伺服系統(tǒng)與變頻器應用技術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速系統(tǒng)直流伺服電動機及其調速系統(tǒng)LOGO2. 直流伺服電動機調速系統(tǒng)直流伺服電動機調速系統(tǒng)Page 3本講主要內容本講主要內容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速特性、較大的啟動轉矩和相對功率、易于控制及響應快等優(yōu)點，可很方便地在寬范圍內實現(xiàn)平滑無級調速，故多采用在對伺服電動機的調速性能要求較高的生產(chǎn)設備中。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 結構組成及工作原理結構組成及工作原理1結

2、構組成直流伺服電動機在結構上主要由定子、轉子、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構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）轉子）轉子又叫電樞，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)生帶動負載旋轉的電磁轉矩。（3 3）電刷與換向片）電刷與換向片 為使所產(chǎn)生的電磁轉矩保持恒定方向，轉子能沿固定方向均勻地連續(xù)旋轉，電刷與外加

3、直流電源相接，換向片與電樞導體相接。1結構組成2.1.1 2.1.1 結構組成及工作原理結構組成及工作原理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，電機轉子上的載流導體(即電樞繞組)在定子磁場中，受到電磁轉矩的作用，使電機轉子旋轉，其轉速為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節(jié)特性的線性度好、輸入損耗小、控制回路電感小且響應速度快等優(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 結構組成及

4、工作原理結構組成及工作原理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式 mmeaeaTCCRCU2（2-3）式中，Cm轉矩常數(shù)，僅與電動機結構有關。LOGOPage 92.1 2.1 直流伺服電動機直流伺服電動機當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，且隨著Ua 增大，平行地向轉速和轉矩增加的方向移動。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、電壓下的啟動轉矩Td。機械特性的斜率為負，說明在電樞電壓不變時，電動機轉速隨負載轉矩增加而降低。 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 當直流伺服電動機的電激勵磁場強度和電磁轉矩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節(jié)特性，表達式為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節(jié)特性2.1.2 2.1.2 主要特性主要特性1運行特性調節(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節(jié)特性3.1.2 3.1.2 主要特性主要特性1運行特性調節(jié)特性由圖2-4可見：直流伺服電動機的調節(jié)特性曲線一組斜率相同的直線簇，每條調節(jié)特性和一種電磁轉矩Tm相對應，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載轉矩下，電動機啟動時的電樞電壓，且隨負載的增大

8、而增大。調節(jié)特性的斜率為正，說明在一定負載下，電動機轉速隨電樞電壓的增加而增加。調節(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、轉速、電樞電流與輸出轉矩的關系。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轉速；Ia電樞電流；T輸出轉矩。 n轉速；Ia電樞電流；T輸出轉矩。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、轉子轉動慣量的大小和電樞的結構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、轉矩大、力矩和電流成正比、伺服性能好、響應快功率體積比大、功率重量比大、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。由于功率的限制，目前主要應用在辦公自動化、家用電氣、儀器儀表等領域。 按轉子轉動慣量的

10、大小分按轉子轉動慣量的大小分l直流伺服電動機按轉子轉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、轉子轉動慣量的大小和電樞的結構與形狀等分成多種類型。按電樞的結構與形狀分按電樞的結構與形狀分 直流伺服電動機按電樞的結構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，因而轉子形狀細長，轉動慣量小。l空心電樞型空心電樞型的電樞無鐵心，且常做成杯形，其轉子轉動慣量最小。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，因而轉子轉動慣量較大。LOGOPage 172.2 2.2 直流伺服電動機調速系統(tǒng)直流伺服電動機調速系統(tǒng) 所謂調速，是指在某一具體負載情況下，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，從而使電動機轉速發(fā)生變化或保持不變。 直流調速系統(tǒng)是最基本的拖動控制系統(tǒng)，主要有單閉環(huán)調速系統(tǒng)和雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。LOGOPage 182.2 2.2 直流伺服電動機調速系統(tǒng)直流伺服電動機調速系統(tǒng)2.2.1

12、單閉環(huán)調速系統(tǒng) 根據(jù)自動控制原理，為滿足調速系統(tǒng)的性能指標，在開環(huán)系統(tǒng)的基礎上，引入反饋構成單閉環(huán)有靜差調速系統(tǒng)，采用不同物理量的反饋便形成不同的單閉環(huán)系統(tǒng)，在此以引入速度負反饋為例，構成轉速負反饋直流調速系統(tǒng)，如圖2-7所示。 圖2-7 轉速負反饋調速系統(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 直流伺服電動機調速系統(tǒng)直流伺服電動機調速系統(tǒng)2.2.1 單閉環(huán)調速系統(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)有靜差調速系統(tǒng)，靜特性較硬，在一定靜差率要求下調速范圍寬，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）調節(jié)器進行調節(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 直流伺服電動機調速系統(tǒng)直流伺服電動機調速系統(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)轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，兩者之間實行串級連接。轉速負反饋的閉環(huán)在外面稱外環(huán)，電流負反饋的閉環(huán)在里面，稱

14、內環(huán)。其原理圖如圖2-8所示。 圖2-8雙閉環(huán)調速系統(tǒng)原理圖2.2.2 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)LOGOPage 212.2 2.2 直流伺服電動機調速系統(tǒng)直流伺服電動機調速系統(tǒng)2.2.2 雙閉環(huán)調速系統(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）電流調節(jié)環(huán)）電流調節(jié)環(huán)電流環(huán)為由 ACR 和 電流負反饋 組成的閉環(huán)，它的主要作用是穩(wěn)定電流。設電流環(huán)的給定信號是速度調節(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

15、速系統(tǒng)直流伺服電動機調速系統(tǒng)2 2）速度調節(jié)環(huán)速度調節(jié)環(huán)2.2.2 雙閉環(huán)調速系統(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 轉速負反饋 組成的閉環(huán)，它的主要作用是保持轉速穩(wěn)定，并最后消除轉速靜差。LOGO2.2 2.2 直流伺服電動機調速系統(tǒng)直流伺服電動機調速系統(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)調速系統(tǒng)雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性如圖2-9所示。 在n0A段，負載電流IdIdm，轉速負反饋起主要調節(jié)作用，這就是靜態(tài)特性的運行段。 在AB段，負載電流Id達到Idm，電流調節(jié)器起主要調節(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)調速系統(tǒng)的靜態(tài)特性LOGO2.2 2.2 直流伺服電動機調速系統(tǒng)直流伺服電動機調速系統(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速調節(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中標明的I、II、III三個階段。圖2-10雙閉環(huán)調速系統(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速調節(jié)階段。 由上述可以看出，雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)在起動和升速過程中，能夠在最大轉矩下，表現(xiàn)出很快的動態(tài)轉速跟隨性能。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 直流伺服電動機調速系統(tǒng)直流伺服電動機調速系統(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，對內環(huán)擾動調節(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)調速系統(tǒng)LOGO2.2 2.2 直流伺服電動機調速系統(tǒng)直流伺服電動機調速系統(tǒng)3 3雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的優(yōu)點雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的優(yōu)點2.2.2 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)LOGOPage Page 2727單