伺服电机及其驱动技术.ppt

运动控制系统,哈尔滨理工大学自动化学院 主讲教师：许家忠,交流伺服系统,运动控制系统第九次课-404教研室,3,2020年9月10日星期四,Position signal/位置信号,Position signal/位置信号,2005/1/1,电机的种类及控制方法,直流有刷电机,直流无刷电机 （带霍尔位置传感器）,直流无刷电机 （无位置传感器）,交流电机,M,M,M,M,功率驱动,控制电路,No position signal feedback/无位置信号反馈,2001/6/14,功率驱动,功率驱动,正弦波,方波,方波,控制电路,控制电路,.,控制电路,功率驱动,运动控制系统第九次课-404教研室,4,2020年9月10日星期四,伺服电机种类,直流有刷电机,直流无刷电机,交流伺服电机,运动控制系统第九次课-404教研室,5,2020年9月10日星期四,交流伺服电机,永磁无刷直流电机和永磁交流伺服电机都属于交流永磁同步电机。 按照反电动势波形和驱动电流的波形，可以将永磁同步电机分为方波驱动和正弦波驱动型。 前者就是我们常说的无刷直流电机，后者又称为永磁同步交流伺服电机。 主要用于伺服控制的场合。,运动控制系统第九次课-404教研室,6,2020年9月10日星期四,永磁交流伺服电机,在交流伺服系统中，电动机的类型有永磁同步交流伺服电机（PMSM）和感应异步交流伺服电机（IM）。 永磁同步电机具备十分优良的低速性能、可以实现弱磁高速控制，调速范围宽广、动态特性和效率都很高，已经成为伺服系统的主流之选。 异步伺服电机虽然结构坚固、制造简单、价格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大 功率场合得到重视。本文讨论的重点将放在永磁同步交流伺服系统上。,运动控制系统第九次课-404教研室,7,2020年9月10日星期四,交流伺服的行业应用,现代交流伺服系统最早被应用到宇航和军事领域，比如火炮、雷达控制。 逐渐进入到工业领域和民用领域。工业应用主要包括高精度数控机床、机器人和其他广义的数控机械，比如纺织机械、印刷机械、包装机械、医疗设备、半导体设备、邮政机械、冶金机械、自动化流水线、各种专用设备等。 其中伺服用量最大的行业依次是：机床、食品包装、纺织、电子半导体、塑料、印刷和橡胶机械，合计超过75。,运动控制系统第九次课-404教研室,8,2020年9月10日星期四,永磁无刷直流电机,运动控制系统第九次课-404教研室,10,2020年9月10日星期四,永磁无刷直流电机,本质上，无刷直流电机是根据转子位置反馈信息采用电子换相运行的交流永磁同步电机，与有刷直流电机相比具有一系列优势，近年得到了迅速发展，在许多领域的竞争中不断取代直流有刷电机和异步电动机。,运动控制系统第九次课-404教研室,11,2020年9月10日星期四,永磁无刷直流电机,直流有刷电机,直流无刷电机,永磁直流无刷伺服电机,Permanent Magnet Brushless DC Motors,运动控制系统第九次课-404教研室,13,2020年9月10日星期四,一、问题的提出,直流电动机虽然具有优良的调速和起动特性，但由于存在电刷和换向器，需要经常性维护，并且会产生火花和电磁干扰，限制了它的应用范围。 近年发展起来的无刷直流电动机就是为了克服换向器和电刷的滑动接触而发展起来的新型直流电动机。,运动控制系统第九次课-404教研室,14,2020年9月10日星期四,二、无刷直流电动机的工作原理,磁极静止，电枢旋转 根据左手定则，线圈在电磁转矩 作用下将按逆时针方向旋转 当载流导体转过180度后，借助电刷-换向片改变导体中电流方向,直流有刷电机,多极,运动控制系统第九次课-404教研室,15,2020年9月10日星期四,二、无刷直流电动机的工作原理,电枢静止，磁极旋 转，且磁极为永久磁 铁。 电枢绕组中电流 的换向是借助于转子 位置传感器和电子开 关线路来实现的。 所以，无刷直流电机一般都是由电动机、位置传感器和电子开关线路三部分组成。,无刷直流电动机原理,运动控制系统第九次课-404教研室,16,2020年9月10日星期四,二、无刷直流电动机的工作原理,运动控制系统第九次课-404教研室,17,2020年9月10日星期四,三、驱动部分,驱动电路：驱动电路输出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控制电路。驱动电路由大功率开关器件组成。正是由于晶闸管的出现，直流电动机才从有刷实现到无刷的飞跃。但由于晶闸管是只具备控制接通，而无自关断能力的半控性开关器件，其开关频率较低，不能满足无刷直流电动机性能的进一步提高。,运动控制系统第九次课-404教研室,18,2020年9月10日星期四,三、驱动部分,随着电力电子技术的飞速发展，出现了全控型的功率开关器件，其中有可关断晶体管（GTO）、电力场效应晶体管（MOSFET）、金属栅双极性晶体管IGBT模块、集成门极换流晶闸管（IGCT）及近年新开发的电子注入增强栅晶体管（IEGT）。随着这些功率器件性能的不断提高，相应的无刷电动机的驱动电路也获得了飞速发展。,运动控制系统第九次课-404教研室,19,2020年9月10日星期四,三、驱动部分,运动控制系统第九次课-404教研室,20,2020年9月10日星期四,三、驱动部分,运动控制系统第九次课-404教研室,21,2020年9月10日星期四,2005/1/1,a,b,c,a,b,c,Y形连接,形连接,三、驱动部分,运动控制系统第九次课-404教研室,22,2020年9月10日星期四,三、驱动部分,运动控制系统第九次课-404教研室,23,2020年9月10日星期四,四.转子位置传感器,转子位置检测电路 永磁无刷电动机是一闭环的机电一体化系统，它是通过转子磁极位置信号作为电子开关线路的换相信号，因此，准确检测转子位置，并根据转子位置及时对功率器件进行切换，是无刷直流电动机正常运行的关键。,运动控制系统第九次课-404教研室,24,2020年9月10日星期四,四.转子位置传感器,用位置传感器来作为转子的位置检测装置是最直接有效的方法。一般将位置传感器安装于转子的轴上，实现转子位置的实时检测。 最早的位置传感器是磁电式的，既笨重又复杂，已被淘汰。 目前磁敏式的霍尔位置传感器广泛应用于无刷直流电动机中，另外还有光电式的位置传感器。,运动控制系统第九次课-404教研室,25,2020年9月10日星期四,四、转子位置传感器,运动控制系统第九次课-404教研室,26,2020年9月10日星期四,四、转子位置传感器,运动控制系统第九次课-404教研室,27,2020年9月10日星期四,工作原理,运动控制系统第九次课-404教研室,28,2020年9月10日星期四,工作原理,运动控制系统第九次课-404教研室,29,2020年9月10日星期四,工作原理,运动控制系统第九次课-404教研室,30,2020年9月10日星期四,工作原理,运动控制系统第九次课-404教研室,31,2020年9月10日星期四,运动控制系统第九次课-404教研室,32,2020年9月10日星期四,控制方法,运动控制系统第九次课-404教研室,33,2020年9月10日星期四,有刷控制器系统框图,霍尔转把,调速把手,供电电路,预驱动电路,电流采样,PWM生成/调制电路,功率输出电路,直流有刷电机,电池组,2005/1/1,运动控制系统第九次课-404教研室,34,2020年9月10日星期四,运动控制系统第九次课-404教研室,35,2020年9月10日星期四,调速的基本原理2,2005/1/1,调压调速模式,运动控制系统第九次课-404教研室,36,2020年9月10日星期四,控制方式,运动控制系统第九次课-404教研室,37,2020年9月10日星期四,运动控制系统第九次课-404教研室,38,2020年9月10日星期四,运动控制系统第九次课-404教研室,39,2020年9月10日星期四,运动控制系统第九次课-404教研室,40,2020年9月10日星期四,无位置传感器技术,位置传感器的存在，增加了无刷直流电动机的重量和结构尺寸，不利于电机的小型化；旋转时传感器难免有磨损，且不易维护； 同时，传感器的安装精度和灵敏度直接影响电机的运行性能； 另一方面，由于传输线太多，容易引入干扰信号；由于是硬件采集信号，更降低了系统的可靠性。,运动控制系统第九次课-404教研室,41,2020年9月10日星期四,无位置传感器技术,为适应无刷电动机的进一步发展，无位置传感器应运而生，它一般利用电枢绕组的感应反电动势来间接获得转子磁极位置，与直接检测法相比，省去了位置传感器，简化了电动机本体结构，取得了良好的效果，并得到了广泛的应用。但对于靠反电动势进行位置检测的无位置传感器无刷电动机，由于静止时不产生反电动势，因而如何顺利启动是该电机需要解决的问题。,运动控制系统第九次课-404教研室,42,2020年9月10日星期四,无位置传感器,运动控制系统第九次课-404教研室,43,2020年9月10日星期四,无位置传感器,运动控制系统第九次课-404教研室,44,2020年9月10日星期四,无位置传感器技术,运动控制系统第九次课-404教研室,45,2020年9月10日星期四,运动控制系统第九次课-404教研室,46,2020年9月10日星期四,智能有刷控制器典型应用图2,2005/1/1,运动控制系统第九次课-404教研室,47,2020年9月10日星期四,U1, V1, W1, _U1, _V1, _W1,U, V, W,PDU, PDV, PDW,M,功率驱动,控制电路,DC,2005/1/1,无刷电机的译码/驱动时序图1（带位置传感器/120度相位）,2001/6/15,转子位置信号反馈,电机相线端电压,功率管驱动电压,电机霍尔输出电压,位置信号采样点,运动控制系统第九次课-404教研室,48,2020年9月10日星期四,2005/1/1,无刷电机的译码/驱动时序图2（ 无位置传感器）,Position signal circuit,U1, V1, W1, _U1, _V1, _W1,DC,+ -,Ref. V,U, V, W,PDU, PDV, PDW,M,功率驱动,控制电路,Rx,Ry,2001/6/14,电机相线端电压,功率管驱动电压,电机反电动势输出电压,位置信号采样点,位置信号生成电路,永磁交流伺服电机,运动控制系统第九次课-404教研室,50,2020年9月10日星期四,安川,松下,三菱,运动控制系统第九次课-404教研室,51,2020年9月10日星期四,基本结构,交流伺服电动机主要由定子和转子构成。 定子铁心通常用硅钢片叠压而成。定子铁心表面的槽内嵌有两相绕组，其中一相绕组是励磁绕组，另一相绕组是控制绕组，两相绕组在空间位置上互差90电角度。工作时励磁绕组就j与交流励磁电源相连，控制绕组k加控制信号电压。,1外定子铁心；2杯形转子； 3内定子铁心；4转轴； 5轴承；6定子绕组,杯形转子 伺服电动机结构图,运动控制系统第九次课-404教研室,52,2020年9月10日星期四,交流伺服电动机,交流伺服电动机就是一台两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差90的两个绕组：励磁绕组和控制绕组，其结构如图所示。,励磁绕组,控制绕组,杯形转子,内定子,交流伺服电动机结构图,运动控制系统第九次课-404教研室,53,2020年9月10日星期四,转子的形式有两种，一种是笼式转子，其绕组由高电阻率的材料制成，绕组的电阻较大，笼式转子结构简单，但其转动惯量较大。另一种是空心杯转子，它由非磁性材料制成杯形，可看成是导条数很多的笼式转子，其杯壁很薄，因而其电阻值较大。转子在内外定子之间的气隙中旋转，因空气隙较大而需要较大的励磁电流。空心杯形转子的转动惯量较小，响应迅速。,交流伺服电动机原理图,运动控制系统第九次课-404教研室,54,2020年9月10日星期四,运动控制系统第九次课-404教研室,55,2020年9月10日星期四,工作原理,交流伺服电动机在没有控制电压时，气隙中只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子上没有启动转矩而静止不动。 当有控制电压且控制绕组电流和励磁绕组电流不同相时，则在气隙中产生一个旋转磁场并产生电磁转矩，使转子沿旋转磁场的方向旋转。但是对伺服电动机要求不仅是在控制电压作用下就能启动，且电压消失后电动机应能立即停转。 如果伺服电动机控制电压消失后像一般单相异步电动机那样继续转动，则出现失控现象，我们把这种因失控而自行旋转的现象称为自转。,运动控制系统第九次课-404教研室,56,2020年9月10日星期四,励磁绕组串联电容C , 是为了产生两相旋转磁场。,适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差接近90,从而产生所需的旋转磁场。,运动控制系统第九次课-404教研室,57,2020年9月10日星期四,控制电压 与电源电压 频率相同，相位相同或反相。,交流伺服电动机的工作原理与单相异步电动机有相似之处。,励磁绕组固定接在电源上，当控制电压为零时，电机无起动转矩，转子不转。,运动控制系统第九次课-404教研室,58,2020年9月10日星期四,控制方法,可采用下列几种方法来控制伺服电动机的转速高低及旋转方向。 （1）幅值控制 保持控制电压与励磁电压间的相位差不变，仅改变控制电压的幅值。 （2）相位控制 保持控制电压的幅值不变，仅改变控制电压与励磁电压间的相位差。 （3）幅-相控制 同时改变控制电压的幅值和相位。 （4）双相控制,运动控制系统第九次课-404教研室,59,2020年9月10日星期四,同步电动机,前面讨论过的伺服电动机， 其转速是随控制信号或负载转矩的变化而变化的。 而在传真机、 磁带录音机和各种精确的计时或记录装置中， 往往需要一种能在电源电压波动或负载转矩变化时仍可保持转速恒定不变的电动机。 额定功率从零点几瓦到数百瓦的各种同步电动机就是在一定的输出功率范围内具有这种恒速特性的微型同步电动机。,运动控制系统第九次课-404教研室,60,2020年9月10日星期四,矢量控制,特殊电机,运动控制系统第九次课-404教研室,62,2020年9月10日星期四,力矩电机 直接驱动电机,直接驱动回转电机 直接驱动技术消除了传统旋转平台所遇到的齿轮磨损、转矩变化和背隙误差等这些缺点,运动控制系统第九次课-404教研室,63,2020年9月10日星期四,运动控制系统第九次课-404教研室,64,2020年9月10日星期四,高转矩高速度 输出转矩6Nm600Nm 输出转速250RPM500RPM结构紧凑 电机尺寸较小，节省安装空间 中空式设计，便于安装和配线高精度 20位高分辨率编码器：1048576P/R 定位精度和转矩控制精度显著提高使用简便 平滑无噪声驱动 采用串行编码器，减少了配线数量 内部无齿轮传动，不需要校正维护或磨损检测 具有速度、转矩、位置控制方式,运动控制系统第九次课-404教研室,65,2020年9月10日星期四,直线电机,运动控制系统第九次课-404教研室,66,2020年9月10日星期四,直线电机指标,牵引力 体积 移动系统的范围 额定电压 移动全程所需要的时间,运动控制系统第九次课-404教研室,67,2020年9月10日星期四,直线电机特点及其应用,高速响应 精度 刚度高 速度快、加减速短 噪声低 效率高 散热性好 装配灵活度大,