第九講(2) 機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)

1、山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02第五章機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02一、直流電機(jī)原理5.1 直流電機(jī)伺服系統(tǒng)山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02直流電機(jī)的勵(lì)磁方式勵(lì)磁：由電流激勵(lì)出磁場(chǎng)的過程叫做勵(lì)磁。他勵(lì)他勵(lì)并勵(lì)并勵(lì)串勵(lì)串勵(lì)電樞：產(chǎn)生電磁力的部件，如直流電機(jī)的 轉(zhuǎn)子。 山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02直流電機(jī)的基本方程式電氣系統(tǒng)的電動(dòng)平衡方程（并勵(lì)）電氣系統(tǒng)的電動(dòng)平衡方程（并勵(lì)）fIM感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電樞電壓電樞電壓勵(lì)磁電流勵(lì)磁電流電樞電流電樞電流山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2

2、010/09/02二. 機(jī)械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平衡方程eT電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩空載損耗轉(zhuǎn)矩空載損耗轉(zhuǎn)矩 如果電動(dòng)機(jī)以恒如果電動(dòng)機(jī)以恒角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，則角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，則 ： J - 轉(zhuǎn)子慣量轉(zhuǎn)子慣量山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02 伺服電機(jī)在磁化曲線的線性范圍內(nèi)使用，因而氣隙磁通 正比于勵(lì)磁電流，即：電磁轉(zhuǎn)矩TMMT1Mf f aT KKii式中：1K常數(shù)， 由電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩 正比于電樞電流和氣隙磁通的乘積，即fi式中：ai常數(shù)MT aTK i TK為磁場(chǎng)勵(lì)磁電流MT aTK i ()iet是電樞電流山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02實(shí)例：直流伺服系統(tǒng)a

3、aa aibdiLRieedt 在電樞控制的直流電動(dòng)機(jī)中，勵(lì)磁電流為常數(shù)，故上式可寫成：式中：電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)0bbdeKd t山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02實(shí)例：直流伺服系統(tǒng)3.轉(zhuǎn)矩平衡方程200()()()()()()()()()()()aaaibMTaNbbLsRIsEsEsTsKIsJ sB ssTsEsKss4.電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)正比于速度( ) 0NT s 0( )( )( ) () ()Ti aaT bs KG sE ss L sR J sB K K 反電動(dòng)勢(shì)常數(shù) 由控制輸入電壓 開始，系統(tǒng)的因果方程為:MTaT Ki1.電樞電壓方程：2002MNddJBT

4、Tdtdt2.電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩bK山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02實(shí)例：直流伺服系統(tǒng)系統(tǒng)因果方程拉氏變換為:( )iEs山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02實(shí)例：直流伺服系統(tǒng)( )bE s( )bK s( )bK s( )aIsTK( )MT s( )NTs1()sJs B0( ) smTaT K I aEE K n 直流伺服電機(jī)的系統(tǒng)方框圖直流伺服電機(jī)的系統(tǒng)方框圖當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩其傳遞函數(shù)是:山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02主要內(nèi)容7.3 7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制直流伺服電機(jī)及其速度控制MIaIfUfUaRaLaEaUa202aamE

5、E TamE TURnTKKKRnTKK （ 一定）一定）電樞電壓平衡方程式：感應(yīng)電勢(shì)與轉(zhuǎn)速關(guān)系電磁轉(zhuǎn)矩： 三、三、直流伺服電機(jī)的調(diào)速原理與方法原原理理圖圖等等效效圖圖山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02直流電機(jī)的基本調(diào)速方式有三種: 1、調(diào)節(jié)電阻Ra、 2、調(diào)節(jié)電樞電壓Ua 3、調(diào)節(jié)磁通的值。三、三、直流伺服電機(jī)的調(diào)速原理與方法UaNUa1 Ua2OTNnn0Nn01n02nNn1n2Ua2Ua1UaNNTNnNT12TOn02n01n0Nn2n1nNnN12由上述關(guān)系式可得：山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02 電機(jī)轉(zhuǎn)速與理想轉(zhuǎn)速的差n，反映了電機(jī)機(jī)械特

6、性硬度，n越?。ㄞD(zhuǎn)矩對(duì)轉(zhuǎn)速變化的影響程度越?。?，機(jī)械特性越硬。TTnn0 n轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系n=f(T)稱機(jī)械特性山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02電樞電阻調(diào)速很少采用，缺點(diǎn)：不經(jīng)濟(jì)：要得到低速，R很大，則消耗大量電能；低速，特性很軟，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性很差；調(diào)節(jié)平滑性差，操作費(fèi)力。電樞電阻調(diào)速主要內(nèi)容Tnn0R0R2R1山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02主要內(nèi)容 調(diào)節(jié)電樞電壓時(shí)，直流電機(jī)機(jī)械特性為一組平行線，只改變電機(jī)的理想轉(zhuǎn)速n0 ，保持了原有較硬的機(jī)械特性，所以調(diào)壓調(diào)速主要用于伺服進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)的調(diào)速M(fèi)UtttTonTEaIaUEaUaV DIa-+如果

7、n值較大，不可能實(shí)現(xiàn)寬范圍的調(diào)速。調(diào)壓調(diào)速 永磁式直流伺服電機(jī)的n值較小，因此，進(jìn)給系統(tǒng)常采用永磁式直流電機(jī)。山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02主要內(nèi)容 調(diào)節(jié)磁通不但改變了電機(jī)的理想轉(zhuǎn)速，而且使直流電機(jī)機(jī)械特性變軟。MUtttTo nTEaIaUEaUaV DIa-+調(diào)磁調(diào)速山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02主要內(nèi)容調(diào)速的概念有兩個(gè)方面的含義: 1)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速：當(dāng)給定速度變化時(shí),電機(jī)的速度隨之變化,并希望以最快的加減速達(dá)到新的給定速度值； 2)當(dāng)給定速度不變化時(shí),電機(jī)的速度保持穩(wěn)定不變。四、直流伺服電機(jī)速度控制四、直流伺服電機(jī)速度控制山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)

8、院機(jī)電工程研究所2010/09/02主要內(nèi)容直流伺服電機(jī)速度控制單元的作用： 將轉(zhuǎn)速指令信號(hào)轉(zhuǎn)換成電樞的電壓值，達(dá)到速度調(diào)節(jié)的目的。直流電機(jī)速度控制單元常采用的調(diào)速方法： 1.晶閘管（可控硅）調(diào)速系統(tǒng) 2、晶體管線性放大器調(diào)速系統(tǒng) 3、晶體管開關(guān)放大器-脈寬調(diào)制（PWM Pulse Width Modulated）調(diào)速系統(tǒng)。 山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02主要內(nèi)容 晶閘管不具有自動(dòng)關(guān)斷能力，控制復(fù)雜，多用于大功率及要求不很高的直流伺服電機(jī)調(diào)速控制。晶閘管（可控硅）調(diào)速系統(tǒng)晶閘管（可控硅）調(diào)速系統(tǒng)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

9、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(cè)電流檢測(cè)編碼器編碼器電機(jī)電機(jī)+-UnInI*n+-US山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02 控制控制回路回路主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驅(qū)動(dòng)，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驅(qū)動(dòng)，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。速度環(huán)：速度調(diào)節(jié)，作用：好的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性。速度環(huán)：速度調(diào)節(jié)，作用：好的靜態(tài)、動(dòng)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?。晶閘管（

10、可控硅）調(diào)速系統(tǒng)包括：山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02晶體管線性放大器調(diào)速系統(tǒng)特點(diǎn)： 功率晶體管工作在線性區(qū)，晶體管功耗大，特別在低速大轉(zhuǎn)矩情況下，電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)小而電流大，大量的有功功率消耗在輸出晶體管上。 在寬頻帶、低功率（小于幾百瓦）系統(tǒng)中多選用線性放大器。山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02主要內(nèi)容 利用大功率晶體管的開關(guān)作用，將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓，加到直流電動(dòng)機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速?？刂齐娐泛?jiǎn)單，不需附加關(guān)斷電路，開關(guān)特性好。 廣泛應(yīng)用中、小功率直流伺服系統(tǒng)。周期不變周期不變

11、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PWM調(diào)速控制系統(tǒng)山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02主要內(nèi)容aonTaaETTETU01直流電機(jī)電壓的平均值: T脈沖周期， Ton導(dǎo)通時(shí)間PWM調(diào)速控制系統(tǒng)晶體管基極控制電壓山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02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(dòng)驅(qū)動(dòng)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 USC

12、SCU UU Ub b山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02實(shí)現(xiàn)電路主回路控制回路山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02 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。脈寬調(diào)制器脈寬調(diào)制器 作用：將電壓量轉(zhuǎn)換成可由控制信號(hào)調(diào)節(jié)的矩形脈沖，為功率晶體管的基極提供一個(gè)寬度可由速度指令信號(hào)調(diào)節(jié)的脈寬電壓。 組成：調(diào)制信號(hào)發(fā)生器（三角波和鋸齒波兩種）和比較放大器。山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02R1+12VUSCR1R3R2+-12VU S rU -PWM PWM 發(fā)生器原理發(fā)生器原理過零比較器加法U

13、USrSr 速度指令轉(zhuǎn)化過速度指令轉(zhuǎn)化過 來的直流電壓來的直流電壓U U- - 三角波三角波U USCSC- - 脈寬調(diào)制器的輸出脈寬調(diào)制器的輸出調(diào)制波形圖：調(diào)制波形圖：山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02主回路主回路雙極式H型PWM變換器原理圖：山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02雙極式雙極式PWM變換器電壓電流波形圖變換器電壓電流波形圖 返回基極控制：b1，b4B3，b4電機(jī)電壓： Uab電機(jī)電流：山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02單極式PWM變換器電壓電流波形圖 返回山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02SG1731

14、組成的組成的PWM直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng) 返回山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/025.2 交流伺服系統(tǒng)其應(yīng)用簡(jiǎn)介分類：1、（永磁）同步交流伺服系統(tǒng) a、矩形波電流驅(qū)動(dòng) b、正弦波電流驅(qū)動(dòng) 2、異步型交流伺服系統(tǒng) 根據(jù)：其中：f0為定子電壓頻率，s為轉(zhuǎn)差率，p為極對(duì)數(shù)。異步電機(jī)的調(diào)速方法有：變極調(diào)速、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速和變頻調(diào)速。變極調(diào)速由分為：調(diào)壓調(diào)速，轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、電磁離合器調(diào)速。山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/025.2.15.2.1同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 給同步電動(dòng)機(jī)三相對(duì)稱繞組通入三相對(duì)稱電流會(huì)在氣隙中產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步

15、轉(zhuǎn)速為 n0。 同步電機(jī)有轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)（保證恒定），轉(zhuǎn)子可以看成一塊磁鐵。兩磁場(chǎng)的相同作用，驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)。 同步電機(jī)轉(zhuǎn)速公式n=60f/np調(diào)速方法：變極調(diào)速和變頻調(diào)速。主要方式是變頻調(diào)速。山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02兩種變頻調(diào)速方式 同步電機(jī)變頻調(diào)速按控制方式可分為自控式和他控式兩種。他控式； 裝置與電機(jī)是獨(dú)立的。變頻裝置的輸出頻率由轉(zhuǎn)速給定決定，由于同步關(guān)系，這時(shí)系統(tǒng)一般為開環(huán)，所依據(jù)的原理是VVVF，即變壓變頻調(diào)速 (Variable Voltage Variable Frequency)。特點(diǎn)： 控制簡(jiǎn)單，但存在轉(zhuǎn)子振蕩和失步問題。山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09/02兩種變頻調(diào)速方式自控式： 變頻裝置與電機(jī)非獨(dú)立，變頻裝置的輸出頻率是依據(jù)電動(dòng)機(jī)軸上所帶的轉(zhuǎn)子位置決定。組成電源頻率自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)子位置的閉環(huán)系統(tǒng)。 由于同步電機(jī)供電頻率受轉(zhuǎn)子位置的控制即定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相等，始終保持同步，因此不會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子振蕩和失步的隱患。山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程研究所2010/09