伺服電機與伺服控制系統(tǒng)原理全演示文稿

伺服電機與伺服控制系統(tǒng)原理全演示文稿當前第1頁\共有47頁\編于星期五\23點優(yōu)選伺服電機與伺服控制系統(tǒng)原理全ppt當前第2頁\共有47頁\編于星期五\23點基本概念的介紹與舉例伺服電機原理介紹伺服控制系統(tǒng)介紹總結內容當前第3頁\共有47頁\編于星期五\23點

“伺服”—詞源于希臘語“奴隸”的意思。一、“伺服”的含義Servomechanism●基本概念的介紹當前第4頁\共有47頁\編于星期五\23點伺服系統(tǒng)應用舉例（2）機械手手臂伸縮運動的電液伺服系統(tǒng)原理圖。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6－電位器7－步進電機當前第5頁\共有47頁\編于星期五\23點伺服系統(tǒng)應用舉例（1）圖1.7液壓仿形車床工作原理圖

1.2.3.4——節(jié)流口5——工件6——刀具7——樣件8——觸銷9——油缸10——油泵當前第6頁\共有47頁\編于星期五\23點二.伺服系統(tǒng)的定義：(servomechanism)(servo-system）

伺服系統(tǒng)是指實現輸出變量精確地跟隨或復現輸入變量的控制系統(tǒng)。

當前第7頁\共有47頁\編于星期五\23點伺服電機伺服電機（servomotor）伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，它的轉矩和轉速受信號電壓控制。當信號電壓的大小和相位發(fā)生變化時，電動機的轉速和轉動方向將非常靈敏和準確地跟著變化。當信號消失時，轉子能及時地停轉。當前第8頁\共有47頁\編于星期五\23點伺服電機的分類伺服電機交流伺服電機直流伺服電機鼠籠轉子杯形轉子當前第9頁\共有47頁\編于星期五\23點一、直流電動機工作原理●伺服電機的原理介紹安培定律——磁場的磁感應強度——導體中的電流——導體的有效長度當前第10頁\共有47頁\編于星期五\23點直流電機原理如圖所示：

N和S是一對固定的磁極（一般是電磁鐵，也可為永久磁鐵），兩級之間裝著一個可以轉動的鐵質圓柱體，圓柱體表面上固定這一個線圈，上邊為a，下圈為x，通入如圖所示的電流根據左手定則便可得出電磁轉矩。載流線圈在磁場中產生轉矩當前第11頁\共有47頁\編于星期五\23點一、直流電機原理為什么要用電刷？當前第12頁\共有47頁\編于星期五\23點一、直流電機的原理這樣的連接方法只有一組線圈得電，繞組使用率低，那么如何提高繞組的使用率呢？當前第13頁\共有47頁\編于星期五\23點改進后的繞線改進后的繞組提高了繞組的使用率當前第14頁\共有47頁\編于星期五\23點直流電機的勵磁方式勵磁概念：由電流激勵出磁場的過程叫做勵磁。他勵并勵串勵當前第15頁\共有47頁\編于星期五\23點直流電機的基本方程式電氣系統(tǒng)的電動平衡方程感應電動勢當前第16頁\共有47頁\編于星期五\23點電氣系統(tǒng)的電動平衡方程——電源電壓——電樞繞組上的端電壓——勵磁繞組上的端電壓——電樞電流——勵磁電流——電樞電路的電阻——勵磁回路的電阻——電樞回路的自感系數——勵磁回路的自感系數——電動機的機械角速度當前第17頁\共有47頁\編于星期五\23點2.機械系統(tǒng)的轉矩平衡方程

——電磁轉矩——負載轉矩——空載損耗轉矩

如果電動機以恒角速度轉動，則：當前第18頁\共有47頁\編于星期五\23點實例：直流伺服系統(tǒng)常數當前第19頁\共有47頁\編于星期五\23點實例：直流伺服系統(tǒng)伺服電機在磁化曲線的線性范圍內使用，因而氣隙磁通正比于勵磁電流，即：式中：——常數由電動機產生的轉矩正比于電樞電流和氣隙磁通的乘積，即式中：——常數為磁場勵磁電流是電樞電流當前第20頁\共有47頁\編于星期五\23點實例：直流伺服系統(tǒng)在電樞控制的直流電動機中，勵磁電流為常數，故上式可寫成：式中：——電動機的轉矩常數由控制輸入電壓開始，系統(tǒng)的因果方程為1.電樞電壓方程：當前第21頁\共有47頁\編于星期五\23點實例：直流伺服系統(tǒng)2.電動機轉矩3.轉矩平衡方程4.電動機的反電動勢正比于速度——反電動勢常數當前第22頁\共有47頁\編于星期五\23點系統(tǒng)因果方程拉氏變換為實例：直流伺服系統(tǒng)當負載轉矩其傳遞函數是:當前第23頁\共有47頁\編于星期五\23點實例：直流伺服系統(tǒng)直流伺服電機的系統(tǒng)方框圖當前第24頁\共有47頁\編于星期五\23點主要內容7.3直流伺服電機及其速度控制（一定）電樞回路電壓平衡方程式感應電勢與轉速關系電磁轉矩直流伺服電機的調速原理與方法原理圖等效圖當前第25頁\共有47頁\編于星期五\23點電機轉速與理想轉速的差Δn，反映了電機機械特性硬度，Δn越?。ㄞD矩對轉速變化的影響程度越?。瑱C械特性越硬。n0主要內容TTnn直流電機轉速與轉矩的關系n=f(T)稱機械特性直流電機的基本調速方式有三種:調節(jié)電阻Ra、調節(jié)電樞電壓Ua和調節(jié)磁通Φ的值。7.3直流伺服電機及其速度控制當前第26頁\共有47頁\編于星期五\23點主要內容他勵式直流伺服電機的轉速公式當前第27頁\共有47頁\編于星期五\23點電樞電阻調速很少采用，缺點：不經濟：要得到低速，R很大，則消耗大量電能；低速，特性很軟，運轉穩(wěn)定性很差；調節(jié)平滑性差，操作費力。7.3直流伺服電機及其速度控制主要內容Tnn0R0R2R1當前第28頁\共有47頁\編于星期五\23點主要內容調節(jié)電樞電壓（調壓調速）時，直流電機機械特性為一組平行線，只改變電機的理想轉速n0，保持了原有較硬的機械特性，所以調壓調速主要用于伺服進給驅動系統(tǒng)電機的調速如果Δn值較大，不可能實現寬范圍的調速。永磁式直流伺服電機的Δn值較小，因此，進給系統(tǒng)常采用永磁式直流電機。

7.3直流伺服電機及其速度控制當前第29頁\共有47頁\編于星期五\23點主要內容調節(jié)磁通（調磁調速）不但改變了電機的理想轉速，而且使直流電機機械特性變軟7.3直流伺服電機及其速度控制當前第30頁\共有47頁\編于星期五\23點主要內容

直流伺服電機速度控制單元的調速控制方式調速的概念有兩個方面的含義:1)改變電機轉速：當給定速度變化時,電機的速度隨之變化,并希望以最快的加減速達到新的給定速度值；2)當給定速度不變化時,電機的速度保持穩(wěn)定不變。7.3直流伺服電機及其速度控制當前第31頁\共有47頁\編于星期五\23點主要內容直流伺服電機速度控制單元的調速控制方式

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：將轉速指令信號轉換成電樞的電壓值，達到速度調節(jié)的目的。直流電機速度控制單元常采用的調速方法：1.晶閘管（可控硅）調速系統(tǒng)2.晶體管脈寬調制（PWMPulseWidthModulated）調速系統(tǒng)。當前第32頁\共有47頁\編于星期五\23點主要內容1．晶閘管調速系統(tǒng)常用于大功率及要求不很高的直流伺服電機調速控制。7.3直流伺服電機及其速度控制U*n主要內容速度調節(jié)器電流調節(jié)器觸發(fā)脈沖發(fā)生器可控硅電流反饋速度反饋電流檢測編碼器電機+-UnInI*n+-US當前第33頁\共有47頁\編于星期五\23點

控制回路主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驅動，使電機轉動。速度環(huán)：速度調節(jié)，作用：好的靜態(tài)、動態(tài)特性。電流環(huán)：電流調節(jié)，作用：系統(tǒng)快速性、穩(wěn)定性改善。觸發(fā)脈沖發(fā)生器：產生移相脈沖，使可控硅觸發(fā)角前移或后移。當前第34頁\共有47頁\編于星期五\23點7.3直流伺服電機及其速度控制462791113581210ABCMⅠⅡUMUDKMKM+-主回路由大功率晶閘管構成的三相全控橋式反并接可逆電路，分成二大部分（Ⅰ和Ⅱ），每部分內按三相橋式連接，二組反并接，分別實現正轉和反轉。各有一個可控硅同時導通，形成回路。當前第35頁\共有47頁\編于星期五\23點7.3直流伺服電機及其速度控制1、3、5在正半周導通，2、4、6在負半周導通。每組內（即二相間）觸發(fā)脈沖相位相差120o，觸發(fā)脈沖的順序：1-2-3-4-5-6，相鄰之間相位差60o。為保證合閘后兩個串聯可控硅能同時導通，或已截止的相再次導通，采用雙脈沖控制。即每個觸發(fā)脈沖在導通60o后，再補發(fā)一個輔助脈沖；也可以采用寬脈沖控制，寬度大于60o，小于120o。當前第36頁\共有47頁\編于星期五\23點7.3直流伺服電機及其速度控制只要改變可控硅觸發(fā)角（即改變導通角），就能改變可控硅的整流輸出電壓，從而改變直流伺服電機的轉速。觸發(fā)脈沖提前，增大整流輸出電壓；觸發(fā)脈沖延后，減小整流輸出電壓。uacbcaba)b)c)d)135

①②③④⑤⑥ωtub246bcaωtωtωtωt11335511336224466224135246120°120°180°60°132460°60°56α當前第37頁\共有47頁\編于星期五\23點晶閘管調節(jié)電路當前第38頁\共有47頁\編于星期五\23點主要內容2．PWM調速控制系統(tǒng)利用大功率晶體管的開關作用，將直流電壓轉換成一定頻率的方波電壓，加到直流電動機的電樞上；通過調整控制方波脈沖寬度來改變電樞的平均電壓，從而調節(jié)電機的轉速。控制電路簡單，不需附加關斷電路，開關特性好。廣泛應用中、小功率直流伺服系統(tǒng)。周期不變脈寬脈寬脈寬脈寬平均直流電壓Uωt周期不變7.3直流伺服電機及其速度控制當前第39頁\共有47頁\編于星期五\23點主要內容直流電機電壓的平均值:

T—脈沖周期，Ton—導通時間7.3直流伺服電機及其速度控制當前第40頁\共有47頁\編于星期五\23點脈寬調制（PWM）系統(tǒng)組成：主要內容速度調節(jié)器電流反饋脈寬調制基極驅動功放振蕩器

電流調節(jié)器M速度指令

三相交流電整流速度反饋UsrUSCU△Ub7.3直流伺服電機及其速度控制當前第41頁\共有47頁\編于星期五\23點

控制回路：

速度調節(jié)器；電流調節(jié)器；固定頻率振蕩器及三角波發(fā)生器；脈寬調制器和基極驅動電路。區(qū)別：

與晶閘管調速系統(tǒng)比較，速度調節(jié)器和電流調節(jié)器原理一樣。不同的是脈寬調制器和功率放大器。

當前第42頁\共有47頁\編于星期五\23點脈寬調制器作用：將電壓量轉換成可由控制信號調節(jié)的矩形脈沖，為功率晶體管的基極提供一個寬度可由速度指令信號調節(jié)的脈寬電壓。組成：調制信號發(fā)生器（三角波和鋸齒波兩種）和比較放大器。原理：以三角波發(fā)生器為例介紹7.3直流伺服電機及其速度控制當前第43頁\共有47頁\編于星期五\23點R1+12VUSCR1R3R2+-12VUSrU△-USr–速度指令轉化過來的直流電壓U△-三角波USC-脈寬調制器的輸出（USr+U△）調制波形圖tt