伺服系統(tǒng)與變頻器應(yīng)用技術(shù)2(1)

1、第二單元第二單元 直流伺服控制直流伺服控制 （1） 直流伺服電動機及其調(diào)速系統(tǒng)直流伺服電動機及其調(diào)速系統(tǒng)LOGO2. 直流伺服電動機調(diào)速系統(tǒng)直流伺服電動機調(diào)速系統(tǒng)Page 3本講主要內(nèi)容本講主要內(nèi)容1. 直流伺服電動機直流伺服電動機LOGOPage 42.1 2.1 直流伺服電動機直流伺服電動機 直流伺服電機具有良好的調(diào)速特性、較大的啟動轉(zhuǎn)矩和相對功率、易于控制及響應(yīng)快等優(yōu)點，可很方便地在寬范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑無級調(diào)速，故多采用在對伺服電動機的調(diào)速性能要求較高的生產(chǎn)設(shè)備中。LOGOPage 52.1 2.1 直流伺服電動機直流伺服電動機2.1.1 2.1.1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理結(jié)構(gòu)組成及工作原理1結(jié)

2、構(gòu)組成直流伺服電動機在結(jié)構(gòu)上主要由定子、轉(zhuǎn)子、電刷及換向片等組成，如圖3-1所示。圖2-1 直流伺服電動機基本結(jié)構(gòu)LOGOPage 62.1 2.1 直流伺服電動機直流伺服電動機（1 1）定子）定子定子磁極磁場由定子的磁極產(chǎn)生。根據(jù)產(chǎn)生磁場的方式，可分為永磁式和他激式。永磁式磁極由永磁材料制成，他激式磁極由沖壓硅鋼片疊壓而成，外繞線圈，通以直流電流便產(chǎn)生恒定磁場。（2 2）轉(zhuǎn)子）轉(zhuǎn)子又叫電樞，由硅鋼片疊壓而成，表面嵌有線圈，通以直流電時，在定子磁場作用下產(chǎn)生帶動負(fù)載旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩。（3 3）電刷與換向片）電刷與換向片 為使所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩保持恒定方向，轉(zhuǎn)子能沿固定方向均勻地連續(xù)旋轉(zhuǎn)，電刷與外加

3、直流電源相接，換向片與電樞導(dǎo)體相接。1結(jié)構(gòu)組成2.1.1 2.1.1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理結(jié)構(gòu)組成及工作原理LOGOPage 72.1 2.1 直流伺服電動機直流伺服電動機 如圖2-2所示，電機轉(zhuǎn)子上的載流導(dǎo)體(即電樞繞組)在定子磁場中，受到電磁轉(zhuǎn)矩的作用，使電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速為eaaaCRIU（2-1）由式（2-1）可見，可通過改變電樞電壓Ua或改變每極磁通來控制直流伺服電動機的轉(zhuǎn)速，前者稱為電樞電壓控制，后者稱為勵磁磁場控制。由于電樞電壓控制具有機械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好、輸入損耗小、控制回路電感小且響應(yīng)速度快等優(yōu)點，所以直流伺服系統(tǒng)多采用電樞電壓控制。2.1.1 2.1.1 結(jié)構(gòu)組成及

4、工作原理結(jié)構(gòu)組成及工作原理2工作原理LOGOPage 82.1 2.1 直流伺服電動機直流伺服電動機2.1.2 2.1.2 主要特性主要特性1運行特性電動機穩(wěn)態(tài)運行，回路中電流保持不變，電樞電流切割磁場磁力線所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩Tm 為ammICT（2-2）由式（2-2）代入式（2-1），則直流伺服電動機運行特性表達(dá)式 mmeaeaTCCRCU2（2-3）式中，Cm轉(zhuǎn)矩常數(shù)，僅與電動機結(jié)構(gòu)有關(guān)。LOGOPage 92.1 2.1 直流伺服電動機直流伺服電動機當(dāng)直流伺服電動機的電樞控制電壓Ua 和 激勵磁場強度均保持不變，則角速度可看作是電磁轉(zhuǎn)矩Tm的函數(shù)，即=f (Tm)，該特性稱為直流伺服電動機

5、的機械特性，表達(dá)式為：mmeaTCCR0（2-4）式中，0常數(shù)，eaCU0根據(jù)式（2-4），給定不同的Tm 值，可繪出直流伺服電動機的機械特性曲線，如圖2-3所示：Ua1Ua2Ua3Td3Td2Td1TmO Ua1 Ua2 Ua3圖2-3 直流伺服電動機的機械特性2.1.2 2.1.2 主要特性主要特性1運行特性機械特性LOGOPage 102.1 2.1 直流伺服電動機直流伺服電動機直流伺服電動機的機械特性曲線是一組斜率相同的直線簇，每條機械特性和一種電樞電壓Ua 相對應(yīng)，且隨著Ua 增大，平行地向轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩增加的方向移動。與軸的交點是該電樞電壓下的理想空載角速度0，與Tm軸的交點則是該電樞

6、電壓下的啟動轉(zhuǎn)矩Td。機械特性的斜率為負(fù)，說明在電樞電壓不變時，電動機轉(zhuǎn)速隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加而降低。 機械特性的線性度越高，系統(tǒng)的動態(tài)誤差越小。2.1.2 2.1.2 主要特性主要特性1運行特性機械特性由圖2-3可見：Ua1Ua2Ua3Td3Td2Td1TmO Ua1 Ua2 Ua3圖2-3 直流伺服電動機的機械特性LOGOPage 112.1 2.1 直流伺服電動機直流伺服電動機 當(dāng)直流伺服電動機的電激勵磁場強度和電磁轉(zhuǎn)矩Tm均保持不變，則角速度可看作是電樞控制電壓Ua的函數(shù)，即=f (Ua)，該特性稱為直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性，表達(dá)式為meakTCU式中，k常數(shù)， 2meaCCRk根據(jù)式（2-

7、5），給定不同的Tm值，可繪出直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性曲線，如圖3-4所示。Tm3 Tm2 0圖2-4 直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性2.1.2 2.1.2 主要特性主要特性1運行特性調(diào)節(jié)特性（2-5）LOGOPage 123.1 3.1 直流伺服電動機直流伺服電動機Tm3 Tm2 0圖2-4 直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性3.1.2 3.1.2 主要特性主要特性1運行特性調(diào)節(jié)特性由圖2-4可見：直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性曲線一組斜率相同的直線簇，每條調(diào)節(jié)特性和一種電磁轉(zhuǎn)矩Tm相對應(yīng)，且隨著Tm增大，平行地向電樞電壓增加的方向移動。與Ua軸的交點表示在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，電動機啟動時的電樞電壓，且隨負(fù)載的增大

8、而增大。調(diào)節(jié)特性的斜率為正，說明在一定負(fù)載下，電動機轉(zhuǎn)速隨電樞電壓的增加而增加。調(diào)節(jié)特性的線性度越高，系統(tǒng)的動態(tài)誤差越小。LOGOPage 132.1 2.1 直流伺服電動機直流伺服電動機 電動機的輸入功率、輸出功率、效率、轉(zhuǎn)速、電樞電流與輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。圖2-5 電磁式直流伺服電動機工作特性 圖2-6 永磁式直流伺服電動機工作特性P1輸入功率；P2輸出功率；效率； P1輸入功率；P2輸出功率；效率；n轉(zhuǎn)速；Ia電樞電流；T輸出轉(zhuǎn)矩。 n轉(zhuǎn)速；Ia電樞電流；T輸出轉(zhuǎn)矩。2.1.2 2.1.2 主要特性主要特性2工作特性LOGOPage 142.1 2.1 直流伺服電動機直流伺服電動機2.1.2

9、 2.1.2 主要特性主要特性3主要參數(shù)LOGOPage 152.1 2.1 直流伺服電動機直流伺服電動機2.1.3 類型及選用1直流伺服電動機的類型直流伺服電動機的分類可按勵磁方式、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的大小和電樞的結(jié)構(gòu)與形狀等分成多種類型。按勵磁方式分按勵磁方式分l直流伺服電動機按勵磁方式可分為電磁式和永磁式兩種。l電磁式直流伺服電動機是一種普遍使用的伺服電動機，特別是大功率電機（100W以上）。l永磁式伺服電動機具有體積小、轉(zhuǎn)矩大、力矩和電流成正比、伺服性能好、響應(yīng)快功率體積比大、功率重量比大、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。由于功率的限制，目前主要應(yīng)用在辦公自動化、家用電氣、儀器儀表等領(lǐng)域。 按轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的

10、大小分按轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的大小分l直流伺服電動機按轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的大小可分成大慣量、中慣量和小慣量三種。l大慣量直流伺服電動機（又稱直流力矩伺服電動機）負(fù)載能力強，易于與機械系統(tǒng)匹配。1. 小慣量直流伺服電動機的加減速能力強、響應(yīng)速度快、動態(tài)特性好。LOGOPage 162.1 2.1 直流伺服電動機直流伺服電動機2.1.3 類型及選用1直流伺服電動機的類型直流伺服電動機的分類可按勵磁方式、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的大小和電樞的結(jié)構(gòu)與形狀等分成多種類型。按電樞的結(jié)構(gòu)與形狀分按電樞的結(jié)構(gòu)與形狀分 直流伺服電動機按電樞的結(jié)構(gòu)與形狀又可分為平滑電樞型、空心電樞型和有槽電樞型等類型。l平滑電樞型平滑電樞型的電樞無槽，其

11、繞組用環(huán)氧樹脂粘固在電樞鐵心上，因而轉(zhuǎn)子形狀細(xì)長，轉(zhuǎn)動慣量小。l空心電樞型空心電樞型的電樞無鐵心，且常做成杯形，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量最小。1.1. 有槽電樞型有槽電樞型的電樞與普通直流電動機的電樞相同，因而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量較大。LOGOPage 172.2 2.2 直流伺服電動機調(diào)速系統(tǒng)直流伺服電動機調(diào)速系統(tǒng) 所謂調(diào)速，是指在某一具體負(fù)載情況下，通過改變電動機或電源參數(shù)的方法，使機械特性曲線得以改變，從而使電動機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化或保持不變。 直流調(diào)速系統(tǒng)是最基本的拖動控制系統(tǒng)，主要有單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。LOGOPage 182.2 2.2 直流伺服電動機調(diào)速系統(tǒng)直流伺服電動機調(diào)速系統(tǒng)2.2.1

12、單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 根據(jù)自動控制原理，為滿足調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)，在開環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入反饋構(gòu)成單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)，采用不同物理量的反饋便形成不同的單閉環(huán)系統(tǒng)，在此以引入速度負(fù)反饋為例，構(gòu)成轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)，如圖2-7所示。 圖2-7 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)1.1.系統(tǒng)組成及工作原理系統(tǒng)組成及工作原理LOGOPage 192.2 2.2 直流伺服電動機調(diào)速系統(tǒng)直流伺服電動機調(diào)速系統(tǒng)2.2.1 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 2. 2. 系統(tǒng)特性系統(tǒng)特性1 1）靜態(tài)特性）靜態(tài)特性 單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)，靜特性較硬，在一定靜差率要求下調(diào)速范圍寬，而且系統(tǒng)具有良好的抗干擾性能。 存在兩個問題：2 2）動態(tài)特性）動態(tài)

13、特性 系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)太大時，可能會引起閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，須采取校正措施才能使系統(tǒng)正常工作。 系統(tǒng)的靜態(tài)精度和動態(tài)穩(wěn)定性系統(tǒng)的靜態(tài)精度和動態(tài)穩(wěn)定性有有矛盾矛盾啟動時沖擊電流太大啟動時沖擊電流太大 為兼顧靜態(tài)和動態(tài)兩種特性，一般采用比例積分（PI）調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，以解決動態(tài)穩(wěn)定性、快速性和靜態(tài)精度之間的矛盾。LOGOPage 202.2 2.2 直流伺服電動機調(diào)速系統(tǒng)直流伺服電動機調(diào)速系統(tǒng)1.1.系統(tǒng)組成及工作原理系統(tǒng)組成及工作原理 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，兩者之間實行串級連接。轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)在外面稱外環(huán)，電流負(fù)反饋的閉環(huán)在里面，稱

14、內(nèi)環(huán)。其原理圖如圖2-8所示。 圖2-8雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖2.2.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)LOGOPage 212.2 2.2 直流伺服電動機調(diào)速系統(tǒng)直流伺服電動機調(diào)速系統(tǒng)2.2.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)1.1.系統(tǒng)的組成及工作原理系統(tǒng)的組成及工作原理1 1）電流調(diào)節(jié)環(huán)）電流調(diào)節(jié)環(huán)電流環(huán)為由 ACR 和 電流負(fù)反饋 組成的閉環(huán)，它的主要作用是穩(wěn)定電流。設(shè)電流環(huán)的給定信號是速度調(diào)節(jié)器的輸出信號Ui，電流環(huán)的反饋信號Id，其值為idUI（2-10）式中，電流反饋系數(shù)。在Ui一定的條件下，在電流調(diào)節(jié)器的作用下，輸出電流保持不變，而由電網(wǎng)電壓波動引起電流波動將被有效抑制。LOGO2.2 2.2 直流伺服電動機調(diào)

15、速系統(tǒng)直流伺服電動機調(diào)速系統(tǒng)2 2）速度調(diào)節(jié)環(huán)速度調(diào)節(jié)環(huán)2.2.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)1.1.系統(tǒng)的組成及工作原理系統(tǒng)的組成及工作原理 速度環(huán)是由 ASR 和 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋 組成的閉環(huán)，它的主要作用是保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，并最后消除轉(zhuǎn)速靜差。LOGO2.2 2.2 直流伺服電動機調(diào)速系統(tǒng)直流伺服電動機調(diào)速系統(tǒng)2.2.系統(tǒng)特性系統(tǒng)特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性2.2.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性如圖2-9所示。 在n0A段，負(fù)載電流IdIdm，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用，這就是靜態(tài)特性的運行段。 在AB段，負(fù)載電流Id達(dá)到Idm，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。圖2-9 雙

16、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性LOGO2.2 2.2 直流伺服電動機調(diào)速系統(tǒng)直流伺服電動機調(diào)速系統(tǒng)（1 1）動態(tài)跟隨性能）動態(tài)跟隨性能由于直流伺服電機在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖2-10中標(biāo)明的I、II、III三個階段。圖2-10雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動過程第I 階段電流上升階段。第階段恒流升速階段第階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。 由上述可以看出，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在起動和升速過程中，能夠在最大轉(zhuǎn)矩下，表現(xiàn)出很快的動態(tài)轉(zhuǎn)速跟隨性能。在減速和制動過程中，由于主電路電流的不可逆性，跟隨性能變差。2.2.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)2.2.系統(tǒng)特性系統(tǒng)特性動動態(tài)特性態(tài)特性LOGO2.2 2.2 直流伺服電動機調(diào)速系統(tǒng)直流伺服電動機調(diào)速系統(tǒng)（2 2）動態(tài)抗擾性能）動態(tài)抗擾性能 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的動態(tài)速降會比單閉環(huán)系統(tǒng)中小得多，對內(nèi)環(huán)擾動調(diào)節(jié)起來更及時些。2.2.系統(tǒng)特性系統(tǒng)特性動動態(tài)特性態(tài)特性2.2.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)LOGO2.2 2.2 直流伺服電動機調(diào)速系統(tǒng)直流伺服電動機調(diào)速系統(tǒng)3 3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點2.2.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)LOGOPage Page 2727單