機電一體化第六章伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)設計課件

第六章伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)設計第一節(jié)伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)設計分析第二節(jié)步進電動機控制系統(tǒng)設計第三節(jié)直流電動機調(diào)速控制系統(tǒng)設計第四節(jié)交流電動機伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)設計第一節(jié)伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)設計分析一、伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)分類及特點1.伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)分類：(1)按照動力源的類型分類：①液壓伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)；②氣壓伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)；③電機伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)。(2)按照控制信號分類：①標準信號控制系統(tǒng)；②檢測信號控制系統(tǒng)；③計算機輸出信號控制系統(tǒng)。(3)按照控制方法分類：①模擬電路控制系統(tǒng)；②計算機程序控制系統(tǒng)。2.伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)特點(1)液壓驅(qū)動系統(tǒng)的特點①功率大。②驅(qū)動系統(tǒng)體積小。③控制性能好。

④維護修理方便。

⑤成本較高。⑥適用范圍廣。

下一頁(2)氣壓驅(qū)動控制系統(tǒng)特點：①成本低。②清潔、安全。③輸出功率和力比較小。④體積較大。⑤控制穩(wěn)定性能差。⑥結構簡單，維護修理方便。⑦適用范圍較廣。(3)電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的特點：它的最大特點是電源的獲得方便，體積小，不需中間變速機構，簡化了機械傳動系統(tǒng)，使用與維護都很方便。電機驅(qū)動系統(tǒng)比較常用的是步進電動機、直流伺服電機、交流伺服電機、力矩電機等。①直流伺服電機和交流伺服電機驅(qū)動的特點：A.輸出功率較大B.體積較大，質(zhì)量重C.電機及電源的投資花費少，使用成本低。D.從結構和控制方式上來看，直流伺服電機的結構較為復雜，加之有電刷，需要干凈無粉塵、無易燃品的環(huán)境，還需要直流電源。E.相對步進電機驅(qū)動來說，直流伺服和交流伺服驅(qū)動的功率大，輸出力矩大，速度快（轉(zhuǎn)速高），控制精度高，價格高。上一頁下一頁二、伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)設計的基本要求1.高精度控制2.快速響應好、無超調(diào)3.調(diào)速范圍寬、低速穩(wěn)定性好4.快速的應變能力和過載能力強5.無感應干擾6.結構與質(zhì)量要小三、伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)設計的基本原則1.配套性原則2.可靠性原則3.系統(tǒng)安全性原則4.適應性原則5.結構尺寸及質(zhì)量滿足總體技術要求原則上一頁

返回第二節(jié)步進電動機控制系統(tǒng)設計

步進電動機是由電脈沖控制的特種電動機。對應于每一個電脈沖，電動機將產(chǎn)生一個恒定量的步進運動，即產(chǎn)生一個恒定量的角位移或線位移。電動機運動步數(shù)由脈沖數(shù)來決定，運動方向由脈沖相序來決定，在一定時間內(nèi)轉(zhuǎn)過的角度或平移的距離由脈沖數(shù)決定，借助于步進電動機可以實現(xiàn)數(shù)字信號的變換。它是自動控制系統(tǒng)以及數(shù)字控制系統(tǒng)中廣泛應用的執(zhí)行元件。步進電動機控制系統(tǒng)的組成如圖6-1所示。

下一頁圖6-1步進電動機系統(tǒng)簡圖一、步進電動機的類型和工作原理1.反應式步進電動機(1)反應式步進電動機的工作原理。工作過程如下：①步進電動機的工作過程從A相通電開始，這時轉(zhuǎn)子的兩極被定子A相的兩極所吸引，與之對準，磁通路徑用斷續(xù)線表示。②A相斷電，改為B相繞組通電，由于凸極效應，則轉(zhuǎn)子的兩極被定子B相兩極所吸引，順時針轉(zhuǎn)過一個步距角60°，如圖6-2所示。③B相斷電，C相通電，轉(zhuǎn)子又順時針轉(zhuǎn)過一個步距角60°，使轉(zhuǎn)子與定子C相兩極對準，如圖6-2所示。④再使A相繞組通電，C相繞組斷電，轉(zhuǎn)子又順時針轉(zhuǎn)過60°，與A相對準。圖6-3所示為一臺m=4、zr=10的步進電動機。上一頁下一頁(2)反應式步進電動機的基本特性：①步矩角特性。②單步運行和起動轉(zhuǎn)矩。設負載轉(zhuǎn)矩為T2，則當A相通電時，靜態(tài)工作點為A，見圖6-4對應轉(zhuǎn)子位置為α1。圖中畫出的Tmax（A）和Tmax（B）分別為A相和B相通電時產(chǎn)生的矩角特性，由于二相定子在空間上（相對于轉(zhuǎn)子）有一個步距角之差，故二特性曲線Tmax(α)也平移了αp角。當α1位置A相切斷、B相接通時，電動機將躍至與B相對應的矩角特性上工作。由于電動機的電磁轉(zhuǎn)矩大于負載轉(zhuǎn)矩（其差見圖上陰影部分），轉(zhuǎn)子將運動至B點，此時電動機步進了一個步距角αp=α２-α１，如圖6-5所示。表達了角位移超調(diào)和振蕩現(xiàn)象，在步進電動機中采用合理阻尼的重要性。正如上面所分析的，相鄰相單獨通電時的矩角特性曲線相差αp角，因此畫出各相的矩角特性曲線后，可根據(jù)多相同時供電情況得到相應的矩角特性，這樣就可以分析對應的步進運動和起動轉(zhuǎn)矩。例如：圖6-6為四相步進電動機的單四拍和雙四拍供電及矩角特性。③矩頻特性。圖6-7所示是矩頻特性圖

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返回圖6-5角位移的超調(diào)和振蕩現(xiàn)象示意圖2永磁式步進電動機的工作原理電機轉(zhuǎn)子采用永久磁鋼做成的步進電動機稱為永磁式步進電動機。這類電動機的典型原理結構如圖6-8所示。

上一頁下一頁3.磁路混合式步進電動機磁路混合式步進電動機（混合式步進電動機）是利用永磁式和反應式兩種結構發(fā)展起來的一種步進電動機。它兼有永磁式和反應式兩類電動機的優(yōu)點，由于其轉(zhuǎn)子上有永久磁鋼，故產(chǎn)生同樣大小的轉(zhuǎn)矩所需要的激磁電流大大減小，但帶負載能力卻超過反應式步進電動機，在不通電時，還有定位轉(zhuǎn)矩。如圖6-9所示，磁路混合式步進電動機。

上一頁下一頁圖6-9磁路混合式步進電動機二、步進電動機的控制系統(tǒng)原理與設計1步進電動機的驅(qū)動電源要求(1)相數(shù)、通電狀態(tài)、電壓和電流要適應步進電動機的需要，相繞組電流要有足夠的幅度且有較清晰的前后沿，以產(chǎn)生接近矩形波的電流波形。(2)能適應步進電動機的驅(qū)動頻率和最高連續(xù)運行頻率的要求，工作可靠，抗干擾能力強。(3)驅(qū)動電源總體效率高，安裝維修方便，價格便宜。(4)控制角度要求較高時，選擇具有細分功能的電源。2驅(qū)動電源的組成步進電動機的驅(qū)動電源包括變頻信號源、脈沖分配器和功率放大器三個部分，如圖6-10所示。上一頁下一頁返回圖6-11PMM8713接線圖返回圖6-12微機控制電路原理圖返回圖6-13單電壓功放電路圖

圖6-14功放電路的保護措施圖三、步進電動機的選用方法1.步進電動機的主要特點(1)輸出轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比，且在時間上與輸入脈沖同步，即轉(zhuǎn)子速度是隨輸入控制信號的頻率變化。(2)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量小，起動停止時間短，一般在信號輸入后幾毫秒，就能使電動機達到同步速度。信號切斷之后，電動機能立即停止轉(zhuǎn)動。(3)輸出轉(zhuǎn)角精度高，存在相鄰誤差，但無累積誤差。(4)改變脈沖頻率時，電動機的轉(zhuǎn)速隨之變化，因而實現(xiàn)平滑的無級調(diào)速，且調(diào)速范圍相當寬。達到1∶1000。(5)借助于控制電路，可獲得正反轉(zhuǎn)及間歇運動等特殊功能2步進電動機的性能指標(1)步距角精度Δθb。(2)最大靜力矩MQ。(3)空載起動頻率。(4)負載起動頻率。(5)負載及空載最大工作頻率。(6)步距角。上一頁下一頁3步進電動機的選擇原則前面敘述過的三種形式的步進電動機各有特點，選擇步進電動機的型號時，要根據(jù)設計系統(tǒng)的需求來定。具體的選擇原則如下：(1)步距角。(2)精度。(3)轉(zhuǎn)矩。(4)起動頻率和工作頻率。(5)在檢測系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)組合條件下的機電產(chǎn)品，應選擇無輻射干擾的步進電動機，有利于檢測和控制精度及可靠性。(6)在滿足總體控制要求的條件下，選擇結構尺寸小、質(zhì)量輕的步進電動機。上一頁下一頁四、步進電動機控制系統(tǒng)設計方法1.步進電動機控制方法(1)標準信號控制方法；(2)檢測信號控制方法；(3)計算機程序自動控制方法。2.步進電動機控制系統(tǒng)設計步進電動機控制系統(tǒng)是最常用的一種控制系統(tǒng)。在位置控制、檢測控制、靜動態(tài)校準控制系統(tǒng)設計中，步進電動機控制系統(tǒng)應用很多，以靜動態(tài)標定控制系統(tǒng)為例討論設計方法。(1)設計技術指標①負載靜態(tài)力矩5N·m；②調(diào)速范圍1周/4min～50周/min③控制精度δ<±0.1%;④控制信號工作頻率：5Hz～15.0kHz，任意可調(diào)；⑤控制系統(tǒng)對外界無電場或磁場干擾；⑥控制低速或高速工作時，穩(wěn)定性，重復性好。上一頁下一頁返回圖6-16標準信號控制系統(tǒng)圖圖6-17檢測信號控制系統(tǒng)圖圖6-18計算機控制系統(tǒng)圖第三節(jié)直流電動機調(diào)速控制系統(tǒng)設計

一、直流電動機調(diào)速原理及特點1.直流電動機調(diào)速系統(tǒng)特點直流電動機的調(diào)速控制技術在工業(yè)自動化控制中得到廣泛應用，具有的特點：①起動轉(zhuǎn)矩大；②轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍寬，調(diào)節(jié)特性的線性度較好；③動態(tài)響應性好④控制方法靈活，簡單方便；⑤效率比較高；⑥無自鎖功能，低速特性差。2.直流電動機調(diào)速原理(1)直流電動機的工作特性如圖6-19。(2)直流電動機的調(diào)速方法二、直流電動機的機械特性直流電動機轉(zhuǎn)速與電磁力矩的穩(wěn)態(tài)運行關系，如圖6-20所示。

下一頁五、直流調(diào)速控制系統(tǒng)設計1.直流調(diào)速裝置的組成直流調(diào)速裝置的一般組成見圖6-21。2.直流調(diào)速裝置以單片機控制為核心的數(shù)字式直流調(diào)速裝置的特點：(1)全功能計算機控制，豐富的內(nèi)部工作狀態(tài)設定和顯示功能；(2)數(shù)字化控制提高了閉環(huán)精度，具有比模擬系統(tǒng)高許多的動、靜態(tài)指標；(3)具有串行、并行接口，能與可編程控制器及計算機連接，使操作者可在控制中心操縱現(xiàn)場工作；(4)具有自診斷能力，維修檢查方便；(5)最主要的優(yōu)點是靈活性大，由軟件實現(xiàn)控制方案，不同的控制方案只要改變軟件，功能設計極少甚至無須改變硬件就能實現(xiàn)其他控制功能的要求；(6)組件外連接線少，可靠性高。德國西門子公司的SIMOREGK(6RA22)是雙閉環(huán)系統(tǒng)，它的方框圖見圖6-22所示。上一頁下一頁返回圖6-21直流調(diào)速裝置的組成原理圖返回圖6-22全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)方框圖3直流調(diào)速系統(tǒng)設計直流調(diào)速系統(tǒng)由直流電動機、晶閘管變流裝置、整流變壓器（或進線電抗器）、控制系統(tǒng)等組成。一般驅(qū)動電動機由機械設計者選定，選擇時根據(jù)機械及工藝要求，考慮電動機的最大轉(zhuǎn)矩、額定功率、額定電壓、過載時間、過載倍數(shù)和調(diào)速范圍，有的還要考慮是否弱磁。(1)晶閘管變流裝置選擇。(2)交流變壓器選擇。①電動機所需的額定電壓。②變壓器的容量。③變壓器的繞組機械強度和絕緣強度。④變壓器的漏抗。⑤避免負載不平衡或電壓變動造成中點移動。(3)控制系統(tǒng)，典型的直流調(diào)速控制系統(tǒng)是電流內(nèi)環(huán)、速度外環(huán)的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。(4)電流調(diào)節(jié)器設定：①使用儀器。②調(diào)節(jié)方法。(5)速度調(diào)節(jié)器設定：①使用儀器。用整定電流環(huán)的儀器記錄或觀察轉(zhuǎn)速實際值波形，電池盒作給定輸入信號②調(diào)節(jié)方法。

上一頁下一頁六、晶體管脈寬(PWN)直流調(diào)速系統(tǒng)晶體管脈寬直流調(diào)速系統(tǒng)與用頻率信號作開關的晶閘管系統(tǒng)相比，具有以下特點：(1)由于系統(tǒng)主電源采用整流濾波，因而對電網(wǎng)波形影響小，幾乎不產(chǎn)生諧波影響。(2)由于晶體管開關工作頻率很高（在2kHz左右），因此系統(tǒng)的響應速度和穩(wěn)速精度等性能指標都較好。(3)電樞電流的脈動量小，容易連續(xù)，不必外加濾波電抗器也可平穩(wěn)工作。(4)系統(tǒng)的調(diào)速范圍很寬，并使傳動裝置具有較好的線性，采用Z2或Z3系列直流電動機，調(diào)速范圍大于20，若使用寬調(diào)速伺服電動機，可達1000倍以上調(diào)速范圍。(5)系統(tǒng)使用的功率元件少，線路簡單，用4個功率三極管就可組成可逆式直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。上一頁下一頁1.晶體管PWM直流調(diào)速系統(tǒng)工作原理晶體管PWM直流調(diào)速系統(tǒng)，實際上是利用晶體管的開關工作特性，調(diào)制恒定電壓的直流源，按一個固定的頻率來接通與斷開放大器，并根據(jù)外加控制信號來改變一個周期內(nèi)“接通”與“斷開”時間的長短，使加在電動機電樞上電壓的“占空比”改變，即改變電樞兩端平均電壓大小，從而達到控制電動機轉(zhuǎn)速的目的。要了解PWM調(diào)速系統(tǒng)的工作原理，關鍵要了解PWM脈寬調(diào)制放大器的工作原理。PWM脈寬調(diào)制放大器都是由脈沖頻率發(fā)生器、電壓脈沖變換與分配器和放大器等部分組成，如圖6-23所示。功率放大器工作在開關狀態(tài)，其對寬度被調(diào)制了的脈沖信號進行功率放大以驅(qū)動主電路的功率晶體管。圖6-24所示是一個電壓脈沖變換器線路及調(diào)制原理的波形圖。

上一頁下一頁返回圖6-23脈寬調(diào)制放大器的方框圖圖6-24電壓脈沖變換器及波形圖2.脈寬調(diào)制放大器的工作方式晶體管脈寬調(diào)制放大器從功率放大器組成來看主要有T形和H形兩種。在晶體管脈寬調(diào)速系統(tǒng)中用得最多的脈寬調(diào)制放大器是H形電路。根據(jù)輸出電壓的性質(zhì)，H形脈寬調(diào)制放大器又分為單極式、受限單極式和雙極式三種。(1)單極式脈寬調(diào)制放大器。主回路如圖6-25所示。（2）雙極式脈寬調(diào)制放大器。這種控制方法是在T1和T4的基極加一組同極性的控制電壓Ub1和Ub4，在T2和T3的基極加另一組同極性的控制電壓Ub2和Ub3。這兩組控制電壓的相位相反如圖6-26所示。若正負控制電壓的幅值相等，則控制電壓可表示為Ub1=Ub4=-Ub3=-Ub2。這種控制方法的輸出電壓是雙極性的脈沖電壓，如圖6-27中的ua所示。(3)受限單極式脈寬調(diào)制放大器。(4)單極式倍頻脈寬調(diào)制放大器。其主回路如圖6-28所示。設調(diào)制波為三角波，經(jīng)電壓脈沖變換與分配器并經(jīng)功率放大后的脈沖信號要求符合Ub1=-Ub2、Ub3=-Ub4，如圖6-29所示。

上一頁下一頁返回圖6-25H形單極式脈寬調(diào)制放大器主回路圖返回圖6-26H形雙極式脈寬調(diào)制放大器主回路圖返回圖6-27雙極式脈寬調(diào)制放大器輸出電壓和電流變化波形圖返回圖6-28單極式倍頻脈寬調(diào)制放大器主回路圖返回圖6-29倍頻電路波形圖3.晶體管PWM直流調(diào)速系統(tǒng)選用(1)PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)。①電機電樞電流脈動量。②電動機的功率損耗③電動機利用系數(shù)。④電動機低速運行平穩(wěn)性。(2)晶體管PWM不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)一樣，晶體管PWM直流調(diào)速系統(tǒng)也可構成不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，用于電動機只需單方向運轉(zhuǎn)，且不需要電氣制動的應用場合。圖6-30是此種系統(tǒng)主回路結構原理圖。

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一、三相異步電動機結構及調(diào)速方法1.鼠籠式三相異步電機結構鼠籠式三相異步電動機的結構如圖6-31。2.鼠籠式三相異步電動機的調(diào)速方法（1）轉(zhuǎn)子繞組串接電阻改變轉(zhuǎn)差率法；（2）調(diào)節(jié)定子電壓來改變轉(zhuǎn)差率法；（3）改變電機磁極對數(shù)法；（4）調(diào)節(jié)定子供電電壓頻率法(常用方法)。

下一頁圖6-31三相鼠籠式異步電動機結構示意圖二、變頻調(diào)速控制器1.變頻調(diào)速控制器特點(1)調(diào)頻范圍可任意設定(0.5～600Hz)；（2）控制精度高，可靠性好；(3)無功率損失（變頻器效率達到96%）；（4）功能擴展性好；(5)調(diào)頻控制方法齊全，自動調(diào)節(jié)法，外輸入電壓控制調(diào)節(jié)法；(6)調(diào)頻控制電流與功率大，Imax>300A、Pmax>300kW；(7)體積小，質(zhì)量輕，安裝簡單，操作使用方便。上一頁下一頁2.變頻調(diào)速控制器主要技術指標(1)輸入電壓：單相交流220V至240V±10%(P≤3kW)；三相交流380V至480V±10%(P＞3kW)；(2)輸出電壓頻率47～63Hz；(3)輸入電壓頻率0.5～650Hz可任意設定；(4)變頻器效率96%；(5)過載能力1.5倍以上達到60s；(6)模擬電壓外輸入控制〓0～10V；(7)外接線距離50～100m；(8)工作環(huán)境-10℃～+50℃；(9)控制方式為電壓控制和可編程式f/v控制式；(10)保護功能包括欠壓、過壓、過負載、過溫、短路等保護。上一頁下一頁三、交流電動機伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)設計