《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》第4章_伺服系統(tǒng)設(shè)計

1、n伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)，也稱為隨動系統(tǒng)，是一種能夠，也稱為隨動系統(tǒng)，是一種能夠及時跟蹤輸入給定信號并產(chǎn)生動作，從而及時跟蹤輸入給定信號并產(chǎn)生動作，從而獲得精確的位置、速度等輸出的獲得精確的位置、速度等輸出的自動控制自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)。4.1、伺服系統(tǒng)概念、伺服系統(tǒng)概念第四章第四章 伺服系統(tǒng)設(shè)計伺服系統(tǒng)設(shè)計伺服系統(tǒng)應(yīng)用舉例機械手手臂伸縮運動的電液伺服系統(tǒng)。1電放大器 2電液伺服閥 3液壓缸 4機械手手臂 5齒輪齒條機構(gòu) 6電位器 7步進電機 例：數(shù)控機床伺服系統(tǒng)例：數(shù)控機床伺服系統(tǒng)，n由圖可以看出，它與一般的反饋控制系統(tǒng)一樣，由圖可以看出，它與一般的反饋控制系統(tǒng)一樣，也是由控制器、被控對象、反饋測量

2、裝置等部分也是由控制器、被控對象、反饋測量裝置等部分組成。組成。n系統(tǒng)需不斷檢測被控對象輸出的變化，與給定值系統(tǒng)需不斷檢測被控對象輸出的變化，與給定值比較，對被控對象進行自動調(diào)節(jié)，以消除偏差。比較，對被控對象進行自動調(diào)節(jié)，以消除偏差。數(shù)控系統(tǒng)n 對伺服系統(tǒng)的基本要求有對伺服系統(tǒng)的基本要求有穩(wěn)定性穩(wěn)定性、精度精度和和快速快速響應(yīng)性響應(yīng)性。n 穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指作用在系統(tǒng)上的擾動消失后，系統(tǒng)是指作用在系統(tǒng)上的擾動消失后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運行或者在輸入指能夠恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運行或者在輸入指令信號作用下，系統(tǒng)能夠達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)令信號作用下，系統(tǒng)能夠達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。的

3、能力。n 精度精度是伺服系統(tǒng)的一項重要的性能要求。它是是伺服系統(tǒng)的一項重要的性能要求。它是指其輸出量復(fù)現(xiàn)輸入指令信號的精確程度。指其輸出量復(fù)現(xiàn)輸入指令信號的精確程度。 n 快速響應(yīng)性快速響應(yīng)性是衡量伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的另一項是衡量伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的另一項重要指標?？焖夙憫?yīng)性有兩方面含義，一是指動重要指標?？焖夙憫?yīng)性有兩方面含義，一是指動態(tài)響應(yīng)過程中，輸出量跟隨輸入指令信號變化的態(tài)響應(yīng)過程中，輸出量跟隨輸入指令信號變化的迅速程度，二是指動態(tài)響應(yīng)過程結(jié)束的迅速程度。迅速程度，二是指動態(tài)響應(yīng)過程結(jié)束的迅速程度。伺服系統(tǒng)的基本要求伺服系統(tǒng)的基本要求n按被控量的不同按被控量的不同可以將伺服系統(tǒng)分為可以將伺

4、服系統(tǒng)分為位置位置伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)、速度伺服系統(tǒng)速度伺服系統(tǒng)，其中最常見的，其中最常見的是位置伺服系統(tǒng)是位置伺服系統(tǒng) ； n按照控制方式按照控制方式，可將伺服系統(tǒng)分為，可將伺服系統(tǒng)分為開環(huán)、開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)、半閉環(huán)系統(tǒng) 。 n根據(jù)執(zhí)行器使用的動力源根據(jù)執(zhí)行器使用的動力源，可以將伺服系，可以將伺服系統(tǒng)分為統(tǒng)分為電氣伺服系統(tǒng)電氣伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)液壓伺服系統(tǒng)和和氣氣壓伺服系統(tǒng)壓伺服系統(tǒng)等幾種類型等幾種類型4.1.2、伺服系統(tǒng)的分類、伺服系統(tǒng)的分類位置控制控制器（裝置）步進驅(qū)動器 步進馬達開回路開回路沒有反饋、只能進行一個方向的控制。使用步進馬達。 一方向指令半閉回路位置控制控制器（裝

5、置）伺服驅(qū)動器伺服馬達編碼器全閉合回路位置控制控制器（裝置）伺服驅(qū)動器伺服馬達編碼器絲性標尺n1.電氣伺服系統(tǒng)電氣伺服系統(tǒng) 高精度、高速度、高可靠行、易控制。但承載能力高精度、高速度、高可靠行、易控制。但承載能力有限，設(shè)計較復(fù)雜。有限，設(shè)計較復(fù)雜。n2.液壓伺服系統(tǒng)液壓伺服系統(tǒng) 功率大、控制性好、維修方便。但快速響應(yīng)性不好，功率大、控制性好、維修方便。但快速響應(yīng)性不好，穩(wěn)定性較差。穩(wěn)定性較差。n2.氣壓伺服系統(tǒng)氣壓伺服系統(tǒng) 成本低、清潔安全、結(jié)構(gòu)簡單、維修方便。但控制穩(wěn)定性差，成本低、清潔安全、結(jié)構(gòu)簡單、維修方便。但控制穩(wěn)定性差，輸出功率和力較小，體積大輸出功率和力較小，體積大4.1.2、伺服

6、系統(tǒng)的分類、伺服系統(tǒng)的分類 1. 電氣執(zhí)行元件電氣執(zhí)行元件 電氣執(zhí)行元件包括直流電氣執(zhí)行元件包括直流(DC)伺服電機、交流（伺服電機、交流（AC）伺服電）伺服電機、步進電機等，是最常用的執(zhí)行元件。對伺服電機除了機、步進電機等，是最常用的執(zhí)行元件。對伺服電機除了要求運轉(zhuǎn)平穩(wěn)以外，一般還要求動態(tài)性能好，適合于頻繁要求運轉(zhuǎn)平穩(wěn)以外，一般還要求動態(tài)性能好，適合于頻繁使用，便于維修等使用，便于維修等n2液壓式執(zhí)行元件液壓式執(zhí)行元件 液壓式執(zhí)行元件主要包括往復(fù)運動油缸、回轉(zhuǎn)油缸、液壓式執(zhí)行元件主要包括往復(fù)運動油缸、回轉(zhuǎn)油缸、 液壓馬達等，其中油缸最為常見。在同等輸出功率的情況液壓馬達等，其中油缸最為常見。

7、在同等輸出功率的情況 下，液壓元件具有重量輕、快速性好等特點下，液壓元件具有重量輕、快速性好等特點n3氣壓式執(zhí)行元件氣壓式執(zhí)行元件 氣壓式執(zhí)行元件除了用壓縮空氣作工作介質(zhì)外，與液氣壓式執(zhí)行元件除了用壓縮空氣作工作介質(zhì)外，與液 壓式執(zhí)行元件沒有區(qū)別。氣壓驅(qū)動雖可得到較大的驅(qū)動壓式執(zhí)行元件沒有區(qū)別。氣壓驅(qū)動雖可得到較大的驅(qū)動 力、行程和速度，但由于空氣粘性差，具有可壓縮力、行程和速度，但由于空氣粘性差，具有可壓縮 性，故不能在定位精度要求較高的場合使用。性，故不能在定位精度要求較高的場合使用。4.2 伺服系統(tǒng)執(zhí)行元件及其控制伺服系統(tǒng)執(zhí)行元件及其控制4.2 伺服系統(tǒng)執(zhí)行元件及其控制伺服系統(tǒng)執(zhí)行元件及

8、其控制n一、一、直流伺服電機及控制直流伺服電機及控制n二、二、交流伺服電機及控制交流伺服電機及控制n三、三、步進電機及控制步進電機及控制伺服電機伺服電機伺服電機驅(qū)動器伺服電機驅(qū)動器伺服電機伺服電機伺服電機驅(qū)動器伺服電機驅(qū)動器松下交流伺服電機及驅(qū)動器松下交流伺服電機及驅(qū)動器安川伺服電機驅(qū)動器安川伺服電機驅(qū)動器伺服電機的分類伺服電機伺服電機交流伺服電機交流伺服電機直流伺服電機直流伺服電機鼠籠轉(zhuǎn)子鼠籠轉(zhuǎn)子杯形轉(zhuǎn)子杯形轉(zhuǎn)子安培定律FBilBil磁場的磁感應(yīng)強度導(dǎo)體中的電流導(dǎo)體的有效長度2(/)Wb m( )A( )m4.2.1、直流伺服電動機直流伺服電動機直流電機原理直流電機的勵磁方式勵磁概念：由電流

9、激勵出磁場的過程叫做勵磁。勵磁概念：由電流激勵出磁場的過程叫做勵磁。他勵他勵并勵并勵串勵串勵直流伺服電機的結(jié)構(gòu)直流伺服電機的結(jié)構(gòu)極靴極靴機殼機殼瓦狀永磁材料（定子）瓦狀永磁材料（定子）電樞（轉(zhuǎn)子）電樞（轉(zhuǎn)子）換向極換向極主磁極主磁極定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子線圈線圈圖圖6.5永磁直流伺服電機的結(jié)構(gòu)永磁直流伺服電機的結(jié)構(gòu) 圖圖6.6勵磁式直流伺服電機結(jié)構(gòu)示意圖勵磁式直流伺服電機結(jié)構(gòu)示意圖 1. 靜態(tài)特性（電壓相對穩(wěn)定） 電磁轉(zhuǎn)矩由下式表示: 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: 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)

10、速之間有以下關(guān)系： Ke電勢常數(shù)；n電機轉(zhuǎn)速（角速度）。 根據(jù)以上各式可以求得： (轉(zhuǎn)速公式) 2、直流電機的靜態(tài)特性直流電機的靜態(tài)特性 aTMIKT aaaaERIU eaKE TKKRKUnTeaea反映轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩變化的程度，反映轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩變化的程度，斜率越大，轉(zhuǎn)速隨負載變化大，機械斜率越大，轉(zhuǎn)速隨負載變化大，機械特性軟特性軟；反之；反之（轉(zhuǎn)矩對轉(zhuǎn)速變化的影響程度越?。?，機械特性越硬（轉(zhuǎn)矩對轉(zhuǎn)速變化的影響程度越?。?，機械特性越硬。從公式可看出機械特性硬度與從公式可看出機械特性硬度與RaRa有關(guān)，有關(guān)， Ra Ra越小，電機機械特性越越小，電機機械特性越硬。實際控制中，伺服電機需外接放大電路

11、，這就引入了放大電路硬。實際控制中，伺服電機需外接放大電路，這就引入了放大電路內(nèi)阻，使機械特性變軟，在設(shè)計時應(yīng)注意。內(nèi)阻，使機械特性變軟，在設(shè)計時應(yīng)注意。1 1）、機械特性）、機械特性直流電機轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩（負載）變化的關(guān)系直流電機轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩（負載）變化的關(guān)系n=f(T)n=f(T)稱稱機械機械特性特性202aamEETamETURnTKK KRnTK K2 2）、調(diào)節(jié)特性）、調(diào)節(jié)特性202aamEETamETURnTKK KRnTK K由圖可知：由圖可知：空載時，起動電壓為空載時，起動電壓為0. 當(dāng)負載為當(dāng)負載為TL1時，電機的起動電壓為時，電機的起動電壓為Ua1 當(dāng)負載為當(dāng)負載為TL2時，電機

12、的起動電壓為時，電機的起動電壓為Ua23 3）、動態(tài)特性）、動態(tài)特性直流電機的基本調(diào)速方式有三種直流電機的基本調(diào)速方式有三種: :（1 1）調(diào)節(jié)電阻）調(diào)節(jié)電阻Ra、（2 2）調(diào)節(jié)磁通）調(diào)節(jié)磁通的值的值（3 3）調(diào)節(jié)電樞電壓）調(diào)節(jié)電樞電壓Ua4 4）、直流伺服電機的速度控制）、直流伺服電機的速度控制TKKRKUnTeaea由轉(zhuǎn)速公式可得，由轉(zhuǎn)速公式可得，（1 1）電樞電阻調(diào)速：）電樞電阻調(diào)速：很少采用，很少采用，缺點：缺點：不經(jīng)濟：要得到低速，不經(jīng)濟：要得到低速，R R很大，則消耗大量電能；很大，則消耗大量電能；低速，特性很軟，運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性很差；低速，特性很軟，運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性很差；調(diào)節(jié)平滑性差，操作費

13、力。調(diào)節(jié)平滑性差，操作費力。7.3 7.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺服電機及其速度控制主要內(nèi)容Tnn0R0R2R1202aamEETamETURnTKK KRnTK K主要內(nèi)容（2 2）調(diào)節(jié)磁通）調(diào)節(jié)磁通（調(diào)磁調(diào)速）（調(diào)磁調(diào)速）不但改變了電機的理不但改變了電機的理想轉(zhuǎn)速，而且使直流電機機械特性變軟想轉(zhuǎn)速，而且使直流電機機械特性變軟Ua N Ua 1 Ua 2OTNnn0 Nn0 1n0 2nNn1n2Ua 2Ua 1Ua NNTN nNT12TOn0 2n0 1n0 Nn2n1nNnN 1 27.3 7.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺服電機及其速度控制主要內(nèi)容（3 3）調(diào)節(jié)電樞電壓：

14、）調(diào)節(jié)電樞電壓：（調(diào)壓調(diào)速）（調(diào)壓調(diào)速）時，直流電機機時，直流電機機械特性為一組平行線，只改變電機的理想轉(zhuǎn)速械特性為一組平行線，只改變電機的理想轉(zhuǎn)速n n0 0 ，保持了原有較硬的機械特性，所以保持了原有較硬的機械特性，所以調(diào)壓調(diào)速調(diào)壓調(diào)速主要用于主要用于伺服進給驅(qū)動系統(tǒng)電機的調(diào)速伺服進給驅(qū)動系統(tǒng)電機的調(diào)速UaNUa1 Ua2OTNnn0Nn01n02nNn1n2Ua2Ua1UaNNTN nNT12TOn02n01n0Nn2n1nNnN12如果如果n n值較大，不可能實現(xiàn)值較大，不可能實現(xiàn)寬范圍的調(diào)速。永磁式直流伺寬范圍的調(diào)速。永磁式直流伺服電機的服電機的n n值較小，因此，值較小，因此，進給

15、系統(tǒng)常采用永磁式直流電進給系統(tǒng)常采用永磁式直流電機。機。 n n為負載轉(zhuǎn)速與理想空載轉(zhuǎn)為負載轉(zhuǎn)速與理想空載轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速差。速的轉(zhuǎn)速差。 7.3 7.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺服電機及其速度控制主要內(nèi)容直流伺服電機速度控制單元直流伺服電機速度控制單元 需對直流電壓的大小和方向進行控制需對直流電壓的大小和方向進行控制直流伺服電機速度控制單元的作用：直流伺服電機速度控制單元的作用：將轉(zhuǎn)速指令信號轉(zhuǎn)將轉(zhuǎn)速指令信號轉(zhuǎn)換成電樞的電壓值換成電樞的電壓值，達到速度調(diào)節(jié)的目的。，達到速度調(diào)節(jié)的目的。直流電機速度控制單元常采用的調(diào)速方法：直流電機速度控制單元常采用的調(diào)速方法： 1.1.晶閘管（可控硅）調(diào)速系

16、統(tǒng)晶閘管（可控硅）調(diào)速系統(tǒng) 2.2.晶體管脈寬調(diào)制（晶體管脈寬調(diào)制（PWM Pulse Width ModulatedPWM Pulse Width Modulated）調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)速系統(tǒng)。 主要內(nèi)容1 1晶閘管調(diào)速系統(tǒng)晶閘管調(diào)速系統(tǒng)常用于大功率及要求不很高的直流伺服電機調(diào)速控制。常用于大功率及要求不很高的直流伺服電機調(diào)速控制。7.3 7.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺服電機及其速度控制U*n主要內(nèi)容速度速度調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器電流電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器觸發(fā)脈沖觸發(fā)脈沖發(fā)生器發(fā)生器可控硅可控硅電流反饋電流反饋速度反饋速度反饋電流檢測電流檢測編碼器編碼器電機電機+-UnInI*n+-US 控制控制回路回路

17、主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驅(qū)動，使電機轉(zhuǎn)動。主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驅(qū)動，使電機轉(zhuǎn)動。速度環(huán)：速度調(diào)節(jié)，作用：好的靜態(tài)、動態(tài)特性。速度環(huán)：速度調(diào)節(jié)，作用：好的靜態(tài)、動態(tài)特性。電流環(huán)：電流調(diào)節(jié)，作用：系統(tǒng)快速性、穩(wěn)定性改善。電流環(huán)：電流調(diào)節(jié)，作用：系統(tǒng)快速性、穩(wěn)定性改善。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?；蚝笠?。7.3 7.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺服電機及其速度控制462791113581210ABCMUMUDKMKM+-主回路主回路由大功率晶閘管構(gòu)成的三相全控橋式反并接可逆電由大功率晶閘管

18、構(gòu)成的三相全控橋式反并接可逆電路，分成二大部分（路，分成二大部分（ 和和 ），每部分內(nèi)按三相橋式連），每部分內(nèi)按三相橋式連接，二組反并接，分別實現(xiàn)正轉(zhuǎn)接，二組反并接，分別實現(xiàn)正轉(zhuǎn) 和反轉(zhuǎn)。和反轉(zhuǎn)。各有一個可控硅同時導(dǎo)通，形成回路。各有一個可控硅同時導(dǎo)通，形成回路。7.3 7.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺服電機及其速度控制 只要改變可控只要改變可控硅觸發(fā)角（即改變硅觸發(fā)角（即改變導(dǎo)通角），就能改導(dǎo)通角），就能改變可控硅的整流輸變可控硅的整流輸出電壓，從而改變出電壓，從而改變直流伺服電機的轉(zhuǎn)直流伺服電機的轉(zhuǎn)速。速。 觸發(fā)脈沖提前，觸發(fā)脈沖提前，增大整流輸出電壓；增大整流輸出電壓；觸發(fā)脈沖延后

19、，減觸發(fā)脈沖延后，減小整流輸出電壓。小整流輸出電壓。uacbcaba)b)c)d)135 tub246bcatttt1 1 3 3 5 5 1 1 3 3 6 2 2 4 4 6 6 2 2 4 135246120120180601324606056主要內(nèi)容2PWM調(diào)速控制系統(tǒng)調(diào)速控制系統(tǒng)利用大功率晶體管的開關(guān)作用，將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻利用大功率晶體管的開關(guān)作用，將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的率的方波電壓方波電壓，加到直流電動機的電樞上；通過調(diào)整控制，加到直流電動機的電樞上；通過調(diào)整控制方波脈沖寬度來改變電樞的平均電壓，從而調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)方波脈沖寬度來改變電樞的平均電壓，從而調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。速?？?/p>

20、制電路簡單，不需附加關(guān)斷電路，開關(guān)特性好?？刂齐娐泛唵?，不需附加關(guān)斷電路，開關(guān)特性好。 廣泛廣泛應(yīng)用中、小功率直流伺服系統(tǒng)。應(yīng)用中、小功率直流伺服系統(tǒng)。周期不變周期不變脈寬脈寬脈寬脈寬脈寬脈寬脈寬脈寬平均直流電壓平均直流電壓Ut周期不變周期不變7.3 7.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺服電機及其速度控制脈寬調(diào)制（脈寬調(diào)制（PWMPWM）系統(tǒng)組成：）系統(tǒng)組成：主要內(nèi)容主要內(nèi)容速度速度調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器電流反饋電流反饋脈寬脈寬調(diào)制調(diào)制基極基極驅(qū)動驅(qū)動功功放放振蕩器振蕩器 電流電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器M M速速度度指指令令 三相交流電三相交流電整流整流速度反饋速度反饋U UsrsrU USCSCU UU Ub

21、 b7.3 7.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺服電機及其速度控制 控制回路：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)動電路。角波發(fā)生器；脈寬調(diào)制器和基極驅(qū)動電路。 區(qū)別：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)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。器原理一樣。不同的是脈寬調(diào)制器和功率放大器。 脈寬調(diào)制器脈寬調(diào)制器作用：將作用：將電壓量電壓量轉(zhuǎn)換成可由控制信號調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)換成可由控制信號調(diào)節(jié)的矩形脈沖矩形脈沖，為，為功率晶體管的基極提供一個寬度可由速度

22、指令信號調(diào)節(jié)的功率晶體管的基極提供一個寬度可由速度指令信號調(diào)節(jié)的脈寬電壓。脈寬電壓。組成：調(diào)制信號發(fā)生器（三角波和鋸齒波兩種）和比較放組成：調(diào)制信號發(fā)生器（三角波和鋸齒波兩種）和比較放大器。大器。原理：以三角波發(fā)生器為例介紹原理：以三角波發(fā)生器為例介紹 7.3 7.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺服電機及其速度控制全數(shù)字式PWM交流伺服電機系統(tǒng)交流伺服電機系統(tǒng)驅(qū)動器驅(qū)動器交流伺服交流伺服電動機電動機直流伺服電機的缺點： 它的電刷和換向器易磨損； 電機最高轉(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。交流伺服電機的優(yōu)點： 動態(tài)響應(yīng)好； 輸出功率大、轉(zhuǎn)速高； 結(jié)構(gòu)堅固，易維護。交流伺

23、服電機形式： 同步交流伺服電機； 異步交流伺服電機。1 1 特點、類型、結(jié)構(gòu)特點、類型、結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)交流電機交流電機編碼器編碼器編碼器信號編碼器信號輸出線輸出線交流電機電交流電機電源線源線交流伺服電動機的主交流伺服電動機的主體結(jié)構(gòu)與一臺兩相交體結(jié)構(gòu)與一臺兩相交流異步電機的結(jié)構(gòu)基流異步電機的結(jié)構(gòu)基本一致。也主要由本一致。也主要由定定子子與與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子兩在部分組兩在部分組成。成。 交流伺服電動機主體就是一臺交流伺服電動機主體就是一臺兩相交流異步電兩相交流異步電機。它的定子上裝有空間互差機。它的定子上裝有空間互差9090 的的兩個繞組：勵兩個繞組：勵磁繞組和控制繞組，其結(jié)構(gòu)如圖所示。磁繞組和控制繞組，

24、其結(jié)構(gòu)如圖所示。勵磁繞組勵磁繞組控制繞組控制繞組杯形轉(zhuǎn)子杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)定子內(nèi)定子定子定子 (1) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 鐵芯槽內(nèi)放銅條鐵芯槽內(nèi)放銅條,端端 部用短路環(huán)形成一體部用短路環(huán)形成一體, 或鑄鋁形成轉(zhuǎn)子繞組?；蜩T鋁形成轉(zhuǎn)子繞組。轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子定子定子殼體殼體籠型轉(zhuǎn)子籠型轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 (2) 杯杯轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 薄壁園筒形，放于內(nèi)外定薄壁園筒形，放于內(nèi)外定子之間子之間。一般壁厚為。一般壁厚為0.3mm杯型轉(zhuǎn)子杯型轉(zhuǎn)子 當(dāng)磁鐵旋轉(zhuǎn)時，在空間形成一個旋轉(zhuǎn)磁場。假設(shè)永久磁鐵是當(dāng)磁鐵旋轉(zhuǎn)時，在空間形成一個旋轉(zhuǎn)磁場。假設(shè)永久磁鐵是順時糾方向以順時糾方向以n n0 0的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，那末它的磁力線也就以順時針方的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，那末它的

25、磁力線也就以順時針方向切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中就產(chǎn)生感應(yīng)電勢。根據(jù)右手定向切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中就產(chǎn)生感應(yīng)電勢。根據(jù)右手定則，則，N N極下導(dǎo)條的感應(yīng)電勢方向垂直地從紙面出來。而極下導(dǎo)條的感應(yīng)電勢方向垂直地從紙面出來。而S S極下導(dǎo)極下導(dǎo)條的感應(yīng)電勢方向垂直地進入紙面。由于鼠籠轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條都是條的感應(yīng)電勢方向垂直地進入紙面。由于鼠籠轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條都是通過短路環(huán)連接起來的，因此在感應(yīng)電勢的作用下，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)通過短路環(huán)連接起來的，因此在感應(yīng)電勢的作用下，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中就會有電流流過，電流有功分量的方向和感應(yīng)電勢方向相條中就會有電流流過，電流有功分量的方向和感應(yīng)電勢方向相同。再根據(jù)通電導(dǎo)體在磁場中受力原

26、理，轉(zhuǎn)子載流導(dǎo)條又要與同。再根據(jù)通電導(dǎo)體在磁場中受力原理，轉(zhuǎn)子載流導(dǎo)條又要與磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，這個電磁力磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，這個電磁力F F作用在轉(zhuǎn)子上，并對轉(zhuǎn)作用在轉(zhuǎn)子上，并對轉(zhuǎn)軸形成電磁轉(zhuǎn)矩。根據(jù)左手定則，轉(zhuǎn)矩方向與磁鐵轉(zhuǎn)動的方向軸形成電磁轉(zhuǎn)矩。根據(jù)左手定則，轉(zhuǎn)矩方向與磁鐵轉(zhuǎn)動的方向是一致的，也是順時針方向。因此，鼠籠轉(zhuǎn)子便在電磁轉(zhuǎn)矩作是一致的，也是順時針方向。因此，鼠籠轉(zhuǎn)子便在電磁轉(zhuǎn)矩作用下順著磁鐵旋轉(zhuǎn)的方向轉(zhuǎn)動起來。用下順著磁鐵旋轉(zhuǎn)的方向轉(zhuǎn)動起來。電氣原理圖電氣原理圖控制繞組控制繞組勵磁繞組勵磁繞組 cfmfmc90sinsinIitIitIi 控制繞組控制繞組勵磁繞組勵磁繞

27、組當(dāng)兩相對稱電流通入兩相對稱繞組時當(dāng)兩相對稱電流通入兩相對稱繞組時，在電機內(nèi)就產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場在電機內(nèi)就產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場。當(dāng)電流變化當(dāng)電流變化一個周期時一個周期時，旋轉(zhuǎn)磁場在空間轉(zhuǎn)了一圈旋轉(zhuǎn)磁場在空間轉(zhuǎn)了一圈。UC1UC2UF1UF2控制繞組控制繞組勵磁繞組勵磁繞組 旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速決定于定子繞組旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速決定于定子繞組極對數(shù)和電源的頻率極對數(shù)和電源的頻率。圖所表示的是一臺兩極的。圖所表示的是一臺兩極的電機，即極對數(shù)電機，即極對數(shù)P1。對兩極電機而言，電流每變化一個周期，磁場旋轉(zhuǎn)一圈，因。對兩極電機而言，電流每變化一個周期，磁場旋轉(zhuǎn)一圈，因而當(dāng)而當(dāng)電源頻率電源頻率f400 Hs，即每秒變化，

28、即每秒變化400個周期時，磁場每秒應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)個周期時，磁場每秒應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)400圈，故對兩圈，故對兩極電機，即極電機，即P1而言，旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速為而言，旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速為 n0= 24000 rmin旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速為的一般表達式為旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速為的一般表達式為min)/(60)/(0rpfsrpfn 由電機學(xué)知，交流異步電機轉(zhuǎn)子是以低于同步轉(zhuǎn)速（旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速）運行的，所以電機轉(zhuǎn)速為：式中：f 定子電源頻率 p 磁激對數(shù) S 轉(zhuǎn)差率 ns 定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速 n 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 s1pf60n1 ssnnns幅值控制原理圖 不同控制電壓下的 機械特性曲線 由右圖可知，在一定負載轉(zhuǎn)矩下，控制電壓越高，轉(zhuǎn)差率越小，電動機的轉(zhuǎn)速

29、就越高，不同的控制電壓對應(yīng)著不同的轉(zhuǎn)速。這種維持與相位差為90，利用改變控制電壓幅值大小來改變轉(zhuǎn)速的方法，稱為幅值控制方法。 交流電機轉(zhuǎn)速公式可得調(diào)速方法： s1pf60n1 異步電機異步電機 變頻變頻 用于籠型電機用于籠型電機 調(diào)壓（定子電壓調(diào)壓（定子電壓） 電磁磚差離合器電磁磚差離合器 調(diào)阻（轉(zhuǎn)子電組）調(diào)阻（轉(zhuǎn)子電組） 交交直直交交 交交交交 交交直直交交 交交交交變轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)差率差率變頻變頻變頻變頻同步電機同步電機交流電動機交流電動機ssnnns由此可知調(diào)速方法：由此可知調(diào)速方法：4.交流伺服電機的調(diào)速方法交流伺服電機的調(diào)速方法對于進給系統(tǒng)常使用交流同步電機，該電機沒有轉(zhuǎn)差率，電機轉(zhuǎn)速對于進

30、給系統(tǒng)常使用交流同步電機，該電機沒有轉(zhuǎn)差率，電機轉(zhuǎn)速公式變?yōu)椋汗阶優(yōu)椋簆fn160從式中可以看出：只能用從式中可以看出：只能用變頻調(diào)速變頻調(diào)速，并且是有效方法。，并且是有效方法。變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)是為交流電機提供變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)是為交流電機提供變頻、變壓變頻、變壓電源的變頻器，電源的變頻器，變頻器分為：變頻器分為： 交交直直交變頻器交變頻器 分電壓型和電流型。電壓型先將電網(wǎng)的交流分電壓型和電流型。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電經(jīng)整流器變?yōu)橹绷鳎俳?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。流電壓。

31、電流型是切換一串方波，方波電流供電，用于大功率。 交交交變頻器交變頻器 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。變?yōu)轭l率和電壓都可變的交流電。 目前對于中小功率電機，用得最多的是電壓型交目前對于中小功率電機，用得最多的是電壓型交直直交變頻器。交變頻器。 4.交流伺服電機的調(diào)速方法交流伺服電機的調(diào)速方法1964年脈寬調(diào)制變頻調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于交流變頻器。目前用得最多的年脈寬調(diào)制變頻調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于交流變頻器。目前用得最多的是正弦脈寬調(diào)制。是正弦脈寬調(diào)制。 SPWM交交直直交變壓變頻器的原理框圖如下：交變壓變頻器的原理框圖如下：M3

32、UIURUR整流器整流器 固定電壓不可控整流器，常采用六個二級管橋式整流器固定電壓不可控整流器，常采用六個二級管橋式整流器 結(jié)構(gòu)將交流變?yōu)橹绷?，電壓幅值不變。結(jié)構(gòu)將交流變?yōu)橹绷?，電壓幅值不變。UI 逆變器逆變器 由六個功率開關(guān)器件組成，常采用大功率晶體管。其使這由六個功率開關(guān)器件組成，常采用大功率晶體管。其使這些大功率晶體管按一定規(guī)律導(dǎo)通、截止，輸出一系列功率級等效于正弦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SPWM電壓，使電機轉(zhuǎn)動。電壓，使電機轉(zhuǎn)動。正弦

33、脈寬調(diào)制（正弦脈寬調(diào)制（SPWM）變壓變頻器）變壓變頻器正弦脈寬調(diào)制原理正弦脈寬調(diào)制原理（以單相為例）（以單相為例） 正弦脈寬調(diào)制正弦脈寬調(diào)制 （SPWM）波形）波形: 與正弦波等效的一系列等幅不等與正弦波等效的一系列等幅不等 寬的矩形脈沖波，如右下圖所示。寬的矩形脈沖波，如右下圖所示。uttuOOa)b) 等效原理等效原理：把：把正弦分正弦分成成 n 等分，每一區(qū)間的面等分，每一區(qū)間的面積用與其相等的等幅不等積用與其相等的等幅不等寬的矩形面積代替。寬的矩形面積代替。 正弦的正負半周均如此正弦的正負半周均如此處理。處理。6.5 交流伺服電機四.交流伺服電機的調(diào)速方法2. SPWM變壓變頻器變壓

34、變頻器編碼器編碼器部分部分 安裝在電機后端，其轉(zhuǎn)盤（光柵）與電機同軸。安裝在電機后端，其轉(zhuǎn)盤（光柵）與電機同軸。5V5V0V0V伺服電機控制精度取決于編碼器精度。伺服電機控制精度取決于編碼器精度。編碼器編碼器數(shù)碼顯示窗口數(shù)碼顯示窗口參數(shù)設(shè)置鍵參數(shù)設(shè)置鍵計算機計算機RS232口口I/O信號接口信號接口編碼器信號接口編碼器信號接口電機電源輸入輸出接電機電源輸入輸出接線端子線端子2、外部組成、外部組成交流伺服電機系統(tǒng)應(yīng)用交流伺服電機系統(tǒng)應(yīng)用圖圖 2-2 2-2 交流伺服電機系統(tǒng)接線示意圖交流伺服電機系統(tǒng)接線示意圖交流伺服電機驅(qū)動器連接連接AC220V I / O板板交流伺服電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)交流伺服電機系

35、統(tǒng)結(jié)構(gòu)1 、設(shè)置參數(shù)方法一方法一聯(lián)接計算機使用軟件聯(lián)接計算機使用軟件設(shè)置設(shè)置方法二方法二直接在驅(qū)動器面板直接在驅(qū)動器面板按鈕設(shè)置按鈕設(shè)置交流伺服電機系統(tǒng)使用交流伺服電機系統(tǒng)使用常見步進電機外形構(gòu)造 步進電機的內(nèi)部構(gòu)造 2022-3-7原理：步進電機是利用電磁鐵原理,將脈沖信號轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機。每來一個電脈沖，電機轉(zhuǎn)動一個角度，帶動機械移動一小段距離。 特點：(1)來一個脈沖，轉(zhuǎn)一個步距角。 (2)控制脈沖頻率，可控制電機轉(zhuǎn)速。 (3)改變脈沖順序，改變轉(zhuǎn)動方向。 (4)角位移量或線位移量與電脈沖數(shù)成正比.2022-3-7工作方式 步進電機的工作方式可分為：三相單三拍、三相單雙六拍、三

36、相雙三拍等。（1）三相繞組聯(lián)接方式：Y 型（2）三相繞組中的通電順序為：A 相 B 相 C 相通電順序也可以為： A 相 C 相 B 相 2022-3-7（3）工作過程引轉(zhuǎn)子，由于磁力線總是要通過磁阻最小的路徑閉合，因此會在磁力線扭曲時產(chǎn)生切向力而形成磁阻轉(zhuǎn)矩， 使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)、定子的齒對齊停止轉(zhuǎn)動。 A 相通電，A 方向的磁通經(jīng)轉(zhuǎn)子形成閉合回路。若轉(zhuǎn)子和磁場軸線方向原有一定角度，則在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子被磁化，吸A 相通電使轉(zhuǎn)子1、3齒和 AA 對齊。CABBCA34122022-3-7CABBCA3412B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相軸線對齊，相對A相通電位置轉(zhuǎn)30；1C342CABBAC相

37、通電再轉(zhuǎn)302022-3-7這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，而且，一個循環(huán)周期共包括三個脈沖，所以稱三相單三拍。三相單三拍的特點：（1）每來一個電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 30。此角稱為步距角，用S表示。（2）轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序，改變通電順序即可改變轉(zhuǎn)向。2022-3-7二、三相單雙六拍三相繞組的通電順序為： AABBBCCCAA 共六拍。工作過程：A相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒和A相對齊。CABBCA34122022-3-7所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。相對AA 通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了15。（1）BB 磁場對 2、4 齒有磁拉力，該拉力使轉(zhuǎn)子順時針 方向轉(zhuǎn)動。A、B相同時通電（2）

38、AA 磁場繼續(xù)對1、3齒有拉力。CABBCA34122022-3-7總之，每個循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，所以稱為三相六拍，步距角為15。CABBCA3412B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相對齊，又轉(zhuǎn)了15。2022-3-7三、三相雙三拍三相繞組的通電順序為： AB BC CA AB 共三拍。AB通電CABBCA3412CABBCA3412BC通電2022-3-7以上三種工作方式，三相雙三拍和三相單雙六拍較三相單三拍穩(wěn)定，因此較常采用。工作方式為三相雙三拍時，每通入一個電脈沖，轉(zhuǎn)子也是轉(zhuǎn)30，即 S = 30。CA通電CABBCA3412 bb360 =m* Z* CAA12AA1243b36036

39、0 =3 (1.5 )m* Z*C3* 40*1(2)b360360 =1.5 (0.75 )m * Z * C5* 48* 1(2)步進電機的實際結(jié)構(gòu)步進電機的實際結(jié)構(gòu)AABBCC4750A相各齒對齊時,B相轉(zhuǎn)子齒錯位3 b = N b36060 f60 f 60fmZCn =360360mZC 功率選得過大不經(jīng)濟，功率選得過小電動機容功率選得過大不經(jīng)濟，功率選得過小電動機容易因過載而損壞。易因過載而損壞。1. 對于連續(xù)運行的伺服電動機，所選功率應(yīng)等于或?qū)τ谶B續(xù)運行的伺服電動機，所選功率應(yīng)等于或略大于生產(chǎn)機械的功率。略大于生產(chǎn)機械的功率。2. 對于短時工作的伺服電動機，允許在運行中有短對于短

40、時工作的伺服電動機，允許在運行中有短暫的過載，故所選功率可等于或略小于生產(chǎn)機械暫的過載，故所選功率可等于或略小于生產(chǎn)機械的功率。的功率。 一般自動控制應(yīng)用場合應(yīng)盡可能選用交流伺服電機。調(diào)速和控制精度很高的一般自動控制應(yīng)用場合應(yīng)盡可能選用交流伺服電機。調(diào)速和控制精度很高的場合選用直流伺服電機或其他專用的控制電機場合選用直流伺服電機或其他專用的控制電機,如直線電機等。如直線電機等。 根據(jù)工作方式和工作環(huán)境的條件選擇不同的結(jié)構(gòu)型式，如頻繁啟停選用空根據(jù)工作方式和工作環(huán)境的條件選擇不同的結(jié)構(gòu)型式，如頻繁啟停選用空心杯轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的伺服電機；如速度要求較平衡的場合選用大慣量伺服電機心杯轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的伺服電機；如

41、速度要求較平衡的場合選用大慣量伺服電機 1 1電壓電壓 技術(shù)數(shù)據(jù)表中勵磁電壓和控制電壓指的都是額定技術(shù)數(shù)據(jù)表中勵磁電壓和控制電壓指的都是額定值。勵磁電壓允許變動范圍為土值。勵磁電壓允許變動范圍為土5 5左右。電壓太高，左右。電壓太高，電機會發(fā)熱；電壓太低和輸出功率會明顯下降，加速電機會發(fā)熱；電壓太低和輸出功率會明顯下降，加速時間增長等。伺服電動機使用時，應(yīng)注意到勵磁繞組時間增長等。伺服電動機使用時，應(yīng)注意到勵磁繞組兩端電壓會高于電源電壓，而且隨轉(zhuǎn)速升高而增大，兩端電壓會高于電源電壓，而且隨轉(zhuǎn)速升高而增大，其值如果超過額定值太多，會使電機過熱。其值如果超過額定值太多，會使電機過熱。 控制繞組的額定電壓有時也稱最大控制電壓，在控制繞組的額定電壓有時也稱最大控制電壓，在幅值控制條件下加上這個電壓就能得到圓形旋轉(zhuǎn)磁場幅值控制條件下加上這個電壓就能得到圓形旋轉(zhuǎn)磁場2 2頻率頻率 目前控制電機常用的頻率分低頻和中頻兩大類，目前控制電機常用的頻率分低頻和中頻兩大類，低頻為低頻為50 HZ(50 HZ(或或60HZ)60HZ)，中，中頻頻為為400HZ(400HZ(或或500HZ)500HZ)。因為。因為頻率越高，渦流損耗越大，所以中頻率越高，渦流損耗越大，所以中頻頻電機的鐵心用較電機的鐵心用較薄的薄的( (0.2mm2mm以下以下) )硅鋼片疊成，以減少渦流損耗；低頻硅鋼片疊成，以減少渦流損