伺服电机与伺服控制系统原理精.ppt

伺服电机与伺服控制系统原理第1页，本讲稿共48页基本概念的介绍与举例伺服电机原理介绍伺服控制系统介绍总结内容第2页，本讲稿共48页 “伺服伺服”词源于希腊语词源于希腊语“奴隶奴隶”的意的意思。思。一、“伺服”的含义 Servomechanism第3页，本讲稿共48页伺服系统应用举例（2）机械手手臂伸缩运动的电液伺服系统原理图。1电放大器 2电液伺服阀 3液压缸 4机械手手臂 5齿轮齿条机构 6电位器 7步进电机 第4页，本讲稿共48页伺服系统应用举例（1）图图1.7 液压仿形车床工作原理图液压仿形车床工作原理图 1.2.3.4节流口5工件6刀具7样件8触销9油缸10油泵第5页，本讲稿共48页二二.伺服系统的定义：伺服系统的定义：(servomechanism)(servo-system）伺服系统是指实现输出变量精确地跟随或复现输入变量的控制系统。第6页，本讲稿共48页伺服电机伺服电机（伺服电机（servo motor）伺服电动机又称执行电动机，在自动控伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，制系统中，它的转矩和转速受信号电压控它的转矩和转速受信号电压控制制。当信号电压的大小和相位发生变化时，。当信号电压的大小和相位发生变化时，电动机的转速和转动方向将非常灵敏和准电动机的转速和转动方向将非常灵敏和准确地跟着变化。当信号确地跟着变化。当信号消失消失时，转子能及时，转子能及时地停转。时地停转。第7页，本讲稿共48页伺服电机的分类伺服电机伺服电机交流伺服电机交流伺服电机直流伺服电机直流伺服电机鼠笼转子鼠笼转子杯形转子杯形转子第8页，本讲稿共48页一、直流电动机工作原理一、直流电动机工作原理安培定律磁场的磁感应强度导体中的电流导体的有效长度第9页，本讲稿共48页直流电机原理如图所示：N和S是一对固定的磁极（一般是电磁铁，也可为永久磁铁），两级之间装着一个可以转动的铁质圆柱体，圆柱体表面上固定这一个线圈，上边为a，下圈为x，通入如图所示的电流根据左手定则便可得出电磁转矩。载流线圈在磁场中产生转矩载流线圈在磁场中产生转矩第10页，本讲稿共48页一、直流电机原理为什么为什么要用要用电刷？电刷？第11页，本讲稿共48页一、直流电机的原理这样的连接方法只有一组线圈得电，绕组使用率低，那么如何提高绕组的使用率呢？第12页，本讲稿共48页改进后的绕线改进后的绕组改进后的绕组提高了绕组的使用率提高了绕组的使用率第13页，本讲稿共48页直流电机的励磁方式励磁概念：由电流激励出磁场的过程叫做励磁。励磁概念：由电流激励出磁场的过程叫做励磁。他励他励并励并励串励串励第14页，本讲稿共48页直流电机的基本方程式1.电气系统的电动平衡方程电气系统的电动平衡方程感应电动势感应电动势第15页，本讲稿共48页1.电气系统的电动平衡方程电气系统的电动平衡方程电源电压电源电压电枢绕组上的端电压电枢绕组上的端电压励磁绕组上的端电压励磁绕组上的端电压电枢电流电枢电流励磁电流励磁电流电枢电路的电阻电枢电路的电阻励磁回路的电阻励磁回路的电阻电枢回路的自感系数电枢回路的自感系数励磁回路的自感系数励磁回路的自感系数电动机的机械角速度电动机的机械角速度第16页，本讲稿共48页2.机械系统的转矩平衡方程电磁转矩电磁转矩负载转矩负载转矩空载损耗转矩空载损耗转矩 如果电动机以恒如果电动机以恒角速度转动，则角速度转动，则 ：第17页，本讲稿共48页实例：直流伺服系统常数第18页，本讲稿共48页实例：直流伺服系统伺服电机在磁化曲线的线性范围内使用，因而气隙磁通 正比于励磁电流，即：式中：常数由电动机产生的转矩 正比于电枢电流和气隙磁通的乘积，即式中：常数为磁场励磁电流是电枢电流第19页，本讲稿共48页实例：直流伺服系统在电枢控制的直流电动机中，励磁电流为常数，故上式可写成：式中：电动机的转矩常数由控制输入电压由控制输入电压 开始，系统的因果方程为开始，系统的因果方程为1.电枢电压方程：第20页，本讲稿共48页实例：直流伺服系统2.电动机转矩3.转矩平衡方程4.电动机的反电动势正比于速度反电动势常数第21页，本讲稿共48页系统因果方程拉氏变换为实例：直流伺服系统当负载转矩其传递函数是:第22页，本讲稿共48页实例：直流伺服系统直流伺服电机的系统方框图直流伺服电机的系统方框图第23页，本讲稿共48页主要内容7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制（一定）一定）电枢回路电压平衡方程式电枢回路电压平衡方程式感应电势与转速关系感应电势与转速关系电磁转矩电磁转矩 直流伺服电机的调速原理与方法直流伺服电机的调速原理与方法原原理理图图等等效效图图第24页，本讲稿共48页电电机机转转速速与与理理想想转转速速的的差差n，反反映映了了电电机机机机械械特特性性硬硬度度，n越越小小（转转矩矩对对转转速速变变化化的的影影响响程程度度越越小小），机械特性越硬。，机械特性越硬。n0主要内容TTn n直流电机转速与转矩的关系直流电机转速与转矩的关系n=f(T)n=f(T)称称机械特性机械特性直流电机的基本调速方式有三种直流电机的基本调速方式有三种:调节调节电阻电阻Ra、调节电枢电压调节电枢电压Ua和调节磁通和调节磁通的值。的值。7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制第25页，本讲稿共48页主要内容他励式直流伺服电机的转速公式他励式直流伺服电机的转速公式第26页，本讲稿共48页电枢电阻调速很少采用，电枢电阻调速很少采用，缺点：缺点：不经济：要得到低速，不经济：要得到低速，R R很大，则消耗大量电能；很大，则消耗大量电能；低速，特性很软，运转稳定性很差；低速，特性很软，运转稳定性很差；调节平滑性差，操作费力。调节平滑性差，操作费力。7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制主要内容Tnn0R0R2R1第27页，本讲稿共48页主要内容调节电枢电压调节电枢电压（调压调速）（调压调速）时，直流电机机械特性为一组时，直流电机机械特性为一组平行线，只改变电机的理想转速平行线，只改变电机的理想转速n n0 0 ，保持了原有较硬的，保持了原有较硬的机械特性，所以机械特性，所以调压调速调压调速主要用于主要用于伺服进给驱动系统电机伺服进给驱动系统电机的调速的调速如如果果n n值值较较大大，不不可可能能实实现现宽宽范范围围的的调调速速。永永磁磁式式直直流流伺伺服服电电机机的的n n值值较较小小，因因此此，进进给给系系统统常常采采用用永永磁磁式直流电机。式直流电机。7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制第28页，本讲稿共48页主要内容调调节节磁磁通通（调调磁磁调调速速）不不但但改改变变了了电电机机的的理理想想转转速速，而且使直流电机机械特性变软而且使直流电机机械特性变软7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制第29页，本讲稿共48页主要内容 直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式调速的概念有两个方面的含义调速的概念有两个方面的含义:1)1)改变电机转速：当给定速度变化时改变电机转速：当给定速度变化时,电机的速度随电机的速度随之变化之变化,并希望以最快的加减速达到新的给定速度值；并希望以最快的加减速达到新的给定速度值；2)2)当给定速度不变化时当给定速度不变化时,电机的速度保持稳定不变。电机的速度保持稳定不变。7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制第30页，本讲稿共48页主要内容直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式 需对直流电压的大小和方向进行控制需对直流电压的大小和方向进行控制直流伺服电机速度控制单元的作用：直流伺服电机速度控制单元的作用：将转速指令信号转换成将转速指令信号转换成电枢的电压值电枢的电压值，达到速度调节的目的。，达到速度调节的目的。直流电机速度控制单元常采用的调速方法：直流电机速度控制单元常采用的调速方法：1.1.晶闸管（可控硅）调速系统晶闸管（可控硅）调速系统 2.2.晶体管脉宽调制（晶体管脉宽调制（PWM Pulse Width ModulatedPWM Pulse Width Modulated）调速系统。）调速系统。第31页，本讲稿共48页主要内容1 1晶闸管调速系统晶闸管调速系统常用于大功率及要求不很高的直流伺服电机调速控制。常用于大功率及要求不很高的直流伺服电机调速控制。7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制U*n主要内容速度速度调节器调节器电流电流调节器调节器触发脉冲触发脉冲发生器发生器可控硅可控硅电流反馈电流反馈速度反馈速度反馈电流检测电流检测编码器编码器电机电机+-UnInI*n+-US第32页，本讲稿共48页 控制控制回路回路主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。速度环：速度调节，作用：好的静态、动态特性。速度环：速度调节，作用：好的静态、动态特性。电流环：电流调节，作用：系统快速性、稳定性改善。电流环：电流调节，作用：系统快速性、稳定性改善。触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或后移。后移。第33页，本讲稿共48页7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制462791113581210ABCMUMUDKMKM+-主回路主回路由大功率晶闸管构成的三相全控桥式反并接可逆电路，分成由大功率晶闸管构成的三相全控桥式反并接可逆电路，分成二大部分（二大部分（和和 ），每部分内按三相桥式连接，二组反并接，分），每部分内按三相桥式连接，二组反并接，分别实现正转别实现正转 和反转。和反转。各有一个可控硅同时导通，形成回路。各有一个可控硅同时导通，形成回路。第34页，本讲稿共48页7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制1 1、3 3、5 5在正半周导通，在正半周导通，2 2、4 4、6 6在负半周导通。在负半周导通。每组内（即二相间）触发脉冲相位相差每组内（即二相间）触发脉冲相位相差120120，触发脉冲的顺序：触发脉冲的顺序：1-2-3-4-5-61-2-3-4-5-6，相邻之间相位，相邻之间相位差差6060。为保证合闸后两个串联可控硅能同时导为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通通，或已截止的相再次导通或已截止的相再次导通，采用双脉冲控制。即，采用双脉冲控制。即每个触发脉冲在导通每个触发脉冲在导通6060后，再补发一个辅助脉冲；也后，再补发一个辅助脉冲；也可以采用宽脉冲控制，宽度大于可以采用宽脉冲控制，宽度大于6060，小于，小于120120。第35页，本讲稿共48页7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制 只要改变可控硅只要改变可控硅触发角（即改变导通触发角（即改变导通角），就能改变可控角），就能改变可控硅的整流输出电压，硅的整流输出电压，从而改变直流伺服电从而改变直流伺服电机的转速。机的转速。触发脉冲提前，触发脉冲提前，增大整流输出电压；增大整流输出电压；触发脉冲延后，减小触发脉冲延后，减小整流输出电压。整流输出电压。uacbcaba)b)c)d)135 tub246bcatttt1 1 3 3 5 5 1 1 3 3 6 2 2 4 4 6 6 2 2 4 135246120120180601324606056第36页，本讲稿共48页晶闸管调节电路第37页，本讲稿共48页主要内容2PWM调速控制系统调速控制系统利利用用大大功功率率晶晶体体管管的的开开关关作作用用，将将直直流流电电压压转转换换成成一一定定频频率率的的方方波波电电压压，加加到到直直流流电电动动机机的的电电枢枢上上；通通过过调调整整控控制制方方波波脉脉冲冲宽宽度度来来改改变电枢的平均电压，从而调节电机的转速。变电枢的平均电压，从而调节电机的转速。控制电路简单，不需附加关断电路，开关特性好。控制电路简单，不需附加关断电路，开关特性好。广泛应用中、广泛应用中、小功率直流伺服系统。小功率直流伺服系统。周期不变周期不变脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽平均直流电压平均直流电压Ut周期不变周期不变7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制第38页，本讲稿共48页主要内容直流电机电压的平均值直流电机电压的平均值:T脉冲周期，脉冲周期，Ton导通时间导通时间7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制第39页，本讲稿共48页脉宽调制（脉宽调制（PWMPWM）系统组成：）系统组成：主要内容主要内容速度速度调节器调节器电流反馈电流反馈脉宽脉宽调制调制基极基极驱动驱动功功放放振荡器振荡器 电流电流调节器调节器M M速速度度指指令令 三相交流电三相交流电整流整流速度反馈速度反馈U UsrsrU USCSCUUU Ub b7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制第40页，本讲稿共48页 控制回路：控制回路：速度调节器；电流调节器；固定频率振荡器及三角波速度调节器；电流调节器；固定频率振荡器及三角波发生器；脉宽调制器和基极驱动电路。发生器；脉宽调制器和基极驱动电路。区别：区别：与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节 器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器。器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器。第41页，本讲稿共48页脉宽调制器脉宽调制器作用：将作用：将电压量电压量转换成可由控制信号调节的转换成可由控制信号调节的矩形脉冲矩形脉冲，为功率，为功率晶体管的基极提供一个宽度可由速度指令信号调节的脉宽电晶体管的基极提供一个宽度可由速度指令信号调节的脉宽电压。压。组成：调制信号发生器（三角波和锯齿波两种）和比较放大组成：调制信号发生器（三角波和锯齿波两种）和比较放大器。器。原理：以三角波发生器为例介绍原理：以三角波发生器为例介绍 7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制第42页，本讲稿共48页R1+12VUSCR1R3R2+-12VU S rU-U USrSr 速度指令转化过速度指令转化过 来的直流电压来的直流电压U U-三角波三角波U USCSC-脉宽调制器的输出（脉宽调制器的输出（U US rS r+U U）调制波形图调制波形图ttU U S rS r+U +U+U S roo-U S rttU US rS r为正时为正时U USrSr为负时为负时U U S rS r+U +U ttU USrSr为为0 0时时调制出正负脉宽一样调制出正负脉宽一样方波平均电压为方波平均电压为0 0调制出脉宽较宽的调制出脉宽较宽的波形平均电压为正波形平均电压为正调制出脉宽较窄的调制出脉宽较窄的波形平均电压为负波形平均电压为负7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制第43页，本讲稿共48页7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制第44页，本讲稿共48页全数字式PWM第45页，本讲稿共48页第46页，本讲稿共48页第47页，本讲稿共48页第48页，本讲稿共48页