伺服驅(qū)動(dòng)與控制-伺服驅(qū)動(dòng).ppt

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第三章伺服系統(tǒng)執(zhí)行元件,主要內(nèi)容一、概述二、直流伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制三、交流伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制四、步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制五、新型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)六、本章實(shí)驗(yàn),一、概述,1.定義：能夠?qū)⒎菣C(jī)械能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能動(dòng)力元件。2.分類(lèi)：電磁執(zhí)行元件、液壓執(zhí)行元件、氣動(dòng)執(zhí)行元件三大類(lèi)。（1）電磁執(zhí)行元件：通過(guò)電磁轉(zhuǎn)換將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的動(dòng)力元件，應(yīng)用最廣泛，包括按照輸出形式分為旋轉(zhuǎn)電機(jī)、直線(xiàn)電機(jī)；按照電機(jī)類(lèi)型包括交流電機(jī)、直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。（2）液壓執(zhí)行元件：將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的動(dòng)力元件，包括：液壓馬達(dá)（旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）、液壓缸（直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)）。（3）氣動(dòng)執(zhí)行元件：將氣壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的動(dòng)力元件，包括：氣馬達(dá)（旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）、氣缸（直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)）。,一、概述,3.執(zhí)行元件的特性主要從以下幾個(gè)方面來(lái)衡量執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特性：（1）負(fù)載能力：執(zhí)行機(jī)構(gòu)所能承受的負(fù)荷或所能產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)能力，如電機(jī)最大輸出扭矩，液壓缸最大輸出力；（2）運(yùn)動(dòng)速度：指正常工作時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)最小或最大穩(wěn)定速度。如電機(jī)的轉(zhuǎn)速、液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速；（3）功率密度：執(zhí)行機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的最大功率與其自身質(zhì)量或體積的比值。一般液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率密度要比電動(dòng)和氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率密度大。,一、概述,4.電機(jī)的選型與計(jì)算原則（1）確定電機(jī)的種類(lèi)交流伺服電機(jī)適用于具有較高控制精度要求的場(chǎng)合；直流電機(jī)適用于低速大扭矩而控制精度相對(duì)較高的控制場(chǎng)合；步進(jìn)電機(jī)適用于控制精度較低的開(kāi)環(huán)控制場(chǎng)合。（2）確定電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩根據(jù)負(fù)載要求，確定電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，如果需要減速器，還應(yīng)該減速機(jī)的減速比；綜合考慮各種負(fù)載形式（慣性負(fù)載、摩擦負(fù)載、彈性負(fù)載、阻尼負(fù)載和不平衡負(fù)載等），將其折合到電機(jī)軸上，從而確定電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。（3）其它因素確定電機(jī)的反饋形式（全閉環(huán)、半閉環(huán)、開(kāi)環(huán)；電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)）；確定電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓。,二、直流伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,直流電機(jī)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：直流電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩大，低速性能好；在重負(fù)載條件下，實(shí)現(xiàn)均勻、平滑的無(wú)級(jí)調(diào)速；調(diào)速范圍寬，起動(dòng)力矩大；成本較低。缺點(diǎn)：直流電機(jī)的最大缺點(diǎn)就是有電流的換向問(wèn)題。,2.應(yīng)用場(chǎng)合各種機(jī)器人控制；火炮高低、方位隨動(dòng)系統(tǒng)。,直流電機(jī)分為兩部分：定子與轉(zhuǎn)子。定子包括：主磁極，機(jī)座，換向極，電刷裝置等。轉(zhuǎn)子包括：電樞鐵芯，電樞繞組，換向器，軸和風(fēng)扇等。,二、直流伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,3.直流電機(jī)的分類(lèi)永磁式直流電機(jī)電磁式直流電機(jī)直流它勵(lì)電機(jī)：勵(lì)磁繞組與電樞沒(méi)有聯(lián)系，由另外直流電源供給。因此勵(lì)磁電流不受電樞端電壓或電樞電流的影響。直流并勵(lì)電機(jī)：勵(lì)磁繞組兩端電壓就是電樞兩端電壓，勵(lì)磁繞組具有較大的電阻，使得通過(guò)他的勵(lì)磁電流較小。直流串勵(lì)電機(jī)：勵(lì)磁繞組和電樞串聯(lián)，勵(lì)磁磁場(chǎng)隨著電樞電流的改變有顯著的變化。直流復(fù)勵(lì)電機(jī)：電動(dòng)機(jī)的磁通由兩個(gè)繞組內(nèi)的勵(lì)磁電流產(chǎn)生。,二、直流伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,5.直流電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)額定功率、額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩、調(diào)速比,,4.直流電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)直流電機(jī)的輸出電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為：,式中：,---電樞繞組并聯(lián)支路數(shù)；,---電樞繞組的有效導(dǎo)體數(shù)；,---電動(dòng)機(jī)的每極磁通；,---電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)。,---與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)。,二、直流伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,6.直流伺服電機(jī)的基本特性6.1機(jī)械特性輸入電樞電壓保持不變時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨電磁轉(zhuǎn)矩變化而變化的規(guī)律，稱(chēng)直流電機(jī)的機(jī)械特性。為與電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的電勢(shì)常數(shù)。為斜率，值大表示電磁轉(zhuǎn)矩的變化引起電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化大，這種情況稱(chēng)直流電機(jī)的機(jī)械特性軟；反之，斜率值小，電機(jī)的機(jī)械特性硬。,,二、直流伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,6.2調(diào)節(jié)特性直流電機(jī)在一定的電磁轉(zhuǎn)矩下電機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速隨電樞的控制電壓變化而變化的規(guī)律，被稱(chēng)為調(diào)節(jié)特性。式中斜率反映了電機(jī)轉(zhuǎn)速隨控制電壓的變化而變化快慢的關(guān)系，其值大小與負(fù)載大小無(wú)關(guān)，僅取決于電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)。,,二、直流伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,6.3動(dòng)態(tài)特性直流電機(jī)的起動(dòng)存在一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，其工作狀態(tài)稱(chēng)為動(dòng)態(tài)，可用下面的式子進(jìn)行描述：---穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速---機(jī)械時(shí)間常數(shù)，是影響過(guò)渡過(guò)程的主要參數(shù)，其表達(dá)式為：決定機(jī)械時(shí)間常數(shù)的主要因素有：系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、電樞回路電阻。,,二、直流伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,7直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制電機(jī)擴(kuò)大機(jī)控制方式H型橋式控制方式PWM脈寬調(diào)制控制方式,,二、直流伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,7.1電機(jī)擴(kuò)大機(jī)控制方式電機(jī)擴(kuò)大機(jī)的換向器上置有互成90電角度的直軸和交軸兩組電刷（順著控制繞組軸線(xiàn)的是直軸，與其成90電角度的軸線(xiàn)是交軸），利用其交軸的電樞反應(yīng)磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)兩級(jí)放大，其作用原理如圖所示。,,二、直流伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,若交磁擴(kuò)大機(jī)在電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)下恒速旋轉(zhuǎn)，則當(dāng)控制繞組通有控制電流Ik時(shí)，交軸電刷q-q間就產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)Eq。由于q-q電刷短路，或者經(jīng)串接交軸助磁繞組后短路，其電阻較小，所以交軸電流Iq較大。由Iq建立的磁通Φq比控制磁通Φk大得多。因此，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子切割Φq產(chǎn)生的并由直軸電刷引出的電動(dòng)勢(shì)Ed遠(yuǎn)比Eq大。在接有負(fù)載的直軸回路內(nèi)，就有很大的負(fù)載電流Id，也就是負(fù)載可獲得很大的功率輸出。較小控制繞組電流Ik的較小變化，可獲得很大的Id變化，實(shí)現(xiàn)功率放大。優(yōu)點(diǎn)：二級(jí)發(fā)電原理，功率放大倍數(shù)大，帶負(fù)載能力強(qiáng)，控制功率只需幾毫瓦，放大倍數(shù)可達(dá)幾千倍，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，加速減速性能好，靜差小，調(diào)速范圍大。缺點(diǎn)：補(bǔ)償復(fù)雜、換向困難，存在滯環(huán)，易造成工作點(diǎn)不穩(wěn)定，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)不穩(wěn)定；需要原電機(jī)帶動(dòng)，結(jié)構(gòu)負(fù)載，成本高。,,二、直流伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,7.2H型橋控制方式,,,,H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線(xiàn)上的一對(duì)三極管。根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過(guò)電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。如圖所示，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)；當(dāng)Q2管和Q3管導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。,Q1和Q4導(dǎo)通,Q2和Q3導(dǎo)通,二、直流伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,,,,驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，必須保證H橋上兩個(gè)同側(cè)的三極管不能同時(shí)導(dǎo)通，否則會(huì)造成短路而燒壞三極管。下圖的改進(jìn)電路增加了4個(gè)與門(mén)和2個(gè)非門(mén)，便可以保證任何時(shí)候在H橋的同側(cè)都只有一個(gè)三極管導(dǎo)通。,二、直流伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,,,,7.3PWM控制方式,脈寬調(diào)制(PulseWidthModulation，PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，應(yīng)用非常廣泛。,定義：（T1/T)100%,當(dāng)控制信號(hào)為低時(shí)光耦導(dǎo)通，三極管Q1導(dǎo)通，流過(guò)電機(jī)的電流為Iq；當(dāng)控制信號(hào)為高或懸空時(shí)光耦截止，三極管Q1截止，由于電機(jī)是感性負(fù)載，電流不能突變，此時(shí)，電機(jī)通過(guò)續(xù)流二極管D1形成電流回路放電。當(dāng)三極管Q1導(dǎo)通時(shí)，電源電流流過(guò)電機(jī)；當(dāng)三極管Q1截止時(shí)，電機(jī)中線(xiàn)圈電流通過(guò)續(xù)流二極管放電。由于電機(jī)線(xiàn)圈為電感，因此對(duì)電流有濾波作用，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率合適，則可認(rèn)為電流基本沒(méi)有變化。因此，當(dāng)控制信號(hào)頻率不變時(shí)，調(diào)節(jié)占空比，即可調(diào)節(jié)流過(guò)電機(jī)電流的大小，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。,二、直流伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,,,,現(xiàn)以IRF640場(chǎng)效應(yīng)管的特性為例：最大工作電流18A，峰值電流72A最高耐壓200V導(dǎo)通電阻RDS=0.180Ω高阻輸入納秒級(jí)開(kāi)關(guān)速度。,三、步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,1.概述定義：步進(jìn)電機(jī)(又稱(chēng)脈沖馬達(dá))是將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移的電磁機(jī)械。其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角與輸入的脈沖數(shù)成正比，其速度與單位時(shí)間內(nèi)輸入的脈沖數(shù)成正比，電機(jī)運(yùn)動(dòng)的方向則取決于脈沖的順序。步距角：式中，m為電機(jī)相數(shù)，Z為轉(zhuǎn)子齒數(shù)，K為系數(shù)（相鄰兩次通電相數(shù)相同K＝1；相鄰兩次通電相數(shù)不同，K＝2）。特點(diǎn)：不需要反饋就能對(duì)位置或速度進(jìn)行控制；角位移量與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，不會(huì)引起誤差積累；具有自鎖能力，定位精度較高；與數(shù)字設(shè)備兼容。應(yīng)用：步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用比較廣泛，主要用在定位控制系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)。,,三、步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,2.原理與分類(lèi)根據(jù)工作原理不同，步進(jìn)電機(jī)可分為三種：（1）反應(yīng)式（又稱(chēng)為磁阻式步進(jìn)電機(jī)）：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，運(yùn)行頻率高，步距角小(0.09-9度)，價(jià)格便宜，易于操作。（2）永磁式：控制功率小、效率高、造價(jià)低，步距角較大(7.5-18度)。由于價(jià)格更便宜，被廣泛用于打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)以及空調(diào)器等各個(gè)領(lǐng)域中。（3）混合式：既有反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)步距角小、工作頻率高的特點(diǎn)，又有永磁式步進(jìn)電機(jī)控制功率小、無(wú)勵(lì)磁時(shí)具有轉(zhuǎn)矩定位的優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格較高。,三、步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,根據(jù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)架構(gòu)不同，可分為單極性和雙極性?xún)煞N：(1)單極性電機(jī)：每個(gè)繞組只能單一方向通電，也被稱(chēng)為兩繞組步進(jìn)電機(jī)，因?yàn)樗缓袃蓚€(gè)線(xiàn)圈。兩個(gè)線(xiàn)圈的極性相反，卷繞在同一鐵芯上，具有同一個(gè)中間抽頭。,單極性步進(jìn)電機(jī)可以來(lái)用三種步進(jìn)方式：1）單拍方式：每次僅給一個(gè)繞組通電，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并運(yùn)動(dòng)到轉(zhuǎn)子永磁體與具有相反極性的繞組對(duì)齊的位置。2）雙拍方式：同時(shí)給兩個(gè)繞組通電，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并在永磁體到達(dá)兩個(gè)通電繞組的中間位置點(diǎn)時(shí)平衡。比單拍方式的優(yōu)點(diǎn)是多獲得輸出力矩，代價(jià)是花費(fèi)兩倍能量，因兩相繞組同時(shí)通電。3）半拍方式：工作時(shí)讓兩個(gè)繞組通電與單個(gè)繞組通電方式交替地進(jìn)行。半拍方式的輸出力矩比雙拍方式小，不過(guò)它可以獲得雙拍方式兩倍的步進(jìn)分辨率。,三、步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,(2)雙極性電機(jī)：每個(gè)繞組都可以雙向通電，其驅(qū)動(dòng)電路則如圖所示（雙極性驅(qū)動(dòng)電路可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)四線(xiàn)式或六線(xiàn)式步進(jìn)電機(jī)）,因?yàn)榭梢噪p向通電，所以每個(gè)繞組都既可以是N極又可以是S極。它又被稱(chēng)為單繞組步進(jìn)電機(jī)，因?yàn)槊繕O只有單一的繞組，它還被稱(chēng)為兩相步進(jìn)電機(jī)。雙極性步進(jìn)電機(jī)可以簡(jiǎn)單地使用數(shù)字萬(wàn)用表來(lái)查找兩個(gè)繞組。如果在某兩根引線(xiàn)之間能夠測(cè)量到阻值，那么這兩根引線(xiàn)之間就屬于一個(gè)繞組，其它兩根線(xiàn)之間是另外一個(gè)繞組。雙極性步進(jìn)電機(jī)的步距通常是1.8，也就是每周200步。,三、步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,3步進(jìn)電機(jī)靜態(tài)特性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)特性是指它在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的特性，包括靜轉(zhuǎn)矩、矩-角特性及靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。（1）矩-角特性：在空載狀態(tài)下，給步進(jìn)電機(jī)某相通以直流電流時(shí)，轉(zhuǎn)子齒的中心線(xiàn)與定子齒的中心線(xiàn)相重合，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有轉(zhuǎn)矩輸出，此時(shí)的位置為轉(zhuǎn)子初始穩(wěn)定平衡位置。（2）靜態(tài)轉(zhuǎn)矩：在電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上加一負(fù)載轉(zhuǎn)矩，則轉(zhuǎn)子齒的中心線(xiàn)與定子齒的中心線(xiàn)將錯(cuò)過(guò)一個(gè)電角度才能重新穩(wěn)定下來(lái)。此時(shí)轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等，該轉(zhuǎn)矩為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)過(guò)的角度為失調(diào)角。（3）靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)：當(dāng)失調(diào)角在-π到π的范圍內(nèi)，若去掉負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子仍能回到初始穩(wěn)定平衡位置。因此，把-π到π的區(qū)域稱(chēng)為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。,三、步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,4步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性主要包括：起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、矩-頻特性和慣-頻特性。（1）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單相勵(lì)磁時(shí)所能帶動(dòng)的極限負(fù)載轉(zhuǎn)矩。（2）啟動(dòng)頻率：空載時(shí)步進(jìn)電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)突然起動(dòng)，并進(jìn)入不失步的正常運(yùn)行的最高頻率，稱(chēng)為啟動(dòng)頻率或突跳頻率，加給步進(jìn)電機(jī)的指令脈沖頻率如大于啟動(dòng)頻率，就不能正常工作。（3）最高連續(xù)運(yùn)行頻率：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在連續(xù)運(yùn)行時(shí)所能接受的最高控制頻率被稱(chēng)為最高運(yùn)行頻率，以表示。電機(jī)在連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下，其電磁轉(zhuǎn)矩隨控制頻率的升高而逐步下降。（4）矩頻特性與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩矩頻特性：是描述步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系。動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩：矩頻特性上每一個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。,三、步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,5步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括：脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路、脈沖信號(hào)分配電路以及功率驅(qū)動(dòng)電路。主要的驅(qū)動(dòng)方式有:單電壓驅(qū)動(dòng)、高低壓驅(qū)動(dòng)、斬波恒流驅(qū)動(dòng)、調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)和細(xì)分驅(qū)動(dòng)。,,（1）單電壓驅(qū)動(dòng)是最簡(jiǎn)單的一種步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，如圖所示，其中電機(jī)簡(jiǎn)化為電感Lm。功率放大管根據(jù)脈沖分配器的輸出脈沖導(dǎo)通或關(guān)閉，從而使步進(jìn)電機(jī)繞組中得到脈動(dòng)的電流以驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。優(yōu)點(diǎn)：線(xiàn)路簡(jiǎn)單，成本最低。缺點(diǎn)：功率小，只能用于一些小功率場(chǎng)合。同時(shí)，為提高電流導(dǎo)通時(shí)回路電流上升的陡度，在驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路中需串接一個(gè)較大的電阻，以減小時(shí)間常數(shù)，但同時(shí)使電源效率大為降低，且必須采用冷卻裝置。,三、步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,,（2）高低壓驅(qū)動(dòng)高低壓驅(qū)動(dòng)的基本思路是：在脈沖來(lái)到時(shí)，在電機(jī)繞組的兩端先施加較高電壓，從而使繞組的電流迅速建立，使電流建立時(shí)間大為縮短，在相電流建立起來(lái)后改用低電壓，以維持相電流的大小。優(yōu)點(diǎn)：減小甚至去掉了限流電阻，提高了驅(qū)動(dòng)效率；提高了快速性，改善了運(yùn)行性能。缺點(diǎn)：增加了一個(gè)高壓電源，而使電源結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本變高，可靠性降低；高壓供電時(shí)電流的穩(wěn)態(tài)值遠(yuǎn)大于步進(jìn)電機(jī)電流的額定值，因此，在低頻尤其是單步運(yùn)行時(shí)，由于高壓管的導(dǎo)通時(shí)間不變，輸入控制繞組的能量過(guò)多，使步進(jìn)電機(jī)低頻運(yùn)行時(shí)振蕩加劇。,,三、步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,,（3）斬波恒流驅(qū)動(dòng)如圖，T1、T2是高頻開(kāi)關(guān)管。當(dāng)控制脈沖Ui為低電平時(shí),T1和T2均截止。當(dāng)Ui為高電平時(shí),T1和T2均導(dǎo)通,電源向電機(jī)供電。由于繞組電感的作用,電流逐漸增大，R上電壓逐漸升高,當(dāng)超過(guò)給定電壓Uc,比較器輸出低電平,與門(mén)因此輸出低電平,T1截止,電源被切斷,繞組電感放電，電流逐漸減小，R上電壓逐漸降低。當(dāng)取樣電阻上的電壓小于給定電壓時(shí),比較器又輸出高電平,與門(mén)輸出高電平,T1又導(dǎo)通,電源又開(kāi)始向繞組供電。這樣反復(fù)循環(huán),直到Ui又為低電平。因此，T2每導(dǎo)通一次,T1導(dǎo)通多次,繞組的電流波形為鋸齒形,在T2導(dǎo)通的時(shí)間里電源是脈沖式供電,所以提高了電源效率,而且還能有效抑制振蕩。,,優(yōu)點(diǎn)：大大改善了電流波形，采用能量反饋提高了電源效率，改善了矩頻特性。缺點(diǎn)：低速運(yùn)行時(shí)由于繞組電流沖擊大，使低頻產(chǎn)生振蕩，運(yùn)行不平穩(wěn)，噪聲大定位精度沒(méi)有提高等。,三、步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,,（4）調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)調(diào)頻調(diào)壓方法的基本思想是：隨著步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率的提高，同時(shí)提高功率放大電路的電源電壓；當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率降低時(shí)，同時(shí)降低功率放大電路電源電壓。以期補(bǔ)償因運(yùn)行頻率上升導(dǎo)致的輸出轉(zhuǎn)矩下降，使得到的矩頻特性是一條水平直線(xiàn)。,,,優(yōu)點(diǎn)：矩頻特性較硬，能夠在較寬的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行。缺點(diǎn)：不能利用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)多種步距角控制。,三、步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,,（5）細(xì)分驅(qū)動(dòng)前幾種驅(qū)動(dòng)技術(shù)是從電流波形及矩角特性等方面來(lái)改善驅(qū)動(dòng)性能，沒(méi)有提高步進(jìn)電機(jī)的固有分辨率，而細(xì)分驅(qū)動(dòng)是針對(duì)步進(jìn)電機(jī)的分辨率及精度不高，精度與快速性相矛盾，動(dòng)態(tài)中有丟步及振動(dòng)、噪聲大等缺點(diǎn)而產(chǎn)生的一種比較特殊而有效的驅(qū)動(dòng)控制方式。其實(shí)質(zhì)是步進(jìn)電機(jī)在輸入脈沖切換時(shí)，只改變相應(yīng)繞組中電流的一部分，即對(duì)相電流實(shí)施微量控制。,,,,優(yōu)點(diǎn)：易實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的可變細(xì)分控制、正反轉(zhuǎn)控制及加減速控制，而且電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠。缺點(diǎn)：由于單片微機(jī)運(yùn)行速度的限制，其頻率不可能做的太高。但是它仍然是目前步進(jìn)電機(jī)細(xì)分技術(shù)的一種主要發(fā)展方向，隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)也日漸成熟。,四、交流伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,1.交流永磁伺服電機(jī)的特點(diǎn)（1）具有較硬的機(jī)械特性，對(duì)負(fù)載擾動(dòng)有較強(qiáng)的魯棒性。（2）無(wú)勵(lì)磁電路，省去了電刷和端環(huán)，從而降低了故障發(fā)生率。只需提供力矩電流，無(wú)需勵(lì)磁電流，可顯著提高功率因素，并減少了定子電阻損耗，提高了運(yùn)行效率。（3）能在極低轉(zhuǎn)速下保持同步運(yùn)行，且調(diào)速范圍寬。（4）其效率和功率因數(shù)都較高，轉(zhuǎn)矩慣性比高。,2.應(yīng)用場(chǎng)合逐漸在代替直流電機(jī),四、交流伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,3.交流伺服電機(jī)的分類(lèi)3.1根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式不同分為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)BLDCM)和三相永磁交流同步電動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)PMSM)兩種，它們的區(qū)別在于前者的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為梯形波，電流為方波，而后者的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流都為正弦波。3.2根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同凸極式永磁同步電機(jī)：結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)，氣隙磁場(chǎng)分布不均勻，其繞組間的互感不僅僅是角位移的函數(shù)。凹極式永磁同步電機(jī)：勵(lì)磁繞組兩端電壓就是電樞兩端電壓，勵(lì)磁繞組具有較大的電阻，使得通過(guò)他的勵(lì)磁電流較小。直流串勵(lì)電機(jī)：勵(lì)磁繞組和電樞串聯(lián)，勵(lì)磁磁場(chǎng)隨著電樞電流的改變有顯著的變化。直流復(fù)勵(lì)電機(jī)：電動(dòng)機(jī)的磁通由兩個(gè)繞組內(nèi)的勵(lì)磁電流產(chǎn)生。,四、交流伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,4.交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)及原理,三相永磁同步電機(jī)的定子主要由硅鋼沖片、繞組、固定鐵芯的機(jī)殼及端蓋等部分組成，與繞線(xiàn)式同步電機(jī)基本相同。而轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、永磁體磁鋼和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸組成。目前，永磁同步電機(jī)常用的永磁材料是稀土永磁材料。從永磁體安裝方式上，轉(zhuǎn)子分為凸裝式、嵌入式和內(nèi)埋式三種。,如果在三相空間對(duì)稱(chēng)的定子繞組中通入三相時(shí)間上也對(duì)稱(chēng)的正弦電流，則在定子、轉(zhuǎn)子氣隙間將產(chǎn)生一個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。等效旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速為：,,,為電機(jī)極對(duì)數(shù),四、交流伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,5.交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù),要實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制，通過(guò)改變定子電壓的頻率。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，目前應(yīng)用的較多的是間接變頻裝置（或稱(chēng)交－直－交變頻裝置）。利用功率開(kāi)關(guān)器件的通斷把直流電壓變換成電壓脈沖列，并通過(guò)控制電壓的脈沖寬度或周期以達(dá)到變頻、變壓的目的。這就是目前被廣泛應(yīng)用于交流電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)中的脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)，也是電機(jī)驅(qū)動(dòng)的核心技術(shù)之一。常用的脈寬調(diào)制技術(shù)有電流滯環(huán)跟蹤PWM控制方式、正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）方式以及電壓空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）控制技術(shù)三種。,四、交流伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,5.1電流閉環(huán)跟蹤PWM技術(shù),以其中一相控制原理進(jìn)行闡述。VT1、VT2是通過(guò)參考正弦電流信號(hào)與相電流瞬時(shí)值信號(hào)進(jìn)行比較所產(chǎn)生的差值繼電信號(hào)來(lái)控制。其中繼電元件滯環(huán)寬度。設(shè)VT1導(dǎo)通，則增加。當(dāng)時(shí)，VT1關(guān)斷，VT4導(dǎo)通，于是下降。當(dāng)時(shí)，VT4關(guān)斷，VT1導(dǎo)通，又增加。參考正弦電流變化。,如此反復(fù)通斷，使電機(jī)電流始終以滯環(huán)寬度為界,電流滯環(huán)跟蹤PWM技術(shù)（a）逆變器控制原理（一相）（b）輸出電壓和電流波形,四、交流伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,5.2正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù),SPWM波的產(chǎn)生原理如圖。當(dāng)調(diào)制波（正弦波）大于載波（三角波）時(shí)，逆變橋的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通。反之，則關(guān)斷，逆變器就產(chǎn)生一組等幅不等寬的脈沖序列。正弦波的頻率和幅值是可控的，只要改變正弦波的頻率，就可以改變輸出脈沖的頻率，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速；改變正弦波的幅值，它與三角波的交點(diǎn)發(fā)生改變，使輸出的逆變脈沖序列的寬度發(fā)生變化，從而改變逆變器輸出電壓的幅值。通過(guò)生成的SPWM信號(hào)來(lái)控制逆變器的功率器件的開(kāi)、關(guān)就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變頻調(diào)速。,四、交流伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,5.4電壓空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù),電壓空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù)是當(dāng)前永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的一種主要驅(qū)動(dòng)方法。主要是如何使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，即正弦磁通。由于磁鏈的軌跡是靠電壓空間矢量相加得到，所以又稱(chēng)為電壓空間矢量控制。,,假設(shè)電機(jī)定子三相繞組采用星型連接，在空間上互差120，設(shè)三相繞組的電壓瞬時(shí)值為、、，引入Clark變換，可以將瞬時(shí)電壓空間矢量表示為右圖所示式子。,,,式中：,四、交流伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,當(dāng)永磁同步電機(jī)由三相平衡對(duì)稱(chēng)正弦電壓供電時(shí)，其定子磁鏈與電壓空間矢量軌跡重合，這樣對(duì)電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)形狀的分析可轉(zhuǎn)化為對(duì)合成電壓空間矢量軌跡的分析。,,逆變器上、下橋臂的開(kāi)關(guān)器件在任一時(shí)刻不能同時(shí)導(dǎo)通，處于互逆狀態(tài)。為了便于分析，可將三個(gè)橋臂的狀態(tài)抽象成開(kāi)關(guān)函數(shù)，,如果某相橋臂的上管導(dǎo)通下管關(guān)閉，則，反之，。,共存在八種組合，構(gòu)成了對(duì)應(yīng)的基本電壓矢量。,以開(kāi)關(guān)狀態(tài)(011)為例，此時(shí)，,，,同理可得：,四、交流伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,逆變器可以輸出如圖示在空間分布的八個(gè)電壓空間矢量。其中(000)和(111)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的逆變器輸出電壓空間矢量為零，稱(chēng)為零矢量。其它6個(gè)矢量稱(chēng)為有效矢量，有效矢量的長(zhǎng)度均為。SVPWM調(diào)制技術(shù)就是利用各個(gè)基本電壓空間矢量的作用時(shí)間不同，來(lái)等效合成所需要的空間矢量。,,四、交流伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,6永磁同步電機(jī)矢量控制原理,基本思想：在普通的三相交流電動(dòng)機(jī)上設(shè)法模擬直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的規(guī)律，通過(guò)矢量變換將三相交流電機(jī)的定子電流在按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d-q）上進(jìn)行分解，得到產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量。通過(guò)控制定子電流的幅值和相位，對(duì)坐標(biāo)變換后的兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立地控制，從而使交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制從原理和特性上都和直流電機(jī)相似，獲得良好的解耦特性。一定的轉(zhuǎn)速和一定轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)于一定的和，通過(guò)控制旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的直流量來(lái)達(dá)到對(duì)三相定子坐標(biāo)系上交流量的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的控制，這就是矢量控制的原理。,四、交流伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,,轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制的永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理如下圖所示，有速度和電流雙閉環(huán)。主要包括定子電流檢測(cè)、轉(zhuǎn)子位置和速度檢測(cè)、速度環(huán)調(diào)節(jié)器、電流環(huán)調(diào)節(jié)器、Clarke變換、Park變換與逆變換、SVPWM控制模塊等幾個(gè)環(huán)節(jié)。,四、交流伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng),控制主回路,整個(gè)控制回路,四、交流伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制,IPM模塊：PM25RLA120為三菱第五代“L系列”產(chǎn)品，帶過(guò)溫（OT）、短路（SC）和控制電源欠電壓（UV）保護(hù)，以及制動(dòng)電路。由于PM25RLA120能夠達(dá)到的輸出功率為3.7KW，便于驅(qū)動(dòng)一定容量的電機(jī)，使驅(qū)動(dòng)器具有一定的通用性。,五、實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)二：（1）在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試直流電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速和扭矩，分別擬合轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩特性、電壓—轉(zhuǎn)速特性、電流—轉(zhuǎn)矩特性等，繪制電機(jī)的輸入功率、輸出功率和效率曲線(xiàn)。（2）在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試步進(jìn)電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速和扭矩，分別擬合轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩特性、電流—轉(zhuǎn)矩特性等，最終繪制電機(jī)的輸入功率、輸出功率和效率曲線(xiàn)。（3）在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試交流電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速和扭矩，分別擬合轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩特性、電流—轉(zhuǎn)矩特性等，最終繪制電機(jī)的輸入功率、輸出功率和效率曲線(xiàn)。,