数控机床-ppt课件-闭环伺服系统.ppt

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1、第三节第三节闭环伺服系统闭环伺服系统一、概述一、概述1位置检测单元位置检测单元将检测元件检测到的位置信号进行处理，将检测元件检测到的位置信号进行处理，以形成位置反馈信号。以形成位置反馈信号。2比较环节比较环节完成指令信号与反馈信号的比较等。完成指令信号与反馈信号的比较等。3伺服驱动伺服驱动功率放大，以驱动伺服元件。功率放大，以驱动伺服元件。4伺服电机伺服电机将电信号转换成机械运动。将电信号转换成机械运动。(一一)系统组成系统组成指令信号指令信号比较环节比较环节伺服驱动伺服驱动伺服电机伺服电机位置检测单元位置检测单元反馈信号反馈信号全闭环全闭环 精度高精度高，但结构复杂、成本高，调试维修困难，但

2、结构复杂、成本高，调试维修困难，适于大型精密数控系统。适于大型精密数控系统。半闭环半闭环 精度较全闭环差些，但精度较全闭环差些，但结构简单，造价低结构简单，造价低且且 便于调整。便于调整。交流伺服交流伺服直流伺服直流伺服数字伺服数字伺服(二二)闭环伺服系统分类闭环伺服系统分类具有较高精度、速度、和动态特性具有较高精度、速度、和动态特性定位与控制精度高，速度快，稳定性好，有故定位与控制精度高，速度快，稳定性好，有故障自诊断和报警功能障自诊断和报警功能(一一)对驱动元件的要求对驱动元件的要求 1 1转动惯量小转动惯量小以提高系统的快速响应以提高系统的快速响应二、驱动元件二、驱动元件 3 3低速运行

3、的稳定性、均匀性好低速运行的稳定性、均匀性好以保证低速时的精度以保证低速时的精度2 2过载能力强过载能力强以适应经常出现的过冲现象以适应经常出现的过冲现象 1 1小惯量直流伺服电动机小惯量直流伺服电动机 (二二二二)直流伺服电动机直流伺服电动机直流伺服电动机直流伺服电动机 1)转转子子细细而而长长大大大大减减小小了了电电动动机机的的转转动动惯惯量量,快速响应性能好。快速响应性能好。2)气隙较大气隙较大换向性好换向性好，时间常数，时间常数5-10ms5-10ms。3)转转 子子 上上 无无 槽槽 电电 感感 小小，时时 间间 常常 数数 小小，动动 态态 特特 性性 好，响应快，低速运转稳定而均

4、匀。好，响应快，低速运转稳定而均匀。4)气隙磁密度大气隙磁密度大过载能力强过载能力强。输出功率几输出功率几+瓦瓦+千瓦，转速千瓦，转速1-3000r/min1-3000r/min 最大转矩约最大转矩约20N.m,20N.m,但输出需加齿轮减速但输出需加齿轮减速 工作原理1)转矩大转矩大2)调速范围宽调速范围宽10001500r/min3)转动惯量小转动惯量小 设计时可设计时可忽略忽略其它传动件的其它传动件的转动惯量转动惯量4)动态响应好动态响应好 最大峰值转矩最大峰值转矩可达可达额定转矩额定转矩的的1010倍，可在倍，可在3 3倍额定倍额定转矩的过载条件下工作转矩的过载条件下工作30min30

5、min，但，但快速响应性能快速响应性能不如小不如小惯量电机。惯量电机。5)过载能力强过载能力强v特点：特点：2 2大惯量直流伺服电动机大惯量直流伺服电动机 返回返回下一页下一页上一页上一页表表表表1 1 日本富士通公司直流伺服电动机系列几种规格的主要技术参数日本富士通公司直流伺服电动机系列几种规格的主要技术参数日本富士通公司直流伺服电动机系列几种规格的主要技术参数日本富士通公司直流伺服电动机系列几种规格的主要技术参数 1 1笼型异步型伺服电动机笼型异步型伺服电动机定子定子 对称三相绕组对称三相绕组产生旋转磁场产生旋转磁场转子转子 转子绕组（导体）转子绕组（导体）切割磁通切割磁通产生感应电势产生

6、感应电势 感应电流感应电流 电磁转矩电磁转矩 转子转动转子转动 转子转子转动方向转动方向与旋转磁场方向与旋转磁场方向不同不同异步异步 转子转子转动速度转动速度小于小于旋转磁场速度旋转磁场速度n n0 0 转差率转差率 (三三)交流伺服电动机交流伺服电动机 2 2永磁同步型伺服电动机永磁同步型伺服电动机 v 定子定子 三相电枢绕组三相电枢绕组产生产生旋转磁场旋转磁场v 转子转子 永磁体永磁体 产生恒定产生恒定励磁磁场励磁磁场v通电的电枢绕组及载流导体切割磁力线通电的电枢绕组及载流导体切割磁力线产生电磁力产生电磁力 以反作用力方式以反作用力方式驱动转子驱动转子永磁体永磁体转动转动v 转子转子转动的

7、方向转动的方向与旋转磁场方向与旋转磁场方向相同相同同步同步(三三)交流伺服电动机交流伺服电动机 工作原理返回返回下一页下一页上一页上一页v 表表2 DC2 DC伺服电动机与伺服电动机与ACAC伺服电动机的比较伺服电动机的比较 1 1DCDC电动机转速公式电动机转速公式 三、速度调节三、速度调节三、速度调节三、速度调节 (一一)直流伺服电动机的调速直流伺服电动机的调速 n=U UD D/Ce-RI/Ce U UD D 电枢电压电枢电压C Ce e与电机结构有关的常数与电机结构有关的常数 励磁磁通励磁磁通 I I 励磁电流励磁电流 R R电枢回路电阻电枢回路电阻 改变改变 U UD D 调速调速的

8、方法的方法 可控硅调速可控硅调速PWM调速调速1)可控硅可控硅电力半导体电力半导体器件，是器件，是弱电弱电控制到控制到强电强电输出的桥梁作用。输出的桥梁作用。包括：包括：阳极阳极（A）、）、阴极阴极（K）、）、控制级控制级（G）导通条件：导通条件：）阳极阳极A：阴极阴极K：）控制级控制级G加正向电压。加正向电压。2 2可控硅调速可控硅调速（SCR-M）三、速度调节三、速度调节三、速度调节三、速度调节 (一一)直流伺服电动机的调速直流伺服电动机的调速 KAG三、速度调节三、速度调节三、速度调节三、速度调节 (一一)直流伺服电动机的调速直流伺服电动机的调速 2)SCR-M调速系统特点：特点：工作工

9、作频频率率低低，输出输出电压波形电压波形差差，电流脉动电流脉动分量大分量大，这不但这不但使电机发热，工作条件恶化，也影响电网电压使电机发热，工作条件恶化，也影响电网电压 波动。波动。位置检测及反馈位置检测及反馈速度检测及反馈速度检测及反馈位置位置位置位置速度速度速度速度电流电流uk指令指令偏差偏差指令指令偏差偏差指令指令MM电流检测反馈电流检测反馈UDM1)脉宽调速原理脉宽调速原理3.脉宽调制脉宽调制 (PWM)原理与系统原理与系统PWMPulseWidthModulation 直流电源电压直流电源电压U U经经开关开关S S转换为转换为一定频率一定频率的的方波电压方波电压加到加到直流电机直流

10、电机电枢电枢上，通过对方波上，通过对方波脉冲宽度脉冲宽度的控制，就可改变电枢的控制，就可改变电枢的的平均电压平均电压，从而调节电机，从而调节电机转速。转速。SUuDMMM设开关设开关S S开闭周期为开闭周期为T，每次每次闭合时间为闭合时间为 则电枢两端平均电压则电枢两端平均电压Ud为为：Ud=U/T=rUr:导通率导通率(脉宽系数脉宽系数)T一定一定 Ud =0Ud=0电机停止电机停止=TUd=U最高转速最高转速SUuDMMM3.脉宽调制脉宽调制 (PWM)原理与系统原理与系统PWMPulseWidthModulation1)脉宽调速原理脉宽调速原理uDuDUd1Ud2TT T T：500 5

11、00 2500Hz2500Hz，大大小于电动机的时间常数，故无转速脉动。大大小于电动机的时间常数，故无转速脉动。2)脉宽调制器脉宽调制器 PWM输入输入：电流调节器电流调节器输出的直流电压输出的直流电压U Uc c输出输出：幅值恒定幅值恒定，宽度可变宽度可变的的矩形脉冲电压矩形脉冲电压方法方法：高频载波法高频载波法、数字脉宽调制数字脉宽调制、高频极限环法高频极限环法等等比较器比较器调制信号发生器调制信号发生器UcUc+D(t)e(t)D(t)+调制信号发生器调制信号发生器 产生频率、幅值都固定的高频载波信号产生频率、幅值都固定的高频载波信号D D（t t）,D(t)D(t)可以是三角波、锯齿波

12、、正弦波可以是三角波、锯齿波、正弦波 高频载波法的原理高频载波法的原理直流直流输入信号输入信号Uc 叠加叠加在在载波信号载波信号D(t)D(t)上，上，再进入再进入比较器比较器。比比较较器器是是一一个个具具有有继继电电器器特特性性的的电电子子元元件件，其其输输出出信信号号是是一一个个与与D(t)D(t)同频率同频率的矩形脉冲，脉冲的矩形脉冲，脉冲占空比占空比取决于取决于Uc的大小。的大小。2)脉宽调制器脉宽调制器 PWM比较器比较器调制信号发生器调制信号发生器UcUc+D(t)e(t)D(t)+脉宽调速器脉宽调速器2)脉宽调制器脉宽调制器 PWMVcD(t)e(t)e(t)Vc=0VcD(t)

13、e(t)e(t)Vc0VcD(t)e(t)e(t)Vc0e(t)e(t)+VVc-VD(t)3)功率放大器功率放大器tttUb1Ub2UabMVD2VD1VD3VD4abV1V2V3V4EdUb3ttUb4H型单极型型单极型PWM放大器原理器放大器原理器3)功率放大器功率放大器双极型双极型PWM放大器原理器放大器原理器UabtttUb1Ub2MVD2VD1VD3VD4abV1V2V3V4EdUb3ttUb44)PWM-M系统组成及工作原理系统组成及工作原理电压电压脉宽调制器脉宽调制器比较器比较器功率放大器功率放大器伺服伺服电机电机调制信号发生器调制信号发生器UcUc+D(t)e(t)u4D(t

14、)+PWM-M PWM-M 特特点点：开开关关频频率率高高，仅仅靠靠电电枢枢的的电电感感作作用用，即即可可获获得得满满意意的的滤滤波波作作用用，近近似似直直流流。无无论论高高速速或或低低速速电电机机转转速速和和扭扭矩矩平平滑滑均均匀匀，调调速速比比可可以以做做得得很很大，且发热小，寿命长。大，且发热小，寿命长。1.1.交流调速方法交流调速方法 交流电动机调速公式：交流电动机调速公式：n=60f1(1-S)/Pf f1:1:定子电源频率定子电源频率 变频调速变频调速高效率、高效率、宽范围、宽范围、高精度高精度P:P:磁极对数磁极对数 变变P P调速调速S:S:转差率转差率 变变 S S调速调速

15、(二二)交流伺服电动机的调速交流伺服电动机的调速(二二)交流伺服电动机的调速交流伺服电动机的调速2.2.PWMPWM型变频器型变频器 v构成构成二极管整流器：二极管整流器：交交直变换直变换，经电容器滤波平滑经电容器滤波平滑，产生恒定的产生恒定的直流电压直流电压，输出给逆变器。，输出给逆变器。PWM逆变器：逆变器：直直交变换交变换、调频、调压，调频、调压，产生产生电压电压、频率频率可调可调交流电压交流电压,输出给伺服电动机的电枢绕组输出给伺服电动机的电枢绕组。M下一页下一页上一页上一页(二二)交流伺服电动机的调速交流伺服电动机的调速2.S2.SPWMPWM型变频器型变频器 返回返回vPWM逆变器

16、原理逆变器原理(二二)交流伺服电动机的调速交流伺服电动机的调速2.2.PWMPWM型变频器型变频器 vPWM逆变器原理逆变器原理EDED：二极管整流器输出的直流电压二极管整流器输出的直流电压 VT1-VT4VT1-VT4：大功率晶体管，工作于开关壮态大功率晶体管，工作于开关壮态控制信号：控制信号：加在加在VT1-VT4VT1-VT4基极上的一组等副、不等宽的矩基极上的一组等副、不等宽的矩形脉冲形脉冲(调制信号调制信号)，由控制电路产生，由控制电路产生。输出信号：输出信号：逆变器输出端逆变器输出端UabUab一组与控制信号频率相同、但一组与控制信号频率相同、但幅值放大的矩行脉冲幅值放大的矩行脉冲

17、。改变改变VT1、VY4和和VT2、VT3交替导通的时间交替导通的时间改变改变输出波输出波形的频率形的频率；(二二)交流伺服电动机的调速交流伺服电动机的调速2.2.PWMPWM型变频器型变频器 vPWM逆变器原理逆变器原理改变半周期内改变半周期内VT1、VY4（或（或VT2、VT3）的通断比）的通断比改变改变脉冲宽度脉冲宽度改变改变输出电压幅值输出电压幅值。下一页下一页上一页上一页返回返回六只大功率六只大功率晶体晶体管管组成全桥式电组成全桥式电路，电动机定子路，电动机定子采用采用“Y”连接。连接。(二二)交流伺服电动机的调速交流伺服电动机的调速2.2.PWMPWM型变频器型变频器 vPWM逆变

18、器原理逆变器原理逆变器逆变器与与电动机电动机定子三相绕组定子三相绕组的的连接如图所示连接如图所示方波方波三角波三角波调制：输出波形的平均值按方波形式变化调制：输出波形的平均值按方波形式变化三角波三角波载波信号载波信号，决定逆变器的开关频率。，决定逆变器的开关频率。3.PWM 3.PWM 控制信号形成控制信号形成 *正弦波正弦波三角波三角波调制：输出波形的平均值按正弦波形式变化调制：输出波形的平均值按正弦波形式变化*方波、正弦波方波、正弦波控制信号控制信号，频率、幅值均可调，决定逆变器，频率、幅值均可调，决定逆变器的输出频率和幅值，可以由矢量变换控制获得。的输出频率和幅值，可以由矢量变换控制获得

19、。*两信号交叉点两信号交叉点调制信号调制信号，即逆变器功率晶体管基极的控制，即逆变器功率晶体管基极的控制信号信号3.PWM 3.PWM 控制信号形成控制信号形成 4.4.正弦脉宽调制器正弦脉宽调制器SPWMSPWM原理原理5.5.失量变换控制原理失量变换控制原理 失量控制由德国学者于失量控制由德国学者于1972年提出年提出,首先应用于首先应用于感应感应(IM)电动电动机机中中,目前也应用于目前也应用于永磁电动机永磁电动机(PM)中中,且更易实现且更易实现,在在高性能高性能伺服驱动系统伺服驱动系统中得以广泛应用。中得以广泛应用。失量控制失量控制是是模仿模仿直流电动机直流电动机的的控制控制得出的。

20、得出的。v直流伺服电动机直流伺服电动机定子定子绕组绕组通以电流通以电流If产生励磁磁通产生励磁磁通电枢电枢绕组绕组通以电流通以电流Ia产生电磁转矩产生电磁转矩If,Ia彼此独立，彼此独立，分别调节分别调节可以控制可以控制、T此外此外，励磁磁场励磁磁场和和电枢电流空间角度电枢电流空间角度是由电刷和机械换向所是由电刷和机械换向所固定，且是正交的，从而使电枢电流产生的固定，且是正交的，从而使电枢电流产生的电磁转矩电磁转矩最大。最大。5.5.失量变换控制原理失量变换控制原理同步同步：两磁场：两磁场相互作用，转子产生转动，转速与旋转磁常相同相互作用，转子产生转动，转速与旋转磁常相同v永磁同步交流伺服电动

21、永磁同步交流伺服电动转子转子永磁体永磁体产生恒定的励磁磁场产生恒定的励磁磁场定子定子三相电枢绕组三相电枢绕组电枢电流电枢电流产生旋转磁场产生旋转磁场励磁磁场励磁磁场与与电枢电流电枢电流的的空间角度空间角度不是固定的，不是固定的，随负载随负载而变化，而变化，故不能简单地通过调节故不能简单地通过调节电枢电流电枢电流来直接控制来直接控制电磁转矩电磁转矩。5.5.失量变换控制原理失量变换控制原理设计一设计一控制系统控制系统，对电枢电流相对励磁磁场进行，对电枢电流相对励磁磁场进行空间定向空间定向控控制制角度控制角度控制；同时也控制电枢电流幅值；同时也控制电枢电流幅值幅值控制幅值控制，统称统称失量控制失量

22、控制。在在角度控制角度控制中，选择使电枢磁场与励磁磁场中，选择使电枢磁场与励磁磁场空间角度正交空间角度正交磁场定向磁场定向，使电枢电流产生的，使电枢电流产生的电磁转矩最大电磁转矩最大，以实现直流伺服，以实现直流伺服电动机的严格模拟。电动机的严格模拟。v永磁同步交流伺服电动永磁同步交流伺服电动v交流调速系统控制回路的结构与原理如下图：交流调速系统控制回路的结构与原理如下图：返回返回下一页下一页上一页上一页v交流调速系统控制回路的结构与原理图说明交流调速系统控制回路的结构与原理图说明 1)转子磁极位置检测电路转子磁极位置检测电路为了使为了使电流电流与与永磁体磁通永磁体磁通在空间角度在空间角度正交正

23、交,必须必须正确检测出磁极位置正确检测出磁极位置.检测位置检测位置:旋转变压器旋转变压器2)正弦波产生电路正弦波产生电路产生以转子位置为相位的产生以转子位置为相位的正弦波正弦波3)DC-SIN(直流正弦直流正弦)变换回路变换回路由于在由于在交流伺服电动机交流伺服电动机中需向中需向电绕组电绕组通以通以三相交流正弦电压三相交流正弦电压,故故需将需将速度调节器速度调节器输出的输出的直流电流参考信号直流电流参考信号转化为转化为交流正弦信号交流正弦信号v交流调速系统控制回路的结构与原理图说明交流调速系统控制回路的结构与原理图说明 DC-SIN变换回路原理变换回路原理:正弦波正弦波发生电路输出的发生电路输

24、出的数字化正弦波信号数字化正弦波信号与速度调节器输出的直与速度调节器输出的直流信号在流信号在乘法器中相乘乘法器中相乘,其输出信号作为其输出信号作为交流正弦电流指令交流正弦电流指令.v交流调速系统控制回路的结构与原理图说明交流调速系统控制回路的结构与原理图说明 v交流调速系统控制回路的结构与原理图说明交流调速系统控制回路的结构与原理图说明 4)正弦波正弦波PWMPWM电路电路 以以一定频率一定频率和和一定振幅一定振幅的三角波与电流调节器输出的的三角波与电流调节器输出的正弦波正弦波在在比比较器中较器中进行比较，若只取出正弦波超出进行比较，若只取出正弦波超出三角波的部分三角波的部分，即可输出，即可输

25、出不等宽不等宽的的脉冲列脉冲列。当脉冲的占空比为。当脉冲的占空比为50%50%时时,逆变器的输出电压逆变器的输出电压为为零零。由于正弦波以。由于正弦波以50%50%占空比为中心占空比为中心而向而向两边增减两边增减，平均看来，平均看来就得到了就得到了正弦调制正弦调制。v交流调速系统控制回路的结构与原理图说明交流调速系统控制回路的结构与原理图说明 v交流调速系统控制回路的结构与原理图说明交流调速系统控制回路的结构与原理图说明 5)速度检测回路速度检测回路检测装置检测装置:旋转变压器旋转变压器、光电编码器光电编码器 可同时完成可同时完成磁极位置磁极位置的检测。的检测。6)速度调节器速度调节器ASRA

26、SRASRASR输入信号输入信号：速度指令速度指令与与速度反馈速度反馈信号信号 输出信号输出信号：电流指令电流指令信号（直流量）信号（直流量）控制规律控制规律：比例积分比例积分(PL)(PL)作用作用：进行稳定的：进行稳定的速度控制速度控制要求要求：能：能快速响应速度指令快速响应速度指令；v交流调速系统控制回路的结构与原理图说明交流调速系统控制回路的结构与原理图说明 7)电流调节器电流调节器ACRACRACRACR输入信号输入信号：电流指令与电流反馈信号：电流指令与电流反馈信号输出信号输出信号：电流控制信号：电流控制信号 控制规律控制规律：比例积分：比例积分(PL)(PL)作用作用：完成与磁通矢良正交的高速控制，使电枢绕组中的电：完成与磁通矢良正交的高速控制，使电枢绕组中的电流在幅值和相位上都得到有效控制流在幅值和相位上都得到有效控制要求要求：具有更高的快速性，以适应对电流瞬时值跟踪控制：具有更高的快速性，以适应对电流瞬时值跟踪控制.第五节 直线电机直线电机工作原理直线电机特点l速度高60-200m/minl惯性小加速性能好1-28gl减少了机械传动系统，没有机械滞后和齿节误差l平稳精度高l没有中间传动系统，没有摩擦没有磨损