精密機械直流伺服電機控制技術(shù)

1、1.1.機械控制系統(tǒng)的作用、內(nèi)容及特點機械控制系統(tǒng)的作用、內(nèi)容及特點 用于控制的機構(gòu)及系統(tǒng)，機構(gòu)運行并實用于控制的機構(gòu)及系統(tǒng)，機構(gòu)運行并實現(xiàn)功能的必須環(huán)節(jié)，主要包括：現(xiàn)功能的必須環(huán)節(jié)，主要包括： 機械分配系統(tǒng)機械分配系統(tǒng) 機械輔助系統(tǒng)機械輔助系統(tǒng)2.2.電氣控制系統(tǒng)的作用、內(nèi)容及特點電氣控制系統(tǒng)的作用、內(nèi)容及特點 計算機為核心的控制器為基本單元實現(xiàn)計算機為核心的控制器為基本單元實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)控制。復(fù)雜系統(tǒng)控制。 常用電氣控制常用電氣控制（繼電器、溫度）（繼電器、溫度） 控制信號：輸入量控制信號：輸入量（開關(guān)量、模擬量）（開關(guān)量、模擬量）上次課程主要內(nèi)容上次課程主要內(nèi)容21/0121/019.4

2、9.4 控制用電機及其控制控制用電機及其控制控制用電機：控制用電機：電氣控制系統(tǒng)的動力源電氣控制系統(tǒng)的動力源 控制電機任然是將電能轉(zhuǎn)換為機械能，但能控制電機任然是將電能轉(zhuǎn)換為機械能，但能在很寬的速度、負(fù)載、時間、位移范圍內(nèi)，實施在很寬的速度、負(fù)載、時間、位移范圍內(nèi)，實施連續(xù)、精確的控制。連續(xù)、精確的控制。常用的控制電機：常用的控制電機： 伺服電機（直流、交流）伺服電機（直流、交流）步進(jìn)電機步進(jìn)電機 根據(jù)目標(biāo)動作不同、驅(qū)動精度不同，控制用根據(jù)目標(biāo)動作不同、驅(qū)動精度不同，控制用電機的選用類型及控制方式也不同。電機的選用類型及控制方式也不同。拓展應(yīng)用：拓展應(yīng)用：取代普通動力電機取代普通動力電機21/

3、0221/021.1.控制用電機的特性控制用電機的特性（1 1）性能密度大（兩項評價指標(biāo)）性能密度大（兩項評價指標(biāo)）功率密度：功率密度：單位質(zhì)量的輸出功率單位質(zhì)量的輸出功率比功率：比功率：單位時間的輸出功率單位時間的輸出功率21/0321/03電機質(zhì)量輸出功率；GPkgwGPPG/轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量額定轉(zhuǎn)速；mNmNJTswJTdtdP/2（2 2）快速響應(yīng)性能好）快速響應(yīng)性能好 加速轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小。加速轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小。 該特性可使控制電機獲得較大的轉(zhuǎn)速變化加該特性可使控制電機獲得較大的轉(zhuǎn)速變化加速度，即頻率響應(yīng)特性好。速度，即頻率響應(yīng)特性好。（3 3）位置控制精確、穩(wěn)定）位置控制精

4、確、穩(wěn)定 控制電機的結(jié)構(gòu)確定了這一基本特性，用于控制電機的結(jié)構(gòu)確定了這一基本特性，用于定位精度高、速度可調(diào)范圍寬、低速平穩(wěn)場合。定位精度高、速度可調(diào)范圍寬、低速平穩(wěn)場合。評價項目：評價項目：爬行、分辨率、振動、噪聲爬行、分辨率、振動、噪聲（4 4）其他特性）其他特性 啟停、正反轉(zhuǎn)、可靠性、壽命啟停、正反轉(zhuǎn)、可靠性、壽命21/0421/042. 2. 控制用電機的種類、特點及應(yīng)用控制用電機的種類、特點及應(yīng)用 控制用旋轉(zhuǎn)電機按其工作原理可分為旋控制用旋轉(zhuǎn)電機按其工作原理可分為旋轉(zhuǎn)磁場型轉(zhuǎn)磁場型和和旋轉(zhuǎn)電樞型旋轉(zhuǎn)電樞型兩類。兩類。旋轉(zhuǎn)磁場型旋轉(zhuǎn)磁場型：直流伺服電機、步進(jìn)電機直流伺服電機、步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)

5、電樞型旋轉(zhuǎn)電樞型：直流永磁電機、直流永磁電機、交流伺服電機交流伺服電機21/0521/05直流伺服電機直流伺服電機步進(jìn)電機步進(jìn)電機與驅(qū)動器與驅(qū)動器交流伺服電機及驅(qū)動交流伺服電機及驅(qū)動相關(guān)知識相關(guān)知識 直驅(qū)技術(shù)直驅(qū)技術(shù) 電機直接與從動荷載連接，獲得穩(wěn)定的電機直接與從動荷載連接，獲得穩(wěn)定的運動和動力傳遞效果。運動和動力傳遞效果。優(yōu)勢：優(yōu)勢：取消傳統(tǒng)的機械傳動系統(tǒng)取消傳統(tǒng)的機械傳動系統(tǒng) 精度高、剛性好、平穩(wěn)、節(jié)能、無潤滑精度高、剛性好、平穩(wěn)、節(jié)能、無潤滑注意的問題：注意的問題：如何保持穩(wěn)定的扭矩如何保持穩(wěn)定的扭矩21/0621/06直流伺服電機：直流伺服電機：有刷與無刷；有齒與無齒有刷與無刷；有齒與

6、無齒一體化輪轂電機：一體化輪轂電機：電機、輻條、輪圈固化電機、輻條、輪圈固化常用控制電機對比：常用控制電機對比：p299p299表表9-19-1（1 1）直流伺服電機）直流伺服電機( (永磁永磁) ) 有槽鐵芯電樞型有槽鐵芯電樞型 無槽無槽( (平滑型平滑型) )鐵芯電樞型鐵芯電樞型 電樞型電樞型( (無槽鐵芯型與無鐵芯型無槽鐵芯型與無鐵芯型) )。（2 2）交流伺服電機）交流伺服電機 同步型同步型(SM) (SM) 感應(yīng)型感應(yīng)型(IM)(IM)（3 3）步進(jìn)電機步進(jìn)電機( (永磁永磁) ) 變磁阻型變磁阻型(VR) (VR) 永磁型永磁型(PM)(PM) 混合型混合型(HB)(HB)21/0

7、721/07高響應(yīng)高響應(yīng)高功率密度高功率密度高精度高精度大功率大功率相對相對低端低端3.3.直流直流(DC)(DC)伺服電機與驅(qū)動伺服電機與驅(qū)動 直流伺服電動機直流伺服電動機結(jié)構(gòu)簡單，可制成較小的體結(jié)構(gòu)簡單，可制成較小的體積，積，廣泛應(yīng)用于自控系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用于自控系統(tǒng)中的的執(zhí)行元件，也可用執(zhí)行元件，也可用作驅(qū)動元件。作驅(qū)動元件。 直流伺服電機規(guī)格、系列繁多，直流伺服電機規(guī)格、系列繁多，具有體積小、具有體積小、重量輕、重量輕、功功能指標(biāo)高等特點能指標(biāo)高等特點。目前產(chǎn)品。目前產(chǎn)品系列化系列化完完整齊全整齊全，零部件，零部件標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)化程度化程度高高。激磁方式激磁方式：他激、串激、復(fù)激他激、串激、復(fù)激

8、21/0821/08伺服電機伺服電機電機的轉(zhuǎn)速電機的轉(zhuǎn)速n n 隨控制量變化而變化。隨控制量變化而變化。例如：例如：直流伺服電機利用電壓控制轉(zhuǎn)速直流伺服電機利用電壓控制轉(zhuǎn)速有關(guān)選用性能的兩個關(guān)注點：有關(guān)選用性能的兩個關(guān)注點： 線性調(diào)節(jié)能力線性調(diào)節(jié)能力運動、變速的平穩(wěn)運動、變速的平穩(wěn) 響應(yīng)快速性響應(yīng)快速性加、減速響應(yīng)加、減速響應(yīng)精確定位：精確定位：伺服電機接收到伺服電機接收到1 1個脈沖，轉(zhuǎn)子就會旋個脈沖，轉(zhuǎn)子就會旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)1 1個脈沖對應(yīng)的角度，實現(xiàn)相應(yīng)位移；個脈沖對應(yīng)的角度，實現(xiàn)相應(yīng)位移；閉環(huán)控制：閉環(huán)控制：當(dāng)伺服電機轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一個確定角度，當(dāng)伺服電機轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一個確定角度，也對外輸出也對外輸出

9、1 1個脈沖，其數(shù)量與接收脈沖相同。系個脈沖，其數(shù)量與接收脈沖相同。系統(tǒng)對照輸入輸、出脈沖量判斷運行正常與否。統(tǒng)對照輸入輸、出脈沖量判斷運行正常與否。閉環(huán)效應(yīng)：閉環(huán)效應(yīng)：實時判斷伺服電機執(zhí)行情況，能足夠精實時判斷伺服電機執(zhí)行情況，能足夠精確的控制電機的轉(zhuǎn)動。確的控制電機的轉(zhuǎn)動。配合精密傳動機構(gòu)：配合精密傳動機構(gòu)：達(dá)到低于達(dá)到低于0.001mm0.001mm位移量位移量（1 1）驅(qū)動原理）驅(qū)動原理 工作原理與一般直流電機完全相同。工作原理與一般直流電機完全相同。1 1）定子：）定子：定子磁場由定子磁極（永磁）產(chǎn)生定子磁場由定子磁極（永磁）產(chǎn)生2 2）轉(zhuǎn)子：）轉(zhuǎn)子：即電樞，由硅鋼片疊壓成，表面嵌即

10、電樞，由硅鋼片疊壓成，表面嵌有線圈。通直流電時在定子磁場作用下產(chǎn)生帶有線圈。通直流電時在定子磁場作用下產(chǎn)生帶動負(fù)載旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩。動負(fù)載旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩。3 3）電刷和換向片：）電刷和換向片： 電磁轉(zhuǎn)矩保持恒電磁轉(zhuǎn)矩保持恒定方向，轉(zhuǎn)子沿固定定方向，轉(zhuǎn)子沿固定方向均勻的連續(xù)旋轉(zhuǎn)。方向均勻的連續(xù)旋轉(zhuǎn)。21/0921/09 無刷直流電機具有定子繞無刷直流電機具有定子繞線和永久磁性轉(zhuǎn)子，不用電刷線和永久磁性轉(zhuǎn)子，不用電刷和換向器。和換向器。 定子定子繞線連接到電子控制繞線連接到電子控制系統(tǒng)，按旋轉(zhuǎn)電場的移動模式系統(tǒng)，按旋轉(zhuǎn)電場的移動模式產(chǎn)生移動電場；動電場與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生移動電場；動電場與轉(zhuǎn)子永磁體作用形成正

11、反轉(zhuǎn)扭矩。永磁體作用形成正反轉(zhuǎn)扭矩。 有刷伺服電機具有成本低，結(jié)構(gòu)簡單，啟動轉(zhuǎn)有刷伺服電機具有成本低，結(jié)構(gòu)簡單，啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易等優(yōu)勢；矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易等優(yōu)勢；缺陷：缺陷：運行過程需要維護，且維護極不方便（換碳運行過程需要維護，且維護極不方便（換碳刷）；產(chǎn)生較大的電磁干擾和易受周邊電磁干擾。刷）；產(chǎn)生較大的電磁干擾和易受周邊電磁干擾。應(yīng)用：應(yīng)用：對環(huán)境無特殊要求的普通對環(huán)境無特殊要求的普通工業(yè)和民用場合工業(yè)和民用場合（2 2）直流伺服電機直流伺服電機的一般應(yīng)用的一般應(yīng)用1 1）機械特性及其應(yīng)用）機械特性及其應(yīng)用 輸入電樞電壓輸入電樞電壓U Ua a保持不變時，電機轉(zhuǎn)速

12、隨保持不變時，電機轉(zhuǎn)速隨電磁轉(zhuǎn)矩（負(fù)荷）變化而變化的規(guī)律。電磁轉(zhuǎn)矩（負(fù)荷）變化而變化的規(guī)律。21/1021/10電電樞樞電電壓壓U Ua a 不同等級伺服電機不同等級伺服電機在其特定范圍內(nèi)，電樞在其特定范圍內(nèi)，電樞電壓、輸出轉(zhuǎn)速、輸出電壓、輸出轉(zhuǎn)速、輸出扭矩三項對外特性可保扭矩三項對外特性可保持良好的線性關(guān)系。持良好的線性關(guān)系。2 2）調(diào)節(jié)特性及其應(yīng)用）調(diào)節(jié)特性及其應(yīng)用 利用上述機械特性，在負(fù)載扭矩穩(wěn)定的條件利用上述機械特性，在負(fù)載扭矩穩(wěn)定的條件下，可通過電樞控制電壓下，可通過電樞控制電壓U Ua a數(shù)量值的變化，來實數(shù)量值的變化，來實現(xiàn)控制電機穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速?，F(xiàn)控制電機穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速控制效果比較：

13、轉(zhuǎn)速控制效果比較：交流變頻調(diào)速：交流變頻調(diào)速：定子繞組旋轉(zhuǎn)磁場定子繞組旋轉(zhuǎn)磁場 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速有滑差，在反復(fù)變速情轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速有滑差，在反復(fù)變速情況下異步轉(zhuǎn)速無法準(zhǔn)確計算。況下異步轉(zhuǎn)速無法準(zhǔn)確計算。直流調(diào)速：直流調(diào)速：21/1121/11edddCRIUnC Ce e電勢系數(shù)電勢系數(shù)勵磁磁通勵磁磁通Nfn603 3）動態(tài)特性及其應(yīng)用）動態(tài)特性及其應(yīng)用 伺服電機運行，從原來的穩(wěn)定狀態(tài)到新的穩(wěn)伺服電機運行，從原來的穩(wěn)定狀態(tài)到新的穩(wěn)定狀態(tài)過渡過程呈現(xiàn)的變化規(guī)律。定狀態(tài)過渡過程呈現(xiàn)的變化規(guī)律。兩項評價指標(biāo)：兩項評價指標(biāo)：進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時間、振蕩幅度進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時間、振蕩幅度優(yōu)勢：優(yōu)勢：機電時間常數(shù)小、

14、線性度高、始動電壓低機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓低 伺服電機轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，能隨信號變伺服電機轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，能隨信號變化快速反應(yīng)，將電信號迅速轉(zhuǎn)換成電動機軸上的化快速反應(yīng)，將電信號迅速轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。角位移或角速度輸出。 在自動控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件。在自動控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件。21/1221/12（3 3）直流伺服電機直流伺服電機慣量慣量 伺服電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量大小，直接影響輸伺服電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量大小，直接影響輸出扭矩、正反轉(zhuǎn)響應(yīng)，常用電機分四個級別。出扭矩、正反轉(zhuǎn)響應(yīng)，常用電機分四個級別。1 1）小慣量：）小慣量：用于小負(fù)荷工況，如印刷板自動鉆用于

15、小負(fù)荷工況，如印刷板自動鉆孔機；復(fù)印打印機等?？讬C；復(fù)印打印機等。 2 2）中慣量：）中慣量：具有寬調(diào)速特性，常用于各類數(shù)控具有寬調(diào)速特性，常用于各類數(shù)控機床的進(jìn)給系統(tǒng)。機床的進(jìn)給系統(tǒng)。3 3）大慣量：）大慣量：用于數(shù)控機床的主軸電機用于數(shù)控機床的主軸電機 。4 4）特殊形式：）特殊形式：特殊用途直流電機特殊用途直流電機21/1321/13小慣量電機小慣量電機外形細(xì)長外形細(xì)長中、大慣量中、大慣量伺服電機伺服電機（4 4）大慣量寬調(diào)速直流伺服電機大慣量寬調(diào)速直流伺服電機 大慣量電機系列是機電大慣量電機系列是機電一體化產(chǎn)品一體化產(chǎn)品設(shè)計設(shè)計應(yīng)應(yīng)用用最為最為廣泛的廣泛的系列系列。1 1）電機特性）電

16、機特性輸出力矩大輸出力矩大、過載能力強過載能力強動態(tài)響應(yīng)性能好動態(tài)響應(yīng)性能好低速運轉(zhuǎn)平穩(wěn)低速運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性好、性好、易于調(diào)試易于調(diào)試可加裝光電編碼器可加裝光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器、制動器制動器體積大，電刷易磨損體積大，電刷易磨損21/1421/142 2）直流伺服電機選用要點）直流伺服電機選用要點 負(fù)荷計算：負(fù)荷計算：負(fù)載轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩、負(fù)載慣量負(fù)載慣量調(diào)速范圍內(nèi)調(diào)速范圍內(nèi)的電機的電機負(fù)載轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩，必須，必須在電機連續(xù)額在電機連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍以內(nèi)；定轉(zhuǎn)矩范圍以內(nèi)；電機電機工作負(fù)載工作負(fù)載、過載時間過載時間等主要功率指標(biāo)，等主要功率指標(biāo)，應(yīng)應(yīng)該該在在規(guī)定指標(biāo)參數(shù)規(guī)定指標(biāo)參數(shù)的范圍以內(nèi)的范圍

17、以內(nèi)；加加減減速度與速度與設(shè)計（預(yù)期）設(shè)計（預(yù)期）時間常數(shù)一致時間常數(shù)一致21/1521/15（5 5）直流伺服直流伺服（電刷）（電刷）電機驅(qū)動電機驅(qū)動 直流伺服電機配有專門的直流伺服電機配有專門的驅(qū)動器驅(qū)動器 。 直流伺服電機為直流供電，為調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速直流伺服電機為直流供電，為調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速和和旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)方向，需要對其直流電壓的方向，需要對其直流電壓的大小和方向大小和方向進(jìn)進(jìn)行控制。行控制。目前采用的兩類驅(qū)動電路：目前采用的兩類驅(qū)動電路： 晶體管脈寬調(diào)速驅(qū)動晶體管脈寬調(diào)速驅(qū)動 可控硅直流調(diào)速驅(qū)動可控硅直流調(diào)速驅(qū)動21/1621/161 1）電樞電壓控制）電樞電壓控制 在定子磁場不變的情況下，通過

18、控制施加在定子磁場不變的情況下，通過控制施加在電樞繞組兩端的電壓信號來控制電動機的轉(zhuǎn)在電樞繞組兩端的電壓信號來控制電動機的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩。速和輸出轉(zhuǎn)矩。21/1721/17永永磁磁體體勵勵磁磁繞繞組組電樞電壓變化電樞電壓變化勵磁繞組勵磁繞組勵磁繞組勵磁繞組2 2）磁極控制）磁極控制 按定子磁場產(chǎn)生方式，直流伺服電機可按定子磁場產(chǎn)生方式，直流伺服電機可分為永磁式和他勵式兩類。分為永磁式和他勵式兩類。 勵磁繞組替代永磁體，勵磁繞組替代永磁體，能獲得永磁體無法達(dá)到的能獲得永磁體無法達(dá)到的磁通密度。磁通密度。 調(diào)節(jié)勵磁繞組電流改調(diào)節(jié)勵磁繞組電流改變定子磁場強度，從而控變定子磁場強度，從而控制伺服電動機的轉(zhuǎn)速和輸制伺服電動機的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩。出轉(zhuǎn)矩。21/1821/18例：例：七線直流伺服驅(qū)動器七線直流伺服驅(qū)動器 直流有刷直流有刷伺服伺服電機電機一般一般有有7 7條線條線。連連電機線兩電機線兩條，條，無正負(fù)之分無正負(fù)之分；（換向）；（換向）編碼器線編碼器線5 5條，分別是條，分別是脈沖脈沖A A、脈沖脈沖B B、脈沖脈沖Z Z、電源電源線和線和地地線。線。電壓控制電壓控制：入入24V24V電壓，通過逆變可以得到低于電壓，通過逆變可以得到低于242