任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)

1、項(xiàng)目6伺服電機(jī)及其控制任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)能力目標(biāo)：能力目標(biāo)：1 1、能、能夠正確描述伺服電機(jī)的特點(diǎn)、種類及應(yīng)用夠正確描述伺服電機(jī)的特點(diǎn)、種類及應(yīng)用2 2、掌握直流伺服電機(jī)的種類、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)、掌握直流伺服電機(jī)的種類、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)3 3、掌握交流伺服電機(jī)的種類、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)、掌握交流伺服電機(jī)的種類、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)4 4、理解交流伺服電機(jī)的工作原理及控制方法、理解交流伺服電機(jī)的工作原理及控制方法知識(shí)目標(biāo)：知識(shí)目標(biāo)：1 1、掌握伺服電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理、掌握伺服電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理2 2、理解開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)及全閉環(huán)的概念、理解開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)及全閉環(huán)的概念任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)伺服控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介1、伺服系

2、統(tǒng)概念用來(lái)精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過(guò)程的反饋控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)專指被控制量是機(jī)械位移或速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機(jī)械位移（或轉(zhuǎn)角）準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角）。2、伺服系統(tǒng)的組成控制器控制器被控對(duì)象被控對(duì)象執(zhí)行環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)檢測(cè)環(huán)節(jié)檢測(cè)環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)組成 伺服（Servo）是ServoMechanism一詞的簡(jiǎn)寫(xiě)，來(lái)源于希臘，其含義是奴隸，顧名思義，就是指系統(tǒng)跟隨外部指令進(jìn)行人們所期望的運(yùn)動(dòng)，而其中的運(yùn)動(dòng)要素包括位置、速度和力矩等物理量。任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)伺服控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介2、伺服系統(tǒng)的組成比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號(hào)與系統(tǒng)的反饋信號(hào)進(jìn)行比較,以獲得輸出與輸入間的偏差信號(hào)的

3、環(huán)節(jié),通常由專門的電路或計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)?？刂破魍ǔＪ怯?jì)算機(jī)或PID控制電路,其主要任務(wù)是對(duì)比較元件輸出的偏差信號(hào)進(jìn)行變換處理,以控制執(zhí)行元件按要求動(dòng)作。執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號(hào)的要求,將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能,驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象工作.機(jī)電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機(jī)或液壓,氣動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)等。位移，速度，加速度，力，和力矩為被控對(duì)象。檢測(cè)環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測(cè)量并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置,一般包括傳感器和轉(zhuǎn)換電路任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)伺服控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介3、伺服系統(tǒng)的分類按控制方式分：開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)按驅(qū)動(dòng)元件分：步進(jìn)式伺服系統(tǒng)直流電機(jī)伺服系統(tǒng)交流電機(jī)伺服系

4、統(tǒng)任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)伺服控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介3、伺服系統(tǒng)的分類開(kāi)環(huán)系統(tǒng)：開(kāi)環(huán)系統(tǒng)：指令信號(hào)流程是單向的，其精度主要決定于驅(qū)動(dòng)元器件和電機(jī)(步進(jìn)電機(jī))的性能，無(wú)反饋。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)也比較容易穩(wěn)定，精度較低，成本低廉任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)伺服控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介3、伺服系統(tǒng)的分類半閉環(huán)系統(tǒng)：位置檢測(cè)裝置安裝在電動(dòng)機(jī)或絲杠軸端，通過(guò)角位移的測(cè)量，間接測(cè)量機(jī)床工作臺(tái)的實(shí)際位置，并與指令值進(jìn)行比較，用差值進(jìn)行控制。半閉環(huán)控制系統(tǒng)以交、直流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，由位置比較、速度控制、伺服電機(jī)等組成。任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)伺服控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介3、伺服系統(tǒng)的分類閉環(huán)系統(tǒng)：位置檢測(cè)裝置安裝在機(jī)床工作臺(tái)上，直接測(cè)量工作臺(tái)的實(shí)際位移，并

5、與指令值進(jìn)行比較，用差值進(jìn)行控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)以交直流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，用于高精度設(shè)備的控制任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)伺服控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介4、伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)n 精確的檢測(cè)裝置：以組成速度和位置閉環(huán)控制n 有多種反饋比較原理與方法：脈沖比較、相位比較和幅值比較n 高性能伺服電動(dòng)機(jī) ：電機(jī)的輸出力矩與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比值大，以產(chǎn)生足夠大的加速或制動(dòng)力矩。在低速時(shí)有足夠大的輸出力矩且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，以便在與機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分連接中盡量減少中間環(huán)節(jié)n 寬調(diào)速范圍的速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)：把位置控制輸入轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的速度給定信號(hào)后，再通過(guò)調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)際位移任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)伺服電動(dòng)機(jī)的概念、特點(diǎn)及分類 伺服電機(jī)（se

6、rvo motor ），也稱為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件，將電壓電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為軸上的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速，以帶動(dòng)控制對(duì)象。 伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）也就是說(shuō)伺服電機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)編碼器的脈沖形成了呼應(yīng)，所以它是閉環(huán)控閉環(huán)控制制。概念：(1)調(diào)速范圍寬廣。伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著控制電壓改變，能在寬廣的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。 (2)轉(zhuǎn)

7、子的慣性小，即能實(shí)現(xiàn)迅速啟動(dòng)、停轉(zhuǎn)。(3)控制功率小，過(guò)載能力強(qiáng)，可靠性好。特點(diǎn)：分類：直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)伺服電動(dòng)機(jī)的編碼器編碼器編碼器部分部分 安裝在電機(jī)后端，其轉(zhuǎn)盤（光柵）安裝在電機(jī)后端，其轉(zhuǎn)盤（光柵）與電機(jī)同軸。與電機(jī)同軸。5V5V0V0V伺服電機(jī)控制精度取決于編碼器精度。伺服電機(jī)控制精度取決于編碼器精度。編碼器編碼器任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)伺服電動(dòng)機(jī)的編碼器增量式光電編碼器結(jié)構(gòu)1-均勻分布透光槽的編碼盤 2-LED光源 3-狹縫 4-正弦信號(hào)接收器 5-余弦信號(hào)接收器 6-零位讀出光電元件 7-轉(zhuǎn)軸 8-零位標(biāo)記槽增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三

8、組方波脈沖A、B和Z相。A、B兩組脈沖相位差90，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向。編碼器軸轉(zhuǎn)一圈會(huì)輸出固定的脈沖，脈沖數(shù)由編碼器光柵的線數(shù)決定。需要提高分辯率時(shí)，可利用90度相位差的 A、B 兩路信號(hào)進(jìn)行倍頻或更換高分辯率編碼器。Z相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)直流伺服電動(dòng)機(jī)1、種類和結(jié)構(gòu)按勵(lì)磁方式分類：電磁式和永磁式按控制方式分類：磁場(chǎng)式和電樞式按結(jié)構(gòu)形式分類：普通型直流伺服電機(jī)、盤型電樞直流伺服電機(jī)、空心杯 直流伺服電機(jī)、無(wú)槽型直流伺服電機(jī)任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)直流伺服電動(dòng)機(jī)2、直流伺服電機(jī)的控制TKKRKUnETE2a 直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性公式與他勵(lì)直流電機(jī)相同通

9、過(guò)改變電樞電壓U或磁通控制直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速（與普通直流電機(jī)不同）電樞控制 響應(yīng)迅速、機(jī)械特性硬、調(diào)速特性線性度好只適合小功率場(chǎng)合，很少使用磁場(chǎng)控制控制方式：注意：永磁式直流伺服電機(jī)只能采用電樞控制體現(xiàn)伺服電機(jī)特點(diǎn)體現(xiàn)伺服電機(jī)特點(diǎn)：電電壓控制壓控制任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)直流伺服電動(dòng)機(jī)3、直流伺服電機(jī)的特點(diǎn)（1）穩(wěn)定性好：具有較硬的機(jī)械特性，能夠在較寬的速度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行（2）可控性好：具有線性的調(diào)節(jié)特性，通過(guò)控制電樞電壓的大小和極性， 控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向；當(dāng)電樞電壓為零時(shí)，由于轉(zhuǎn)子 慣量很小，直流伺服電動(dòng)機(jī)能立即停止。（3）響應(yīng)迅速：較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，在控制信號(hào)的輸入、 增加、

10、減小或消失的瞬間，直流伺服電機(jī)能夠快速啟動(dòng)， 增速、減速或停止。任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)交流伺服電動(dòng)機(jī)1、種類同步型（SM）：感應(yīng)型（IM）：籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流可控采用永磁結(jié)構(gòu)的同步電動(dòng)機(jī)，內(nèi)部有編碼器檢測(cè)磁鐵轉(zhuǎn)子的位置任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)交流伺服電動(dòng)機(jī)2、結(jié)構(gòu)交流伺服電動(dòng)機(jī)就是一臺(tái)兩相交流異步電機(jī)。它的定子上裝有空間互差900的兩個(gè)繞組：勵(lì)磁繞組和控制繞組，其結(jié)構(gòu)如圖所示。勵(lì)磁繞組勵(lì)磁繞組控制繞組控制繞組杯形轉(zhuǎn)子杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)定子內(nèi)定子轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式：與鼠籠式三相電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)類似空心薄壁圓筒，放置在內(nèi)定子與外定子之間籠形：杯形：外定外定子子任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)交流伺服電動(dòng)機(jī)2、工

11、作原理回顧單相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理工作繞組工作繞組起起動(dòng)動(dòng)繞繞組組S轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子CABiAiB交流伺服電機(jī)勵(lì)磁繞組控制繞組任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)交流伺服電動(dòng)機(jī)2、工作原理放放大大器器檢檢測(cè)測(cè)元元件件2U2I+ +U+ +控制繞組控制繞組勵(lì)磁繞組勵(lì)磁繞組U1I1U+ + + + 勵(lì)勵(lì)磁繞組串聯(lián)電容磁繞組串聯(lián)電容C C , , 是為了產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。是為了產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。適適當(dāng)選擇電容的大小，可使通入兩個(gè)繞組的電流相位差接近當(dāng)選擇電容的大小，可使通入兩個(gè)繞組的電流相位差接近9090 , ,從而產(chǎn)生從而產(chǎn)生所需的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。所需的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 1 1UCU1I1UCU任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)交流伺服電動(dòng)機(jī)

12、2、工作原理放放大大器器檢檢測(cè)測(cè)元元件件2U2I+ +U+ +控制繞組控制繞組控制電壓控制電壓 與電源電壓與電源電壓 頻率相同，頻率相同，相位相同或反相。相位相同或反相。2UU若有控制電壓加在控制繞組上，且勵(lì)磁電流控制繞組電流不同相時(shí)，因此便產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)勵(lì)磁繞組固定接在電源上，當(dāng)控制電壓為零時(shí)，電機(jī)無(wú)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)。上述特點(diǎn)與單相異步電機(jī)相似上述特點(diǎn)與單相異步電機(jī)相似任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)交流伺服電動(dòng)機(jī)2、工作原理單相異步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)后，若取消控制電壓僅由勵(lì)磁電壓?jiǎn)蜗喙╇?，電機(jī)仍然按原來(lái)運(yùn)行方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，存在“自轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，電機(jī)失去控制作用。交流伺

13、服電機(jī)要求：靜止?fàn)顟B(tài)下，能服從控制信號(hào)的命令而轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)如果控制電壓變?yōu)榱悖妱?dòng)機(jī)立即停轉(zhuǎn)。結(jié)論：交流伺服電動(dòng)機(jī)的參數(shù)選擇和一般單相異步電動(dòng)機(jī)相似，將無(wú)法克服“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)交流伺服電動(dòng)機(jī)2、工作原理如何克服“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象呢？02 s121 sss01 s22 s21 s1T2T正正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)反反當(dāng)單相勵(lì)磁時(shí)，在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍當(dāng)單相勵(lì)磁時(shí)，在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍0S0S1 11102 s121 sss01 s22 s21 s1T2TS Sm m表示最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率T1T1maxmaxS S1m1m當(dāng)單相勵(lì)磁時(shí)，在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍0S11時(shí)，轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)

14、。反轉(zhuǎn)時(shí)也同樣為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩?？刂齐妷翰坏扔诹銜r(shí)的機(jī)械特性曲線任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)交流伺服電動(dòng)機(jī)2、工作原理加在控制繞組上的控制電壓反相時(shí)(保持勵(lì)磁電壓不變)，由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。加在控制繞組上的控制電壓大小變化時(shí)，其產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的橢圓度不同，從而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也不同，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。0.80.8 U U2 20.60.6 U U2 2o on n體現(xiàn)伺服電機(jī)特點(diǎn)體現(xiàn)伺服電機(jī)特點(diǎn)：電電壓控制壓控制任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)交流伺服電動(dòng)機(jī)3、控制方法控制電壓幅值勵(lì)磁電壓幅值兩電壓之間的相位差交流伺服電機(jī)的控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方法：幅值控制幅值控制相位控制相位控制幅相控制幅相控制任務(wù)6-1伺服電機(jī)基礎(chǔ)交流伺服電動(dòng)機(jī)3、控制方法(1)幅值控制： 控制電壓和勵(lì)磁電壓保持相位差90，只改變控制電壓幅值，來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩情況下，控制電壓越高，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也越高。ABC 設(shè)電機(jī)的負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩為TL，控制電壓0.25UC時(shí),電機(jī)在特性點(diǎn)A A運(yùn)行，轉(zhuǎn)速為na，這時(shí)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩相平衡。當(dāng)控制電壓升高到0