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1、24828B第1章伺服系统概述1.1伺服系统的基本概念1.2伺服系统的发展过程1.3沟通伺服系统的构成1.4沟通伺服系统的分类1.5沟通伺服系统的常用性能指标1.6伺服系统的发展趋势24828B1.1伺服系统的基本概念1.1.1伺服系统的定义1.1.2伺服系统的组成1.1.3伺服系统性能的基本要求1.1.4伺服系统的种类24828B1.1.1伺服系统的定义“伺服系统”是指执行机构依据限制信号的要求而动作，即限制信号到来之前，被控对象是静止不动的；接收到限制信号后，被控对象则按要求动作；限制信号消逝之后，被控对象应自行停止。24828B1.1.2伺服系统的组成伺服系统是具有反馈的闭环自动限制系统
2、。它由检测部分、误差放大部分、执行部分及被控对象组成。24828B1.1.3伺服系统性能的基本要求1)精度高。2)稳定性好。3)快速响应。4)调速范围宽。5)低速大转矩。6)能够频繁地起动、制动以及正反转切换。24828B1.1.4伺服系统的种类伺服系统依据伺服驱动机的不同可分为电气式、液压式和气动式三种；依据功能的不同可分为计量伺服和功率伺服系统，模拟伺服和功率伺服系统，位置伺服、速度伺服和加速度伺服系统等。电气伺服系统依据电气信号可分为直流伺服系统和沟通伺服系统两大类。沟通伺服系统又有感应电机伺服系统和永磁同步电机伺服系统两种。24828B1.2伺服系统的发展过程伺服系统的发展阅历了由液压
3、到电气的过程，电气伺服系统的发展则与伺服电机的不同发展阶段具有紧密的联系，伺服电机至今已有50多年的发展历史，阅历了三个主要发展阶段。24828B1.3沟通伺服系统的构成1.3.1沟通伺服电机1.3.2功率变换器1.3.3传感器1.3.4限制器24828B1.3沟通伺服系统的构成图1-1沟通伺服系统24828B1.3.1沟通伺服电机1.同步型沟通伺服电机(无刷直流伺服电机)2.感应型沟通伺服电机3.两种沟通伺服电机的比较24828B1.同步型沟通伺服电机(无刷直流伺服电机)沟通伺服电机中最为普及的是同步型沟通伺服电机，其励磁磁场由转子上的永磁体产生，通过限制三相电枢电流，使其合成电流矢量与励磁
4、磁场正交而产生转矩。由于只需限制电枢电流就可以限制转矩，因此比感应型沟通伺服电机限制简洁。而且利用永磁体产生励磁磁场，特殊是数千瓦的小容量同步型沟通伺服电机比感应型效率更高。24828B2.感应型沟通伺服电机近年来，随着电力电子技术、微处理器技术与磁场定向限制技术的快速发展，使感应电机可以达到与他励式直流电机相同的转矩限制特性，再加上感应电机本身价格低廉、结构坚实及维护简洁，因此感应电机渐渐在高精密速度及位置限制系统中得到越来越广泛的应用。24828B3.两种沟通伺服电机的比较(1)同步型沟通伺服电机(2)感应型沟通伺服电机24828B(1)同步型沟通伺服电机1)正弦波电流限制稍困难，转矩波动
5、小。2)方波电流限制较为简洁，转矩波动较大。3)接受稀土永磁体励磁，功率密度高。4)电子换相，不需维护，散热好，惯量小，峰值转矩大。5)弱磁限制难，不适合恒功率运行。6)要留意高温及大电流可能引起的永磁体去磁。24828B(2)感应型沟通伺服电机1)接受磁场定向限制，转矩限制原理类似直流伺服。2)须要无功的励磁电流，损耗稍大。3)设计上要减小漏感及磁路饱和的影响。4)利用弱磁限制，适合高速及恒功率运行。5)结构简洁、坚实，适合大功率应用。6)限制困难，参数易受转子温升影响。24828B1.3.2功率变换器沟通伺服系统功率变换器的主要功能是依据限制电路的指令，将电源单元供应的直流电能转变为伺服电
6、机电枢绕组中的三相沟通电流，以产生所须要的电磁转矩。功率变换器主要包括限制电路、驱动电路、功率变换主电路等。24828B1.3.3传感器在伺服系统中，须要对伺服电机的绕组电流及转子速度、位置进行检测，以构成电流环、速度环和位置环，因此须要相应的传感器及其信号变换电路。24828B1.3.4限制器1.电流限制器2.速度限制器3.位置限制器24828B1.4沟通伺服系统的分类1.4.1按伺服系统限制信号的处理方法分类1.4.2按伺服系统的限制方式分类24828B1.4.1按伺服系统限制信号的处理方法分类1.模拟限制方式2.数字限制方式3.数字-模拟混合限制方式4.软件伺服限制方式24828B1.模
7、拟限制方式1)限制系统的响应速度快，调速范围宽。2)易于与常见的输出模拟速度指令的CNC(Computerized Numerical Control)接口。3)系统状态及信号变更易于观测。4)系统功能由硬件实现，易于驾驭，有利于运用者进行维护、调整。5)模拟器件的温漂和分散性对系统的性能影响较大，系统的抗干扰实力较差。6)难以实现较困难的限制算法，系统缺少柔性。24828B2.数字限制方式1)系统的集成度较高，具有较好的柔性，可实现软件伺服。2)温度变更对系统的性能影响小，系统的重复性好。3)易于应用现代限制理论，实现较困难的限制策略。4)易于实现智能化的故障诊断和疼惜，系统具有较高的牢靠性
8、。5)易于与接受计算机限制的系统相接。24828B3.数字-模拟混合限制方式由于数字限制方式的响应速度由微处理器的运算速度确定，在现有技术条件下，要实现包括电流调整器在内的全数字限制，就必需接受DSP等高性能微处理器芯片，这导致全数字限制系统结构困难、成本较高。为满足电流调整快速性的要求，全数字限制永磁沟通伺服系统产品中，电流调整器虽已数字化，但其限制策略一般仍接受PID调整方式。同时，考虑到系统中模拟传感器(如电流传感器)的温漂和信号噪声的干扰及其数字化时引入的误差的影响，全数字化限制在性价比上并没有明显的优势。24828B4.软件伺服限制方式1)限制器硬件体积小、成本低。2)限制系统的牢靠
9、性高。3)系统的稳定性好、限制精度高。4)硬件电路标准化简洁。5)系统限制的灵敏性好，智能化程度高。6)限制策略的更新、升级实力强。24828B1.4.2按伺服系统的限制方式分类1.开环伺服系统2.闭环伺服系统3.半闭环伺服系统24828B1.5沟通伺服系统的常用性能指标(1)调速范围D(2)转矩脉动系数KTr(3)稳速精度(4)超调量(5)转矩变更的时间响应(6)转速响应时间(7)静态刚度K(8)定位精度和稳态跟踪误差24828B1.6伺服系统的发展趋势(1)沟通化(2)全数字化(3)高性能化(4)多功能化(5)低成本化(6)小型化和集成化(7)模块化和网络化24828B第2章感应电机伺服限
10、制系统2.1感应电机伺服限制系统的构成2.2感应电机的数学模型与坐标变换2.3感应电机的矢量限制2.3.3解耦限制2.3.6弱磁限制2.4伺服限制感应电机的等效直流电机常数2.4.2伺服限制感应电机的等效直流电机常数2.5关于感应电机的干脆转矩限制24828B2.1感应电机伺服限制系统的构成(1)感应电机的电动运行(2)感应电机的发电制动24828B2.1感应电机伺服限制系统的构成图2-1感应电机伺服限制系统的构成24828B2.1感应电机伺服限制系统的构成图2-2感应电机的转子与笼型绕组a)转子b)笼型绕组24828B2.2感应电机的数学模型与坐标变换2.2.1矢量限制的基本思路2.2.2在
11、三相静止坐标系下感应电机的数学模型2.2.3坐标变换24828B2.2.1矢量限制的基本思路由电机学中感应电机的运行原理可知，只要能实现对感应电机定子各相电流(iA、iB、iC)的瞬时限制，就能够实现对感应电机转矩的瞬时限制24828B2.2.2在三相静止坐标系下感应电机的数学模型1)忽视空间谐波，设三相绕组对称，在空间互差120电角度，所产生的磁动势沿气隙四周按正弦规律分布。2)忽视磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的。3)忽视铁心损耗。4)不考虑频率变更和温度变更对绕组电阻的影响。1.磁链方程2.电压方程3.电磁转矩方程4.运动方程24828B图2-3三相静止坐标系下的三相笼型感应电机的
12、物理模型24828B1.磁链方程(1)互感为常数(2)互感是角度re的函数24828B2.电压方程将三相定、转子绕组的电压平衡方程写成矩阵方程形式，并以微分算子P代替微分运算符号d/dt旋转电动势矩阵，由转子旋转产生，与转子转速成正比。24828B3.电磁转矩方程24828B4.运动方程作用在电动机轴上的转矩与电动机速度变更之间的关系可以用运动方程来表达，转子与负载的转动惯量之和。24828B2.2.3坐标变换1.静止三相/两相坐标变换2.静止/旋转两相坐标变换24828B1.静止三相/两相坐标变换图2-4静止三相两相坐标系与绕组磁动势的空间矢量24828B1.静止三相/两相坐标变换图2-5两
13、相静止和旋转坐标系与磁动势空间矢量图24828B2.静止/旋转两相坐标变换图2-6M-T坐标系下感应电机的框图24828B2.3感应电机的矢量限制2.3.1转子磁场定向M-T坐标系中的基本方程2.3.2转差频率限制24828B2.3.1转子磁场定向M-T坐标系中的基本方程式(2-27)为感应电机两相同步旋转坐标系数学模型的电压方程式，式右边的4行4列系数矩阵每一项都是占满了的，也就是说，系统仍是强耦合的。24828B2.3.2转差频率限制图2-7电源频率的计算框图24828B2.3.2转差频率限制图2-8电源频率的简化计算方法24828B2.3.2转差频率限制图2-9励磁电流恒定时的电源频率计
14、算方法24828B2.3.3解耦限制2.3.4磁通与电流限制2.3.5坐标变换的实现24828B2.3.3解耦限制图2-10转子磁场定向限制感应电动机的系统框图24828B2.3.3解耦限制图2-11解耦限制的感应电动机的系统框图24828B2.3.4磁通与电流限制图2-12含有磁通、电流限制器的感应电机伺服系统的限制框图24828B2.3.5坐标变换的实现图2-13从、到、的实现框图24828B2.3.5坐标变换的实现图2-14从、到、的实现框图24828B2.3.6弱磁限制图2-15转子磁链的限制框图24828B2.3.7M-T坐标系下感应电机矢量限制伺服系统的构成1)位置环、速度环、电流
15、环限制单元、磁链限制单元、解耦限制单元。2)电机转子位置、转速检测及信号处理计算单元。3)坐标变换单元。4)三相逆变单元。24828B图2-16M-T坐标系下感应电机矢量限制伺服系统24828B2.4.1伺服限制感应电机的等效电路图2-17感应电机的等效电路24828B2.4.1伺服限制感应电机的等效电路图2-18转矩重量等效电路24828B2.4.1伺服限制感应电机的等效电路图2-19励磁重量等效电路24828B2.4.3伺服限制感应电机的特性框图与时间常数图2-20伺服限制感应电机的特性框图24828B2.5关于感应电机的干脆转矩限制1)干脆转矩限制以定子磁链作为被限制的磁链，限制过程中只
16、涉及电机定子侧的参数，即定子电压、电流、磁链、阻抗等，所以限制效果不受转子回路参数变更的影响。2)干脆转矩限制的限制运算均在定子静止坐标系中进行，不须要在旋转坐标系中对定子电流进行分解和设定，所以不须要进行静止坐标系与旋转坐标系之间的变换运算，从而明显简化了信号的处理过程，提高了限制运算的速度。24828B2.5关于感应电机的干脆转矩限制3)干脆转矩限制接受转矩闭环干脆限制电动机的电磁转矩，不像矢量变换限制那样，用限制定子电流两个重量的方法间接限制转矩和磁链，所以并不过于追求圆磁链轨迹和正弦波电流，只追求转矩限制的快速性和精确性。4)干脆转矩限制系统既干脆限制转矩，又干脆限制定子磁链，其限制方式均接受闭环双位式限制，通过变更滞环调整器的容差，把双位式转矩限制引起的转速波动限制在容许的范围内。24828B2.5关于感应电机的干脆转矩限制5)干脆转矩限制利用电压矢量的概念，对逆变器的6个功率开关器件的导通与关断进行综合限制，在相同的限制效果下，比分相限制的逆变器开关器件开关次数少且开关损耗小。