第六章数控伺服系统PPT讲稿.ppt

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1、第六章数控伺服系统第六章数控伺服系统第1页，共68页，编辑于2022年，星期三6.1 6.1 概概 述述 伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和放大统。它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。伺服系统是数控装置后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。伺服系统是数控装置(计计算机算机)和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分。和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分。数控机床伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统、伺数控机床伺服系统又

2、称为位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元。服机构或伺服单元。该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂，综合性该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂，综合性强强。第2页，共68页，编辑于2022年，星期三6.1 6.1 概概 述述 进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说C装置是数控系统的装置是数控系统的“大脑大脑”，是发布，是发布“命令命令”的的“指挥所指挥所”，那么进给伺服系统则是数控系统的，那么进给伺服系统则是数控系统的“四四肢肢”，是一种，是一种“执行机构执行机构”。它忠实地执行由。它忠实地执行由CNC装置发来的运动命令，精确控制执行部

3、件的运动方装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。向，进给速度与位移量。第3页，共68页，编辑于2022年，星期三6.1.1 6.1.1 伺服系统的组成伺服系统的组成 组成：组成：伺服电机伺服电机 驱动信号控制转换电路驱动信号控制转换电路 电子电力驱动放大模块电子电力驱动放大模块 位置调节单元位置调节单元 速度调节单元速度调节单元 电流调节单元电流调节单元 检测装置检测装置一般闭环系统为三环结构一般闭环系统为三环结构：位置环、速度环、电流环。：位置环、速度环、电流环。第4页，共68页，编辑于2022年，星期三6.1.1 6.1.1 伺服系统的组成伺服系统的组成 位置调

4、解位置调解速度调解速度调解电流调解电流调解转换驱动转换驱动工作台工作台电流反馈电流反馈速度反馈速度反馈位置反馈位置反馈MG 位置、速度和电流环均由：位置、速度和电流环均由：调节控制模块调节控制模块、检测检测和和反馈反馈部分组成。电力电子驱动装置由部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路驱动信号产生电路和和功率功率放大器放大器组成。组成。严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度控制包括速度和电流控制。控制包括速度和电流控制。第5页，共68页，编辑于2022年，星期三1 1精度高精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程伺服系统

5、的精度是指输出量能复现输入量的精确程 度。包括定位精度和轮廓加工精度。度。包括定位精度和轮廓加工精度。2 2稳定性好稳定性好 稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在 短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。直接短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。直接 影响数控加工的精度和表面粗糙度。影响数控加工的精度和表面粗糙度。3 3快快速速响响应应 快快速速响响应应是是伺伺服服系系统统动动态态品品质质的的重重要要指指标标，它它反反映映了了系系统统的的跟踪精度。跟踪精度。4 4调速范围宽调速范围宽 调速范围是指生产机械要求电机能提

6、供的最高转速调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速 和最低转速之比。和最低转速之比。0 024m/min24m/min。5 5低速大转矩低速大转矩 进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度 范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转 矩控制，能提供较大转矩。在高速时为恒功率控制，具有足够大矩控制，能提供较大转矩。在高速时为恒功率控制，具有足够大 的输出功率。的输出功率。6.1.2 6.1.2 6.1.2 6.1.2 对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本

7、要求对伺服系统的基本要求 第6页，共68页，编辑于2022年，星期三对伺服电机的要求：对伺服电机的要求：（1）调运范围宽且有良好的稳定性，低速时的速度平稳性）调运范围宽且有良好的稳定性，低速时的速度平稳性（2 2）电机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速电机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速 大转矩的要求。大转矩的要求。（3 3）反应速度快，电机必须具有较小的转动惯量、较大的反应速度快，电机必须具有较小的转动惯量、较大的 转矩、尽可能小的机电时间常数和很大的加速度转矩、尽可能小的机电时间常数和很大的加速度 (400rad/s(400rad/s2 2以上以上)。（4 4）能承受频繁

8、的起动、制动和正反转。）能承受频繁的起动、制动和正反转。6 6 6 6.1.2.1.2.1.2.1.2 对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求 第7页，共68页，编辑于2022年，星期三 1 1按调节理论分类按调节理论分类（1 1）开环伺服系统）开环伺服系统 （2）闭环伺服系统）闭环伺服系统 （3）半闭环伺服系统）半闭环伺服系统6.1.2 6.1.2 6.1.2 6.1.2 伺服系统的分类伺服系统的分类伺服系统的分类伺服系统的分类指令指令驱动电路驱动电路步进电机步进电机工作台工作台脉冲脉冲伺服电机伺服电机速度检测速度检测速度控制速度控制位置控制位置控制

9、位置检测位置检测伺服电机伺服电机速度控制速度控制位置控制位置控制工作台工作台脉冲编码器脉冲编码器指令指令第8页，共68页，编辑于2022年，星期三6.1.26.1.26.1.26.1.2 伺服系统的分类伺服系统的分类伺服系统的分类伺服系统的分类n开环数控系统开环数控系统w没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置进给系统），故系统稳定性好。进给系统），故系统稳定性好。电机电机机械执行部件机械执行部件A相、相、B相相C相、相、f、nCNC插补指令插补指令脉冲频率脉冲频率f脉冲个数脉冲个数n换算换算脉冲环脉冲环形分配形分配变换变换功率功率放大放大第9页，共

10、68页，编辑于2022年，星期三 6.1.26.1.26.1.26.1.2 伺服系统的分类伺服系统的分类伺服系统的分类伺服系统的分类 n无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。精度。n一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。n这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得

11、到广泛应用。一般用于经济驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。型数控机床。第10页，共68页，编辑于2022年，星期三6.1.26.1.26.1.26.1.2 伺服系统的分类伺服系统的分类伺服系统的分类伺服系统的分类n 半闭环数控系统半闭环数控系统w半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常常用伺服电机用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。接检测运动部件的实际位置。位置控制调节位置控制调节器器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈单

12、检测与反馈单元元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+-电机电机机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令实际实际位置位置反馈反馈实际实际速度速度反馈反馈第11页，共68页，编辑于2022年，星期三6.1.26.1.26.1.26.1.2 伺服系统的分类伺服系统的分类伺服系统的分类伺服系统的分类 w半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。统，但比闭环要好。w由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消由于丝

13、杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。w半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代而在现代CNC机床中得到了广泛应用。机床中得到了广泛应用。第12页，共68页，编辑于2022年，星期三6.1.26.1.26.1.26.1.2 伺服系统的分类伺服系统的分类伺服系统的分类伺服系统的分类 n 全闭环数控系统全闭环数控系统w全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对

14、运全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。动部件的实际位置进行检测。位置控制调节位置控制调节器器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈检测与反馈单元单元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+-电机电机机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令实际实际位置位置反馈反馈实际实际速度速度反馈反馈第13页，共68页，编辑于2022年，星期三6.1.2 6.1.2 6.1.2 6.1.2 伺服系统的分类伺服系统的分类伺服系统的分类伺服系统的分类 w从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙

15、和失动量。具有很高的位置控制精度。隙和失动量。具有很高的位置控制精度。w由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。环系统的设计、安装和调试都相当困难。w该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。精磨床以及较大型的数控机床等。第14页，共68页，编辑于2022年，星期三2 2按使用的执行元件分类按使用的执行元件分类（1）电液伺服系

16、统）电液伺服系统 电液脉冲马达和电液伺服马达。电液脉冲马达和电液伺服马达。优点：在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常优点：在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常 数小、反应快和速度平稳。数小、反应快和速度平稳。缺点：液压系统需要供油系统，体积大。噪声、漏油。缺点：液压系统需要供油系统，体积大。噪声、漏油。（2）电气伺服系统）电气伺服系统 伺服电机（伺服电机（步进电机步进电机、直流电机和交流电机）、直流电机和交流电机）优点：操作维护方便，可靠性高。优点：操作维护方便，可靠性高。1）直流伺服系统）直流伺服系统 进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺进给运动系统采用大惯量宽调速永磁

17、直流伺 服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺 服电机。服电机。优点：调速性能好。缺点：有电刷，速度不高。优点：调速性能好。缺点：有电刷，速度不高。2）交流伺服系统）交流伺服系统 交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系 统）统）和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。优点：结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作。动优点：结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作。动 态响态响 应好、转速高和容量大。应好、转速高和容量大。6.1.26

18、.1.26.1.26.1.2 伺服系统的分类伺服系统的分类伺服系统的分类伺服系统的分类 第15页，共68页，编辑于2022年，星期三3 3按被控对象分类按被控对象分类 （1）进给伺服系统）进给伺服系统 指一般概念的位置伺服系统，包指一般概念的位置伺服系统，包 括速度控制环和位置控制环。括速度控制环和位置控制环。（2）主轴伺服系统）主轴伺服系统 只是一个速度控制系统。只是一个速度控制系统。C 轴控制功能。轴控制功能。4按反馈比较控制方式分类按反馈比较控制方式分类 （1）脉冲、数字比较伺服系统）脉冲、数字比较伺服系统 （2）相位比较伺服系统）相位比较伺服系统 （3）幅值比较伺服系统）幅值比较伺服系

19、统 （4）全数字伺服系统）全数字伺服系统6.1.26.1.26.1.26.1.2 伺服系统的分类伺服系统的分类伺服系统的分类伺服系统的分类 第16页，共68页，编辑于2022年，星期三6.2 6.2 伺服电动机伺服电动机 伺服电动机伺服电动机为数控伺服系统的重要组成部分，是速为数控伺服系统的重要组成部分，是速 度和轨迹控制的执行元件。度和轨迹控制的执行元件。数控机床中常用的伺服电机数控机床中常用的伺服电机：直流伺服电机（调速性能良好）直流伺服电机（调速性能良好）交流伺服电机（主要使用的电机）交流伺服电机（主要使用的电机）步进电机（适于轻载、负荷变动不大）步进电机（适于轻载、负荷变动不大）直线电

20、机（高速、高精度）直线电机（高速、高精度）第17页，共68页，编辑于2022年，星期三 常用的直流电动机有：永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、常用的直流电动机有：永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、印刷绕组）印刷绕组）励磁式直流电机励磁式直流电机 混合式直流电机混合式直流电机 无刷直流电机无刷直流电机 直流力矩电机直流力矩电机 直流进给伺服系统：直流进给伺服系统：永磁式直流电机类型中的永磁式直流电机类型中的有槽电枢永磁直有槽电枢永磁直 流电机（普通型）流电机（普通型）；直流主轴伺服系统：直流主轴伺服系统：励磁式直流电机类型中的励磁式直流电机类型中的他激直流电机他激直流电机。6.2.1 6.2.1

21、 6.2.1 6.2.1 直流伺服电机及工作特性直流伺服电机及工作特性直流伺服电机及工作特性直流伺服电机及工作特性 第18页，共68页，编辑于2022年，星期三 1直流伺服电机的结构极靴极靴机壳机壳瓦状永磁材料（定子）瓦状永磁材料（定子）电枢（转子）电枢（转子）换向极换向极主磁极主磁极定子定子转子转子线圈线圈图图6.5永磁直流伺服电机的结构永磁直流伺服电机的结构 图图6.6直流主轴电机结构示意图直流主轴电机结构示意图 第19页，共68页，编辑于2022年，星期三 静态特性静态特性电磁转矩由下式表示电磁转矩由下式表示:（6.16.1）K KT T 转矩常数；转矩常数；磁场磁通；磁场磁通；I Ia

22、 a 电枢电流；电枢电流；T TM M 电磁电磁 转矩。电枢回路的电压平衡方程式为转矩。电枢回路的电压平衡方程式为:（6.26.2）U Ua a 电枢上的外加电压；电枢上的外加电压；R Ra a 电枢电阻；电枢电阻；E Ea a 电枢反电势。电枢反电势。电枢反电势与转速之间有以下关系：电枢反电势与转速之间有以下关系：（6.36.3）K Ke e电势常数；电势常数；电机转速（角速度）。电机转速（角速度）。根据以上各式可以求得：根据以上各式可以求得：（6.46.4）2 一般直流电机的工作特性 第20页，共68页，编辑于2022年，星期三当负载转矩为零时：当负载转矩为零时：理想空载转速理想空载转速

23、（6.56.5）当转速为零时：当转速为零时：启动转矩启动转矩 (6.66.6）当电机带动某一负载当电机带动某一负载T TL L时时 电机转速与理想空载转速的差电机转速与理想空载转速的差 （6.76.7）2一般直流电机的工作特性 O 图图6.76.7 直流电机的机械特性直流电机的机械特性（n n）O OO O TS T TL 第21页，共68页，编辑于2022年，星期三 动态特性动态特性直流电机的动态力矩平衡方程式为直流电机的动态力矩平衡方程式为 （6.86.8）式中式中 T TM M 电机电磁转矩；电机电磁转矩；T TL L 折算到电机轴上的负载转矩；折算到电机轴上的负载转矩；电机转子角速度；

24、电机转子角速度；J J 电机转子上总转动惯量；电机转子上总转动惯量；t t 时间自变量。时间自变量。2一般直流电机的工作特性 第22页，共68页，编辑于2022年，星期三 (1)(1)永磁直流伺服电机的性能特点永磁直流伺服电机的性能特点 1)1)低转速大惯量低转速大惯量 2)2)转矩大转矩大 3)3)起动力矩大起动力矩大 4)4)调调速泛速泛围围大，低速运行平稳，力矩波动小大，低速运行平稳，力矩波动小(2)(2)永磁直流伺服电机性能用特性曲线和数据表描述永磁直流伺服电机性能用特性曲线和数据表描述 1)1)转矩转矩-速度特性曲线速度特性曲线（工作曲线）工作曲线）2)2)负载负载-工作周期曲线工作

25、周期曲线 过载倍数过载倍数T Tmdmd，负载工作周期比，负载工作周期比 d。3)3)数据表：数据表：N、T、时间常数、转动惯量等等。时间常数、转动惯量等等。3永磁直流伺服电机的工作特性 第23页，共68页，编辑于2022年，星期三 3永磁直流伺服电机的工作特性 d%80 110%120%60 130%140%40 160%d 180%20 200%0 1 3 tR 6 10 30 60 100 tR(min)图图69负载负载-工作周期曲线工作周期曲线M/（N-cm）转矩极限转矩极限1200010000 瞬时换向极限瞬时换向极限8000 6000 换向极限换向极限速度极限速度极限4000 温度

26、极限温度极限2000 0 500 1000 1500 n 图图6868永磁直流伺服电机工作曲线永磁直流伺服电机工作曲线区为连续工作区；区为连续工作区；区为断续工作区，由负区为断续工作区，由负载载-工作周期曲线决定工作时间；工作周期曲线决定工作时间；区为瞬时加区为瞬时加减速减速区区第24页，共68页，编辑于2022年，星期三 4 4主轴直流伺服电机的工作原理和特性主轴直流伺服电机的工作原理和特性 O nj nmax nP,T1 2图图6.10 直流主轴电机特性曲线直流主轴电机特性曲线 1-1-转矩特性曲线转矩特性曲线 2-2-功率特性曲线功率特性曲线第25页，共68页，编辑于2022年，星期三直

27、流伺服电机的缺点：直流伺服电机的缺点：它的电刷和换向器易磨损；它的电刷和换向器易磨损；电机最高转速的限制，应用环境的限制；电机最高转速的限制，应用环境的限制；结构复杂，制造困难，成本高。结构复杂，制造困难，成本高。交流伺服电机的优点：交流伺服电机的优点：动态响应好；动态响应好；输出功率大、电压和转速提高输出功率大、电压和转速提高交流伺服电机形式：交流伺服电机形式：同步型交流伺服电机和同步型交流伺服电机和 异步型交流感应伺服电机异步型交流感应伺服电机。6.2 2 6.2 2 6.2 2 6.2 2 交流伺服电机及工作特性交流伺服电机及工作特性交流伺服电机及工作特性交流伺服电机及工作特性 VSVS

28、第26页，共68页，编辑于2022年，星期三交流同步伺服电机的种类：交流同步伺服电机的种类：励磁式、永磁式、磁阻式和磁滞式励磁式、永磁式、磁阻式和磁滞式 （1 1）永磁交流同步伺服电机的结构）永磁交流同步伺服电机的结构 1 1 1 1永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理 VSVS定定子转子转子脉冲编码器脉冲编码器定子三相绕组定子三相绕组接线盒接线盒图图611 永磁交流同步伺服电机结构永磁交流同步伺服电机结构 第27页，共68页，编辑于2022年，星期三1 1 1 1永磁交流同步伺服电机的

29、结构和工作原理永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理 第28页，共68页，编辑于2022年，星期三 （2 2）永磁交流同步伺服电机工作原理和性能）永磁交流同步伺服电机工作原理和性能 1 1 1 1永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理 n（r/min）VSNns nr S 图图6112 工作原理工作原理 图图6113 特性曲线特性曲线T（N-cm）1200010000800060004000200001000200030

30、00 第29页，共68页，编辑于2022年，星期三交流主轴电机的要求交流主轴电机的要求：w大功率大功率w低速恒转矩、高速恒功率低速恒转矩、高速恒功率 鼠笼式交流异步伺服电机鼠笼式交流异步伺服电机图图614614交流主轴电机与普通交流交流主轴电机与普通交流 异步感应电机的比较图示意图异步感应电机的比较图示意图 图图6 615 15 交流主轴伺服电机的特性曲线交流主轴伺服电机的特性曲线 2 2 2 2交流主轴伺服电机的结构和工作原理交流主轴伺服电机的结构和工作原理交流主轴伺服电机的结构和工作原理交流主轴伺服电机的结构和工作原理 交流主轴电机交流主轴电机 普通交流普通交流 异步感应电机异步感应电机

31、通风孔通风孔 P（KW）8 6 4 2 02000 4000 6000 8000 12000 n（r/min）第30页，共68页，编辑于2022年，星期三（1 1）永磁交流同步伺服电机的发展）永磁交流同步伺服电机的发展 新永磁材料的应用新永磁材料的应用 钕铁硼钕铁硼 永久磁铁的结构改革永久磁铁的结构改革 内装永磁交流同步伺服电机内装永磁交流同步伺服电机 与机床部件一体化的电机与机床部件一体化的电机 空心轴永磁交流同步伺服电机空心轴永磁交流同步伺服电机（2 2）交流主轴伺服电机的发展）交流主轴伺服电机的发展 输出转换型交流主轴电机输出转换型交流主轴电机 三角三角-星形切换，绕组数切换或二者组合切

32、换。星形切换，绕组数切换或二者组合切换。液体冷却电机液体冷却电机 内装式主轴电机内装式主轴电机 3 3 3 3、交流伺服电机的发展、交流伺服电机的发展、交流伺服电机的发展、交流伺服电机的发展 第31页，共68页，编辑于2022年，星期三6.3 6.3 速度控制速度控制概述：概述：速度控制系统由速度控制单元、伺服电机和速度检测速度控制系统由速度控制单元、伺服电机和速度检测 装置组成。分为主运动和进给运动。装置组成。分为主运动和进给运动。进给运动：进给运动：是保证轨迹、尺寸和形位精度的。不但有速度控制，是保证轨迹、尺寸和形位精度的。不但有速度控制，还有位置控制。在整个速度范围内，保持恒转矩。与还有

33、位置控制。在整个速度范围内，保持恒转矩。与 主运动相比功率较小。主运动相比功率较小。主运动：主运动：主要无级调速，但还要有下面的控制功能：主要无级调速，但还要有下面的控制功能：主轴于进给驱动的同步控制；主轴于进给驱动的同步控制；准停控制；准停控制；分度控制；分度控制；恒线速度控制。恒线速度控制。速度控制：速度控制：主要是调速，调速有机械主要是调速，调速有机械、液压和电气方法，电气调液压和电气方法，电气调 速最有利于实现自动化。速最有利于实现自动化。第32页，共68页，编辑于2022年，星期三6.3.1 6.3.1 直流进给运动的速度控制直流进给运动的速度控制 1.、直流伺服电机的调速原理直流伺

34、服电机的调速原理 根据机械特性公式可知调速有二种方法根据机械特性公式可知调速有二种方法:电枢电压电枢电压Ua a和和气隙磁通气隙磁通 改变电枢外加电压改变电枢外加电压Ua a:由于绕组绝缘耐压的限制，调压只能在额定由于绕组绝缘耐压的限制，调压只能在额定 转速以下进行。属于恒转矩调速。转速以下进行。属于恒转矩调速。改变气隙磁通量改变气隙磁通量：改激磁电流即可改改激磁电流即可改，在，在Ua a恒定情况下，磁场接恒定情况下，磁场接 近饱和，故只能弱磁调速，在额定转速以上进行。属于恒功率调速。近饱和，故只能弱磁调速，在额定转速以上进行。属于恒功率调速。2.直流速度控制单元调速控方式直流速度控制单元调速

35、控方式 晶闸管（可控硅）晶闸管（可控硅）调速系统调速系统 晶体管脉宽调制（晶体管脉宽调制（PWM）调速系统调速系统（6.9）（6.10）第33页，共68页，编辑于2022年，星期三(1)(1)晶闸管调速系统晶闸管调速系统1 1 1 1）系统的组成）系统的组成）系统的组成）系统的组成 包括包括 控制回路控制回路：速度环、电流环、触发脉冲发生器等。：速度环、电流环、触发脉冲发生器等。主回路：主回路：可控硅整流放大器等。可控硅整流放大器等。速度环：速度调节（速度环：速度调节（PIPI），作用：好的静态、动态特性。），作用：好的静态、动态特性。电流环：电流调节电流环：电流调节(P(P或或PI)PI)。

36、作用：加快响应、启动、低频稳定等。作用：加快响应、启动、低频稳定等。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。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。可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。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整流器整流器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UR+-UfIfIR+-E1ES第34页，共68页，编辑于2022年，星期三2 2 2 2）主回路）主回路）主回路）主回路工作原理工作原理组成组成：由大功率晶闸由大

37、功率晶闸 管构成的三相全控桥式（三相全波）反并接可逆电路，管构成的三相全控桥式（三相全波）反并接可逆电路，分成二大部分（分成二大部分（和和 ），每部分内按三相桥式连接，二组反并接，），每部分内按三相桥式连接，二组反并接，分别实现正转分别实现正转 和反转。和反转。原理原理：三相整流器，由二个半波整流电路组成。每部分内又分成三相整流器，由二个半波整流电路组成。每部分内又分成共阴极组共阴极组 （1 1、3 3、5 5）和共阳极组（）和共阳极组（2 2、4 4、6 6）。为构成回路，这二组中必须各有一）。为构成回路，这二组中必须各有一 个可控硅同时导通。个可控硅同时导通。1 1、3 3、5 5在正半周

38、导通，在正半周导通，2 2、4 4、6 6在负半周导通。每在负半周导通。每 组内（即二相间）触发脉冲相位相差组内（即二相间）触发脉冲相位相差120120，每相内二个触发脉冲相差，每相内二个触发脉冲相差180180。按管号排列，触发脉冲的顺序：按管号排列，触发脉冲的顺序：1-2-3-4-5-61-2-3-4-5-6，相邻之间相位差，相邻之间相位差6060。为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通，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。既每个触发脉冲在导通采用双脉冲控制。既每个触发脉冲在导通6060后，在补发一个辅助脉冲；也后，在补发一个辅助脉冲

39、；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。462791113581210ABCMUMUDKMKM+-第35页，共68页，编辑于2022年，星期三原理：原理：e)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 只要改变可控只要改变可控硅触发角（即改变硅触发角（即改变导通角），就能改导通角），就能改变可控硅的整流输变可控硅的整流输出电压，从而改变出电压，从而改变直流伺服电机的转直流伺服电机的转速

40、。速。触发脉冲提前触发脉冲提前来，增大整流输出来，增大整流输出电压；触发脉冲延电压；触发脉冲延后来，减小整流输后来，减小整流输出电压。出电压。主回路波形图主回路波形图第36页，共68页，编辑于2022年，星期三3 3 3 3）控制回路分析）控制回路分析）控制回路分析）控制回路分析触发脉冲产生的过程：触发脉冲产生的过程：改变触发角，即改变控制角改变触发角，即改变控制角U1U2R1R2R3C-+同步信号同步信号过零信号过零信号由速度由速度F变变换来的电换来的电流调节器流调节器输出的直输出的直流信号流信号,123窄脉冲窄脉冲：即即移相触发脉冲移相触发脉冲同步信号同步信号方波信号方波信号矩齿波矩齿波矩

41、齿波与直矩齿波与直流电压叠加流电压叠加 信号信号尖脉冲尖脉冲直流电压直流电压（可控硅导通时间），可调速。可控硅导通时间），可调速。没反馈是开环，特性软。没反馈是开环，特性软。1-同步电路同步电路 2-移向控制电路移向控制电路3-脉冲分配器脉冲分配器 电流调节器电流调节器:同上，加快电流的反应。同上，加快电流的反应。触发脉冲发生器：正弦波同步锯齿波触发触发脉冲发生器：正弦波同步锯齿波触发 电路，与电路，与F直流信号叠加。直流信号叠加。速度调节器：比例积分速度调节器：比例积分PI，高放大（相当，高放大（相当 C短路）短路）缓放大缓放大增放大增放大稳定（相当稳定（相当C 开路）无静差。开路）无静差。

42、第37页，共68页，编辑于2022年，星期三运算放大器的类型运算放大器的类型反向比例放大器反向比例放大器 反向比例加法运算放大器反向比例加法运算放大器 同向比例放大器同向比例放大器 积分运算放大器积分运算放大器比例积分运算放大器：比例积分运算放大器：比较器比较器R3R3U1U2R1R2R3-+U1R1U2R2C-+U1U2R1R2R3C-+U1U2R1R2-+U3U2R4R2-+U1R1U1U2R2R1-+U2二个输入端的内阻非常大，不向运放内流电流，放大二个输入端的内阻非常大，不向运放内流电流，放大倍数非常大。同相端接地，电位为倍数非常大。同相端接地，电位为0，为实地；方反，为实地；方反向端

43、电为也为向端电为也为0，虚地。，虚地。U2=-U1R3/R2第38页，共68页，编辑于2022年，星期三功率因数功率因数（以单向为例以单向为例）交流电阻电路：功率交流电阻电路：功率(平均平均)P P=UI UI=I I2 2R R=U U 2 2/R/R交流电阻电容电路：纯电容电路电流超前电压交流电阻电容电路：纯电容电路电流超前电压相位相位=90 功率功率(平均平均)P P=UIcos UIcos 交流电阻电感电路：纯电感电路电流落后电压交流电阻电感电路：纯电感电路电流落后电压相位相位=90 功率功率(平均平均)P P=UIcos UIcos 由于交流电路中电感电容的存在，平均功率不等于电由于

44、交流电路中电感电容的存在，平均功率不等于电压电流的乘积，而差一个压电流的乘积，而差一个cos cos ，既与电压电流的相位差，既与电压电流的相位差有关。其中有关。其中cos cos 称为功率因数称为功率因数。cos cos 越高越好。越高越好。造成功率因数不高的主要原因是感性负载，如异步电造成功率因数不高的主要原因是感性负载，如异步电机、工频炉、日光灯的功率因数都不高；提高功率因数的机、工频炉、日光灯的功率因数都不高；提高功率因数的办法是在感性负载上并联电容。办法是在感性负载上并联电容。第39页，共68页，编辑于2022年，星期三 总结总结 速度控制的原理速度控制的原理：调速：调速：当给定的指

45、令信号增大时，则有较大的偏差信号加到调节器的当给定的指令信号增大时，则有较大的偏差信号加到调节器的 输入端，产生前移的触发脉冲，可控硅整流器输出直流电压提高，电输入端，产生前移的触发脉冲，可控硅整流器输出直流电压提高，电 机转速上升。此时测速反馈信号也增大，与大的速度给定相匹配达到机转速上升。此时测速反馈信号也增大，与大的速度给定相匹配达到 新的平衡，电机以较高的转速运行。新的平衡，电机以较高的转速运行。干扰：干扰：假如系统受到外界干扰，如负载增加，电机转速下降，速度反假如系统受到外界干扰，如负载增加，电机转速下降，速度反 馈电压降低，则速度调节器的输入偏差信号增大，其输出信号也增大，馈电压降

46、低，则速度调节器的输入偏差信号增大，其输出信号也增大，经电流调节器使触发脉冲前移，晶闸管整流器输出电压升高，使电机经电流调节器使触发脉冲前移，晶闸管整流器输出电压升高，使电机 转速恢复到干扰前的数值。转速恢复到干扰前的数值。电网波动：电网波动：电流调节器通过电流反馈信号还起快速的维持和调节电流电流调节器通过电流反馈信号还起快速的维持和调节电流 作用，如电网电压突然短时下降，整流输出电压也随之降低，在电机作用，如电网电压突然短时下降，整流输出电压也随之降低，在电机 转速由于惯性还未变化之前，首先引起主回路电流的减小，立即使电转速由于惯性还未变化之前，首先引起主回路电流的减小，立即使电 流调节器的

47、输出增加，触发脉冲前移，使整流器输出电压恢复到原来流调节器的输出增加，触发脉冲前移，使整流器输出电压恢复到原来 值，从而抑制了主回路电流的变化。值，从而抑制了主回路电流的变化。启动、制动、加减速：启动、制动、加减速：电流调节器还能保证电机启动、制动时的大转电流调节器还能保证电机启动、制动时的大转 矩、加减速的良好动态性能。矩、加减速的良好动态性能。第40页，共68页，编辑于2022年，星期三（2 2）晶体管脉宽调制（晶体管脉宽调制（PWMPWM）调速系统）调速系统1 1 1 1）系统的组成及特点）系统的组成及特点）系统的组成及特点）系统的组成及特点速度调节器速度调节器电流调节器电流调节器脉宽调

48、节脉宽调节振荡器振荡器脉宽调节脉宽调节MG电流反馈电流反馈Uusrus f整流整流功放功放第41页，共68页，编辑于2022年，星期三 主回路主回路主回路主回路：大功率晶体管开关放大器；大功率晶体管开关放大器；大功率晶体管开关放大器；大功率晶体管开关放大器；功率整流器。功率整流器。功率整流器。功率整流器。控制回路：控制回路：速度调节器；速度调节器；电流调节器；电流调节器；固定频率振荡器及三角波发生器；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

49、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。直流脉宽调制：直流脉宽调制：功率放大器中的大功率晶体管工作在开功率放大器中的大功率晶体管工作在开 关状态下，开关频率保持恒定，用调整开关周期关状态下，开关频率保持恒定，用调整开关周期 内晶体管导通时间（即改变基极调制脉冲宽度）内晶体管导通时间（即改变基极调制脉冲宽度）的方法来改变输出。从而使电机获得脉宽受调制的方法来改变输出。从而使电机获得脉宽受调制 脉冲控制的电压脉冲，由于频率高及电感的作用脉冲控制的电压脉冲，由于频率高及电感的作用 则为波动很小的直流电压（平均电压）。则为波动很小的直流电压（平均电压）。脉宽的变化使电机电枢

50、的直流电压随着变化。脉宽的变化使电机电枢的直流电压随着变化。第42页，共68页，编辑于2022年，星期三直流脉宽调调制的基本原理直流脉宽调调制的基本原理周期不变周期不变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脉冲宽度正比代表速度脉冲宽度正比代表速度F值的直流电压值的直流电压Ut第43页，共68页，编辑于2022年，星期三2 2 2 2）脉宽调制器脉宽调制器脉宽调制器脉宽调制器ttU U+U S rU+U S rU S CU S CU S C+U S rooo-U S rtttt同向加法放大器电路图同向加法放大器电路图U S r 速度指令转化过速度指令转化过 来的