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1、课题(kt)二伺服电机与伺服控制系统原理指导老师：段建中(jin zhn)学生：虎鑫 学号：12007240649 2012-3-15第一页，共48页。基本概念的介绍与举例伺服电机原理(yunl)介绍伺服控制系统介绍总结内容(nirng)第二页，共48页。“伺服”词源(c yun)于希腊语“奴隶”的意思。一、“伺服”的含义(hny)Servomechanism第三页，共48页。伺服系统应用(yngyng)举例（2）机械手手臂伸缩(shn su)运动的电液伺服系统原理图。1电放大器 2电液伺服阀 3液压缸 4机械手手臂 5齿轮齿条(ch tio)机构 6电位器 7步进电机 第四页，共48页。伺服
2、系统应用(yngyng)举例（1）图图1.7 液压仿形车床液压仿形车床(chchung)工作原理图工作原理图 1.2.3.4节流口5工件6刀具(doj)7样件8触销9油缸10油泵第五页，共48页。二二.伺服系统的定义：伺服系统的定义：(servomechanism)(servo-system）伺服系统是指实现输出变量伺服系统是指实现输出变量精确精确(jngqu)地跟随或复现输入变量地跟随或复现输入变量的控制系统。的控制系统。第六页，共48页。伺服电机伺服电机（伺服电机（servo motor）伺服电动机又称执行电动机，在自动控伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，它的转矩和转速受信号制系
3、统中，它的转矩和转速受信号(xnho)电压控制。当信号电压控制。当信号(xnho)电压的电压的大小和相位发生变化时，电动机的转速和转大小和相位发生变化时，电动机的转速和转动方向将非常灵敏和准确地跟着变化。当信动方向将非常灵敏和准确地跟着变化。当信号号(xnho)消失时，转子能及时地停转。消失时，转子能及时地停转。第七页，共48页。伺服电机的分类(fn li)伺服电机伺服电机交流伺服电机交流伺服电机直流伺服电机直流伺服电机鼠笼转子鼠笼转子杯形转子杯形转子第八页，共48页。一、直流电动机一、直流电动机(dngj)(dngj)工作原工作原理理安培(npi)定律磁场的磁感应强度导体中的电流导体的有效长
4、度第九页，共48页。直流电机原理(yunl)如图所示：N和S是一对固定的磁极（一般是电磁铁，也可为永久磁铁），两级之间装着一个可以转动的铁质圆柱体，圆柱体表面上固定这一个线圈，上边(shng bin)为a，下圈为x，通入如图所示的电流根据左手定则便可得出电磁转矩。载流线圈在磁场中产生转矩载流线圈在磁场中产生转矩第十页，共48页。一、直流电机原理(yunl)为什么为什么要用要用电刷？电刷？第十一页，共48页。一、直流电机的原理(yunl)这样的连接方法只有一组线圈得电，绕组使用率低，那么如何(rh)提高绕组的使用率呢？第十二页，共48页。改进(gijn)后的绕线改进后的绕组改进后的绕组提高提高(
5、t go)了绕组的使用率了绕组的使用率第十三页，共48页。直流电机的励磁(l c)方式励磁概念励磁概念(ginin)：由电流激励出磁场的过程叫做励磁。：由电流激励出磁场的过程叫做励磁。他励他励并励并励串励串励第十四页，共48页。直流电机的基本(jbn)方程式1.电气系统的电动电气系统的电动(din dn)平衡方程平衡方程感应电动势感应电动势第十五页，共48页。1.电气系统的电动电气系统的电动(din dn)平平衡方程衡方程电源(dinyun)电压电枢(din sh)绕组上的端电压励磁绕组上的端电压励磁绕组上的端电压电枢电流电枢电流励磁电流励磁电流电枢电路的电阻电枢电路的电阻励磁回路的电阻励磁回
6、路的电阻电枢回路的自感系数电枢回路的自感系数励磁回路的自感系数励磁回路的自感系数电动机的机械角速度电动机的机械角速度第十六页，共48页。2.机械系统的转矩平衡(pnghng)方程电磁(dinc)转矩负载(fzi)转矩空载损耗转矩空载损耗转矩 如果电动机以恒如果电动机以恒角速度转动，则角速度转动，则 ：第十七页，共48页。实例(shl)：直流伺服系统常数(chngsh)第十八页，共48页。实例(shl)：直流伺服系统伺服电机在磁化曲线的线性范围内使用(shyng)，因而气隙磁通 正比于励磁电流，即：式中：常数(chngsh)由电动机产生的转矩 正比于电枢电流和气隙磁通的乘积，即式中：常数为磁场励
7、磁电流是电枢电流第十九页，共48页。实例(shl)：直流伺服系统在电枢(din sh)控制的直流电动机中，励磁电流为常数，故上式可写成：式中：电动机的转矩常数由控制输入电压由控制输入电压 开始，系统的因果开始，系统的因果(yngu)方程为方程为1.电枢电压方程：第二十页，共48页。实例(shl)：直流伺服系统2.电动机转矩3.转矩平衡(pnghng)方程4.电动机的反电动势正比(zhngb)于速度反电动势常数第二十一页，共48页。系统因果方程(fngchng)拉氏变换为实例(shl)：直流伺服系统当负载(fzi)转矩其传递函数是:第二十二页，共48页。实例(shl)：直流伺服系统直流伺服电机的
8、系统直流伺服电机的系统(xtng)方框图方框图第二十三页，共48页。主要(zhyo)内容7.3 7.3 直流伺服电机及其速度直流伺服电机及其速度(sd)(sd)控制控制（一定一定(ydng)）电枢回路电压平衡方程式电枢回路电压平衡方程式感应电势与转速关系感应电势与转速关系电磁转矩电磁转矩 直流伺服电机的调速原理与方法直流伺服电机的调速原理与方法原原理理图图等等效效图图第二十四页，共48页。电电机机转转速速与与理理想想转转速速的的差差nn，反反映映了了电电机机机机械械特特性性(txng)(txng)硬硬度度，nn越越小小（转转矩矩对对转转速速变变化化的的影影响响程程度度越越小小），机机械械特特性
9、性(txng)(txng)越越硬。硬。n0主要内容TTn n直流电机转速与转矩的关系直流电机转速与转矩的关系(gun x)n=f(T)(gun x)n=f(T)称机械特性称机械特性直流电机的基本调速方式有三种直流电机的基本调速方式有三种:调调节电阻节电阻(dinz)Ra(dinz)Ra、调节电枢电压、调节电枢电压UaUa和调节磁通和调节磁通的值。的值。7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制第二十五页，共48页。主要(zhyo)内容他励式直流伺服电机的转速他励式直流伺服电机的转速(zhun s)(zhun s)公式公式第二十六页，共48页。电枢电阻调速很少采用，缺点：电
10、枢电阻调速很少采用，缺点：不经济：要得到不经济：要得到(d do)(d do)低速，低速，R R很大，则消耗大量电能；很大，则消耗大量电能；低速，特性很软，运转稳定性很差；低速，特性很软，运转稳定性很差；调节平滑性差，操作费力。调节平滑性差，操作费力。7.3 7.3 直流伺服电机及其速度直流伺服电机及其速度(sd)(sd)控控制制主要内容Tnn0R0R2R1第二十七页，共48页。主要(zhyo)内容调节电枢电压（调压调速）时，直流电机机械特性为一调节电枢电压（调压调速）时，直流电机机械特性为一组平行线，只改变电机的理想转速组平行线，只改变电机的理想转速(zhun s)n0(zhun s)n0，
11、保，保持了原有较硬的机械特性，所以调压调速主要用于伺服持了原有较硬的机械特性，所以调压调速主要用于伺服进给驱动系统电机的调速进给驱动系统电机的调速如如果果nn值值较较大大(jio(jio d)d)，不不可可能能实实现现宽宽范范围围的的调调速速。永永磁磁式式直直流流伺伺服服电电机机的的nn值值较较小小，因因此此，进进给给系系统统常常采采用用永永磁磁式式直直流流电机。电机。7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制第二十八页，共48页。主要(zhyo)内容调调节节磁磁通通（调调磁磁调调速速）不不但但改改变变了了电电机机的的理理想想转转速速，而而且且(r qi)(r qi)使直
12、流电机机械特性变软使直流电机机械特性变软7.3 7.3 直流伺服电机及其速度直流伺服电机及其速度(sd)(sd)控制控制第二十九页，共48页。主要(zhyo)内容 直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式调速的概念有两个调速的概念有两个(lin)方面的含义方面的含义:1)改改变变电电机机转转速速：当当给给定定速速度度变变化化时时,电电机机的的速速度度随随之之变变化化,并并希希望望以以最最快快的的加加减减速速达达到到新新的的给给定速度值；定速度值；2)当当给给定定速速度度不不变变化化时时,电电机机的的速速度度保保持持稳稳定定不不变。变。7.3 7.3 直流伺服
13、电机及其速度直流伺服电机及其速度(sd)(sd)控制控制第三十页，共48页。主要(zhyo)内容直流伺服电机速度控制单元直流伺服电机速度控制单元(dnyun)的调速控制方式的调速控制方式 需对直流电压的大小和方向进行控制需对直流电压的大小和方向进行控制直直流流伺伺服服电电机机速速度度控控制制单单元元(dnyun)的的作作用用：将将转转速速指令信号转换成电枢的电压值，达到速度调节的目的。指令信号转换成电枢的电压值，达到速度调节的目的。直流电机速度控制单元直流电机速度控制单元(dnyun)常采用的调速方法：常采用的调速方法：1.晶闸管（可控硅）调速系统晶闸管（可控硅）调速系统 2.晶晶体体管管脉脉
14、宽宽调调制制（PWM Pulse Width Modulated）调速系统。调速系统。第三十一页，共48页。主要(zhyo)内容1 1晶闸管调速系统晶闸管调速系统(xtng)(xtng)常用于大功率及要求不很高的直流伺服电机调速控制。常用于大功率及要求不很高的直流伺服电机调速控制。7.3 7.3 直流伺服电机及其速度直流伺服电机及其速度(sd)(sd)控制控制U*n主要内容速度速度调节器调节器电流电流调节器调节器触发脉冲触发脉冲发生器发生器可控硅可控硅电流反馈电流反馈速度反馈速度反馈电流检测电流检测编码器编码器电机电机+-UnInI*n+-US第三十二页，共48页。控制控制回路回路主回路：可控
15、硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。速度环：速度调节，作用：好的静态、动态特性。速度环：速度调节，作用：好的静态、动态特性。电流环：电流调节，作用：系统快速性、稳定性改善。电流环：电流调节，作用：系统快速性、稳定性改善。触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或后移。后移。第三十三页，共48页。7.3 7.3 直流伺服电机及其速度直流伺服电机及其速度(sd)(sd)控制控制462791113581210ABCMUMUDKMKM+-主回路由大功率晶闸管构成的三相全控桥式反并接
16、可逆电主回路由大功率晶闸管构成的三相全控桥式反并接可逆电路，分成二大部分路，分成二大部分(b fen)（和和 ），每部分），每部分(b fen)内按三相桥式连接，二组反并接，分别实现正转内按三相桥式连接，二组反并接，分别实现正转 和反转。和反转。各有一个可控硅同时各有一个可控硅同时(tngsh)导通，形导通，形成回路。成回路。第三十四页，共48页。7.3 7.3 直流伺服电机及其速度直流伺服电机及其速度(sd)(sd)控制控制1 1、3 3、5 5在正半周导通，在正半周导通，2 2、4 4、6 6在负半周导通。在负半周导通。每组内（即二相间）触发脉冲相位每组内（即二相间）触发脉冲相位(xing
17、wi)(xingwi)相相差差120120，触发脉冲的顺序：，触发脉冲的顺序：1-2-3-4-5-61-2-3-4-5-6，相邻之，相邻之间相位间相位(xingwi)(xingwi)差差6060。为保证合闸后两个串联。为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通，或已截止的相再次导通，采可控硅能同时导通，或已截止的相再次导通，采用双脉冲控制。即每个触发脉冲在导通用双脉冲控制。即每个触发脉冲在导通6060后，再后，再补发一个辅助脉冲；也可以采用宽脉冲控制，宽补发一个辅助脉冲；也可以采用宽脉冲控制，宽度大于度大于6060，小于，小于120120。第三十五页，共48页。7.3 7.3 直流伺服电机及其速度直
18、流伺服电机及其速度(sd)(sd)控制控制 只要改变可控只要改变可控硅触发角（即改变硅触发角（即改变导通角），就能改导通角），就能改变可控硅的整流输变可控硅的整流输出电压出电压(diny)，从而改变直流伺服从而改变直流伺服电机的转速。电机的转速。触发脉冲提前，触发脉冲提前，增大整流输出电压增大整流输出电压(diny)；触发脉；触发脉冲延后，减小整流冲延后，减小整流输出电压输出电压(diny)。uacbcaba)b)c)d)135 tub246bcatttt1 1 3 3 5 5 1 1 3 3 6 2 2 4 4 6 6 2 2 4 135246120120180601324606056第三十
19、六页，共48页。晶闸管调节(tioji)电路第三十七页，共48页。主要(zhyo)内容2PWM调调速控制系速控制系统统利利用用大大功功率率晶晶体体管管的的开开关关(kigun)作作用用，将将直直流流电电压压转转换换成成一一定定频频率率的的方方波波电电压压，加加到到直直流流电电动动机机的的电电枢枢上上；通通过过调调整整控控制制方方波波脉脉冲冲宽宽度度来来改改变变电电枢枢的的平平均均电电压压，从而，从而调节电调节电机的机的转转速。速。控控制制电电路路简简单单，不不需需附附加加关关断断电电路路，开开关关(kigun)特特性好。性好。广泛广泛应应用中、小功率直流伺服系用中、小功率直流伺服系统统。周期周
20、期(zhuq)(zhuq)不不变变脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽平均直流电压平均直流电压Ut周期不变周期不变7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制第三十八页，共48页。主要(zhyo)内容直流电机电压直流电机电压(diny)(diny)的的平均值平均值:T脉冲周期脉冲周期(zhuq)，Ton导通时间导通时间7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制第三十九页，共48页。脉宽调制（脉宽调制（PWMPWM）系统）系统(xtng)(xtng)组成：组成：主要内容主要内容速度速度调节器调节器电流反馈电流反馈脉宽脉宽调制调制基极基极驱动驱动功功放放振荡器
21、振荡器 电流电流调节器调节器M M速速度度指指令令 三相交流电三相交流电整流整流速度反馈速度反馈U UsrsrU USCSCUUU Ub b7.3 7.3 直流伺服电机及其速度直流伺服电机及其速度(sd)(sd)控控制制第四十页，共48页。控制回路：控制回路：速度调节器；电流调节器；固定频率振荡速度调节器；电流调节器；固定频率振荡器及三角波发生器；脉宽调制器和基极驱动器及三角波发生器；脉宽调制器和基极驱动(q dn)电路。电路。区别：区别：与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节流调节 器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器原理一样。不同的是脉宽调制器
22、和功率放大器。器。第四十一页，共48页。脉宽调制器脉宽调制器作用：将电压量转换成可由控制信号调节的矩形脉冲，作用：将电压量转换成可由控制信号调节的矩形脉冲，为功率晶体管的基极提供为功率晶体管的基极提供(tgng)(tgng)一个宽度可由速度指一个宽度可由速度指令信号调节的脉宽电压。令信号调节的脉宽电压。组成：调制信号发生器（三角波和锯齿波两种）和比较组成：调制信号发生器（三角波和锯齿波两种）和比较放大器。放大器。原理：以三角波发生器为例介绍原理：以三角波发生器为例介绍 7.3 7.3 直流伺服电机及其速度直流伺服电机及其速度(sd)(sd)控控制制第四十二页，共48页。R1+12VUSCR1R
23、3R2+-12VU S rU-USr USr 速度指令转化速度指令转化(zhunhu)(zhunhu)过过 来的直流电压来的直流电压U-U-三角波三角波USC-USC-脉宽调制器的输出（脉宽调制器的输出（US r+UUS r+U）调制波形图调制波形图ttU U S rS r+U +U+U S roo-U S rttU US rS r为正时为正时U USrSr为负时为负时U U S rS r+U +U ttU USrSr为为0 0时时调制出正负脉宽一样调制出正负脉宽一样方波平均电压为方波平均电压为0 0调制出脉宽较宽的调制出脉宽较宽的波形平均电压为正波形平均电压为正调制出脉宽较窄的调制出脉宽较窄的波形平均电压为负波形平均电压为负7.3 7.3 直流伺服电机及其速度直流伺服电机及其速度(sd)(sd)控制控制第四十三页，共48页。7.3 7.3 直流伺服电机及其速度直流伺服电机及其速度(sd)(sd)控制控制第四十四页，共48页。全数字式PWM第四十五页，共48页。第四十六页，共48页。第四十七页，共48页。第四十八页，共48页。