伺服電機(jī)與伺服控制系統(tǒng)原理

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1、課題二伺服電機(jī)與伺服控制系統(tǒng)原理,指導(dǎo)老師：段建中 學(xué)生：虎鑫 學(xué)號(hào)：12007240649 2012-3-15,基本概念的介紹與舉例 伺服電機(jī)原理介紹 伺服控制系統(tǒng)介紹 總結(jié),內(nèi)容,“伺服”詞源于希臘語(yǔ)“奴隸”的意思。,一、“伺服”的含義 Servomechanism, 基本概念的介紹,伺服系統(tǒng)應(yīng)用舉例（2）,機(jī)械手手臂伸縮運(yùn)動(dòng)的電液伺服系統(tǒng)原理圖。,1電放大器 2電液伺服閥 3液壓缸 4機(jī)械手手臂 5齒輪齒條機(jī)構(gòu) 6電位器 7步進(jìn)電機(jī),伺服系統(tǒng)應(yīng)用舉例（1）,圖1.7 液壓仿形車床工作原理圖,1.2.3.4節(jié)流口 5工件 6刀具 7樣件 8觸銷 9油缸 10油泵,二. 伺服系統(tǒng)

2、的定義： (servomechanism) (servo-system） 伺服系統(tǒng)是指實(shí)現(xiàn)輸出變量精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)輸入變量的控制系統(tǒng)。,伺服電機(jī),伺服電機(jī)（servo motor ） 伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，它的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速受信號(hào)電壓控制。當(dāng)信號(hào)電壓的大小和相位發(fā)生變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向?qū)⒎浅ｌ`敏和準(zhǔn)確地跟著變化。當(dāng)信號(hào)消失時(shí)，轉(zhuǎn)子能及時(shí)地停轉(zhuǎn)。,伺服電機(jī)的分類,,一、直流電動(dòng)機(jī)工作原理,伺服電機(jī)的原理介紹,安培定律,磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度,導(dǎo)體中的電流,導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度,,直流電機(jī)原理,如圖所示： N和S是一對(duì)固定的磁極（一般是電磁鐵，也可為永久磁鐵）

3、，兩級(jí)之間裝著一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵質(zhì)圓柱體，圓柱體表面上固定這一個(gè)線圈，上邊為a，下圈為x，通入如圖所示的電流根據(jù)左手定則便可得出電磁轉(zhuǎn)矩。,一、直流電機(jī)原理,為什么要用電刷？,,一、直流電機(jī)的原理,,這樣的連接方法只有一組線圈得電，繞組使用率低，那么如何提高繞組的使用率 呢？,改進(jìn)后的繞線,提高了繞組的使用率,直流電機(jī)的勵(lì)磁方式,勵(lì)磁概念：由電流激勵(lì)出磁場(chǎng)的過(guò)程叫做勵(lì)磁。,直流電機(jī)的基本方程式,電氣系統(tǒng)的電動(dòng)平衡方程,,,電氣系統(tǒng)的電動(dòng)平衡方程,電源電壓,電樞繞組上的端電壓,勵(lì)磁繞組上的端電壓,電樞電流,勵(lì)磁電流,電樞電路的電阻,勵(lì)磁回路的電阻,電樞回路的自感系數(shù),勵(lì)磁回路的自感系數(shù),電動(dòng)機(jī)的機(jī)

4、械角速度,,,,2. 機(jī)械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平衡方程,,電磁轉(zhuǎn)矩,負(fù)載轉(zhuǎn)矩,空載損耗轉(zhuǎn)矩,如果電動(dòng)機(jī)以恒 角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，則 ：,實(shí)例：直流伺服系統(tǒng),,,,,常數(shù),實(shí)例：直流伺服系統(tǒng),,伺服電機(jī)在磁化曲線的線性范圍內(nèi)使用， 因而氣隙磁通 正比于勵(lì)磁電流，即：,,式中：,常數(shù),由電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩 正比于電樞電流 和氣隙磁通的乘積，即,,式中：,常數(shù),為磁場(chǎng)勵(lì)磁電流,是電樞電流,實(shí)例：直流伺服系統(tǒng),在電樞控制的直流電動(dòng)機(jī)中，勵(lì)磁電流為常數(shù)， 故上式可寫(xiě)成：,由控制輸入電壓 開(kāi)始，系統(tǒng)的因果方程為,1.電樞電壓方程：,實(shí)例：直流伺服系統(tǒng),2.電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩,3.轉(zhuǎn)矩平衡方程,4.電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)正比于速度,反

5、電動(dòng)勢(shì)常數(shù),系統(tǒng)因果方程拉氏變換為,實(shí)例：直流伺服系統(tǒng),當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩,其傳遞函數(shù)是:,實(shí)例：直流伺服系統(tǒng),直流伺服電機(jī)的系統(tǒng)方框圖,,主要內(nèi)容,,,7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制,（ 一定）,電樞回路電壓平衡方程式,感應(yīng)電勢(shì)與轉(zhuǎn)速關(guān)系,電磁轉(zhuǎn)矩,直流伺服電機(jī)的調(diào)速原理與方法,原理圖,等效圖,,,電機(jī)轉(zhuǎn)速與理想轉(zhuǎn)速的差n，反映了電機(jī)機(jī)械特性硬度，n越小（轉(zhuǎn)矩對(duì)轉(zhuǎn)速變化的影響程度越?。?，機(jī)械特性越硬。,n0,直流電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系n=f(T)稱機(jī)械特性,直流電機(jī)的基本調(diào)速方式有三種:調(diào)節(jié)電阻Ra、調(diào)節(jié)電樞電壓Ua和調(diào)節(jié)磁通的值。,7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制,,主要內(nèi)容,他勵(lì)式直流伺服電機(jī)

6、的轉(zhuǎn)速公式,,,,,電樞電阻調(diào)速很少采用，缺點(diǎn)： 不經(jīng)濟(jì)：要得到低速，R很大，則消耗大量電能； 低速，特性很軟，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性很差； 調(diào)節(jié)平滑性差，操作費(fèi)力。,7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制,,主要內(nèi)容,,調(diào)節(jié)電樞電壓（調(diào)壓調(diào)速）時(shí)，直流電機(jī)機(jī)械特性為一組平行線，只改變電機(jī)的理想轉(zhuǎn)速n0 ，保持了原有較硬的機(jī)械特性，所以調(diào)壓調(diào)速主要用于伺服進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)的調(diào)速,如果n值較大，不可能實(shí)現(xiàn)寬范圍的調(diào)速。永磁式直流伺服電機(jī)的n值較小，因此，進(jìn)給系統(tǒng)常采用永磁式直流電機(jī)。,7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制,,主要內(nèi)容,,調(diào)節(jié)磁通（調(diào)磁調(diào)速）不但改變了電機(jī)的理想轉(zhuǎn)速，而且使直流電機(jī)機(jī)械特性變軟,7.3

7、直流伺服電機(jī)及其速度控制,主要內(nèi)容,,直流伺服電機(jī)速度控制單元的調(diào)速控制方式 調(diào)速的概念有兩個(gè)方面的含義: 1)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速：當(dāng)給定速度變化時(shí),電機(jī)的速度隨之變化,并希望以最快的加減速達(dá)到新的給定速度值； 2)當(dāng)給定速度不變化時(shí),電機(jī)的速度保持穩(wěn)定不變。,7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制,主要內(nèi)容,直流伺服電機(jī)速度控制單元的調(diào)速控制方式 需對(duì)直流電壓的大小和方向進(jìn)行控制 直流伺服電機(jī)速度控制單元的作用：將轉(zhuǎn)速指令信號(hào)轉(zhuǎn)換成電樞的電壓值，達(dá)到速度調(diào)節(jié)的目的。 直流電機(jī)速度控制單元常采用的調(diào)速方法： 1.晶閘管（可控硅）調(diào)速系統(tǒng) 2.晶體管脈寬調(diào)制（PWM Pulse Width Modulate

8、d）調(diào)速系統(tǒng)。,,主要內(nèi)容,,1晶閘管調(diào)速系統(tǒng) 常用于大功率及要求不很高的直流伺服電機(jī)調(diào)速控制。,7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制,,U*n,,7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制,主回路由大功率晶閘管構(gòu)成的三相全控橋式反并接可逆電路，分成二大部分（ 和 ），每部分內(nèi)按三相橋式連接，二組反并接，分別實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn) 和反轉(zhuǎn)。,,,各有一個(gè)可控硅同時(shí)導(dǎo)通，形成回路。,7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制,1、3、5在正半周導(dǎo)通， 2、4、6在負(fù)半周導(dǎo)通。每組內(nèi)（即二相間）觸發(fā)脈沖相位相差120，觸發(fā)脈沖的順序：1-2-3-4-5-6，相鄰之間相位差60。為保證合閘后兩個(gè)串聯(lián)可控硅能同時(shí)導(dǎo)通，或已截止的相再次導(dǎo)通

9、，采用雙脈沖控制。即每個(gè)觸發(fā)脈沖在導(dǎo)通60后，再補(bǔ)發(fā)一個(gè)輔助脈沖；也可以采用寬脈沖控制，寬度大于60，小于120。,,7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制,只要改變可控硅觸發(fā)角（即改變導(dǎo)通角），就能改變可控硅的整流輸出電壓，從而改變直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 觸發(fā)脈沖提前，增大整流輸出電壓；觸發(fā)脈沖延后，減小整流輸出電壓。,晶閘管調(diào)節(jié)電路,,主要內(nèi)容,,2PWM調(diào)速控制系統(tǒng) 利用大功率晶體管的開(kāi)關(guān)作用，將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓，加到直流電動(dòng)機(jī)的電樞上；通過(guò)調(diào)整控制方波脈沖寬度來(lái)改變電樞的平均電壓，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 控制電路簡(jiǎn)單，不需附加關(guān)斷電路，開(kāi)關(guān)特性好。 廣泛應(yīng)用中、小功率直流伺服系

10、統(tǒng)。,,,,,,,,,,,,周期不變,,,,,,,,,,脈寬,脈寬,脈寬,脈寬,平均直流電壓,U,t,周期不變,7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制,,主要內(nèi)容,,直流電機(jī)電壓的平均值:,T脈沖周期， Ton導(dǎo)通時(shí)間,7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制,,脈寬調(diào)制（PWM）系統(tǒng)組成：,7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制,,控制回路： 速度調(diào)節(jié)器；電流調(diào)節(jié)器；固定頻率振蕩器及三角波發(fā)生器；脈寬調(diào)制器和基極驅(qū)動(dòng)電路。 區(qū)別： 與晶閘管調(diào)速系統(tǒng)比較，速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié) 器原理一樣。不同的是脈寬調(diào)制器和功率放大器。,,脈寬調(diào)制器 作用：將電壓量轉(zhuǎn)換成可由控制信號(hào)調(diào)節(jié)的矩形脈沖，為功率晶體管的基極提供一個(gè)寬度可由速度指令信號(hào)調(diào)節(jié)的脈寬電壓。 組成：調(diào)制信號(hào)發(fā)生器（三角波和鋸齒波兩種）和比較放大器。 原理：以三角波發(fā)生器為例介紹,7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制,,USr 速度指令轉(zhuǎn)化過(guò) 來(lái)的直流電壓 U- 三角波 USC- 脈寬調(diào)制器的輸出（US r+U） 調(diào)制波形圖,7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制,,,,7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制,全數(shù)字式PWM,,,