第五章機電傳動伺服系統(tǒng)

1、 第5章機電傳動伺服系統(tǒng) 隨著自動控制理論的發(fā)展，到20世紀中期，伺服系統(tǒng)的理論與實踐趨于成熟，并得到廣泛應(yīng)用。近幾十年來在新技術(shù)革命的推動下，特別是伴隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速進步，伺服技術(shù)更是如虎添翼突飛猛進，其應(yīng)用幾乎遍及社會的各個領(lǐng)域。 伺服系統(tǒng)在機械制造行業(yè)中用得最多最廣，各種機床運動部分的速度控制、運動軌跡控制、位置控制，多是依靠各種伺服系統(tǒng)來控制的。他們不僅能完成轉(zhuǎn)動控制、直線運動控制，而且能依靠多套伺服系統(tǒng)的配合，完成復(fù)雜的空間曲線運動的控制，如仿型機床的控制、機器人手臂關(guān)節(jié)的運動控制等。高精度的伺服系統(tǒng)可以完成的運動精度高、速度快，并可以完成依靠人工操作是不可能達到的控

2、制。 伺服系統(tǒng)還大量應(yīng)用在人工無法操作的場所中，如在冶金工業(yè)中，電弧煉鋼爐、粉末冶金爐等的電極位置控制，水平連鑄機的拉坯運動控制，軋鋼機軋輥壓下運動的位置控制等、在運輸行業(yè)中，電氣機車的自動調(diào)速、高層建筑中電梯的升降控制、船舶的自動操舵、飛機的自動駕駛等，都廣泛應(yīng)用各種伺服系統(tǒng)，從而減緩操作人員的疲勞，也大大提高了工作效率。 在軍事上，伺服系統(tǒng)用得更為普遍，雷達天線的自動瞄準跟蹤控制、高射炮、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)射架的瞄準運動控制、坦克炮塔的防搖穩(wěn)定控制、防空導(dǎo)彈的制導(dǎo)控制、魚雷的自動控制等，真是不勝枚舉。 伺服系統(tǒng)除了應(yīng)用在上述各種大型機電系統(tǒng)上外，在精密儀器和計算機外圍設(shè)備中，也采用了不少何服系統(tǒng)，

3、如自動繪圖儀的畫筆控制系統(tǒng)、磁盤驅(qū)動系統(tǒng)等。 如今我國已成為世界上少有的幾個能生產(chǎn)激光電視放像系統(tǒng)的國家，用激光將信息錄制在光盤上，一圈信息在電視機上構(gòu)成一幅畫面，放像過程使用很細的激光束沿信息道讀取信息，各信息具有相應(yīng)的控制精度，以保證獲取清晰穩(wěn)定的畫面。這種具有高精度伺服系統(tǒng)的激光電視放像機，已開始進人人們的家庭生活中。 伺服系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，大到控制巨型雷達天線，及時準確的跟蹤人造衛(wèi)星的發(fā)射，小到用線圈來控制電視放像機的激光頭，從國防、工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸?shù)郊彝ド?，而且必將發(fā)展應(yīng)用到更新的領(lǐng)域。本章將重點介紹直流伺服和交流伺服系統(tǒng)的組成以及伺服系統(tǒng)的設(shè)計方法。5.1伺服系統(tǒng)中主要元器

4、件 5.1.1直流伺服電動機 直流伺服電動機實際上是一種微型他勵直流電動機。和普通直流電動機不同的是，這種直流電動機雖然也是實現(xiàn)電到機的轉(zhuǎn)換，但它更注重的是其控制性能的指標，如快速性、靈敏性、特性線性度以及控制功耗和動靜態(tài)指標等。 直流伺服電動機用在機電一體化設(shè)備中，作為執(zhí)行元件，接受電氣控制系統(tǒng)發(fā)來的運行指令，并將其轉(zhuǎn)化為與之相對應(yīng)的機械運動量（如轉(zhuǎn)速、角位移、角速度等）。常用在機床裝置的坐標進給驅(qū)動系統(tǒng)中和一些機械設(shè)備的輔助驅(qū)動機構(gòu)中等。 目前，直流伺服電動機的輸出功率一般在1 W到數(shù)百瓦的范圍內(nèi)，少數(shù)的可達幾個千瓦。轉(zhuǎn)速從每分幾百轉(zhuǎn)到上萬轉(zhuǎn)不等，多數(shù)在2000一6 000 r/min之間

5、 。 電 壓 等 級 有 6 , 9 、12,24,27,48,110,220 V等。改變電樞端電壓和電樞繞組電阻對機械特性的影響同他勵直流電動機一樣。1直流伺服電動機的基本類型 直流伺服電動機也有電磁式和永磁式兩種，但多為永磁式。它的良好控制性能主要是由于具有特殊的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同，直流伺服電動機有以下的幾種類型。（1)普通電樞直流伺服電動機 這種伺服電動機具有與動力直流電動機基本相同的結(jié)構(gòu)。即電磁式或永磁式定子，轉(zhuǎn)子由帶槽的鐵心和嵌放于槽中的電樞繞組構(gòu)成。但相對而言，電樞的長度與直徑比較大，即它屬細而長型轉(zhuǎn)子。大中容量的直流伺服電動機一般都是這種結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品容量從幾瓦到幾百瓦甚至數(shù)

6、千瓦。 同時也由于這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，使它具有較強的負載能力，較大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，因此它特別實用于大負載的伺服系統(tǒng)。但由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大，使得該電動機的機械慣性（時間常數(shù)）較大，低速時運行平穩(wěn)性較差，控制死區(qū)較大。 (2）盤形電樞直流伺服電動機 這種電動機定子為永磁式。它的轉(zhuǎn)子為一圓盤結(jié)構(gòu)（即長度直徑比小于1)，電樞有線繞式（線繞盤式）和印刷電路式（印刷盤式）之分。該電動機結(jié)構(gòu)簡單、體積小、轉(zhuǎn)子重量輕，因此，轉(zhuǎn)子的機械慣性?。ㄍǔC種的機械時間常數(shù)小于30 ms），但堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩小。線繞盤式電動機容量可達數(shù)千瓦，印刷盤式的容量小一些。 (3)空心杯電樞直流伺服電動機 該電動機轉(zhuǎn)子以一空心杯構(gòu)體為骨架

7、，其杯壁上放置（或印制）電樞繞組。其電樞繞組可以是繞線式繞組也可以是印刷式繞組。定子為永磁式。這種伺服電動機以機械慣性極小著稱，控制靈敏度高，幾乎無控制死區(qū)，其體積可做得非常小且重量輕。但堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩較小，目前它的容量還不能做得很大，是一種微型伺服電動機。(4)無槽電樞直流伺服電動機 無槽電樞直流伺服電動機與普通電樞直流伺服電動機的唯一區(qū)別是它的轉(zhuǎn)子鐵心不開槽，電樞繞組用固定膠粘貼在電樞表面。這種伺服電動機具有較大的負載能力，較大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，電動機容量可以做的較大，低速平穩(wěn)性好。 (5)直流伺服齒輪減速電動機 這種伺服電動機是將微型直流電動機和一套高精度齒輪減速裝置組裝成一整體。直流伺服電動機的輸

8、出轉(zhuǎn)速經(jīng)過減速機構(gòu)減速輸出。因此，這種電動機的最大特點是可以輸出極低的速度（可低達零點幾轉(zhuǎn)每分）且低速時運行非常平穩(wěn)。它特別適用于低速大力矩系統(tǒng)。 (6)直流力矩電動機 直流力矩電動機是一種低速大力矩伺服電動機。它能在不需要中間減速機構(gòu)的情況下直接拖動負載實現(xiàn)低速大力矩的平穩(wěn)運行，甚至可以工作在堵轉(zhuǎn)情況下且無爬行現(xiàn)象，又具有很高的穩(wěn)速精度。因此，特別適用于那些常用于較低速度且又有相當(dāng)負載能力要求的場合。直流力矩電動機在結(jié)構(gòu)上和普通電樞直流伺服電動機相同。 它的定子主磁極數(shù)較多（通常6一8極），它通常做成扁平結(jié)構(gòu)，電樞長度與直徑之比一般僅為0.2左右（即外表呈現(xiàn)圓盤狀）。它有內(nèi)裝式和分裝式兩種結(jié)

9、構(gòu)。內(nèi)裝式與一般電動機一樣由生產(chǎn)廠裝配成一整體。分裝式將定子、轉(zhuǎn)子和刷子三大部分分離出廠，使用時現(xiàn)場裝配，轉(zhuǎn)子直接套在負載軸上，機殼可根據(jù)需要自行選配。2直流伺服電動機驅(qū)動模塊 由于直流伺服電動機實際上就是一臺小容量的他勵直流電動機，因此，普通直流電動機的各種驅(qū)動模塊實際上均可用來驅(qū)動直流伺服電動機。但是，一般而言，直流伺服電動機的容量遠小于普通驅(qū)動用直流電動機，即電樞驅(qū)動容量較小，而普通直流電動機的驅(qū)動模塊通常都是應(yīng)用于中大容量的電動機作為電力驅(qū)動。 另外，作為伺服電動機由于其控制的線性度、靈敏性和快速性等的特殊要求，對驅(qū)動模塊的動靜態(tài)特性也有相應(yīng)的要求。因此，直流伺服電動機往往需要有自己專

10、門的驅(qū)動模塊。 2直流伺服電動機驅(qū)動模塊 由于直流伺服電動機實際上就是一臺小容量的他勵直流電動機，因此，普通直流電動機的各種驅(qū)動模塊實際上均可用來驅(qū)動直流伺服電動機。但是，一般而言，直流伺服電動機的容量遠小于普通驅(qū)動用直流電動機，即電樞驅(qū)動容量較小，而普通直流電動機的驅(qū)動模塊通常都是應(yīng)用于中大容量的電動機作為電力驅(qū)動。 另外，作為伺服電動機由于其控制的線性度、靈敏性和快速性等的特殊要求，對驅(qū)動模塊的動靜態(tài)特性也有相應(yīng)的要求。因此，直流伺服電動機往往需要有自己專門的驅(qū)動模塊。 適用于直流伺服電動機的典型驅(qū)動電路實際上是一種直流線性功率放大器，它將直流控制信號直接進行電壓和功率放大而驅(qū)動直流伺服電

11、動機，如圖5 1所示。因此，直流伺服電動機的驅(qū)動模塊又叫做直流伺服放大模塊。 直流伺服放大模塊有用電子功率器件（GTR等）構(gòu)成和用專用功率集成電路構(gòu)成兩種。 直流伺服電動機驅(qū)動模塊的基本形式及原理 原理上，直流伺服電動機驅(qū)動模塊也由功率電路和控制電路兩部分構(gòu)成。而功率電路原理上有兩種基本形式，如圖5.2所示。這兩種基本形式分別叫電壓控制型（DSMDRV）和電流控制型（DSMDRC）。 這兩種基本形式的共同點是控制信號（這里叫輸人信號）Uk施加于功率晶體管VT的基極，另一點是電路中的功率晶體管VT可以工作于開關(guān)狀態(tài)、又可以工作于線性放大區(qū)。E為模塊的工作電源，其實它才是電動機的主電源，是一直流電

12、源。 圖示5.2a方式中，由功率晶體管VT構(gòu)成的射極跟隨器的負載是電動機DSM。一若略去晶體管VT的基極與發(fā)射極間電壓Ub,(約為0.6 V左右)，則輸人電壓認相當(dāng)于直接加在電動機上，所以UK直接控制著電動機的電樞電壓，因此，這種稱為電壓控制型。 這時電動機的電流幾乎與晶體管的特性無關(guān)，由電動機本身的特性決定。 5. .1. .2交流伺服電動機1交流伺服電動機的基本類型 與普通交流電動機類似，交流伺服電動機也分為異步和同步兩種。兩相交流伺服電動機原理上就是一臺兩相異步電動機。它的定子上正交放置兩相繞組，這兩相繞組一個叫勵磁繞組，另一相為控制繞組。轉(zhuǎn)子一般有兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是籠型轉(zhuǎn)子，這種轉(zhuǎn)子

13、的結(jié)構(gòu)與普通籠型感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)子相同；另一種是非磁性空心杯轉(zhuǎn)子，其結(jié)構(gòu)如圖5.7所示。 籠型轉(zhuǎn)子與空心杯轉(zhuǎn)子比較。前者輸出力矩大、結(jié)構(gòu)簡單、勵磁電流小、效率高，唯一不足是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量大，因而動態(tài)響應(yīng)不如空心杯轉(zhuǎn)子快?？招谋D(zhuǎn)子具有慣性小，反應(yīng)靈敏，調(diào)速范圍大、但這種電動機的勵磁電流較大，因而功率因數(shù)和效率較低。 運行時，勵磁繞組一般施加固定單相交流電壓，通過對控制繞組的控制電壓進行必要的控制來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。同時應(yīng)注意，在相位上是不同的。2交流伺服電動機驅(qū)動模塊（ASMDR） 從兩相交流伺服電動機原理分析，可知道交流伺服電動機定子上有兩相正交繞組。一個是勵磁繞組，作為電動機工作磁場的建立；另

14、一個是控制繞組，作為電動機的運行控制，它們都是加交流電壓。交流伺服電動機的控制方式有幅值控制、相位控制和雙相控制三種。根據(jù)不同的控制方式，交流伺服電動機驅(qū)動模塊有多種結(jié)構(gòu)。 幅值控制是在勵磁電壓與控制電壓相位差（90）不變的情況下， 僅改變控制電壓的幅值來實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速的控制。這時兩相伺服電動機控制電路應(yīng)具有這樣三大功能：對勵磁繞組施加固定頻率、固定相位的單相交流電源；實現(xiàn)勵磁電壓與控制電壓的固定分相（90）；實現(xiàn)對控制電壓的幅值調(diào)節(jié)。幅值控制驅(qū)動模塊原理結(jié)構(gòu)如圖5.8所示。90分相電路可以采用簡單的阻容分相電路，也可采用移相控制電路，它的作用是實現(xiàn)勵磁電壓與控制電壓（90）分相，對控制電壓

15、的幅值調(diào)節(jié)實際上就是一種單相交流調(diào)壓器。 相位控制是在勵磁電壓Uf的幅值和相位角f不變以及控制繞組的控制電壓Uo的幅值不變并且與Uf的幅值相等的情況下，調(diào)節(jié)Uo的相位，從而實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。因此，它的驅(qū)動模塊在原理上就是一個移相控制器，如圖5.9所示。 圖5.10為兩相伺服電動機的雙相控制示意圖。雙相控制就是使勵磁電壓Uf與控制電壓Uo隨控制信號同時改變，并始終保持兩者相位差為90。這時的驅(qū)動模塊實際上就是兩個完全相同的功率放大器。伺服電動機的控制直接體現(xiàn)在Ufk和Ukk上，Ufk與Ukk的相位差始終為90。功率放大器的作用是將兩個弱控制信號ufk和Ukk進行功率放大。 下面介紹幾種適用

16、于兩相伺服電動機的驅(qū)動模塊，這些模塊根據(jù)內(nèi)部所用的功率器件和特點可分為：晶閘管模塊、晶體管式PWM驅(qū)動模塊、晶體管伺服放大模塊。 （ 1 ) 晶 閘 管 式 驅(qū) 動 模 塊(ASMDR一SCR) 該模塊是以晶閘管作為功率元件構(gòu)成模塊主電路。用晶閘管構(gòu)成的兩相伺服電動機幅值控制模塊主電路如圖5.11a所示。 從圖中看出，它是一個用晶閘管構(gòu)成的單相交流調(diào)壓器，原理和基本結(jié)構(gòu)與交流電動機電子式調(diào)壓驅(qū)動模塊的主電路類似。這里采用的是兩個單相調(diào)壓器(VW1和VT3為構(gòu)成一個向控制繞組的A-M段供電，VT2和VT4向控制繞組的MB段供電），這兩個調(diào)壓電路分別接在具有中間抽頭的兩相伺服電動機控制繞組上。 當(dāng)

17、控制電壓Uk0時，兩個觸發(fā)器(A,B)輸出相同觸發(fā)角的觸發(fā)脈沖，使輸出端AB的電壓（控制繞組的總電壓）為零。當(dāng)控制電壓Uk0時，控制電動機正轉(zhuǎn)，且控制繞組的電壓幅值UAB受Uk的控制，從而控制電動機的正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。當(dāng)控制電壓Uk0時，這時控制繞組的交流電壓UAB調(diào)相，電動機反轉(zhuǎn)，Uk控制伺服電動機反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。 用晶閘管構(gòu)成的兩相伺服電動機相位控制模塊主電路如圖5 11b所示。該模塊在結(jié)構(gòu)上與圖5.11a基本相同，只是在控制繞組上并聯(lián)了一個電容C，它是晶閘管的換向電容。該模塊與幅值控制模塊的主要區(qū)別是四只晶閘管的觸發(fā)脈沖時刻安排不同，加之，換向電容的輔助作用，便很容易實現(xiàn)相位控制。其實，該模塊在進行相

18、位控制的同時幅值控制也將受一定的影響，只不過這個影響相比之下很小而已，可不考慮。（2）晶體管式驅(qū)動模塊（ASMDR一RWM） 晶體管式驅(qū)動模塊的內(nèi)部主電路是一個晶體管單相逆變器電路。一個模塊驅(qū)動一個繞組。 該模塊主電路（晶體管單相逆變器）的典型結(jié)構(gòu)如圖5.12所示。 VT1一VT4為主晶體管，VDlVD4是主晶體管的保護二極管。UD是模塊的動力電源，為直流電。各晶體管工作于一定頻率的交流脈沖狀態(tài)，且相互的關(guān)系應(yīng)是：U,一U2，U3一U4；U1（一U2）與U3（一U4）的脈沖頻率與正負波周期相同；U1（一U2）與U3（一U4）的相位原則上不同。 該模塊主電路各點的波形如圖5. .13所示，圖a是

19、U（U4）滯后U1（ U2）的情況，圖b是U1（ U2）滯后U3（ U4）的情況，這兩種情況的輸出電壓Uo的相位正好相差180(即調(diào)相)。從圖中看出，輸出Uo的周期與GTR基極控制信號周期一致，輸出Uo的方波寬度（它決定了輸出交流電壓基波幅值）由兩組控制電壓（一組是U1（ U2），另一組U3（ U4）的相位差決定。 可見，這種電路將直流電壓UD變換成了一交變方波（交流電）輸出，其基波的頻率由GTR控制信號的頻率決定，基波的幅值由兩組GTR控制脈沖相位差決定，另外，輸出電壓的調(diào)相（反向）是靠改變U1（一U2）與U3（一U4）的超前滯后關(guān)系實現(xiàn)的。 晶體管PWM驅(qū)動模塊就是用兩套一樣的這種逆變器分

20、別驅(qū)動、控制繞組和勵磁繞組，如圖5.14所示。 在運行過程中，保持勵磁繞組驅(qū)動電路固定脈寬和頻率輸出，主電路的典型結(jié)構(gòu)按一定的脈寬調(diào)制規(guī)律向控制繞組驅(qū)動電路的四個晶體管（也遵循U1一U2，U3=一U4）基極發(fā)出控制脈沖，使控制繞組電壓Uc成為幅值不變而脈寬可調(diào)的PWM波。 PWM驅(qū)動模塊具有輸出電壓諧波含量低（輸出基本上為正弦波），可方便實現(xiàn)電壓幅值和相位的變換且只需通過改變控制脈沖方式，用PWM調(diào)制方式驅(qū)動主晶體管同時實現(xiàn)輸出電壓幅值和相位的控制，電路結(jié)構(gòu)簡單可靠。（3）晶體管交流伺服放大器式驅(qū)動模塊（ASMDR一AF） 該驅(qū)動模塊內(nèi)部電路實際上就是一種交流功率放大器。因此，有時簡稱為交流伺服放大器。它將交流弱電控制信號直接進行動率放大去推動交流伺服電動機的定子繞組。它的最大特點是輸出與控制輸入關(guān)系線性化。這里介紹這類模塊最常用的兩種電