任務6-1伺服電機基礎

1、項目6伺服電機及其控制任務6-1伺服電機基礎能力目標：能力目標：1 1、能、能夠正確描述伺服電機的特點、種類及應用夠正確描述伺服電機的特點、種類及應用2 2、掌握直流伺服電機的種類、結構及特點、掌握直流伺服電機的種類、結構及特點3 3、掌握交流伺服電機的種類、結構及特點、掌握交流伺服電機的種類、結構及特點4 4、理解交流伺服電機的工作原理及控制方法、理解交流伺服電機的工作原理及控制方法知識目標：知識目標：1 1、掌握伺服電機的基本結構及工作原理、掌握伺服電機的基本結構及工作原理2 2、理解開環(huán)、半閉環(huán)及全閉環(huán)的概念、理解開環(huán)、半閉環(huán)及全閉環(huán)的概念任務6-1伺服電機基礎伺服控制系統(tǒng)簡介1、伺服系

2、統(tǒng)概念用來精確地跟隨或復現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)專指被控制量是機械位移或速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機械位移（或轉角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉角）。2、伺服系統(tǒng)的組成控制器控制器被控對象被控對象執(zhí)行環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)檢測環(huán)節(jié)檢測環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)組成 伺服（Servo）是ServoMechanism一詞的簡寫，來源于希臘，其含義是奴隸，顧名思義，就是指系統(tǒng)跟隨外部指令進行人們所期望的運動，而其中的運動要素包括位置、速度和力矩等物理量。任務6-1伺服電機基礎伺服控制系統(tǒng)簡介2、伺服系統(tǒng)的組成比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進行比較,以獲得輸出與輸入間的偏差信號的

3、環(huán)節(jié),通常由專門的電路或計算機來實現(xiàn)。控制器通常是計算機或PID控制電路,其主要任務是對比較元件輸出的偏差信號進行變換處理,以控制執(zhí)行元件按要求動作。執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號的要求,將輸入的各種形式的能量轉化成機械能,驅動被控對象工作.機電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機或液壓,氣動伺服機構等。位移，速度，加速度，力，和力矩為被控對象。檢測環(huán)節(jié)是指能夠對輸出進行測量并轉換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置,一般包括傳感器和轉換電路任務6-1伺服電機基礎伺服控制系統(tǒng)簡介3、伺服系統(tǒng)的分類按控制方式分：開環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)按驅動元件分：步進式伺服系統(tǒng)直流電機伺服系統(tǒng)交流電機伺服系

4、統(tǒng)任務6-1伺服電機基礎伺服控制系統(tǒng)簡介3、伺服系統(tǒng)的分類開環(huán)系統(tǒng)：開環(huán)系統(tǒng)：指令信號流程是單向的，其精度主要決定于驅動元器件和電機(步進電機)的性能，無反饋。開環(huán)系統(tǒng)也比較容易穩(wěn)定，精度較低，成本低廉任務6-1伺服電機基礎伺服控制系統(tǒng)簡介3、伺服系統(tǒng)的分類半閉環(huán)系統(tǒng)：位置檢測裝置安裝在電動機或絲杠軸端，通過角位移的測量，間接測量機床工作臺的實際位置，并與指令值進行比較，用差值進行控制。半閉環(huán)控制系統(tǒng)以交、直流伺服電機作為驅動元件，由位置比較、速度控制、伺服電機等組成。任務6-1伺服電機基礎伺服控制系統(tǒng)簡介3、伺服系統(tǒng)的分類閉環(huán)系統(tǒng)：位置檢測裝置安裝在機床工作臺上，直接測量工作臺的實際位移，并

5、與指令值進行比較，用差值進行控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)以交直流伺服電機作為驅動元件，用于高精度設備的控制任務6-1伺服電機基礎伺服控制系統(tǒng)簡介4、伺服系統(tǒng)的特點n 精確的檢測裝置：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 高性能伺服電動機 ：電機的輸出力矩與轉動慣量的比值大，以產(chǎn)生足夠大的加速或制動力矩。在低速時有足夠大的輸出力矩且運轉平穩(wěn)，以便在與機械運動部分連接中盡量減少中間環(huán)節(jié)n 寬調速范圍的速度調節(jié)系統(tǒng)：把位置控制輸入轉換成相應的速度給定信號后，再通過調速系統(tǒng)驅動伺服電機，實現(xiàn)實際位移任務6-1伺服電機基礎伺服電動機的概念、特點及分類 伺服電機（se

6、rvo motor ），也稱為執(zhí)行電動機，在控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件，將電壓電壓信號轉換為軸上的轉角或轉速，以帶動控制對象。 伺服電機內部的轉子是永磁鐵，驅動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉子在此磁場的作用下轉動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器，驅動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較，調整轉子轉動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）也就是說伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，每旋轉一個角度，都會發(fā)出對應數(shù)量的脈沖，這樣伺服驅動器和伺服電機編碼器的脈沖形成了呼應，所以它是閉環(huán)控閉環(huán)控制制。概念：(1)調速范圍寬廣。伺服電動機的轉速隨著控制電壓改變，能在寬廣的范圍內連續(xù)調節(jié)。 (2)轉

7、子的慣性小，即能實現(xiàn)迅速啟動、停轉。(3)控制功率小，過載能力強，可靠性好。特點：分類：直流伺服電動機和交流伺服電動機任務6-1伺服電機基礎伺服電動機的編碼器編碼器編碼器部分部分 安裝在電機后端，其轉盤（光柵）安裝在電機后端，其轉盤（光柵）與電機同軸。與電機同軸。5V5V0V0V伺服電機控制精度取決于編碼器精度。伺服電機控制精度取決于編碼器精度。編碼器編碼器任務6-1伺服電機基礎伺服電動機的編碼器增量式光電編碼器結構1-均勻分布透光槽的編碼盤 2-LED光源 3-狹縫 4-正弦信號接收器 5-余弦信號接收器 6-零位讀出光電元件 7-轉軸 8-零位標記槽增量式編碼器是直接利用光電轉換原理輸出三

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方向。編碼器軸轉一圈會輸出固定的脈沖，脈沖數(shù)由編碼器光柵的線數(shù)決定。需要提高分辯率時，可利用90度相位差的 A、B 兩路信號進行倍頻或更換高分辯率編碼器。Z相為每轉一個脈沖，用于基準點定位。任務6-1伺服電機基礎直流伺服電動機1、種類和結構按勵磁方式分類：電磁式和永磁式按控制方式分類：磁場式和電樞式按結構形式分類：普通型直流伺服電機、盤型電樞直流伺服電機、空心杯 直流伺服電機、無槽型直流伺服電機任務6-1伺服電機基礎直流伺服電動機2、直流伺服電機的控制TKKRKUnETE2a 直流伺服電機的機械特性公式與他勵直流電機相同通

9、過改變電樞電壓U或磁通控制直流伺服電機的轉速（與普通直流電機不同）電樞控制 響應迅速、機械特性硬、調速特性線性度好只適合小功率場合，很少使用磁場控制控制方式：注意：永磁式直流伺服電機只能采用電樞控制體現(xiàn)伺服電機特點體現(xiàn)伺服電機特點：電電壓控制壓控制任務6-1伺服電機基礎直流伺服電動機3、直流伺服電機的特點（1）穩(wěn)定性好：具有較硬的機械特性，能夠在較寬的速度范圍內穩(wěn)定運行（2）可控性好：具有線性的調節(jié)特性，通過控制電樞電壓的大小和極性， 控制電機的轉速和轉向；當電樞電壓為零時，由于轉子 慣量很小，直流伺服電動機能立即停止。（3）響應迅速：較大的啟動轉矩和較小的轉動慣量，在控制信號的輸入、 增加、

10、減小或消失的瞬間，直流伺服電機能夠快速啟動， 增速、減速或停止。任務6-1伺服電機基礎交流伺服電動機1、種類同步型（SM）：感應型（IM）：籠型感應電動機，勵磁電流和轉矩電流可控采用永磁結構的同步電動機，內部有編碼器檢測磁鐵轉子的位置任務6-1伺服電機基礎交流伺服電動機2、結構交流伺服電動機就是一臺兩相交流異步電機。它的定子上裝有空間互差900的兩個繞組：勵磁繞組和控制繞組，其結構如圖所示。勵磁繞組勵磁繞組控制繞組控制繞組杯形轉子杯形轉子內定子內定子轉子結構形式：與鼠籠式三相電機轉子結構類似空心薄壁圓筒，放置在內定子與外定子之間籠形：杯形：外定外定子子任務6-1伺服電機基礎交流伺服電動機2、工

11、作原理回顧單相異步電動機的工作原理工作繞組工作繞組起起動動繞繞組組S轉子轉子CABiAiB交流伺服電機勵磁繞組控制繞組任務6-1伺服電機基礎交流伺服電動機2、工作原理放放大大器器檢檢測測元元件件2U2I+ +U+ +控制繞組控制繞組勵磁繞組勵磁繞組U1I1U+ + + + 勵勵磁繞組串聯(lián)電容磁繞組串聯(lián)電容C C , , 是為了產(chǎn)生兩相旋轉磁場。是為了產(chǎn)生兩相旋轉磁場。適適當選擇電容的大小，可使通入兩個繞組的電流相位差接近當選擇電容的大小，可使通入兩個繞組的電流相位差接近9090 , ,從而產(chǎn)生從而產(chǎn)生所需的旋轉磁場。所需的旋轉磁場。 1 1UCU1I1UCU任務6-1伺服電機基礎交流伺服電動機

12、2、工作原理放放大大器器檢檢測測元元件件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，且勵磁電流控制繞組電流不同相時，因此便產(chǎn)生兩相旋轉磁場。在旋轉磁場的作用下，轉子便轉動起來勵磁繞組固定接在電源上，當控制電壓為零時，電機無起動轉矩，轉子不轉。上述特點與單相異步電機相似上述特點與單相異步電機相似任務6-1伺服電機基礎交流伺服電動機2、工作原理單相異步電動機在轉動后，若取消控制電壓僅由勵磁電壓單相供電，電機仍然按原來運行方向繼續(xù)轉動，存在“自轉自轉”現(xiàn)象，電機失去控制作用。交流伺

13、服電機要求：靜止狀態(tài)下，能服從控制信號的命令而轉動，電動機運行時如果控制電壓變?yōu)榱悖妱訖C立即停轉。結論：交流伺服電動機的參數(shù)選擇和一般單相異步電動機相似，將無法克服“自轉”現(xiàn)象任務6-1伺服電機基礎交流伺服電動機2、工作原理如何克服“自轉”現(xiàn)象呢？02 s121 sss01 s22 s21 s1T2T正正轉轉轉轉反反當單相勵磁時，在電動機運行范圍當單相勵磁時，在電動機運行范圍0S0S1 11102 s121 sss01 s22 s21 s1T2TS Sm m表示最大轉矩對應的轉差率T1T1maxmaxS S1m1m當單相勵磁時，在電動機運行范圍0S11時，轉矩為負值，產(chǎn)生制動轉矩，使轉子停轉

14、。反轉時也同樣為制動轉矩?？刂齐妷翰坏扔诹銜r的機械特性曲線任務6-1伺服電機基礎交流伺服電動機2、工作原理加在控制繞組上的控制電壓反相時(保持勵磁電壓不變)，由于旋轉磁場的旋轉方向發(fā)生變化，使電動機轉子反轉。加在控制繞組上的控制電壓大小變化時，其產(chǎn)生的旋轉磁場的橢圓度不同，從而產(chǎn)生的電磁轉矩也不同，從而改變電動機的轉速。0.80.8 U U2 20.60.6 U U2 2o on n體現(xiàn)伺服電機特點體現(xiàn)伺服電機特點：電電壓控制壓控制任務6-1伺服電機基礎交流伺服電動機3、控制方法控制電壓幅值勵磁電壓幅值兩電壓之間的相位差交流伺服電機的控制轉速和轉向兩相交流伺服電動機的控制方法：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6-1伺服電機基礎交流伺服電動機3、控制方法(1)幅值控制： 控制電壓和勵磁電壓保持相位差90，只改變控制電壓幅值，來控制電動機的轉速。在一定負載轉矩情況下，控制電壓越高，電動機轉速也越高。ABC 設電機的負載阻轉矩為TL，控制電壓0.25UC時,電機在特性點A A運行，轉速為na，這時電機產(chǎn)生的轉矩與負載阻轉矩相平衡。當控制電壓升高到0