)子電阻較大的電機(jī)，以減小其功率損失和發(fā)熱。 第38頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日定子頻率控制 定子頻率控制的基本原理是通過調(diào)節(jié)輸入到交流電機(jī)定子的電壓（或電流）的頻率和幅值，來控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足實(shí)

12、際工作的要求。感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率控制 Vf（電壓頻率比）控制 第39頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率控制 其基本控制原理是，實(shí)時(shí)檢測感應(yīng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角頻率m并進(jìn)行反饋，將反饋的m和給定的轉(zhuǎn)差頻率s相加再生時(shí)相減），以決定定子電流角頻率。 第40頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日第41頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日第42頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日第43頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日Vf（電壓頻率比）控制第44頁，共64頁，2022年，5月20日

13、，22點(diǎn)21分，星期日第45頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日3.2.3 逆變器 逆變器是交流伺服電機(jī)的驅(qū)動電源，它供給交流電機(jī)一定幅值、一定頻率的交流電流或電壓，從而達(dá)到交流電機(jī)調(diào)速控制的目的。分類：電壓型、電流型；PWM逆變器、PAM逆變器矩形波逆變器、正弦波逆變器第46頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日電流型逆變器主電路的工作原理第47頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日電壓型逆變器主電路的工作原理第48頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日逆變器的PWM控制第49頁，共64頁，2022年，5月20

14、日，22點(diǎn)21分，星期日第50頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日第51頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日逆變器的數(shù)字控制第52頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日第53頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日第54頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日3.3 液壓、氣動閥及其控制 驅(qū)動元件液壓、氣動缸和馬達(dá)的運(yùn)動是靠壓力油、壓縮空氣作為動力源；運(yùn)動的控制是靠液壓系統(tǒng)和氣動系統(tǒng)的各種閥來完成。 第55頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日1、液壓系統(tǒng)的基本原理1，油箱； 2濾網(wǎng)；3油泵； 4節(jié)流閥；5管路； 6換向閥；7、9油管；8，油缸；10電磁鐵；11溢流閥；12，油管 第56頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日第57頁，共64頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)21分，星期日2、液壓閥的分類按控制功能分： 壓力控制閥、方向控制閥、流量控制閥按液壓系統(tǒng)的壓力分： 低壓閥（6MPa）、中壓閥（ 16MPa ）按操作方式分： 手動操作閥、電動操作閥按閥的工作方式分： 開關(guān)型、模擬量型第58頁，共64頁，2022年，5月20日，2