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文檔簡介

第7章數(shù)控伺服系統(tǒng),7.1概述,伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它接受來自數(shù)控裝置的進(jìn)給指令信號(hào),經(jīng)變換、調(diào)節(jié)和放大后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行件,轉(zhuǎn)化為直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置(計(jì)算機(jī))和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié),是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、伺服機(jī)構(gòu)或伺服單元。該系統(tǒng)包括了大量的電力電子器件,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,綜合性強(qiáng)。,7.1概述,進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)主要的子系統(tǒng)。如果說CNC裝置是數(shù)控系統(tǒng)的“大腦”,是發(fā)布“命令”的“指揮所”,那么進(jìn)給伺服系統(tǒng)則是數(shù)控系統(tǒng)的“四肢”,是一種“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”。它忠實(shí)地執(zhí)行由CNC裝置發(fā)來的運(yùn)動(dòng)命令,精確控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)方向,進(jìn)給速度與位移量。,7.1.1伺服系統(tǒng)的組成,組成:伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制轉(zhuǎn)換電路電子電力驅(qū)動(dòng)放大模塊位置調(diào)節(jié)單元速度調(diào)節(jié)單元電流調(diào)節(jié)單元檢測裝置一般閉環(huán)系統(tǒng)為三環(huán)結(jié)構(gòu):位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。,7.1.1伺服系統(tǒng)的組成,位置、速度和電流環(huán)均由:調(diào)節(jié)控制模塊、檢測和反饋部分組成。電力電子驅(qū)動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路和功率放大器組成。嚴(yán)格來說:位置控制包括位置、速度和電流控制;速度控制包括速度和電流控制。,7.1.2對(duì)伺服系統(tǒng)的基本要求,1精度高伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。包括定位精度和輪廓加工精度。2穩(wěn)定性好穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下,能在短暫的調(diào)節(jié)過程后,達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。直接影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度。3快速響應(yīng)快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo),它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。4調(diào)速范圍寬調(diào)速范圍是指生產(chǎn)機(jī)械要求電機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。024m/min。5低速大轉(zhuǎn)矩進(jìn)給坐標(biāo)的伺服控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制,在整個(gè)速度范圍內(nèi)都要保持這個(gè)轉(zhuǎn)矩;主軸坐標(biāo)的伺服控制在低速時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩控制,能提供較大轉(zhuǎn)矩。在高速時(shí)為恒功率控制,具有足夠大的輸出功率。,7.1.2對(duì)伺服系統(tǒng)的基本要求,對(duì)伺服電機(jī)的要求:(1)調(diào)運(yùn)范圍寬且有良好的穩(wěn)定性,低速時(shí)的速度平穩(wěn)性(2)電機(jī)應(yīng)具有大的、較長時(shí)間的過載能力,以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。(3)反應(yīng)速度快,電機(jī)必須具有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、較大的轉(zhuǎn)矩、盡可能小的機(jī)電時(shí)間常數(shù)和很大的加速度(400rad/s2以上)。(4)能承受頻繁的起動(dòng)、制動(dòng)和正反轉(zhuǎn)。,7.1.2伺服系統(tǒng)的分類,1按調(diào)節(jié)理論分類(1)開環(huán)伺服系統(tǒng)(2)閉環(huán)伺服系統(tǒng)(3)半閉環(huán)伺服系統(tǒng),7.1.2伺服系統(tǒng)的分類,開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)沒有位置測量裝置,信號(hào)流是單向的(數(shù)控裝置進(jìn)給系統(tǒng)),故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。,7.1.2伺服系統(tǒng)的分類,無位置反饋,精度相對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)來講不高,其精度主要取決于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能和精度。一般以功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動(dòng)元件。這類系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),在精度和速度要求不高、驅(qū)動(dòng)力矩不大的場合得到廣泛應(yīng)用。一般用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。,6.1.2伺服系統(tǒng)的分類,半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖所示,是從驅(qū)動(dòng)裝置(常用伺服電機(jī))或絲杠引出,采樣旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測,不是直接檢測運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置。,6.1.2伺服系統(tǒng)的分類,半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié),因此可獲得穩(wěn)定的控制性能,其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開環(huán)系統(tǒng),但比閉環(huán)要好。由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差難以消除。因此,其精度較閉環(huán)差,較開環(huán)好。但可對(duì)這類誤差進(jìn)行補(bǔ)償,因而仍可獲得滿意的精度。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、精度也較高,因而在現(xiàn)代CNC機(jī)床中得到了廣泛應(yīng)用。,7.1.2伺服系統(tǒng)的分類,全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖的虛線所示,直接對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置進(jìn)行檢測。,7.1.2伺服系統(tǒng)的分類,從理論上講,可以消除整個(gè)驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動(dòng)量。具有很高的位置控制精度。由于位置環(huán)內(nèi)的許多機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的,故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定,使閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試都相當(dāng)困難。該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機(jī)床等。,7.1.2伺服系統(tǒng)的分類,2按使用的執(zhí)行元件分類(1)電液伺服系統(tǒng)電液脈沖馬達(dá)和電液伺服馬達(dá)。優(yōu)點(diǎn):在低速下可以得到很高的輸出力矩,剛性好,時(shí)間常數(shù)小、反應(yīng)快和速度平穩(wěn)。缺點(diǎn):液壓系統(tǒng)需要供油系統(tǒng),體積大。噪聲、漏油。(2)電氣伺服系統(tǒng)伺服電機(jī)(步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和交流電機(jī))優(yōu)點(diǎn):操作維護(hù)方便,可靠性高。1)直流伺服系統(tǒng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用大慣量寬調(diào)速永磁直流伺服電機(jī)和中小慣量直流伺服電機(jī);主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用他激直流伺服電機(jī)。優(yōu)點(diǎn):調(diào)速性能好。缺點(diǎn):有電刷,速度不高。2)交流伺服系統(tǒng)交流感應(yīng)異步伺服電機(jī)(一般用于主軸伺服系統(tǒng))和永磁同步伺服電機(jī)(一般用于進(jìn)給伺服系統(tǒng))。優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單、不需維護(hù)、適合于在惡劣環(huán)境下工作。動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、轉(zhuǎn)速高和容量大。,7.1.2伺服系統(tǒng)的分類,3按被控對(duì)象分類(1)進(jìn)給伺服系統(tǒng)指一般概念的位置伺服系統(tǒng),包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。(2)主軸伺服系統(tǒng)只是一個(gè)速度控制系統(tǒng)。C軸控制功能。4按反饋比較控制方式分類(1)脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)(2)相位比較伺服系統(tǒng)(3)幅值比較伺服系統(tǒng)(4)全數(shù)字伺服系統(tǒng),7.2伺服電動(dòng)機(jī),伺服電動(dòng)機(jī)為數(shù)控伺服系統(tǒng)的重要組成部分,是速度和軌跡控制的執(zhí)行元件。數(shù)控機(jī)床中常用的伺服電機(jī):直流伺服電機(jī)(調(diào)速性能良好)交流伺服電機(jī)(主要使用的電機(jī))步進(jìn)電機(jī)(適于輕載、負(fù)荷變動(dòng)不大)直線電機(jī)(高速、高精度),7.2.1直流伺服電機(jī)及工作特性,常用的直流電動(dòng)機(jī)有:永磁式直流電機(jī)(有槽、無槽、杯型、印刷繞組)勵(lì)磁式直流電機(jī)混合式直流電機(jī)無刷直流電機(jī)直流力矩電機(jī)直流進(jìn)給伺服系統(tǒng):永磁式直流電機(jī)類型中的有槽電樞永磁直流電機(jī)(普通型);直流主軸伺服系統(tǒng):勵(lì)磁式直流電機(jī)類型中的他激直流電機(jī)。,1直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu),2一般直流電機(jī)的工作特性,靜態(tài)特性電磁轉(zhuǎn)矩由下式表示:(6.1)KT轉(zhuǎn)矩常數(shù);磁場磁通;Ia電樞電流;TM電磁轉(zhuǎn)矩。電樞回路的電壓平衡方程式為:(6.2)Ua電樞上的外加電壓;Ra電樞電阻;Ea電樞反電勢。電樞反電勢與轉(zhuǎn)速之間有以下關(guān)系:(6.3)Ke電勢常數(shù);電機(jī)轉(zhuǎn)速(角速度)。根據(jù)以上各式可以求得:(6.4),2一般直流電機(jī)的工作特性,當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為零時(shí):理想空載轉(zhuǎn)速(6.5)當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時(shí):啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩(6.6)當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)某一負(fù)載TL時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速與理想空載轉(zhuǎn)速的差(6.7),O,2一般直流電機(jī)的工作特性,動(dòng)態(tài)特性直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩平衡方程式為(6.8)式中TM電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩;TL折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩;電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度;J電機(jī)轉(zhuǎn)子上總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;t時(shí)間自變量。,3永磁直流伺服電機(jī)的工作特性,(1)永磁直流伺服電機(jī)的性能特點(diǎn)1)低轉(zhuǎn)速大慣量2)轉(zhuǎn)矩大3)起動(dòng)力矩大4)調(diào)速泛圍大,低速運(yùn)行平穩(wěn),力矩波動(dòng)小(2)永磁直流伺服電機(jī)性能用特性曲線和數(shù)據(jù)表描述1)轉(zhuǎn)矩-速度特性曲線(工作曲線)2)負(fù)載-工作周期曲線過載倍數(shù)Tmd,負(fù)載工作周期比d。3)數(shù)據(jù)表:N、T、時(shí)間常數(shù)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等等。,3永磁直流伺服電機(jī)的工作特性,d%80110%120%60130%140%40160%d180%20200%013tR6103060100tR(min)圖69負(fù)載-工作周期曲線,4主軸直流伺服電機(jī)的工作原理和特性,7.22交流伺服電機(jī)及工作特性,直流伺服電機(jī)的缺點(diǎn):它的電刷和換向器易磨損;電機(jī)最高轉(zhuǎn)速的限制,應(yīng)用環(huán)境的限制;結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造困難,成本高。交流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn):動(dòng)態(tài)響應(yīng)好;輸出功率大、電壓和轉(zhuǎn)速提高交流伺服電機(jī)形式:同步型交流伺服電機(jī)和異步型交流感應(yīng)伺服電機(jī)。,1永磁交流同步伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理,交流同步伺服電機(jī)的種類:勵(lì)磁式、永磁式、磁阻式和磁滯式(1)永磁交流同步伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu),VS,VS,定子,轉(zhuǎn)子,脈沖編碼器,定子三相繞組,接線盒,圖611永磁交流同步伺服電機(jī)結(jié)構(gòu),1永磁交流同步伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理,1永磁交流同步伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理,(2)永磁交流同步伺服電機(jī)工作原理和性能,n(r/min),2交流主軸伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理,交流主軸電機(jī)的要求:大功率低速恒轉(zhuǎn)矩、高速恒功率鼠籠式交流異步伺服電機(jī)圖614交流主軸電機(jī)與普通交流異步感應(yīng)電機(jī)的比較圖示意圖圖615交流主軸伺服電機(jī)的特性曲線,3、交流伺服電機(jī)的發(fā)展,(1)永磁交流同步伺服電機(jī)的發(fā)展新永磁材料的應(yīng)用釹鐵硼永久磁鐵的結(jié)構(gòu)改革內(nèi)裝永磁交流同步伺服電機(jī)與機(jī)床部件一體化的電機(jī)空心軸永磁交流同步伺服電機(jī)(2)交流主軸伺服電機(jī)的發(fā)展輸出轉(zhuǎn)換型交流主軸電機(jī)三角-星形切換,繞組數(shù)切換或二者組合切換。液體冷卻電機(jī)內(nèi)裝式主軸電機(jī),7.3速度控制,概述:速度控制系統(tǒng)由速度控制單元、伺服電機(jī)和速度檢測裝置組成。分為主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。進(jìn)給運(yùn)動(dòng):是保證軌跡、尺寸和形位精度的。不但有速度控制,還有位置控制。在整個(gè)速度范圍內(nèi),保持恒轉(zhuǎn)矩。與主運(yùn)動(dòng)相比功率較小。主運(yùn)動(dòng):主要無級(jí)調(diào)速,但還要有下面的控制功能:主軸于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的同步控制;準(zhǔn)??刂?;分度控制;恒線速度控制。速度控制:主要是調(diào)速,調(diào)速有機(jī)械、液壓和電氣方法,電氣調(diào)速最有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。,7.3.1直流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制,1.、直流伺服電機(jī)的調(diào)速原理根據(jù)機(jī)械特性公式可知調(diào)速有二種方法:電樞電壓Ua和氣隙磁通改變電樞外加電壓Ua:由于繞組絕緣耐壓的限制,調(diào)壓只能在額定轉(zhuǎn)速以下進(jìn)行。屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。改變氣隙磁通量:改激磁電流即可改,在Ua恒定情況下,磁場接近飽和,故只能弱磁調(diào)速,在額定轉(zhuǎn)速以上進(jìn)行。屬于恒功率調(diào)速。2.直流速度控制單元調(diào)速控方式晶閘管(可控硅)調(diào)速系統(tǒng)晶體管脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)速系統(tǒng),(6.9),(6.10),晶閘管調(diào)速系統(tǒng)1)系統(tǒng)的組成,包括控制回路:速度環(huán)、電流環(huán)、觸發(fā)脈沖發(fā)生器等。主回路:可控硅整流放大器等。速度環(huán):速度調(diào)節(jié)(PI),作用:好的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性。電流環(huán):電流調(diào)節(jié)(P或PI)。作用:加快響應(yīng)、啟動(dòng)、低頻穩(wěn)定等。觸發(fā)脈沖發(fā)生器:產(chǎn)生移相脈沖,使可控硅觸發(fā)角前移或后移??煽毓枵鞣糯笃鳎赫鳌⒎糯?、驅(qū)動(dòng),使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。,2)主回路工作原理,組成:由大功率晶閘管構(gòu)成的三相全控橋式(三相全波)反并接可逆電路,分成二大部分(和),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)。,原理:三相整流器,由二個(gè)半波整流電路組成。每部分內(nèi)又分成共陰極組(1、3、5)和共陽極組(2、4、6)。為構(gòu)成回路,這二組中必須各有一個(gè)可控硅同時(shí)導(dǎo)通。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,每相內(nèi)二個(gè)觸發(fā)脈沖相差180。按管號(hào)排列,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。既每個(gè)觸發(fā)脈沖在導(dǎo)通60后,在補(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。,原理:,2020/5/16,e),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)脈沖提前來,增大整流輸出電壓;觸發(fā)脈沖延后來,減小整流輸出電壓。,主回路波形圖,3)控制回路分析,窄脈沖:即移相觸發(fā)脈沖,(可控硅導(dǎo)通時(shí)間),可調(diào)速。沒反饋是開環(huán),特性軟。,1-同步電路2-移向控制電路3-脈沖分配器,電流調(diào)節(jié)器:同上,加快電流的反應(yīng)。觸發(fā)脈沖發(fā)生器:正弦波同步鋸齒波觸發(fā)電路,與F直流信號(hào)疊加。,速度調(diào)節(jié)器:比例積分PI,高放大(相當(dāng)C短路)緩放大增放大穩(wěn)定(相當(dāng)C開路)無靜差。,運(yùn)算放大器的類型,反向比例放大器反向比例加法運(yùn)算放大器同向比例放大器積分運(yùn)算放大器比例積分運(yùn)算放大器:比較器,R3,R3,二個(gè)輸入端的內(nèi)阻非常大,不向運(yùn)放內(nèi)流電流,放大倍數(shù)非常大。同相端接地,電位為0,為實(shí)地;方反向端電為也為0,虛地。U2=-U1R3/R2,功率因數(shù)(以單向?yàn)槔?交流電阻電路:功率(平均)P=UI=I2R=U2/R交流電阻電容電路:純電容電路電流超前電壓相位=90功率(平均)P=UIcos交流電阻電感電路:純電感電路電流落后電壓相位=90功率(平均)P=UIcos由于交流電路中電感電容的存在,平均功率不等于電壓電流的乘積,而差一個(gè)cos,既與電壓電流的相位差有關(guān)。其中cos稱為功率因數(shù)。cos越高越好。造成功率因數(shù)不高的主要原因是感性負(fù)載,如異步電機(jī)、工頻爐、日光燈的功率因數(shù)都不高;提高功率因數(shù)的辦法是在感性負(fù)載上并聯(lián)電容。,2020/5/16,總結(jié)速度控制的原理:調(diào)速:當(dāng)給定的指令信號(hào)增大時(shí),則有較大的偏差信號(hào)加到調(diào)節(jié)器的輸入端,產(chǎn)生前移的觸發(fā)脈沖,可控硅整流器輸出直流電壓提高,電機(jī)轉(zhuǎn)速上升。此時(shí)測速反饋信號(hào)也增大,與大的速度給定相匹配達(dá)到新的平衡,電機(jī)以較高的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。干擾:假如系統(tǒng)受到外界干擾,如負(fù)載增加,電機(jī)轉(zhuǎn)速下降,速度反饋電壓降低,則速度調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號(hào)增大,其輸出信號(hào)也增大,經(jīng)電流調(diào)節(jié)器使觸發(fā)脈沖前移,晶閘管整流器輸出電壓升高,使電機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)到干擾前的數(shù)值。電網(wǎng)波動(dòng):電流調(diào)節(jié)器通過電流反饋信號(hào)還起快速的維持和調(diào)節(jié)電流作用,如電網(wǎng)電壓突然短時(shí)下降,整流輸出電壓也隨之降低,在電機(jī)轉(zhuǎn)速由于慣性還未變化之前,首先引起主回路電流的減小,立即使電流調(diào)節(jié)器的輸出增加,觸發(fā)脈沖前移,使整流器輸出電壓恢復(fù)到原來值,從而抑制了主回路電流的變化。啟動(dòng)、制動(dòng)、加減速:電流調(diào)節(jié)器還能保證電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)的大轉(zhuǎn)矩、加減速的良好動(dòng)態(tài)性能。,2020/5/16,(2)晶體管脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)速系統(tǒng)1)系統(tǒng)的組成及特點(diǎn),2020/5/16,U,usr,usf,整流,功放,主回路:大功率晶體管開關(guān)放大器;功率整流器。,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。直流脈寬調(diào)制:功率放大器中的大功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)下,開關(guān)頻率保持恒定,用調(diào)整開關(guān)周期內(nèi)晶體管導(dǎo)通時(shí)間(即改變基極調(diào)制脈沖寬度)的方法來改變輸出。從而使電機(jī)獲得脈寬受調(diào)制脈沖控制的電壓脈沖,由于頻率高及電感的作用則為波動(dòng)很小的直流電壓(平均電壓)。脈寬的變化使電機(jī)電樞的直流電壓隨著變化。,2020/5/16,直流脈寬調(diào)調(diào)制的基本原理,2020/5/16,周期不變,周期不變,脈寬,脈寬,脈寬,脈寬,平均直流電壓,脈沖寬度正比代表速度F值的直流電壓,U,t,2)脈寬調(diào)制器,2020/5/16,t,同向加法放大器電路圖USr速度指令轉(zhuǎn)化過來的直流電壓U-三角波USC-脈寬調(diào)制器的輸出(USr+U)調(diào)制波形圖,USr為0時(shí),調(diào)制出正負(fù)脈寬一樣方波平均電壓為0,USr為正時(shí),USr為負(fù)時(shí),調(diào)制出脈寬較寬的波形平均電壓為正,調(diào)制出脈寬較窄的波形平均電壓為負(fù),3)開關(guān)功率放大器,主回路:可逆H型雙極式PWM開關(guān)功率放大器,電路圖:由四個(gè)大功率晶體管(GTR)T1、T2、T3、T4及四個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路。,H型:又分為雙極式、單極式和受限單極式三種。Ub1、Ub2、Ub3Ub4為調(diào)制器輸出,經(jīng)脈沖分配、基極驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換過來的脈沖電壓。分別加到T1、T2、T3、T4的基極。,t,2020/5/16,工作原理:T1和T4同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷,其基極驅(qū)動(dòng)電壓Ub1=Ub4。T2和T3同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷,基極驅(qū)動(dòng)電壓Ub2=Ub3=Ub1。以正脈沖較寬為例,既正轉(zhuǎn)時(shí)。負(fù)載較重時(shí):電動(dòng)狀態(tài):當(dāng)0tt1時(shí),Ub1、Ub4為正,T1和T4導(dǎo)通;Ub2、Ub3為負(fù),T2和T3截止。電機(jī)端電壓UAB=US,電樞電流id=id1,由UST1T4地。續(xù)流維持電動(dòng)狀態(tài):在t1tT時(shí),Ub1、Ub4為負(fù),T1和T4截止;Ub2、Ub3變正,但T2和T3并不能立即導(dǎo)通,因?yàn)樵陔姌须姼袃?chǔ)能的作用下,電樞電流id=id2,由D2D3續(xù)流,在D2、D3上的壓降使T2、T3的c-e極承受反壓不能導(dǎo)通。UAB=-US。接著再變到電動(dòng)狀態(tài)、續(xù)流維持電動(dòng)狀態(tài)反復(fù)進(jìn)行,如上面左圖。負(fù)載較輕時(shí):反接制動(dòng)狀態(tài),電流反向:狀態(tài)中,在負(fù)載較輕時(shí),則id小,續(xù)流電流很快衰減到零,即t=t2時(shí)(見上面右圖),id=0。在t2T區(qū)段,T2、T3在US和反電動(dòng)勢E的共同作用下導(dǎo)通,電樞電流反向,id=id3由UST3T2地。電機(jī)處于反接制動(dòng)狀態(tài)。電樞電感儲(chǔ)能維持電流反向:在Tt3區(qū)段時(shí),驅(qū)動(dòng)脈沖極性改變,T2、T3截止,因電樞電感維持電流,id=id4,由D4D1。,2020/5/16,電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止:由正、負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓脈沖寬窄而定。當(dāng)正脈沖較寬時(shí),既t1T/2,平均電壓為正,電機(jī)正轉(zhuǎn);當(dāng)正脈沖較窄時(shí),既t1T/2,平均電壓為負(fù),電機(jī)反轉(zhuǎn);如果正、負(fù)脈沖寬度相等,t1=T/2,平均電壓為零,電機(jī)停轉(zhuǎn)。電機(jī)速度的改變:電樞上的平均電壓UAB越大,轉(zhuǎn)速越高。它是由驅(qū)動(dòng)電壓脈沖寬度決定的。雙極性:由以上分析表明:可逆H型雙極式PWM開關(guān)功率放大器,無論負(fù)載是重還是輕、電機(jī)是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn),加在電樞上的電壓極性在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi),都在US和US之間變換一次,故稱為雙極性。,(4)PWM調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn),頻帶寬、頻率高:晶體管“結(jié)電容”小,開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于可控(50Hz),可達(dá)2-10KHz??焖傩院谩k娏髅}動(dòng)小:由于PWM調(diào)制頻率高,電機(jī)負(fù)載成感性對(duì)電流脈動(dòng)由平滑作用,波形系數(shù)接近于1。電源的功率因數(shù)高:SCR系統(tǒng)由于導(dǎo)通角的影響,使交流電源的波形畸變、高次諧波的干擾,降低了電源功率因數(shù)。PWM系統(tǒng)的直流電源為不受控的整流輸出,功率因數(shù)高。動(dòng)態(tài)硬度好:校正瞬態(tài)負(fù)載擾動(dòng)能力強(qiáng),頻帶寬,動(dòng)態(tài)硬度高。,7.3.2直流主軸驅(qū)動(dòng)的速度控制,1.對(duì)直流主軸伺服系統(tǒng)的要求N、Mn特性,低速恒轉(zhuǎn)矩,高速恒功率。良好的加、減速及換向功能。過載能力,150%(額定電流的1.5倍)。大的調(diào)速范圍。準(zhǔn)停、同步、恒線速度控制功能。2.直流主軸速度控制單元:沒有位置控制,只是速度控制系統(tǒng)。,組成:調(diào)壓部分恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速,在額定轉(zhuǎn)速以下調(diào)速。調(diào)磁部分恒功率調(diào)速,在額定轉(zhuǎn)速以上調(diào)速。調(diào)壓:一般采用晶閘管調(diào)速系統(tǒng),同直流進(jìn)給系統(tǒng)一樣。包括速度環(huán)、電流環(huán)、可控硅整流主回路等。調(diào)磁:主軸電機(jī)為它激式直流電機(jī),激磁繞組與電樞繞組無直接關(guān)系,需由另一直流電源供電。激磁回路由激磁電流設(shè)定電路,電樞電壓反饋電路、及激磁反饋電路三者的比較輸出信號(hào),經(jīng)電流調(diào)節(jié)、觸發(fā)脈沖發(fā)生器等,控制激磁電流的大小,完成恒功率調(diào)速。調(diào)磁部分的電壓反饋的作用:它激直流主軸電機(jī),調(diào)壓、調(diào)磁是分開獨(dú)立工作的。在額定轉(zhuǎn)速以下用改變電調(diào)電樞端電壓調(diào)速,此時(shí)調(diào)磁不工作只是維持額定的磁場,用電壓反饋?zhàn)餍盘?hào),限制激磁電流反饋。當(dāng)電樞端電壓達(dá)到額定值時(shí),可以調(diào)磁,使電機(jī)轉(zhuǎn)速在高速段調(diào)整。,7.3.3交流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制,1.交流伺服電機(jī)的調(diào)速方法由電機(jī)學(xué)知,交流電機(jī)轉(zhuǎn)速公式:式中:f定子電源頻率p磁激對(duì)數(shù)S轉(zhuǎn)差率ns定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,由此可知調(diào)速方法:,(6.11),(6.12),2020/5/16,對(duì)于進(jìn)給系統(tǒng)常使用交流同步電機(jī),該電機(jī)沒有轉(zhuǎn)差率,電機(jī)轉(zhuǎn)速公式變?yōu)椋?從式中可以看出:只能用變頻調(diào)速,并且是有效方法。變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)是為交流電機(jī)提供變頻、變壓電源的變頻器,變頻器分為:交直交變頻器分電壓型和電流型。電壓型先將電網(wǎng)的交流電經(jīng)整流器變?yōu)橹绷?,再?jīng)逆變器變?yōu)轭l率和電壓都可變的交流電壓。電流型是切換一串方波,方波電流供電,用于大功率。交交變頻器該變頻器沒有中間環(huán)節(jié),直接將電網(wǎng)的交流電變?yōu)轭l率和電壓都可變的交流電。目前對(duì)于中小功率電機(jī),用得最多的是電壓型交直交變頻器。2.正弦脈寬調(diào)制(SPWM)變壓變頻器基本概念1964年德國人率先提出脈寬調(diào)制變頻思想,把通訊系統(tǒng)中的,(6.13),2020/5/16,調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于交流變頻器。調(diào)制方法很多,目前用得最多的是正弦脈寬調(diào)制。還有空間電壓矢量PWM、最優(yōu)PWM、預(yù)測PWM、隨機(jī)PWM、規(guī)則采樣數(shù)字化PWM等等。SPWM交直交變壓變頻器的原理框圖如下:,UR整流器固定電壓不可控整流器,常采用六個(gè)二級(jí)管橋式整流器結(jié)構(gòu)將交流變?yōu)橹绷鳎妷悍挡蛔?。為逆變器的供電。UI逆變器由六個(gè)功率開關(guān)器件組成,常采用大功率晶體管。其控制極(大功率晶體管GTR為基極)輸入由基準(zhǔn)正弦波(由速度指令轉(zhuǎn)化過來的)和三角波疊加出來的SPWM調(diào)制波(等幅、不等寬的矩形脈沖波),使這些大功率晶體管按一定規(guī)律導(dǎo)通、截止,輸出一系列功率級(jí)等效于正弦交流電的可變頻變壓的等幅、不等寬的矩形脈沖電壓波,即功率級(jí)SPWM電壓,使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。功率開關(guān)器件還可采用:可關(guān)斷晶閘管GTO、功率場效應(yīng)晶體管MOSFET、絕緣門極晶體管IGBT等。,20

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