伺服電機(jī)與伺服控制系統(tǒng)原理ppt課件

1、課題二伺服電機(jī)與伺服控制系統(tǒng)原理指點(diǎn)教師：段建中 學(xué)生：虎鑫 學(xué)號(hào)：12019240649 2019-3-15 根本概念的引見(jiàn)與舉例 伺服電機(jī)原理引見(jiàn) 伺服控制系統(tǒng)引見(jiàn) 總結(jié)內(nèi)容 “伺服詞源于希臘語(yǔ)“奴隸的意思。一、“伺服的含義 Servomechanism伺服系統(tǒng)運(yùn)用舉例2機(jī)械手手臂伸縮運(yùn)動(dòng)的電液伺服系統(tǒng)原理圖。1電放大器 2電液伺服閥 3液壓缸 4機(jī)械手手臂 5齒輪齒條機(jī)構(gòu) 6電位器 7步進(jìn)電機(jī) 伺服系統(tǒng)運(yùn)用舉例1圖圖1.7 液壓仿形車(chē)床任務(wù)原理圖液壓仿形車(chē)床任務(wù)原理圖 1.2.3.4節(jié)流口5工件6刀具7樣件8觸銷(xiāo)9油缸10油泵二二. 伺服系統(tǒng)的定義：伺服系統(tǒng)的定義： (servomech

2、anism)(servo-system 伺服系統(tǒng)是指實(shí)現(xiàn)輸出變量伺服系統(tǒng)是指實(shí)現(xiàn)輸出變量準(zhǔn)確地跟隨或復(fù)現(xiàn)輸入變量的控制系準(zhǔn)確地跟隨或復(fù)現(xiàn)輸入變量的控制系統(tǒng)。統(tǒng)。伺服電機(jī)伺服電機(jī)伺服電機(jī)servo motor 伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，它的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速受信號(hào)電壓控制系統(tǒng)中，它的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速受信號(hào)電壓控制。當(dāng)信號(hào)電壓的大小和相位發(fā)生變化時(shí)，制。當(dāng)信號(hào)電壓的大小和相位發(fā)生變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向?qū)⒎浅ｌ`敏和準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向?qū)⒎浅ｌ`敏和準(zhǔn)確地跟著變化。當(dāng)信號(hào)消逝時(shí)，轉(zhuǎn)子能及確地跟著變化。當(dāng)信號(hào)消逝時(shí)，轉(zhuǎn)子能及時(shí)地停轉(zhuǎn)。時(shí)地停轉(zhuǎn)。伺服電機(jī)的分

3、類(lèi)伺服電機(jī)伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)鼠籠轉(zhuǎn)子鼠籠轉(zhuǎn)子杯形轉(zhuǎn)子杯形轉(zhuǎn)子安培定律FBilBil磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度導(dǎo)體中的電流導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度2(/)Wb m( )A( )m直流電機(jī)原理如下圖： N和S是一對(duì)固定的磁極普通是電磁鐵，也可為永久磁鐵，兩級(jí)之間裝著一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵質(zhì)圓柱體，圓柱體外表上固定這一個(gè)線圈，上邊為a，下圈為x，通入如下圖的電流根據(jù)左手定那么便可得出電磁轉(zhuǎn)矩。xNSFF載流線圈在磁場(chǎng)中產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩載流線圈在磁場(chǎng)中產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩ax一、直流電機(jī)原理為什么要用電刷？為什么要用電刷？一、直流電機(jī)的原理NS12345678nFFAB這樣的銜接方法只需一組線圈得電，繞組運(yùn)用

4、率低，那么如何提高繞組的運(yùn)用率呢？改良后的繞線NSn12345678改良后的繞組改良后的繞組提高了繞組的運(yùn)用率提高了繞組的運(yùn)用率直流電機(jī)的勵(lì)磁方式勵(lì)磁概念：由電流鼓勵(lì)出磁場(chǎng)的過(guò)程叫做勵(lì)磁。勵(lì)磁概念：由電流鼓勵(lì)出磁場(chǎng)的過(guò)程叫做勵(lì)磁。他勵(lì)他勵(lì)并勵(lì)并勵(lì)串勵(lì)串勵(lì)直流電機(jī)的根本方程式電氣系統(tǒng)的電動(dòng)平衡方程電氣系統(tǒng)的電動(dòng)平衡方程aaaffa aafffffafdiuG iR iLdtdiuR iLdtuuuaUIaIfIM感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)uau電氣系統(tǒng)的電動(dòng)平衡方程電氣系統(tǒng)的電動(dòng)平衡方程fuaifiaRfRaLfL電源電壓電樞繞組上的端電壓勵(lì)磁繞組上的端電壓電樞電流勵(lì)磁電流電樞電路的電阻勵(lì)磁回路的電阻

5、電樞回路的自感系數(shù)勵(lì)磁回路的自感系數(shù)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械角速度2. 機(jī)械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平衡方程20edTTTJdteT電磁轉(zhuǎn)矩2T0T負(fù)載轉(zhuǎn)矩空載損耗轉(zhuǎn)矩 假設(shè)電動(dòng)機(jī)以恒角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，那么 ： 0dJdt實(shí)例：直流伺服系統(tǒng)( )ie taiaR0() tNTBJMTaLbefi 常數(shù)實(shí)例：直流伺服系統(tǒng)伺服電機(jī)在磁化曲線的線性范圍內(nèi)運(yùn)用，因此氣隙磁通 正比于勵(lì)磁電流，即：ffK i式中：fK常數(shù)由電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩 正比于電樞電流和氣隙磁通的乘積，即MT1Mff aTK K i i式中：1K常數(shù)fi為磁場(chǎng)勵(lì)磁電流ai是電樞電流實(shí)例：直流伺服系統(tǒng)在電樞控制的直流電動(dòng)機(jī)中，勵(lì)磁電流為常數(shù)，故上式可寫(xiě)成：MT aTK

6、 i式中：TK電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)由控制輸入電壓由控制輸入電壓 開(kāi)場(chǎng)，系統(tǒng)的因果方程為開(kāi)場(chǎng)，系統(tǒng)的因果方程為( )ie t1.電樞電壓方程：aaa aibdiLR ieedt實(shí)例：直流伺服系統(tǒng)2.電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩MT aTK i3.轉(zhuǎn)矩平衡方程2002MNddJBTTdtdt4.電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)正比于速度0bbdeKdtbK反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)系統(tǒng)因果方程拉氏變換為實(shí)例：直流伺服系統(tǒng)200()( )( )( )( )( )()( )( )( )( )aaaibMTaNbbL sR IsE sE sTsK IsJsBssTsE sK ss當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩( )0NTs其傳送函數(shù)是:實(shí)例：直流伺服系統(tǒng)0( )( )( )

7、()()TiaaTbsKG sE ss L sRJsBK K( )iE s( )bE s( )bKs1aaL sR( )aIsTK( )MTs( )NTs1()s JsB0( ) s直流伺服電機(jī)的系統(tǒng)方框圖直流伺服電機(jī)的系統(tǒng)方框圖主要內(nèi)容7.3 7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制直流伺服電機(jī)及其速度控制mTaTKIaEEKn 一定一定aaaaRIEU電樞回路電壓平衡方程式電樞回路電壓平衡方程式感應(yīng)電勢(shì)與轉(zhuǎn)速關(guān)系感應(yīng)電勢(shì)與轉(zhuǎn)速關(guān)系電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩 直流伺服電機(jī)的調(diào)速原理與方法直流伺服電機(jī)的調(diào)速原理與方法MIaIfUfUaRaLaEaUaMIaIfUfUaRaLaEaUa原原理理圖圖等等效效圖圖電機(jī)

8、轉(zhuǎn)速與理想轉(zhuǎn)速的差電機(jī)轉(zhuǎn)速與理想轉(zhuǎn)速的差nn，反映了電機(jī)機(jī)械特性硬度，反映了電機(jī)機(jī)械特性硬度，nn越小轉(zhuǎn)矩對(duì)轉(zhuǎn)速變化的影響越小轉(zhuǎn)矩對(duì)轉(zhuǎn)速變化的影響程度越小，機(jī)械特性越硬。程度越小，機(jī)械特性越硬。n0主要內(nèi)容TTn n直流電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系直流電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系n=f(T)n=f(T)稱機(jī)械特性稱機(jī)械特性直流電機(jī)的根本調(diào)速方式有三種直流電機(jī)的根本調(diào)速方式有三種: :調(diào)理電阻調(diào)理電阻RaRa、調(diào)理電樞電壓、調(diào)理電樞電壓UaUa和調(diào)和調(diào)理磁通理磁通的值。的值。7.3 7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制直流伺服電機(jī)及其速度控制202aamEETamETURnTKK KRnTK K主要內(nèi)容他勵(lì)式直流伺

9、服電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式他勵(lì)式直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式202aamEETamETURnTKK KRnTK K電樞電阻調(diào)速很少采用，缺陷：電樞電阻調(diào)速很少采用，缺陷：不經(jīng)濟(jì)：要得到低速，不經(jīng)濟(jì)：要得到低速，R R很大，那么耗費(fèi)大量電能；很大，那么耗費(fèi)大量電能；低速，特性很軟，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性很差；低速，特性很軟，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性很差；調(diào)理平滑性差，操作費(fèi)力。調(diào)理平滑性差，操作費(fèi)力。7.3 7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制直流伺服電機(jī)及其速度控制主要內(nèi)容Tnn0R0R2R1202aamEETamETURnTKK KRnTK K主要內(nèi)容調(diào)理電樞電壓調(diào)壓調(diào)速時(shí)，直流電機(jī)機(jī)械特性為調(diào)理電樞電壓調(diào)壓調(diào)速時(shí)，直流電機(jī)機(jī)械特性為一

10、組平行線，只改動(dòng)電機(jī)的理想轉(zhuǎn)速一組平行線，只改動(dòng)電機(jī)的理想轉(zhuǎn)速n0 n0 ，堅(jiān)持了原，堅(jiān)持了原有較硬的機(jī)械特性，所以調(diào)壓調(diào)速主要用于伺服進(jìn)給有較硬的機(jī)械特性，所以調(diào)壓調(diào)速主要用于伺服進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)的調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)的調(diào)速UaNUa1 Ua2OTNnn0Nn01n02nNn1n2Ua2Ua1UaNNTNnNT12TOn02n01n0Nn2n1nNnN12假設(shè)假設(shè)nn值較大，不能夠值較大，不能夠?qū)崿F(xiàn)寬范圍的調(diào)速。永磁實(shí)現(xiàn)寬范圍的調(diào)速。永磁式直流伺服電機(jī)的式直流伺服電機(jī)的nn值值較小，因此，進(jìn)給系統(tǒng)常較小，因此，進(jìn)給系統(tǒng)常采用永磁式直流電機(jī)。采用永磁式直流電機(jī)。 7.3 7.3 直流伺服電機(jī)及其速

11、度控制直流伺服電機(jī)及其速度控制主要內(nèi)容調(diào)理磁通調(diào)磁調(diào)速不但改動(dòng)了電機(jī)的理想轉(zhuǎn)調(diào)理磁通調(diào)磁調(diào)速不但改動(dòng)了電機(jī)的理想轉(zhuǎn)速，而且使直流電機(jī)機(jī)械特性變軟速，而且使直流電機(jī)機(jī)械特性變軟UaNUa1 Ua2OTNnn0Nn01n02nNn1n2Ua2Ua1UaNNTNnNT12TOn02n01n0Nn2n1nNnN127.3 7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制直流伺服電機(jī)及其速度控制主要內(nèi)容 直流伺服電機(jī)速度控制單元的調(diào)速控制方直流伺服電機(jī)速度控制單元的調(diào)速控制方式式調(diào)速的概念有兩個(gè)方面的含義調(diào)速的概念有兩個(gè)方面的含義:1)改動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速：當(dāng)給定速度變化時(shí)改動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速：當(dāng)給定速度變化時(shí),電機(jī)的電機(jī)的速度隨之變

12、化速度隨之變化,并希望以最快的加減速到達(dá)并希望以最快的加減速到達(dá)新的給定速度值；新的給定速度值；2)當(dāng)給定速度不變化時(shí)當(dāng)給定速度不變化時(shí),電機(jī)的速度堅(jiān)持穩(wěn)定電機(jī)的速度堅(jiān)持穩(wěn)定不變。不變。7.3 7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制直流伺服電機(jī)及其速度控制主要內(nèi)容直流伺服電機(jī)速度控制單元的調(diào)速控制方式直流伺服電機(jī)速度控制單元的調(diào)速控制方式 需對(duì)直流電壓的大小和方向進(jìn)展控制需對(duì)直流電壓的大小和方向進(jìn)展控制直流伺服電機(jī)速度控制單元的作用：將轉(zhuǎn)速指令信號(hào)轉(zhuǎn)直流伺服電機(jī)速度控制單元的作用：將轉(zhuǎn)速指令信號(hào)轉(zhuǎn)換成電樞的電壓值，到達(dá)速度調(diào)理的目的。換成電樞的電壓值，到達(dá)速度調(diào)理的目的。直流電機(jī)速度控制單元常采用的

13、調(diào)速方法：直流電機(jī)速度控制單元常采用的調(diào)速方法： 1.晶閘管可控硅調(diào)速系統(tǒng)晶閘管可控硅調(diào)速系統(tǒng) 2.晶體管脈寬調(diào)制晶體管脈寬調(diào)制PWM Pulse Width Modulated調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)速系統(tǒng)。 主要內(nèi)容1 1晶閘管調(diào)速系統(tǒng)晶閘管調(diào)速系統(tǒng)常用于大功率及要求不很高的直流伺服電機(jī)調(diào)速控制。常用于大功率及要求不很高的直流伺服電機(jī)調(diào)速控制。7.3 7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制直流伺服電機(jī)及其速度控制U*n主要內(nèi)容速度速度調(diào)理器調(diào)理器電流電流調(diào)理器調(diào)理器觸發(fā)脈沖觸發(fā)脈沖發(fā)生器發(fā)生器可控硅可控硅電流反響電流反響速度反響速度反響電流檢測(cè)電流檢測(cè)編碼器編碼器電機(jī)電機(jī)+-UnInI*n+-US 控制控制

14、回路回路主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驅(qū)動(dòng)，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驅(qū)動(dòng)，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。速度環(huán)：速度調(diào)理，作用：好的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性。速度環(huán)：速度調(diào)理，作用：好的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性。電流環(huán)：電流調(diào)理，作用：系統(tǒng)快速性、穩(wěn)定性改善。電流環(huán)：電流調(diào)理，作用：系統(tǒng)快速性、穩(wěn)定性改善。觸發(fā)脈沖發(fā)生器：產(chǎn)生移相脈沖，使可控硅觸發(fā)角前移觸發(fā)脈沖發(fā)生器：產(chǎn)生移相脈沖，使可控硅觸發(fā)角前移或后移?；蚝笠?。7.3 7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制直流伺服電機(jī)及其速度控制462791113581210ABCMUMUDKMKM+-主回路由大功率晶閘管構(gòu)成的三相全控橋式反并接可逆電主回路由大功

15、率晶閘管構(gòu)成的三相全控橋式反并接可逆電路，分成二大部分路，分成二大部分 和和 ，每部分內(nèi)按三相橋式銜，每部分內(nèi)按三相橋式銜接，二組反并接，分別實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)接，二組反并接，分別實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn) 和反轉(zhuǎn)。和反轉(zhuǎn)。各有一個(gè)可控硅同時(shí)導(dǎo)通，構(gòu)成回路。各有一個(gè)可控硅同時(shí)導(dǎo)通，構(gòu)成回路。7.3 7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制直流伺服電機(jī)及其速度控制1 1、3 3、5 5在正半周導(dǎo)通，在正半周導(dǎo)通， 2 2、4 4、6 6在負(fù)半周導(dǎo)在負(fù)半周導(dǎo)通。每組內(nèi)即二相間觸發(fā)脈沖相位相差通。每組內(nèi)即二相間觸發(fā)脈沖相位相差120120，觸發(fā)脈沖的順序：，觸發(fā)脈沖的順序：1-2-3-4-5-61-2-3-4-5-6，相鄰，相鄰之間相

16、位差之間相位差6060。為保證合閘后兩個(gè)串聯(lián)可控。為保證合閘后兩個(gè)串聯(lián)可控硅能同時(shí)導(dǎo)通，或已截止的相再次導(dǎo)通，采用硅能同時(shí)導(dǎo)通，或已截止的相再次導(dǎo)通，采用雙脈沖控制。即每個(gè)觸發(fā)脈沖在導(dǎo)通雙脈沖控制。即每個(gè)觸發(fā)脈沖在導(dǎo)通6060后，后，再補(bǔ)發(fā)一個(gè)輔助脈沖；也可以采用寬脈沖控制，再補(bǔ)發(fā)一個(gè)輔助脈沖；也可以采用寬脈沖控制，寬度大于寬度大于6060，小于，小于120120。7.3 7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制直流伺服電機(jī)及其速度控制 只需改動(dòng)可控只需改動(dòng)可控硅觸發(fā)角即改動(dòng)硅觸發(fā)角即改動(dòng)導(dǎo)通角，就能改導(dǎo)通角，就能改動(dòng)可控硅的整流輸動(dòng)可控硅的整流輸出電壓，從而改動(dòng)出電壓，從而改動(dòng)直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)直流伺

17、服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。速。 觸發(fā)脈沖提早，觸發(fā)脈沖提早，增大整流輸出電壓；增大整流輸出電壓；觸發(fā)脈沖延后，減觸發(fā)脈沖延后，減小整流輸出電壓。小整流輸出電壓。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晶閘管調(diào)理電路主要內(nèi)容2PWM調(diào)速控制系統(tǒng)調(diào)速控制系統(tǒng)利用大功率晶體管的開(kāi)關(guān)作用，將直流電壓轉(zhuǎn)換利用大功率晶體管的開(kāi)關(guān)作用，將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓，加到直流電動(dòng)機(jī)的電樞成一定頻率的方波電壓，加到直流電動(dòng)機(jī)的電樞上；經(jīng)過(guò)調(diào)整控制方波脈沖寬度來(lái)改

18、動(dòng)電樞的平上；經(jīng)過(guò)調(diào)整控制方波脈沖寬度來(lái)改動(dòng)電樞的平均電壓，從而調(diào)理電機(jī)的轉(zhuǎn)速。均電壓，從而調(diào)理電機(jī)的轉(zhuǎn)速?？刂齐娐泛?jiǎn)單，不需附加關(guān)斷電路，開(kāi)關(guān)特性好。控制電路簡(jiǎn)單，不需附加關(guān)斷電路，開(kāi)關(guān)特性好。 廣泛運(yùn)用中、小功率直流伺服系統(tǒng)。廣泛運(yùn)用中、小功率直流伺服系統(tǒng)。周期不變周期不變脈寬脈寬脈寬脈寬脈寬脈寬脈寬脈寬平均直流電壓平均直流電壓Ut周期不變周期不變7.3 7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制直流伺服電機(jī)及其速度控制主要內(nèi)容MUtttTonTEaIaUEaUaVDIa-+直流電機(jī)電壓的平均值直流電機(jī)電壓的平均值: : aonTaaETTETU01T脈沖周期，脈沖周期， Ton導(dǎo)通時(shí)間導(dǎo)通時(shí)間7.

19、3 7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制直流伺服電機(jī)及其速度控制脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制PWMPWM系統(tǒng)組成：系統(tǒng)組成：主要內(nèi)容主要內(nèi)容速度速度調(diào)理器調(diào)理器電流反響電流反響脈寬脈寬調(diào)制調(diào)制基極基極驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)功功放放振蕩器振蕩器 電流電流調(diào)理器調(diào)理器M M速速度度指指令令 三相交流電三相交流電整流整流速度反響速度反響UsrUsrUSCUSCU UUbUb7.3 7.3 直流伺服電機(jī)及其速度控制直流伺服電機(jī)及其速度控制 控制回路：控制回路： 速度調(diào)理器；電流調(diào)理器；固定頻率振蕩速度調(diào)理器；電流調(diào)理器；固定頻率振蕩器及三角波發(fā)生器；脈寬調(diào)制器和基極驅(qū)動(dòng)電路。器及三角波發(fā)生器；脈寬調(diào)制器和基極驅(qū)動(dòng)電路。 區(qū)別：區(qū)別： 與晶閘管調(diào)速系統(tǒng)比較，速度調(diào)理器和電與晶閘管調(diào)速系統(tǒng)比較，速度調(diào)理器和電流調(diào)理流調(diào)理 器原理一樣。不同的是脈寬調(diào)制器和功率放大器原理一樣。