機(jī)電一體化技術(shù)及系統(tǒng)第三章

1、第三章第三章 伺服傳動技術(shù)伺服傳動技術(shù)第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述第二節(jié)第二節(jié) 直流伺服系統(tǒng)直流伺服系統(tǒng)第三節(jié)第三節(jié) 交流伺服系統(tǒng)交流伺服系統(tǒng)第四節(jié)第四節(jié) 步進(jìn)電動機(jī)控制系統(tǒng)步進(jìn)電動機(jī)控制系統(tǒng)第五節(jié)第五節(jié) 電液伺服系統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述一、伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及分類一、伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及分類1控制器2功率放大器3執(zhí)行機(jī)構(gòu)4檢測裝置圖3-1 伺服系統(tǒng)的組成二、伺服電動機(jī)二、伺服電動機(jī) 伺服電動機(jī)是電氣伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件，其作用是把電信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動。通常伺服電動機(jī)應(yīng)符合如下基本要求:1) 具有寬廣而平滑的調(diào)速范圍。具有較硬的機(jī)械特性和良好的調(diào)節(jié)特性。3) 具有快速響應(yīng)特性。4)

2、空載始動電壓小。1直流伺服電動機(jī)(1) 永磁直流伺服電動機(jī)(2) 無槽電樞直流伺服電動機(jī)(3) 空心杯電樞直流伺服電動機(jī)(4) 印刷繞組直流伺服電動機(jī)2交流伺服電動機(jī)(1) 永磁同步伺服電動機(jī)(2) 兩相異步交流伺服電動機(jī)3步進(jìn)電動機(jī)步進(jìn)電動機(jī)是一種將脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移的執(zhí)行元件。(1) 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)(2) 永磁式步進(jìn)電動機(jī)(3) 永磁感應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)交流伺服電動機(jī)三、電力電子技術(shù)簡介三、電力電子技術(shù)簡介1晶閘管SCR晶閘管的開關(guān)特性如下： 1) 起始時若控制極 不加電壓，則不論陽極 加正向還是反向電壓，晶閘管均不導(dǎo)通，這說明晶閘管具有正、反向阻斷能力。 2) 晶閘管的陽極 和控制極 同

3、時加正向電壓時晶閘管才能導(dǎo)通，這是晶閘管導(dǎo)通必須同時具備的兩個條件。 3) 在晶閘管導(dǎo)通之后，其控制極 就失去了控制作用。欲使晶閘管恢復(fù)阻斷狀態(tài)，必須把陽極電流降低到一定值(小于維持電流)。晶閘管電路符號2功率晶體管 指的是雙極型功率晶體管，它由三層半導(dǎo)體構(gòu)成的，有 型和 型兩種，圖3-4a、b所示為 型功率晶體管的基本結(jié)構(gòu)和圖形符號。3絕緣柵雙極晶體管 是一種即具有 的高電流密度、低飽和電壓，又具有 的高輸入阻抗、高速特性的一種新型復(fù)合功率開關(guān)器件。圖3-4 晶體管的結(jié)構(gòu)和圖形符號第第二節(jié)二節(jié) 直流伺服系統(tǒng)直流伺服系統(tǒng)一、直流伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理一、直流伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理1位置檢測與信號綜合環(huán)

4、節(jié)(1) 旋轉(zhuǎn)變壓器 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)角變化的角位移測量裝置。圖3-9 鑒幅型直流伺服系統(tǒng)的原理框圖多摩川旋轉(zhuǎn)變壓器(2) 相敏放大器 它的功能是將交流電壓轉(zhuǎn)換為與之成正比的直流電壓，并使它的極性與輸入的交流電壓的相位相適應(yīng)。圖3-13 相敏放大器原理圖及波形圍a)電路圖 b)波形圖相敏放大器的任務(wù)是：1) 將輸入交流電壓變換成直流電壓； 2) 當(dāng)輸入交流電壓相位變成相差 時，輸出的直流電壓極性亦隨之改變?；蛘哒f輸出直流電壓的極性反映了輸入交流電壓的相位； 3) 輸出直流電壓的數(shù)值與輸入交流電壓的幅值成正比。(3) 位置檢測與信號綜合環(huán)節(jié)2脈寬調(diào)制型(PWM)功率放大 PWM功率放

5、大器的基本原理是：利用大功率器件的開關(guān)作用，將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓，通過對方波脈沖寬度的控制，改變輸出電壓的平均值。(1) PWM變換器 圖3-15 脈寬調(diào)速示意圖2) 邏輯延時環(huán)節(jié)3) 基極驅(qū)動器(3) PWM功率放大器的傳遞函數(shù)3直流伺服電動機(jī)和減速器的傳遞函數(shù)減速器的傳遞函數(shù)可以表示為：(2) PWM的控制電路1) 脈沖調(diào)制器 脈沖調(diào)制器是一個電壓脈寬變換器裝置，輸入的是電壓量 ，輸出則是寬度受 控制的脈沖量。二、直流伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析二、直流伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析1檢測誤差2原理誤差3擾動誤差三、直流伺服系統(tǒng)的動態(tài)校正三、直流伺服系統(tǒng)的動態(tài)校正圖3-25 位置伺服系統(tǒng)動

6、態(tài)框圖1速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)控制對象傳遞函數(shù)為2位置調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)圖3-29 位置環(huán)方框圖 改變異步電動機(jī)的供電頻率 ，可以改變其同步轉(zhuǎn)速 ，實(shí)現(xiàn)調(diào)速運(yùn)行，也稱為變頻調(diào)速。第三節(jié)第三節(jié) 交流伺服系統(tǒng)交流伺服系統(tǒng) 采用交流伺服電動機(jī)作為執(zhí)行元件的伺服系統(tǒng)，稱為交流伺服系統(tǒng)。 按其選用不同的電動機(jī)而分為兩大類：同步型交流伺服電動機(jī)和異步型交流伺服電動機(jī)。一、異步型交流電動機(jī)的變頻調(diào)速的基本原理及特性一、異步型交流電動機(jī)的變頻調(diào)速的基本原理及特性異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速方程為1基頻以下的恒磁通變頻調(diào)速2基頻以上的弱磁通變頻調(diào)速二、異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)二、異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)1SPWM變頻器圖332 SPWM變

7、頻器控制電路框圖2SPWM逆變器的同步調(diào)制與異步調(diào)制 SPWM逆變器的性能與載頻比 N 有密切關(guān)系，載頻比 N 定義為3SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)(1) 絕對值運(yùn)算器(2) 函數(shù)發(fā)生器(3) 邏輯控制器圖3-35 恒壓頻比控制SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖第四節(jié)第四節(jié) 步進(jìn)電動機(jī)控制系統(tǒng)步進(jìn)電動機(jī)控制系統(tǒng)一、步進(jìn)電動機(jī)1步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理圖3-37 步進(jìn)電動機(jī)簡化圖罐碼垛步進(jìn)電動機(jī)2步進(jìn)電動機(jī)的使用特性(1) 步距誤差(2) 最高啟動頻率和最高工作效率(3) 輸出的轉(zhuǎn)矩頻率特性二、環(huán)形分配器二、環(huán)形分配器 步進(jìn)電動機(jī)的各繞組必須按一定的順序通電才能正確工作，這種使電動機(jī)繞組的通電順序按輸入脈

8、沖的控制而循環(huán)變化的裝置稱為脈沖分配器，又稱為環(huán)形分配器。實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配的方法有三種 。一種是采用計(jì)算機(jī)軟件分配，采用查表或計(jì)算的方法來產(chǎn)生相應(yīng)的通電順序。 另一種是采用小規(guī)模集成電路搭接一個硬件分配器。第三種即采用專用的環(huán)形分配器。圖3-39 雙三拍環(huán)形分配器的原理圖三、功率驅(qū)動器三、功率驅(qū)動器 功率驅(qū)動器實(shí)際上是一個功率開關(guān)電路，其功能是將環(huán)形分配器的輸出信號進(jìn)行功率放大，得到步進(jìn)電動機(jī)控制繞組所需要的脈沖電流及所需要的脈沖波形。步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電路的種類很多，按其主電路結(jié)構(gòu)分：1單電壓驅(qū)動電路2高、低壓雙電壓驅(qū)動電路3伺服控制(1) 執(zhí)行部件的位移量控制(2) 執(zhí)行部件移動速度的控制(3)

9、執(zhí)行部件移動方向的控制四、提高系統(tǒng)精度的措施四、提高系統(tǒng)精度的措施 為了提高系統(tǒng)的精度，須適當(dāng)提高系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)的精度，其中包括機(jī)械傳動與支承裝置的精度。第五節(jié)第五節(jié) 電液伺服系統(tǒng)電液伺服系統(tǒng) 電液伺服系統(tǒng)是由電信號處理部分和液壓的功率輸出部分組成的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸入是電信號。一、電液位置伺服控制系統(tǒng)一、電液位置伺服控制系統(tǒng) 電液位置伺服控制系統(tǒng)常用于機(jī)床工作臺的位置控制、機(jī)械手的定位控制、穩(wěn)定平臺水平位置控制等。1閥控液壓缸電液位置控制系統(tǒng)的工作原理圖343 雙電位器位置控制電液伺服系統(tǒng)1指令電位器2反饋電位器3放大器4電液伺服閥5液壓缸2閥控液壓馬達(dá)電液位置控制系統(tǒng)的工作原理圖345 閥控液壓馬達(dá)電液位置控制系統(tǒng)原理圖3電液位置伺服系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例圖3-47 跑偏控制系統(tǒng)電路簡圖二、電液速度伺服控