機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)第五章PPT課件

1、1標(biāo)題添加點(diǎn)擊此處輸入相關(guān)文本內(nèi)容點(diǎn)擊此處輸入相關(guān)文本內(nèi)容總體概述點(diǎn)擊此處輸入相關(guān)文本內(nèi)容標(biāo)題添加點(diǎn)擊此處輸入相關(guān)文本內(nèi)容3第四章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4圖4.1 伺服系統(tǒng)的組成 5伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件 1. 電氣執(zhí)行元件 電氣執(zhí)行元件包括直流(DC)伺服電機(jī)、交流（AC）伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)以及電磁鐵等，是最常用的執(zhí)行元件。對(duì)伺服電機(jī)除了要求運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)以外，一般還要求動(dòng)態(tài)性能好，適合于頻繁使用，便于維修等2液壓式執(zhí)行元件 液壓式執(zhí)行元件主要包括往復(fù)運(yùn)動(dòng)油缸、回轉(zhuǎn)油缸、液壓馬達(dá)等，其中油缸最為常見(jiàn)。在同等輸出功率的情況下，液壓元件具有重量輕、快速性好等特點(diǎn)3氣壓式執(zhí)行元件 氣壓式執(zhí)行元件除了用壓縮空氣作工

2、作介質(zhì)外，與液壓式執(zhí)行元件沒(méi)有區(qū)別。氣壓驅(qū)動(dòng)雖可得到較大的驅(qū)動(dòng)力、行程和速度，但由于空氣粘性差，具有可壓縮性，故不能在定位精度要求較高的場(chǎng)合使用。678910第二節(jié) 伺服控制系統(tǒng)中常用電力電子器件 11121314151617181920212223242526 步進(jìn)電機(jī)是一種把開(kāi)關(guān)激勵(lì)的變化變換成精確的轉(zhuǎn)子位置增量運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步距角）。 步進(jìn)電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩大、慣性小、響應(yīng)頻率高等優(yōu)點(diǎn),因此具有瞬間起動(dòng)與急速停止的優(yōu)越特性。 2728工作原理293031kmz36032333435363

3、738394041aaaKRIEUncEeaaTIcT42432TeaeKccTRcUn442TeaeKccTRcUn45464748KTnn0eKcUn 0K)(2TeaccR4950eKcUnn00ndTaKTdRUcTTKTnn02TeaeKccTRcUn51TnKTnTKKKKU5253sKTeaseKTKUKccRTcUn2125455562TeiaccRRK575859圖4.32 伺服電動(dòng)機(jī)接線圖 圖4.33 合成磁通矢量末端隨時(shí)間變化的軌跡圖 6061VmUmVUUUK在其幅值方向的分量在其幅值方向的分量626364tUmUsintVmVcos2222)cos()sin(ttVm

4、UmVUVmUm656667 Tfn 68697071表4.4 勵(lì)磁（通電）方式控制表控制電平勵(lì) 磁 方 式A0A1YB013YB014YB015YB01600ABCAABCDAABCDEAABCDEFA01ABBCCAABABBCCDDAABABCBCDCDEABCBCDCDEDEF10AABBBCCAABBBCCCDABABCBCBCDABABCBCBCD11AABBBCCABABCBCBCDABABCBCBCDABCABCDBCDBCDE72圖4.37四相八拍脈沖分配控制原理圖73圖4.384.38單片機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)接口電路 747576vfToscx5216777879AuAu8081

5、dtuuKusrisrpsc1i10CRipK01RRKp82（2）晶閘管觸發(fā)器 晶閘管觸發(fā)器AT和晶閘管UR作為驅(qū)動(dòng)直流伺服電動(dòng)機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)裝置；晶閘管導(dǎo)通需要有一個(gè)觸發(fā)電路來(lái)提供觸發(fā)脈沖；晶閘管觸發(fā)器AT的輸出脈沖控制晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷。晶閘管觸發(fā)器組成如圖所示。 1）觸發(fā)電路電路的組成 脈沖形成電路：產(chǎn)生一定功率（一定的幅值與脈寬）的脈沖。常用電路為單結(jié)晶晶體管自激振蕩電路、單穩(wěn)觸發(fā)電路等。 移相控制電路：調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖發(fā)生的時(shí)刻（即調(diào)節(jié)控制角的大?。Ｓ娩忼X波（或正弦波）與給定信號(hào)電壓進(jìn)行比較來(lái)進(jìn)行移相控制。 同步電路：使觸發(fā)脈沖每次產(chǎn)生的時(shí)刻都能準(zhǔn)確地對(duì)應(yīng)著主電路電壓波形上的時(shí)刻。方

6、法：把主電路的電壓信號(hào)直接引入（或通過(guò)同步變壓器從主電路引入，或經(jīng)過(guò)阻容移相電路從主電路引入）來(lái)作為觸發(fā)同步信號(hào)。 脈沖功率放大電路：若觸發(fā)驅(qū)動(dòng)的晶閘管的容量較大則要求觸發(fā)脈沖有較大的輸出功率。若形成的脈沖的功率不夠大時(shí)，這時(shí)還要增加脈沖功率放大環(huán)節(jié)。通常采用復(fù)合管組成的射極輸出器或采用強(qiáng)功率觸發(fā)脈沖電源。 2）觸發(fā)電路的工作原理 單結(jié)晶體管自激振蕩電路 組成：由兩個(gè)基極（b1和b2）和一個(gè)陰極構(gòu)成的一種特殊類(lèi)型的晶體管，如圖所示。 特點(diǎn)： 當(dāng)在兩個(gè)基極（b1和b2）加上一個(gè)電壓Ubb后，第一基極上的電壓UAUbb，式中，0.30.9，為分壓比。 當(dāng)Ueb1UA時(shí)，管內(nèi)的PN結(jié)處于反偏而截止，

7、e、b1極間無(wú)電流；當(dāng)Ueb1UA時(shí)，管內(nèi)的PN結(jié)處于正偏導(dǎo)通，e、b1極間有電流流過(guò)（使管子由截止變?yōu)閷?dǎo)通的Ueb1的數(shù)值相對(duì)較高，稱為峰點(diǎn)電壓UP）。當(dāng)e、b1極間有電流通過(guò)后，e、b1間的電阻將大幅度降低（從幾千歐降至幾十歐），e、b1極間的電流將迅速增大而使管子進(jìn)入飽和狀態(tài)。當(dāng)管子導(dǎo)通以后，只有降到一個(gè)較低的數(shù)值（稱為谷點(diǎn)電壓UV），管子才能重新由導(dǎo)通變?yōu)榻刂埂?32.2.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性PI調(diào)節(jié)器特點(diǎn)：調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非輸入為反極性信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和。即飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出之間的聯(lián)系，相當(dāng)于系統(tǒng)開(kāi)環(huán)。 調(diào)節(jié)器不飽和

8、的條件下，PIPI的作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)為零，實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差。系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖4.514.51所示。 圖4.51 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 84.0*nUUUUnnnn*nUn*nUn*nU85.0*LiiiiIUUUU*iLUI*iU*iU86.LILmILI0nLILmI87 （1 1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和情況 在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和。穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電壓都是零。因此有如下兩個(gè)關(guān)系式 *nUn LiiIUU*調(diào)速系統(tǒng)靜特性 88由于ASRASR不飽和，則（限幅值），由上式知：。一般設(shè)計(jì)成.（額定值）。在兩個(gè)調(diào)節(jié)器均不飽和時(shí)運(yùn)行于靜特性- -段，調(diào)速特性如圖4.524

9、.52所示。*iU*imULILmILmINI0nA調(diào)速系統(tǒng)靜特性 89 當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASRASR飽和時(shí)，ASRASR輸出達(dá)到限幅值 ，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開(kāi)環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響( (即無(wú)速度調(diào)節(jié)作用) )，雙閉環(huán)系統(tǒng)已經(jīng)變成只有電流內(nèi)環(huán)無(wú)靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)，有 式中， 為設(shè)計(jì)最大電流。它決定于電動(dòng)機(jī)的允許過(guò)載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)所要求的最大加速度。*imU調(diào)速系統(tǒng)靜特性 LmILmimLIUI*90 1 1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù) 式中， 為PIPI調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。ssKsWsWpin111)()(111CR2 2）晶閘管的傳遞函數(shù)為 sTKsUsUsctd1)()(2

10、3 3）由直流伺服電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型經(jīng)簡(jiǎn)化可得其傳遞函數(shù)為 sTRsIsIsEmLa)()()( 4 4）感應(yīng)電勢(shì) 與轉(zhuǎn)速 之間的傳遞函數(shù)為 )(sEneCsEsn1)()(91 1) 1) 在起動(dòng)過(guò)程中，隨著ASRASR從飽和到不飽和，使系統(tǒng)工作于完全不同的狀態(tài)：即當(dāng)ASRASR飽和時(shí)轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)，構(gòu)成由ACRACR實(shí)現(xiàn)恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當(dāng)ASRASR不飽和時(shí)轉(zhuǎn)速外環(huán)為無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)為電流跟蹤系統(tǒng)，呈現(xiàn)所謂飽和非線性控制的特征。 2) 2) 起動(dòng)過(guò)程的主要階段是恒流升速段。其特征是電流 恒定，并設(shè)計(jì)為最大允許值，以便充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，以最大電流加速起動(dòng)，實(shí)現(xiàn)起動(dòng)時(shí)間最短。即所

11、謂時(shí)間最優(yōu)控制。 3) 3) 采用PIPI調(diào)節(jié)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)必然有超調(diào)。因?yàn)樵谄饎?dòng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段( (段) )，必須使ASRASR退出飽和，按PIPI的特性只有轉(zhuǎn)速超調(diào)，才能使 為負(fù)值，只有 為負(fù)值，才能使ASRASR退出飽和。（2 2）雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程 雙閉環(huán)控制可以獲得接近于的理想的起動(dòng)過(guò)程。當(dāng)突加給定電壓時(shí)，系統(tǒng)由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng), ,其轉(zhuǎn)速和電流的過(guò)渡過(guò)程曲線如圖4.544.54所示。 圖4.54 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形 為電流上升段(0(0t t1 1):):ASRASR由不飽和很快達(dá)到飽和，而ACRACR不飽和，確保電流內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)作用； 為恒流升速

12、段( (t t1 1t t2 2):): ASRASR處于飽和，轉(zhuǎn)速外環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)。 為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)段( (t t2 2點(diǎn)以后) )：轉(zhuǎn)速超調(diào)，即 ，結(jié)果造成 為負(fù)，使ASRASR退出飽和狀態(tài)。 n*nnUnUnUaI92二、直流脈寬調(diào)制型（PWMPWM）調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：（1 1）主電路簡(jiǎn)單，需用功率元件少；（2 2）開(kāi)關(guān)頻率高，電流易于連續(xù)，諧波成分少，使電機(jī)損失??；（3 3）低速性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，調(diào)速范圍寬；（4 4）系統(tǒng)頻帶寬，快速響應(yīng)好，動(dòng)態(tài)抗擾性能強(qiáng)；（5 5）主電路元件工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，損耗小，效率高。 基本原理是：利用大功率器件的開(kāi)關(guān)作用，將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓，通過(guò)對(duì)方波

13、脈沖寬度的控制，改變輸出電壓的平均值。PWMPWM晶體管功率放大器由兩部分組成，一部分是電壓- -脈寬變換器，另一部分是開(kāi)關(guān)功率放大器，其結(jié)構(gòu)如圖4.564.56所示。 1.PWM1.PWM晶閘管功率放大器 圖4.56 PWM晶體管功率放大器結(jié)構(gòu)框圖 9394 1 1）三角波電壓- -脈寬變換器原理：三角波發(fā)生器用于產(chǎn)生一定頻率的三角波 ，該三角波經(jīng)加法器與輸入的指令信號(hào) 相加，產(chǎn)生信號(hào) ，然后送入比較器。比較器是一個(gè)工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下的運(yùn)算放大器，具有極高的開(kāi)環(huán)增益及限幅開(kāi)關(guān)特性。兩個(gè)輸入端的信號(hào)差的微弱變化，會(huì)使比較器輸出對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)信號(hào)。當(dāng) 0 0時(shí)，比較器輸出滿幅度的正電平；當(dāng) 0 0時(shí)，

14、比較器輸出滿幅度的負(fù)電平。 TUIUTIUU TIUU TIUU 95圖4.57 PWM脈寬調(diào)制波形 當(dāng) 0 0時(shí)，輸出信號(hào) 為正負(fù)寬度相等的矩形脈沖。 當(dāng) 0 0時(shí)， 的正脈寬大于負(fù)脈寬。 當(dāng) 0 0時(shí)， 的負(fù)脈寬大于正脈寬。 當(dāng) ( (是三角波的峰- -峰值) )時(shí)， 為一正直流信號(hào)；當(dāng) 時(shí)， 為一負(fù)直流信號(hào)。IU2/UTPPSUIU2/UTPPSUIUSUIUSUIUSU96 1 1）鋸齒波電壓- -脈寬變換器原理（UPWUPW） 三個(gè)輸入信號(hào)： 為由鋸齒波發(fā)生器提供的鋸齒波信號(hào)，頻率一般為1 14kHz4kHz，由主電路開(kāi)關(guān)頻率決定；另一個(gè)輸入信號(hào)是控制電壓 ，其極性和大小隨系統(tǒng)控制要

15、求隨時(shí)可變；第三個(gè)為負(fù)偏移電壓，其值調(diào)整為 saUctUmax21sbUU 要求當(dāng) 0 0，電機(jī)電摳電壓 0 0。應(yīng)調(diào)整負(fù)偏壓 ，使 的正、負(fù)向脈寬相等。當(dāng) 0 0時(shí)， 與 和 相疊加，使合成電壓正向?qū)挾仍龃螅?jīng)運(yùn)算放大器倒相后， 正半波變窄。當(dāng) 0 0時(shí)，情況相反， 的正半波增寬。 的極性改變，也改變了PWMPWM變換器輸出電壓平均值的極性，因而改變了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。ctUctUaUbUPWUctUctUbUsaUPWUctUPWU97 開(kāi)關(guān)功率放大器的作用是對(duì)電壓- -脈寬變換器輸出的信號(hào) 進(jìn)行放大，輸出具有足夠功率的信號(hào) ，以驅(qū)動(dòng)直流伺服電動(dòng)機(jī)。 開(kāi)關(guān)功率放大器常采用大功率晶體管構(gòu)成。根據(jù)

16、各晶體管基極所加的控制電壓波形，可分為單極性輸出、雙極性輸出和有限單極性輸出三種方式。 SUPU 四種工作狀態(tài)： 1 1）當(dāng) 0 0時(shí)， 的正、負(fù)脈寬相等，直流分量為零，VTlVTl和VT4VT4的導(dǎo)通時(shí)間與VT2VT2和VT3VT3的導(dǎo)通時(shí)間相等，流過(guò)電樞繞組中的平均電流等于零，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)。但在交流分量作用下，電動(dòng)機(jī)在停止位置處微振，這種微振有動(dòng)力潤(rùn)滑作用，可消除電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的靜摩擦，減小啟動(dòng)電壓。 IUSU 四種工作狀態(tài)： 2 2）當(dāng) 0 0時(shí)， 的正脈寬大于負(fù)脈寬，直流分量大于零，VTlVTl和VT4VT4的導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)于VT2VT2和VT3VT3的導(dǎo)通時(shí)間，流過(guò)繞組中的電流平均值大于零，

17、電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，且隨著 增加，轉(zhuǎn)速增加。 SUIUIUIU 四種工作狀態(tài)： 3 3）當(dāng) 0 0時(shí)， 的直流分量小于零，電樞繞組中的電流平均值也小于零，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，且反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速隨著 減小而增加。 SUIU 四種工作狀態(tài)： 4 4）當(dāng) 或 時(shí)， 為正或負(fù)的直流信號(hào)，VT1VT1和VT4VT4或VT2VT2和VT3VT3始終導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)在最高轉(zhuǎn)速下正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。 2/UTPPSU2/UTPPIUIU98圖4.59 4.59 雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 99 鋸齒波電壓- -脈寬變換器原理（UPWUPW） 三個(gè)輸入信號(hào)： 為由鋸齒波發(fā)生器提供的鋸齒波信號(hào)，頻率一般為1 14kHz4kHz，由主電路開(kāi)關(guān)頻率決定

18、；另一個(gè)輸入信號(hào)是控制電壓 ，其極性和大小隨系統(tǒng)控制要求隨時(shí)可變；第三個(gè)為負(fù)偏移電壓，其值調(diào)整為 saUctUmax21sbUU圖4.60 鋸齒波脈寬調(diào)制器 100 可逆PWMPWM變換器正常工作時(shí)，是上、下兩電力晶體管交替導(dǎo)通和關(guān)斷，如果發(fā)生兩個(gè)晶體管同時(shí)導(dǎo)通，則產(chǎn)生極為嚴(yán)重的電源短路情況，導(dǎo)致晶體管損壞，為了確保不產(chǎn)生同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象，在控制電路與驅(qū)動(dòng)電路之間設(shè)立了邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)。 對(duì)邏輯延遲電路的要求是：讓原導(dǎo)通的晶體管先關(guān)斷，然后讓原關(guān)斷的晶體管導(dǎo)通。因此它們的基極控制信號(hào)（如Ub1Ub1和Ub2Ub2）不能在同一時(shí)刻由“1”1”到“0”0”或“0”0”到“1”1”，而是應(yīng)先是“1”1”到“0”0”，經(jīng)過(guò)一個(gè)很小的時(shí)間后，使另一個(gè)由“0”0”到“1”1”，如圖6-516-51所示，一般DLDDLD由R R、C C延遲電路組成，見(jiàn)圖6-526-52所示。 101102 1. 1.異步電機(jī)的變頻調(diào)速原理 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速方程為 式中， 為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速； 為定子轉(zhuǎn)速磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速； 為定子供電頻率； 為轉(zhuǎn)差率。 由上式可見(jiàn)，改變異步電動(dòng)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。 )1 ()1 (6011snspfnn1n1fs1f1n103 2.異步電機(jī)的變頻特性 異步電動(dòng)機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)有效值E1為： 式中， 為每極氣隙磁通； 為定子相繞組有效匝數(shù)。