機(jī)電一體化cug(ch4伺服驅(qū)動技術(shù))課件

1、第四章第四章 伺服驅(qū)動技術(shù)伺服驅(qū)動技術(shù) 一、伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)概述一、伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)概述 二、步進(jìn)電機(jī)的原理及驅(qū)動二、步進(jìn)電機(jī)的原理及驅(qū)動 三、直流伺服電機(jī)的原理及驅(qū)動三、直流伺服電機(jī)的原理及驅(qū)動 四、交流伺服電機(jī)的原理及驅(qū)動四、交流伺服電機(jī)的原理及驅(qū)動 伺服執(zhí)行元件的特點(diǎn)及類型伺服執(zhí)行元件的特點(diǎn)及類型 第一節(jié)第一節(jié) 伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)概述伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)概述機(jī)電控制系統(tǒng)對執(zhí)行元件的要求機(jī)電控制系統(tǒng)對執(zhí)行元件的要求 一般來說，工作機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)要對外界做一般來說，工作機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)要對外界做功，因此必須實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動和傳遞必要的功，因此必須實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動和傳遞必要的動力。通常對執(zhí)行機(jī)構(gòu)提出如下基本要求：動力。通常對

2、執(zhí)行機(jī)構(gòu)提出如下基本要求：（1 1）能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)所需的運(yùn)動；）能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)所需的運(yùn)動；（2 2）傳遞必要的動力；）傳遞必要的動力；（3 3）保證系統(tǒng)具有良好的動態(tài)品質(zhì)。）保證系統(tǒng)具有良好的動態(tài)品質(zhì)。機(jī)電一體化系統(tǒng)執(zhí)行元件應(yīng)滿足的性能要求：機(jī)電一體化系統(tǒng)執(zhí)行元件應(yīng)滿足的性能要求：（1 1）慣量小、動力大；）慣量小、動力大；（2 2）體積小、重量輕；）體積小、重量輕；（3 3）快速性好，加減速扭矩大，頻率特性好；）快速性好，加減速扭矩大，頻率特性好；（4 4）位置控制精度高。）位置控制精度高。伺服電機(jī)控制方式伺服電機(jī)控制方式伺服電機(jī)比較伺服電機(jī)比較第二節(jié)第二節(jié) 步進(jìn)電動機(jī)步進(jìn)電動機(jī)一、步進(jìn)電動機(jī)的

3、結(jié)構(gòu)和工作原理一、步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 與普通電動機(jī)一樣，也是由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，其中定子又與普通電動機(jī)一樣，也是由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，其中定子又分為定子鐵心和定子繞組。定子鐵心由電工鋼片疊壓而成，定分為定子鐵心和定子繞組。定子鐵心由電工鋼片疊壓而成，定子繞組是繞置在定子鐵心子繞組是繞置在定子鐵心6 6個均勻分布的齒上的線圈，在直徑方個均勻分布的齒上的線圈，在直徑方向上相對的兩個齒上的線圈串聯(lián)在一起，構(gòu)成一相控制繞組。向上相對的兩個齒上的線圈串聯(lián)在一起，構(gòu)成一相控制繞組。圖示的步進(jìn)電動機(jī)可構(gòu)成圖示的步進(jìn)電動機(jī)可構(gòu)成A A、B B、C C三相控制繞組，故稱三相步進(jìn)三相控制繞組，故稱三相步進(jìn)電動機(jī)

4、。電動機(jī)。1-繞組繞組 2-定子鐵心定子鐵心 3-轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)子鐵心反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖一、步進(jìn)電動機(jī)的工作原理一、步進(jìn)電動機(jī)的工作原理 步進(jìn)電動機(jī)的工作原理實(shí)際上是步進(jìn)電動機(jī)的工作原理實(shí)際上是電磁鐵的作用原理電磁鐵的作用原理。 當(dāng)當(dāng)A A相繞組通電時，轉(zhuǎn)子的齒與定子相繞組通電時，轉(zhuǎn)子的齒與定子AAAA上的齒對齊。若上的齒對齊。若A A相斷相斷電，電，B B相通電，由于磁力的作用，轉(zhuǎn)子的齒與定子相通電，由于磁力的作用，轉(zhuǎn)子的齒與定子BBBB上的齒對齊，上的齒對齊，轉(zhuǎn)子沿逆時針方向轉(zhuǎn)過，如果控制線路不停地按轉(zhuǎn)子沿逆時針方向轉(zhuǎn)過，如果控制線路不停地按ABCAABCA的

5、順序控制步進(jìn)電動機(jī)繞組的通斷電，步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子便不的順序控制步進(jìn)電動機(jī)繞組的通斷電，步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子便不停地逆時針轉(zhuǎn)動。停地逆時針轉(zhuǎn)動。 若通電順序改為若通電順序改為ACBAACBA，步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子將順時針轉(zhuǎn)動步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子將順時針轉(zhuǎn)動3030。這種通電方式稱為三相三拍，而通這種通電方式稱為三相三拍，而通常的通電方式為三相六拍，其通電常的通電方式為三相六拍，其通電順序?yàn)轫樞驗(yàn)锳ABBBCCCAAAABBBCCCAA 或或AACCCBBBAAAACCCBBBAA，相相應(yīng)地，定子繞組的通電狀態(tài)每改變應(yīng)地，定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1515。 三相三拍工作方式三相三拍

6、工作方式 三相六拍工作方式三相六拍工作方式二、步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn)二、步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn)（1 1）步進(jìn)電動機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過一個）步進(jìn)電動機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過一個 確定的角度，即確定的角度，即步距角步距角；（2 2）改變步進(jìn)電動機(jī)）改變步進(jìn)電動機(jī)定子繞組的通電順序定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)方向隨之改變；隨之改變；（3 3）步進(jìn)電動機(jī)定子繞組通電狀態(tài)的改變速度越快，其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度）步進(jìn)電動機(jī)定子繞組通電狀態(tài)的改變速度越快，其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度 越快，即通電狀態(tài)的變化越快，即通電狀態(tài)的變化頻率頻率越高，轉(zhuǎn)子的越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速越高；越高；

7、（4 4）步進(jìn)電動機(jī)步距角與定子繞組的相數(shù)）步進(jìn)電動機(jī)步距角與定子繞組的相數(shù)m m、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)z z、通電方式、通電方式k k有有 關(guān)，可用下式表示：關(guān)，可用下式表示： = 360/(mzk)= 360/(mzk) 式中式中m m相相m m拍時，拍時，k=1k=1； m m相相2m2m拍時，拍時，k=2k=2。 對于上圖所示的單定子、徑向分相、反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)，當(dāng)它以三相三拍通電對于上圖所示的單定子、徑向分相、反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)，當(dāng)它以三相三拍通電方式工作時，其步距角為：方式工作時，其步距角為： =360/(3=360/(34 41)=301)=30 若按三相六拍通電方式工作，則步距

8、角為：若按三相六拍通電方式工作，則步距角為： =360/(3=360/(34 42)=152)=15 步距角步距角：常見的步距角常見的步距角0.60.60 0/1.2/1.20 0 , 0.75 , 0.750 0/1.5/1.50 0 , 0.9 , 0.90 0/1.8/1.80 0 ,1 ,10 0/2/20 0, 1.5, 1.50 0/3/30 0 等。等。例：例：某步進(jìn)電機(jī)有某步進(jìn)電機(jī)有8080個齒個齒, , 采用采用3 3相相6 6拍方式驅(qū)動，經(jīng)拍方式驅(qū)動，經(jīng)絲杠螺母副驅(qū)動工作臺做直線運(yùn)動絲杠螺母副驅(qū)動工作臺做直線運(yùn)動, , 絲杠的導(dǎo)程絲杠的導(dǎo)程L=6mmL=6mm。求：求： (

9、1) (1) 步進(jìn)電機(jī)的步矩角步進(jìn)電機(jī)的步矩角 。 (2) (2) 當(dāng)脈沖當(dāng)量當(dāng)脈沖當(dāng)量為為0.01mm0.01mm時時, ,試設(shè)計(jì)此傳動系統(tǒng)。試設(shè)計(jì)此傳動系統(tǒng)。i=Z2/Z1=L/360=L/360i (1) k=6/3=2 = 360/(mzk) =360/(3802)=0.75。 (2) I=Z2/Z1=L/360=0.756/3600.01=2/1 可選可選Z1=20，Z2=40，模數(shù)，模數(shù)=1.5的齒輪傳動副。的齒輪傳動副。例 將改造一臺將改造一臺C620C620車床，其縱向絲杠的螺距車床，其縱向絲杠的螺距t=12mmt=12mm，采用，采用110BF003110BF003型步進(jìn)電動

10、機(jī)，步距型步進(jìn)電動機(jī)，步距=0.75=0.75，系統(tǒng)規(guī)定的縱向步，系統(tǒng)規(guī)定的縱向步進(jìn)當(dāng)量進(jìn)當(dāng)量=0.01mm=0.01mm，計(jì)算步進(jìn)電動機(jī)與縱向絲杠之間的聯(lián)接傳，計(jì)算步進(jìn)電動機(jī)與縱向絲杠之間的聯(lián)接傳動比。動比。 解：解： 可選可選 ，模數(shù)，模數(shù)m=1.5m=1.5的齒輪傳動副。當(dāng)?shù)凝X輪傳動副。當(dāng)i i為小數(shù)時，為小數(shù)時，則可采用掛輪。則可采用掛輪。 思考題：三相變磁阻式步進(jìn)電動機(jī)，轉(zhuǎn)子思考題：三相變磁阻式步進(jìn)電動機(jī)，轉(zhuǎn)子8080個齒。個齒。(1)(1)如果電動機(jī)轉(zhuǎn)速為如果電動機(jī)轉(zhuǎn)速為60r/min,60r/min,單雙拍制通電，輸入單雙拍制通電，輸入脈沖頻率為多少脈沖頻率為多少? ?(2)(2

11、)如果電動機(jī)轉(zhuǎn)速為如果電動機(jī)轉(zhuǎn)速為100r/min100r/min，單拍制通電，輸入，單拍制通電，輸入脈沖頻率為多少脈沖頻率為多少? ?三、步進(jìn)電機(jī)分類三、步進(jìn)電機(jī)分類（1 1）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)：定子轉(zhuǎn)子均有鐵心組成，轉(zhuǎn)子無繞組，：定子轉(zhuǎn)子均有鐵心組成，轉(zhuǎn)子無繞組，步進(jìn)運(yùn)行由定子繞組通電歷磁產(chǎn)生的反應(yīng)力矩作用實(shí)現(xiàn)。步進(jìn)運(yùn)行由定子繞組通電歷磁產(chǎn)生的反應(yīng)力矩作用實(shí)現(xiàn)。 特點(diǎn)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，運(yùn)行頻率高，步距角小。：結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，運(yùn)行頻率高，步距角小。 應(yīng)用應(yīng)用：數(shù)控設(shè)備，機(jī)器人。：數(shù)控設(shè)備，機(jī)器人。（2 2）永磁式步進(jìn)電機(jī)永磁式步進(jìn)電機(jī)：轉(zhuǎn)子用永磁鐵，靠與定子產(chǎn)生電磁力：

12、轉(zhuǎn)子用永磁鐵，靠與定子產(chǎn)生電磁力 特點(diǎn)特點(diǎn)：控制功率小，效率高，造價低，但步距角大。：控制功率小，效率高，造價低，但步距角大。 應(yīng)用應(yīng)用：記錄儀，空調(diào)機(jī)。：記錄儀，空調(diào)機(jī)。（3 3）混合式步進(jìn)電機(jī)混合式步進(jìn)電機(jī)：轉(zhuǎn)子有齒，帶固定極性。：轉(zhuǎn)子有齒，帶固定極性。 特點(diǎn)特點(diǎn)：步距角小，工作頻率高，控制功率小。但結(jié)構(gòu)復(fù)：步距角小，工作頻率高，控制功率小。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。雜，成本高。磁阻式步進(jìn)電機(jī)磁阻式步進(jìn)電機(jī) 永磁式步進(jìn)電機(jī)永磁式步進(jìn)電機(jī)四、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動與控制四、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動與控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方法步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方法 步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行特性與配套使用的驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行特性與配套使用的驅(qū)動電源

13、有密切關(guān)系。電源有密切關(guān)系。 驅(qū)動電源由脈沖分配器、功率放大器組驅(qū)動電源由脈沖分配器、功率放大器組成。成。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動組成框圖步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動組成框圖步進(jìn)電機(jī)的加減速過程步進(jìn)電機(jī)的加減速過程 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源 脈沖分配器脈沖分配器（環(huán)形分配器）（環(huán)形分配器）軟件脈沖分配軟件脈沖分配 軟件環(huán)形分配器的設(shè)計(jì)方法有很多，如查表法、比較法、移位寄存器法軟件環(huán)形分配器的設(shè)計(jì)方法有很多，如查表法、比較法、移位寄存器法等，它們各有特點(diǎn)，其中常用的是查表法。等，它們各有特點(diǎn)，其中常用的是查表法。步序?qū)щ娤喙ぷ鳡顟B(tài)數(shù)值（16進(jìn)制）程序的數(shù)據(jù)表正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) C B A TAB A0 0 101HTAB0

14、 DB 01HAB0 1 103HTAB1 DB 03HB0 1 002HTAB2 DB 02HBC1 1 006HTAB3 DB 06HC1 0 004HTAB4 DB 04HCA1 0 105HTAB5 DB 05H五、步進(jìn)電動機(jī)的功率驅(qū)動電路五、步進(jìn)電動機(jī)的功率驅(qū)動電路1 1單電壓功率放大電路單電壓功率放大電路 此電路的特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)此電路的特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單，不足之處是簡單，不足之處是RcRc消耗能量消耗能量大，電流脈沖前后沿不夠陡，大，電流脈沖前后沿不夠陡，在改善了高頻性能后，低頻工在改善了高頻性能后，低頻工作時會使振蕩有所增加，使低作時會使振蕩有所增加，使低頻特性變壞。頻特性變壞。

15、2 2高低電壓功率放大電路高低電壓功率放大電路 電源電源U U1 1為高電壓，電源大約為為高電壓，電源大約為8080150V150V，U U2 2為低電壓電源，大約為低電壓電源，大約為為5 520V20V。在繞組指令脈沖到來時，。在繞組指令脈沖到來時，脈沖的上升沿同時使脈沖的上升沿同時使VTVT1 1和和VTVT2 2導(dǎo)通。導(dǎo)通。由于二極管由于二極管VDVD1 1的作用，使繞組只加的作用，使繞組只加上高電壓上高電壓U U1 1，繞組的電流很快達(dá)到，繞組的電流很快達(dá)到規(guī)定值。到達(dá)規(guī)定值后，規(guī)定值。到達(dá)規(guī)定值后，VTVT1 1的輸入的輸入脈沖先變成下降沿，使脈沖先變成下降沿，使VTVT1 1截止，

16、電截止，電動機(jī)由低電壓動機(jī)由低電壓U U2 2供電，維持規(guī)定電供電，維持規(guī)定電流值，直到流值，直到VTVT2 2輸入脈沖下降沿到來輸入脈沖下降沿到來VTVT2 2截止。截止。 不足之處是在高低壓銜接處的電不足之處是在高低壓銜接處的電流波形在頂部有下凹，影響電動機(jī)流波形在頂部有下凹，影響電動機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。運(yùn)行的平穩(wěn)性。3 3斬波恒流功放電路斬波恒流功放電路 該電路的特點(diǎn)是工作時該電路的特點(diǎn)是工作時VinVin端輸入端輸入方波步進(jìn)信號：當(dāng)方波步進(jìn)信號：當(dāng)VinVin為為“0”0”電平，電平，由與門由與門A A2 2輸出輸出V Vb b為為“0”0”電平，功率管電平，功率管（達(dá)林頓管）（達(dá)林頓管）

17、VTVT截止，繞組截止，繞組W W上無電上無電流通過，采樣電阻上流通過，采樣電阻上R R3 3上無反饋電壓，上無反饋電壓，A A1 1放大器輸出高電平；而當(dāng)放大器輸出高電平；而當(dāng)V Vinin為高電為高電平時，由與門平時，由與門A A2 2輸出的輸出的V Vb b也是高電平，也是高電平，功率管功率管VTVT導(dǎo)通，繞組導(dǎo)通，繞組W W上有電流，采上有電流，采樣電阻上樣電阻上R R3 3上出現(xiàn)反饋電壓上出現(xiàn)反饋電壓V Vf f，由分，由分壓電阻壓電阻R R1 1、R R2 2得到設(shè)定電壓與反饋電得到設(shè)定電壓與反饋電壓相減，來決定壓相減，來決定A A1 1輸出電平的高低，輸出電平的高低，來決定來決定

18、V Vinin信號能否通過與門信號能否通過與門A A2 2。若。若V VrefrefVVf f時時V Vinin信號通過與門，形成信號通過與門，形成V Vb b正正脈沖，打開功率管脈沖，打開功率管VTVT；反之，；反之，V VrefrefVVf f時時V Vinin信號被截止，無信號被截止，無V Vb b正脈沖，功率正脈沖，功率管管VTVT截止。這樣在一個截止。這樣在一個V Vinin脈沖內(nèi)，功脈沖內(nèi)，功率管率管VTVT會多次通斷，使繞組電流在設(shè)會多次通斷，使繞組電流在設(shè)定值上下波動。定值上下波動。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源總結(jié)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源總結(jié) 作用作用：對控制脈沖進(jìn)行功率放大，以使步進(jìn)電機(jī)獲：對

19、控制脈沖進(jìn)行功率放大，以使步進(jìn)電機(jī)獲得足夠大的功率驅(qū)動負(fù)載運(yùn)行。得足夠大的功率驅(qū)動負(fù)載運(yùn)行。 1 1、步進(jìn)電機(jī)是用脈沖供電，且按一定工作方式輪、步進(jìn)電機(jī)是用脈沖供電，且按一定工作方式輪流作用于各相勵磁線圈上。流作用于各相勵磁線圈上。 2 2、步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)是靠給各相勵磁線圈通電順序、步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)是靠給各相勵磁線圈通電順序變化來實(shí)現(xiàn)的。變化來實(shí)現(xiàn)的。 3 3、速度控制是靠改變控制脈沖的頻率實(shí)現(xiàn)的。、速度控制是靠改變控制脈沖的頻率實(shí)現(xiàn)的。 4 4、在通電脈沖內(nèi)使勵磁線圈的電流能快速建立，、在通電脈沖內(nèi)使勵磁線圈的電流能快速建立，而在斷電時電流能快速消失。而在斷電時電流能快速消失。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制

20、方法步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制方法起動曲線起動曲線運(yùn)行曲線運(yùn)行曲線 在這個輸出轉(zhuǎn)在這個輸出轉(zhuǎn)矩區(qū)間，步進(jìn)電矩區(qū)間，步進(jìn)電機(jī)啟動時的輸入機(jī)啟動時的輸入脈沖頻率必須緩脈沖頻率必須緩慢增加。慢增加。六、步進(jìn)電機(jī)的選擇六、步進(jìn)電機(jī)的選擇1 1、步距角的選擇、步距角的選擇 電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場上步進(jìn)電機(jī)的速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有步

21、距角一般有0.360.36度度/0.72/0.72度（五相電機(jī)）、度（五相電機(jī)）、0.90.9度度/1.8/1.8度（二、四度（二、四相電機(jī)）、相電機(jī)）、1.51.5度度/3/3度度 （三相電機(jī)）等。（三相電機(jī)）等。2 2、靜力矩的選擇、靜力矩的選擇 （1 1）根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)草圖計(jì)算機(jī)械傳動裝置及負(fù)載折算到電動機(jī)）根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)草圖計(jì)算機(jī)械傳動裝置及負(fù)載折算到電動機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量。軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量。（2 2）計(jì)算各種工況下所需的等效力矩。）計(jì)算各種工況下所需的等效力矩。（3 3）根據(jù)步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩和起動、運(yùn)行矩頻特性。）根據(jù)步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩和起動、運(yùn)行矩頻特性。 T TL L/

22、T/TMaxMax0.5 J0.5 JL L/J/Jm m443 3、電流的選擇、電流的選擇 靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動電源、及驅(qū)動可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動電源、及驅(qū)動電壓）。電壓）。第三節(jié)第三節(jié) 直流伺服電動機(jī)直流伺服電動機(jī) 直流伺服電動機(jī)具有直流伺服電動機(jī)具有良好的調(diào)速特性，較大的起動轉(zhuǎn)矩，相對功率大及良好的調(diào)速特性，較大的起動轉(zhuǎn)矩，相對功率大及快速響應(yīng)快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。盡管其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，在機(jī)電控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行等優(yōu)點(diǎn)。盡管其結(jié)構(gòu)復(fù)

23、雜，成本較高，在機(jī)電控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件還是獲得了廣泛的應(yīng)用。元件還是獲得了廣泛的應(yīng)用。 直流伺服電動機(jī)按激磁方式可分為直流伺服電動機(jī)按激磁方式可分為電磁式電磁式和和永磁式永磁式兩種。電磁式的磁場兩種。電磁式的磁場由由激磁繞組激磁繞組產(chǎn)生；永磁式的磁場由產(chǎn)生；永磁式的磁場由永磁體永磁體( (永久磁鐵永久磁鐵) )產(chǎn)生。電磁式直流伺服產(chǎn)生。電磁式直流伺服電動機(jī)是一種目前巳普遍使用的伺服電動機(jī)，特別是在大功率范圍內(nèi)電動機(jī)是一種目前巳普遍使用的伺服電動機(jī)，特別是在大功率范圍內(nèi)(100w(100w以上以上) )。永磁式直流伺服電動機(jī)由于尺寸小、重量輕、效率高、出力大、結(jié)。永磁式直流伺服電動機(jī)由于尺寸

24、小、重量輕、效率高、出力大、結(jié)構(gòu)簡單，無需激磁等一系列優(yōu)點(diǎn)而被越來越重視。構(gòu)簡單，無需激磁等一系列優(yōu)點(diǎn)而被越來越重視。 主要特點(diǎn)：主要特點(diǎn)：1 1、穩(wěn)定性好；、穩(wěn)定性好；2 2、可控性好；、可控性好；3 3、響應(yīng)迅速；、響應(yīng)迅速；4 4、控制功率低，損耗??；、控制功率低，損耗??；5 5、轉(zhuǎn)矩大。、轉(zhuǎn)矩大。勵磁繞組補(bǔ)償繞組(c)(f)rFcFaUai電樞繞組(a)ffUiFs 直流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與一般的直流電機(jī)結(jié)構(gòu)相似，也是由直流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與一般的直流電機(jī)結(jié)構(gòu)相似，也是由定子、轉(zhuǎn)子和電刷等部分組成，在定子上有勵磁繞組和補(bǔ)償繞組，定子、轉(zhuǎn)子和電刷等部分組成，在定子上有勵磁繞組和補(bǔ)償繞組，轉(zhuǎn)

25、子繞組通過電刷供電。由于轉(zhuǎn)子磁場和定子磁場始終正交，因轉(zhuǎn)子繞組通過電刷供電。由于轉(zhuǎn)子磁場和定子磁場始終正交，因而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。 直流伺服電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理與一般直流電直流伺服電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理與一般直流電動機(jī)相類似。動機(jī)相類似。 （a a）寬調(diào)速直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)）寬調(diào)速直流電動機(jī)結(jié)構(gòu) （b b）帶制動器的直流伺服電動機(jī)）帶制動器的直流伺服電動機(jī)直流伺服電動機(jī)直流伺服電動機(jī)直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性方程為：直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性方程為：式中，式中， 電樞控制電壓；電樞控制電壓； 電樞回路電阻；電樞回路電阻； 每極磁通；每極磁通； 、 分別為電動機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)。分別

26、為電動機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)。 TCCRCUn2teeccUReCtC直流伺服電機(jī)的特性直流伺服電機(jī)的特性由上式知，直流伺服電機(jī)的控制方式如下：由上式知，直流伺服電機(jī)的控制方式如下：直流伺服電機(jī)的特性直流伺服電機(jī)的特性（a a）機(jī)械特性）機(jī)械特性 （b b）電樞控制時的調(diào)速特性）電樞控制時的調(diào)速特性直流伺服電動機(jī)特性直流伺服電動機(jī)特性 為了實(shí)現(xiàn)直流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與方向調(diào)節(jié)，為了實(shí)現(xiàn)直流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與方向調(diào)節(jié)，需要對其直流電壓的大小和方向進(jìn)行控制。需要對其直流電壓的大小和方向進(jìn)行控制。 目前常用目前常用晶體管脈寬調(diào)速驅(qū)動晶體管脈寬調(diào)速驅(qū)動和和晶閘管直流調(diào)晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動速驅(qū)動兩種方式。兩種方式。直

27、流伺服電機(jī)的驅(qū)動與控制直流伺服電機(jī)的驅(qū)動與控制直流伺服電機(jī)的驅(qū)動與控制直流伺服電機(jī)的驅(qū)動與控制 一個驅(qū)動系統(tǒng)性能的好壞，不僅取決于電機(jī)本身的特性，一個驅(qū)動系統(tǒng)性能的好壞，不僅取決于電機(jī)本身的特性，而且還取決于驅(qū)動電路的性能以及兩者之間的相互配合。對驅(qū)而且還取決于驅(qū)動電路的性能以及兩者之間的相互配合。對驅(qū)動電路一般要求頻帶寬、效率高、能量能回授等。目前常用動電路一般要求頻帶寬、效率高、能量能回授等。目前常用晶晶體管驅(qū)動體管驅(qū)動和和晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動。 直流伺服電機(jī)的晶體管驅(qū)動電路有直流伺服電機(jī)的晶體管驅(qū)動電路有線性直流伺服放線性直流伺服放大器大器和和脈寬調(diào)制放大器脈寬調(diào)制放大器

28、(Pulse-Width Modulatorr(Pulse-Width Modulatorr，簡，簡稱稱 PWM)PWM)。 一般，寬頻帶低功率系統(tǒng)選用線性放大器一般，寬頻帶低功率系統(tǒng)選用線性放大器( (小于幾小于幾百瓦百瓦) )，而脈寬調(diào)制放大器常用在較大的系統(tǒng)中，尤其，而脈寬調(diào)制放大器常用在較大的系統(tǒng)中，尤其是那些要求在低速和大轉(zhuǎn)矩下連續(xù)運(yùn)行的場合。是那些要求在低速和大轉(zhuǎn)矩下連續(xù)運(yùn)行的場合。晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動UsRP1R0R0RbUfn-+U+R1IdRP2GUcUd-+UaML圖47 帶有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動直流伺服電

29、機(jī)控制直流伺服電機(jī)控制脈寬調(diào)制放大器脈寬調(diào)制放大器(PWM)(PWM) PWMPWM放大器的優(yōu)點(diǎn)是功率管工作在開關(guān)狀態(tài)，功耗小，電源放大器的優(yōu)點(diǎn)是功率管工作在開關(guān)狀態(tài)，功耗小，電源效率高；電機(jī)處于微振狀態(tài)，有利于獲得良好的動態(tài)性能。效率高；電機(jī)處于微振狀態(tài)，有利于獲得良好的動態(tài)性能。 PWMPWM基本原理是：利用大功率晶體管的開關(guān)作用，將直流電基本原理是：利用大功率晶體管的開關(guān)作用，將直流電源電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率源電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率( (例如例如2000HZ)2000HZ)的方波電壓，加在直流電的方波電壓，加在直流電動機(jī)的電樞上，通過對方波脈沖寬度的控制，改變電樞的平均動機(jī)的電樞上，通過對方波脈

30、沖寬度的控制，改變電樞的平均電壓，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電壓，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。晶體管脈寬調(diào)速（晶體管脈寬調(diào)速（PWMPWM）驅(qū)動）驅(qū)動止口止口直流伺服電機(jī)及驅(qū)動器直流伺服電機(jī)及驅(qū)動器第四節(jié)第四節(jié) 交流伺服電動機(jī)交流伺服電動機(jī) 與普通直流伺服電動機(jī)相比較，普通交流伺服電動與普通直流伺服電動機(jī)相比較，普通交流伺服電動機(jī)的特點(diǎn)是：它不需要電刷和換向器，因而避免了由機(jī)的特點(diǎn)是：它不需要電刷和換向器，因而避免了由于存在電刷和換向器而引起的一系列弊病。此外，它于存在電刷和換向器而引起的一系列弊病。此外，它的轉(zhuǎn)動慣量、體積和重量一般來說也較小。的轉(zhuǎn)動慣量、體積和重量一般來說也較小。 缺點(diǎn)是：輸出功率和轉(zhuǎn)矩

31、較??；轉(zhuǎn)矩特性和調(diào)節(jié)特缺點(diǎn)是：輸出功率和轉(zhuǎn)矩較?。晦D(zhuǎn)矩特性和調(diào)節(jié)特性的線性度不及直流伺服電動機(jī)好；其效率也較直流性的線性度不及直流伺服電動機(jī)好；其效率也較直流伺服電動機(jī)為低。伺服電動機(jī)為低。一、交流伺服電動機(jī)的種類一、交流伺服電動機(jī)的種類1、同步型（同步型（SM）：采用永磁結(jié)構(gòu)的同步電動機(jī)，又稱無刷采用永磁結(jié)構(gòu)的同步電動機(jī)，又稱無刷 直流伺服電動機(jī)。直流伺服電動機(jī)。 特點(diǎn)特點(diǎn)：無接觸換向部件；：無接觸換向部件； 需要磁極位置檢測器（如編碼器）；需要磁極位置檢測器（如編碼器）； 具有直流伺服電動機(jī)的全部優(yōu)點(diǎn)。具有直流伺服電動機(jī)的全部優(yōu)點(diǎn)。2、感應(yīng)型（感應(yīng)型（IM）：籠型感應(yīng)電動機(jī)籠型感應(yīng)電動機(jī)

32、特點(diǎn)特點(diǎn)：對定子電流的激勵分量和轉(zhuǎn)矩分量分別控制，具：對定子電流的激勵分量和轉(zhuǎn)矩分量分別控制，具 有直流伺服電動機(jī)的全部優(yōu)點(diǎn)；有直流伺服電動機(jī)的全部優(yōu)點(diǎn)； 結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，容易制造，價格低廉。結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，容易制造，價格低廉。永磁式伺服電機(jī)永磁式伺服電機(jī)二、二、 交流伺服電動機(jī)的選擇交流伺服電動機(jī)的選擇1、交流伺服電動機(jī)的初選擇交流伺服電動機(jī)的初選擇 (1)(1)首先考慮電動機(jī)能夠提供負(fù)載所需的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)首先考慮電動機(jī)能夠提供負(fù)載所需的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。就是能夠提供克服峰值負(fù)載所需的功率。速。就是能夠提供克服峰值負(fù)載所需的功率。 P Pm m=(1.5=(1.52.5)T2.5)TLPLPn nLPLP/159

33、/159 其次，當(dāng)電動機(jī)的工作周期可以與其發(fā)熱時間常其次，當(dāng)電動機(jī)的工作周期可以與其發(fā)熱時間常數(shù)相比較時，必須考慮電機(jī)的熱額定問題，通常用負(fù)數(shù)相比較時，必須考慮電機(jī)的熱額定問題，通常用負(fù)載的均方根功率作為確定電機(jī)發(fā)熱功率的基礎(chǔ)。載的均方根功率作為確定電機(jī)發(fā)熱功率的基礎(chǔ)。 P Pm m=(1.5=(1.52.5)T2.5)TLrLrn nLrLr/159/159 (2)發(fā)熱校核發(fā)熱校核 TNTLrtdtTTTTtLFLaLLr02)(3)轉(zhuǎn)矩過載校核轉(zhuǎn)矩過載校核 (TL)max(Tm)max過載轉(zhuǎn)矩過載轉(zhuǎn)矩 (Tm)max=Tn額定力矩額定力矩2.2.伺服系統(tǒng)慣量匹配原則伺服系統(tǒng)慣量匹配原則（1

34、）慣量較小的系統(tǒng)）慣量較小的系統(tǒng) 1Jl/Jm3（2）慣量較大的系統(tǒng)）慣量較大的系統(tǒng) 0.25Jl/Jm1交流伺服電機(jī)的控制方式有以下幾種。交流伺服電機(jī)的控制方式有以下幾種。（1 1）幅值控制）幅值控制（2 2）相位控制）相位控制（3 3）幅相控制）幅相控制（4 4）雙相控制）雙相控制三、三、 交流伺服電機(jī)的控制與驅(qū)動交流伺服電機(jī)的控制與驅(qū)動 伺服電動機(jī)就是兩相異步電動機(jī)，定子側(cè)繞組再伺服電動機(jī)就是兩相異步電動機(jī)，定子側(cè)繞組再空間相差空間相差9090度擺放，轉(zhuǎn)子是鼠籠式的。度擺放，轉(zhuǎn)子是鼠籠式的。 Uf f If c Uc IcS M T T+ s+=s 2 1 0 0 1 2 s-=2-s

35、T-伺服電機(jī)的機(jī)械特性伺服電機(jī)的機(jī)械特性（1 1）自轉(zhuǎn)現(xiàn)象自轉(zhuǎn)現(xiàn)象：如果電機(jī)參數(shù)與一般的單相異步電動機(jī)一樣，：如果電機(jī)參數(shù)與一般的單相異步電動機(jī)一樣，那么當(dāng)控制信號消失時，電機(jī)轉(zhuǎn)速雖會下降些，但仍會繼續(xù)那么當(dāng)控制信號消失時，電機(jī)轉(zhuǎn)速雖會下降些，但仍會繼續(xù)不停地轉(zhuǎn)動。伺服電動機(jī)在控制信號消失后仍繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的失不停地轉(zhuǎn)動。伺服電動機(jī)在控制信號消失后仍繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的失控現(xiàn)象稱為控現(xiàn)象稱為“自轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)”。（2 2）如何克服如何克服：顯然：顯然, ,我們需要的是當(dāng)控制信號為零時我們需要的是當(dāng)控制信號為零時, ,轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也為零轉(zhuǎn)速也為零, ,從機(jī)械特性圖上我們可以看出從機(jī)械特性圖上我們可以看出, ,只要轉(zhuǎn)

36、子旋轉(zhuǎn)的只要轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向和電磁轉(zhuǎn)矩的方向相反方向和電磁轉(zhuǎn)矩的方向相反, ,就可以實(shí)現(xiàn)此目的。就可以實(shí)現(xiàn)此目的。（3 3）改變控制電壓的方法改變控制電壓的方法： a.a.幅值控制幅值控制： 如圖所示，幅值控制通過改變控制電壓的大小來控如圖所示，幅值控制通過改變控制電壓的大小來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，此時控制制電機(jī)轉(zhuǎn)速，此時控制 U=Uf 電壓移相 90UcWcWfUfUc(可變) 電壓與勵磁電壓之間的相位差始終保持電壓與勵磁電壓之間的相位差始終保持9090電角度。電角度。 若控制繞組的額定電壓若控制繞組的額定電壓 那么控制信號的大小可表示那么控制信號的大小可表示c c cNcN , , 稱為稱為有效信號系數(shù)，那么以有效信號系數(shù)，那么以cncn為基值，控制電壓為基值，控制電壓 的標(biāo)的標(biāo)么值為：么值為： .fcNUUcUfccncncnccUUUUUUU* 當(dāng)有效信號系數(shù)當(dāng)有效信號系數(shù) 時，控制電壓時，控制電壓 與與 的的幅值相等，相位相差幅值相等，相位相差9090電角度，且兩繞組空間相差電角度，且兩繞組空間相差9090電角度。此時所產(chǎn)生的氣隙磁通勢為圓形旋轉(zhuǎn)磁電角度。此時所產(chǎn)生的氣隙磁通勢為圓形旋轉(zhuǎn)磁通勢，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)距最大；