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文檔簡介
1、24828B第1章伺服系統(tǒng)概述1.1伺服系統(tǒng)的基本概念1.2伺服系統(tǒng)的發(fā)展過程1.3交流伺服系統(tǒng)的構(gòu)成1.4交流伺服系統(tǒng)的分類1.5交流伺服系統(tǒng)的常用性能指標(biāo)1.6伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢24828B1.1伺服系統(tǒng)的基本概念1.1.1伺服系統(tǒng)的定義1.1.2伺服系統(tǒng)的組成1.1.3伺服系統(tǒng)性能的基本要求1.1.4伺服系統(tǒng)的種類24828B1.1.1伺服系統(tǒng)的定義“伺服系統(tǒng)”是指執(zhí)行機構(gòu)按照控制信號的要求而動作,即控制信號到來之前,被控對象是靜止不動的;接收到控制信號后,被控對象則按要求動作;控制信號消失之后,被控對象應(yīng)自行停止。24828B1.1.2伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)是具有反饋的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)
2、。它由檢測部分、誤差放大部分、執(zhí)行部分及被控對象組成。24828B1.1.3伺服系統(tǒng)性能的基本要求1)精度高。2)穩(wěn)定性好。3)快速響應(yīng)。4)調(diào)速范圍寬。5)低速大轉(zhuǎn)矩。6)能夠頻繁地起動、制動以及正反轉(zhuǎn)切換。24828B1.1.4伺服系統(tǒng)的種類伺服系統(tǒng)按照伺服驅(qū)動機的不同可分為電氣式、液壓式和氣動式三種;按照功能的不同可分為計量伺服和功率伺服系統(tǒng),模擬伺服和功率伺服系統(tǒng),位置伺服、速度伺服和加速度伺服系統(tǒng)等。電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)電氣信號可分為直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)兩大類。交流伺服系統(tǒng)又有感應(yīng)電機伺服系統(tǒng)和永磁同步電機伺服系統(tǒng)兩種。24828B1.2伺服系統(tǒng)的發(fā)展過程伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了由液壓
3、到電氣的過程,電氣伺服系統(tǒng)的發(fā)展則與伺服電機的不同發(fā)展階段具有緊密的聯(lián)系,伺服電機至今已有50多年的發(fā)展歷史,經(jīng)歷了三個主要發(fā)展階段。24828B1.3交流伺服系統(tǒng)的構(gòu)成1.3.1交流伺服電機1.3.2功率變換器1.3.3傳感器1.3.4控制器24828B1.3交流伺服系統(tǒng)的構(gòu)成圖1-1交流伺服系統(tǒng)24828B1.3.1交流伺服電機1.同步型交流伺服電機(無刷直流伺服電機)2.感應(yīng)型交流伺服電機3.兩種交流伺服電機的比較24828B1.同步型交流伺服電機(無刷直流伺服電機)交流伺服電機中最為普及的是同步型交流伺服電機,其勵磁磁場由轉(zhuǎn)子上的永磁體產(chǎn)生,通過控制三相電樞電流,使其合成電流矢量與勵磁
4、磁場正交而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。由于只需控制電樞電流就可以控制轉(zhuǎn)矩,因此比感應(yīng)型交流伺服電機控制簡單。而且利用永磁體產(chǎn)生勵磁磁場,特別是數(shù)千瓦的小容量同步型交流伺服電機比感應(yīng)型效率更高。24828B2.感應(yīng)型交流伺服電機近年來,隨著電力電子技術(shù)、微處理器技術(shù)與磁場定向控制技術(shù)的快速發(fā)展,使感應(yīng)電機可以達到與他勵式直流電機相同的轉(zhuǎn)矩控制特性,再加上感應(yīng)電機本身價格低廉、結(jié)構(gòu)堅固及維護簡單,因此感應(yīng)電機逐漸在高精密速度及位置控制系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。24828B3.兩種交流伺服電機的比較(1) 同步型交流伺服電機(2) 感應(yīng)型交流伺服電機24828B(1) 同步型交流伺服電機1)正弦波電流控制稍復(fù)雜,轉(zhuǎn)
5、矩波動小。2)方波電流控制較為簡單,轉(zhuǎn)矩波動較大。3)采用稀土永磁體勵磁,功率密度高。4)電子換相,不需維護,散熱好,慣量小,峰值轉(zhuǎn)矩大。5)弱磁控制難,不適合恒功率運行。6)要注意高溫及大電流可能引起的永磁體去磁。24828B(2) 感應(yīng)型交流伺服電機1)采用磁場定向控制,轉(zhuǎn)矩控制原理類似直流伺服。2)需要無功的勵磁電流,損耗稍大。3)設(shè)計上要減小漏感及磁路飽和的影響。4)利用弱磁控制,適合高速及恒功率運行。5)結(jié)構(gòu)簡單、堅固,適合大功率應(yīng)用。6)控制復(fù)雜,參數(shù)易受轉(zhuǎn)子溫升影響。24828B1.3.2功率變換器交流伺服系統(tǒng)功率變換器的主要功能是根據(jù)控制電路的指令,將電源單元提供的直流電能轉(zhuǎn)變
6、為伺服電機電樞繞組中的三相交流電流,以產(chǎn)生所需要的電磁轉(zhuǎn)矩。功率變換器主要包括控制電路、驅(qū)動電路、功率變換主電路等。24828B1.3.3傳感器在伺服系統(tǒng)中,需要對伺服電機的繞組電流及轉(zhuǎn)子速度、位置進行檢測,以構(gòu)成電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán),因此需要相應(yīng)的傳感器及其信號變換電路。24828B1.3.4控制器1.電流控制器2.速度控制器3.位置控制器24828B1.4交流伺服系統(tǒng)的分類1.4.1按伺服系統(tǒng)控制信號的處理方法分類1.4.2按伺服系統(tǒng)的控制方式分類24828B1.4.1按伺服系統(tǒng)控制信號的處理方法分類1.模擬控制方式2.數(shù)字控制方式3.數(shù)字-模擬混合控制方式4.軟件伺服控制方式24828
7、B1.模擬控制方式1)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度快,調(diào)速范圍寬。2)易于與常見的輸出模擬速度指令的CNC(Computerized Numerical Control)接口。3)系統(tǒng)狀態(tài)及信號變化易于觀測。4)系統(tǒng)功能由硬件實現(xiàn),易于掌握,有利于使用者進行維護、調(diào)整。5)模擬器件的溫漂和分散性對系統(tǒng)的性能影響較大,系統(tǒng)的抗干擾能力較差。6)難以實現(xiàn)較復(fù)雜的控制算法,系統(tǒng)缺少柔性。24828B2.數(shù)字控制方式1)系統(tǒng)的集成度較高,具有較好的柔性,可實現(xiàn)軟件伺服。2)溫度變化對系統(tǒng)的性能影響小,系統(tǒng)的重復(fù)性好。3)易于應(yīng)用現(xiàn)代控制理論,實現(xiàn)較復(fù)雜的控制策略。4)易于實現(xiàn)智能化的故障診斷和保護,系統(tǒng)具有較高
8、的可靠性。5)易于與采用計算機控制的系統(tǒng)相接。24828B3.數(shù)字-模擬混合控制方式由于數(shù)字控制方式的響應(yīng)速度由微處理器的運算速度決定,在現(xiàn)有技術(shù)條件下,要實現(xiàn)包括電流調(diào)節(jié)器在內(nèi)的全數(shù)字控制,就必須采用DSP等高性能微處理器芯片,這導(dǎo)致全數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高。為滿足電流調(diào)節(jié)快速性的要求,全數(shù)字控制永磁交流伺服系統(tǒng)產(chǎn)品中,電流調(diào)節(jié)器雖已數(shù)字化,但其控制策略一般仍采用PID調(diào)節(jié)方式。同時,考慮到系統(tǒng)中模擬傳感器(如電流傳感器)的溫漂和信號噪聲的干擾及其數(shù)字化時引入的誤差的影響,全數(shù)字化控制在性價比上并沒有明顯的優(yōu)勢。24828B4.軟件伺服控制方式1)控制器硬件體積小、成本低。2)控制系
9、統(tǒng)的可靠性高。3)系統(tǒng)的穩(wěn)定性好、控制精度高。4)硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化容易。5)系統(tǒng)控制的靈活性好,智能化程度高。6)控制策略的更新、升級能力強。24828B1.4.2按伺服系統(tǒng)的控制方式分類1.開環(huán)伺服系統(tǒng)2.閉環(huán)伺服系統(tǒng)3.半閉環(huán)伺服系統(tǒng)24828B1.5交流伺服系統(tǒng)的常用性能指標(biāo)(1) 調(diào)速范圍D(2) 轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)KTr(3)穩(wěn)速精度(4)超調(diào)量(5)轉(zhuǎn)矩變化的時間響應(yīng)(6)轉(zhuǎn)速響應(yīng)時間(7)靜態(tài)剛度K(8)定位精度和穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差24828B1.6伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(1)交流化(2)全數(shù)字化(3)高性能化(4)多功能化(5)低成本化(6)小型化和集成化(7)模塊化和網(wǎng)絡(luò)化24828B第2章感
10、應(yīng)電機伺服控制系統(tǒng)2.1感應(yīng)電機伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成2.2感應(yīng)電機的數(shù)學(xué)模型與坐標(biāo)變換2.3感應(yīng)電機的矢量控制2.3.3解耦控制2.3.6弱磁控制2.4伺服控制感應(yīng)電機的等效直流電機常數(shù)2.4.2伺服控制感應(yīng)電機的等效直流電機常數(shù)2.5關(guān)于感應(yīng)電機的直接轉(zhuǎn)矩控制24828B2.1感應(yīng)電機伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成(1)感應(yīng)電機的電動運行(2)感應(yīng)電機的發(fā)電制動24828B2.1感應(yīng)電機伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成圖2-1感應(yīng)電機伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成24828B2.1感應(yīng)電機伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成圖2-2感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)子與籠型繞組a)轉(zhuǎn)子b)籠型繞組24828B2.2感應(yīng)電機的數(shù)學(xué)模型與坐標(biāo)變換2.2.1矢量控制的基本思路
11、2.2.2在三相靜止坐標(biāo)系下感應(yīng)電機的數(shù)學(xué)模型2.2.3坐標(biāo)變換24828B2.2.1矢量控制的基本思路由電機學(xué)中感應(yīng)電機的運行原理可知,只要能實現(xiàn)對感應(yīng)電機定子各相電流(iA、iB、iC)的瞬時控制,就能夠?qū)崿F(xiàn)對感應(yīng)電機轉(zhuǎn)矩的瞬時控制24828B2.2.2在三相靜止坐標(biāo)系下感應(yīng)電機的數(shù)學(xué)模型1)忽略空間諧波,設(shè)三相繞組對稱,在空間互差120電角度,所產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙周圍按正弦規(guī)律分布。2)忽略磁路飽和,各繞組的自感和互感都是恒定的。3)忽略鐵心損耗。4)不考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻的影響。1.磁鏈方程2.電壓方程3.電磁轉(zhuǎn)矩方程4.運動方程24828B圖2-3三相靜止坐標(biāo)系下的三相籠
12、型感應(yīng)電機的物理模型24828B1.磁鏈方程(1)互感為常數(shù)(2)互感是角度re的函數(shù)24828B2.電壓方程將三相定、轉(zhuǎn)子繞組的電壓平衡方程寫成矩陣方程形式,并以微分算子P代替微分運算符號d/dt旋轉(zhuǎn)電動勢矩陣,由轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生,與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比。24828B3.電磁轉(zhuǎn)矩方程24828B4.運動方程作用在電動機軸上的轉(zhuǎn)矩與電動機速度變化之間的關(guān)系可以用運動方程來表達,轉(zhuǎn)子與負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量之和。24828B2.2.3坐標(biāo)變換1.靜止三相/兩相坐標(biāo)變換2.靜止/旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)變換24828B1.靜止三相/兩相坐標(biāo)變換圖2-4靜止三相兩相坐標(biāo)系與繞組磁動勢的空間矢量24828B1.靜止三相/兩相坐標(biāo)變
13、換圖2-5兩相靜止和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與磁動勢空間矢量圖24828B2.靜止/旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)變換圖2-6M-T坐標(biāo)系下感應(yīng)電機的框圖24828B2.3感應(yīng)電機的矢量控制2.3.1轉(zhuǎn)子磁場定向M-T坐標(biāo)系中的基本方程2.3.2轉(zhuǎn)差頻率控制24828B2.3.1轉(zhuǎn)子磁場定向M-T坐標(biāo)系中的基本方程式(2-27)為感應(yīng)電機兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型的電壓方程式,式右邊的4行4列系數(shù)矩陣每一項都是占滿了的,也就是說,系統(tǒng)仍是強耦合的。24828B2.3.2轉(zhuǎn)差頻率控制圖2-7電源頻率的計算框圖24828B2.3.2轉(zhuǎn)差頻率控制圖2-8電源頻率的簡化計算方法24828B2.3.2轉(zhuǎn)差頻率控制圖2-9勵磁電流恒定時
14、的電源頻率計算方法24828B2.3.3解耦控制2.3.4磁通與電流控制2.3.5坐標(biāo)變換的實現(xiàn)24828B2.3.3解耦控制圖2-10轉(zhuǎn)子磁場定向控制感應(yīng)電動機的系統(tǒng)框圖24828B2.3.3解耦控制圖2-11解耦控制的感應(yīng)電動機的系統(tǒng)框圖24828B2.3.4磁通與電流控制圖2-12含有磁通、電流控制器的感應(yīng)電機伺服系統(tǒng)的控制框圖24828B2.3.5坐標(biāo)變換的實現(xiàn)圖2-13從、到、的實現(xiàn)框圖24828B2.3.5坐標(biāo)變換的實現(xiàn)圖2-14從、到、的實現(xiàn)框圖24828B2.3.6弱磁控制圖2-15轉(zhuǎn)子磁鏈的控制框圖24828B2.3.7M-T坐標(biāo)系下感應(yīng)電機矢量控制伺服系統(tǒng)的構(gòu)成1)位置環(huán)、
15、速度環(huán)、電流環(huán)控制單元、磁鏈控制單元、解耦控制單元。2)電機轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速檢測及信號處理計算單元。3)坐標(biāo)變換單元。4)三相逆變單元。24828B圖2-16M-T坐標(biāo)系下感應(yīng)電機矢量控制伺服系統(tǒng)24828B2.4.1伺服控制感應(yīng)電機的等效電路圖2-17感應(yīng)電機的等效電路24828B2.4.1伺服控制感應(yīng)電機的等效電路圖2-18轉(zhuǎn)矩分量等效電路24828B2.4.1伺服控制感應(yīng)電機的等效電路圖2-19勵磁分量等效電路24828B2.4.3伺服控制感應(yīng)電機的特性框圖與時間常數(shù)圖2-20伺服控制感應(yīng)電機的特性框圖24828B2.5關(guān)于感應(yīng)電機的直接轉(zhuǎn)矩控制1)直接轉(zhuǎn)矩控制以定子磁鏈作為被控制的磁鏈,控制過程中只涉及電機定子側(cè)的參數(shù),即定子電壓、電流、磁鏈、阻抗等,所以控制效果不受轉(zhuǎn)子回路參數(shù)變化的影響。2)直接轉(zhuǎn)矩控制的控制運算均在定子靜止坐標(biāo)系中進行,不需要在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中對定子電流進行分解和設(shè)定,所以不需要進行靜止坐標(biāo)系與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的變換運算,從而明顯簡化了信號的處理過程,提高了控制運算的速度。24828B2.5關(guān)于感應(yīng)電機的直接轉(zhuǎn)矩控制3)直接轉(zhuǎn)矩控制采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)直接控制電動機的電磁轉(zhuǎn)矩,不像矢量變換控
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