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第1章伺服系統(tǒng)概述
內(nèi)容提要1.1伺服系統(tǒng)的基本概念1.2對伺服系統(tǒng)的基本要求1.3伺服系統(tǒng)的分類1.4伺服系統(tǒng)的發(fā)展歷程1.5交流伺服電動機(jī)與直流伺服電動機(jī)的綜合比較1.6交流永磁伺服系統(tǒng)簡介1.7伺服系統(tǒng)的典型輸入信號伺服系統(tǒng)概述1伺服系統(tǒng)概述
隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、新材料技術(shù)和新工藝的不斷進(jìn)步,當(dāng)代伺服技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平。2
伺服技術(shù)的應(yīng)用遍及各個領(lǐng)域,例如繞地飛行和高空探測的各類衛(wèi)星,地面上飛馳的高速列車,在海上游弋的萬噸郵輪和艦船,軍事上的導(dǎo)彈發(fā)射架的天線驅(qū)動,特定環(huán)境下完成特殊任務(wù)的各類機(jī)器人,各種辦公室自動化設(shè)備等。3伺服系統(tǒng)概述1.1伺服系統(tǒng)的基本概念內(nèi)容提要1.1.1伺服系統(tǒng)的定義1.1.2伺服系統(tǒng)發(fā)展回顧1.1.3伺服系統(tǒng)的組成41.1.1伺服系統(tǒng)的定義在自動控制系統(tǒng)中,被控對象的輸出量能夠以一定速度和足夠的精度跟蹤輸入量的變化且復(fù)現(xiàn)輸入量的系統(tǒng),稱為隨動系統(tǒng),也叫伺服系統(tǒng)。被控量可能是氣體或液體的壓力、流速、流量或溫度等過程控制變量。這種由動力及傳感器所組成的負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)稱為伺服機(jī)構(gòu),即伺服系統(tǒng)。51.1.2伺服系統(tǒng)發(fā)展回顧
“伺服”一詞是英文servo的音譯,它源于拉丁文servus,意為奴隸之意,奴隸必須無條件地服從主人的命令,從事繁重的體力勞動。從這里可以體會到“伺服”一詞的寓意。后來,這個社會學(xué)中的名詞被引申到工程技術(shù)領(lǐng)域中。1866年英國工程師羅伯特·懷特黑德發(fā)明了魚雷,第一次用壓縮空氣做動力驅(qū)動魚雷在水下運動擊中水上目標(biāo)。羅伯特·懷特黑德魚雷下水準(zhǔn)備中61868年,法國工程師法爾科發(fā)明了反饋調(diào)節(jié)器,又把它與蒸汽機(jī)閥連接起來操作蒸汽船的船舵,被稱為伺服機(jī)構(gòu)。在總結(jié)前人的經(jīng)驗基礎(chǔ)上,美國人黑曾于1934年發(fā)表了《關(guān)于伺服機(jī)構(gòu)理論》的論文,促進(jìn)了經(jīng)典控制理論的誕生。第二次世界大戰(zhàn)不久,美國空軍面臨著研發(fā)新型飛機(jī)的任務(wù),委托巴森茲公司與麻省理工學(xué)院的伺服機(jī)構(gòu)研究所,在1951年研發(fā)出三坐標(biāo)數(shù)控銑床,用于加工復(fù)雜的飛機(jī)葉片。法爾科飛機(jī)葉片71.1.2伺服系統(tǒng)發(fā)展回顧1952年巴森茲公司的福雷斯特等人向美國專利局申請了“數(shù)控伺服機(jī)構(gòu)”的專利,歷經(jīng)十年的考核,終于在1962年得到批準(zhǔn)。這件事情震動了國際數(shù)控界。“伺服機(jī)構(gòu)”專利的重要性由此可見一斑。
此后,由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防空間技術(shù)發(fā)展的需要,伺服技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,新產(chǎn)品層出不窮,理論也越來越成熟,尤其是日本和德國在數(shù)控機(jī)床的制造和應(yīng)用上達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。81.1.2伺服系統(tǒng)發(fā)展回顧1.1.3伺服系統(tǒng)的組成
伺服系統(tǒng)應(yīng)用場合千差萬別,其系統(tǒng)的組成環(huán)節(jié)各異。但是伺服系統(tǒng)作為一種自動控制系統(tǒng)都有大致相同的結(jié)構(gòu)和組成環(huán)節(jié)。如圖1-1所示,它表示的是一般化的伺服系統(tǒng)的各功能環(huán)節(jié)及其組成的系統(tǒng)原理圖。圖1-1伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)91.1.3伺服系統(tǒng)的組成
圖1-1伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)101.1.3伺服系統(tǒng)的組成(6)執(zhí)行環(huán)節(jié)(執(zhí)行機(jī)構(gòu)):控制信號獲得功率放大后,激勵被控機(jī)械對象使其被控的輸出量產(chǎn)生出應(yīng)有的變化;(7)被控對象:是伺服控制系統(tǒng)所要控制的設(shè)備運動或生產(chǎn)過程動作,這些運動或動作稱為伺服系統(tǒng)的被控對象;(8)擾動:除給定的輸入信號外,能使被控量偏離給定輸入信號的要求值或規(guī)律地來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部的一種與給定信號要求相左的物理量,都稱為擾動。圖1-1伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)11內(nèi)容提要1.2.1穩(wěn)定性好1.2.2動態(tài)特性快速精準(zhǔn)1.2.3穩(wěn)態(tài)特性平穩(wěn)無靜差1.2對伺服系統(tǒng)的基本要求121.2對伺服系統(tǒng)的基本要求
一般來說,可根據(jù)各種形式的被控量。實際上,在絕大多數(shù)情況下,一些非常重要的伺服機(jī)構(gòu)都是機(jī)電式的。因為伺服機(jī)構(gòu)的重要目的是用電動機(jī)和齒輪箱(機(jī)械變速箱)來確定受控物體的位置,所以伺服機(jī)構(gòu)就是伺服系統(tǒng),又稱為隨動系統(tǒng)。
各類伺服系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國防武器、空間技術(shù)與科學(xué)實驗中。由于被控對象不同,工作要求不同,對伺服系統(tǒng)的具體要求也千差萬別,要針對實際要求具體對待。但是,對伺服系統(tǒng)來講,普遍存在著一些共同的要求。為了說明這些普遍要求,需要充分認(rèn)識伺服系統(tǒng)的輸入輸出過程。131.2.1穩(wěn)定性好
穩(wěn)定性是指伺服系統(tǒng)在給定輸入信號或外界干擾信號作用下,經(jīng)由暫短調(diào)節(jié)過程后,系統(tǒng)的輸出量到達(dá)一個新的或恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。
實際系統(tǒng)中都存在集中性或分布性的電感與電容。而電感中的電流、電容上的電壓都是不能躍變的;更何況電機(jī)本身與其軸上所驅(qū)動的機(jī)械負(fù)載裝置具有更大的機(jī)械慣性、電磁慣性與其串行疊加,更加大了慣性的作用。在電源所提供的功率強(qiáng)度有限情況下,輸出量不可能在瞬間達(dá)到給定信號的期望值;抑制干擾信號也需要一個暫短的抵制與恢復(fù)過程,才能使輸出達(dá)到或恢復(fù)原過程,這一過程,被稱為過渡過程或動態(tài)過程。14
穩(wěn)定性反應(yīng)了動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)重新恢復(fù)到平衡狀態(tài)工作的能力。如果系統(tǒng)受到擾動后偏離了原工作狀態(tài),而控制裝置再也不能使系統(tǒng)恢復(fù)到原狀態(tài),并且越來越偏離原狀態(tài),并且誤差越來越大,以至到∞,如圖1-2中的過程曲線③所示。這樣的系統(tǒng)就稱為不穩(wěn)定系統(tǒng)。
不穩(wěn)定系統(tǒng)在一般的情況下完全是由該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)決定,這是系統(tǒng)的本質(zhì)特性,通常與外界的正常輸入信號無關(guān)。常用的輸入信號函數(shù)在具有較高階導(dǎo)數(shù)情況下,這個輸入函數(shù)和控制對象的結(jié)構(gòu)與參數(shù)配合不適當(dāng)時,也可使系統(tǒng)變成不穩(wěn)定的。
系統(tǒng)穩(wěn)定是系統(tǒng)正常工作的前提條件,要有一定的裕量范圍內(nèi)能抵抗擾動和參數(shù)變化的能力,所謂的魯棒性。圖1-2系統(tǒng)的動態(tài)過程151.2.1穩(wěn)定性好
動態(tài)特性反應(yīng)在動態(tài)過程中,對給定信號的響應(yīng),如果響應(yīng)過程持續(xù)時間長,將使系統(tǒng)長時間內(nèi)出現(xiàn)較大偏差,這種系統(tǒng)在跟蹤上顯得遲鈍,難以復(fù)現(xiàn)快速變化的指令信號,就認(rèn)為是動態(tài)過程中伺服系統(tǒng)的跟蹤性不好,如圖1-2的響應(yīng)曲線①所示。
要求既快又穩(wěn),還要折中處理,在保證良好穩(wěn)定性的前提下,要盡可能實現(xiàn)快速,同時在動態(tài)響應(yīng)過程中,被控制量與給定量的偏差盡量小,而且偏差存在的時間短,即系統(tǒng)的動態(tài)精度高。如圖1-2所示的曲線④所示。1.2.2動態(tài)特性快速精準(zhǔn)圖1-2系統(tǒng)的動態(tài)過程161.2.3
穩(wěn)態(tài)特性平穩(wěn)無靜差
跟隨給定信號的過渡過程的結(jié)束到達(dá)一個新的平衡狀態(tài)后,或者系統(tǒng)受擾動重新恢復(fù)到平衡之后,最終保持的精度,反映了動態(tài)響應(yīng)過程結(jié)束后的穩(wěn)態(tài)特性。對穩(wěn)態(tài)特性的主要要求是被控量與給定量的偏差越來越小,理想的情況是偏差為零。
由于被控對象與控制目的要求不同,因而對系統(tǒng)的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性要求亦不同??臁⒎€(wěn)、準(zhǔn)三項要求相互制約,往往產(chǎn)生矛盾。具體設(shè)計伺服系統(tǒng)時,要抓住主要要求,兼顧其他,又要考慮經(jīng)濟(jì)效益成本等諸多方面?;疽笠獫M足,不可脫離要求實際,單純追求高指標(biāo),要適可而止。171.3伺服系統(tǒng)的分類內(nèi)容提要1.3.1按調(diào)節(jié)理論分類1.3.2按使用執(zhí)行元件分類1.3.3按系統(tǒng)信號特點分類1.3.4按系統(tǒng)部件輸入-輸出特性不同分類181.3.1按調(diào)節(jié)理論分類(1)開環(huán)伺服系統(tǒng)
這是一種簡單的伺服系統(tǒng),沒有被控系統(tǒng)輸出量的檢測與反饋。最典型的開環(huán)系統(tǒng)是執(zhí)行元件操作用步進(jìn)電機(jī)的伺服系統(tǒng)。開環(huán)伺服系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)簡單,成本低廉的特點,應(yīng)用領(lǐng)域廣闊。(2)閉環(huán)伺服系統(tǒng)
閉環(huán)伺服系統(tǒng)把輸出量檢測后反饋到系統(tǒng)的輸入端,與輸入信號進(jìn)行比較得到差值,該差值經(jīng)過放大和變換后驅(qū)動執(zhí)行元件使輸出向減小誤差的方向變化,直到誤差等于零為止。在這類系統(tǒng)中,給定信號和最終輸出信號共同參與控制,最終的輸出量精度顯著提高,誤差大為減小。但如果閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)各個環(huán)節(jié)的參數(shù)匹配不好,將會引起系統(tǒng)振蕩,甚至使穩(wěn)定性遭到破壞。一般說來,閉環(huán)伺服系統(tǒng)控制性能好,但調(diào)試復(fù)雜,成本也相對較高,適用于高性能要求高的應(yīng)用場合。19(3)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)
半閉環(huán)伺服系統(tǒng)主要用在系統(tǒng)最終端輸出量不易測量的場合。而選擇在最終端輸出量之前的某一個適當(dāng)位置上取得反饋信號,但要求這個反饋信號與最終端的輸出信號之間具有簡單精準(zhǔn)的對應(yīng)關(guān)系。實際上是一種閉環(huán)系統(tǒng),只是檢測點位置沒有設(shè)在最終端而已,半閉環(huán)系統(tǒng)也存在著穩(wěn)定性問題。這種系統(tǒng)的性能介于開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)之間,但卻能給實際工作帶來很大便利,因此得到了廣泛使用。
半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的不足之處在于不能補(bǔ)償半閉環(huán)檢測點到最終輸出量之間傳導(dǎo)誤差,因為半閉環(huán)檢測點與最終輸出量間的這一傳遞過程是在閉環(huán)之外,未被包圍在閉環(huán)之內(nèi)。1.3.1按調(diào)節(jié)理論分類201.3.2按使用執(zhí)行元件分類
在伺服技術(shù)不同的時期,先后出現(xiàn)了不同的執(zhí)行元件。按所用執(zhí)行元件的不同,構(gòu)成了不同類型的伺服系統(tǒng)。(1)氣壓伺服系統(tǒng):最初以壓縮空氣為動力,推進(jìn)水中的負(fù)載-魚雷螺旋槳;(2)電-氣伺服系統(tǒng):系統(tǒng)的誤差檢測與前置放大部分采用電氣技術(shù),而執(zhí)行元件卻是氣動的;(3)電-液伺服系統(tǒng):系統(tǒng)的誤差檢測與前置放大部分是電氣的,而系統(tǒng)的功率放大與執(zhí)行元件是液壓的;(4)液壓伺服系統(tǒng):系統(tǒng)的誤差,檢測放大與執(zhí)行全是由液壓元件實現(xiàn)的系統(tǒng);(5)電動伺服系統(tǒng):組成系統(tǒng)的元件除了機(jī)械部分之外,均是由電子-電磁元件組成,而執(zhí)行元件是由各種類型的電動機(jī)完成。根據(jù)電動機(jī)的不同類型大體上可分為兩大類。211.3.3按系統(tǒng)信號特點分類1)連續(xù)伺服系統(tǒng):
系統(tǒng)傳遞的電信號都是時間的連續(xù)函數(shù),而不是離散的,稱該系統(tǒng)為連續(xù)伺服系統(tǒng),通常也稱模擬伺服系統(tǒng)。2)數(shù)字伺服系統(tǒng):
系統(tǒng)中至少有一處傳遞的電信號是時間斷續(xù)的、離散的脈沖數(shù)字信號,則稱為數(shù)字伺服系統(tǒng),通常也稱為采樣系統(tǒng)或離散伺服系統(tǒng)。221.3.4按系統(tǒng)部件輸入-輸出特性不同分類1)線性伺服系統(tǒng):
系統(tǒng)的各部件的輸入-輸出特性在正常工作范圍內(nèi)呈線性關(guān)系,描述這種系統(tǒng)的微分運動方程是線性微分方程,如方程的系數(shù)是常數(shù),則稱為定常線性伺服系統(tǒng);若微分方程方程的系數(shù)不是常數(shù)而是時間的函數(shù),則稱為變系數(shù)線性伺服系統(tǒng)。2)非線性伺服系統(tǒng):
系統(tǒng)中含有輸入-輸出的特性是非線性部件,描述這種系統(tǒng)特性的是非線性微分方程,對非線性系統(tǒng)的處理比較困難,需根據(jù)情況而定。實際上,任何伺服系統(tǒng)都具有一定的非線性因素存在,因為該系統(tǒng)的組成元部件總是存在一定的死區(qū)或飽和等現(xiàn)象。231.4伺服系統(tǒng)的發(fā)展歷程
近代伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了液壓到電動的過程,作為執(zhí)行元件的伺服電動機(jī)在很大程度上決定了伺服系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。伺服電動機(jī)的發(fā)展歷史,主要經(jīng)歷了三個階段。(1)第一階段(20世紀(jì)60年代之前)此階段主要是以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的液壓伺服馬達(dá),稍后以功率步進(jìn)電動機(jī)直接驅(qū)動為中心的步進(jìn)電機(jī)時代。液壓伺服系統(tǒng)具有巨大驅(qū)動扭矩,控制簡單,可靠性高,在整個速度范圍內(nèi)保持恒轉(zhuǎn)矩輸出,主要應(yīng)用在重型設(shè)備和一些關(guān)鍵場合。它的主要缺點是需要清潔能源,易污染環(huán)境,效率低,維護(hù)麻煩。液壓伺服馬達(dá)液壓公司241.4伺服系統(tǒng)的發(fā)展歷程(2)第二階段(20世紀(jì)60-70年代)
這一時期是直流伺服電動機(jī),由于直流伺服電動機(jī)具有十分優(yōu)良的調(diào)速性能。由步進(jìn)電動機(jī)為主的開環(huán)系統(tǒng)發(fā)展而成了以大慣量直流電動機(jī)為主的閉環(huán)伺服系統(tǒng)。雖然電動機(jī)的慣量增加很大,但慣量大,對于防噪聲干擾、環(huán)境振動都有魯棒性。但是,直流伺服電動機(jī)存在固有缺點,就是存在著機(jī)械換向器和電刷,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,增加了維護(hù)的麻煩,長期運轉(zhuǎn)的可靠性降低,也不宜做高速運行,重載時電刷易于產(chǎn)生火花,影響到與之相連的精密傳動部件——滾珠絲杠的精度,難以應(yīng)用在高速大容量伺服系統(tǒng)中。直流伺服電動機(jī)25(3)第三階段(20世紀(jì)80年代至今)
由于伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及永磁材料、半導(dǎo)體功率器件、控制技術(shù)以及電動機(jī)運行機(jī)理的深入研究,隨之出現(xiàn)了直流無刷電動機(jī)、交流伺服電動機(jī)、矢量控制感應(yīng)伺服電動機(jī)、永磁同步交流伺服電動機(jī)等新型驅(qū)動形式。
矢量控制技術(shù)更加成熟,再加上微型計算機(jī)發(fā)展與普及,使交流伺服系統(tǒng)的性能達(dá)到和超過了直流伺服系統(tǒng)的水平。交流伺服電動機(jī)的無刷化和逆變器的高頻化以及慣量的降低,堅固耐用,無需維護(hù),使其獨占鰲頭。直流無刷電動機(jī)交流伺服電動機(jī)永磁同步交流伺服電動機(jī)1.4伺服系統(tǒng)的發(fā)展歷程261.5交流伺服電動機(jī)與直流伺服電動機(jī)的綜合比較
電氣伺服系統(tǒng)技術(shù)在各領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛,其主要原因是由于伺服電動機(jī)控制方便、靈活,維護(hù)容易。
在電氣伺服領(lǐng)域,按伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件來分,主要有直流(DC)伺服電動機(jī)和交流(AC)伺服電動機(jī)兩大類。直流電機(jī)伺服系統(tǒng)應(yīng)用較早,對伺服技術(shù)的發(fā)展是不可逾越的一個階段。隨著
AC
伺服的發(fā)展,DC
伺服被逐漸取代。為當(dāng)前和以后的應(yīng)用選擇起見,現(xiàn)將它們各自優(yōu)缺點的綜合比較列于表中。271.5交流伺服電動機(jī)與直流伺服電動機(jī)的綜合比較
機(jī)種永磁同步型AC伺服電動機(jī)異步型AC伺服電動機(jī)DC伺服電動機(jī)比較內(nèi)容電動機(jī)構(gòu)造比較簡單簡單因有電刷和換向器,結(jié)構(gòu)復(fù)雜變流機(jī)構(gòu)P-MOSFET逆變器或IGBTP-MOSFET逆變器或IGBT
最大轉(zhuǎn)矩約束永磁體去磁無特殊要求整流火花,永磁體退磁發(fā)熱情況只有定子線圈發(fā)熱,有利定、轉(zhuǎn)子均發(fā)熱,需采取措施轉(zhuǎn)子發(fā)熱,不利高速化比較容易容易稍有困難大容量化稍微困難容易難制動容易困難容易控制方法稍復(fù)雜復(fù)雜(矢量控制)簡單磁通產(chǎn)生永磁體二次感應(yīng)磁通永磁體感應(yīng)電壓電樞感應(yīng)電壓二次阻抗電壓電樞感應(yīng)電壓環(huán)境適應(yīng)性好好受火花限制維護(hù)性無無較麻煩281.6交流永磁伺服系統(tǒng)簡介
為了對永磁交流伺服系統(tǒng)能有一個初步的認(rèn)識,首先介紹它的組成框圖,如圖1-3所示。圖1-3永磁同步電動機(jī)AC伺服系統(tǒng)的組成291.6交流永磁伺服系統(tǒng)簡介
系統(tǒng)的執(zhí)行元件是永磁交流同步伺服電動機(jī),其結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。永磁同步交流伺服電動機(jī)主要是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成,其結(jié)構(gòu)是在轉(zhuǎn)子上裝有特殊形狀的永磁體,用以產(chǎn)生恒定磁場,為提高伺服電動機(jī)性能提供了條件。電機(jī)的定子鐵心上繞有三相電樞繞組,接在可控的變頻電源上。1-檢測器(旋轉(zhuǎn)變壓器);2-永磁體;3-電樞鐵心;4-電樞三相繞組;5-輸出軸圖1-4永磁同步伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)301.6交流永磁伺服系統(tǒng)簡介
311.7伺服系統(tǒng)的典型輸入信號
首先說明為什么要研究典型輸入信號?1)實際伺服系統(tǒng)在工作中,可能遇到各種不同的輸入信號,而這些信號的變化規(guī)律完全是不確定的,也不可能事先知道,因此往往不能采用解析方法。2)另外,伺服系統(tǒng)的性能不但與被控對象的特性有關(guān),同時也與輸入信號的形式相關(guān)。輸入信號通過控制對象與控制器組成閉環(huán)系統(tǒng)得到輸出的被控制量,所以研究輸入信號的形式對輸出是很重要的。3)在選擇控制方案、設(shè)計與分析各種伺服系統(tǒng)的性能時,需要相互對比其性能的優(yōu)劣,這就需要有一個比較的基準(zhǔn)作為參考;而且根據(jù)伺服控制對象的需要,選擇同一類型的輸入信號才能做出比較與判斷。4)實際的輸入信號往往是一種或多種典型信號的組合。典型信號是可以用解析方法表達(dá)的時間函數(shù),盡管與實際輸入信號有一定的差別,但在輸出性能的主要方面可以得到與實際系統(tǒng)相一致的結(jié)果。
綜合各方面的情況來看,研究典型輸入信號,并以此作為測試信號還是有特別意義的。32
典型輸入信號有以下幾種:1.
階躍輸入函數(shù)(stepinputfunction)
階躍信號表示輸入量的一種瞬變,如圖1-5所示。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為
圖1-5階躍輸入函數(shù)1.7伺服系統(tǒng)的典型輸入信號33
由分析可知,階躍函數(shù)占有很寬的頻帶。階躍作用等價于頻域內(nèi)有無限多個正弦信號的合成結(jié)果。在實際伺服系統(tǒng)中,相當(dāng)于在伺服電機(jī)軸上突然加上或卸去負(fù)載,屬于電動機(jī)在工作中最為不利的情況。通過這些突發(fā)的階躍要求或突發(fā)的擾動,在最嚴(yán)苛的要求下,可以考查該系統(tǒng)的反應(yīng)能力和抗擾能力,如果系統(tǒng)有很好的響應(yīng)能力,就可以認(rèn)為該系統(tǒng)是優(yōu)良的。
1.7伺服系統(tǒng)的典型輸入信號34
圖1-7斜坡輸入函數(shù)1.7伺服系統(tǒng)的典型輸入信號35
圖1-8拋物線輸入函數(shù)1.7伺服系統(tǒng)的典型輸入信號364.
脈沖輸入函數(shù)(pulseinputfunction)
實際的脈沖輸入函數(shù)如圖1-9所示,數(shù)學(xué)表達(dá)式為
圖1-9脈沖輸入函數(shù)1.7伺服系統(tǒng)的典型輸入信號375.
正弦函數(shù)(sininputfunction)
正弦輸入函數(shù)如圖1-10所示,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為
圖1-10正弦輸入函數(shù)1.7伺服系統(tǒng)的典型輸入信號386.加加速度輸入函數(shù)(jerkinputfunction)
1.7伺服系統(tǒng)的典型輸入信號39復(fù)習(xí)題及思考題(1)什么是伺服系統(tǒng)?它的主要研究內(nèi)容是什么?(2)伺服系統(tǒng)由哪幾種部分組成?(3)對伺服系統(tǒng)有哪些基本要求?(4)按照使用的驅(qū)動元件分類,可將伺服系統(tǒng)分為哪幾類?(5)依照調(diào)節(jié)理論和系統(tǒng)信號特點,可將伺服系統(tǒng)分為哪幾類?(6)分別解釋開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)的概念。(7)什么是線性伺服和非線性伺服系統(tǒng)?(8)為什么直流伺服電動機(jī)逐漸被交流伺服電動機(jī)所取代?(9)畫出永磁同步電動機(jī)交流伺服系統(tǒng)的組成框圖。(10)伺服系統(tǒng)的典型輸入信號有哪幾種?40第2章交流永磁伺服電動機(jī)
交流永磁伺服電動機(jī)內(nèi)容提要2.1交流永磁伺服電動機(jī)的分類與結(jié)構(gòu)2.2永磁交流伺服電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型2.3轉(zhuǎn)矩方程和運動方程2.4伺服電動機(jī)的狀態(tài)方程與電流反饋線性化2.5交流永磁伺服電動機(jī)矢量控制的基本原理2.6無刷直流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型與其矢量控制422.1.1交流永磁伺服電動機(jī)的分類目前在交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)中,普遍應(yīng)用的交流永磁伺服電動機(jī)有兩大類。①無刷直流電動機(jī)(BrushlessDCMotor,BDCM),②三相永磁同步電動機(jī)(PermanentMagnetSynchronousMotor,PMSM)無刷直流電動機(jī)三相永磁同步電動機(jī)432.1.1分類無刷電動機(jī)是將方波電流(實際上也是梯形波)直接輸入定子。顛倒了原來直流電動機(jī)的定、轉(zhuǎn)子,并且在轉(zhuǎn)子上采用永磁體,在定子側(cè)用電子換向器取代了傳統(tǒng)的機(jī)械換向器,因而得名無刷直流電動機(jī)。永磁同步電動機(jī)的基點是用轉(zhuǎn)子的永磁體取代了轉(zhuǎn)子上的勵磁繞組,從而省去了勵磁線圈、集電環(huán)和電刷。永磁同步電動機(jī)要求輸入定子的電流是三相正弦,所以稱為三相永磁同步伺服電動機(jī)。442.1.1分類
圖2-1PMSM和BDCM的波形452.1.2結(jié)構(gòu)兩類永磁交流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)形式,要按運行要求和應(yīng)用條件而定,還與選擇的永磁材料有關(guān)。就總體結(jié)構(gòu)而言,大多數(shù)是采用內(nèi)轉(zhuǎn)子;就磁場方向來說,多用徑向方式;就定子結(jié)構(gòu)而言,多采用分?jǐn)?shù)繞組和有槽鐵心。就內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)而言,有三種安放永磁體方式:凸裝式、嵌入式、內(nèi)埋式三種基本形式,前兩種形式又稱為外裝式結(jié)構(gòu)。內(nèi)轉(zhuǎn)子,外定子外轉(zhuǎn)子,內(nèi)定子462.1.2結(jié)構(gòu)圖2-2繪出了凸裝式轉(zhuǎn)子永磁體的3種幾何形狀,其中圖
2-2a)具有圓套筒型整體磁鋼、每極磁鋼的寬度與極距相等,而提供十分接近矩形的磁場分布。a)圓套筒型b)瓦片型
c)扇狀型圖2-2凸裝式轉(zhuǎn)子永磁體472.1.2結(jié)構(gòu)圖
2-3繪出了嵌入式、內(nèi)埋式永磁轉(zhuǎn)子幾何形狀,凸裝式和嵌入式結(jié)構(gòu)不僅轉(zhuǎn)子直徑做得較小,低慣量,特別是若將永磁體直接粘在轉(zhuǎn)軸上,還可以獲得低電感,有利于改善動態(tài)性能。因此許多永磁交流伺服電動機(jī)都做成這種外裝式結(jié)構(gòu)。a)嵌入式永磁轉(zhuǎn)子b)內(nèi)埋式永磁轉(zhuǎn)子48圖2-3嵌入式、內(nèi)埋式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)2.1.2結(jié)構(gòu)在圖2-3a中,不是將永磁體凸裝在轉(zhuǎn)子表面上,而是嵌入轉(zhuǎn)子表面之下。永磁體的寬度小于一個極距,相鄰永磁體間的鐵心構(gòu)成一個大“齒”,這種方式稱為嵌入式結(jié)構(gòu)。在圖2-3b中,不是將永磁體裝在轉(zhuǎn)子表面,而是將其埋裝在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部,每個永磁體都被鐵心所包容,這種方式稱為內(nèi)埋式結(jié)構(gòu)。a)嵌入式永磁轉(zhuǎn)子b)內(nèi)埋式永磁轉(zhuǎn)子49圖2-3嵌入式、內(nèi)埋式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)2.1.3內(nèi)埋式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的磁路特點因為永磁材料的導(dǎo)磁率十分接近于空氣,所以凸裝式永磁交流伺服電動機(jī)的交、直軸的電感基本相同。而嵌入式和內(nèi)埋式結(jié)構(gòu)的伺服電動機(jī)與凸裝式不同,其交軸電感大于直軸電感,這樣,除了電磁轉(zhuǎn)矩外,電動機(jī)還會產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子凸極是產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩的原因,磁阻轉(zhuǎn)矩的大小與兩軸電感間的差值成正比。這樣,從概念上講,可將整個轉(zhuǎn)矩解釋為是一種混合式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)矩,由凸極同步電動機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩和凸裝式永磁轉(zhuǎn)子同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩組合而成。50圖
2-4所示為一臺四極內(nèi)埋永磁轉(zhuǎn)子。將徑向穿過永磁體磁場的中心線定義為直軸(d軸),將徑向穿過極間中心線定義為交軸(q軸),兩個磁極軸線相差45°機(jī)械角度(電角度90°)圖2-4四極內(nèi)埋式永磁電動機(jī)磁路a)直軸b)交軸512.1.3內(nèi)埋式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的磁路特點通過調(diào)整內(nèi)埋式轉(zhuǎn)子的設(shè)計參數(shù),可以分別控制這兩項轉(zhuǎn)矩相對于總轉(zhuǎn)矩的比例。利用轉(zhuǎn)子的凸極性,可以進(jìn)行較為靈活地設(shè)計,以此來改進(jìn)電動機(jī)的輸出和調(diào)速特性。設(shè)計實例:利用磁阻轉(zhuǎn)矩提高轉(zhuǎn)矩/電流比,即降低永磁體勵磁,減小空載電動勢。既可以避免高速區(qū)由于過電壓造成的危險,又可以在弱磁方式下進(jìn)一步拓寬速度范圍。522.1.3內(nèi)埋式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的磁路特點圖2-4四極內(nèi)埋式永磁電動機(jī)磁路2.2.1為簡化數(shù)學(xué)模型所作的一些假設(shè)為簡化數(shù)學(xué)模型所作的八個假設(shè):電動機(jī)的磁路是線性的,如果不計剩磁、飽和、磁滯和渦流效應(yīng),可以使用疊加原理;電動機(jī)的定、轉(zhuǎn)子之間氣隙磁場在空間上是按正弦規(guī)律分布,不計高次諧波的影響;電動機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組,永磁體也沒有阻尼作用;交流永磁三相同步電動機(jī)通過三相正弦電流,在時間上互差120°電角度;不計定、轉(zhuǎn)子表面的齒槽效應(yīng)的影響;不考慮頻率變化和溫度變化對定子繞組電阻和漏抗的影響;電動機(jī)的結(jié)構(gòu)對直軸和交軸來說是對稱的;反電動勢波形是嚴(yán)格的正弦型的。滿足以上8條要求,這個電動機(jī)就是所謂的“理想電動機(jī)”,在理想電動機(jī)的條件下推導(dǎo)出伺服電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型。532.2.2定子電壓等物理量分析轉(zhuǎn)矩方程:感應(yīng)電動勢:將d-q坐標(biāo)系選在轉(zhuǎn)子上,站在轉(zhuǎn)子上觀察定子方面的物理量,兩者之間處于相對靜止的狀態(tài),而不必考慮這物理量相對參考系的運動。
定子電壓方程:磁鏈方程:542.2.2定子電壓等物理量分析考慮電動機(jī)軸上所帶動的機(jī)械負(fù)載運動方程:加負(fù)載后電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型反映負(fù)載和電動機(jī)之間的運動關(guān)系,上述各方程中的物理量所代表的物理意義如右表所示。552.2.2定子電壓等物理量分析二極理想電機(jī)PMSM的物理模型如圖
2-5
所示。
圖2-5二極理想電機(jī)PMSM電動機(jī)物理模型簡圖562.2.2定子電壓等物理量分析電壓方程還可以寫為:
a)動態(tài)等效電路b)簡化的穩(wěn)態(tài)等效電路圖2-6永磁伺服電機(jī)的動態(tài)與穩(wěn)態(tài)等效電路572.2.3定子電壓3/2與2/3變換
此為3/2變換,其反變換為2/3變換表示為下式:變換關(guān)系對電流和磁鏈同樣適用。582.2.3定子電壓3/2與2/3變換上式中出現(xiàn)了零序變量,而在實際的矢量變換控制系統(tǒng)中,電動機(jī)的定子多數(shù)是不帶有零線的星形接法。
因而更簡潔的變換關(guān)系為:其反變換為:592.2.4定子電壓變換前后的功率約束功率不變約束問題對于平衡系統(tǒng)來說,兩個參考坐標(biāo)間的輸入功率在上述變換關(guān)系下為:變換前后,兩個參考坐標(biāo)的總功率不變。所以,由d-q坐標(biāo)參考得到電磁轉(zhuǎn)矩,就是電動機(jī)的實際轉(zhuǎn)矩。
602.2.5關(guān)于永磁體等效勵磁電流的問題
圖2-7凸裝式永磁伺服電動機(jī)的永磁體空間磁通勢空間分布612.2.5關(guān)于永磁體等效勵磁電流的問題
磁鏈方程:其中:定子電壓方程:磁通勢的基波幅值為:等效線圈歸算到定子側(cè):622.3轉(zhuǎn)矩方程和運動方程
63
2.3轉(zhuǎn)矩方程和運動方程
64
2.3轉(zhuǎn)矩方程和運動方程
65
2.4伺服電機(jī)的狀態(tài)方程與電流反饋線性化
為了便于動態(tài)仿真并觀察電流和速度的變化率與哪些因素有關(guān),將電壓方程和運動方程寫成狀態(tài)方程的形式:上式表明轉(zhuǎn)子速度和兩軸電流之間存在復(fù)雜的干涉關(guān)系。但為了設(shè)計適合的電流控制器,通常采用電流反饋線性化處理手段來設(shè)計電流控制器以減弱速度對其影響。選擇一個新變量構(gòu)成一個新的線性系統(tǒng),所選擇的新變量必須包含原變量乘積的非線性項。662.4伺服電機(jī)的狀態(tài)方程與電流反饋線性化
672.4伺服電機(jī)的狀態(tài)方程與電流反饋線性化
將上式分別代入線性化后的電流動態(tài)子系統(tǒng)中,就可以得到d、q軸電流的傳遞函數(shù):若標(biāo)準(zhǔn)的二階系統(tǒng)為:令上式分母為零,得到該標(biāo)準(zhǔn)二階系統(tǒng)的特征方程:682.4伺服電機(jī)的狀態(tài)方程與電流反饋線性化
692.5交流永磁伺服電動機(jī)矢量控制的基本原理
矢量控制思想是由德國學(xué)者Blaschke等人提出來的,首先是應(yīng)用到感應(yīng)電動機(jī)(IM)中,從那時起,人們對改善IM的性能做了大量的研究。矢量控制思想的提出和技術(shù)成功應(yīng)用對交流電動機(jī)的應(yīng)用都具有劃時代的意義。矢量控制的思想同樣可以應(yīng)用到永磁交流同步伺服電動機(jī)中,而且更容易實現(xiàn),參數(shù)的敏感性也不像在IM中那樣突出和嚴(yán)重,也用不著采用磁通觀測器來觀測磁通。對永磁伺服電動機(jī)而言,矢量控制是最適宜的。所以,目前在高性能伺服驅(qū)動系統(tǒng)中,普遍采用矢量控制的永磁電動機(jī)伺服系統(tǒng)。下面主要結(jié)合具有正弦波反電勢的PMSM來反復(fù)討論矢量控制原理,而對于具有梯形波反電動勢的無刷直流電動機(jī)(BDCM),也稱永磁交流伺服電動機(jī)。702.5交流永磁伺服電動機(jī)矢量控制的基本原理
直流伺服電動機(jī)的工作問題,也是矢量控制思想的起源因素之一。眾所周知,在他勵直流電動機(jī)中,勵磁磁場和電樞磁通勢間的空間角度是由電刷和機(jī)械換向器所固定。在通常情況下,兩者在空間上是正交的,雖然電刷可以前后稍做移動。因此,在勵磁磁場固定時,電磁轉(zhuǎn)矩和電樞電流存在著線性關(guān)系,通過調(diào)節(jié)電樞電流,可以直接控制轉(zhuǎn)矩。另外,為使電動機(jī)在額定速度以上的高速運行,可采用恒功率方式運行,這通過弱磁方式實現(xiàn)。正是因為在很寬的速度范圍內(nèi),都能平滑地控制轉(zhuǎn)矩,直流電動機(jī)才在長期歷史時期內(nèi)于電氣傳動中獲得了十分廣泛的應(yīng)用。這樣看來,直流電動機(jī)的良好性能為交流電動機(jī)調(diào)速提供了一個示范性榜樣,所以人們想辦法把交流電動機(jī)的調(diào)速模仿直流機(jī)那樣的電磁作用,而去掉其電刷與整流器。712.5交流永磁伺服電動機(jī)矢量控制的基本原理
如前所述,如果選擇d軸作勵磁磁場的正方向,逆時針旋轉(zhuǎn)90°為q軸,作為轉(zhuǎn)矩電流,二者在空間是正交的。如實際的三相交流能在約束功率不變的條件下變換成等效的d-q軸二相電流而且正交的話,就可以像直流電動機(jī)那樣的運行。那么如何實現(xiàn)對直流電動機(jī)的物理模仿呢?電動機(jī)本身沒有這種能力,主要就是靠電動機(jī)外的驅(qū)動自動控制系統(tǒng)來實行的。首先要檢測轉(zhuǎn)子的磁極位置角θr和轉(zhuǎn)子角速度ωr
,在實際系統(tǒng)中,逆變器輸出逆變頻率取決于轉(zhuǎn)子的角速度,逆變器觸發(fā)開關(guān)信號來源于轉(zhuǎn)子角位置信息。這就保證了逆變器的輸出頻率始終與轉(zhuǎn)子角速度相等,轉(zhuǎn)子角位置作交流電流的相位。常將這種運行方式稱“自同步”或“自控”式,從這個意義上講,對PMSM的矢量控制,也就是這種自控式運行的矢量控制。722.5交流永磁伺服電動機(jī)矢量控制的基本原理
732.5交流永磁伺服電動機(jī)矢量控制的基本原理
742.5交流永磁伺服電動機(jī)矢量控制的基本原理
圖2-9CRPWM的矢量控制原理示意圖
矢量控制的實質(zhì),就是控制電流的幅值和相位,并且能分別獨立控制d、q兩軸分量,通過坐標(biāo)變換與閉環(huán)控制而實現(xiàn)。752.6.1定子的電壓方程
BDCM的特征是反電動勢為梯形波,這意味著電動機(jī)的定、轉(zhuǎn)子之間的互感是非正弦的。因此不能夠?qū)⒍ㄗ拥娜嘧鴺?biāo)方程變換為d、q坐標(biāo)方程,因為d、q變換適用的條件是氣隙磁場為正弦分布的電動機(jī)。定子的電壓方程:
762.6.1定子的電壓方程
對于凸裝式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),可以忽略凸極效應(yīng),因此定子的三相自感為常數(shù),三相繞組間的互感也為常數(shù),兩者都與轉(zhuǎn)子位置無關(guān),因此有:圖2-10BDCM電動機(jī)的反電勢與電流波形
772.6.1定子的電壓方程
若定子三相繞組為Y接,且沒有中線,則有:代入電壓方程得:782.6.2轉(zhuǎn)矩方程和運動方程
電磁轉(zhuǎn)矩:運動方程:
為產(chǎn)生穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩,要求方波定子電流;或者定子電流為方波時,要求反電動勢為梯形波。如果在每半個周期內(nèi),方波電流持續(xù)時間為120°電角度,那么梯形波及電動勢的平頂部分相應(yīng)的也應(yīng)為120°電角度,并且兩者應(yīng)嚴(yán)格同步。792.6.3狀態(tài)方程和等效電路
將電壓方程寫成狀態(tài)方程形式:
電壓方程的等效電路如圖2-11所示。圖2-11BDCM等效電路802.6.3狀態(tài)方程和等效電路
在BDCM中,定子輸入的三相電流為方波,為產(chǎn)生平滑電磁轉(zhuǎn)矩,要求反電動勢為梯形波,且兩者在相位上應(yīng)嚴(yán)格同步。對BDCM的矢量主要要求就是對這種同步性控制,所以BDCM的控制,在正常情況下,就是要求電樞反應(yīng)磁場與永磁體勵磁磁場正交,以保證方波電流與梯形波電動勢嚴(yán)格同步。812.6.3狀態(tài)方程和等效電路
BDCM的轉(zhuǎn)矩公式在形式上與直流電動機(jī)也是相同的,可以直接控制電磁轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩公式僅運用于嚴(yán)格同步狀態(tài)。
822.6.3狀態(tài)方程和等效電路
BDCM的電流要進(jìn)行換相,由于電流不能躍變,結(jié)果就可能使灌入電動機(jī)的實際相電流不是方波,而是接近方波的梯形波,這會使電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生紋波。方波電流與梯形波反電動勢必須嚴(yán)格同步,否則也會產(chǎn)生紋波轉(zhuǎn)矩。對于具有非正弦定子電流這種無刷直流電動機(jī),定子合成磁通勢波不可能是嚴(yán)格同步的,這可能會造成轉(zhuǎn)矩的脈動,脈動的頻率為基波頻率的6倍。由于轉(zhuǎn)矩的這種不平穩(wěn)性,勢必會造成轉(zhuǎn)速的波動,特別在低速時顯得更嚴(yán)重,這會影響伺服系統(tǒng)的定位和重復(fù)定位精度。因此,高性能定位控制場合,首選的是PMSM而不是BDCM。832.6.3狀態(tài)方程和等效電路
①由于電流不能躍變,所以BDCM電流在換相過程中,由于電動機(jī)的電感限制了電流的變化率,電流的上升時間取決于直流電壓和反電動勢的差值以及定子繞組時間常數(shù)(定子漏感與電阻之比),時間常數(shù)越大,電流上升時間越長,實際電流波形與理想波形的偏差就越大,可以用梯形波來代替實際電流波。
造成這種轉(zhuǎn)矩的不平衡主要有以下原因:842.6.3狀態(tài)方程和等效電路
圖2-12梯形波定子電流圖2-13BDCM反電勢與電流波形其電流與反電動勢波形如圖2-12和圖2-13所示,由理論分析可知,為減少轉(zhuǎn)矩紋波,應(yīng)使定子電流盡量逼近正弦波。對于PMSM來說,定子電流低次諧波分量很小,它們與轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩紋波自然就很小,這是正弦波饋電PMSM的一個很重要的特點。85復(fù)習(xí)題及思考題86(1)在交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)中,普遍的永磁交流伺服電動機(jī)可分為哪兩類?(2)就內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)而言,安裝永磁體方式可以分為哪幾種?(3)什么是“理想電動機(jī)”?(4)什么是矢量控制?(5)矢量控制應(yīng)用到永磁交流同步伺服電動機(jī)中有什么優(yōu)點?第3章伺服驅(qū)動的負(fù)載機(jī)械特性
內(nèi)容提要3.1旋轉(zhuǎn)體的運動方程3.2負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性3.3幾種典型的非線性現(xiàn)象3.4機(jī)械諧振3.5機(jī)械剛度與伺服剛度3.6機(jī)械負(fù)載的折算與匹配伺服驅(qū)動的負(fù)載機(jī)械特性883.1旋轉(zhuǎn)體的運動方程內(nèi)容提要3.1.1轉(zhuǎn)速3.1.2轉(zhuǎn)矩3.1.3功3.1.4功率3.1.5動能和慣量3.1.6運動方程式89
3.1.1
轉(zhuǎn)速90
3.1.2
轉(zhuǎn)矩91
3.1.3
功92
3.1.4
功率93
3.1.5
動能和慣量94
3.1.5
動能和慣量圖3-1用變速機(jī)構(gòu)連接的旋轉(zhuǎn)體1-交流伺服電機(jī)2-負(fù)載95
3.1.5
動能和慣量96圖3-1用變速機(jī)構(gòu)連接的旋轉(zhuǎn)體1-交流伺服電機(jī)2-負(fù)載
3.1.5
動能和慣量
圖3-2直線運動體的慣量1-AC伺服電動機(jī)2-滾筒97
3.1.5
動能和慣量98
3.1.5
動能和慣量圖3-3牽引絲杠驅(qū)動的物體1-電機(jī)2-小齒輪3-大齒輪4-絲杠99
3.1.5
動能和慣量100
3.1.6
運動方程式1013.2負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性內(nèi)容提要3.2.1恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載3.2.2流體類負(fù)載3.2.3恒功率負(fù)載102驅(qū)動機(jī)械運動的交流永磁伺服電動機(jī)的典型運動方式如圖3-4所示。交流伺服電動機(jī)從靜止的零速開始起動,一直加速到所規(guī)定的速度,并以此速度運行。當(dāng)電動機(jī)接到停止命令時,交流伺服電動機(jī)就從工作速度開始減速,直到停止。3.2負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性圖3-4電機(jī)的運動方式103
按機(jī)械負(fù)載在工作過程中所呈現(xiàn)出來對電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的要求,大致可分為三大類型負(fù)載。圖3-5電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系1043.2負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載中,負(fù)載轉(zhuǎn)矩不隨負(fù)載的運動速度變化而變化,負(fù)載的功率則隨著速度的變化而變化,速度高則功率線性增大,速度低則功率線性降低。這類負(fù)載的典型代表有機(jī)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu);卷揚機(jī)卷取重物等都是恒轉(zhuǎn)矩的典型,另外,像汽車生產(chǎn)線上螺栓擰緊機(jī)構(gòu),飲料生產(chǎn)線上瓶蓋擰緊動作等,也是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的應(yīng)用。這種負(fù)載特性是很多應(yīng)用場合的要求。3.2.1
恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載105流體類負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與速度的二次方成正比,功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比,風(fēng)機(jī)、水泵就是這類負(fù)載的典型代表。3.2.2流體類負(fù)載106恒功率負(fù)載的特點是轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成正比,但轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積所代表的功率卻近似保持不變,可視為一個常數(shù)。這類負(fù)載的典型代表有金屬切削機(jī)床的主軸驅(qū)動和卷取機(jī)等。由圖3-6知,交流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性是一條直線,即轉(zhuǎn)矩是一個常數(shù)。所以,交流伺服電動機(jī)特別適用于驅(qū)動機(jī)床進(jìn)給軸這類恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。3.2.3恒功率負(fù)載圖3-6負(fù)載的種類和轉(zhuǎn)矩與速度特性107c)恒功率負(fù)載a)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載
b)流體負(fù)載
1083.2.3恒功率負(fù)載
1093.2.3恒功率負(fù)載
1103.2.3恒功率負(fù)載
圖3-7切削阻力的分力1-被加工工件2-車刀1113.2.3恒功率負(fù)載
1123.2.3恒功率負(fù)載圖3-7切削阻力的合力1-被加工工件2-車刀
1133.2.3恒功率負(fù)載
1143.2.3恒功率負(fù)載3.3幾種典型的非線性現(xiàn)象內(nèi)容提要3.3.1死區(qū)現(xiàn)象分析3.3.2飽和現(xiàn)象3.3.3間隙現(xiàn)象的分析3.3.4摩擦分析115
3.3幾種典型的非線性現(xiàn)象a)b)c)d)
圖3-8伺服系統(tǒng)可能存在的幾種典型非線性特性116由于電動機(jī)軸都存在著摩擦力矩和負(fù)載力矩,因此當(dāng)輸入電壓達(dá)到一定數(shù)值時,電動機(jī)才能轉(zhuǎn)動,即存在所說的不靈敏區(qū),而當(dāng)輸入電壓超過一定值時,電機(jī)的轉(zhuǎn)速就不再升高,出現(xiàn)了飽和現(xiàn)象,見圖3-8c)。3.3幾種典型的非線性現(xiàn)象a)b)c)d)
圖3-8伺服系統(tǒng)可能存在的幾種典型非線性特性117各種機(jī)械傳動機(jī)構(gòu),例如齒輪減速器、桿系傳動,由于加工和裝配限制,在傳動過程中,都可能存在著間隙,如圖3-8d)所示。因此,這些非線性特性在實際的伺服系統(tǒng)中是普遍存在的。在性能要求很高的伺服系統(tǒng)中,必須認(rèn)真對待這些非線性因素。3.3幾種典型的非線性現(xiàn)象a)b)c)d)
圖3-8伺服系統(tǒng)可能存在的幾種典型非線性特性118
3.3.1死區(qū)現(xiàn)象分析圖3-9死區(qū)特性119
3.3.1死區(qū)現(xiàn)象分析圖3-10含有死區(qū)的非線性系統(tǒng)120死區(qū)對系統(tǒng)最直接的影響是造成輸出的穩(wěn)態(tài)誤差。當(dāng)輸入信號是斜坡函數(shù)時,死區(qū)的存在會造成系統(tǒng)的輸出量在時間上的滯后,從而降低系統(tǒng)的跟蹤精度,如圖3-11所示。3.3.1死區(qū)現(xiàn)象分析圖3-11斜坡輸入時,系統(tǒng)的輸出量121
3.3.1死區(qū)現(xiàn)象分析a)b)圖12死區(qū)特性的等效增益122
3.3.2飽和現(xiàn)象a)b)圖3-13飽和特性及其等效增益a)飽和特性b)等效增益123圖3-14所示為具有飽和特性的伺服系統(tǒng)框圖。3.3.2飽和現(xiàn)象圖3-14具有飽和特性的伺服系統(tǒng)框圖124
3.3.2飽和現(xiàn)象a)b)圖3-15系統(tǒng)的根軌跡及階躍響應(yīng)曲線125
3.3.2飽和現(xiàn)象圖3-16系統(tǒng)的根軌跡及階躍響應(yīng)曲線126
3.3.3間隙現(xiàn)象的分析圖3-17齒輪間隙和間隙特性127
3.3.3間隙現(xiàn)象的分析128圖3-17齒輪間隙和間隙特性
3.3.3間隙現(xiàn)象的分析圖3-18間隙的輸入輸出波形129
3.3.4摩擦分析圖3-19各種形式的摩擦特性130
3.3.4摩擦分析圖3-19各種形式的摩擦特性131
3.4機(jī)械諧振圖3-20二級齒輪減速器傳動示意圖132
3.4機(jī)械諧振133
3.4機(jī)械諧振圖3-21傳動裝置彈性形變示意圖134
3.4機(jī)械諧振135圖3-21傳動裝置彈性形變示意圖
3.5機(jī)械剛度與伺服剛度136
3.5機(jī)械剛度與伺服剛度137
3.6機(jī)械負(fù)載的折算與匹配138
3.6機(jī)械負(fù)載的折算與匹配圖3-22回轉(zhuǎn)體139
3.6機(jī)械負(fù)載的折算與匹配圖3-23直線運動物體140
3.6機(jī)械負(fù)載的折算與匹配141(1)什么是齒輪的減速比?(2)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性通常有什么?請舉例這幾類負(fù)載的典型代表。(3)典型的非線性現(xiàn)象有哪些?(4)間隙現(xiàn)象對于系統(tǒng)性能的影響主要表現(xiàn)是什么?復(fù)習(xí)題及思考題142第4章永磁直線同步電動機(jī)伺服系統(tǒng)
內(nèi)容提要4.1直線電動機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用4.2永磁直線同步伺服電動機(jī)4.3永磁直線同步伺服電動機(jī)的齒槽定位力及其削弱4.4永磁直線同步伺服電動機(jī)的紋波力及其削弱4.5直線電機(jī)在機(jī)床上應(yīng)用發(fā)展緩慢的原因分析永磁直線同步電動機(jī)伺服系統(tǒng)144在許多工業(yè)領(lǐng)域中,被控機(jī)械往往是直線位移形式。然而遺憾的是,直線運動驅(qū)動技術(shù)沒有得到發(fā)展,長期以來,不得不借助旋轉(zhuǎn)運動的電機(jī)配上機(jī)械轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),使旋轉(zhuǎn)運動最終變成直線運動。如果有直線驅(qū)動器能夠直接驅(qū)動被控物體作直線運動,可省去運動形式的變換環(huán)節(jié),簡化傳動的復(fù)雜性。以電磁原理工作的直線電機(jī)可以提供高功率和大推力,在19世紀(jì)20年代,想用直線電動機(jī)作為織布機(jī)的梭子和列車的動力,但均未獲成功。到了20世紀(jì)50年代,直線電動機(jī)作為電磁泵被用來抽吸液態(tài)金屬,20世紀(jì)60年代以后,由于發(fā)展高速運輸系統(tǒng)的需要,使直線電機(jī)的理論和應(yīng)用得到快速發(fā)展。4.1直線電動機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用145對感應(yīng)式直線電機(jī)的研究較早,感應(yīng)式直線電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,堅固耐用,適應(yīng)性強(qiáng),成本低,制造容易,在各領(lǐng)域首先得以應(yīng)用。這些應(yīng)用主要體現(xiàn)以下方面:(1)工業(yè)直線傳動1)傳動帶:感應(yīng)式直線電動機(jī)的初級固定不動,次級就是傳送帶本身,所用的材料就是金屬帶或金屬網(wǎng)與橡膠的復(fù)合帶。這種傳送方式兼有礦車與普通皮帶運輸機(jī)的優(yōu)點,可以提高運輸能力,節(jié)省投資。4.1直線電動機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用1462)傳送車:在工業(yè)生產(chǎn)中可用直線電動機(jī)驅(qū)動小車傳送工件。為了實現(xiàn)自動化,要求小車能在始點、終點和沿途若干點上準(zhǔn)確定位,直線電動機(jī)通過調(diào)速裝置、速度傳感器、行程開關(guān)或無觸點開關(guān)的聯(lián)合作用,能使小車準(zhǔn)確定位。3)行李、貨物的存取移動裝置。4)橋式起重機(jī)或吊車移動裝置。4.1
直線電動機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用147(2)電磁泵由于液態(tài)金屬具有很高的溫度,因此作為電磁泵的感應(yīng)式直線電動機(jī)初級要用耐火材料覆蓋,次級就是液態(tài)金屬。當(dāng)初級通電后,在液態(tài)金屬中便產(chǎn)生定向的驅(qū)動力,以達(dá)到泵送液態(tài)金屬的目的。液態(tài)金屬可以是鈉、鉀、鋁、鐵等。(3)工業(yè)裝置的執(zhí)行部件感應(yīng)式直線電動機(jī)可以用于門、窗、閥、開關(guān)的自動開閉裝置,以及自動剪切生產(chǎn)線的進(jìn)給驅(qū)動裝置等。4.1直線電動機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用148(4)驅(qū)動高速列車近幾十年來,感應(yīng)式直線電動機(jī)在交通方面受到了人們極大重視,有許多技術(shù)先進(jìn)的國家做了許多高速列車試驗。在這種應(yīng)用中,將直線電動機(jī)的初級固定在車身上,次級安置于地面,用氣墊(或磁墊)使車與地面分離,用直線電動機(jī)驅(qū)動高速列車,時速可達(dá)400~500km/h,這是感應(yīng)式直線電動機(jī)最典型的應(yīng)用。(5)其他方面的應(yīng)用它還可以用于熔融液態(tài)金屬的攪拌裝置、電錘、車輛沖擊試驗臺的加速裝置等,其應(yīng)用面十分廣泛。在軍工領(lǐng)域,甚至可能助力航空母艦上飛機(jī)的彈射起飛。4.1
直線電動機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用149上面所列出的應(yīng)用,都是作為動力轉(zhuǎn)換而用的。這是應(yīng)用的一個主要方面,隨著矢量控制理論的成熟和相應(yīng)技術(shù)的進(jìn)步,和感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)電機(jī)一樣,它的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,在數(shù)控機(jī)床上也有使用的。與此同時,還有直線式直流電動機(jī)、直線式步進(jìn)電動機(jī)和直線式同步電動機(jī)。本章重點介紹的是永磁直線同步電動機(jī),它的許多方面與永磁旋轉(zhuǎn)同步電動機(jī)具有相同的性質(zhì),本章主要是介紹一下它的特殊問題。4.1直線電動機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用1504.2永磁直線同步伺服電動機(jī)內(nèi)容提要4.2.1
基本結(jié)構(gòu)4.2.2
基本工作原理4.2.3
永磁直線同步伺服電動機(jī)的直接驅(qū)動4.2.4
永磁直線同步伺服電動機(jī)的端部效應(yīng)151傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)式永磁同步電機(jī)由定子、氣隙、轉(zhuǎn)子三部分組成,直線式永磁同步電動機(jī)與此相似。不過直線式電機(jī)的受電部分-初級繞組嵌放在鐵心中,它帶著饋電電纜一起作直線運動,稱這部分電樞繞組連同鐵心一起叫動子,而安放永磁體之處稱為次級,是不動的,叫作定子。4.2.1基本結(jié)構(gòu)152在定子的全長的直線行程方向上,一塊接一塊的交替安放N極、S極永磁體。在動子和定子之間就是氣隙,這與旋轉(zhuǎn)式永磁電動機(jī)的氣隙是一樣的。圖4-1所示的就是一種單邊平板型結(jié)構(gòu)的直線永磁同步伺服電動機(jī),其中
為極距。4.2.1基本結(jié)構(gòu)
圖4-1單邊平板型直線永磁電動機(jī)示意圖1-永磁體2-低碳鋼極3-軛153通過三相饋電電纜,將三相對稱正弦電流引入動子繞組后,同樣會在動子與定子氣隙中產(chǎn)生氣隙磁場。在不考慮鐵心兩端開斷而引起的縱向端部效應(yīng)時,氣隙磁場的分布情況與旋轉(zhuǎn)時的情況相似,既可以看成沿展開的直線方向呈正弦分布。當(dāng)三相電流隨時間而變化時,氣隙磁場將按A、B、C的相序沿直線運動,這個原理與旋轉(zhuǎn)電動機(jī)相似。但是二者的氣隙磁場還是有差異的:直線電動機(jī)的氣隙磁場是沿直線方向平移,而不是沿氣隙旋轉(zhuǎn)的,將這個平移的磁場稱為行波磁場。顯然,這個行波磁場的移動速度與旋轉(zhuǎn)磁場在定子內(nèi)圓表面的線速度vs(稱為同步速度)是一樣的。對于永磁直線同步電動機(jī)來說,定子上永磁體的勵磁磁場與動子形成的行波磁場相互作用便會產(chǎn)生電磁推力,就是說,位于定子磁場中的載流導(dǎo)體(動子)就會受到力的作用,力的方向可按左手定則判定。4.2.2基本工作原理154
4.2.2基本工作原理
圖4-2永磁直線同步伺服電動機(jī)的工作原理示意圖155傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)電動機(jī)+滾珠絲杠”的伺服進(jìn)給方式中,電動機(jī)輸出的是旋轉(zhuǎn)運動,要經(jīng)過聯(lián)軸器、滾珠絲杠螺母副等一系列中間傳動與變換環(huán)節(jié)以及相應(yīng)的支撐,才能變成被控對象-溜板或刀架的直線運動。由于中間存在運動形式的變換環(huán)節(jié),將會對機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)存在以下諸多不良后果;(1)使傳動系統(tǒng)的剛度降低,起動和制動中初期能量都消耗在中間環(huán)節(jié)的彈性變形上,尤其是精密細(xì)長的滾珠絲杠是進(jìn)給驅(qū)動的剛度薄弱環(huán)節(jié)。彈性變形使系統(tǒng)的微分方程階次提高,從而使系統(tǒng)的魯棒性降低,伺服性能下降。彈性變形更是數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生機(jī)械諧振的根源之一。4.2.3永磁直線同步伺服電動機(jī)的直接驅(qū)動156(2)中間傳動環(huán)節(jié)的存在,增加了運動系統(tǒng)的慣量,在不增大系統(tǒng)放大倍數(shù)的情況下,會使系統(tǒng)的速度、位移相應(yīng)變慢;但若增大放大倍數(shù)時,又有可能使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差,甚至可能導(dǎo)致不穩(wěn)定。(3)由于制造機(jī)械的精度限制,中間傳動環(huán)節(jié)不可避免的受到間隙、死區(qū)、摩擦以及彈性形變的影響,使系統(tǒng)的非線性因素增加,進(jìn)一步提高精度變得困難。(4)為提高生產(chǎn)率和改善零件加工質(zhì)量而發(fā)展起來的高速加工,不但要求數(shù)控機(jī)床具有超高速運轉(zhuǎn)的大功率精密主軸驅(qū)動系統(tǒng),而且要求有一個反應(yīng)快速、靈敏、高速、輕便、精密、魯棒好的伺服系統(tǒng),使系統(tǒng)進(jìn)給速度達(dá)到50~60m/min以上,加、減速度達(dá)到25~30m/s2。4.2.3永磁直線同步伺服電動機(jī)的直接驅(qū)動157傳統(tǒng)的機(jī)械中間傳動環(huán)節(jié),限制了超高速切削的要求。這些要求就迫使了新的零傳動方式的誕生,永磁直線電動機(jī)正是適時應(yīng)運而生。它在進(jìn)給驅(qū)動上正好能克服上述諸項缺點,而獲得以下好處:①由于數(shù)控機(jī)床的直線進(jìn)給行程較短,一般不超過幾百毫米,只有在很高的動態(tài)性能下才能完成,快速起動,準(zhǔn)確停止,在實現(xiàn)切削軌跡拐彎處更需要高的加、減速度。②提高工件的表面加工質(zhì)量,延長刀具壽命。③提高了傳動精度和定位精度。④運動噪聲低。⑤進(jìn)給行程長度不受限制,省去了貴重的滾珠絲杠。4.2.3
永磁直線同步伺服電動機(jī)的直接驅(qū)動158直線電動機(jī)與旋轉(zhuǎn)電動機(jī)是存在著顯著不同點,即所有的各類直線電動機(jī)在不同程度上都存在特有的端部效應(yīng)。而永磁直線電動機(jī)尤為突出。直線電動機(jī)的動子在其運動方向上,必然存在一個入口端和出口端,在兩個端口附近處,磁場的分布與中間位置的磁場分布顯著不同,這給直線電動機(jī)運行特性帶來了不良影響,這就是所謂的“端部效應(yīng)”。這種現(xiàn)象在旋轉(zhuǎn)電動機(jī)中是不存在的。圖4-3表示單邊初級帶有一個金屬平板次級的直線感應(yīng)電動機(jī)的磁場分布。4.2.4永磁直線同步伺服電動機(jī)的端部效應(yīng)
圖4-3直線感應(yīng)電機(jī)的磁場分布159圖4-4所示的是感應(yīng)式直線電動機(jī)中的行波磁場方向上渦流分布。由圖可知,這種分布是不對稱的,會使推力不是一個恒值,從而產(chǎn)生推力波動。因此,定義在次級長度方向上的端部效應(yīng),稱為縱向端部效應(yīng),在高速時端部效應(yīng)顯著增長。4.2.4永磁直線同步伺服電動機(jī)的端部效應(yīng)
圖4-4次級中的渦流分布160除了縱向端部效應(yīng)外,還存在橫向端部效應(yīng)。當(dāng)直線電動機(jī)次級采用實心結(jié)構(gòu)時,次級導(dǎo)電板中的感應(yīng)電流也呈渦流形狀,在它的作用下,氣隙磁通密度沿橫向分布呈現(xiàn)出了馬鞍狀,這種效應(yīng)稱為橫向端部效應(yīng),如圖4-5所示。4.2.4永磁直線同步伺服電動機(jī)的端部效應(yīng)
圖4-5直線感應(yīng)電動機(jī)的橫向端部效應(yīng)161端部效應(yīng)還分為靜態(tài)和動態(tài)兩種端部效應(yīng)。僅考慮初級電流的端部效應(yīng),稱為靜態(tài)端部效應(yīng);當(dāng)初級和次級有相對運動或次級中也有電流時,縱向和橫向端部效應(yīng)對磁場的影響稱為動態(tài)端部效應(yīng)。直線電動機(jī)的端部效應(yīng)在理論上很復(fù)雜,不易清晰地用解析公式表示。在工程設(shè)計上要考慮到,無論哪種端部效應(yīng),對直線電動機(jī)的運行都有害。這些不良表現(xiàn)會減低氣隙磁通密度,使電動機(jī)的推力不能保持恒定,產(chǎn)生波動,增加損耗,降低有效功率,要盡力避免這些不良影響。4.2.4永磁直線同步伺服電動機(jī)的端部效應(yīng)162對永磁直線電動機(jī)的端部效應(yīng)情況,也可以借助感應(yīng)式直線電動機(jī)的端部效應(yīng)理論進(jìn)行討論分析。但應(yīng)該指出,由于采用了高磁能積的強(qiáng)磁體作為定子材料,所以它的端部效應(yīng)表現(xiàn)得更為突出,如圖4-6所示。4.2.4永磁直線同步伺服電動機(jī)的端部效應(yīng)
圖4-6短初級面裝式PMLSM的磁場分布163對于永磁直線電動機(jī),其端部效應(yīng)影響更大,它會增加直線電動機(jī)的附加損耗,降低直線電動機(jī)的工作效率,特別是會引起更大的電動機(jī)推力波動。而推力波動較大,是影響這種直線電動機(jī)廣泛應(yīng)用的原因之一。推力波動會使電動機(jī)產(chǎn)生機(jī)械擾動和噪聲,還可能產(chǎn)生低速共振,嚴(yán)重惡化伺服性能,損壞定位精度。永磁直線伺服電動機(jī)的縱向端部效應(yīng),由以下原因引起:(1)由于直線電動機(jī)的初級繞組不連續(xù),使各相繞組的互感不相等,即使提供了三相對稱正弦電壓,電流也不可能對稱,在氣隙中除了產(chǎn)生正序行波磁場外,還會產(chǎn)生逆序和零序磁場,從而在氣隙中形成脈振磁場,使電動機(jī)推力產(chǎn)生波動;另一方面,即使在繞組中通過三相對稱電流,由于縱向端部效應(yīng)的影響,也會在電動機(jī)氣隙中產(chǎn)生脈動磁場,使電動機(jī)產(chǎn)生附加的推力波動;4.2.4永磁直線同步伺服電動機(jī)的端部效應(yīng)164(2)由于電動機(jī)動子的鐵心是斷開的,使得鐵心端部的氣隙磁阻發(fā)生了急劇的變化。由此產(chǎn)生了一個周期性的推力波動,這和齒槽力生成的機(jī)理是類似的。在分析直線電動機(jī)的推力波動時,常常將鐵心的開斷和齒槽引起的磁阻力稱為定位力。因為它們都是由磁阻變化引起的永磁體勵磁磁場的嚴(yán)重畸變而產(chǎn)生。這里講的齒槽效應(yīng)的定位力和紋波力都是不希望存在的推力波動,但二者產(chǎn)生的原因不同;紋波力是由動子電流和定子的永磁磁場相互作用而產(chǎn)生的,而定位力是由于動子鐵心和定子磁場間磁阻變化而產(chǎn)生的波動阻滯力。兩種波動力并無關(guān)聯(lián),他們可能同時存在,也可能單獨存在。4.2.4永磁直線同步伺服電動機(jī)的端部效應(yīng)165
4.3永磁直線同步伺服電動機(jī)的齒槽定位力及其削弱
圖4-7面裝式PMLSM一個極下的物理模型166定位力產(chǎn)生的主要原因是由于動子齒槽的存在,永磁定子的磁極與動子齒槽的相對位置不同時,主磁路的磁導(dǎo)不一樣,動子趨向于定位在動子與定子之間磁導(dǎo)最大的位置,即穩(wěn)定的平衡點。在此位置上磁阻最小,當(dāng)偏離此位置時,自有恢復(fù)到該位置的作用力或趨向于另一個相鄰的穩(wěn)定平衡點。定位力主要源于動子齒槽,所以稱為齒槽效應(yīng)定位力或磁阻滯力。從根本上看,動子和定子的磁路不均勻性是產(chǎn)生齒槽效應(yīng)力及其波動的主要原因。齒槽力是由定子永磁體與動子齒間作用力的切向分力構(gòu)成。在圖4-7中,動子移動時,處于永磁體中間部分的動子齒槽與永磁體的磁導(dǎo)幾乎不變,這些動子齒槽周圍的磁場也基本不變,而與永磁體兩側(cè)面A和B對應(yīng)的由一個或兩個動子齒構(gòu)成的一小段封閉區(qū)域內(nèi)的磁導(dǎo)變化卻很大,導(dǎo)致磁場儲能改變,產(chǎn)生單向力。因此,產(chǎn)生齒槽效應(yīng)的區(qū)域主要是永磁體兩側(cè)的拐角處而不是整個永磁體。4.3永磁直線同步伺服電動機(jī)的齒槽定位力及其削弱167
4.3永磁直線同步伺服電動機(jī)的齒槽定位力及其削弱
圖4-8齒槽效應(yīng)力168
4.3永磁直線同步伺服電動機(jī)的齒槽定位力及其削弱169(2)選擇合適的齒槽寬度比分析表明,選擇合適的齒槽比寬度比,可削弱或消除齒槽力中的諧波。對于面裝式永磁直線電動機(jī),若再選擇合適的永磁體寬度,則可進(jìn)一步削弱或消除余下的諧波。一般來說,選擇齒槽寬度比為1是合適的,但不同結(jié)構(gòu)、不同尺寸的電動機(jī)要通過磁場的計算,來確定最佳的齒槽寬度比。(3)斜槽或斜極動子斜槽或定子斜極是削弱或消除齒槽力的有效措施。動子斜槽,斜一個齒距,可基本上消除所有齒槽效應(yīng)波動。但要注意,齒槽力對于動子斜槽尺寸精度反應(yīng)很敏感,斜槽尺寸很小的偏差,也會使齒槽力產(chǎn)生較大的諧波波動力。因為永磁體難以加工,因此定子斜極比較困難,可以用多塊永磁體連續(xù)位移的措施,也能達(dá)到與動子斜槽同樣的效果。(4)采用分?jǐn)?shù)槽繞組4.3永磁直線同步伺服電動機(jī)的齒槽定位力及其削弱170在分析紋波力時,做如下假設(shè):(1)動子電流不含偶次諧波。(2)不考慮永磁體和定子的阻尼效應(yīng)。(3)定子的永磁體勵磁磁場對稱分布。為產(chǎn)生恒定的電磁推力要求PMLSM的電動勢和電流均為正弦波。但實際上,定子側(cè)的永磁體勵磁磁場或動子側(cè)繞組的空間分布不可能是完全理想正弦的。所以感應(yīng)電動勢一定會發(fā)生畸變。由逆變器饋入動子的三相電流,盡管經(jīng)過高頻調(diào)制和負(fù)反饋可以幾乎達(dá)到逼近正弦波,但其中還是含有許多高次諧波。4.4永磁直線同步伺服電動機(jī)的紋波力及其削弱171
4.4永磁直線同步伺服電動機(jī)的紋波力及其削弱172
4.4永磁直線同步伺服電動機(jī)的紋波力及其削弱173
4.4永磁直線同步伺服電動機(jī)的紋波力及其削弱174式中,4.4永磁直線同步伺服電動機(jī)的紋波力及其削弱175寫成矩陣形式:上述分析表明次數(shù)相同的感應(yīng)電動勢和動子電流諧波作用后,產(chǎn)生一個平均力,不同次數(shù)的感應(yīng)電動勢和動子電流諧波相互作用,將產(chǎn)生脈動頻率為基波頻率6倍的紋波力,如F6、F12、F18、F24…等各種紋波力。各紋波力的幅值與感應(yīng)電動勢和動子電流波形的畸變程度有關(guān)。4.4永磁直線同步伺服電動機(jī)的紋波力及其削弱176
4.4永磁直線同步伺服電動機(jī)的紋波力及其削弱
圖4-9紋波推力177
4.4永磁直線同步伺服電動機(jī)的紋波力及其削弱178對面裝式直線電動機(jī),可以通過永磁體的形狀和極弧寬度或其它有效措施,使永磁體的勵磁磁場盡量接近正弦形,但對于嵌入式和內(nèi)埋式PMLSM,很難使勵磁磁場獲得正弦分布,這要求在直線電動機(jī)設(shè)計方面繼續(xù)研究方法。另一方面,就是要利用控制技術(shù)想方設(shè)法使通入動子的電流實現(xiàn)對稱三相電流正弦化,光滑化,盡量采用開關(guān)頻率高的大功率逆變器,高頻率調(diào)制的PWM,以使殘余的高頻諧波而被電磁、機(jī)械慣性所濾除。由上述說明知,無論是直線電動機(jī)的端部效應(yīng),引起的推力波動;還是齒槽效應(yīng),電流和永久勵磁的非正弦性所引起的推力波動,都十分不利于PMLSM伺服系統(tǒng)在高精度、高響應(yīng)中的伺服應(yīng)用,除了要在電動機(jī)的設(shè)計、制造中要考慮這些削弱推力的不確定性因素外,作為應(yīng)用者,還要在控制方法技術(shù)上發(fā)揮專業(yè)優(yōu)勢盡量消除或削弱這些不良因素對實際應(yīng)用的影響。4.4永磁直線同步伺服電動機(jī)的紋波力及其削弱179首先,進(jìn)給伺服驅(qū)動的PMLSM生產(chǎn)成本高,長行程情況下,所用稀土材料多,價格高,成本提高;其次,PMLSM等直線電動機(jī)的配套技術(shù)發(fā)展不完善。直線電動機(jī)只能以整臺位移裝置形式出現(xiàn),不像旋轉(zhuǎn)電動機(jī)那樣僅以單體電動機(jī)形式出現(xiàn)。多年的單體電動機(jī)使用習(xí)慣,使旋轉(zhuǎn)電動機(jī)在轉(zhuǎn)動過程中找到了適合于自身的安裝位置,特別是傳感器裝在電動機(jī)的軸頭上。直線電動機(jī)雖是“零傳動”了,中間環(huán)節(jié)是省掉了,但它需要對所用的機(jī)床重新布置,要為直線電動機(jī)找到合適的位置,就得對機(jī)床布局重新設(shè)計,對現(xiàn)有機(jī)床做較大改動。4.5直線電機(jī)在機(jī)床上應(yīng)用發(fā)展緩慢的原因分析180當(dāng)前就幾個亟待解決的問題進(jìn)行說明。(1)發(fā)熱問題直線電機(jī)的初(次)級在電磁能量的轉(zhuǎn)換過程中,必定要產(chǎn)生熱量,驅(qū)動力越大,所產(chǎn)生的熱量也越大。由于直線電動機(jī)位于機(jī)床的“腹部”,散熱條件差,溫升容易增高,可能使機(jī)床變形,嚴(yán)重時將損壞機(jī)床的加工精度。而以往采用的旋轉(zhuǎn)電動機(jī),電動機(jī)都是安裝在機(jī)床的端部,不存在發(fā)熱影響問題。若用直線電動機(jī)作進(jìn)給用,必須解決它的散熱問題。(2)隔磁及其防護(hù)問題由于旋轉(zhuǎn)電動機(jī)的磁場是封閉的,而直線電動機(jī)卻相反,它的磁場是敞開的,而它處于工作臺附近,工具、工件與切屑等磁性物質(zhì)都很容易被磁場吸住,這就使機(jī)床不能正常工作,因此必須設(shè)法解決隔磁及防護(hù)問題。4.5直線電機(jī)在機(jī)床上應(yīng)用發(fā)展緩慢的原因分析181(3)負(fù)載干擾問題直線電動機(jī)的控制只能采用全閉環(huán)控制,對一個穩(wěn)定系統(tǒng)來說,其工作臺負(fù)載(工件重量、切削力等)的變化就是外界于擾,這些干擾沒有經(jīng)過任何緩沖或削弱就直接作用到直線伺服電動機(jī)的動子上,若自動調(diào)節(jié)不好,就會引起系統(tǒng)性能下降,甚至產(chǎn)生振蕩失穩(wěn)。因此,對整個直線進(jìn)給系統(tǒng)而言,除了要求直線電動機(jī)具有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力(可增大電動機(jī)容量)而外,必須同時具備速度、位置檢測負(fù)反饋和信息的快速傳輸、校正和響應(yīng)能力。另外,也需盡量減小導(dǎo)軌間的摩擦、阻尼,這些都給直線電動機(jī)的控制帶來新問題。4.5直線電機(jī)在機(jī)床上應(yīng)用發(fā)展緩慢的原因分析182(4)垂直進(jìn)給中自重問題當(dāng)直線電機(jī)應(yīng)用于垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)時,由于存在有拖板等自重物件,因此必須解決好直線電動機(jī)斷電時的自鎖問題和通電時重力加速度對其造成的影響問題。為此,除了增加合適的平衡配重塊以及采取斷電機(jī)械自鎖裝置外,還必須同時在電動機(jī)驅(qū)動模塊和伺服控制電路上采取相應(yīng)措施,以確保安全。當(dāng)以上這些問題解決了以后,直線電動機(jī)便會充分發(fā)揚它的長處,在數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服驅(qū)動中大展優(yōu)勢而與旋轉(zhuǎn)電動機(jī)一爭高下。它雖然在機(jī)床中應(yīng)用目前受限,但在其它直線運動領(lǐng)域?qū)⒂懈鼜V泛的應(yīng)用是不言而喻的。4.5直線電機(jī)在機(jī)床上應(yīng)用發(fā)展緩慢的原因分析183(1)直線電機(jī)有哪些應(yīng)用,請舉例?(2)永磁直線同步伺服電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理是怎樣的?(3)永磁直線同步伺服電動機(jī)的直接驅(qū)動有哪些優(yōu)點?(4)削弱和消除齒槽效應(yīng)力的措施有哪些?(5)直線電機(jī)在機(jī)床上有哪些亟待解決的問題?復(fù)習(xí)題及思考題184第5章交流伺服系統(tǒng)常用傳感器內(nèi)容提要5.1概述5.2光電編碼器5.3旋轉(zhuǎn)變壓器5.4光柵5.5壓阻式加速度傳感器5.6電流傳感器交流伺服系統(tǒng)常用傳感器1865.1概述交流伺服系統(tǒng)常用的傳感器有系統(tǒng)位置、速度傳感器和磁極位置傳感
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