機(jī)電一體化(四)執(zhí)行元件及驅(qū)動(dòng)技術(shù)直流伺服課件

1、步進(jìn)電機(jī)直流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)機(jī)電伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行元件機(jī)電伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行元件伺服系統(tǒng)的三種控制方式:1.轉(zhuǎn)矩控制方式：轉(zhuǎn)矩控制方式是通過(guò)外部模擬量的輸入來(lái)設(shè)定電機(jī)軸對(duì)外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小; 2、位置控制：位置控制模式一般是通過(guò)外部輸入的脈沖的頻率來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小，通過(guò)脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，也有些伺服可以通過(guò)通訊方式直接對(duì)速度和位移進(jìn)行賦值。3、速度控制：通過(guò)模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時(shí)速度模式也可以進(jìn)行定位，但必須把電機(jī)的位置信號(hào)或直接負(fù)載的位置信號(hào)給上位反饋以做運(yùn)算用。選擇伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)？ 步進(jìn)電機(jī)伺服電機(jī)力矩范圍中小力

2、矩（一般在20Nm以下）小、中、大，全范圍速度范圍低（一般在2000RPM以下，大力矩電機(jī)小于1000RPM高（可達(dá)5000RPM）,直流伺服電機(jī)更可達(dá)12萬(wàn)轉(zhuǎn)/分 控制方式主要是位置控制多樣化智能化的控制方式，位置/轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩方式平滑性(低頻特性）低速時(shí)有振動(dòng)（但用細(xì)分型驅(qū)動(dòng)器則可明顯改善）好，運(yùn)行平滑控制精度一般較低，細(xì)分型驅(qū)動(dòng)時(shí)較高高（具體要看反饋裝置的分辨率）矩頻特性高速時(shí)，力矩下降快力矩特性好，特性較硬過(guò)載特性過(guò)載時(shí)會(huì)失步可310倍過(guò)載（短時(shí)）反饋方式大多數(shù)為開(kāi)環(huán)控制，也可接編碼器，防止失步閉環(huán)方式，編碼器反饋編碼器類型- - -光電型旋轉(zhuǎn)編碼器（增量型/絕對(duì)值型），旋轉(zhuǎn)變壓器型響應(yīng)

3、速度一般（需要200400毫秒）快價(jià)格低較高 在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，伺服電動(dòng)機(jī)將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象，當(dāng)信號(hào)電壓的大小和極性(或相位)發(fā)生變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向?qū)⒖焖?、?zhǔn)確地跟著變化。目前常用的伺服電動(dòng)機(jī)有直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。二、伺服電機(jī)及其控制永磁式直流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)直流伺服電機(jī)構(gòu)成直流伺服電機(jī)的電源特點(diǎn)直流伺服電機(jī)的類型4.3 直流伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)技術(shù)4.3.1 直流伺服電機(jī)工作原理與機(jī)械特性 （1）定子 : 定子磁場(chǎng)由定子的磁極產(chǎn)生，根據(jù)磁場(chǎng)的產(chǎn)生方式，直流伺服電動(dòng)機(jī)可分為永磁式和他勵(lì)式。永磁式磁極由永磁材料制成；他勵(lì)式磁極由沖裁的硅鋼片疊壓而成，外部

4、繞線圈，通以直流電流便產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)。（2）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(shí)，在定子磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生帶動(dòng)負(fù)載旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩。（3）電刷與換向片: 為使產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩保持恒定方向，確保轉(zhuǎn)子能沿著固定的方向均勻連續(xù)旋轉(zhuǎn)，電刷與外加直流電源相接，換向片與電樞導(dǎo)體相接。4.3.1 直流電機(jī)工作原理與機(jī)械特性 4.3 直流伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)技術(shù)直流電機(jī)電刷間的反電動(dòng)勢(shì)：直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表示為： 電樞回路中的電壓平衡方程式為:4.3.1 直流電機(jī)工作原理與機(jī)械特性 4.3 直流伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)技術(shù)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式為:控制方式：1.電樞控制（主要）； 2.磁極控制（少

5、用）。4.3.1 直流電機(jī)工作原理與機(jī)械特性 4.3 直流伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)技術(shù)n0Tn nn 稱為轉(zhuǎn)速降落Ua一定時(shí)，當(dāng) M時(shí)n ，但由于有轉(zhuǎn)速反饋回路， 轉(zhuǎn)速 n 的變化不大。4.3.1 直流電機(jī)工作原理與機(jī)械特性 4.3 直流伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)技術(shù)Td稱為啟動(dòng)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，其值也與電樞電壓成正比。N0是空載轉(zhuǎn)速;負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加轉(zhuǎn)速下降反電勢(shì)減少電流增加電磁轉(zhuǎn)矩增加平衡電機(jī)以較低的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行4.3.1 直流電機(jī)工作原理與機(jī)械特性 4.3 直流伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)技術(shù)直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性也是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)矩相對(duì)應(yīng)，與Ua軸的交點(diǎn)是啟動(dòng)時(shí)的

6、電樞電壓。4.3.2 直流電機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 電樞電壓平衡方程為：4.3 直流伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)技術(shù)電樞電流與電樞電壓之間傳遞函數(shù)為: 4.3.2 直流電機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 轉(zhuǎn)矩平衡方程為：4.3 直流伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)技術(shù)轉(zhuǎn)速慣量(Nmsmin / r)，它與常用的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(N m/ rad) 的關(guān)系可從下式推得：即 4.3.2 直流電機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 4.3 直流伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)技術(shù)直流電機(jī)的精確模型4.3 直流伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)技術(shù)引入一個(gè)機(jī)電時(shí)間常數(shù): 電樞回路電磁時(shí)間常數(shù):4.3.2 直流電機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 轉(zhuǎn)速與電樞電壓間傳遞關(guān)系: 4.3.2 直流電機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)

7、學(xué)模型 4.3 直流伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)技術(shù)若電磁時(shí)間常數(shù)很小,既忽略電感: 可見(jiàn):直流伺服電機(jī)過(guò)渡過(guò)程的快慢,取決于機(jī)電時(shí)間常數(shù).為了加快系統(tǒng)響應(yīng)速度,可以:1.減小機(jī)械系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;2.給電機(jī)供電的電源內(nèi)阻小,Ra小;3.加大等效反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)直流伺服電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)額定功率 PN , 額定電壓UN 額定電流 IN 在此功率下允許電機(jī)長(zhǎng)期連續(xù)的運(yùn)行而不過(guò)熱.額定轉(zhuǎn)速 nN : 額定轉(zhuǎn)矩 TN , 最大 轉(zhuǎn)矩 TM: 電機(jī)在短時(shí)間內(nèi)可以輸出的最大轉(zhuǎn)矩,反應(yīng)其過(guò)載能力;(一般是額定轉(zhuǎn)矩的510倍)機(jī)電時(shí)間常數(shù)(通常小于20ms)電磁時(shí)間常數(shù)(通常小于5ms)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 連續(xù)工作區(qū)：電機(jī)可在轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)

8、速的任意組合下長(zhǎng)期工作。 斷續(xù)工作區(qū)：電機(jī)只能作間斷工作，間斷周期要根據(jù)載荷周期曲線求得。 加減速區(qū)/瞬時(shí)工作區(qū)：電機(jī)只允許瞬時(shí)過(guò)渡，在2#整流線以外電機(jī)不允許使用。曲線a為電機(jī)溫度限制，在此曲線上，電機(jī)達(dá)到絕緣所允許的極限值，故只允許電機(jī)在此曲線內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行。曲線c為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速限制線，隨著轉(zhuǎn)速上升，電樞電壓升高，整流子片間電壓加大，超過(guò)一定值有發(fā)生環(huán)火的危險(xiǎn)。最大轉(zhuǎn)矩d主要受永磁材料的去磁特性所限制，當(dāng)除磁超過(guò)某值后，鐵氧體磁性發(fā)生變化。最高轉(zhuǎn)速最大轉(zhuǎn)矩對(duì)要求頻繁起動(dòng)/制動(dòng)的數(shù)控機(jī)床，為避免電機(jī)過(guò)熱，必須檢查在一個(gè)周期內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的均方根值，即有效力矩，并使它小于電機(jī)連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩。直流伺

9、服電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)例1：滿足有效力矩小于電機(jī)連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩 龍門刨床工作臺(tái)控制例2：設(shè)計(jì)實(shí)例4.3.3 直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)4.3 直流伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)技術(shù) 晶閘管（可控硅）調(diào)速系統(tǒng)通過(guò)對(duì)晶閘管觸發(fā)角的控制來(lái)控制電機(jī)電樞電壓，以達(dá)到調(diào)速的目的。晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)通過(guò)脈寬調(diào)制器將直流電壓轉(zhuǎn)換成方波電壓，通過(guò)對(duì)方波脈沖寬度的控制，改變電樞的平均電壓，以達(dá)到調(diào)速的目的。 1. 晶閘管調(diào)速系統(tǒng) 包括 控制回路：速度環(huán)、電流環(huán)、觸發(fā)脈沖發(fā)生器等。 主回路： 可控硅整流放大器等。 速度環(huán)：速度調(diào)節(jié)（PI），作用：好的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性。 電流環(huán)：電流調(diào)節(jié)(P或PI)。作用：加快響應(yīng)、啟動(dòng)、低頻穩(wěn)定等

10、。 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。 可控硅整流放大器：整流、放大、驅(qū)動(dòng)，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器觸發(fā)脈沖發(fā)生器可控硅整流器電流反饋速度反饋電流檢測(cè)編碼器電機(jī)UR+-UfIfIR+-E1ES1).直流斬波器的基本結(jié)構(gòu) 直流斬波器電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)原理圖和電壓波形電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為：2. 晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)2). 斬波器的三種控制方式直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理PWM: Pulse width modulation幾種典型PWM變換器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理1). 無(wú)制動(dòng)作用的不可逆PWM變換器工作狀態(tài)與波形（2）有制動(dòng)的不可逆PWM變換器UdUg2Ott

11、Ug1Ot1TUS -USOttidid1id2id1id2O12電動(dòng)狀態(tài)一般電動(dòng)狀態(tài)制動(dòng)狀態(tài)：能耗制動(dòng)，再生能耗制動(dòng)OOOOt1t3Tt2t3t1Ug1Ug2Udidttttid1id1id4id2id3id4id234（2）有制動(dòng)的不可逆PWM變換器3). 可逆PWM變換器T1 和T4 同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，其基極驅(qū)動(dòng)電壓Ub1= Ub4。T2和T3同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，基極驅(qū)動(dòng)電壓Ub2= Ub3 = Ub1。Ub3Ub4Ub1Ub2USABD1D2D3D4MT1T2T4T31UdUABUb2Ub3OttUb1Ub 4Ot1TUS -USOttidid1id2id1id2O負(fù)載較重時(shí)：電動(dòng)狀態(tài)：當(dāng)0

12、t t 1時(shí)， Ub1、Ub4為正， T1 和T4 導(dǎo)通；Ub2、Ub3 為負(fù)， T2和T3截止。電機(jī)端電壓UAB=Us，電樞電流id= id1，由US T1 T4 地。續(xù)流維持電動(dòng)狀態(tài)：在t1 t T時(shí)， Ub1、Ub4為負(fù)， T1 和T4截止；Ub2、Ub3 變正，但T2和T3并不能立即導(dǎo)通，因?yàn)樵陔姌须姼袃?chǔ)能的作用下，電樞電流id= id2，由D2 D3續(xù)流，在D2、 D3 上的壓降使T2 、T3的c-e極承受反壓不能導(dǎo)通。UAB=-Us 。接著再變到電動(dòng)狀態(tài)、續(xù)流維持電動(dòng)狀態(tài)反復(fù)進(jìn)行. 2Ub3Ub4Ub1Ub2USABD1D2D3D4MT1T2T4T3負(fù)載較輕時(shí)： 反接制動(dòng)狀態(tài)，電流

13、反向： 狀態(tài)中，在負(fù)載較輕時(shí)，則id小，續(xù)流電流很快衰減到零，即t =t2 時(shí),id=0。在t2 T 區(qū)段， T2 、T3 在US 和反電動(dòng)勢(shì)E的共同作用下導(dǎo)通，電樞電流反向，id= id3 由US T3 T2 地。電機(jī)處于反接制動(dòng)狀態(tài)。 電樞電感儲(chǔ)能維持電流反向：在T t3區(qū)段時(shí)，驅(qū)動(dòng)脈沖極性改變，T2 、T3截止，因電樞電感維持電流， id= id4，由D4 D1。3). 可逆PWM變換器OOOOt1t3Tt2t3t1Ub1、Ub 4Ub2、Ub 3UdUABidttttid1id1id4id2id3id4id2電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止： 由正、負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓脈沖寬窄而定。 當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，既t1

14、 T/2，平均電壓為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)； 當(dāng)正脈沖較窄時(shí)，既t1 T/2 ，平均電壓為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)； 如果正、負(fù)脈沖寬度相等，t1=T/2 ，平均電壓為零，電機(jī)停轉(zhuǎn)。電機(jī)速度的改變： 電樞上的平均電壓UAB越大，轉(zhuǎn)速越高。它是由驅(qū)動(dòng)電壓脈沖寬度 決定的。雙極性：由以上分析表明：可逆H型雙極式PWM開(kāi)關(guān)功率放大器，無(wú)論負(fù)載是重還是輕、電機(jī)是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，加在電樞上的電壓極性在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，都在US和 US之間變換一次，故稱為雙極性。 相關(guān)方程：性能評(píng)價(jià)PWM變換器的數(shù)學(xué)模型（2） 晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器脈寬調(diào)制振蕩器基極驅(qū)動(dòng)MG電流反饋Uusrus f整流功放ttU U S r +U U S C+U S rooo-U S rtttt同向加法放大器電路圖U Sr 速度指令轉(zhuǎn)化過(guò) 來(lái)的直流電壓U - 三角波USC- 脈寬調(diào)制器的輸出（ U S r +U ）調(diào)制波形圖R1+12VUSCR1R3R2+-12VU S rU -USr為0時(shí)調(diào)制出正負(fù)脈寬一樣方波平均電壓為0US r為正時(shí)USr