4.2.2_伺服電機(jī)及其調(diào)速

1、2021-6-144.1 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的概述（進(jìn)給伺服系統(tǒng)的概述（1學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）4.2 伺服電機(jī)及其調(diào)速（伺服電機(jī)及其調(diào)速（2學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 4.3 位置檢測(cè)裝置（位置檢測(cè)裝置（2學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 4.4 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的分析（進(jìn)給伺服系統(tǒng)的分析（1學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）第四章第四章 進(jìn)給伺服系統(tǒng)進(jìn)給伺服系統(tǒng) 2021-6-144.2 伺服電機(jī)及其調(diào)速伺服電機(jī)及其調(diào)速一一 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理二二 直流伺服電機(jī)及其調(diào)速直流伺服電機(jī)及其調(diào)速三三 交流伺服電機(jī)及其調(diào)速交流伺服電機(jī)及其調(diào)速 2021-6-14二二 直流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 直流電機(jī)的工作原理是建立在電磁力定律基

2、直流電機(jī)的工作原理是建立在電磁力定律基礎(chǔ)上的，電磁力的大小正比于電機(jī)中的氣隙磁場(chǎng)，礎(chǔ)上的，電磁力的大小正比于電機(jī)中的氣隙磁場(chǎng)，直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組所建立的磁場(chǎng)是電機(jī)的主磁場(chǎng)，直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組所建立的磁場(chǎng)是電機(jī)的主磁場(chǎng)，按對(duì)勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁方式不同，直流電機(jī)可分為：按對(duì)勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁方式不同，直流電機(jī)可分為： 他勵(lì)式、他勵(lì)式、 并勵(lì)式、并勵(lì)式、 串勵(lì)式、串勵(lì)式、 復(fù)勵(lì)式、復(fù)勵(lì)式、 永磁式。永磁式。 20世紀(jì)世紀(jì)8090年代中期，永磁式直流伺服電機(jī)年代中期，永磁式直流伺服電機(jī)在在NC機(jī)床中廣泛采用。機(jī)床中廣泛采用。 2021-6-141 直流伺服電機(jī)基本原理直流伺服電機(jī)基本原理 直流伺服電機(jī)與一般直

3、流直流伺服電機(jī)與一般直流電機(jī)的基本原理是完全相同電機(jī)的基本原理是完全相同的，如圖所示，電機(jī)轉(zhuǎn)子上的，如圖所示，電機(jī)轉(zhuǎn)子上的載流導(dǎo)體的載流導(dǎo)體(即電樞繞組即電樞繞組)在定在定子磁場(chǎng)中，受到電磁轉(zhuǎn)矩子磁場(chǎng)中，受到電磁轉(zhuǎn)矩M的作用，使電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。的作用，使電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。M=kTIa(kT=CM)反向電動(dòng)勢(shì)：反向電動(dòng)勢(shì)：Ea=ken(ke=Ce)電樞電壓：電樞電壓：U=Ea+IaRa電機(jī)轉(zhuǎn)速：電機(jī)轉(zhuǎn)速：n=（U-IaRa）/ke 2021-6-14調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速的方法：調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速的方法：(1)改變電柜電壓改變電柜電壓U；(2)改變磁通量改變磁通量，即改變，即改變ke的值。改變的值。改變激磁回路的

4、電阻激磁回路的電阻Rj以改變激磁電流小可以改變激磁電流小可以達(dá)到改變磁通量由的目的；以達(dá)到改變磁通量由的目的；(3)在電樞回路中串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻在電樞回路中串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻Rt。2 直流伺服電機(jī)調(diào)速方直流伺服電機(jī)調(diào)速方法法 2021-6-143 直流伺服電機(jī)的可控硅調(diào)速系統(tǒng)直流伺服電機(jī)的可控硅調(diào)速系統(tǒng) 可控硅可控硅(晶閘管晶閘管)直流調(diào)速系統(tǒng)，由電流調(diào)節(jié)直流調(diào)速系統(tǒng)，由電流調(diào)節(jié)回路回路(內(nèi)環(huán)內(nèi)環(huán))、速度調(diào)節(jié)回路、速度調(diào)節(jié)回路(外環(huán)外環(huán))和可控硅整和可控硅整流放大器流放大器(主回路主回路)等部分組成，如圖所示。等部分組成，如圖所示。 2021-6-14 來自控裝置的速度指令電壓來自控裝置的速度指令電壓U

5、p，一般，一般010V的直流電壓與速度反饋電壓的直流電壓與速度反饋電壓UG(由測(cè)速發(fā)電由測(cè)速發(fā)電機(jī)或脈沖編碼器檢測(cè)并經(jīng)變換而得機(jī)或脈沖編碼器檢測(cè)并經(jīng)變換而得)比較后、比較后、其偏差值送到速度調(diào)節(jié)器其偏差值送到速度調(diào)節(jié)器ST的輸入端，速度的輸入端，速度調(diào)節(jié)器的輸出就是電流指令信號(hào)調(diào)節(jié)器的輸出就是電流指令信號(hào)Ui， Ui與電與電流反饋信號(hào)流反饋信號(hào)Ui(由霍爾元件檢測(cè)器測(cè)出并經(jīng)變由霍爾元件檢測(cè)器測(cè)出并經(jīng)變換而得換而得)比較后，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器比較后，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器LT輸出輸出Uk到觸到觸發(fā)電路，產(chǎn)生主回路中晶閘管的觸發(fā)脈沖，發(fā)電路，產(chǎn)生主回路中晶閘管的觸發(fā)脈沖，通過脈沖分配器去觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管。通過脈沖

6、分配器去觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管。3 直流伺服電機(jī)的可控硅調(diào)速系統(tǒng)直流伺服電機(jī)的可控硅調(diào)速系統(tǒng) 2021-6-14可控硅直流調(diào)速主回路可控硅直流調(diào)速主回路 2021-6-144 直流伺服電機(jī)的脈沖調(diào)寬調(diào)速系統(tǒng)直流伺服電機(jī)的脈沖調(diào)寬調(diào)速系統(tǒng) 直流伺服電機(jī)的脈沖調(diào)寬調(diào)速系統(tǒng)的原理如直流伺服電機(jī)的脈沖調(diào)寬調(diào)速系統(tǒng)的原理如圖所示它是一個(gè)雙閉環(huán)的脈寬調(diào)速系統(tǒng)。系圖所示它是一個(gè)雙閉環(huán)的脈寬調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)的主電路是晶體管脈寬調(diào)制放大器統(tǒng)的主電路是晶體管脈寬調(diào)制放大器PWM，此外還有速度控制回路和電流控制回路此外還有速度控制回路和電流控制回路 2021-6-14 測(cè)速發(fā)電機(jī)或脈沖編碼器測(cè)速發(fā)電機(jī)或脈沖編碼器TG檢測(cè)電

7、機(jī)的速度并變檢測(cè)電機(jī)的速度并變換換成反饋電壓成反饋電壓UG與速度給定電壓與速度給定電壓Up在速度控制器在速度控制器ST的的輸入端進(jìn)行比較，構(gòu)成速度環(huán)。電機(jī)的電樞電流由霍輸入端進(jìn)行比較，構(gòu)成速度環(huán)。電機(jī)的電樞電流由霍爾元件檢測(cè)器測(cè)量，并輸出反饋電壓從與速度控制器爾元件檢測(cè)器測(cè)量，并輸出反饋電壓從與速度控制器的輸出電壓的輸出電壓Ui*在電流控制器在電流控制器LT的輸入端進(jìn)行比較，這的輸入端進(jìn)行比較，這樣構(gòu)成電流環(huán)。電流控制器的輸出樣構(gòu)成電流環(huán)。電流控制器的輸出UC是經(jīng)變換后的速是經(jīng)變換后的速度指令電壓它與三角波度指令電壓它與三角波UT經(jīng)脈寬調(diào)制電路經(jīng)脈寬調(diào)制電路C，調(diào)制，調(diào)制后得到調(diào)寬的脈沖系列，

8、它作為控制信號(hào)輸送到晶體后得到調(diào)寬的脈沖系列，它作為控制信號(hào)輸送到晶體管脈寬調(diào)制放大器管脈寬調(diào)制放大器PWM各相關(guān)晶體管的基極，使調(diào)寬各相關(guān)晶體管的基極，使調(diào)寬脈沖系列得到放大，成為直流伺服電機(jī)電樞的輸入電脈沖系列得到放大，成為直流伺服電機(jī)電樞的輸入電壓。壓。4 直流伺服電機(jī)的脈沖調(diào)寬調(diào)速系統(tǒng)直流伺服電機(jī)的脈沖調(diào)寬調(diào)速系統(tǒng) 2021-6-14直流脈寬調(diào)制信號(hào)直流脈寬調(diào)制信號(hào) 2021-6-14晶體管脈寬放大器晶體管脈寬放大器 2021-6-14三三 交流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)l在交流伺服系統(tǒng)中，按電機(jī)種類可分為同在交流伺服系統(tǒng)中，按電機(jī)種類可分為同步型和異步型（感應(yīng)電機(jī)）兩種。數(shù)控機(jī)

9、床進(jìn)給步型和異步型（感應(yīng)電機(jī)）兩種。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中多采用永磁式同步電機(jī)，同步電機(jī)的伺服系統(tǒng)中多采用永磁式同步電機(jī)，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由供電頻率所決定的，即在電源電壓和頻轉(zhuǎn)速是由供電頻率所決定的，即在電源電壓和頻率固定不變時(shí)，它的轉(zhuǎn)速是穩(wěn)定不變的。由變頻率固定不變時(shí)，它的轉(zhuǎn)速是穩(wěn)定不變的。由變頻電源供電給同步電機(jī)時(shí)，能方便地獲得與頻率成電源供電給同步電機(jī)時(shí)，能方便地獲得與頻率成正比的可變速度，可以得到非常硬的機(jī)械特性及正比的可變速度，可以得到非常硬的機(jī)械特性及寬的調(diào)速范圍。寬的調(diào)速范圍。l 交流主軸電機(jī)多采用交流異步電機(jī)，很少采交流主軸電機(jī)多采用交流異步電機(jī)，很少采用永磁同步電機(jī)，主要因?yàn)?/p>

10、永磁同步電機(jī)的容量用永磁同步電機(jī)，主要因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)的容量做得不夠大，且電機(jī)成本較高。另外主軸驅(qū)動(dòng)系做得不夠大，且電機(jī)成本較高。另外主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不象進(jìn)給系統(tǒng)那樣要求很高的性能，調(diào)速范圍統(tǒng)不象進(jìn)給系統(tǒng)那樣要求很高的性能，調(diào)速范圍也不要太大。因此，采用異步電機(jī)完全可以滿足也不要太大。因此，采用異步電機(jī)完全可以滿足數(shù)控機(jī)床主軸的要求，籠型異步電機(jī)多用在主軸數(shù)控機(jī)床主軸的要求，籠型異步電機(jī)多用在主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。 2021-6-14 矢量控制理論最先是在矢量控制理論最先是在1971年由德年由德國學(xué)者國學(xué)者F.Blachke提出的。在伺提出的。在伺 服系服系統(tǒng)中，直流伺服電機(jī)能獲得優(yōu)良的動(dòng)態(tài)

11、統(tǒng)中，直流伺服電機(jī)能獲得優(yōu)良的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)性能，其根本原因是被控制量只與靜態(tài)性能，其根本原因是被控制量只有電機(jī)磁場(chǎng)和電樞電流有電機(jī)磁場(chǎng)和電樞電流Ia，且這兩個(gè)量且這兩個(gè)量是獨(dú)立的。此外，電磁轉(zhuǎn)矩：是獨(dú)立的。此外，電磁轉(zhuǎn)矩： 2021-6-14與磁通與磁通和電樞電流和電樞電流Ia分別成正比關(guān)系。因此，控制分別成正比關(guān)系。因此，控制簡(jiǎn)單，性能為線性。如果能夠模擬直流電機(jī)，求出交簡(jiǎn)單，性能為線性。如果能夠模擬直流電機(jī)，求出交流電機(jī)與之對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)與電樞電流，分別而獨(dú)立地加流電機(jī)與之對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)與電樞電流，分別而獨(dú)立地加以控制，就會(huì)使交流電機(jī)具有與直流電機(jī)近似的優(yōu)良以控制，就會(huì)使交流電機(jī)具有與直流電機(jī)近似的優(yōu)良特性。為此，必須將三相交變量（矢量）轉(zhuǎn)換為與之特性。為此，必須將三相交變量（矢量）轉(zhuǎn)換為與之等效的直流量（標(biāo)量），建立起交流電機(jī)的等效模等效的直流量（標(biāo)量），建立起交流電機(jī)的等效模型，然后按直流電機(jī)的控制方法對(duì)其進(jìn)行控制。型，然后按直流電機(jī)的控制方法對(duì)其進(jìn)行控制。 2021-6-14電機(jī)選擇步驟電機(jī)選擇步驟1 確定運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)確定運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 2021-6-142 加減速時(shí)間、勻速時(shí)間、停止時(shí)間