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1、机电一体化技术伺服系统第三章第1页，本讲稿共83页常用的电力电子器件常用的电力电子器件:晶闸管晶闸管第2页，本讲稿共83页第3页，本讲稿共83页第4页，本讲稿共83页第5页，本讲稿共83页第6页，本讲稿共83页机电一体化系统中较多的采用机电一体化系统中较多的采用电气伺服驱动装置，即电气伺服驱动装置，即电气伺服驱动装置，即电气伺服驱动装置，即伺服伺服电机驱动系统。电机驱动系统。伺服伺服伺服伺服驱动电机一般是指：驱动电机一般是指：步进步进步进步进电机（电机（Stepping MotorStepping Motor）直流伺服直流伺服直流伺服直流伺服电机电机(DC Servo Motor)(DC Se
2、rvo Motor)交流伺服交流伺服交流伺服交流伺服电机电机(AC Servo Motor)(AC Servo Motor)第7页，本讲稿共83页三种电机驱动的特点：1 1、步进、步进、步进、步进电机电机转角与数字脉冲成比例，可构成直接数字控制构成廉价的开环系统控制系统控制较简单2 2、DCDC伺服伺服伺服伺服电机电机高响应、高功率密度可实现高精度的数字控制换向器件需维护3 3、ACAC伺服伺服伺服伺服电机电机具有DC伺服电机的全部优点无接触换向器件，维护方便第8页，本讲稿共83页3.1 步进电动机驱动及其控制1.1.步进电动机的特点：步进电动机的特点：步进电动机是将电脉冲信号转换成角位移（或
3、线位移）的一种机电式数模转换器。转角与脉冲，速度与频率成正比，运动方向与通电顺序相关。定位精度高，且无累积误差。转换速度慢，毫秒级与一般的伺服电机比较：可以直接实现数字控制，在开环系统中可以达到高精度的定位和调速，位置误差不会累积。第9页，本讲稿共83页步进电机的种类步进电机的种类 按励磁相数分：有三相、四相、五相等步进电机按励磁相数分：有三相、四相、五相等步进电机 按运转方式分：有旋转式步进电机和直线式步进电机按运转方式分：有旋转式步进电机和直线式步进电机BFBF励磁绕组相数或代号励磁绕组相数或代号励磁绕组相数或代号励磁绕组相数或代号反应式反应式反应式反应式(BY(BY永磁式、永磁式、永磁式
4、、永磁式、BYGBYG混合式混合式混合式混合式)步进电机步进电机步进电机步进电机电机外径（电机外径（电机外径（电机外径（mm)mm)步进电机型号表示：步进电机型号表示：如70BF3-3第10页，本讲稿共83页2.2.步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理定子齿与定子齿与转子齿对转子齿对齐时，齐时，磁磁导率最大，导率最大，磁阻最小磁阻最小，第11页，本讲稿共83页 单三拍时：单三拍时：A AB BC,C,A AB BC C 电电压电流波形，转子齿数压电流波形，转子齿数4040第12页，本讲稿共83页 双三拍时：双三拍时：单双拍（即六拍）时：单双拍（即六拍）时：ABABBCBCCA,CA,ABA
5、BBCBCCACAA AABABB BBCBCC CCA,-ACA,-AABABB BBCBCC CCA CA 第13页，本讲稿共83页第14页，本讲稿共83页v五相步进电机第15页，本讲稿共83页 步距角及步距精度步进电动机定子绕组通电状态每变一次，转子转过的角度，常用数控机床为0.53，步距角小，加工精度高步距精度指理论步距角与实际步距角之差，以分表示。主要是由步进电机齿距制造误差、定子和转子间气隙不均匀、各相电磁转矩不均匀造成的。3.步进电动机的主要特性步进电动机的主要特性第16页，本讲稿共83页 启动频率与惯频特性步进电机由静止突然启动，进入不失步的正常运行所允许的最高频率。与负载的转
6、动惯量有关第17页，本讲稿共83页 运行频率与矩频特性步进电机由转子运行的过渡过程尚未达到稳定值时产生的转矩，即某一频率下的最大负载转矩。与电磁常数有关。第18页，本讲稿共83页 矩角特性单相通入额定通电时，其静转矩与失调角的关系,空载时，若步进电机某相通以直流电流，则该相对应的定、转子齿槽对齐。此时转子上无力矩输出。如果此时在电机轴上加一负载力矩M，则转子要相应力矩的方向转一个角才能重新稳定下来，此时转子上的电磁力矩Mj与负载力矩M相等。Mj称为静态力矩，称为失调角。Mj=f()称为矩角特性。近似正弦。第19页，本讲稿共83页Mjmax为最大静态力矩，曲线A和B的交点Mq是电机运行状态的最大
7、启动启动力矩。第20页，本讲稿共83页第21页，本讲稿共83页步进电机控制信号的产生步进电机控制信号的产生步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机（或计算机）产生，其基本控制作用如下：（或计算机）产生，其基本控制作用如下：控制换相顺序（也称脉冲分配）控制换相顺序（也称脉冲分配）控制转向（正反序通电）控制转向（正反序通电）控制速度（由单片机发出的脉冲频率的大小决定）控制速度（由单片机发出的脉冲频率的大小决定）4.4.步进电动机控制驱动步进电动机控制驱动硬件环分软件环分+功率驱动第22页，本讲稿共83页第23页，本讲稿共83页第24页
8、，本讲稿共83页第25页，本讲稿共83页MOV P1,R0INC R0MOV A,R0CJNE A,#5DH,RE1MOV R0,55HRE1:RETI/主程序MOV R0,55H 55H:DB 0EEH,0CCH,0DDH,99H,0BBH,33H,77H,66H第26页，本讲稿共83页单电压驱动及其改进第27页，本讲稿共83页a)图（a）中，Ra为电动机一相绕组内阻，L为其电感，VT是大功率管，Rc是外接电阻，VD是续流管。由于Ra很小，如不接Rc，则时间常数大，VT由截止变为导通时，电流上升慢，影响启动频率。串接Rc可减小时间常数，使脉冲电流的前沿变陡，从而改善频率响应。但Rc使整个系统
9、效能降低。第28页，本讲稿共83页b)图（b）在外接电阻Rc上并接一个电容（与加速电容作用相同），改善注入电流脉冲前沿状况。增加注入绕组的平均电流值。（开始电阻相当于被短接）。c)图（c）在VD支路加接泄放电阻R，减少时间常数，使脉冲电流的后沿变陡，有利于提高电机的高频性能，但使低频变坏，对转子阻尼变弱，易引起低频共振区运行不平稳。第29页，本讲稿共83页高低压驱动（用得广泛）第30页，本讲稿共83页如图，则在t1t2时间内，VT1、VT2均饱和导通，+80V的电源经VT1、VT2管加到电机绕组L上，使其电流迅速上升，当时间达到t2，VT2截止，电机绕组电流由+12V经VT1维持，此时电机电流
10、下降到额定值，直到t3，VT1截止，绕组电流经高压源E1，地，E2，V2放电，下降到零。优点：功耗小，启动力矩大，工作频率高。缺点：大功率管数量多，增加驱动电源成本。第31页，本讲稿共83页5.5.步进电动机自动升降速控制步进电动机自动升降速控制由于步进电机转子本身惯量大，尤其带了负载后，启动频率将会大大下降。为使步进电机能在较高的频率下工作，可对其升降速度进行控制，使脉冲信号能按一定的规律升频和降频。第32页，本讲稿共83页工作原理：工作原理：设Pa为控制脉冲，其频率为fa，Pb为实际送入电机的工作脉冲，其频率为fb。Pa和Pb都经同步器送入可逆计数器。同步器的作用在于保证不丢失Pa和Pb，
11、并使Pa送入可逆计数器时作加法，Pb送入可逆计数器时作减法，可逆计数器记下的是控制脉冲与实际脉冲之差N，将此数通过数字电位器转换成电阻值R的变化，进而改变振荡频率。第33页，本讲稿共83页v电路设计成平滑系统，当输入量fa为阶跃值时，输出量fb是缓慢变化的，从而达到自动升降速的目的。v只有当N不为零时，才有输出脉冲。v在进给开始时，fa fb，振荡器频率低，反馈脉冲小于输入脉冲，N增大，fb逐渐增大，经过t时间，fa=fb，N不变，升速结束。进入恒速。到达终点，fa=0 fb，N减少，振荡器频率降低，fb 逐渐减少，直到N=0，振荡停止，步进电机停止工作。第34页，本讲稿共83页v常用的升降速
12、规律第35页，本讲稿共83页v图a为线性升降速，以恒定的加速度，容易实现，方法简单，但加速时间较长。v图b为指数曲线，由步进电机的矩频特性推导来，符合电机加减速规律，快速响应好，缩短了升降速时间。v图c为抛物线，这种方法充分利用步进电机低速时的有效转矩，升降速时间大大缩短。第36页，本讲稿共83页v运动控制系统第37页，本讲稿共83页第38页，本讲稿共83页第39页，本讲稿共83页第40页，本讲稿共83页第41页，本讲稿共83页第42页，本讲稿共83页3.2 直流伺服电动机驱动及其控制1.1.直流伺服电动机的特点：直流伺服电动机的特点：响应速度高、精度高、响应速度高、精度高、调速范围广、控制特
13、性优调速范围广、控制特性优良。良。其原理与普通直流电机其原理与普通直流电机相同，由磁极、电枢、电相同，由磁极、电枢、电刷和换向片组成。但外形刷和换向片组成。但外形细长，转动惯量小，以满细长，转动惯量小，以满足快速响应的要求。足快速响应的要求。图4.21 基本结构第43页，本讲稿共83页第44页，本讲稿共83页2.2.控制方式：控制方式：图4.22 直流电机模型根据上式，控制方式有根据上式，控制方式有第45页，本讲稿共83页因此，有三种调速方法：电枢控制调速电枢控制调速电枢控制调速电枢控制调速（即恒转矩调速）：不同的转速时，磁场控制调速磁场控制调速磁场控制调速磁场控制调速（即恒功率调速）：不同的
14、转速时，混合调速（混合调速（混合调速（混合调速（即恒功率调速），如主轴伺服驱动，在额定转速以下为恒 转矩调速，在额定转速以上为恒功率调速.如进给伺服系统如小惯量高速伺服系统第46页，本讲稿共83页3.3.直流伺服电动机的特性：直流伺服电动机的特性：机械特性：电压恒定时，机械特性：电压恒定时，电动机转速随负载转矩电动机转速随负载转矩变化的关系。变化的关系。1)1)当当T=0T=0时，时，n0n0为理想空载为理想空载转速。转速。2)2)当当n=0n=0时，时，T T为启动转矩为启动转矩或堵转转矩。许多工程或堵转转矩。许多工程机械如电铲就工作于堵机械如电铲就工作于堵转转矩转转矩 机械特性第47页，本
15、讲稿共83页4.4.直流伺服系统直流伺服系统用直流伺服电动机作为执行元件的伺服系用直流伺服电动机作为执行元件的伺服系统。常用的有晶闸管统。常用的有晶闸管-直流电机调速系统和直流电机调速系统和大功率晶体管脉宽调制大功率晶体管脉宽调制(PWM)(PWM)调速系统。调速系统。4.1 4.1 晶闸管晶闸管-直流电机调速系统直流电机调速系统1)1)组成：转速调节器组成：转速调节器ASRASR、电流调节器、电流调节器ACRACR、测速发电机、测速发电机TGTG、电流互感器、电流互感器TATA、晶闸管、晶闸管触发器触发器ATAT、晶闸管、晶闸管URUR及伺服电动机。及伺服电动机。第48页，本讲稿共83页直流
16、伺服系统第49页，本讲稿共83页为消除系统静差并提高系统的快速响应，为消除系统静差并提高系统的快速响应，常采用常采用PIPI调节器作为转速调节器调节器作为转速调节器ASRASR和电流和电流调节器调节器ACRACR。PIPI调节器的特性：调节器的特性：比例积分调节器第50页，本讲稿共83页输出电压输出电压u uscsc第一部分是比例部分，在输第一部分是比例部分，在输入电压入电压u usrsr加上的瞬间加上的瞬间,C,C1 1相当于短路，此时相当于短路，此时只相当于比例调节器，输出电压只相当于比例调节器，输出电压u uscsc=K=Kp pu usrsr，毫无延迟，调节速度快。第二部分是积分部毫无
17、延迟，调节速度快。第二部分是积分部分，随着分，随着C C1 1充电，不断上升，上升快慢取决充电，不断上升，上升快慢取决于于i i。正因为这种积累、保持特性，所以能。正因为这种积累、保持特性，所以能消除静态误差。消除静态误差。PIPI调节器饱和后，将维持输调节器饱和后，将维持输出值恒定，只有超调，也就是输入为负，才出值恒定，只有超调，也就是输入为负，才能退出饱和。能退出饱和。第51页，本讲稿共83页2)2)双闭环调速系统的静态特性双闭环调速系统的静态特性(1)(1)系统正常运行时，两个调节器都不饱和，系统正常运行时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都为零。稳态时，它们的输入偏差电压
18、都为零。第52页，本讲稿共83页由于由于ASRASR不饱和，则不饱和，则I IL LI I IN N （额定电流）。在（额定电流）。在两个调节器均不饱和两个调节器均不饱和时运行于右图静特性时运行于右图静特性n n0 0-A-A段：段：第53页，本讲稿共83页(2)(2)转速调节器饱和，转速调节器饱和，ASRASR输出达到限幅值，输出达到限幅值，转速外环开环，转速变化对系统不产生影响，转速外环开环，转速变化对系统不产生影响，此时只有电流环（内环）起作用。此时：此时只有电流环（内环）起作用。此时：I ILmLm为设计最大电流。它决定于电动机允许的为设计最大电流。它决定于电动机允许的过载时的最大电流
19、，在转速过载时的最大电流，在转速nnnIIL L,转速还会上升，当其相等时，转速还会上升，当其相等时，转速达到峰值，然后开始减速，最后稳定转速达到峰值，然后开始减速，最后稳定在在n n*.第57页，本讲稿共83页3)3)双闭环调速系统的特点双闭环调速系统的特点(1)(1)起动过程主要为恒流（以允许的最大过载起动过程主要为恒流（以允许的最大过载电流）升速。起动时间短。电流）升速。起动时间短。(2)(2)采用采用PIPI调节，必然有超调，使调节，必然有超调，使PIPI调节器退调节器退出饱和。出饱和。(3)(3)具有良好的动态性能，响应快。具有良好的动态性能，响应快。(4)(4)具有良好的抗干扰性能
20、：具有良好的抗干扰性能：ASRASR抗负载扰动，抗负载扰动，ACRACR抗电网波动。抗电网波动。第58页，本讲稿共83页4.2 4.2 直流脉宽调制直流脉宽调制(PWM)(PWM)调速系统调速系统近年发展迅速，优点：主电路简单，功率元件近年发展迅速，优点：主电路简单，功率元件少，开关频率高，电流易于连续，损失小，低少，开关频率高，电流易于连续，损失小，低速性能好，调整范围宽等。速性能好，调整范围宽等。1)1)电压，脉宽变换原理。电压，脉宽变换原理。组成：三角波（锯齿波）发生器、加法器和比组成：三角波（锯齿波）发生器、加法器和比较器组成。较器组成。第59页，本讲稿共83页第60页，本讲稿共83页
21、PWMPWM直流驱动实用电路：直流驱动实用电路：第61页，本讲稿共83页3 3种工作状态：种工作状态：(视脉宽调压视脉宽调压)(1)(1)当当U UI I=0=0时，时，U Us s的正负脉宽相等，直流分量的正负脉宽相等，直流分量为零，但在交流分量的作用下，电机在停为零，但在交流分量的作用下，电机在停止位置处微振，动力润滑，减少静磨擦，止位置处微振，动力润滑，减少静磨擦，减少起动阻力。减少起动阻力。(2)(2)当当U UI I00时，时，U Us s的正脉宽的正脉宽 负脉宽，直流分量负脉宽，直流分量大于零，正转，转速上升。大于零，正转，转速上升。(3)(3)当当U UI I00时，时，U Us
22、 s的正脉宽的正脉宽 负脉宽，直流分量负脉宽，直流分量小于零，反转，反转转速上升。小于零，反转，反转转速上升。第62页，本讲稿共83页v直流永磁无刷电机第63页，本讲稿共83页第64页，本讲稿共83页第65页，本讲稿共83页第66页，本讲稿共83页第67页，本讲稿共83页第68页，本讲稿共83页第69页，本讲稿共83页第70页，本讲稿共83页3.3 交流伺服电动机驱动及其控制1.1.交流伺服电动机的特点：结构：空间互成交流伺服电动机的特点：结构：空间互成9090度度电角度两绕组，源绕组接电源，控制绕组接电角度两绕组，源绕组接电源，控制绕组接控制电压。常见形式控制电压。常见形式有鼠笼形和杯形，前
23、有鼠笼形和杯形，前者紧凑，性能优良，者紧凑，性能优良，但惯量大，后者惯量但惯量大，后者惯量小，无齿槽，运转平小，无齿槽，运转平稳，但气隙大，励磁稳，但气隙大，励磁电流大，效率低，体电流大，效率低，体积大。积大。第71页，本讲稿共83页2.2.交流伺服电动机的控制交流伺服电动机的控制交流伺服与单相感应电机工作原理相同，但性交流伺服与单相感应电机工作原理相同，但性能不同，单相感应电机利用自转工作，而交流能不同，单相感应电机利用自转工作，而交流伺服必须消除自转。伺服必须消除自转。消除自转的原理：由单相感应电机工作原理知，消除自转的原理：由单相感应电机工作原理知，其力矩曲线为正反两个旋转磁场产生的力矩
24、之其力矩曲线为正反两个旋转磁场产生的力矩之和，消除自转，只需使力矩之和为负即可，也和，消除自转，只需使力矩之和为负即可，也就是增加转子电阻，当电阻足够大时，合力矩就是增加转子电阻，当电阻足够大时，合力矩始终与转向相反，为制动转矩。如下图所示：始终与转向相反，为制动转矩。如下图所示：第72页，本讲稿共83页第73页，本讲稿共83页 控制方式控制方式控制方式控制方式当负载转矩一定时，通过调节控制电压的大小或相位达到改变电机转速的目的，有三种方式：幅值控制：幅值控制：幅值控制：幅值控制：调节控制电压幅值大小，改变转速 相位控制：相位控制：相位控制：相位控制：调节控制电压的相位角，改变转速 幅值相位控
25、制（电容控制）：幅值相位控制（电容控制）：幅值相位控制（电容控制）：幅值相位控制（电容控制）：调节控制电压时，相位角随之改变，达到改变转速目的控制绕组励磁绕组第74页，本讲稿共83页3.3.交流伺服系统交流伺服系统1)1)交流变频调速原理及特性交流变频调速原理及特性已知异步电动机的转速方程：已知异步电动机的转速方程：可知：改变频率可改变同步转速，实现调速。可知：改变频率可改变同步转速，实现调速。同时，希望磁通同时，希望磁通m m保持额定值不变，因为磁通保持额定值不变，因为磁通小，没充分利用铁芯，同样电流下，转矩小，小，没充分利用铁芯，同样电流下，转矩小，负载能力下降。而增大磁通又会导致铁芯饱和
26、，负载能力下降。而增大磁通又会导致铁芯饱和，使励磁电流过大，电机过热。使励磁电流过大，电机过热。第75页，本讲稿共83页由电机理论：由电机理论：可知：只要控制好可知：只要控制好f1f1和和E1E1，使其比值为常值，使其比值为常值，就可控制磁通。当频率降低时，同时必须降低就可控制磁通。当频率降低时，同时必须降低E1E1，称为恒压频比控制，属于恒转矩调速；当，称为恒压频比控制，属于恒转矩调速；当频率升高时，频率升高时，E1E1却不能超过额定值，因此只能却不能超过额定值，因此只能迫使磁通迫使磁通m m与与f1f1成反比下降，此时，称为弱磁成反比下降，此时，称为弱磁升速控制，属于恒功率调速。升速控制，
27、属于恒功率调速。第76页，本讲稿共83页第77页，本讲稿共83页变频变压装置变频变压装置(VVVF)(VVVF)由整流、中间直流环节和由整流、中间直流环节和逆变三部分组成，下图为常见的三种类型：逆变三部分组成，下图为常见的三种类型：第78页，本讲稿共83页变频变压装置变频变压装置(VVVF)(VVVF)（如何控制可控？如何控制可控？SCRSCR）第79页，本讲稿共83页脉宽波形（注意电流流向）：脉宽波形（注意电流流向）：第80页，本讲稿共83页正弦脉宽调制正弦脉宽调制(SPWM)(SPWM)：具有调速范围宽、功率：具有调速范围宽、功率因数高、对电网影响小、电机运行平稳、可有因数高、对电网影响小、电机运行平稳、可有效抑制低次谐波、可实现较大容量等诸多优点效抑制低次谐波、可实现较大容量等诸多优点 第81页，本讲稿共83页第82页，本讲稿共83页矢量控制v见自编教材，自行看书第83页，本讲稿共83页