伺服电机与伺服控制系统原理全

课题二伺服电机与伺服控制系统原理,指导老师：段建中 学生：虎鑫 学号：12007240649 2012-3-15,基本概念的介绍与举例 伺服电机原理介绍 伺服控制系统介绍 总结,内容,“伺服”词源于希腊语“奴隶”的意思。,一、“伺服”的含义 Servomechanism, 基本概念的介绍,伺服系统应用举例（2）,机械手手臂伸缩运动的电液伺服系统原理图。,1电放大器 2电液伺服阀 3液压缸 4机械手手臂 5齿轮齿条机构 6电位器 7步进电机,伺服系统应用举例（1）,图1.7 液压仿形车床工作原理图,1.2.3.4节流口 5工件 6刀具 7样件 8触销 9油缸 10油泵,二. 伺服系统的定义： (servomechanism) (servo-system） 伺服系统是指实现输出变量精确地跟随或复现输入变量的控制系统。,伺服电机,伺服电机（servo motor ） 伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，它的转矩和转速受信号电压控制。当信号电压的大小和相位发生变化时，电动机的转速和转动方向将非常灵敏和准确地跟着变化。当信号消失时，转子能及时地停转。,伺服电机的分类,一、直流电动机工作原理,伺服电机的原理介绍,安培定律,磁场的磁感应强度,导体中的电流,导体的有效长度,直流电机原理,如图所示： N和S是一对固定的磁极（一般是电磁铁，也可为永久磁铁），两级之间装着一个可以转动的铁质圆柱体，圆柱体表面上固定这一个线圈，上边为a，下圈为x，通入如图所示的电流根据左手定则便可得出电磁转矩。,一、直流电机原理,为什么要用电刷？,一、直流电机的原理,这样的连接方法只有一组线圈得电，绕组使用率低，那么如何提高绕组的使用率 呢？,改进后的绕线,提高了绕组的使用率,直流电机的励磁方式,励磁概念：由电流激励出磁场的过程叫做励磁。,直流电机的基本方程式,电气系统的电动平衡方程,电气系统的电动平衡方程,电源电压,电枢绕组上的端电压,励磁绕组上的端电压,电枢电流,励磁电流,电枢电路的电阻,励磁回路的电阻,电枢回路的自感系数,励磁回路的自感系数,电动机的机械角速度,2. 机械系统的转矩平衡方程,电磁转矩,负载转矩,空载损耗转矩,如果电动机以恒 角速度转动，则 ：,实例：直流伺服系统,常数,实例：直流伺服系统,伺服电机在磁化曲线的线性范围内使用， 因而气隙磁通 正比于励磁电流，即：,式中：,常数,由电动机产生的转矩 正比于电枢电流 和气隙磁通的乘积，即,式中：,常数,为磁场励磁电流,是电枢电流,实例：直流伺服系统,在电枢控制的直流电动机中，励磁电流为常数， 故上式可写成：,由控制输入电压 开始，系统的因果方程为,1.电枢电压方程：,实例：直流伺服系统,2.电动机转矩,3.转矩平衡方程,4.电动机的反电动势正比于速度,反电动势常数,系统因果方程拉氏变换为,实例：直流伺服系统,当负载转矩,其传递函数是:,实例：直流伺服系统,直流伺服电机的系统方框图,主要内容,7.3 直流伺服电机及其速度控制,（ 一定）,电枢回路电压平衡方程式,感应电势与转速关系,电磁转矩,直流伺服电机的调速原理与方法,原理图,等效图,电机转速与理想转速的差n，反映了电机机械特性硬度，n越小（转矩对转速变化的影响程度越小），机械特性越硬。,n0,直流电机转速与转矩的关系n=f(T)称机械特性,直流电机的基本调速方式有三种:调节电阻Ra、调节电枢电压Ua和调节磁通的值。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,主要内容,他励式直流伺服电机的转速公式,电枢电阻调速很少采用，缺点： 不经济：要得到低速，R很大，则消耗大量电能； 低速，特性很软，运转稳定性很差； 调节平滑性差，操作费力。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,主要内容,调节电枢电压（调压调速）时，直流电机机械特性为一组平行线，只改变电机的理想转速n0 ，保持了原有较硬的机械特性，所以调压调速主要用于伺服进给驱动系统电机的调速,如果n值较大，不可能实现宽范围的调速。永磁式直流伺服电机的n值较小，因此，进给系统常采用永磁式直流电机。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,主要内容,调节磁通（调磁调速）不但改变了电机的理想转速，而且使直流电机机械特性变软,7.3 直流伺服电机及其速度控制,主要内容,直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式 调速的概念有两个方面的含义: 1)改变电机转速：当给定速度变化时,电机的速度随之变化,并希望以最快的加减速达到新的给定速度值； 2)当给定速度不变化时,电机的速度保持稳定不变。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,主要内容,直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式 需对直流电压的大小和方向进行控制 直流伺服电机速度控制单元的作用：将转速指令信号转换成电枢的电压值，达到速度调节的目的。 直流电机速度控制单元常采用的调速方法： 1.晶闸管（可控硅）调速系统 2.晶体管脉宽调制（PWM Pulse Width Modulated）调速系统。,主要内容,1晶闸管调速系统 常用于大功率及要求不很高的直流伺服电机调速控制。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,U*n,7.3 直流伺服电机及其速度控制,主回路由大功率晶闸管构成的三相全控桥式反并接可逆电路，分成二大部分（ 和 ），每部分内按三相桥式连接，二组反并接，分别实现正转 和反转。,各有一个可控硅同时导通，形成回路。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,1、3、5在正半周导通， 2、4、6在负半周导通。每组内（即二相间）触发脉冲相位相差120，触发脉冲的顺序：1-2-3-4-5-6，相邻之间相位差60。为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通，或已截止的相再次导通，采用双脉冲控制。即每个触发脉冲在导通60后，再补发一个辅助脉冲；也可以采用宽脉冲控制，宽度大于60，小于120。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,只要改变可控硅触发角（即改变导通角），就能改变可控硅的整流输出电压，从而改变直流伺服电机的转速。 触发脉冲提前，增大整流输出电压；触发脉冲延后，减小整流输出电压。,晶闸管调节电路,主要内容,2PWM调速控制系统 利用大功率晶体管的开关作用，将直流电压转换成一定频率的方波电压，加到直流电动机的电枢上；通过调整控制方波脉冲宽度来改变电枢的平均电压，从而调节电机的转速。 控制电路简单，不需附加关断电路，开关特性好。 广泛应用中、小功率直流伺服系统。,周期不变,脉宽,脉宽,脉宽,脉宽,平均直流电压,U,t,周期不变,7.3 直流伺服电机及其速度控制,主要内容,直流电机电压的平均值:,T脉冲周期， Ton导通时间,7.3 直流伺服电机及其速度控制,脉宽调制（PWM）系统组成：,7.3 直流伺服电机及其速度控制,控制回路： 速度调节器；电流调节器；固定频率振荡器及三角波发生器；脉宽调制器和基极驱动电路。 区别： 与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节 器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器。,脉宽调制器 作用：将电压量转换成可由控制信号调节的矩形脉冲，为功率晶体管的基极提供一个宽度可由速度指令信号调节的脉宽电压。 组成：调制信号发生器（三角波和锯齿波两种）和比较放大器。 原理：以三角波发生器为例介绍,7.3 直流伺服电机及其速度控制,USr 速度指令转化过 来的直流电压 U- 三角波 USC- 脉宽调制器的输出（US r+U） 调制波形图,7.3 直流伺服电机及其速度控制,7.3 直流伺服电机及其速度控制,全数字式PWM,