電機控制與調(diào)速技術課件 項目三 伺服電動機控制與調(diào)速技術

項目三

伺服電動機控制與調(diào)速技術電機控制與調(diào)速控制電機是在普通旋轉電機的基礎上發(fā)展起來的，其基本原理與普通旋轉電機并無本質(zhì)區(qū)別。普通電機的主要任務是完成能量的轉換，對它們的要求主要著重于提高效率等經(jīng)濟指標以及啟動和調(diào)速等性能?？刂齐姍C的主要任務是完成控制信號的傳遞和轉換。【相關知識和技能】【項目工作場景】控制電機主要用于自動控制系統(tǒng)和計算裝置中，著重于特性的精度和對控制信號的快速響應等。“伺服系統(tǒng)”是指執(zhí)行機構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，被控對象應自行停止。伺服系統(tǒng)是具有反饋的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。它由檢測部分、誤差放大部分、執(zhí)行部分及被控對象組成。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。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)又有感應電機伺服系統(tǒng)和永磁同步電機伺服系統(tǒng)兩種?！八欧妱訖C”也稱為執(zhí)行電動機，在控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件，將電信號轉換為軸上的轉角或轉速，以帶動控制對象。伺服電動機分為：1.交流伺服電動機；2.直流伺服電動機交流伺服電動機直流伺服電動機伺服電機在自控制系統(tǒng)中的典型應用如下：伺服電機與普通電機相比具有如下特點：(1)調(diào)速范圍寬廣。伺服電動機的轉速隨著控制電壓改變，能在寬廣的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。(2)轉子的慣性小，即能實現(xiàn)迅速啟動、停轉。(3)控制功率小，過載能力強，可靠性好。目錄CONTENTS任務一、直流伺服電動機控制與調(diào)速技術任務二、交流伺服電動機控制與調(diào)速技術任務三、PLC實現(xiàn)交流伺服電機調(diào)速應用實例任務一直流伺服電動機控制與調(diào)速技術目錄CONTENTS【任務目標】1.了解直流伺服電動機的組成結構與工作原理。2.了解直流伺服電動機的控制方式和控制特性?！局R準備】一、直流伺服電動機的結構與工作原理

直流伺服電機按定子磁場產(chǎn)生方式可分為永磁式和他勵式兩類。1.直流伺服電機的結構定子結構簡圖電樞鐵心和繞組塑料換向器（1）定子定子磁極磁場由定子的磁極產(chǎn)生。根據(jù)產(chǎn)生磁場的方式，直流伺服電動機可分為永磁式和他激式。永磁式磁極由永磁材料制成，他激式磁極由沖壓硅鋼片疊壓而成，外繞線圈通以直流電流便產(chǎn)生恒定磁場。定子的磁路結構（2）轉子（又稱為電樞）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)生帶動負載旋轉的電磁轉矩。電樞鐵心和繞組電樞鐵心沖片（3）電刷與換向片為使所產(chǎn)生的電磁轉矩保持恒定方向，轉子能沿固定方向均勻的連續(xù)旋轉，電刷與外加直流電源相接，換向片與電樞導體相接。

換向片和電源固定聯(lián)接，線圈無論怎樣轉動，總是上半邊的電流向里，下半邊的電流向外。電刷壓在換向片上。換向片將外部直流電轉換成內(nèi)部的交流電，以保持轉矩方向不變。直流伺服電機內(nèi)部結構2.直流伺服電機的工作原理

轉矩的方向?qū)⑹罐D子逆時針旋轉。當轉子旋轉以后，夾角的變化將使轉矩的大小及方向都發(fā)生變化，這將使電機轉子來回擺動。定子磁勢和轉子磁勢相互垂直，則能得到最大轉矩。直流伺服電機工作原理示意圖（1）直流伺服電機工作原理示意圖（2）

電樞有5個線圈，每個線圈產(chǎn)生的磁勢矢量相加得到合成磁勢。如圖所示，合成磁勢的方向依然隨轉子旋轉而改變。這僅使電機力矩更大一些，力矩的大小及方向改變的問題依然存在。假如我們在轉子旋轉時，能通過電流換向，始終保證電樞幾何中性面以上的全部繞組端子為電流流進，下面的繞組端子為電流流出，就能保證轉子合成磁勢的方向不變，且與定子磁勢垂直。由于換向環(huán)和電刷的作用，當電樞旋轉時，每一個經(jīng)過電刷的繞組，其電流的方向都被自動改變，轉子的合成磁勢維持方向不變，如圖所示。這樣就保證了在轉子旋轉時定子磁勢和轉子磁勢總是相互垂直。直流伺服電機工作原理示意圖傳統(tǒng)直流伺服電機和直流電機工作原理、結構和基本特征沒有原則區(qū)別，但是在結構和性能上做了一些改進，具有如下特點：（1）采用細長的電樞以便降低轉動慣量，其慣量大約是普通直流電動機的1/3～1/2。（2）具有優(yōu)良的換向性能，在大的峰值電流沖擊之下仍能確保良好的換向條件，因此具有大的瞬時電流和瞬時轉矩。（3）機械強度高，能夠承受住巨大的加速度造成的沖擊力作用。（4）電刷一般都安放在幾何中型面上，以確保正反轉特性對稱。二、直流伺服電動機的控制方式和運行特性1.直流伺服電動機的控制方式一種是電樞控制，把控制信號作為電樞電壓來控制電動機的轉速；另一種是磁場控制，把控制信號加在勵磁繞組上，通過控制磁通來控制電動機的轉速。（1）電樞控制

勵磁磁通保持不變，改變電樞繞組的控制電壓。當電動機的負載轉矩不變時，升高電樞電壓，電機的轉速就升高；反之轉速就降低。電樞電壓等于零時，電機不轉。電樞電壓改變極性時，電機反轉。電樞控制原理圖電機的轉速n的計算公式式中：n—轉速（r/min）；

Ua—電樞電壓（V）；

Ia—電樞電流（A）；

Ra—電樞回路總電阻（

）；

—勵磁磁通（Wb）；

Ce—由電機結構決定的電動勢常數(shù)。（2）磁場控制電樞繞組電壓保持不變，改變勵磁回路的電壓。若電動機的負載轉矩不變，當升高勵磁電壓時，勵磁電流增加，主磁通增加，電機轉速就降低；反之，轉速升高。改變勵磁電壓的極性，電機轉向隨之改變。2.直流伺服電動機的運行特性（1）機械特性n0--理想空載轉速TK--堵轉轉矩--直線斜率①n0、Te、k的物理意義理想空載轉速n0：n0是電磁轉矩Te=0時的轉速，由于電機空載時Te=T0，電機的空載轉速低于理想空載轉速。堵轉轉矩Tk：Tk是轉速n=0時的電磁轉矩。機械特性的斜率k：斜率k前面的負號表示直線是下傾的。斜率k的大小直接表示了電動機電磁轉矩變化所引起的轉速變化程度②電樞電壓對機械特性的影響不同控制電壓時的機械特性對應于不同的電樞電壓可以得到一組相互平行的機械特性曲線。直流伺服電動機由放大器供電時，放大器可以等效為一個電動勢源與其內(nèi)阻串聯(lián)放大器等效電路（2）調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性是指負載轉矩不變時，電機轉速與電樞電壓之間的函數(shù)關系。Ua0–始動電壓K1–特性斜率直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性①Ua0和k1的物理意義Ua0是電動機處在準備動而又未動臨界狀態(tài)時的控制電壓。控制電壓從0到Ua0一段范圍內(nèi)，電機不轉動，故把此區(qū)域稱為電動機的死區(qū)。斜率k1：K1是由電機本身參數(shù)決定的常數(shù)，與負載無關。②總阻轉矩對調(diào)節(jié)特性的影響總阻轉矩Ts變化時，，斜率k1保持不變。因此對應于不同的總阻轉矩可以得到一組相互平行的調(diào)節(jié)特性。，（3）直流伺服電動機低速運轉的不穩(wěn)定性當電動機轉速很低時，轉速就不均勻，出現(xiàn)時快、時慢，甚至暫時停一下的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為直流伺服電動機低速運轉的不穩(wěn)定性。電樞齒槽的影響；電刷接觸壓降的影響；電刷和換向器之間摩擦的影響；②解決的措施①低速運轉的不穩(wěn)定的原因穩(wěn)速控制電路：使轉速平穩(wěn)。直流力矩電動機:低速穩(wěn)定性好?！救蝿諏嵤看_認直流伺服電動機特性參數(shù)1.查看電動機銘牌，完成下表：表3-1直流伺服電動機特性參數(shù)

電動機1電動機2電動機型號

額定功率

額定電樞電壓

額定電樞電流

額定轉速

額定轉矩

勵磁方式

2.結合實際接線，畫出直流伺服電動機控制接線圖。【任務總結】1.直流伺服電機的組成2.驅(qū)動原理3.分類4.常見用途任務二交流伺服電動機控制與調(diào)速技術目錄CONTENTS【任務目標】1.了解交流伺服電動機的組成結構與工作原理。2.了解交流伺服電動機的控制方式和控制特性?！局R準備】一、交流伺服電動機的結構與工作原理1.交流伺服電動機的結構一種為籠型轉子，這種轉子結構如同普通籠型感應電動機一樣，但是為了減小轉子的轉動慣量而做成細而長。1-定子繞組；2-定子鐵心；3-籠型轉子另一種為非磁性空心杯轉子，這種結構電動機中除了和一般感應電動機一樣的定子外，還有一個內(nèi)定子，內(nèi)定子鐵心中不放繞組，僅作為磁路的一部分，以減小主磁通磁路的磁阻。1-機殼；2-外定子；3-杯形轉子；2-內(nèi)定子；5端蓋2.交流伺服電動機的工作原理

交流伺服電動機就是一臺兩相交流異步電機。它的定子上裝有空間互差90

的兩個繞組：勵磁繞組和控制繞組。交流伺服電動機原理圖

工作原理，勵磁繞組串聯(lián)電容C，是為了產(chǎn)生兩相旋轉磁場。適當選擇電容的大小，可使通入兩個繞組的電流相位差接近90

，從而產(chǎn)生所需的旋轉磁場。控制電壓U2與電源電壓U頻率相同，相位相同或反相。交流伺服電動機的工作原理與單相異步電動機有相似之處。勵磁繞組固定接在電源上，當控制電壓為零時，電機無啟動轉矩，轉子不轉。若控制繞組有信號電壓，一般情況下，兩相繞組中電流產(chǎn)生的磁動勢是不對稱的，則電動機內(nèi)部便建立起橢圓形旋轉磁場。一個橢圓形旋轉磁場分解為兩個速度相等、轉向相反的圓形旋轉磁場，但它們大小不等，因此轉子上兩個電磁轉矩也大小不等，方向相反，合成轉矩不為零，這樣轉子就不再保持靜止狀態(tài)，而隨著正轉磁場的方向轉動起來。兩相交流伺服電動機在轉子轉動后，當控制信號電壓U消失時，根據(jù)單相異步電動機工作原理，電動機將繼續(xù)旋轉，這種現(xiàn)象稱之“自轉”。自轉現(xiàn)象破壞了伺服性。

克服這一現(xiàn)象方法是把伺服電動機的轉子電阻設計得足夠大。轉子電阻足夠大時，電動機轉子在脈振脈振磁場的作用下的合成電磁轉矩始終為制動轉矩，因此可以消除自轉現(xiàn)象。二、交流伺服電動機的控制方式和運行特性1.交流伺服電動機的控制方式（1）幅值控制交流伺服電動機幅值控制原理圖

調(diào)節(jié)控制電壓的大小來改變電動機的轉速，而控制電壓UK與勵磁電壓Uf之間的相位角保持90°電角度，通常UK滯后于Uf。當控制電壓UK=0時，電動機停轉，即n=0。（2）相位控制

調(diào)節(jié)控制電壓的相位（即調(diào)節(jié)控制電壓與勵磁電壓之間的相位角β）來改變電動機的轉速，而控制電壓的幅值保持不變，當β=0時，電動機停轉。（3）幅值—相位控制（或稱電容移相控制）幅值一相位控制原理圖將勵磁繞組上仍外施勵磁電壓Uf=U1-Uca，控制繞組上仍外施控制電壓UK，而UK的相位始終與U1同相。當調(diào)節(jié)控制電壓UK的幅值來改變電動機的轉速時，使勵磁繞組的電流If也發(fā)生變化，致使勵磁繞組的電壓Uf及電容C上的電壓Uca也隨之改變。這就是說，電壓UK及Uf的大小及它們之間的相位角β也都隨之改變。所以這是一種幅值和相位的復合控制方式。若控制電壓UK=0，電動機就停轉。2.交流伺服電動機的運行特性（1）機械特性幅值控制相位控制幅值—相位控制從機械特性看出，不論哪種控制方式，控制電信號越小，機械特性就越下移，理想空載轉速也隨之減小。（2）調(diào)節(jié)特性幅值控制相位控制幅值—相位控制調(diào)節(jié)特性是指電磁轉矩不變時，轉速隨控制電壓大小變化的關系。①機械特性②體積、質(zhì)量和效率③“自轉”現(xiàn)象④結構⑤放大器裝置【任務實施】一、工具、儀表及電氣元件1.工具:測試筆、螺釘旋具、斜口鉗、尖嘴鉗、剝線鉗、電工刀等。2.儀表:MF47型萬用表、5050型兆歐表。3.器材：松下MHMD022P1U永磁同步交流伺服電機，MADDT1207003全數(shù)字交流永磁同步伺服驅(qū)動裝置。二、實踐操作（一）松下伺服電機簡介1.松下伺服電機的型號及面板MHMD022P1U的含義：MHMD表示電機類型為大慣量，02表示電機的額定功率為200W，2表示電壓規(guī)格為200V，P表示編碼器為增量式編碼器，脈沖數(shù)為2500p/r，分辨率10000，輸出信號線數(shù)為5根線。MADDT1207003的含義：MADDT表示松下A4系列A型驅(qū)動器，T1表示最大瞬時輸出電流為10A，2表示電源電壓規(guī)格為單相200V，07表示電流監(jiān)測器額定電流為7.5A，003表示脈沖控制專用。伺服驅(qū)動器的面板圖2．接線：X1：電源輸入接口，AC220V電源連接到L1、L3主電源端子，同時連接到控制電源端子L1C、L2C上。X2：電機接口和外置再生放電電阻器接口。U、V、W端子用于連接電機。必須注意，電源電壓務必按照驅(qū)動器銘牌上的指示，必須保證驅(qū)動器上的U、V、W、E接線端子與電機主回路接線端子按規(guī)定的次序一一對應。RB1、RB2、RB3端子是外接放電電阻，MADDT1207003的規(guī)格為100?/10W，YL-158G沒有使用外接放電電阻。X6：連接到電機編碼器信號接口，連接電纜應選用帶有屏蔽層的雙絞電纜，屏蔽層應接到電機側的接地端子上，并且應確保將編碼器電纜屏蔽層連接到插頭的外殼（FG）上。X5：I/O控制信號端口，其部分引腳信號定義與選擇的控制模式有關，不同模式下的接線請參考《松下A系列伺服電機手冊》。（1）參數(shù)設置方式操作說明：MADDT1207003伺服驅(qū)動器的參數(shù)共有128個，Pr00-Pr7F，可以在驅(qū)動器上的面板上進行設置。按鍵說明激活條件功能

在模式顯示時有效在以下5種模式之間切換：1）監(jiān)視器模式；2)參數(shù)設置模式；3）EEPROM寫入模式；4）自動調(diào)整模式；5）輔助功能模式。

一直有效用來在模式顯示和執(zhí)行顯示之間切換

僅對小數(shù)點閃爍的哪一位數(shù)據(jù)位有效改變個模式里的顯示內(nèi)容、更改參數(shù)、選擇參數(shù)或執(zhí)行選中的操作

把移動的小數(shù)點移動到更高位數(shù)（2）面板操作說明：1）參數(shù)設置，先按“Set”鍵，再按“Mode”鍵選擇到“Pr00”后，按向上、下或向左的方向鍵選擇通用參數(shù)的項目，按“Set”鍵進入。然后按向上、下或向左的方向鍵調(diào)整參數(shù)，調(diào)整完后，按“S”鍵返回。選擇其它項再調(diào)整。2）參數(shù)保存，按“M”鍵選擇到“EE-SET”后按“Set”鍵確認，出現(xiàn)“EEP-”，然后按向上鍵3秒鐘，出現(xiàn)“FINISH”或“reset”，然后重新上電即保存。3）手動JOG運行，按“Mode”鍵選擇到“AF-ACL”，然后按向上、下鍵選擇到“AF-JOG”按“Set”鍵一次，顯示“JOG-”，然后按向上鍵3秒顯示“ready”，再按向左鍵3秒出現(xiàn)“sur-on”鎖緊軸，按向上、下鍵，點擊正反轉。注意先將S-ON斷開?！救蝿湛偨Y】1.交流伺服系統(tǒng)與步進驅(qū)動系統(tǒng)的性能比較。

2.步進驅(qū)動系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)的應用場合。3.在控制系統(tǒng)的設計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當?shù)目刂齐姍C。任務二PLC實現(xiàn)交流伺服電機調(diào)速應用實例目錄CONTENTS【任務目標】1.了解什么是交流伺服；2.學會交流伺服電機的使用方法；3.了解并熟悉交流伺服的應用。【知識準備】一、交流伺服系統(tǒng)的基本結構交流伺服系統(tǒng)是由控制器、被控對象、反饋測量裝置等部分組成。控制器一般采用PLC，放大器為伺服驅(qū)動器，電動機為伺服電機。二、交流伺服系統(tǒng)的基本原理伺服系統(tǒng)的輸出變量通常是機械或位置的運動。伺服系統(tǒng)的任務是使輸出變量的某種狀態(tài)能夠自動、連續(xù)、精確地復現(xiàn)輸入指令信號的變化規(guī)律。（一）伺服驅(qū)動器交流永磁伺服驅(qū)動器主要由伺服控制單元、功率驅(qū)動單元、通訊接口單元、伺服電動機及相應的反饋檢測器件組成，其中伺服控制單元包括位置控制器、速度控制器和電流控制器等等。伺服驅(qū)動器均采用數(shù)字信號處理器（DSP）作為控制核心，其優(yōu)點是可以實現(xiàn)比較復雜的控制算法，實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化。功率器件通常采用以智能功率模塊（IPM）為核心設計的驅(qū)動電路，IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動電路，同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路。伺服驅(qū)動器內(nèi)部結構圖伺服驅(qū)動器可以劃分為兩個模塊：功率板和控制板。功率板（驅(qū)動板）是強電部分，包括兩個單元，一是功率驅(qū)動單元IPM用于電機的驅(qū)動，二是開關電源單元為整個系統(tǒng)提供數(shù)字和模擬電源?？刂瓢迨侨蹼姴糠郑请姍C的控制核心也是伺服驅(qū)動器技術核心控制算法的運行載體?？刂瓢逋ㄟ^相應的算法輸出PWM信號，作為驅(qū)動電路的驅(qū)動信號，來改逆變器的輸出功率，以達到控制三相永磁式同步交流伺服電機的目的。1.功率驅(qū)動單元功率驅(qū)動單元的工作過程就是AC-DC-AC的過程。整流單元（AC-DC）主要的拓撲電路是單相全橋不控整流電路。逆變部分（DC-AC）采用的功率器件集驅(qū)動電路，保護電路和功率開關于一體的智能功率模塊（IPM）。伺服系統(tǒng)主電路圖2.SVPWM（SpaceVectorPWM）技術SVPWM（SpaceVectorPWM）技術就是通過控制逆變器功率器件的開關模式及導通時間，產(chǎn)生有效電壓矢量來逼近圓形磁場軌跡的一種方法。3.控制單元控制單元是整個交流伺服系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)系統(tǒng)位置控制、速度控制、轉矩和電流控制。所采用的數(shù)字信號處理器(DSP)，除了具有快速的數(shù)據(jù)處理能力外，還集成了豐富的，用于電機控制的專用集成電路，如A/D轉換器、PWM發(fā)生器、定時計數(shù)器電路、異步通訊電路、CAN總線收發(fā)器以及高速可編程靜態(tài)RAM和大容量的程序存儲器等。4.交流永磁伺服電機磁場的定向控制磁場定向控制技術也稱矢量控制技術。通過坐標變換，把交流電機中交流電流的控制，變換成類似于直流電機中直流電流的控制，實現(xiàn)了力矩的控制，可以獲得和直流電機相似的高動態(tài)性能。設想建立一個以電源角頻率旋轉的旋轉坐標系（d、q）。磁場定向控制的基本思路：從靜止坐標系（a，b，c）上看，合成定子電流矢量在空間以

電源角頻率旋轉從而形成旋轉磁場，是時變的。三、交流伺服系統(tǒng)所用的傳感器1.電流傳感器電流檢測可采用霍爾電流傳感器實現(xiàn)。工作原理主要是霍爾效應霍爾傳感器檢測的電流經(jīng)放大電路處理后，送到DSP內(nèi)部的A/D轉換器變換為數(shù)字量?；魻栯娏鱾鞲衅?.位置傳感器置檢測的傳感器主要有旋轉變壓器、感應同步器、磁性編碼器、光電編碼器。增量式編碼器是直接利用光電轉換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90o，從而可方便地判斷出旋轉方向，而Z相為每轉一個脈沖，用于基準點定位。光電編碼器原理示意圖四、伺服系統(tǒng)與PLC的連接PLC作為伺服系統(tǒng)指令機構時，伺服系統(tǒng)一般工作在位置閉環(huán)模式下。PLC的選型：伺服系統(tǒng)位置工作模式時，通過PLC內(nèi)部的計數(shù)器輸出脈沖，控制脈沖數(shù)量即可控制伺服電機的轉角，通過PLC內(nèi)部的中斷機制，周期性輸出脈沖，可以控制伺服電機的轉動。伺服系統(tǒng)選擇位置模式時PLC應帶高速脈沖輸出功能的晶體管輸出接口。伺服系統(tǒng)選擇速度模式時PLC應帶輸出電壓或電流的模擬量輸出接口。PLC輸出脈沖的頻率的大小及有無，控制伺服電機的轉速及啟停。PLC方向輸出端子的通斷，控制伺服電機的轉向?！救蝿諏嵤恳?、工具、儀表及電氣元件1.工具:測試筆、螺釘旋具、斜口鉗、尖嘴鉗、剝線鉗、電工刀等。2.儀表:MF47型萬用表、5050型兆歐表。3.器材：松下MHMD022P1U永磁同步交流伺服電機，MADDT1207003全數(shù)字交流永磁同步伺服驅(qū)動