機電一體化(四)執(zhí)行元件及驅(qū)動技術(shù)直流伺服課件

1、步進電機直流伺服電機交流伺服電機機電伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行元件機電伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行元件伺服系統(tǒng)的三種控制方式:1.轉(zhuǎn)矩控制方式：轉(zhuǎn)矩控制方式是通過外部模擬量的輸入來設(shè)定電機軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小; 2、位置控制：位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉(zhuǎn)動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)動的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進行賦值。3、速度控制：通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進行轉(zhuǎn)動速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時速度模式也可以進行定位，但必須把電機的位置信號或直接負載的位置信號給上位反饋以做運算用。選擇伺服電機和步進電機？ 步進電機伺服電機力矩范圍中小力

2、矩（一般在20Nm以下）小、中、大，全范圍速度范圍低（一般在2000RPM以下，大力矩電機小于1000RPM高（可達5000RPM）,直流伺服電機更可達12萬轉(zhuǎn)/分 控制方式主要是位置控制多樣化智能化的控制方式，位置/轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩方式平滑性(低頻特性）低速時有振動（但用細分型驅(qū)動器則可明顯改善）好，運行平滑控制精度一般較低，細分型驅(qū)動時較高高（具體要看反饋裝置的分辨率）矩頻特性高速時，力矩下降快力矩特性好，特性較硬過載特性過載時會失步可310倍過載（短時）反饋方式大多數(shù)為開環(huán)控制，也可接編碼器，防止失步閉環(huán)方式，編碼器反饋編碼器類型- - -光電型旋轉(zhuǎn)編碼器（增量型/絕對值型），旋轉(zhuǎn)變壓器型響應(yīng)

3、速度一般（需要200400毫秒）快價格低較高 在自動控制系統(tǒng)中，伺服電動機將電壓信號轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動被控對象，當信號電壓的大小和極性(或相位)發(fā)生變化時，電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向?qū)⒖焖?、準確地跟著變化。目前常用的伺服電動機有直流伺服電機、交流伺服電機和步進電機。二、伺服電機及其控制永磁式直流伺服電機結(jié)構(gòu)直流伺服電機構(gòu)成直流伺服電機的電源特點直流伺服電機的類型4.3 直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)4.3.1 直流伺服電機工作原理與機械特性 （1）定子 : 定子磁場由定子的磁極產(chǎn)生，根據(jù)磁場的產(chǎn)生方式，直流伺服電動機可分為永磁式和他勵式。永磁式磁極由永磁材料制成；他勵式磁極由沖裁的硅鋼片疊壓而成，外部

4、繞線圈，通以直流電流便產(chǎn)生恒定磁場。（2）轉(zhuǎn)子: 又叫電樞，由硅鋼片疊壓而成，表面嵌有線圈，通以直流電時，在定子磁場作用下產(chǎn)生帶動負載旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩。（3）電刷與換向片: 為使產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩保持恒定方向，確保轉(zhuǎn)子能沿著固定的方向均勻連續(xù)旋轉(zhuǎn)，電刷與外加直流電源相接，換向片與電樞導體相接。4.3.1 直流電機工作原理與機械特性 4.3 直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)直流電機電刷間的反電動勢：直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩表示為： 電樞回路中的電壓平衡方程式為:4.3.1 直流電機工作原理與機械特性 4.3 直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)直流電動機的機械特性方程式為:控制方式：1.電樞控制（主要）； 2.磁極控制（少

5、用）。4.3.1 直流電機工作原理與機械特性 4.3 直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)n0Tn nn 稱為轉(zhuǎn)速降落Ua一定時，當 M時n ，但由于有轉(zhuǎn)速反饋回路， 轉(zhuǎn)速 n 的變化不大。4.3.1 直流電機工作原理與機械特性 4.3 直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)Td稱為啟動瞬時轉(zhuǎn)矩，其值也與電樞電壓成正比。N0是空載轉(zhuǎn)速;負載轉(zhuǎn)矩增加轉(zhuǎn)速下降反電勢減少電流增加電磁轉(zhuǎn)矩增加平衡電機以較低的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行4.3.1 直流電機工作原理與機械特性 4.3 直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性也是一組斜率相同的直線簇。每條調(diào)節(jié)特性和一種電磁轉(zhuǎn)矩相對應(yīng)，與Ua軸的交點是啟動時的

6、電樞電壓。4.3.2 直流電機控制系統(tǒng)的數(shù)學模型 電樞電壓平衡方程為：4.3 直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)電樞電流與電樞電壓之間傳遞函數(shù)為: 4.3.2 直流電機控制系統(tǒng)的數(shù)學模型 轉(zhuǎn)矩平衡方程為：4.3 直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)轉(zhuǎn)速慣量(Nmsmin / r)，它與常用的轉(zhuǎn)動慣量(N m/ rad) 的關(guān)系可從下式推得：即 4.3.2 直流電機控制系統(tǒng)的數(shù)學模型 4.3 直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)直流電機的精確模型4.3 直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)引入一個機電時間常數(shù): 電樞回路電磁時間常數(shù):4.3.2 直流電機控制系統(tǒng)的數(shù)學模型 轉(zhuǎn)速與電樞電壓間傳遞關(guān)系: 4.3.2 直流電機控制系統(tǒng)的數(shù)

7、學模型 4.3 直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)若電磁時間常數(shù)很小,既忽略電感: 可見:直流伺服電機過渡過程的快慢,取決于機電時間常數(shù).為了加快系統(tǒng)響應(yīng)速度,可以:1.減小機械系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量;2.給電機供電的電源內(nèi)阻小,Ra小;3.加大等效反電動勢系數(shù)直流伺服電機的技術(shù)指標額定功率 PN , 額定電壓UN 額定電流 IN 在此功率下允許電機長期連續(xù)的運行而不過熱.額定轉(zhuǎn)速 nN : 額定轉(zhuǎn)矩 TN , 最大 轉(zhuǎn)矩 TM: 電機在短時間內(nèi)可以輸出的最大轉(zhuǎn)矩,反應(yīng)其過載能力;(一般是額定轉(zhuǎn)矩的510倍)機電時間常數(shù)(通常小于20ms)電磁時間常數(shù)(通常小于5ms)轉(zhuǎn)動慣量 連續(xù)工作區(qū)：電機可在轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)

8、速的任意組合下長期工作。 斷續(xù)工作區(qū)：電機只能作間斷工作，間斷周期要根據(jù)載荷周期曲線求得。 加減速區(qū)/瞬時工作區(qū)：電機只允許瞬時過渡，在2#整流線以外電機不允許使用。曲線a為電機溫度限制，在此曲線上，電機達到絕緣所允許的極限值，故只允許電機在此曲線內(nèi)長時間連續(xù)運行。曲線c為電機最高轉(zhuǎn)速限制線，隨著轉(zhuǎn)速上升，電樞電壓升高，整流子片間電壓加大，超過一定值有發(fā)生環(huán)火的危險。最大轉(zhuǎn)矩d主要受永磁材料的去磁特性所限制，當除磁超過某值后，鐵氧體磁性發(fā)生變化。最高轉(zhuǎn)速最大轉(zhuǎn)矩對要求頻繁起動/制動的數(shù)控機床，為避免電機過熱，必須檢查在一個周期內(nèi)電機轉(zhuǎn)矩的均方根值，即有效力矩，并使它小于電機連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩。直流伺

9、服電機的技術(shù)指標例1：滿足有效力矩小于電機連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩 龍門刨床工作臺控制例2：設(shè)計實例4.3.3 直流伺服電機的驅(qū)動4.3 直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù) 晶閘管（可控硅）調(diào)速系統(tǒng)通過對晶閘管觸發(fā)角的控制來控制電機電樞電壓，以達到調(diào)速的目的。晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)通過脈寬調(diào)制器將直流電壓轉(zhuǎn)換成方波電壓，通過對方波脈沖寬度的控制，改變電樞的平均電壓，以達到調(diào)速的目的。 1. 晶閘管調(diào)速系統(tǒng) 包括 控制回路：速度環(huán)、電流環(huán)、觸發(fā)脈沖發(fā)生器等。 主回路： 可控硅整流放大器等。 速度環(huán)：速度調(diào)節(jié)（PI），作用：好的靜態(tài)、動態(tài)特性。 電流環(huán)：電流調(diào)節(jié)(P或PI)。作用：加快響應(yīng)、啟動、低頻穩(wěn)定等

10、。 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。 可控硅整流放大器：整流、放大、驅(qū)動，使電機轉(zhuǎn)動。速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器觸發(fā)脈沖發(fā)生器可控硅整流器電流反饋速度反饋電流檢測編碼器電機UR+-UfIfIR+-E1ES1).直流斬波器的基本結(jié)構(gòu) 直流斬波器電動機系統(tǒng)原理圖和電壓波形電動機得到的平均電壓為：2. 晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)2). 斬波器的三種控制方式直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理PWM: Pulse width modulation幾種典型PWM變換器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理1). 無制動作用的不可逆PWM變換器工作狀態(tài)與波形（2）有制動的不可逆PWM變換器UdUg2Ott

11、Ug1Ot1TUS -USOttidid1id2id1id2O12電動狀態(tài)一般電動狀態(tài)制動狀態(tài)：能耗制動，再生能耗制動OOOOt1t3Tt2t3t1Ug1Ug2Udidttttid1id1id4id2id3id4id234（2）有制動的不可逆PWM變換器3). 可逆PWM變換器T1 和T4 同時導通和關(guān)斷，其基極驅(qū)動電壓Ub1= Ub4。T2和T3同時導通和關(guān)斷，基極驅(qū)動電壓Ub2= Ub3 = Ub1。Ub3Ub4Ub1Ub2USABD1D2D3D4MT1T2T4T31UdUABUb2Ub3OttUb1Ub 4Ot1TUS -USOttidid1id2id1id2O負載較重時：電動狀態(tài)：當0

12、t t 1時， Ub1、Ub4為正， T1 和T4 導通；Ub2、Ub3 為負， T2和T3截止。電機端電壓UAB=Us，電樞電流id= id1，由US T1 T4 地。續(xù)流維持電動狀態(tài)：在t1 t T時， Ub1、Ub4為負， T1 和T4截止；Ub2、Ub3 變正，但T2和T3并不能立即導通，因為在電樞電感儲能的作用下，電樞電流id= id2，由D2 D3續(xù)流，在D2、 D3 上的壓降使T2 、T3的c-e極承受反壓不能導通。UAB=-Us 。接著再變到電動狀態(tài)、續(xù)流維持電動狀態(tài)反復進行. 2Ub3Ub4Ub1Ub2USABD1D2D3D4MT1T2T4T3負載較輕時： 反接制動狀態(tài)，電流

13、反向： 狀態(tài)中，在負載較輕時，則id小，續(xù)流電流很快衰減到零，即t =t2 時,id=0。在t2 T 區(qū)段， T2 、T3 在US 和反電動勢E的共同作用下導通，電樞電流反向，id= id3 由US T3 T2 地。電機處于反接制動狀態(tài)。 電樞電感儲能維持電流反向：在T t3區(qū)段時，驅(qū)動脈沖極性改變，T2 、T3截止，因電樞電感維持電流， id= id4，由D4 D1。3). 可逆PWM變換器OOOOt1t3Tt2t3t1Ub1、Ub 4Ub2、Ub 3UdUABidttttid1id1id4id2id3id4id2電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止： 由正、負驅(qū)動電壓脈沖寬窄而定。 當正脈沖較寬時，既t1

14、 T/2，平均電壓為正，電機正轉(zhuǎn)； 當正脈沖較窄時，既t1 T/2 ，平均電壓為負，電機反轉(zhuǎn)； 如果正、負脈沖寬度相等，t1=T/2 ，平均電壓為零，電機停轉(zhuǎn)。電機速度的改變： 電樞上的平均電壓UAB越大，轉(zhuǎn)速越高。它是由驅(qū)動電壓脈沖寬度 決定的。雙極性：由以上分析表明：可逆H型雙極式PWM開關(guān)功率放大器，無論負載是重還是輕、電機是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，加在電樞上的電壓極性在一個開關(guān)周期內(nèi)，都在US和 US之間變換一次，故稱為雙極性。 相關(guān)方程：性能評價PWM變換器的數(shù)學模型（2） 晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器脈寬調(diào)制振蕩器基極驅(qū)動MG電流反饋Uusrus f整流功放ttU U S r +U U S C+U S rooo-U S rtttt同向加法放大器電路圖U Sr 速度指令轉(zhuǎn)化過 來的直流電壓U - 三角波USC- 脈寬調(diào)制器的輸出（ U S r +U ）調(diào)制波形圖R1+12VUSCR1R3R2+-12VU S rU -USr為0時調(diào)制出正負脈寬一樣方波平均電壓為0US r為正時USr