伺服驅(qū)動與控制-伺服驅(qū)動.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)動控制三、交流伺服電機(jī)與驅(qū)動控制四、步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動控制五、新型驅(qū)動機(jī)構(gòu)六、本章實驗,一、概述,1.定義：能夠?qū)⒎菣C(jī)械能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能動力元件。2.分類：電磁執(zhí)行元件、液壓執(zhí)行元件、氣動執(zhí)行元件三大類。（1）電磁執(zhí)行元件：通過電磁轉(zhuǎn)換將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的動力元件，應(yīng)用最廣泛，包括按照輸出形式分為旋轉(zhuǎn)電機(jī)、直線電機(jī)；按照電機(jī)類型包括交流電機(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)械能的動力元件，包括：液壓馬達(dá)（旋轉(zhuǎn)運動）、液壓缸（直線運動）。（3）氣動執(zhí)行元件：將氣壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的動力元件，包括：氣馬達(dá)（旋轉(zhuǎn)運動）、氣缸（直線運動）。,一、概述,3.執(zhí)行元件的特性主要從以下幾個方面來衡量執(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)動能力，如電機(jī)最大輸出扭矩，液壓缸最大輸出力；（2）運動速度：指正常工作時，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和氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率密度大。,一、概述,4.電機(jī)的選型與計算原則（1）確定電機(jī)的種類交流伺服電機(jī)適用于具有較高控制精度要求的場合；直流電機(jī)適用于低速大扭矩而控制精度相對較高的控制場合；步進(jìn)電機(jī)適用于控制精度較低的開環(huán)控制場合。（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)、開環(huán)；電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)）；確定電機(jī)的驅(qū)動電壓。,二、直流伺服電機(jī)與驅(qū)動控制,直流電機(jī)的特點優(yōu)點：直流電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩大，低速性能好；在重負(fù)載條件下，實現(xiàn)均勻、平滑的無級調(diào)速；調(diào)速范圍寬，起動力矩大；成本較低。缺點：直流電機(jī)的最大缺點就是有電流的換向問題。,2.應(yīng)用場合各種機(jī)器人控制；火炮高低、方位隨動系統(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)動控制,3.直流電機(jī)的分類永磁式直流電機(jī)電磁式直流電機(jī)直流它勵電機(jī)：勵磁繞組與電樞沒有聯(lián)系，由另外直流電源供給。因此勵磁電流不受電樞端電壓或電樞電流的影響。直流并勵電機(jī)：勵磁繞組兩端電壓就是電樞兩端電壓，勵磁繞組具有較大的電阻，使得通過他的勵磁電流較小。直流串勵電機(jī)：勵磁繞組和電樞串聯(lián)，勵磁磁場隨著電樞電流的改變有顯著的變化。直流復(fù)勵電機(jī)：電動機(jī)的磁通由兩個繞組內(nèi)的勵磁電流產(chǎn)生。,二、直流伺服電機(jī)與驅(qū)動控制,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)；,---電動機(jī)的每極磁通；,---電動機(jī)的極對數(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，電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨電磁轉(zhuǎn)矩變化而變化的規(guī)律，稱直流電機(jī)的機(jī)械特性。為與電動機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的電勢常數(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)動控制,6.3動態(tài)特性直流電機(jī)的起動存在一個過渡過程，其工作狀態(tài)稱為動態(tài)，可用下面的式子進(jìn)行描述：---穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速---機(jī)械時間常數(shù)，是影響過渡過程的主要參數(shù)，其表達(dá)式為：決定機(jī)械時間常數(shù)的主要因素有：系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量、電樞回路電阻。,,二、直流伺服電機(jī)與驅(qū)動控制,7直流電機(jī)的驅(qū)動與控制電機(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（順著控制繞組軸線的是直軸，與其成90電角度的軸線是交軸），利用其交軸的電樞反應(yīng)磁場，實現(xiàn)兩級放大，其作用原理如圖所示。,,二、直流伺服電機(jī)與驅(qū)動控制,若交磁擴(kuò)大機(jī)在電動機(jī)拖動下恒速旋轉(zhuǎn)，則當(dāng)控制繞組通有控制電流Ik時，交軸電刷q-q間就產(chǎn)生電動勢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勢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，實現(xiàn)功率放大。優(yōu)點：二級發(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，動態(tài)響應(yīng)快，加速減速性能好，靜差小，調(diào)速范圍大。缺點：補(bǔ)償復(fù)雜、換向困難，存在滯環(huán)，易造成工作點不穩(wěn)定，導(dǎo)致整個系統(tǒng)不穩(wěn)定；需要原電機(jī)帶動，結(jié)構(gòu)負(fù)載，成本高。,,二、直流伺服電機(jī)與驅(qū)動控制,7.2H型橋控制方式,,,,H橋式電機(jī)驅(qū)動電路包括4個三極管和一個電機(jī)。要使電機(jī)運轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導(dǎo)通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機(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，電機(jī)順時針方向旋轉(zhuǎn)；當(dāng)Q2管和Q3管導(dǎo)通時，電機(jī)逆時針方向旋轉(zhuǎn)。,Q1和Q4導(dǎo)通,Q2和Q3導(dǎo)通,二、直流伺服電機(jī)與驅(qū)動控制,,,,驅(qū)動電機(jī)時，必須保證H橋上兩個同側(cè)的三極管不能同時導(dǎo)通，否則會造成短路而燒壞三極管。下圖的改進(jìn)電路增加了4個與門和2個非門，便可以保證任何時候在H橋的同側(cè)都只有一個三極管導(dǎo)通。,二、直流伺服電機(jī)與驅(qū)動控制,,,,7.3PWM控制方式,脈寬調(diào)制(PulseWidthModulation，PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(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)控制信號為低時光耦導(dǎo)通，三極管Q1導(dǎo)通，流過電機(jī)的電流為Iq；當(dāng)控制信號為高或懸空時光耦截止，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，電機(jī)通過續(xù)流二極管D1形成電流回路放電。當(dāng)三極管Q1導(dǎo)通時，電源電流流過電機(jī)；當(dāng)三極管Q1截止時，電機(jī)中線圈電流通過續(xù)流二極管放電。由于電機(jī)線圈為電感，因此對電流有濾波作用，當(dāng)開關(guān)頻率合適，則可認(rèn)為電流基本沒有變化。因此，當(dāng)控制信號頻率不變時，調(diào)節(jié)占空比，即可調(diào)節(jié)流過電機(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)動控制,,,,現(xiàn)以IRF640場效應(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高阻輸入納秒級開關(guān)速度。,三、步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動控制,1.概述定義：步進(jìn)電機(jī)(又稱脈沖馬達(dá))是將脈沖信號轉(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，其速度與單位時間內(nèi)輸入的脈沖數(shù)成正比，電機(jī)運動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：不需要反饋就能對位置或速度進(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)動控制,2.原理與分類根據(jù)工作原理不同，步進(jìn)電機(jī)可分為三種：（1）反應(yīng)式（又稱為磁阻式步進(jìn)電機(jī)）：結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，運行頻率高，步距角小(0.09-9度)，價格便宜，易于操作。（2）永磁式：控制功率小、效率高、造價低，步距角較大(7.5-18度)。由于價格更便宜，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，又有永磁式步進(jìn)電機(jī)控制功率小、無勵磁時具有轉(zhuǎn)矩定位的優(yōu)點，但價格較高。,三、步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動控制,根據(jù)電機(jī)驅(qū)動架構(gòu)不同，可分為單極性和雙極性兩種：(1)單極性電機(jī)：每個繞組只能單一方向通電，也被稱為兩繞組步進(jìn)電機(jī)，因為它只含有兩個線圈。兩個線圈的極性相反，卷繞在同一鐵芯上，具有同一個中間抽頭。,單極性步進(jìn)電機(jī)可以來用三種步進(jìn)方式：1）單拍方式：每次僅給一個繞組通電，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并運動到轉(zhuǎn)子永磁體與具有相反極性的繞組對齊的位置。2）雙拍方式：同時給兩個繞組通電，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并在永磁體到達(dá)兩個通電繞組的中間位置點時平衡。比單拍方式的優(yōu)點是多獲得輸出力矩，代價是花費兩倍能量，因兩相繞組同時通電。3）半拍方式：工作時讓兩個繞組通電與單個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)動控制,(2)雙極性電機(jī)：每個繞組都可以雙向通電，其驅(qū)動電路則如圖所示（雙極性驅(qū)動電路可以同時驅(qū)動四線式或六線式步進(jìn)電機(jī)）,因為可以雙向通電，所以每個繞組都既可以是N極又可以是S極。它又被稱為單繞組步進(jìn)電機(jī)，因為每極只有單一的繞組，它還被稱為兩相步進(jìn)電機(jī)。雙極性步進(jìn)電機(jī)可以簡單地使用數(shù)字萬用表來查找兩個繞組。如果在某兩根引線之間能夠測量到阻值，那么這兩根引線之間就屬于一個繞組，其它兩根線之間是另外一個繞組。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)動控制,3步進(jìn)電機(jī)靜態(tài)特性步進(jìn)電動機(jī)的靜態(tài)特性是指它在穩(wěn)定狀態(tài)時的特性，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，轉(zhuǎn)子齒的中心線與定子齒的中心線相重合，轉(zhuǎn)子上沒有轉(zhuǎn)矩輸出，此時的位置為轉(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)子齒的中心線與定子齒的中心線將錯過一個電角度才能重新穩(wěn)定下來。此時轉(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)域稱為步進(jìn)電動機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。,三、步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動控制,4步進(jìn)電機(jī)動態(tài)特性步進(jìn)電機(jī)動態(tài)特性主要包括：起動轉(zhuǎn)矩、矩-頻特性和慣-頻特性。（1）起動轉(zhuǎn)矩：步進(jìn)電動機(jī)單相勵磁時所能帶動的極限負(fù)載轉(zhuǎn)矩。（2）啟動頻率：空載時步進(jìn)電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)突然起動，并進(jìn)入不失步的正常運行的最高頻率，稱為啟動頻率或突跳頻率，加給步進(jìn)電機(jī)的指令脈沖頻率如大于啟動頻率，就不能正常工作。（3）最高連續(xù)運行頻率：步進(jìn)電動機(jī)在連續(xù)運行時所能接受的最高控制頻率被稱為最高運行頻率，以表示。電機(jī)在連續(xù)運行狀態(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)定運行時輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運行頻率之間的關(guān)系。動態(tài)轉(zhuǎn)矩：矩頻特性上每一個頻率對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。,三、步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動控制,5步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路包括：脈沖信號產(chǎn)生電路、脈沖信號分配電路以及功率驅(qū)動電路。主要的驅(qū)動方式有:單電壓驅(qū)動、高低壓驅(qū)動、斬波恒流驅(qū)動、調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動和細(xì)分驅(qū)動。,,（1）單電壓驅(qū)動是最簡單的一種步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動方式，如圖所示，其中電機(jī)簡化為電感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)繞組中得到脈動的電流以驅(qū)動電機(jī)運行。優(yōu)點：線路簡單，成本最低。缺點：功率小，只能用于一些小功率場合。同時，為提高電流導(dǎo)通時回路電流上升的陡度，在驅(qū)動線路中需串接一個較大的電阻，以減小時間常數(shù)，但同時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)動控制,,（2）高低壓驅(qū)動高低壓驅(qū)動的基本思路是：在脈沖來到時，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，使電流建立時間大為縮短，在相電流建立起來后改用低電壓，以維持相電流的大小。優(yōu)點：減小甚至去掉了限流電阻，提高了驅(qū)動效率；提高了快速性，改善了運行性能。缺點：增加了一個高壓電源，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行時，由于高壓管的導(dǎo)通時間不變，輸入控制繞組的能量過多，使步進(jìn)電機(jī)低頻運行時振蕩加劇。,,三、步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動控制,,（3）斬波恒流驅(qū)動如圖，T1、T2是高頻開關(guān)管。當(dāng)控制脈沖Ui為低電平時,T1和T2均截止。當(dāng)Ui為高電平時,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)超過給定電壓Uc,比較器輸出低電平,與門因此輸出低電平,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,比較器又輸出高電平,與門輸出高電平,T1又導(dǎo)通,電源又開始向繞組供電。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：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：低速運行時由于繞組電流沖擊大，使低頻產(chǎn)生振蕩，運行不平穩(wěn)，噪聲大定位精度沒有提高等。,三、步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動控制,,（4）調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動調(diào)頻調(diào)壓方法的基本思想是：隨著步進(jìn)電機(jī)運行頻率的提高，同時提高功率放大電路的電源電壓；當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的運行頻率降低時，同時降低功率放大電路電源電壓。以期補(bǔ)償因運行頻率上升導(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。,,,優(yōu)點：矩頻特性較硬，能夠在較寬的頻率范圍內(nèi)運行。缺點：不能利用步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)多種步距角控制。,三、步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動控制,,（5）細(xì)分驅(qū)動前幾種驅(qū)動技術(shù)是從電流波形及矩角特性等方面來改善驅(qū)動性能，沒有提高步進(jìn)電機(jī)的固有分辨率，而細(xì)分驅(qū)動是針對步進(jìn)電機(jī)的分辨率及精度不高，精度與快速性相矛盾，動態(tài)中有丟步及振動、噪聲大等缺點而產(chǎn)生的一種比較特殊而有效的驅(qū)動控制方式。其實質(zhì)是步進(jìn)電機(jī)在輸入脈沖切換時，只改變相應(yīng)繞組中電流的一部分，即對相電流實施微量控制。,,,,優(yōu)點：易實現(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，而且電路簡單，性能穩(wěn)定可靠。缺點：由于單片微機(jī)運行速度的限制，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)動技術(shù)也日漸成熟。,四、交流伺服電機(jī)與驅(qū)動控制,1.交流永磁伺服電機(jī)的特點（1）具有較硬的機(jī)械特性，對負(fù)載擾動有較強(qiáng)的魯棒性。（2）無勵磁電路，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，無需勵磁電流，可顯著提高功率因素，并減少了定子電阻損耗，提高了運行效率。（3）能在極低轉(zhuǎn)速下保持同步運行，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)用場合逐漸在代替直流電機(jī),四、交流伺服電機(jī)與驅(qū)動控制,3.交流伺服電機(jī)的分類3.1根據(jù)驅(qū)動方式不同分為無刷直流電動機(jī)(簡稱BLDCM)和三相永磁交流同步電動機(jī)(簡稱PMSM)兩種，它們的區(qū)別在于前者的感應(yīng)電動勢為梯形波，電流為方波，而后者的感應(yīng)電動勢和電流都為正弦波。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)不對稱，氣隙磁場分布不均勻，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)：勵磁繞組兩端電壓就是電樞兩端電壓，勵磁繞組具有較大的電阻，使得通過他的勵磁電流較小。直流串勵電機(jī)：勵磁繞組和電樞串聯(lián)，勵磁磁場隨著電樞電流的改變有顯著的變化。直流復(fù)勵電機(jī)：電動機(jī)的磁通由兩個繞組內(nèi)的勵磁電流產(chǎn)生。,四、交流伺服電機(jī)與驅(qū)動控制,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。,如果在三相空間對稱的定子繞組中通入三相時間上也對稱的正弦電流，則在定子、轉(zhuǎn)子氣隙間將產(chǎn)生一個圓形旋轉(zhuǎn)磁場。等效旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速為：,,,為電機(jī)極對數(shù),四、交流伺服電機(jī)與驅(qū)動控制,5.交流伺服電機(jī)驅(qū)動技術(shù),要實現(xiàn)調(diào)速控制，通過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（或稱交－直－交變頻裝置）。利用功率開關(guān)器件的通斷把直流電壓變換成電壓脈沖列，并通過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是通過參考正弦電流信號與相電流瞬時值信號進(jìn)行比較所產(chǎn)生的差值繼電信號來控制。其中繼電元件滯環(huán)寬度。設(shè)VT1導(dǎo)通，則增加。當(dāng)時，VT1關(guān)斷，VT4導(dǎo)通，于是下降。當(dāng)時，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，逆變橋的開關(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。通過生成的SPWM信號來控制逆變器的功率器件的開、關(guān)就可以實現(xiàn)電機(jī)的變頻調(diào)速。,四、交流伺服電機(jī)與驅(qū)動控制,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，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值為、、，引入Clark變換，可以將瞬時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)動控制,當(dāng)永磁同步電機(jī)由三相平衡對稱正弦電壓供電時，其定子磁鏈與電壓空間矢量軌跡重合，這樣對電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場形狀的分析可轉(zhuǎn)化為對合成電壓空間矢量軌跡的分析。,,逆變器上、下橋臂的開關(guān)器件在任一時刻不能同時導(dǎo)通，處于互逆狀態(tài)。為了便于分析，可將三個橋臂的狀態(tài)抽象成開關(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)成了對應(yīng)的基本電壓矢量。,以開關(guān)狀態(tài)(011)為例，此時，,，,同理可得：,四、交流伺服電機(jī)與驅(qū)動控制,逆變器可以輸出如圖示在空間分布的八個電壓空間矢量。其中(000)和(111)狀態(tài)對應(yīng)的逆變器輸出電壓空間矢量為零，稱為零矢量。其它6個矢量稱為有效矢量，有效矢量的長度均為。SVPWM調(diào)制技術(shù)就是利用各個基本電壓空間矢量的作用時間不同，來等效合成所需要的空間矢量。,,四、交流伺服電機(jī)與驅(qū)動控制,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機(jī)上設(shè)法模擬直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的規(guī)律，通過矢量變換將三相交流電機(jī)的定子電流在按轉(zhuǎn)子磁場定向的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d-q）上進(jìn)行分解，得到產(chǎn)生磁通的勵磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量。通過控制定子電流的幅值和相位，對坐標(biāo)變換后的兩個分量進(jìn)行獨立地控制，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)矩對應(yīng)于一定的和，通過控制旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的直流量來達(dá)到對三相定子坐標(biāo)系上交流量的控制，實現(xiàn)對交流電機(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)動控制,,轉(zhuǎn)子磁場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、轉(zhuǎn)子位置和速度檢測、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控制模塊等幾個環(huán)節(jié)。,四、交流伺服電機(jī)與驅(qū)動控制,永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng),控制主回路,整個控制回路,四、交流伺服電機(jī)與驅(qū)動控制,IPM模塊：PM25RLA120為三菱第五代“L系列”產(chǎn)品，帶過溫（OT）、短路（SC）和控制電源欠電壓（UV）保護(hù)，以及制動電路。由于PM25RLA120能夠達(dá)到的輸出功率為3.7KW，便于驅(qū)動一定容量的電機(jī)，使驅(qū)動器具有一定的通用性。,五、實驗,實驗二：（1）在實驗臺上測試直流電機(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。（2）在實驗臺上測試步進(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。（3）在實驗臺上測試交流電機(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。,