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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交流伺服系统的构成1.4交流伺服系统的分类1.5交流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”是指执行机构按照控制信号的要求而动作，即控制信号到来之前，被控对象是静止不动的；接收到控制信号后，被控对象则按要求动作；控制信号消失之后，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控制系统
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按照伺服驱动机的不同可分为电气式、液压式和气动式三种；按照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。电气伺服系统根据电气信号可分为直流伺服系统和交流伺服系统两大类。交流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经历了由液压
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，经历了三个主要发展阶段。24828B1.3交流伺服系统的构成1.3.1交流伺服电机1.3.2功率变换器1.3.3传感器1.3.4控制器24828B1.3交流伺服系统的构成图1-1交流伺服系统24828B1.3.1交流伺服电机1.同步型交流伺服电机(无刷直流伺服电机)2.感应型交流伺服电机3.两种交流伺服电机的比较24828B1.同步型交流伺服电机(无刷直流伺服电机)交流伺服电机中最为普及的是同步型交流伺服电机，其励磁磁场由转子上的永磁体产生，通过控制三相电枢电流，使其合成电流矢量与励磁
4、磁场正交而产生转矩。由于只需控制电枢电流就可以控制转矩，因此比感应型交流伺服电机控制简单。而且利用永磁体产生励磁磁场，特别是数千瓦的小容量同步型交流伺服电机比感应型效率更高。24828B2.感应型交流伺服电机近年来，随着电力电子技术、微处理器技术与磁场定向控制技术的快速发展，使感应电机可以达到与他励式直流电机相同的转矩控制特性，再加上感应电机本身价格低廉、结构坚固及维护简单，因此感应电机逐渐在高精密速度及位置控制系统中得到越来越广泛的应用。24828B3.两种交流伺服电机的比较(1)同步型交流伺服电机(2)感应型交流伺服电机24828B(1)同步型交流伺服电机1)正弦波电流控制稍复杂，转矩波动
5、小。2)方波电流控制较为简单，转矩波动较大。3)采用稀土永磁体励磁，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)弱磁控制难，不适合恒功率运行。6)要注意高温及大电流可能引起的永磁体去磁。24828B(2)感应型交流伺服电机1)采用磁场定向控制，转矩控制原理类似直流伺服。2)需要无功的励磁电流，损耗稍大。3)设计上要减小漏感及磁路饱和的影响。4)利用弱磁控制，适合高速及恒功率运行。5)结构简单、坚固，适合大功率应用。6)控制复杂，参数易受转子温升影响。24828B1.3.2功率变换器交流伺服系统功率变换器的主要功能是根据控制电路的指令，将电源单元提供的直流电能转变为伺服电
6、机电枢绕组中的三相交流电流，以产生所需要的电磁转矩。功率变换器主要包括控制电路、驱动电路、功率变换主电路等。24828B1.3.3传感器在伺服系统中，需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，因此需要相应的传感器及其信号变换电路。24828B1.3.4控制器1.电流控制器2.速度控制器3.位置控制器24828B1.4交流伺服系统的分类1.4.1按伺服系统控制信号的处理方法分类1.4.2按伺服系统的控制方式分类24828B1.4.1按伺服系统控制信号的处理方法分类1.模拟控制方式2.数字控制方式3.数字-模拟混合控制方式4.软件伺服控制方式24828B1.模
7、拟控制方式1)控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)系统状态及信号变化易于观测。4)系统功能由硬件实现，易于掌握，有利于使用者进行维护、调整。5)模拟器件的温漂和分散性对系统的性能影响较大，系统的抗干扰能力较差。6)难以实现较复杂的控制算法，系统缺少柔性。24828B2.数字控制方式1)系统的集成度较高，具有较好的柔性，可实现软件伺服。2)温度变化对系统的性能影响小，系统的重复性好。3)易于应用现代控制理论，实现较复杂的控制策略。4)易于实现智能化的故障诊断和保护，系统具有较高的可靠性
8、。5)易于与采用计算机控制的系统相接。24828B3.数字-模拟混合控制方式由于数字控制方式的响应速度由微处理器的运算速度决定，在现有技术条件下，要实现包括电流调节器在内的全数字控制，就必须采用DSP等高性能微处理器芯片，这导致全数字控制系统结构复杂、成本较高。为满足电流调节快速性的要求，全数字控制永磁交流伺服系统产品中，电流调节器虽已数字化，但其控制策略一般仍采用PID调节方式。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，全数字化控制在性价比上并没有明显的优势。24828B4.软件伺服控制方式1)控制器硬件体积小、成本低。2)控制系统的可靠
9、性高。3)系统的稳定性好、控制精度高。4)硬件电路标准化容易。5)系统控制的灵活性好，智能化程度高。6)控制策略的更新、升级能力强。24828B1.4.2按伺服系统的控制方式分类1.开环伺服系统2.闭环伺服系统3.半闭环伺服系统24828B1.5交流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)转矩变化的时间响应(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)交流化(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章感应电机伺服控
10、制系统2.1感应电机伺服控制系统的构成2.2感应电机的数学模型与坐标变换2.3感应电机的矢量控制2.3.3解耦控制2.3.6弱磁控制2.4伺服控制感应电机的等效直流电机常数2.4.2伺服控制感应电机的等效直流电机常数2.5关于感应电机的直接转矩控制24828B2.1感应电机伺服控制系统的构成(1)感应电机的电动运行(2)感应电机的发电制动24828B2.1感应电机伺服控制系统的构成图2-1感应电机伺服控制系统的构成24828B2.1感应电机伺服控制系统的构成图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矢量控制的基本思路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矢量控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)的瞬时控制，就能够实现对感应电机转矩的瞬时控制24828B2.2.2在三相静止坐标系下感应电机的数学模型1)忽略空间谐波，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周围按正弦规律分布。2)忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的。3)忽略铁心损耗。4)不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。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化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感应电机的矢量控制2.3.1转子磁场定向M-T坐标系中的基本方程2.3.2转差频率控制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转差频率控制图2-7电源频率的计算框图24828B2.3.2转差频率控制图2-8电源频率的简化计算方法24828B2.3.2转差频率控制图2-9励磁电流恒定时的电源频率计
14、算方法24828B2.3.3解耦控制2.3.4磁通与电流控制2.3.5坐标变换的实现24828B2.3.3解耦控制图2-10转子磁场定向控制感应电动机的系统框图24828B2.3.3解耦控制图2-11解耦控制的感应电动机的系统框图24828B2.3.4磁通与电流控制图2-12含有磁通、电流控制器的感应电机伺服系统的控制框图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弱磁控制图2-15转子磁链的控制框图24828B2.3.7M-T坐标系下感应电机矢量控制伺服系统的构成1)位置环、速度环、电流
15、环控制单元、磁链控制单元、解耦控制单元。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控制伺服系统24828B2.4.1伺服控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伺服控制感应电机的等效电路图2-18转矩分量等效电路24828B2.4.1伺服控制感应电机的等效电路图2-19励磁分量等效电路24828B2.4.3伺服控制感应电机的特性框图与时间常数图2-20伺服控制感应电机的特性框图24828B2.5关于感应电机的直接转矩控制1)直接转矩控制以定子磁链作为被控制的磁链，控制过程中只
16、涉及电机定子侧的参数，即定子电压、电流、磁链、阻抗等，所以控制效果不受转子回路参数变化的影响。2)直接转矩控制的控制运算均在定子静止坐标系中进行，不需要在旋转坐标系中对定子电流进行分解和设定，所以不需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，提高了控制运算的速度。24828B2.5关于感应电机的直接转矩控制3)直接转矩控制采用转矩闭环直接控制电动机的电磁转矩，不像矢量变换控制那样，用控制定子电流两个分量的办法间接控制转矩和磁链，所以并不过于追求圆磁链轨迹和正弦波电流，只追求转矩控制的快速性和准确性。4)直接转矩控制系统既直接控制转矩，又直接控制定子磁链，其控制方式均采用闭环双位式控制，通过改变滞环调节器的容差，把双位式转矩控制引起的转速波动限制在容许的范围内。24828B2.5关于感应电机的直接转矩控制5)直接转矩控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控制，在相同的控制效果下，比分相控制的逆变器开关器件开关次数少且开关损耗小。