第九講(2) 機器人關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動技術(shù)

1、山東大學(xué)機械工程學(xué)院機電工程研究所2010/09/02 第五章 機器人關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動技術(shù) 山東大學(xué)機械工程學(xué)院機電工程研究所2010/09/02 一、直流電機原理 5.1 直流電機伺服系統(tǒng) 山東大學(xué)機械工程學(xué)院機電工程研究所2010/09/02 直流電機的勵磁方式 勵磁：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 電樞：產(chǎn)生電磁力的部件，如直流電機的 轉(zhuǎn)子。 山東大學(xué)機械工程學(xué)院機電工程研究所2010/09/02 直流電機的基本方程式 1.電氣系統(tǒng)的電動平衡方程（并勵）電氣系統(tǒng)的電動平衡方程（并勵） a aaffa aa f ffff af di uG iR iL dt di

2、uR iL dt uuu a U I a I f I M 感應(yīng)電動勢感應(yīng)電動勢 電樞電壓電樞電壓 勵磁電流勵磁電流 電樞電流電樞電流 山東大學(xué)機械工程學(xué)院機電工程研究所2010/09/02 二. 機械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平衡方程 20e d TTTJ dt e T 電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩 2 T 0 T 負載轉(zhuǎn)矩負載轉(zhuǎn)矩 空載損耗轉(zhuǎn)矩空載損耗轉(zhuǎn)矩 如果電動機以恒如果電動機以恒 角速度轉(zhuǎn)動，則角速度轉(zhuǎn)動，則 ： 0 d J dt J - 轉(zhuǎn)子慣量轉(zhuǎn)子慣量 山東大學(xué)機械工程學(xué)院機電工程研究所2010/09/02 伺服電機在磁化曲線的線性范圍內(nèi)使用， 因而氣隙磁通 正比于勵磁電流，即： 電磁轉(zhuǎn)矩TM f f K i

3、 式中： f K常數(shù)， 由電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩 正比于電樞電流 和氣隙磁通的乘積，即 M T 1Mff a TK K i i式中： 1 K常數(shù) f i為磁場勵磁電流 a i是電樞電流 山東大學(xué)機械工程學(xué)院機電工程研究所2010/09/02 實例：直流伺服系統(tǒng) MT a TK i T K 在電樞控制的直流電動機中，勵磁電 流為常數(shù)，故上式可寫成： 式中： 電動機的轉(zhuǎn)矩常數(shù) 山東大學(xué)機械工程學(xué)院機電工程研究所2010/09/02 實例：直流伺服系統(tǒng) 3.轉(zhuǎn)矩平衡方程 2 00 2 MN dd JBTT dtdt 4.電動機的反電動勢正比于速度 0 bb d eK dt b K 反電動勢常數(shù) 由控制輸入

4、電壓 開始，系統(tǒng)的因果 方程為: ( ) i e t 1.電樞電壓方程： a aa aib di LR iee dt 2.電動機轉(zhuǎn)矩 MT a TK i 山東大學(xué)機械工程學(xué)院機電工程研究所2010/09/02 實例：直流伺服系統(tǒng) 系統(tǒng)因果方程拉氏變換為: 2 0 0 ()( )( )( ) ( )( ) ()( )( ) ( )( ) aaaib MTa N bb L sR IsE sE s TsK Is JsBssTs E sK ss 山東大學(xué)機械工程學(xué)院機電工程研究所2010/09/02 實例：直流伺服系統(tǒng) 0 ( ) ( ) ( )()() T iaaTb sK G s E ss L s

5、RJsBK K ( ) i E s ( ) b E s ( ) b Ks 1 aa L sR ( ) a Is T K ( ) M Ts ( ) N Ts 1 ()s JsB 0( ) s 直流伺服電機的系統(tǒng)方框圖直流伺服電機的系統(tǒng)方框圖 當(dāng)負載轉(zhuǎn)矩 ( )0 N Ts其傳遞函數(shù)是: 山東大學(xué)機械工程學(xué)院機電工程研究所2010/09/02 主要內(nèi)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 mTa TKI aE EKn （ 一定）一定） aaaa RIEU 電樞電壓平衡方程式： 感應(yīng)電勢與轉(zhuǎn)速關(guān)系 電磁轉(zhuǎn)矩： 三、三、直流伺服電機的調(diào)速原理與方法 M IaIf UfUa

6、 RaLa EaUa M IaIf UfUa RaLa EaUa 原原 理理 圖圖 等等 效效 圖圖 山東大學(xué)機械工程學(xué)院機電工程研究所2010/09/02 直流電機的基本調(diào)速方式有三種: 1、調(diào)節(jié)電阻Ra、 2、調(diào)節(jié)電樞電壓Ua 3、調(diào)節(jié)磁通的值。 三、三、直流伺服電機的調(diào)速原理與方法 2 0 2 aa m EET a m ET UR nT KK K R nT K K 由上述關(guān)系式可得： 山東大學(xué)機械工程學(xué)院機電工程研究所2010/09/02 電機轉(zhuǎn)速與理想轉(zhuǎn)速的差n，反 映了電機機械特性硬度，n越?。ㄞD(zhuǎn) 矩對轉(zhuǎn)速變化的影響程度越小），機械 特性越硬。 T T n n0 n 轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系

7、n=f(T)稱機械特性 山東大學(xué)機械工程學(xué)院機電工程研究所2010/09/02 電樞電阻調(diào)速很少采用，缺點： 不經(jīng)濟：要得到低速，R很大，則消耗大量電能； 低速，特性很軟，運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性很差；調(diào)節(jié)平滑性差， 操作費力。 電樞電阻調(diào)速 主要內(nèi)容 T n n0 R0 R2 R1 山東大學(xué)機械工程學(xué)院機電工程研究所2010/09/02 主要內(nèi)容 調(diào)節(jié)電樞電壓時，直流電機機械特性為一組平行 線，只改變電機的理想轉(zhuǎn)速n0 ，保持了原有較硬的 機械特性，所以調(diào)壓調(diào)速主要用于伺服進給驅(qū)動系統(tǒng) 電機的調(diào)速 UaNUa1 Ua2 OTN n n0N n01 n02 nN n1 n2 Ua2 Ua1 UaN N TN

8、 nN T 1 2 T O n02 n01 n0N n2 n1 nN n N12 如果n值較大，不可 能實現(xiàn)寬范圍的調(diào)速。 調(diào)壓調(diào)速 永磁式直流伺服電機 的n值較小，因此， 進給系統(tǒng)常采用永磁式 直流電機。 山東大學(xué)機械工程學(xué)院機電工程研究所2010/09/02 主要內(nèi)容 調(diào)節(jié)磁通不但改變了電機的理想轉(zhuǎn)速，而且 使直流電機機械特性變軟。 UaNUa1 Ua2 OTN n n0N n01 n02 nN n1 n2 Ua2 Ua1 UaN N TN nN T 1 2 T O n02 n01 n0N n2 n1 nN n N12 調(diào)磁調(diào)速 山東大學(xué)機械工程學(xué)院機電工程研究所2010/09/02 主要

9、內(nèi)容 調(diào)速的概念有兩個方面的含義: 1)改變電機轉(zhuǎn)速：當(dāng)給定速度變化時, 電機的速度隨之變化,并希望以最快的加 減速達到新的給定速度值； 2)當(dāng)給定速度不變化時,電機的速度 保持穩(wěn)定不變。 四、直流伺服電機速度控制四、直流伺服電機速度控制 山東大學(xué)機械工程學(xué)院機電工程研究所2010/09/02 主要內(nèi)容 直流伺服電機速度控制單元的作用： 將轉(zhuǎn)速指令信號轉(zhuǎn)換成電樞的電壓值，達到 速度調(diào)節(jié)的目的。 直流電機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、晶體管線性放大器調(diào)速系統(tǒng) 3、晶體管開關(guān)放大器-脈寬調(diào)制（PWM Pulse Width Modulated）調(diào)速系統(tǒng)。 山東大

10、學(xué)機械工程學(xué)院機電工程研究所2010/09/02 主要內(nèi)容 晶閘管不具有自動關(guān)斷能力，控制復(fù)雜， 多用于大功率及要求不很高的直流伺服電機 調(diào)速控制。 晶閘管（可控硅）調(diào)速系統(tǒng)晶閘管（可控硅）調(diào)速系統(tǒng) U*n 主要內(nèi)容 速度速度 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 電流電流 調(diào)節(jié)器調(diào)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 + - Un In I*n + - US 山東大學(xué)機械工程學(xué)院機電工程研究所2010/09/02 控制控制 回路回路 主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驅(qū)動，使電機轉(zhuǎn)動。主回路：可控硅整流放大器：整流、放大

11、、驅(qū)動，使電機轉(zhuǎn)動。 速度環(huán)：速度調(diào)節(jié)，作用：好的靜態(tài)、動態(tài)特性。速度環(huán)：速度調(diào)節(jié)，作用：好的靜態(tài)、動態(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。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。或后移。 晶閘管（可控硅）調(diào)速系統(tǒng)包括： 山東大學(xué)機械工程學(xué)院機電工程研究所2010/09/02 晶體管線性放大器調(diào)速系統(tǒng) 特點： 功率晶體管工作在線性區(qū)，晶體管功耗 大，特別在低速大轉(zhuǎn)矩情況下，電動機的 反電動勢小而電流大，大量的有功功率消 耗在輸出晶體管上。 在寬頻帶、低功率（小

12、于幾百瓦）系統(tǒng) 中多選用線性放大器。 山東大學(xué)機械工程學(xué)院機電工程研究所2010/09/02 主要內(nèi)容 利用大功率晶體管的開關(guān)作用，將直流電壓轉(zhuǎn) 換成一定頻率的方波電壓，加到直流電動機的電樞 上；通過調(diào)整控制方波脈沖寬度來改變電樞的平均 電壓，從而調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。 控制電路簡單，不需附加關(guān)斷電路，開關(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 U t 周期不變周期不變 PWM調(diào)速控制系統(tǒng) 山東大學(xué)機械工程學(xué)院機電工程研究所2010/09/02 主要內(nèi)容 M U t t t TonT Ea Ia U Ea UaV

13、D Ia - + 直流電機電壓的平均值: a on T aa E T T E T U 0 1 T脈沖周期， Ton導(dǎo)通時間 PWM調(diào)速控制系統(tǒng) 晶體管基極控制電壓 山東大學(xué)機械工程學(xué)院機電工程研究所2010/09/02 脈寬調(diào)制（脈寬調(diào)制（PWMPWM）系統(tǒng)組成：）系統(tǒng)組成： 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 速度速度 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 電流反饋電流反饋 脈寬脈寬 調(diào)制調(diào)制 基極基極 驅(qū)動驅(qū)動 功功 放放 振蕩器振蕩器 電流電流 調(diào)節(jié)器調(diào)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 Usrsr U USC SC U U U Ub b 山東大學(xué)機械工程學(xué)院機電工程研究所

14、2010/09/02 實現(xiàn)電路 主回路 控制回路 山東大學(xué)機械工程學(xué)院機電工程研究所2010/09/02 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)動電路。 脈寬調(diào)制器脈寬調(diào)制器 作用：將電壓量轉(zhuǎn)換成可由控制信號調(diào)節(jié)的 矩形脈沖，為功率晶體管的基極提供一個 寬度可由速度指令信號調(diào)節(jié)的脈寬電壓。 組成：調(diào)制信號發(fā)生器（三角波和鋸齒波兩 種）和比較放大器。 山東大學(xué)機械工程學(xué)院機電工程研究所2010/09/02 R1 +12V USC R1 R3R2 + -12V U S r U - PWM PWM 發(fā)生器原理發(fā)生器原理 過零比較器 加法 U USr

15、Sr 速度指令轉(zhuǎn)化過速度指令轉(zhuǎn)化過 來的直流電壓來的直流電壓 U U - - 三角波三角波 U USC SC- - 脈寬調(diào)制器的輸出脈寬調(diào)制器的輸出 調(diào)制波形圖：調(diào)制波形圖： 山東大學(xué)機械工程學(xué)院機電工程研究所2010/09/02 主回路主回路 雙極式H型PWM變換器原理圖： 山東大學(xué)機械工程學(xué)院機電工程研究所2010/09/02 雙極式雙極式PWM變換器電壓電流波形圖變換器電壓電流波形圖 返回 基極控制： b1，b4 B3，b4 電機電壓： Uab 電機電流： 山東大學(xué)機械工程學(xué)院機電工程研究所2010/09/02 單極式PWM變換器電壓電流波形圖 返回 山東大學(xué)機械工程學(xué)院機電工程研究所2

16、010/09/02 SG1731組成的組成的PWM直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng) 返回 山東大學(xué)機械工程學(xué)院機電工程研究所2010/09/02 5.2 交流伺服系統(tǒng)其應(yīng)用簡介 分類：1、（永磁）同步交流伺服系統(tǒng) a、矩形波電流驅(qū)動 b、正弦波電流驅(qū)動 2、異步型交流伺服系統(tǒng) 根據(jù)： p s fn 1 60 0 其中：f0為定子電壓頻率，s為轉(zhuǎn)差率，p為極對 數(shù)。 異步電機的調(diào)速方法有：變極調(diào)速、變轉(zhuǎn)差率調(diào) 速和變頻調(diào)速。變極調(diào)速由分為：調(diào)壓調(diào)速，轉(zhuǎn) 子串電阻調(diào)速、串級調(diào)速、電磁離合器調(diào)速。 山東大學(xué)機械工程學(xué)院機電工程研究所2010/09/02 5.2.15.2.1同步電機調(diào)速系統(tǒng)同步電機調(diào)速系統(tǒng)

17、給同步電動機三相對稱繞組通入三相對稱電 流會在氣隙中產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的同步 轉(zhuǎn)速為 n0。 同步電機有轉(zhuǎn)子磁場（保證恒定），轉(zhuǎn)子可 以看成一塊磁鐵。兩磁場的相同作用，驅(qū)動同步 電機旋轉(zhuǎn)。 同步電機轉(zhuǎn)速公式n=60f/np 調(diào)速方法：變極調(diào)速和變頻調(diào)速。主要方式是 變頻調(diào)速。 山東大學(xué)機械工程學(xué)院機電工程研究所2010/09/02 兩種變頻調(diào)速方式 同步電機變頻調(diào)速按控制方式可分為自 控式和他控式兩種。 他控式； 裝置與電機是獨立的。變頻裝置的輸 出頻率由轉(zhuǎn)速給定決定，由于同步關(guān)系， 這時系統(tǒng)一般為開環(huán)，所依據(jù)的原理是 VVVF，即變壓變頻調(diào)速 (Variable Voltage Variable Frequency)。 特點： 控制簡單，但存在轉(zhuǎn)子振蕩和失步問題。 山東大學(xué)機械工程學(xué)院機電工程研究所2010/09/02 兩種變頻調(diào)速方式 自控式： 變頻裝置與電機非獨立，變頻裝置的 輸出頻率是依據(jù)電動機軸上所帶的轉(zhuǎn)子位 置決定。組成電源頻率自動跟蹤轉(zhuǎn)子位置 的閉環(huán)系統(tǒng)。 由于同步電機供電頻率受轉(zhuǎn)子位置的 控制即定子磁場轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相等，始 終保持同步，因此不會出現(xiàn)轉(zhuǎn)子振蕩和失 步的隱患。 山