運動控制技術(shù)(四)-執(zhí)行元件及驅(qū)動技術(shù)-直流伺服課件

步進電機直流伺服電機交流伺服電機機電伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行元件步進電機機電伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行元件伺服電機

伺服電動機必須具備可控性好、穩(wěn)定性高和適應(yīng)性強等基本性能。提高直流伺服電動機的力矩/慣量比可以使伺服系統(tǒng)在調(diào)速范圍內(nèi)都能平滑運轉(zhuǎn)，無爬行現(xiàn)象；具有較長時間的過載能力；有較小的轉(zhuǎn)動慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時間常數(shù)和啟動電壓；具有承受頻繁啟動、制動和正、反轉(zhuǎn)的能力。伺服電機

伺服電動機必須具備可控性好、穩(wěn)定性高和適應(yīng)性強等基選擇伺服電機和步進電機？步進電機伺服電機力矩范圍中小力矩（一般在20Nm以下）小、中、大，全范圍速度范圍低（一般在2000RPM以下，大力矩電機小于1000RPM高（可達5000RPM）,直流伺服電機更可達1~2萬轉(zhuǎn)/分

控制方式主要是位置控制多樣化智能化的控制方式，位置/轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩方式平滑性(低頻特性）低速時有振動（但用細分型驅(qū)動器則可明顯改善）好，運行平滑控制精度一般較低，細分型驅(qū)動時較高高（具體要看反饋裝置的分辨率）矩頻特性高速時，力矩下降快力矩特性好，特性較硬過載特性過載時會失步可3~10倍過載（短時）反饋方式大多數(shù)為開環(huán)控制，也可接編碼器，防止失步閉環(huán)方式，編碼器反饋編碼器類型---光電型旋轉(zhuǎn)編碼器（增量型/絕對值型），旋轉(zhuǎn)變壓器型響應(yīng)速度一般（需要200～400毫秒）快價格低較高選擇伺服電機和步進電機？步進電機伺服電機力矩范圍中小力矩（運動控制技術(shù)(四)-執(zhí)行元件及驅(qū)動技術(shù)-直流伺服4.3直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)4.3.1直流伺服電機工作原理與機械特性

（1）定子

:定子磁場由定子的磁極產(chǎn)生，根據(jù)磁場的產(chǎn)生方式，直流伺服電動機可分為永磁式和他勵式。永磁式磁極由永磁材料制成；他勵式磁極由沖裁的硅鋼片疊壓而成，外部繞線圈，通以直流電流便產(chǎn)生恒定磁場。（2）轉(zhuǎn)子:

又叫電樞，由硅鋼片疊壓而成，表面嵌有線圈，通以直流電時，在定子磁場作用下產(chǎn)生帶動負載旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩。（3）電刷與換向片:

為使產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩保持恒定方向，確保轉(zhuǎn)子能沿著固定的方向均勻連續(xù)旋轉(zhuǎn)，電刷與外加直流電源相接，換向片與電樞導體相接。4.3直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)4.3.1直流伺服電機工4.3.1直流電機工作原理與機械特性

4.3直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)直流電機電刷間的反電動勢：直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩表示為：

電樞回路中的電壓平衡方程式為:4.3.1直流電機工作原理與機械特性4.3直流伺服電動4.3.1直流電機工作原理與機械特性

4.3直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)直流電動機的機械特性方程式為:控制方式：1.電樞控制（主要）；2.磁極控制（少用）。4.3.1直流電機工作原理與機械特性4.3直流伺服電動4.3.1直流電機工作原理與機械特性

4.3直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)n0Tnnn稱為轉(zhuǎn)速降落Ua一定時，當Ｔ時n負載轉(zhuǎn)矩增加轉(zhuǎn)速下降反電勢減少電流增加電磁轉(zhuǎn)矩增加平衡電機以較低的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行4.3.1直流電機工作原理與機械特性4.3直流伺服電動4.3.1直流電機工作原理與機械特性

4.3直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)Td稱為啟動瞬時轉(zhuǎn)矩，其值也與電樞電壓成正比。N0是空載轉(zhuǎn)速;4.3.1直流電機工作原理與機械特性4.3直流伺服電動如何控制轉(zhuǎn)速使其保持恒定呢？改變電樞電壓，得到硬的機械特性，只能靠閉環(huán)控制Id4電機機械特性nIdn1Id1控制方法Id2Id34.3.1直流電機工作原理與機械特性

4.3直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)如何控制轉(zhuǎn)速使其保持恒定呢？改變電樞電壓，得到硬的機械特性，4.3.1直流電機工作原理與機械特性

4.3直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性也是一組斜率相同的直線簇。每條調(diào)節(jié)特性和一種電磁轉(zhuǎn)矩相對應(yīng)，與Ua軸的交點是啟動時的電樞電壓。4.3.1直流電機工作原理與機械特性4.3直流伺服電動4.3.2直流電機控制系統(tǒng)的數(shù)學模型

電樞電壓平衡方程為：4.3直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)電樞電流與電樞電壓之間傳遞函數(shù)為:

4.3.2直流電機控制系統(tǒng)的數(shù)學模型電樞電壓平衡方程為：4.3.2直流電機控制系統(tǒng)的數(shù)學模型

轉(zhuǎn)矩平衡方程為：4.3直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)——轉(zhuǎn)速慣量(N·m·s·min/r)

它與常用的轉(zhuǎn)動慣量(N·m·s2/rad)

的關(guān)系可從下式推得：即4.3.2直流電機控制系統(tǒng)的數(shù)學模型轉(zhuǎn)矩平衡方程為：4.4.3.2直流電機控制系統(tǒng)的數(shù)學模型

4.3直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)直流電機的精確模型4.3.2直流電機控制系統(tǒng)的數(shù)學模型4.3直流伺服電動4.3直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)引入一個機電時間常數(shù):電樞回路電磁時間常數(shù):4.3.2直流電機控制系統(tǒng)的數(shù)學模型

4.3直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)引入一個機電時間常數(shù):電轉(zhuǎn)速與電樞電壓間傳遞關(guān)系:4.3.2直流電機控制系統(tǒng)的數(shù)學模型

4.3直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)若電磁時間常數(shù)很小,既忽略電感:可見:直流伺服電機過渡過程的快慢,取決于機電時間常數(shù).為了加快系統(tǒng)響應(yīng)速度,可以:1.減小機械系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量;2.給電機供電的電源內(nèi)阻小,Ra小;3.加大等效反電動勢系數(shù)轉(zhuǎn)速與電樞電壓間傳遞關(guān)系:4.3.2直流電機控制系統(tǒng)的數(shù)4.3.3直流伺服電機的技術(shù)指標及選型額定功率PN,額定電壓UN

額定電流IN

在此功率下允許電機長期連續(xù)的運行而不過熱.額定轉(zhuǎn)速nN:額定轉(zhuǎn)矩TN,最大轉(zhuǎn)矩TM:電機在短時間內(nèi)可以輸出的最大轉(zhuǎn)矩,反應(yīng)其過載能力;(一般是額定轉(zhuǎn)矩的5~10倍)機電時間常數(shù)(通常小于20ms)電磁時間常數(shù)(通常小于5ms)轉(zhuǎn)動慣量4.3.3直流伺服電機的技術(shù)指標及選型額定功率PN連續(xù)工作區(qū)：電機可在轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的任意組合下長期工作。斷續(xù)工作區(qū)：電機只能作間斷工作，整流子和電刷工作于無火花的換向區(qū)，可承受低速大轉(zhuǎn)矩的工作狀態(tài)。間斷周期要根據(jù)載荷周期曲線求得。右圖為力矩過載倍數(shù)與導通時間的關(guān)系曲線。加減速區(qū)：電樞電流受去磁極限和瞬時換向極限的限制。電機只允許瞬時過渡。最高轉(zhuǎn)速最大轉(zhuǎn)矩連續(xù)工作區(qū)：電機可在轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的任意組合下長期工作。最高轉(zhuǎn)速對要求頻繁起動/制動的數(shù)控機床，為避免電機過熱，必須檢查在一個周期內(nèi)電機轉(zhuǎn)矩的均方根值，即有效力矩，并使它小于電機連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩。直流伺服電機的技術(shù)指標對要求頻繁起動/制動的數(shù)控機床，為避免電機過熱，必須檢查在一例1：滿足有效力矩小于電機連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩例1：滿足有效力矩小于電機連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩vv、TtO起動t1運動t2制動t3停止t4常見的速度輪廓曲線v、TtO起動t1制動t2停止t3梯形速度輪廓曲線三角形速度輪廓曲線vv、TtO起動t1運動t2制動t3停止t4常見的速例2：龍門刨床工作臺控制系統(tǒng)負載分析與綜合

設(shè)R為與工作臺齒條相嚙合的齒輪節(jié)圓半徑,i為電機與該齒輪之間傳動鏈的總速比，η為總效率。例2：龍門刨床工作臺控制設(shè)計實例伺服電機校核設(shè)計實例伺服電機校核運動控制技術(shù)(四)-執(zhí)行元件及驅(qū)動技術(shù)-直流伺服運動控制技術(shù)(四)-執(zhí)行元件及驅(qū)動技術(shù)-直流伺服運動控制技術(shù)(四)-執(zhí)行元件及驅(qū)動技術(shù)-直流伺服１.功率估算，初步選定電機；

一般電機功率大于負載功率的２－３倍

1)若電機在峰值負載轉(zhuǎn)矩下以峰值轉(zhuǎn)速驅(qū)動負載，則功率按峰值估算；２)若電機連續(xù)工作在變負載之下，按負載均方根估算。慣量匹配

1)小慣量電機，推薦JL<3Jm，保證靈敏性，快速性；２)大慣量電機，Jm＝0.1-0.6kgm2,慣量大轉(zhuǎn)矩大，熱時間常數(shù)大，過載能力強。推薦0.25<JL/Jm<1，保證靈敏性，快速性；伺服電機的選型１.功率估算，初步選定電機；伺服電機的選型２.發(fā)熱校核：負載波動頻繁時，要計算一個工作周期的負載力矩的均方根值Trms，使其小于電動機的額定力矩。３.轉(zhuǎn)矩過載校核：折算到電機軸的最大負載轉(zhuǎn)矩小于電機軸輸出最大轉(zhuǎn)矩。電機的最大轉(zhuǎn)矩一般為額定轉(zhuǎn)矩乘過載系數(shù)λ《３.伺服電機的選型伺服電機的選型例３.已知工作臺重量（含工件）m=100kg，工作臺移動速度VL=15m/min，摩擦系數(shù)μ=0.2，減速器效率η=80%，進給絲杠長度L=10000mm，直徑D=20mm，導程p=10mm。要求：每次移動量l=100mm，定位次數(shù)60次/min，定位時間0.5s以下。試選擇直流伺服電動機。解：1）增量運動圖假定速度運行圖如圖，則需啟動的時間：2）進給絲杠轉(zhuǎn)速若已計算出負載折算到電機軸總的轉(zhuǎn)動慣量:３)若傳動比i=2，則電機額定轉(zhuǎn)速：4）所需負載穩(wěn)態(tài)功率5）所需負載加速功率功率估算：1)根據(jù)力矩均方根及轉(zhuǎn)速估算功率；

2)分別計算穩(wěn)態(tài)功率及加速功率，求和。例３.已知工作臺重量（含工件）m=100kg，工作臺移動速7）所需加速啟動運行轉(zhuǎn)矩6）所需穩(wěn)態(tài)運行轉(zhuǎn)矩根據(jù)功率要求選擇電機，一般，所選電動機額定功率為負載穩(wěn)定運行功率和加速功率之和的２-３倍。初步選擇電機后，驗算其轉(zhuǎn)動力矩。8）所需減速運行轉(zhuǎn)矩9）轉(zhuǎn)矩有效值校核7）所需加速啟動運行轉(zhuǎn)矩6）所需穩(wěn)態(tài)運行轉(zhuǎn)矩根據(jù)功率要求選擇4.3.3直流伺服電機的驅(qū)動4.3.4直流伺服電動機調(diào)速系統(tǒng)及其驅(qū)動技術(shù)

晶閘管（可控硅）調(diào)速系統(tǒng)通過對晶閘管觸發(fā)角的控制來控制電機電樞電壓，以達到調(diào)速的目的。晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)通過脈寬調(diào)制器將直流電壓轉(zhuǎn)換成方波電壓，通過對方波脈沖寬度的控制，改變電樞的平均電壓，以達到調(diào)速的目的。4.3.3直流伺服電機的驅(qū)動4.3.4直流伺服電動機調(diào)1.晶閘管調(diào)速系統(tǒng)

包括控制回路：速度環(huán)、電流環(huán)、觸發(fā)脈沖發(fā)生器等。

主回路：可控硅整流放大器等。

速度環(huán)：速度調(diào)節(jié)（PI），作用：好的靜態(tài)、動態(tài)特性。電流環(huán)：電流調(diào)節(jié)(P或PI)。作用：加快響應(yīng)、啟動、低頻穩(wěn)定等。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?？煽毓枵鞣糯笃鳎赫?、放大、驅(qū)動，使電機轉(zhuǎn)動。速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器觸發(fā)脈沖發(fā)生器可控硅整流器電流反饋速度反饋電流檢測編碼器電機UR+-UfIfIR+-E1ES1.晶閘管調(diào)速系統(tǒng)

包括控制回路：速度環(huán)、電流環(huán)、觸發(fā)1).直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)

直流斬波器－－電動機系統(tǒng)原理圖和電壓波形電動機得到的平均電壓為：2.晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)1).直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)直流斬2).斬波器的三種控制方式直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理PWM:Pulsewidthmodulation2).斬波器的三種控制方式直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理P幾種典型PWM變換器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理幾種典型PWM變換器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理運動控制技術(shù)(四)-執(zhí)行元件及驅(qū)動技術(shù)-直流伺服1).無制動作用的不可逆PWM變換器1).無制動作用的不可逆PWM變換器工作狀態(tài)與波形工作狀態(tài)與波形運動控制技術(shù)(四)-執(zhí)行元件及驅(qū)動技術(shù)-直流伺服運動控制技術(shù)(四)-執(zhí)行元件及驅(qū)動技術(shù)-直流伺服（2）有制動的不可逆PWM變換器12一般電動狀態(tài)回路１回路２（2）有制動的不可逆PWM變換器12一般電動狀態(tài)回路１回路２運動控制技術(shù)(四)-執(zhí)行元件及驅(qū)動技術(shù)-直流伺服（2）有制動的不可逆PWM變換器輕載電動狀態(tài)：電動與制動交替出現(xiàn)回路４再生制動

回路３能耗制動

（2）有制動的不可逆PWM變換器輕載電動狀態(tài)：電動與制動交運動控制技術(shù)(四)-執(zhí)行元件及驅(qū)動技術(shù)-直流伺服（2）有制動的不可逆PWM變換器制動狀態(tài):當控制電壓突然減小，或者電動機在位能負載轉(zhuǎn)矩帶動下工作，會出現(xiàn)Ｅ＞Ｕd，即電動機處于發(fā)電運行狀態(tài)。3回路：電流方向與Ｅ同向，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩－能耗制動；４回路：因為電樞電感的作用，維持，能量回饋給電源－－再生制動（2）有制動的不可逆PWM變換器制動狀態(tài):當控制電壓突然減運動控制技術(shù)(四)-執(zhí)行元件及驅(qū)動技術(shù)-直流伺服（2）有制動的不可逆PWM變換器（2）有制動的不可逆PWM變換器

3）雙極式可逆PWM變換器3）雙極式可逆PWM變換器

3）雙極式可逆PWM變換器3）雙極式可逆PWM變換器工作狀態(tài)與波形電壓平衡方程：在一個開關(guān)周期內(nèi)電壓在+us,-us之間變換一次，所以稱作雙極性可逆ＰＷＭ變換器。工作狀態(tài)與波形電壓平衡方程：在一個開關(guān)周期內(nèi)電壓在+us,-運動控制技術(shù)(四)-執(zhí)行元件及驅(qū)動技術(shù)-直流伺服負載較輕時：四個回路交替運行OOOOt1t3Tt2t3t1Ub1、Ub4Ub2、Ub3UdUABidttttid1id1id4id2id3id4id2

3）雙極式可逆PWM變換器負載較輕時：四個回路交替運行OOOOt1t3Tt2t3t1相關(guān)方程：相關(guān)方程：Id-Idn正向電動正向制動反向電動反向制動-n

3）雙極式可逆PWM變換器Id-Idn正向電動正向制動反向電動反向制動-n3）雙極性能評價性能評價電路與雙極式相同，只是基極控制脈沖不同；在一個周期內(nèi)，ub1＝－ub2，VT1和VT2依然交替導通，右邊的VT3,VT4則不同，當電動機正轉(zhuǎn)時，ub3恒為負，ub4恒為正，反轉(zhuǎn)則相反；在一個開關(guān)周期內(nèi)，電壓在+us/-us，0之間變換一次，所以稱作單極性可逆ＰＷＭ變換器；對靜態(tài)動態(tài)要求低的系統(tǒng)，可采用單極性可逆ＰＷＭ變換器。

４）單極式可逆PWM變換器電路與雙極式相同，只是基極控制脈沖不同；４）單極式可逆PPWM變換器的數(shù)學模型

根據(jù)PWM功率變換器的工作原理，當控制電壓改變后，輸出電壓要到下一個周期才會改變，因此，脈寬調(diào)制器和PWM功率變換器合起來可以看作一個延時環(huán)節(jié)，最大延遲為一個開關(guān)周期T，由于調(diào)制頻率很高，遠遠高于系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的截止頻率，按照工程上小參數(shù)環(huán)節(jié)的簡化處理辦法，可以將其近似成一個小慣性環(huán)節(jié)，甚至直接看作一個比例環(huán)節(jié)。這樣，該環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可寫作：PWM變換器的數(shù)學模型根據(jù)PWM功率變換器的工作原運動控制技術(shù)(四)-執(zhí)行元件及驅(qū)動技術(shù)-直流伺服（2）晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器脈寬調(diào)制振蕩器基極驅(qū)動MG電流反饋U～usrusf整流功放（2）晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1速度調(diào)節(jié)器U

△U

SCott同向加法放大器電路圖USr

–速度指令轉(zhuǎn)化過來的直流電壓U△-三角波USC-脈寬調(diào)制器的輸出（USr

+U△）調(diào)制波形圖R1+12VUSCR1R3R2+-12VUSrU△-USr為0時調(diào)制出正負脈寬一樣方波平均電壓為0調(diào)制出脈寬較寬的波形平均電壓為正調(diào)制出脈寬較窄的波形平均電壓為負脈寬調(diào)制器tto-U

SrUSr為負時USr+U△USr+U△+U

SrottUSr為正時U△USCott同向加法放大器電路圖R1+12VUSC（2）晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2----數(shù)字控制器直接發(fā)出PWM控制信號

（2）晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2----數(shù)字控運動控制技術(shù)(四)-執(zhí)行元件及驅(qū)動技術(shù)-直流伺服運動控制技術(shù)(四)-執(zhí)行元件及驅(qū)動技術(shù)-直流伺服運動控制技術(shù)(四)-執(zhí)行元件及驅(qū)動技術(shù)-直流伺服仿真實驗

直流伺服電機閉環(huán)控制系統(tǒng)（位置/速度伺服）例4.2其中可控硅整流器傳函用PWM變換器傳函替換，機械系統(tǒng)傳動裝置按數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)模型建立。

參考相應(yīng)論文準備：第4章例子例5.1，速度閉環(huán)+位置閉環(huán)P134-142例5.4，5.55.6習題：5-6，5-7仿真實驗直流伺服電機閉環(huán)控制系統(tǒng)（位置/速度伺服）準備：66TL+-Mud0+-eRLn,TeidM直流電動機等效電路

假定主電路電流連續(xù)，則動態(tài)電壓方程為

電路方程2.2.3直流電機拖動系統(tǒng)66TL+-Mud0+-eRLn,TeidM直流電動機等67

如果忽略粘性磨擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電機軸上的動力學方程為

額定勵磁下電動機輸出的電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢分別為式中—包括電機空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負載轉(zhuǎn)矩，N.m；

—折算到電機軸上的飛輪慣量，N.m2；

—電機額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，N.m/A；TLGD267如果忽略粘性磨擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電機軸上的動力學方程為68代入，整理得式中為負載電流。

微分方程定義—電樞回路電磁時間常數(shù)，s；

—系統(tǒng)機電時間常數(shù)，s。68代入，整理得式中69

在零初始條件下，取等式兩側(cè)的拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù)

電流與電動勢間的傳遞函數(shù)

(1)

(2)

傳遞函數(shù)69在零初始條件下，取等式兩側(cè)的拉氏變換，得電70

動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

Id

(s)IdL(s)+-E

(s)RTmsb.式（2）的結(jié)構(gòu)圖E(s)Ud0+-1/RTls+1Id

(s)a.式（1）的結(jié)構(gòu)圖+n(s)c.整個直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖1/CeUd0IdL

(s)

EId(s)E++--1/RTls+1RTms70動態(tài)結(jié)構(gòu)圖Id(s)IdL(s)+-E(s)71

電機從輸入到輸出的物理學傳遞過程

n(s)直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖1/CeUd0IdL

(s)

EId(s)E++--1/RTls+1RTmsTL+-Mud0+-eRLn,TeidM直流電動機等效電路71電機從輸入到輸出的物理學傳遞過程n(s)直流電動機72

根據(jù)直流伺服電動機的物理模型，電樞電壓一部分被電動機反電動勢所平衡，剩余部分經(jīng)電樞回路電阻和電樞回路電感組成的慣性環(huán)節(jié)產(chǎn)生電樞電流，或者說是產(chǎn)生了正比于電樞電流的電磁轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩一部分用來克服摩擦力矩等穩(wěn)態(tài)條件下的恒值負載轉(zhuǎn)矩，剩余部分，即用來克服電動機加減速時的慣性轉(zhuǎn)矩，或者說是用來形成了加速度，對加速度進行積分即最終形成了轉(zhuǎn)速。72根據(jù)直流伺服電動機的物理模型，電樞電壓一部分73

由上圖c可以看出，直流電動機有兩個輸入量：施加在電樞上的理想空載電壓ud0，是控制輸入量負載電流idL，是擾動輸入量。如果不需要在結(jié)構(gòu)圖中顯現(xiàn)出電樞電流id，可將擾動量idL的綜合點前移，再進行等效變換，得下圖a。如果是理想空載，則IdL

=0，結(jié)構(gòu)圖即簡化成下圖b。

73由上圖c可以看出，直流電動機有兩個74n(s)Ud0

(s)+-1/CeTmTls2+Tms+1IdL

(s)R(Tls+1)

動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡化a.IdL≠0n(s)1/CeTmTls2+Tms+1Ud0

(s)b.IdL=0返回目錄74n(s)Ud0(s)+-1/CeTmTls2+T步進電機直流伺服電機交流伺服電機機電伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行元件步進電機機電伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行元件伺服電機

伺服電動機必須具備可控性好、穩(wěn)定性高和適應(yīng)性強等基本性能。提高直流伺服電動機的力矩/慣量比可以使伺服系統(tǒng)在調(diào)速范圍內(nèi)都能平滑運轉(zhuǎn)，無爬行現(xiàn)象；具有較長時間的過載能力；有較小的轉(zhuǎn)動慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時間常數(shù)和啟動電壓；具有承受頻繁啟動、制動和正、反轉(zhuǎn)的能力。伺服電機

伺服電動機必須具備可控性好、穩(wěn)定性高和適應(yīng)性強等基選擇伺服電機和步進電機？步進電機伺服電機力矩范圍中小力矩（一般在20Nm以下）小、中、大，全范圍速度范圍低（一般在2000RPM以下，大力矩電機小于1000RPM高（可達5000RPM）,直流伺服電機更可達1~2萬轉(zhuǎn)/分

控制方式主要是位置控制多樣化智能化的控制方式，位置/轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩方式平滑性(低頻特性）低速時有振動（但用細分型驅(qū)動器則可明顯改善）好，運行平滑控制精度一般較低，細分型驅(qū)動時較高高（具體要看反饋裝置的分辨率）矩頻特性高速時，力矩下降快力矩特性好，特性較硬過載特性過載時會失步可3~10倍過載（短時）反饋方式大多數(shù)為開環(huán)控制，也可接編碼器，防止失步閉環(huán)方式，編碼器反饋編碼器類型---光電型旋轉(zhuǎn)編碼器（增量型/絕對值型），旋轉(zhuǎn)變壓器型響應(yīng)速度一般（需要200～400毫秒）快價格低較高選擇伺服電機和步進電機？步進電機伺服電機力矩范圍中小力矩（運動控制技術(shù)(四)-執(zhí)行元件及驅(qū)動技術(shù)-直流伺服4.3直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)4.3.1直流伺服電機工作原理與機械特性

（1）定子

:定子磁場由定子的磁極產(chǎn)生，根據(jù)磁場的產(chǎn)生方式，直流伺服電動機可分為永磁式和他勵式。永磁式磁極由永磁材料制成；他勵式磁極由沖裁的硅鋼片疊壓而成，外部繞線圈，通以直流電流便產(chǎn)生恒定磁場。（2）轉(zhuǎn)子:

又叫電樞，由硅鋼片疊壓而成，表面嵌有線圈，通以直流電時，在定子磁場作用下產(chǎn)生帶動負載旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩。（3）電刷與換向片:

為使產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩保持恒定方向，確保轉(zhuǎn)子能沿著固定的方向均勻連續(xù)旋轉(zhuǎn)，電刷與外加直流電源相接，換向片與電樞導體相接。4.3直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)4.3.1直流伺服電機工4.3.1直流電機工作原理與機械特性

4.3直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)直流電機電刷間的反電動勢：直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩表示為：

電樞回路中的電壓平衡方程式為:4.3.1直流電機工作原理與機械特性4.3直流伺服電動4.3.1直流電機工作原理與機械特性

4.3直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)直流電動機的機械特性方程式為:控制方式：1.電樞控制（主要）；2.磁極控制（少用）。4.3.1直流電機工作原理與機械特性4.3直流伺服電動4.3.1直流電機工作原理與機械特性

4.3直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)n0Tnnn稱為轉(zhuǎn)速降落Ua一定時，當Ｔ時n負載轉(zhuǎn)矩增加轉(zhuǎn)速下降反電勢減少電流增加電磁轉(zhuǎn)矩增加平衡電機以較低的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行4.3.1直流電機工作原理與機械特性4.3直流伺服電動4.3.1直流電機工作原理與機械特性

4.3直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)Td稱為啟動瞬時轉(zhuǎn)矩，其值也與電樞電壓成正比。N0是空載轉(zhuǎn)速;4.3.1直流電機工作原理與機械特性4.3直流伺服電動如何控制轉(zhuǎn)速使其保持恒定呢？改變電樞電壓，得到硬的機械特性，只能靠閉環(huán)控制Id4電機機械特性nIdn1Id1控制方法Id2Id34.3.1直流電機工作原理與機械特性

4.3直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)如何控制轉(zhuǎn)速使其保持恒定呢？改變電樞電壓，得到硬的機械特性，4.3.1直流電機工作原理與機械特性

4.3直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性也是一組斜率相同的直線簇。每條調(diào)節(jié)特性和一種電磁轉(zhuǎn)矩相對應(yīng)，與Ua軸的交點是啟動時的電樞電壓。4.3.1直流電機工作原理與機械特性4.3直流伺服電動4.3.2直流電機控制系統(tǒng)的數(shù)學模型

電樞電壓平衡方程為：4.3直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)電樞電流與電樞電壓之間傳遞函數(shù)為:

4.3.2直流電機控制系統(tǒng)的數(shù)學模型電樞電壓平衡方程為：4.3.2直流電機控制系統(tǒng)的數(shù)學模型

轉(zhuǎn)矩平衡方程為：4.3直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)——轉(zhuǎn)速慣量(N·m·s·min/r)

它與常用的轉(zhuǎn)動慣量(N·m·s2/rad)

的關(guān)系可從下式推得：即4.3.2直流電機控制系統(tǒng)的數(shù)學模型轉(zhuǎn)矩平衡方程為：4.4.3.2直流電機控制系統(tǒng)的數(shù)學模型

4.3直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)直流電機的精確模型4.3.2直流電機控制系統(tǒng)的數(shù)學模型4.3直流伺服電動4.3直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)引入一個機電時間常數(shù):電樞回路電磁時間常數(shù):4.3.2直流電機控制系統(tǒng)的數(shù)學模型

4.3直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)引入一個機電時間常數(shù):電轉(zhuǎn)速與電樞電壓間傳遞關(guān)系:4.3.2直流電機控制系統(tǒng)的數(shù)學模型

4.3直流伺服電動機及其驅(qū)動技術(shù)若電磁時間常數(shù)很小,既忽略電感:可見:直流伺服電機過渡過程的快慢,取決于機電時間常數(shù).為了加快系統(tǒng)響應(yīng)速度,可以:1.減小機械系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量;2.給電機供電的電源內(nèi)阻小,Ra小;3.加大等效反電動勢系數(shù)轉(zhuǎn)速與電樞電壓間傳遞關(guān)系:4.3.2直流電機控制系統(tǒng)的數(shù)4.3.3直流伺服電機的技術(shù)指標及選型額定功率PN,額定電壓UN

額定電流IN

在此功率下允許電機長期連續(xù)的運行而不過熱.額定轉(zhuǎn)速nN:額定轉(zhuǎn)矩TN,最大轉(zhuǎn)矩TM:電機在短時間內(nèi)可以輸出的最大轉(zhuǎn)矩,反應(yīng)其過載能力;(一般是額定轉(zhuǎn)矩的5~10倍)機電時間常數(shù)(通常小于20ms)電磁時間常數(shù)(通常小于5ms)轉(zhuǎn)動慣量4.3.3直流伺服電機的技術(shù)指標及選型額定功率PN連續(xù)工作區(qū)：電機可在轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的任意組合下長期工作。斷續(xù)工作區(qū)：電機只能作間斷工作，整流子和電刷工作于無火花的換向區(qū)，可承受低速大轉(zhuǎn)矩的工作狀態(tài)。間斷周期要根據(jù)載荷周期曲線求得。右圖為力矩過載倍數(shù)與導通時間的關(guān)系曲線。加減速區(qū)：電樞電流受去磁極限和瞬時換向極限的限制。電機只允許瞬時過渡。最高轉(zhuǎn)速最大轉(zhuǎn)矩連續(xù)工作區(qū)：電機可在轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的任意組合下長期工作。最高轉(zhuǎn)速對要求頻繁起動/制動的數(shù)控機床，為避免電機過熱，必須檢查在一個周期內(nèi)電機轉(zhuǎn)矩的均方根值，即有效力矩，并使它小于電機連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩。直流伺服電機的技術(shù)指標對要求頻繁起動/制動的數(shù)控機床，為避免電機過熱，必須檢查在一例1：滿足有效力矩小于電機連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩例1：滿足有效力矩小于電機連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩vv、TtO起動t1運動t2制動t3停止t4常見的速度輪廓曲線v、TtO起動t1制動t2停止t3梯形速度輪廓曲線三角形速度輪廓曲線vv、TtO起動t1運動t2制動t3停止t4常見的速例2：龍門刨床工作臺控制系統(tǒng)負載分析與綜合

設(shè)R為與工作臺齒條相嚙合的齒輪節(jié)圓半徑,i為電機與該齒輪之間傳動鏈的總速比，η為總效率。例2：龍門刨床工作臺控制設(shè)計實例伺服電機校核設(shè)計實例伺服電機校核運動控制技術(shù)(四)-執(zhí)行元件及驅(qū)動技術(shù)-直流伺服運動控制技術(shù)(四)-執(zhí)行元件及驅(qū)動技術(shù)-直流伺服運動控制技術(shù)(四)-執(zhí)行元件及驅(qū)動技術(shù)-直流伺服１.功率估算，初步選定電機；

一般電機功率大于負載功率的２－３倍

1)若電機在峰值負載轉(zhuǎn)矩下以峰值轉(zhuǎn)速驅(qū)動負載，則功率按峰值估算；２)若電機連續(xù)工作在變負載之下，按負載均方根估算。慣量匹配

1)小慣量電機，推薦JL<3Jm，保證靈敏性，快速性；２)大慣量電機，Jm＝0.1-0.6kgm2,慣量大轉(zhuǎn)矩大，熱時間常數(shù)大，過載能力強。推薦0.25<JL/Jm<1，保證靈敏性，快速性；伺服電機的選型１.功率估算，初步選定電機；伺服電機的選型２.發(fā)熱校核：負載波動頻繁時，要計算一個工作周期的負載力矩的均方根值Trms，使其小于電動機的額定力矩。３.轉(zhuǎn)矩過載校核：折算到電機軸的最大負載轉(zhuǎn)矩小于電機軸輸出最大轉(zhuǎn)矩。電機的最大轉(zhuǎn)矩一般為額定轉(zhuǎn)矩乘過載系數(shù)λ《３.伺服電機的選型伺服電機的選型例３.已知工作臺重量（含工件）m=100kg，工作臺移動速度VL=15m/min，摩擦系數(shù)μ=0.2，減速器效率η=80%，進給絲杠長度L=10000mm，直徑D=20mm，導程p=10mm。要求：每次移動量l=100mm，定位次數(shù)60次/min，定位時間0.5s以下。試選擇直流伺服電動機。解：1）增量運動圖假定速度運行圖如圖，則需啟動的時間：2）進給絲杠轉(zhuǎn)速若已計算出負載折算到電機軸總的轉(zhuǎn)動慣量:３)若傳動比i=2，則電機額定轉(zhuǎn)速：4）所需負載穩(wěn)態(tài)功率5）所需負載加速功率功率估算：1)根據(jù)力矩均方根及轉(zhuǎn)速估算功率；

2)分別計算穩(wěn)態(tài)功率及加速功率，求和。例３.已知工作臺重量（含工件）m=100kg，工作臺移動速7）所需加速啟動運行轉(zhuǎn)矩6）所需穩(wěn)態(tài)運行轉(zhuǎn)矩根據(jù)功率要求選擇電機，一般，所選電動機額定功率為負載穩(wěn)定運行功率和加速功率之和的２-３倍。初步選擇電機后，驗算其轉(zhuǎn)動力矩。8）所需減速運行轉(zhuǎn)矩9）轉(zhuǎn)矩有效值校核7）所需加速啟動運行轉(zhuǎn)矩6）所需穩(wěn)態(tài)運行轉(zhuǎn)矩根據(jù)功率要求選擇4.3.3直流伺服電機的驅(qū)動4.3.4直流伺服電動機調(diào)速系統(tǒng)及其驅(qū)動技術(shù)

晶閘管（可控硅）調(diào)速系統(tǒng)通過對晶閘管觸發(fā)角的控制來控制電機電樞電壓，以達到調(diào)速的目的。晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)通過脈寬調(diào)制器將直流電壓轉(zhuǎn)換成方波電壓，通過對方波脈沖寬度的控制，改變電樞的平均電壓，以達到調(diào)速的目的。4.3.3直流伺服電機的驅(qū)動4.3.4直流伺服電動機調(diào)1.晶閘管調(diào)速系統(tǒng)

包括控制回路：速度環(huán)、電流環(huán)、觸發(fā)脈沖發(fā)生器等。

主回路：可控硅整流放大器等。

速度環(huán)：速度調(diào)節(jié)（PI），作用：好的靜態(tài)、動態(tài)特性。電流環(huán)：電流調(diào)節(jié)(P或PI)。作用：加快響應(yīng)、啟動、低頻穩(wěn)定等。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。可控硅整流放大器：整流、放大、驅(qū)動，使電機轉(zhuǎn)動。速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器觸發(fā)脈沖發(fā)生器可控硅整流器電流反饋速度反饋電流檢測編碼器電機UR+-UfIfIR+-E1ES1.晶閘管調(diào)速系統(tǒng)

包括控制回路：速度環(huán)、電流環(huán)、觸發(fā)1).直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)

直流斬波器－－電動機系統(tǒng)原理圖和電壓波形電動機得到的平均電壓為：2.晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)1).直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)直流斬2).斬波器的三種控制方式直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理PWM:Pulsewidthmodulation2).斬波器的三種控制方式直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理P幾種典型PWM變換器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理幾種典型PWM變換器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理運動控制技術(shù)(四)-執(zhí)行元件及驅(qū)動技術(shù)-直流伺服1).無制動作用的不可逆PWM變換器1).無制動作用的不可逆PWM變換器工作狀態(tài)與波形工作狀態(tài)與波形運動控制技術(shù)(四)-執(zhí)行元件及驅(qū)動技術(shù)-直流伺服運動控制技術(shù)(四)-執(zhí)行元件及驅(qū)動技術(shù)-直流伺服（2）有制動的不可逆PWM變換器12一般電動狀態(tài)回路１回路２（2）有制動的不可逆PWM變換器12一般電動狀態(tài)回路１回路２運動控制技術(shù)(四)-執(zhí)行元件及驅(qū)動技術(shù)-直流伺服（2）有制動的不可逆PWM變換器輕載電動狀態(tài)：電動與制動交替出現(xiàn)回路４再生制動

回路３能耗制動

（2）有制動的不可逆PWM變換器輕載電動狀態(tài)：電動與制動交運動控制技術(shù)(四)-執(zhí)行元件及驅(qū)動技術(shù)-直流伺服（2）有制動的不可逆PWM變換器制動狀態(tài):當控制電壓突然減小，或者電動機在位能負載轉(zhuǎn)矩帶動下工作，會出現(xiàn)Ｅ＞Ｕd，即電動機處于發(fā)電運行狀態(tài)。3回路：電流方向與Ｅ同向，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩－能耗制動；４回路：因為電樞電感的作用，維持，能量回饋給電源－－再生制動（2）有制動的不可逆PWM變換器制動狀態(tài):當控制電壓突然減運動控制技術(shù)(四)-執(zhí)行元件及驅(qū)動技術(shù)-直流伺服（2）有制動的不可逆PWM變換器（2）有制動的不可逆PWM變換器

3）雙極式可逆PWM變換器3）雙極式可逆PWM變換器

3）雙極式可逆PWM變換器3）雙極式可逆PWM變換器工作狀態(tài)與波形電壓平衡方程：在一個開關(guān)周期內(nèi)電壓在+us,-us之間變換一次，所以稱作雙極性可逆ＰＷＭ變換器。工作狀態(tài)與波形電壓平衡方程：在一個開關(guān)周期內(nèi)電壓在+us,-運動控制技術(shù)(四)-執(zhí)行元件及驅(qū)動技術(shù)-直流伺服負載較輕時：四個回路交替運行OOOOt1t3Tt2t3t1Ub1、Ub4Ub2、Ub3UdUABidttttid1id1id4id2id3id4id2

3）雙極式可逆PWM變換器負載較輕時：四個回路交替運行OOOOt1t3Tt2t3t1相關(guān)方程：相關(guān)方程：Id-Idn正向電動正向制動反向電動反向制動-n

3）雙極式可逆PWM變換器Id-Idn正向電動正向制動反向電動反向制動-n3）雙極性能評價性能評價電路與雙極式相同，只是基極控制脈沖不同；在一個周期內(nèi)，ub1＝－ub2，VT1和VT2依然交替導通，右邊的VT3,VT4則不同，當電動機正轉(zhuǎn)時，ub3恒為負，ub4恒為正，反轉(zhuǎn)則相反；在一個開關(guān)周期內(nèi)，電壓在+us/-us，0之間變換一次，所以稱作單極性可逆ＰＷＭ變換器；對靜態(tài)動態(tài)要求低的系統(tǒng)，可采用單極性可逆ＰＷＭ變換器。

４）單極式可逆PWM變換器電路與雙極式相同，只是基極控制脈沖不同；４）單極式可逆PPWM變換器的數(shù)學模型

根據(jù)PWM功率變換器的工作原理，當控制電壓改變后，輸出電壓要到下一個周期才會改變，因此，脈寬調(diào)制器和PWM功率變換器合起來可以看作一個延時環(huán)節(jié)，最大延遲為一個開關(guān)周期T，由于調(diào)制頻率很高，遠遠高于系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的截止頻率，按照工程上小參數(shù)環(huán)節(jié)的簡化處理辦法，可以將其近似成一個小慣性環(huán)節(jié)，甚至直接看作一個比例環(huán)節(jié)。這樣，該環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可寫作：PWM變換器的數(shù)學模型根據(jù)PWM功率變換器的工作原運動控制技術(shù)(四)-執(zhí)行元件及驅(qū)動技術(shù)-直流伺服（2）晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器脈寬調(diào)制振蕩器基極驅(qū)動MG電流反饋U～usrusf整流功放（2）晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1速度調(diào)節(jié)器U

△U

SCott同向加法放大器電路圖USr

–速度指令轉(zhuǎn)化過來的直流電壓U△-三角波USC-脈寬調(diào)制器的輸出（USr

+U△）調(diào)制波形圖R1+12VUSCR1R3R2+-12VUSrU△-USr為0時調(diào)制出正負脈寬一樣方波平均電壓為0調(diào)制出脈寬較寬的波形平均電壓為正調(diào)制出脈寬較窄的波形平均電壓為負脈寬調(diào)制器tto-U

SrUSr為負時USr+U△USr+U△+U

SrottUSr為正時U△USCott同向加法放大器電路圖R1+12VUSC（2）晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2----數(shù)字控制器直接發(fā)出PWM控制信號

（2）晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2----數(shù)字控運動控制技術(shù)(四)-執(zhí)行元件及驅(qū)動技術(shù)-直流伺服運動控制技術(shù)(四)-執(zhí)行元件及驅(qū)動技術(shù)-直流伺服運動控制技術(shù)(四)-執(zhí)行元件及驅(qū)動技術(shù)-直流伺服仿真實驗

直流伺服電機閉環(huán)控制系統(tǒng)（位置/速度伺服）例4.2其中可控硅整流器傳函用PWM變換器傳函替換，機械系統(tǒng)傳動裝置按數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)模型建立。

參考相應(yīng)論文準備：第4章例子例5.1，速度閉環(huán)+位置閉環(huán)P134-142例5.4，5.55.6習題：5-6，5-