伺服電機(jī)與伺服控制系統(tǒng)原理全課件

課題二

伺服電機(jī)與伺服控制系統(tǒng)原理指導(dǎo)老師：段建中學(xué)生：虎鑫學(xué)號(hào)：120072406492012-3-15課題二

伺服電機(jī)與伺服控制系統(tǒng)原理指導(dǎo)老師：段建中1基本概念的介紹與舉例伺服電機(jī)原理介紹伺服控制系統(tǒng)介紹總結(jié)內(nèi)容基本概念的介紹與舉例內(nèi)容2

“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“伺服”—詞源于希臘語“奴隸”的意思。一、“伺服”的3伺服系統(tǒng)應(yīng)用舉例（2）機(jī)械手手臂伸縮運(yùn)動(dòng)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(jī)械手手臂5－齒輪齒條機(jī)構(gòu)6－電位器7－步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)應(yīng)用舉例（2）機(jī)械手手臂伸縮運(yùn)動(dòng)的電液伺服系統(tǒng)原理圖4伺服系統(tǒng)應(yīng)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——油泵伺服系統(tǒng)應(yīng)用舉例（1）圖1.7液壓仿形車床工作原理圖1.5二.伺服系統(tǒng)的定義：(servomechanism)(servo-system）

伺服系統(tǒng)是指實(shí)現(xiàn)輸出變量精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)輸入變量的控制系統(tǒng)。

二.伺服系統(tǒng)的定義：(servomechanism)6伺服電機(jī)伺服電機(jī)（servomotor）伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，它的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速受信號(hào)電壓控制。當(dāng)信號(hào)電壓的大小和相位發(fā)生變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向?qū)⒎浅ｌ`敏和準(zhǔn)確地跟著變化。當(dāng)信號(hào)消失時(shí)，轉(zhuǎn)子能及時(shí)地停轉(zhuǎn)。伺服電機(jī)伺服電機(jī)（servomotor）7伺服電機(jī)的分類伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)鼠籠轉(zhuǎn)子杯形轉(zhuǎn)子伺服電機(jī)的分類伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)鼠籠轉(zhuǎn)子杯形轉(zhuǎn)8一、直流電動(dòng)機(jī)工作原理●伺服電機(jī)的原理介紹安培定律——磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度——導(dǎo)體中的電流——導(dǎo)體的有效長度一、直流電動(dòng)機(jī)工作原理●伺服電機(jī)的原理介紹安培定律——磁場(chǎng)的9直流電機(jī)原理如圖所示：

N和S是一對(duì)固定的磁極（一般是電磁鐵，也可為永久磁鐵），兩級(jí)之間裝著一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵質(zhì)圓柱體，圓柱體表面上固定這一個(gè)線圈，上邊為a，下圈為x，通入如圖所示的電流根據(jù)左手定則便可得出電磁轉(zhuǎn)矩。載流線圈在磁場(chǎng)中產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩直流電機(jī)原理如圖所示：載流線圈在磁場(chǎng)中產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩10一、直流電機(jī)原理為什么要用電刷？一、直流電機(jī)原理為什么要用電刷？11一、直流電機(jī)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？一、直流電機(jī)的原理這樣的連接方法只有一組線圈得電，繞組使用率12改進(jìn)后的繞線改進(jìn)后的繞組提高了繞組的使用率改進(jìn)后的繞線改進(jìn)后的繞組提高了繞組的使用率13直流電機(jī)的勵(lì)磁方式勵(lì)磁概念：由電流激勵(lì)出磁場(chǎng)的過程叫做勵(lì)磁。他勵(lì)并勵(lì)串勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁方式勵(lì)磁概念：由電流激勵(lì)出磁場(chǎng)的過程叫做勵(lì)磁。14直流電機(jī)的基本方程式電氣系統(tǒng)的電動(dòng)平衡方程感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)直流電機(jī)的基本方程式電氣系統(tǒng)的電動(dòng)平衡方程感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)15電氣系統(tǒng)的電動(dòng)平衡方程——電源電壓——電樞繞組上的端電壓——?jiǎng)?lì)磁繞組上的端電壓——電樞電流——?jiǎng)?lì)磁電流——電樞電路的電阻——?jiǎng)?lì)磁回路的電阻——電樞回路的自感系數(shù)——?jiǎng)?lì)磁回路的自感系數(shù)——電動(dòng)機(jī)的機(jī)械角速度電氣系統(tǒng)的電動(dòng)平衡方程——電源電壓——電樞繞組上的端電壓——162.機(jī)械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平衡方程

——電磁轉(zhuǎn)矩——負(fù)載轉(zhuǎn)矩——空載損耗轉(zhuǎn)矩

如果電動(dòng)機(jī)以恒角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，則：2.機(jī)械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平衡方程

——電磁轉(zhuǎn)矩——負(fù)載轉(zhuǎn)矩——17實(shí)例：直流伺服系統(tǒng)常數(shù)實(shí)例：直流伺服系統(tǒng)常數(shù)18實(shí)例：直流伺服系統(tǒng)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：式中：——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，即式中：——常數(shù)為磁場(chǎng)勵(lì)磁電流是電樞電流實(shí)例：直流伺服系統(tǒng)伺服電機(jī)在磁化曲線的線性范圍內(nèi)使用，式中：19實(shí)例：直流伺服系統(tǒng)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)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：實(shí)例：直流伺服系統(tǒng)在電樞控制的直流電動(dòng)機(jī)中，勵(lì)磁電流為常數(shù)，20實(shí)例：直流伺服系統(tǒng)2.電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩3.轉(zhuǎn)矩平衡方程4.電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)正比于速度——反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)實(shí)例：直流伺服系統(tǒng)2.電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩3.轉(zhuǎn)矩平衡方程4.電動(dòng)機(jī)的21系統(tǒng)因果方程拉氏變換為實(shí)例：直流伺服系統(tǒng)當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩其傳遞函數(shù)是:系統(tǒng)因果方程拉氏變換為實(shí)例：直流伺服系統(tǒng)當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩其傳遞函數(shù)22實(shí)例：直流伺服系統(tǒng)直流伺服電機(jī)的系統(tǒng)方框圖實(shí)例：直流伺服系統(tǒng)直流伺服電機(jī)的系統(tǒng)方框圖23主要內(nèi)容7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制（一定）電樞回路電壓平衡方程式感應(yīng)電勢(shì)與轉(zhuǎn)速關(guān)系電磁轉(zhuǎn)矩直流伺服電機(jī)的調(diào)速原理與方法原理圖等效圖主要內(nèi)容7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制（一定）電24電機(jī)轉(zhuǎn)速與理想轉(zhuǎn)速的差Δn，反映了電機(jī)機(jī)械特性硬度，Δn越?。ㄞD(zhuǎn)矩對(duì)轉(zhuǎn)速變化的影響程度越?。?，機(jī)械特性越硬。n0主要內(nèi)容TTnn直流電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系n=f(T)稱機(jī)械特性直流電機(jī)的基本調(diào)速方式有三種:調(diào)節(jié)電阻Ra、調(diào)節(jié)電樞電壓Ua和調(diào)節(jié)磁通Φ的值。7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制電機(jī)轉(zhuǎn)速與理想轉(zhuǎn)速的差Δn，反映了電機(jī)機(jī)械特性硬度，Δn越小25主要內(nèi)容他勵(lì)式直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式主要內(nèi)容他勵(lì)式直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式26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。7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制主要內(nèi)容Tnn0R0R2R1電樞電阻調(diào)速很少采用，缺點(diǎn)：7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制27主要內(nèi)容調(diào)節(jié)電樞電壓（調(diào)壓調(diào)速）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)速如果Δn值較大，不可能實(shí)現(xiàn)寬范圍的調(diào)速。永磁式直流伺服電機(jī)的Δn值較小，因此，進(jìn)給系統(tǒng)常采用永磁式直流電機(jī)。

7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制主要內(nèi)容如果Δn值較大，不可能實(shí)現(xiàn)寬范圍的調(diào)速。永磁式直流伺28主要內(nèi)容調(diào)節(jié)磁通（調(diào)磁調(diào)速）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7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制主要內(nèi)容調(diào)節(jié)磁通（調(diào)磁調(diào)速）不但改變了電機(jī)的理想轉(zhuǎn)速，而且使29主要內(nèi)容

直流伺服電機(jī)速度控制單元的調(diào)速控制方式調(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。7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制主要內(nèi)容直流伺服電機(jī)速度控制單元的調(diào)速控制方式7.3直流30主要內(nèi)容直流伺服電機(jī)速度控制單元的調(diào)速控制方式

需對(duì)直流電壓的大小和方向進(jìn)行控制直流伺服電機(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.晶體管脈寬調(diào)制（PWMPulseWidthModulated）調(diào)速系統(tǒng)。主要內(nèi)容直流伺服電機(jī)速度控制單元的調(diào)速控制方式31主要內(nèi)容1．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(jī)調(diào)速控制。7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制U*n主要內(nèi)容速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器觸發(fā)脈沖發(fā)生器可控硅電流反饋速度反饋電流檢測(cè)編碼器電機(jī)+-UnInI*n+-US主要內(nèi)容1．晶閘管調(diào)速系統(tǒng)7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制U32

控制回路主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驅(qū)動(dòng)，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。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。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。速度環(huán)：速度調(diào)節(jié)，作用：好的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性。337.3直流伺服電機(jī)及其速度控制462791113581210ABCMⅠⅡUMUDKMKM+-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路，分成二大部分（Ⅰ和Ⅱ），每部分內(nèi)按三相橋式連接，二組反并接，分別實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。各有一個(gè)可控硅同時(shí)導(dǎo)通，形成回路。7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制46279111358121347.3直流伺服電機(jī)及其速度控制1、3、5在正半周導(dǎo)通，2、4、6在負(fù)半周導(dǎo)通。每組內(nèi)（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(gè)串聯(lián)可控硅能同時(shí)導(dǎo)通，或已截止的相再次導(dǎo)通，采用雙脈沖控制。即每個(gè)觸發(fā)脈沖在導(dǎo)通60o后，再補(bǔ)發(fā)一個(gè)輔助脈沖；也可以采用寬脈沖控制，寬度大于60o，小于120o。7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制1、3、5在正半周導(dǎo)通，2357.3直流伺服電機(jī)及其速度控制只要改變可控硅觸發(fā)角（即改變導(dǎo)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(jī)的轉(zhuǎn)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°56α7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制只要改變可控硅36晶閘管調(diào)節(jié)電路晶閘管調(diào)節(jié)電路37主要內(nèi)容2．PWM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?？刂齐娐泛唵?，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(jī)及其速度控制主要內(nèi)容2．PWM調(diào)速控制系統(tǒng)周期不變脈寬脈寬脈寬脈寬平均直38主要內(nèi)容直流電機(jī)電壓的平均值:

T—脈沖周期，Ton—導(dǎo)通時(shí)間7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制主要內(nèi)容直流電機(jī)電壓的平均值:T—脈沖周期，Ton39脈寬調(diào)制（PWM）系統(tǒng)組成：主要內(nèi)容速度調(diào)節(jié)器電流反饋脈寬調(diào)制基極驅(qū)動(dòng)功放振蕩器

電流調(diào)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(jī)及其速度控制脈寬調(diào)制（PWM）系統(tǒng)組成：主要內(nèi)容速度電流反饋脈寬基極振蕩40

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。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)器原理一樣。不同的是脈寬調(diào)制器和功率放大器。

控制回路：41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。原理：以三角波發(fā)生器為例介紹7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制脈寬調(diào)制器7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制42R1+12VUSCR1R3R2+-12VUSrU△-USr–速度指令轉(zhuǎn)化過來的直流電壓U△-三角波USC-脈寬調(diào)制器的輸出（USr+U△）調(diào)制波形圖ttUSr+U△+U

Sr