伺服電機與伺服控制系統(tǒng)原理

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1、課 題 二伺 服 電 機 與 伺 服 控 制 系 統(tǒng) 原 理指 導(dǎo) 老 師 ： 段 建 中 學(xué) 生 ： 虎 鑫 學(xué) 號 ： 12007240649 2012-3-15 基 本 概 念 的 介 紹 與 舉 例 伺 服 電 機 原 理 介 紹 伺 服 控 制 系 統(tǒng) 介 紹 總 結(jié) 內(nèi) 容 “伺 服 ” 詞 源 于 希 臘 語 “ 奴 隸 ” 的 意思 。一 、 “ 伺 服 ” 的 含 義 Servomechanism 伺 服 系 統(tǒng) 應(yīng) 用 舉 例 （ 2）機 械 手 手 臂 伸 縮 運 動 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

2、4 機 械 手 手 臂 5 齒 輪 齒 條 機 構(gòu) 6 電 位 器 7 步 進(jìn) 電 機 伺 服 系 統(tǒng) 應(yīng) 用 舉 例 （ 1） 圖 1.7 液 壓 仿 形 車 床 工 作 原 理 圖 1.2.3.4節(jié) 流 口5工 件6刀 具7樣 件8觸 銷9油 缸10油 泵 二 . 伺 服 系 統(tǒng) 的 定 義 ： (servomechanism)(servo-system） 伺 服 系 統(tǒng) 是 指 實 現(xiàn) 輸 出 變 量 精 確地 跟 隨 或 復(fù) 現(xiàn) 輸 入 變 量 的 控 制 系 統(tǒng) 。 伺 服 電 機伺 服 電 機 （ servo motor ） 伺 服 電 動 機 又 稱 執(zhí) 行 電 動 機 ， 在

3、自 動 控制 系 統(tǒng) 中 ， 它 的 轉(zhuǎn) 矩 和 轉(zhuǎn) 速 受 信 號 電 壓 控制 。 當(dāng) 信 號 電 壓 的 大 小 和 相 位 發(fā) 生 變 化 時 ，電 動 機 的 轉(zhuǎn) 速 和 轉(zhuǎn) 動 方 向 將 非 常 靈 敏 和 準(zhǔn)確 地 跟 著 變 化 。 當(dāng) 信 號 消 失 時 ， 轉(zhuǎn) 子 能 及時 地 停 轉(zhuǎn) 。 伺 服 電 機 的 分 類伺 服 電 機 交 流 伺 服 電 機直 流 伺 服 電 機 鼠 籠 轉(zhuǎn) 子杯 形 轉(zhuǎn) 子 安 培 定 律F BilBil 磁 場 的 磁 感 應(yīng) 強 度導(dǎo) 體 中 的 電 流導(dǎo) 體 的 有 效 長 度 2( / )Wb m( )A( )m 直 流 電 機 原

4、 理如 圖 所 示 ： N和 S是 一 對 固 定 的 磁極 （ 一 般 是 電 磁 鐵 ， 也可 為 永 久 磁 鐵 ） ， 兩 級之 間 裝 著 一 個 可 以 轉(zhuǎn) 動的 鐵 質(zhì) 圓 柱 體 ， 圓 柱 體表 面 上 固 定 這 一 個 線 圈 ，上 邊 為 a， 下 圈 為 x， 通入 如 圖 所 示 的 電 流 根 據(jù)左 手 定 則 便 可 得 出 電 磁轉(zhuǎn) 矩 。xN SF F載 流 線 圈 在 磁 場 中 產(chǎn) 生 轉(zhuǎn) 矩a x 一 、 直 流 電 機 原 理為 什 么 要 用 電 刷 ？ 一 、 直 流 電 機 的 原 理N S12 34 56 78n F FAB 這 樣 的 連

5、接 方法 只 有 一 組 線圈 得 電 ， 繞 組使 用 率 低 ， 那么 如 何 提 高 繞組 的 使 用 率呢 ？ 改 進(jìn) 后 的 繞 線N Sn 1 234 567 8改 進(jìn) 后 的 繞 組 提 高 了 繞 組 的 使 用 率 直 流 電 機 的 勵 磁 方 式勵 磁 概 念 ： 由 電 流 激 勵 出 磁 場 的 過 程 叫 做 勵 磁 。 他 勵 并 勵 串 勵 直 流 電 機 的 基 本 方 程 式1. 電 氣 系 統(tǒng) 的 電 動 平 衡 方 程 aa af f a a aff f f fa f diu G i R i L dtdiu R i L dtu u u aUI aIfI

6、M感 應(yīng) 電 動 勢 uau1. 電 氣 系 統(tǒng) 的 電 動 平 衡 方 程fu aifi aRfRaL fL 電 源 電 壓電 樞 繞 組 上 的 端 電 壓勵 磁 繞 組 上 的 端 電 壓電 樞 電 流勵 磁 電 流 電 樞 電 路 的 電 阻勵 磁 回 路 的 電 阻電 樞 回 路 的 自 感 系 數(shù)勵 磁 回 路 的 自 感 系 數(shù)電 動 機 的 機 械 角 速 度 2. 機 械 系 統(tǒng) 的 轉(zhuǎn) 矩 平 衡 方 程2 0e dT T T J dt eT 電 磁 轉(zhuǎn) 矩2T0T 負(fù) 載 轉(zhuǎn) 矩空 載 損 耗 轉(zhuǎn) 矩 如 果 電 動 機 以 恒角 速 度 轉(zhuǎn) 動 ， 則 ： 0dJ dt

7、 實 例 ： 直 流 伺 服 系 統(tǒng)( )ie t aiaR 0()tNT BJMTaL be fi 常 數(shù) 實 例 ： 直 流 伺 服 系 統(tǒng)伺 服 電 機 在 磁 化 曲 線 的 線 性 范 圍 內(nèi) 使 用 ，因 而 氣 隙 磁 通 正 比 于 勵 磁 電 流 ， 即 ：f fK i 式 中 ： fK 常 數(shù)由 電 動 機 產(chǎn) 生 的 轉(zhuǎn) 矩 正 比 于 電 樞 電 流和 氣 隙 磁 通 的 乘 積 ， 即 MT1M f f aT K K i i 式 中 ： 1K 常 數(shù)fi 為 磁 場 勵 磁 電 流ai 是 電 樞 電 流 實 例 ： 直 流 伺 服 系 統(tǒng)在 電 樞 控 制 的 直

8、流 電 動 機 中 ， 勵 磁 電 流 為 常 數(shù) ，故 上 式 可 寫 成 ：M T aT K i 式 中 ： TK 電 動 機 的 轉(zhuǎn) 矩 常 數(shù)由 控 制 輸 入 電 壓 開 始 ， 系 統(tǒng) 的 因 果 方 程 為( ) ie t1.電 樞 電 壓 方 程 ： aa a a i bdiL R i e edt 實 例 ： 直 流 伺 服 系 統(tǒng)2.電 動 機 轉(zhuǎn) 矩 M T aT K i3.轉(zhuǎn) 矩 平 衡 方 程 2 0 02 M Nd dJ B T Tdt dt 4.電 動 機 的 反 電 動 勢 正 比 于 速 度 0b b de K dt bK 反 電 動 勢 常 數(shù) 系 統(tǒng) 因 果

9、 方 程 拉 氏 變 換 為實 例 ： 直 流 伺 服 系 統(tǒng)2 0 0( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ( )a a a i bM T a Nb bL s R I s E s E sT s K I sJs Bs s T sE s K s s 當(dāng) 負(fù) 載 轉(zhuǎn) 矩 ( ) 0NT s 其 傳 遞 函 數(shù) 是 : 實 例 ： 直 流 伺 服 系 統(tǒng)0( )( ) ( ) ( )( )Ti a a T bs KG s E s s L s R Js B K K ( ) iE s ( )bE s ( )bK s1a aL s R ( )aI s TK ( )MT

10、s ( )NT s 1( )s Js B 0( )s直 流 伺 服 電 機 的 系 統(tǒng) 方 框 圖 主 要 內(nèi) 容7.3 直 流 伺 服 電 機 及 其 速 度 控 制m T aT K I a EE K n （ 一 定 ）aaaa RIEU 電 樞 回 路 電 壓 平 衡 方 程 式感 應(yīng) 電 勢 與 轉(zhuǎn) 速 關(guān) 系電 磁 轉(zhuǎn) 矩 直 流 伺 服 電 機 的 調(diào) 速 原 理 與 方 法M IaIfUf Ua Ra La EaUaM IaIfUf Ua Ra La EaUa原理圖 等效圖 電 機 轉(zhuǎn) 速 與 理 想 轉(zhuǎn) 速 的 差 n，反 映 了 電 機 機 械 特 性 硬 度 ， n越 小 （

11、 轉(zhuǎn) 矩 對 轉(zhuǎn) 速 變 化 的 影 響程 度 越 小 ） ， 機 械 特 性 越 硬 。n0 主 要 內(nèi) 容T Tn n直 流 電 機 轉(zhuǎn) 速 與 轉(zhuǎn) 矩 的 關(guān) 系 n=f(T)稱 機 械 特 性直 流 電 機 的 基 本 調(diào) 速 方 式 有 三 種 :調(diào) 節(jié) 電 阻 Ra、 調(diào) 節(jié) 電 樞 電 壓 Ua和 調(diào)節(jié) 磁 通 的 值 。7.3 直 流 伺 服 電 機 及 其 速 度 控 制 20 2a a mE E Ta mE TU Rn TK K KRn TK K 主 要 內(nèi) 容他 勵 式 直 流 伺 服 電 機 的 轉(zhuǎn) 速 公 式 2 0 2a a mE E Ta mE TU Rn TK

12、K KRn TK K 電 樞 電 阻 調(diào) 速 很 少 采 用 ， 缺 點 ：不 經(jīng) 濟 ： 要 得 到 低 速 ， R很 大 ， 則 消 耗 大 量 電 能 ；低 速 ， 特 性 很 軟 ， 運 轉(zhuǎn) 穩(wěn) 定 性 很 差 ；調(diào) 節(jié) 平 滑 性 差 ， 操 作 費 力 。7.3 直 流 伺 服 電 機 及 其 速 度 控 制主 要 內(nèi) 容 Tnn0 R0R 2R120 2a a mE E Ta mE TU Rn TK K KRn TK K 主 要 內(nèi) 容調(diào) 節(jié) 電 樞 電 壓 （ 調(diào) 壓 調(diào) 速 ） 時 ， 直 流 電 機 機 械 特 性 為一 組 平 行 線 ， 只 改 變 電 機 的 理 想

13、轉(zhuǎn) 速 n0 ， 保 持 了 原有 較 硬 的 機 械 特 性 ， 所 以 調(diào) 壓 調(diào) 速 主 要 用 于 伺 服 進(jìn) 給驅(qū) 動 系 統(tǒng) 電 機 的 調(diào) 速 U aNUa1 Ua2O TN nn0Nn01n 02 nNn1n2 Ua2Ua1UaN NTN nN T 12 TOn02n01n0N n2n1nN n N12如 果 n值 較 大 ， 不 可 能實 現(xiàn) 寬 范 圍 的 調(diào) 速 。 永 磁式 直 流 伺 服 電 機 的 n值較 小 ， 因 此 ， 進(jìn) 給 系 統(tǒng) 常采 用 永 磁 式 直 流 電 機 。 7.3 直 流 伺 服 電 機 及 其 速 度 控 制 主 要 內(nèi) 容調(diào) 節(jié) 磁 通

14、 （ 調(diào) 磁 調(diào) 速 ） 不 但 改 變 了 電 機 的 理 想 轉(zhuǎn)速 ， 而 且 使 直 流 電 機 機 械 特 性 變 軟U aNUa1 Ua2O TN nn0Nn01n02 nNn 1n2 Ua2Ua1UaN NTN nN T 12 TOn02n01n0N n2n1nN n N12 7.3 直 流 伺 服 電 機 及 其 速 度 控 制 主 要 內(nèi) 容 直 流 伺 服 電 機 速 度 控 制 單 元 的 調(diào) 速 控 制 方 式調(diào) 速 的 概 念 有 兩 個 方 面 的 含 義 :1)改 變 電 機 轉(zhuǎn) 速 ： 當(dāng) 給 定 速 度 變 化 時 ,電 機 的 速 度隨 之 變 化 ,并 希

15、望 以 最 快 的 加 減 速 達(dá) 到 新 的 給 定 速度 值 ；2)當(dāng) 給 定 速 度 不 變 化 時 ,電 機 的 速 度 保 持 穩(wěn) 定 不 變 。7.3 直 流 伺 服 電 機 及 其 速 度 控 制 主 要 內(nèi) 容直 流 伺 服 電 機 速 度 控 制 單 元 的 調(diào) 速 控 制 方 式 需 對 直 流 電 壓 的 大 小 和 方 向 進(jìn) 行 控 制直 流 伺 服 電 機 速 度 控 制 單 元 的 作 用 ： 將 轉(zhuǎn) 速 指 令 信 號 轉(zhuǎn)換 成 電 樞 的 電 壓 值 ， 達(dá) 到 速 度 調(diào) 節(jié) 的 目 的 。直 流 電 機 速 度 控 制 單 元 常 采 用 的 調(diào) 速 方

16、法 ： 1.晶 閘 管 （ 可 控 硅 ） 調(diào) 速 系 統(tǒng) 2.晶 體 管 脈 寬 調(diào) 制 （ PWM Pulse Width Modulated）調(diào) 速 系 統(tǒng) 。 主 要 內(nèi) 容1 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 調(diào) 速 控 制 。7.3 直 流 伺 服 電 機 及 其 速 度 控 制U*n 主 要 內(nèi) 容速 度調(diào) 節(jié) 器 電 流調(diào) 節(jié) 器 觸 發(fā) 脈 沖發(fā) 生 器 可 控 硅電 流 反 饋速 度 反 饋 電 流 檢 測編 碼 器 電 機+ -Un InI*n+ -US 控 制回 路主 回 路 ： 可 控 硅 整 流 放

17、 大 器 ： 整 流 、 放 大 、 驅(qū) 動 ， 使 電 機 轉(zhuǎn) 動 。速 度 環(huán) ： 速 度 調(diào) 節(jié) ， 作 用 ： 好 的 靜 態(tài) 、 動 態(tài) 特 性 。電 流 環(huán) ： 電 流 調(diào) 節(jié) ， 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 移或 后 移 。 7.3 直 流 伺 服 電 機 及 其 速 度 控 制 4 6 2 7 9 111 3 5 8 12 10ABC M UM UDKM KM +- 主 回 路 由 大 功 率 晶 閘 管 構(gòu) 成 的 三 相 全 控 橋 式 反 并 接 可

18、逆 電路 ， 分 成 二 大 部 分 （ 和 ） ， 每 部 分 內(nèi) 按 三 相 橋 式 連接 ， 二 組 反 并 接 ， 分 別 實 現(xiàn) 正 轉(zhuǎn) 和 反 轉(zhuǎn) 。各 有 一 個 可 控 硅 同 時 導(dǎo) 通 ， 形 成 回 路 。 7.3 直 流 伺 服 電 機 及 其 速 度 控 制1、 3、 5在 正 半 周 導(dǎo) 通 ， 2、 4、 6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120， 觸 發(fā) 脈 沖 的 順 序 ： 1-2-3-4-5-6， 相 鄰之 間 相 位 差 60。 為 保 證 合 閘 后 兩 個 串 聯(lián) 可 控硅 能 同 時 導(dǎo)

19、通 ， 或 已 截 止 的 相 再 次 導(dǎo) 通 ， 采 用雙 脈 沖 控 制 。 即 每 個 觸 發(fā) 脈 沖 在 導(dǎo) 通 60后 ，再 補 發(fā) 一 個 輔 助 脈 沖 ； 也 可 以 采 用 寬 脈 沖 控 制 ，寬 度 大 于 60， 小 于 120。 7.3 直 流 伺 服 電 機 及 其 速 度 控 制 只 要 改 變 可 控硅 觸 發(fā) 角 （ 即 改 變導(dǎo) 通 角 ） ， 就 能 改變 可 控 硅 的 整 流 輸出 電 壓 ， 從 而 改 變直 流 伺 服 電 機 的 轉(zhuǎn)速 。 觸 發(fā) 脈 沖 提 前 ，增 大 整 流 輸 出 電 壓 ；觸 發(fā) 脈 沖 延 后 ， 減小 整 流 輸 出

20、 電 壓 。 u ac b c a ba)b) c)d) 1 3 5 tu b2 4 6b c a tttt1 1 3 3 5 5 1 1 3 3 6 2 2 4 4 6 6 2 2 4 1 3 52 4 612012018060 1 32 460 6056 晶 閘 管 調(diào) 節(jié) 電 路 主 要 內(nèi) 容2 PWM調(diào) 速 控 制 系 統(tǒng)利 用 大 功 率 晶 體 管 的 開 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 機 的 電 樞 上 ； 通 過 調(diào) 整 控 制方 波 脈 沖 寬 度 來 改 變 電 樞 的 平 均 電 壓 ， 從

21、 而 調(diào) 節(jié) 電 機 的 轉(zhuǎn)速 。控 制 電 路 簡 單 ， 不 需 附 加 關(guān) 斷 電 路 ， 開 關(guān) 特 性 好 。 廣 泛應(yīng) 用 中 、 小 功 率 直 流 伺 服 系 統(tǒng) 。周 期 不 變脈 寬脈 寬 脈 寬脈 寬 平 均 直 流 電 壓U t周 期 不 變 7.3 直 流 伺 服 電 機 及 其 速 度 控 制 主 要 內(nèi) 容M U tttTonTEaIaUEa UaVD Ia-+ 直 流 電 機 電 壓 的 平 均 值 : aonT aa ETTETU 01T脈 沖 周 期 ， Ton導(dǎo) 通 時 間 7.3 直 流 伺 服 電 機 及 其 速 度 控 制 脈 寬 調(diào) 制 （ PWM

22、） 系 統(tǒng) 組 成 ：主 要 內(nèi) 容速 度調(diào) 節(jié) 器 電 流 反 饋 脈 寬調(diào) 制 基 極驅(qū) 動 功放振 蕩 器 電 流調(diào) 節(jié) 器 M速度指令 三 相 交 流 電整 流 速 度 反 饋Usr USCU Ub 7.3 直 流 伺 服 電 機 及 其 速 度 控 制 控 制 回 路 ： 速 度 調(diào) 節(jié) 器 ； 電 流 調(diào) 節(jié) 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 電 路 。 區(qū) 別 ： 與 晶 閘 管 調(diào) 速 系 統(tǒng) 比 較 ， 速 度 調(diào) 節(jié) 器 和 電 流 調(diào) 節(jié) 器 原 理 一 樣 。 不 同 的 是 脈 寬 調(diào) 制 器 和

23、 功 率 放 大 器 。 脈 寬 調(diào) 制 器作 用 ： 將 電 壓 量 轉(zhuǎn) 換 成 可 由 控 制 信 號 調(diào) 節(jié) 的 矩 形 脈 沖 ， 為功 率 晶 體 管 的 基 極 提 供 一 個 寬 度 可 由 速 度 指 令 信 號 調(diào) 節(jié) 的脈 寬 電 壓 。組 成 ： 調(diào) 制 信 號 發(fā) 生 器 （ 三 角 波 和 鋸 齒 波 兩 種 ） 和 比 較 放大 器 。原 理 ： 以 三 角 波 發(fā) 生 器 為 例 介 紹 7.3 直 流 伺 服 電 機 及 其 速 度 控 制 R1 +12V USCR1 R3R2 +-12VU S rU -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 （ US r+U ）調(diào) 制 波 形 圖 t tU S r +U +U S ro o-U S rttUS r為 正 時 USr為 負(fù) 時U S r +U ttUSr為 0時調(diào) 制 出 正 負(fù) 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(fù) 7.3 直 流 伺 服 電 機 及 其 速 度 控 制 7.3 直 流 伺 服 電 機 及 其 速 度 控 制 全 數(shù) 字 式 PWM