伺服電機(jī)與伺服控制系統(tǒng)原理.ppt
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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):120072406492012-3-15,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(chē)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(xiāo)9——油缸10——油泵,二.伺服系統(tǒng)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)(servomotor)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),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,——?jiǎng)?lì)磁繞組上的端電壓,——電樞電流,——?jiǎng)?lì)磁電流,——電樞電路的電阻,——?jiǎng)?lì)磁回路的電阻,——電樞回路的自感系數(shù),——?jiǎng)?lì)磁回路的自感系數(shù),——電動(dòng)機(jī)的機(jī)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Δn,反映了電機(jī)機(jī)械特性硬度,Δn越?。ㄞD(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Φ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)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Δn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Δn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(PWMPulseWidthModulated)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(Ⅰ和Ⅱ),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,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,,2.PWM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??刂齐娐泛?jiǎn)單,不需附加關(guān)斷電路,開(kāi)關(guān)特性好。廣泛應(yīng)用中、小功率直流伺服系統(tǒng)。,,,,,,,,,,,,周期不變,,,,,,,,,,脈寬,脈寬,脈寬,脈寬,平均直流電壓,U,ωt,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(USr+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,,,- 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