第5章伺服控制系統(tǒng)

第5章伺服控制系統(tǒng)

5.1概述

5.2執(zhí)行元件

5.3電力電子變流技術(shù)和PWM型變頻電路

5.4伺服系統(tǒng)設(shè)計

5.1概述5.1.1伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成機電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、類型繁多，但從自動控制理淪的角度來分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器、被控對象、執(zhí)行環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)五部分。

1.比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號的環(huán)節(jié)，通常由專門的電路或計算機來實現(xiàn)。

2.控制器控制器通常是計算機或PID控制電路，主要任務(wù)是對比較元件輸出的偏差信號進行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動作。

下一頁返回5.1概述3.執(zhí)行元件執(zhí)行元件的作用是按控制信號的要求，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)化成機械能，驅(qū)動被控對象工作。機電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機或液壓、氣動伺服機構(gòu)等。4.被控對象被控對象是指被控制的機構(gòu)或裝置，是直接完成系統(tǒng)目的的主體。一般包括傳動系統(tǒng)、執(zhí)行裝置和負載。5.檢測環(huán)節(jié)檢測環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M行測量，并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置。檢測部件一般包括傳感器和轉(zhuǎn)換電路。下一頁上一頁返回5.1概述5.1.2伺服系統(tǒng)類型伺服系統(tǒng)類型很多，這里從不同的角度列舉以下幾種。從系統(tǒng)組成元件的性質(zhì)來看，有電氣伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)和電氣液壓伺服系統(tǒng)、電氣氣動伺服系統(tǒng)等;從系統(tǒng)輸出量的物理性質(zhì)來看，有速度或加速度伺服系統(tǒng)和位置伺服系統(tǒng)等;從系統(tǒng)中所包含的元件特性和信號作用特點來看，有模擬式伺服系統(tǒng)和數(shù)字式伺服系統(tǒng);從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點來看，有單回路伺服系統(tǒng)、多回路伺服系統(tǒng)和開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)。

下一頁上一頁返回5.1概述盡管伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型很多，但它與一般的反饋控制系統(tǒng)一樣，也是由控制器、被控對象、反饋測量裝置等部分組成?？刂破魇前搭A(yù)定的控制規(guī)律調(diào)節(jié)能量的輸入，以使系統(tǒng)產(chǎn)生所希望的輸出。被控對象一般指機器的運動部分，如工業(yè)機器人的手臂、數(shù)控機床的工作臺以及自動導(dǎo)引車的驅(qū)動輪等。通常，被控對象還包括功率放大器、執(zhí)行機構(gòu)、減速器以及內(nèi)反饋回路等。圖5一1所示為數(shù)控機床工作臺伺服系統(tǒng)的工作原理圖。下一頁上一頁返回5.1概述5.1.3伺服系統(tǒng)的基本要求

1.系統(tǒng)精度伺服系統(tǒng)精度指的是輸出量復(fù)現(xiàn)輸入信號要求的精確程度，以誤差的形式表現(xiàn)，即動態(tài)誤差、穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差。穩(wěn)定的伺服系統(tǒng)對輸入變化是以一種振蕩衰減的形式反映出來，振蕩的幅度和過程產(chǎn)生了系統(tǒng)的動態(tài)誤差;當系統(tǒng)振蕩衰減到一定程度以后，我們稱其為穩(wěn)態(tài)，此時的系統(tǒng)誤差就是穩(wěn)態(tài)誤差;由設(shè)備自身零件精度和裝配精度所決定的誤差通常指靜態(tài)誤差。下一頁上一頁返回5.1概述

2.穩(wěn)定性伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指當作用在系統(tǒng)上的干擾消失以后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來穩(wěn)定狀態(tài)的能力;或者當給系統(tǒng)一個新的輸入指令后，系統(tǒng)達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。如果系統(tǒng)能夠進入穩(wěn)定狀態(tài)，且過程時間短，則系統(tǒng)穩(wěn)定性好;否則，若系統(tǒng)振蕩越來越強烈，或系統(tǒng)進入等幅振蕩狀態(tài)，則屬于不穩(wěn)定系統(tǒng)。機電一體化伺服系統(tǒng)通常要求較高的穩(wěn)定性。下一頁上一頁返回5.1概述

3.響應(yīng)特性響應(yīng)特性指的是輸出量跟隨輸入指令變化的反應(yīng)速度，決定了系統(tǒng)的工作效率。響應(yīng)速度與許多因素有關(guān)，如計算機的運行速度、運動系統(tǒng)的阻尼、質(zhì)量等。

4.工作頻率工作頻率通常是指系統(tǒng)允許輸入信號的頻率范圍。當工作頻率信號輸入時，系統(tǒng)能夠按技術(shù)要求正常工作;而其他頻率信號輸入時，系統(tǒng)不能正常工作。在機電一體化系統(tǒng)中，工作頻率一般指的是執(zhí)行機構(gòu)的運行速度。上一頁返回5.2執(zhí)行元件5.2.1執(zhí)行元件的類型及其特點

(1)電氣式執(zhí)行元件是將電能轉(zhuǎn)化成電磁力，并用電磁力驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動。如交流電動機、直流電動機、力矩電動機、步進電動機等?？刂齐妱訖C性能除要求穩(wěn)速運轉(zhuǎn)之外，還要求加速、減速性能和伺服性能，以及頻繁使用時的適應(yīng)性和便于維護性。電氣執(zhí)行元件的特點是操作簡便、便于控制、能實現(xiàn)定位伺服、響應(yīng)快、體積小、動力較大和無污染等，但過載能力差、易于燒毀線圈、容易受噪聲干擾。

下一頁返回5.2執(zhí)行元件(2)液壓式執(zhí)行元件是先將電能變化成液體壓力，并用電磁閥控制壓力油的流向，從而使液壓執(zhí)行元件驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動。液壓式執(zhí)行元件有直線式油缸、回轉(zhuǎn)式油缸、液壓電動機等。液壓執(zhí)行元件的特點是輸出功率大、速度快、動作平穩(wěn)、可實現(xiàn)定位伺服、響應(yīng)特性好和過載能力強，但體積龐大、介質(zhì)要求高、易泄漏和環(huán)境污染。

(3)氣壓式執(zhí)行元件與液壓式執(zhí)行元件的原理相同，只是介質(zhì)由液體改為氣體。氣壓式執(zhí)行元件的特點是介質(zhì)來源方便、成本低、速度快、無環(huán)境污染，但功率較小、動作不平穩(wěn)、有噪聲、難于伺服。下一頁上一頁返回5.2執(zhí)行元件5.2.2伺服電動機及其控制5.2.2.1直流伺服電動機

1.直流伺服電動機的分類直流伺服電動機按勵磁方式可分為電磁式和永磁式兩種。電磁式的磁場由勵磁繞組產(chǎn)生;永磁式的磁場由永磁體產(chǎn)生。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)。永磁式伺服電動機具有體積小、轉(zhuǎn)矩大、力矩和電流成正比、伺服性能好、響應(yīng)快、功率體積比大、功率質(zhì)量比大、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。由于功率的限制，目前主要應(yīng)用在辦公自動化、家用電器、儀器儀表等領(lǐng)域。下一頁上一頁返回5.2執(zhí)行元件

2.直流伺服電動機的基本結(jié)構(gòu)及工作原理直流伺服電動機主要由磁極、電樞、電刷及換向片結(jié)構(gòu)組成(如圖5-2所示)。其中磁極在工作中固定不動，故又稱定子。定子磁極用于產(chǎn)生磁場。在永磁式直流伺服電動機中，磁極采用永磁材料制成，充磁后即可產(chǎn)生恒定磁場。在他勵式直流伺服電動機中，磁極由沖壓硅鋼片疊成，外繞線圈，靠外加勵磁電流才能產(chǎn)生磁場。電樞是直流伺服電動機中的轉(zhuǎn)動部分，故又稱轉(zhuǎn)子，它由硅鋼片疊成，表面嵌有線圈，通過電刷和換向片與外加電樞電源相連。下一頁上一頁返回5.2執(zhí)行元件直流伺服電動機是在定子磁場的作用下，使通有直流電的電樞(轉(zhuǎn)子)受到電磁轉(zhuǎn)矩的驅(qū)使，帶動負載旋轉(zhuǎn)。通過控制電樞繞組中電流的方向和大小，就可以控制直流伺服電動機的旋轉(zhuǎn)方向和速度。當電樞繞組中電流為零時，伺服電動機則靜止不動。直流伺服電動機的控制方式主要有兩種:一種是電樞電壓控制，即在定子磁場不變的情況下，通過控制施加在電樞繞組兩端的電壓信號來控制電動機的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩;另一種是勵磁磁場控制，即通過改變勵磁電流的大小來改變定子磁場強度，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩。下一頁上一頁返回5.2執(zhí)行元件

3.直流伺服電動機的特性分析直流伺服電動機采用電樞電壓控制時的電樞等效電路如圖5-3所示。當電動機處于穩(wěn)態(tài)運行時，回路中的電流Ia保持不變，則電樞回路中的電壓平衡方程式為下一頁上一頁返回5.2執(zhí)行元件轉(zhuǎn)子在磁場中以角速度ω切割磁力線時，電樞反電動勢Ea與角速度ω之間存在如下關(guān)系:由式(5一1)、式(5-2)得下一頁上一頁返回5.2執(zhí)行元件此外，電樞電流切割磁場磁力線所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩Tm可由下式表達將式(5-4)代入式(5-3)并整理，可得到直流伺服電動機運行特性的一般表達式下一頁上一頁返回5.2執(zhí)行元件由此可以得出直流伺服電動機的機械特性表達式(5-6)和直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性表達式(5一7)。下一頁上一頁返回5.2執(zhí)行元件根據(jù)式(5-6)和式(5-7)，給定不同的Ua值和Tm值，可分別繪出直流伺服電動機的機械特性曲線和調(diào)節(jié)特性曲線，如圖5-4所示。5.2.2.2交流伺服電動機

1.基本工作原理交流伺服電動機以單相異步電動機原理為基礎(chǔ)，從圖5一5可以看出，勵磁繞組WF接到電壓為Uf的交流電網(wǎng)上，控制繞組接到控制電壓Uc上，當有控制信號輸入時，兩相繞組便產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。該磁場與轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子跟著旋轉(zhuǎn)磁場以一定的轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)動起來，其旋轉(zhuǎn)速度n為下一頁上一頁返回5.2執(zhí)行元件

2.消除自轉(zhuǎn)現(xiàn)象的措施從三相異步電動機的特性可知，轉(zhuǎn)子電阻值對電動機的機械特性有較大的影響，如圖5-6所示。當轉(zhuǎn)子阻值增大到一定程度，例如圖中r23時，最大轉(zhuǎn)矩可出現(xiàn)在s=1附近。為此目的，把伺服電動機的轉(zhuǎn)子電阻r2設(shè)計得很大，使電動機在失去控制信號單相運行時，正轉(zhuǎn)矩或負轉(zhuǎn)矩的最大值均出現(xiàn)在sm>1的地方，這樣可得出如圖5-7所示的機械特性曲線。下一頁上一頁返回5.2執(zhí)行元件

3.控制特性兩相交流伺服電動機的控制方法有三種:①幅值控制;②相位控制;③幅值相位控制。機電一體化系統(tǒng)中應(yīng)用幅值控制的較多，下面只討淪幅值控制法。

圖5-8所示為幅值控制的一種接線圖，從圖中看出，兩相繞組接于同一單相電源，適當選擇電容C，使Uf與Uc相角相差90°，改變電阻R的大小，即改變控制電壓Uc的大小，可以得到圖5-9所示的不同控制電壓下的機械特性曲線簇。由圖可見，在一定負載轉(zhuǎn)矩下，控制電壓越高，轉(zhuǎn)差率越小，電動機的轉(zhuǎn)速就越高，不同的控制電壓對應(yīng)著不同的轉(zhuǎn)速。這種維持Uf與Uc相位差為90°，利用改變控制電壓幅值大小來改變轉(zhuǎn)速的方法，稱為幅值控制方法。電動機轉(zhuǎn)向的改變是利用改變Uc的極性來實現(xiàn)的。下一頁上一頁返回5.2執(zhí)行元件4.交流電動機變頻調(diào)速的控制方案

(1)開環(huán)控制開環(huán)控制的通用變頻器三相異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)控制框圖如圖5-10所示。

2)無速度傳感器的矢量控制無速度傳感器的矢量控制變頻器異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)控制框圖如圖5一11所示。對比圖5-10圖，兩者的差別僅在使用的變頻器不同。由于使用無速度傳感器矢量控制的變頻器，可以分別對異步電動機的磁通和轉(zhuǎn)矩電流進行檢測、控制，自動改變電壓和頻率，使指令值和檢測實際值達到一致，從而實現(xiàn)了矢量控制。雖說它是開環(huán)控制系統(tǒng)，但是大大提升了靜態(tài)精度和動態(tài)品質(zhì)。轉(zhuǎn)速精度約等于0.5%，轉(zhuǎn)速響應(yīng)也較快。下一頁上一頁返回5.2執(zhí)行元件

3)帶速度傳感器矢量控制帶速度傳感器矢量控制變頻器的異步電動機閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)控制框圖如圖5一12所示。矢量控制異步電動機閉環(huán)變頻調(diào)速是一種理想的控制方式。它可以從零轉(zhuǎn)速起進行速度控制，即使低速亦能運行，因此調(diào)速范圍很寬廣，可達100:1或1000:1;可以對轉(zhuǎn)矩實行精確控制;系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度甚快;電動機的加速度特性很好等優(yōu)點。然而，帶速度傳感器矢量控制變頻器的異步電機閉環(huán)變頻調(diào)速技術(shù)性能雖好，但是畢竟它需要在異步電動機軸上安裝速度傳感器，嚴格地講，已經(jīng)降低了異步電動機結(jié)構(gòu)堅固、可靠性高的特點。在某些情況下，由于電動機本身或環(huán)境的因素無法安裝速度傳感器。多了反饋電路和環(huán)節(jié)，也增加了出故障的幾率。下一頁上一頁返回5.2執(zhí)行元件

4)永磁同步電動機開環(huán)控制永磁同步電動機開環(huán)控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)控制框圖如圖5-13所示。5.2.3步進電動機

1.步進電動機的結(jié)構(gòu)與工作原理步進電動機按其工作原理分，主要有磁電式和反應(yīng)式兩大類，這里只介紹常用的反應(yīng)式步進電動機的工作原理。三相反應(yīng)式步進電動機的工作原理如圖5-14所示。下一頁上一頁返回5.2執(zhí)行元件

2.步進電動機的通電方式如果步進電動機繞組的每一次通斷電操作稱為一拍，每拍中只有一相繞組通電，其余斷電，這種通電方式稱為單相通電方式。三相步進電動機的單相通電方式稱為三相單三拍通電方式。如:A→B→C→A→…

如果步進電動機通電循環(huán)的每拍中都有兩相繞組通電，這種通電方式稱為雙相通電方式。三相步進電動機采用雙相通電方式時(如:AB→BC→CA→AB→…,稱為三相雙三拍通電方式。如果步進電動機通電循環(huán)的各拍中交替出現(xiàn)單、雙相通電狀態(tài)，這種通電方式稱為單雙相輪流通電方式。三相步進電動機采用單雙相輪流通電方式時，每個通電循環(huán)中共有六拍，因而又稱為三相六拍通電方式，即A→AB→B→BC→C→CA→A→…..下一頁上一頁返回5.2執(zhí)行元件一般情況下,m相步進電動機可采用單相通電、雙相通電或單雙相輪流通電方式工作，對應(yīng)的通電方式可分別稱為m相單m拍、m相雙m拍或m相2m拍通電方式。由于采用單相通電方式工作時，步進電動機的矩頻特性(輸出轉(zhuǎn)矩與輸入脈沖頻率的關(guān)系)較差，在通電換相過程中，轉(zhuǎn)子狀態(tài)不穩(wěn)定，容易失步，因而實際應(yīng)用中較少采用。下一頁上一頁返回5.2執(zhí)行元件

3.步進電動機的使用特性

(1)步距誤差。步距誤差直接影響執(zhí)行部件的定位精度。步進電動機單相通電時，步距誤差取決于定子和轉(zhuǎn)子的分齒精度和各相定子的錯位角度的精度。

(2)最大靜轉(zhuǎn)矩。最大靜轉(zhuǎn)矩是指步進電動機在某相始終通電而處于靜止不動狀態(tài)時，所能承受的最大外加轉(zhuǎn)矩，亦即所能輸出的最大電磁轉(zhuǎn)矩，它反映了步進電動機的制動能力和低速步進運行時的負載能力。

(3)啟動頻率特性。空載時步進電動機由靜止突然啟動，并不失步地進入穩(wěn)速運行所允許的最高頻率稱為最高啟動頻率。啟動頻率與負載轉(zhuǎn)矩有關(guān)。負載轉(zhuǎn)矩越大，所允許的最大啟動頻率越小。選用步進電動機時應(yīng)使實際應(yīng)用的啟動頻率與負載轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的啟動工作點位于該曲線之下，才能保證步進電動機不失步地正常啟動。當伺服系統(tǒng)要求步進電動機的運行頻率高于最大允許啟動頻率時，可先按較低的頻率啟動，然后按一定規(guī)律逐漸加速到運行頻率。下一頁上一頁返回5.2執(zhí)行元件

(4)運行矩頻特性。步進電動機連續(xù)運行時所能接受的最高頻率稱為最高工作頻率，它與步距角一起決定執(zhí)行部件的最大運行速度。最高工作頻率決定于負載慣量了，還與定子相數(shù)、通電方式、控制電路的功率驅(qū)動器等因素有關(guān)。其特點是步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩隨運行頻率的增加而減小，即高速時其負載能力變差，這一特性是步進電動機應(yīng)用范圍受到限制的主要原因之一。選用步進電動機時，應(yīng)使實際應(yīng)用的運行頻率與負載轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的運行工作點位于運行矩頻特性之下，才能保證步進電動機不失步地正常運行。

下一頁上一頁返回5.2執(zhí)行元件(5)最大相電壓和最大相電流。最大相電壓和最大相電流分別是指步進電動機每相繞組所允許施加的最大電源電壓和流過的最大電流。實際應(yīng)用的相電壓或相電流如果大于允許值，可能會導(dǎo)致步進電動機繞組被擊穿或因過熱而燒毀，如果比允許值小得太多，步進電動機的性能又不能充分發(fā)揮出來。因而設(shè)計或選擇步進電動機的驅(qū)動電源時，應(yīng)充分考慮這兩個電氣參數(shù)。

4.步進電動機的控制與驅(qū)動步進電動機的電樞通斷電次數(shù)和各相通電順序決定了輸出角位移和運動方向，控制脈沖分配頻率可實現(xiàn)步進電動機的速度控制。因此，步進電機控制系統(tǒng)一般采用開環(huán)控制方式。圖5-15為開環(huán)步進電動機控制系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)主要由環(huán)形分配器、功率驅(qū)動器、步進電動機等組成。下一頁上一頁返回5.2執(zhí)行元件

(1)環(huán)形分配。步進電動機在個脈沖的作用下，轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)的步距角，因而只要控制一定的脈沖數(shù)，即可精確控制步進電動機轉(zhuǎn)過的相應(yīng)的角度。但步進電動機的各繞組必須按一定的順序通電才能正確工作，這種使電動機繞組的通斷電順序按輸入脈沖的控制而循環(huán)變化的過程稱為環(huán)形脈沖分配。實現(xiàn)環(huán)形分配的方法有兩種。一種是計算機軟件分配，采用查表或計算的方法使計算機的三個輸出引腳依次輸出滿足速度和方向要求的環(huán)形分配脈沖信號。這種方法能充分利用計算機軟件資源，減少硬件成本，尤其是多相電動機的脈沖分配更顯示出它的優(yōu)點。但由于軟件運行會占用計算機的運行時間，因而會使插補運算的總時間增加，從而影響步進電動機的運行速度。下一頁上一頁返回5.2執(zhí)行元件

(2)功率驅(qū)動。要使步進電動機能輸出足夠的轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動負載工作，必須為步進電動機提供足夠功率的控制信號，實現(xiàn)這一功能的電路稱為步進電動機驅(qū)動電路。驅(qū)動電路實際上是一個功率開關(guān)電路，其功能是將環(huán)形分配器的輸出信號進行功率放大，得到步進電動機控制繞組所需要的脈沖電流及所需要的脈沖波形。步進電動機的工作特性在很大程度上取決于功率驅(qū)動器的性能，對每一相繞組來說，理想的功率驅(qū)動器應(yīng)使通過繞組的電流脈沖盡量接近矩形波。但由于步進電動機繞組有很大的電感，要做到這一點是有困難的。上一頁返回5.3電力電子變流技術(shù)和

PWM型變頻電路5.3.1開關(guān)器件特性傳統(tǒng)的開關(guān)器件包括晶閘管(SCR)、電力晶體管(GTR)，可關(guān)斷晶閘管(GTO)、電力場效應(yīng)晶體管(MOSFET)等。近年來，隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)和變流技術(shù)的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)、場控晶閘管(MCT)等新型電力電子器件。電力電子器件的性能要求是大容量、高頻率、易驅(qū)動和低損耗。因此，評價器件品質(zhì)因素的主要標準是容量、開關(guān)速度、驅(qū)動功率、通態(tài)壓降、芯片利用率。下一頁返回5.3電力電子變流技術(shù)和

PWM型變頻電路5.3.2變流技術(shù)

1.整流器整流過程是將交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號的過程，一般可通過二極管或開關(guān)器件組成的橋式電路來實現(xiàn)。如圖5-20所示單相交流信號可控硅橋式整流電路。

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PWM型變頻電路2.斬波器直流伺服電動機的調(diào)速控制是通過改變勵磁電壓來實現(xiàn)的，因此把固定的直流電壓變成可調(diào)的直流電壓是直流伺服調(diào)速電路中不可缺少的組成部分。直流調(diào)壓包括電位器調(diào)壓和斬波器調(diào)壓等辦法。電位器調(diào)壓法是通過調(diào)節(jié)與負載串聯(lián)的電位器來改變負載壓降，因此只適合小功率電器;斬波器調(diào)壓的基本原理是通過晶閘管或自關(guān)斷器件的控制，將直流電壓斷續(xù)加到負載(電動機)上，利用調(diào)節(jié)通、斷的時間變化來改變負載電壓平均值。斬波器調(diào)壓控制直流伺服電動機速度的方法又稱為脈寬調(diào)制(PulseWidthModulation)直流調(diào)速。如圖5一21所示為脈寬調(diào)速原理示意圖。下一頁上一頁返回5.3電力電子變流技術(shù)和

PWM型變頻電路

3.逆變器將直流電變換成交流電的電路稱為逆變器。當蓄電池和太陽能電池等直流電源需要向交流負載供電時，就需要通過逆變電路將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。逆變過程還往往應(yīng)用在變頻電路中，變頻就是將固定頻率的交流電變成另一種固定或可變頻率的交流電。變頻的方法通常有兩種，一種是將交流整流成直流，再將直流逆變成負載所需要的交流(交直交);另一種是直接將交流變換成負載所需要的交流(交交)。前一種直流變交流的過程就應(yīng)用了逆變的方法。下一頁上一頁返回5.3電力電子變流技術(shù)和

PWM型變頻電路5.3.3變頻技術(shù)

1.變頻器前面學(xué)習(xí)了整流和逆變的過程，如果將可控整流電路和一個逆變電路結(jié)合到一起就組成了變頻電路。圖5-24所示即為交直交變頻電路結(jié)構(gòu)圖。該變頻器中的逆變電路通常采用PWM(PulseWidthModulation)逆變方式。PWM型變頻器就是對逆變電路開關(guān)器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。圖5一24中的可控整流電路在這里由不可控整流電路代替，逆變電路常采用自關(guān)斷器件。這種PWM逆變電路主要具有以下特點:

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PWM型變頻電路(1)可以得到相當接近正弦波的輸出電壓。

(2)整流電路采用二極管，可獲得接近1的功率因數(shù)。

(3)只用一級可控的功率環(huán)節(jié)，電路結(jié)構(gòu)較簡單。

(4)通過對輸出脈沖寬度的控制就可改變輸出電壓，大大加快了變頻器的動態(tài)響應(yīng)。下一頁上一頁返回5.3電力電子變流技術(shù)和

PWM型變頻電路

2.SPWM型變頻器的主電路

SPWM型變頻器所需提供的直流電源，除功率很小的逆變器可以用電池外，絕大多數(shù)都要從市電電源整流后得到，整流器和逆變器構(gòu)成變頻器。整流器一般采用不可控的二極管整流電路。小功率變頻器可以采用單相整流電路，也可以采用三相整流電路，中大功率變頻器一般都采用三相整流電路。交流電力機車所用的變頻器容量很大，但因為輸電線路只能提供單相電源，因此也用單相整流電路。使用單相電源和三相電源的SPWM型變頻器主電路分別如圖5-25和圖5-26所示。下一頁上一頁返回5.3電力電子變流技術(shù)和

PWM型變頻電路3.SPWM波形原理在采樣控制理淪中有一個重要的結(jié)淪:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同，指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。下面來分析一下如何用一系列等幅而不等寬的脈沖代替一個正弦電波。下一頁上一頁返回5.3電力電子變流技術(shù)和

PWM型變頻電路

4.單相SPWM控制原理調(diào)制過程就是把所希望的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。SPWM一般采用三角波載波信號和正弦波調(diào)制信號疊加形成。通常采用等腰三角波作為載波，因為等腰三角波上下寬度與高度成線性關(guān)系且左右對稱，當它與任何一個平緩變化的調(diào)制信號波相交時，如在交點時刻控制電路中開關(guān)器件的通斷，就可以得到寬度正比于信號波幅值的脈沖，這正好符合PWM控制的要求。上一頁返回5.4伺服系統(tǒng)設(shè)計

5.4.1方案設(shè)計

1.系統(tǒng)閉環(huán)與否的確定當系統(tǒng)負載不大，精度要求不高時，可考慮開環(huán)控制;反之，當系統(tǒng)精度要求較高或負載較大時，開環(huán)系統(tǒng)往往滿足不了要求，這時要采用閉環(huán)或半閉環(huán)控制系統(tǒng)。一般情況下，開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性不會有問題，設(shè)計時僅考慮滿足精度方面的要求即可，并通過合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配，使系統(tǒng)具有盡可能好的動態(tài)響應(yīng)特性。

下一頁返回5.4伺服系統(tǒng)設(shè)計2.執(zhí)行元件的選擇選擇執(zhí)行元件時應(yīng)綜合考慮負載能力、調(diào)速范圍、運行精度、可控性、可靠性以及體積、成本等多方面的要求。一般來講，對于開環(huán)系統(tǒng)可考慮采用步進電動機、電液脈沖電動機和伺服閥控制的液壓缸和液壓電動機等，應(yīng)優(yōu)先選用步進電動機。對于中小型的閉環(huán)系統(tǒng)可考慮采用直流伺服電動機、交流伺服電動機，對于負載較大的閉環(huán)伺服系統(tǒng)可考慮選用伺服閥控制的液壓電動機等。下一頁上一頁返回5.4伺服系統(tǒng)設(shè)計

3.傳動機構(gòu)方案的選擇傳動機構(gòu)是執(zhí)行元件與執(zhí)行機構(gòu)之間的一個連接裝置，用來進行運動和力的變換與傳遞。在伺服系統(tǒng)中，執(zhí)行元件以輸出旋轉(zhuǎn)運動和轉(zhuǎn)矩為主，而執(zhí)行機構(gòu)多為直線運動。用于將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動的傳動機構(gòu)主要有齒輪齒條和絲杠螺母等。前者可獲得較大的傳動比和較高的傳動效率，所能傳遞的力也較大，但高精度的齒輪齒條制造困難，且為消除傳動間隙而結(jié)構(gòu)復(fù)雜;后者因結(jié)構(gòu)簡單、制造容易而應(yīng)用廣泛。下一頁上一頁返回5.4伺服系統(tǒng)設(shè)計

4.控制系統(tǒng)方案的選擇控制系統(tǒng)方案的選擇包括微型機、步進電動機控制方式、驅(qū)動電路等的選擇。常用的微型機有單片機、單板機、工業(yè)控制微型機等，其中單片機由于在體積、成本、可靠性和控制指令功能等許多方面的優(yōu)越性，在伺服系統(tǒng)的控制中得到了廣泛的應(yīng)用。下一頁上一頁返回5.4伺服系統(tǒng)設(shè)計5.4.2系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計1.系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量Jdx的計算系統(tǒng)運動部件動能的總和為設(shè)等效到執(zhí)行元件輸出軸上的總動能為下一頁上一頁返回5.4伺服系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)動能不變的原則，有Edx=E，系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量為2.等效負載轉(zhuǎn)矩Td的計算設(shè)上述系統(tǒng)在時間t內(nèi)克服負載所作的功的總和為下一頁上一頁返回5.4伺服系統(tǒng)設(shè)計5.4.2.2執(zhí)行元件功率的匹配

1.系統(tǒng)執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)矩匹配設(shè)機床工作臺的伺服進給運動軸所采用電機的額定轉(zhuǎn)速n(r/min)是所需最大轉(zhuǎn)速，其額定轉(zhuǎn)矩T(N.m)應(yīng)大于所需要的最大轉(zhuǎn)矩，即T應(yīng)大于等效到電動機輸出軸上的負載轉(zhuǎn)矩Td與克服慣性負載所需要的轉(zhuǎn)矩Tg=Jdx

εd

(εd為電動機加減速時的角加速度，rad/s2)之和。即電動機軸上的總負載力矩為考慮機械傳動效率η，則下一頁上一頁返回5.4伺服系統(tǒng)設(shè)計

2.系統(tǒng)執(zhí)行元件(直流、交流伺服電動機)的功率匹配從上述可知，在計算等效負載力矩和等效負載慣量時，需要知道電動機的某些參數(shù)。在選擇電動機時，常先進行預(yù)選，然后再進行必要的驗算。預(yù)選電動機的估算功率P可由下式確定下一頁上一頁返回5.4伺服系統(tǒng)設(shè)計5.4.2.3減速器傳動比的計算及分配減速器傳動比i應(yīng)滿足驅(qū)動部件與負載之間的位移、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。不但要求傳動構(gòu)件要有足夠的強度，還要求其轉(zhuǎn)動慣量盡量小，以便在獲得同一加速度時所需轉(zhuǎn)矩小，即在同一驅(qū)動功率時，其加速度響應(yīng)為最大。以步進電動機為例，其傳動比可按下式計算:下一頁上一頁返回5.4伺服系統(tǒng)設(shè)計如計算出的i值較小，可采用同步齒形帶或一級齒輪傳動，否則應(yīng)采用多級齒輪傳動。選擇齒輪傳動級數(shù)時，一方面應(yīng)使齒輪總轉(zhuǎn)動慣量JP與電動機軸上主動齒輪的轉(zhuǎn)動慣量J1的比值較小;另一方面還要避免因級數(shù)過多而使結(jié)構(gòu)復(fù)雜。下一頁上一頁返回5.4伺服系統(tǒng)設(shè)計5.4.2.4信號檢測、轉(zhuǎn)換及放大和電源等裝置的選擇與設(shè)計執(zhí)行元件與傳動系統(tǒng)確定之后，要考慮信號檢測、轉(zhuǎn)換和放大裝置以及校正補償裝置的選擇與設(shè)計的問題，同時還要考慮相鄰環(huán)節(jié)的連接、信號的有效傳遞、輸入與輸出的阻抗匹配等，以保證各個環(huán)節(jié)在各種條件下協(xié)調(diào)工作，系統(tǒng)整體上達到設(shè)計指標。下一頁上一頁返回5.4伺服系統(tǒng)設(shè)計5.4.3伺服系統(tǒng)動態(tài)設(shè)計5.4.3.1對數(shù)頻率特性曲線(Bode圖)的繪制

Bode圖包括對數(shù)幅頻特性曲線和對數(shù)相頻特性曲線，兩者的橫坐標即頻率ω坐標是按頻率ω的對數(shù)(以10為底)進行分度的，所以對頻率ω來講，橫坐標是不均勻的。在橫坐標上，角頻率變化倍數(shù)常用頻程表示。所謂頻程是指高頻與低頻頻率比的對數(shù)，因為lg10=1，因此角頻率變化10倍，在橫坐標上的距離相差1個單位，即橫坐標上的每等分格叫做一個10倍頻程，以dec(decade)表示。下一頁上一頁返回5.4伺服系統(tǒng)設(shè)計繪制控制系統(tǒng)開環(huán)頻率特性Bode圖的一般步驟如下:(1)由系統(tǒng)的傳遞函數(shù)寫出頻率特性G(jω)(2)將G(j

ω)轉(zhuǎn)化成若干典型環(huán)節(jié)相乘的數(shù)學(xué)表達式。(3)確定各典型環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率。(4)繪出各典型環(huán)節(jié)幅頻特性的漸近線，并進行修正，得出精確曲線。(5)將各環(huán)節(jié)的對數(shù)幅頻特性疊加，得到系統(tǒng)的對數(shù)幅頻特性。(6)作各環(huán)節(jié)的相頻特性，然后疊加便得到系統(tǒng)的相頻特性。下一頁上一頁返回5.4伺服系統(tǒng)設(shè)計例題:已知某一單回路即只有主反饋回路沒有局部反饋回路的最小相位系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)為請繪制其開環(huán)Bode圖。解:(1)將傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)化為典型環(huán)節(jié)頻率特性相乘的表達式下一頁上一頁返回5.4伺服系統(tǒng)設(shè)計(2)上式由以下典型環(huán)節(jié)組成，且轉(zhuǎn)折頻率為比例環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)兩個慣性環(huán)節(jié)下一頁上一頁返回5.4伺服系統(tǒng)設(shè)計(3)選定Bode圖各坐標軸的比例尺及頻率范圍。(4)第一個轉(zhuǎn)折頻率前對數(shù)幅頻特性曲線的繪制。(5)從第一個轉(zhuǎn)折頻率點起，把與該頻率相對應(yīng)環(huán)節(jié)的高頻漸近線的斜率加到前面所得到的漸近線的斜率中去，可得到又一段漸近線。把這段漸近線延長至第二個轉(zhuǎn)折頻率處，得到又一個起點。不斷重復(fù)上述過程，就可繪出系統(tǒng)的開環(huán)Bode圖。(6)在已畫好的對數(shù)漸近幅頻特性基礎(chǔ)上進行適當修正，便可畫出系統(tǒng)精確的對數(shù)幅頻特性曲線。

(7)