直流伺服与交流伺服课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,常用的直流电动机有：永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、,印刷绕组）,励磁式直流电机,混合式直流电机,无刷直流电机,直流力矩电机,直流进给伺服系统：永磁式直流电机类型中的,有槽电枢永磁直,流电机（普通型）,；,直流主轴伺服系统：励磁式直流电机类型中的,他激直流电机,。,6.4,直流伺服电机,(,一）,直流伺服电机的结构,极靴,机壳,瓦状永磁材料（定子）,电枢（转子）,换向极,主磁极,定子,转子,线圈,图,6.5,永磁直流伺服电机的结构,图,6.6,直流主轴电机结构示意图,6.4,直流伺服电机,1.,静态特性,电磁转矩由下式表示,:,（,6.1,）,K,T,转矩常数；,磁场磁通；,I,a,电枢电流,；,T,M,电磁,转矩。电枢回路的电压平衡方程式为,:,（,6.2,）,U,a,电枢上的外加电压；,R,a,电枢电阻；,E,a,电枢反电势。,电枢反电势与转速之间有以下关系：,（,6.3,）,K,e,电势常数；,电机转速（角速度）。,根据以上各式可以求得：,（,6.4,）,（二）一般,直流电机的工作特性,6.4,直流伺服电机,当负载转矩为零时：,理想空载转速 （,6.5,）,当转速为零时：,启动转矩,(,6.6,）,当电机带动某一负载,T,L,时,电机转速与理想空载转速的差 （,6.7,）,图,6.7,直流电机的机械特性,（n）,O,O,T,S,T,T,L,6.4,直流伺服电机,（二）,一般,直流电机的工作特性,2.,动态特性,直流电机的动态力矩平衡方程式为,（,6.8,）,式中,T,M,电机电磁转矩；,T,L,折算到电机轴上的负载转矩；,电机转子角速度；,J,电机转子上总转动惯量；,t,时间自变量。,6.4,直流伺服电机,（二）,一般,直流电机的工作特性,1.,永磁直流伺服电机的性能特点,1),低转速大惯量,2),转矩大,3),起动力矩大,4),调速泛围,大，低速运行平稳，力矩波动小,2.,永磁直流伺服电机性能用特性曲线和数据表描述,1),转矩,-,速度特性曲线,（,工作曲线）,2),负载,-,工作周期曲线,过载倍数,T,md,，,负载工作周期比,d,。,3),数据表：,N,、,T,、,时间常数、转动惯量等等。,（三）,永磁直流伺服电机的工作特性,6.4,直流伺服电机,d%,80 110%,120%,60 130%,140%,40 160%,d,180%,20,200%,0 1 3,t,R,6 10 30 60 100,t,R,(min,),图,6,9,负载,-,工作周期曲线,M/,（,N-cm,）,转矩极限,12000,10000,瞬时换向极限,8000,6000,换向极限,速度极限,4000,温度极限,2000 ,0 500 1000 1500 n,图,68,永磁直流伺服电机工作曲线,区为连续工作区；,区为断续工作区，由负载,-,工作周期曲线决定工作时间；,区为瞬时加减速,区,（三）,永磁直流伺服电机的工作特性,6.4,直流伺服电机,3.,永磁直流伺服电机的工作特性曲线,（四）,主轴直流伺服电机的工作原理和特性,O,n,j,n,max,n,P,T,1 2,图,6,.,10,直流主轴电机特性曲线,1-,转矩特性曲线,2-,功率特性曲线,6.4,直流伺服电机,（五）直流进给运动的速度控制,1.,、直流伺服电机的调速原理,根据机械特性公式可知调速有二种方法,:,电枢电压,Ua,和气隙磁通,改变电枢外加电压,Ua,:,由于绕组绝缘耐压的限制，调压只能在额定,转速以下进行。属于恒转矩调速。,改变气隙磁通量,：,改激磁电流即可改,，在,Ua,恒定情况下，磁场接,近饱和，故只能弱磁调速，在额定转速以上进行。属于恒功率调速。,2.,直流速度控制单元调速控方式,晶闸管（可控硅）调速系统,晶体管脉宽调制（,PWM,）,调速系统,6.4,直流伺服电机,晶闸管调速系统,1,）系统的组成,包括 控制回路：速度环、电流环、触发脉冲发生器等。,主回路：可控硅整流放大器等。,速度环：速度调节（,PI,），,作用：好的静态、动态特性。,电流环：电流调节,(P,或,PI),。,作用：加快响应、启动、低频稳定等。,触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或后移。,可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。,速度,调节器,电流,调节器,触发脉冲,发生器,可控硅,整流器,电流反馈,速度反馈,电流检测,编码器,电机,U,R,+,-,U,f,I,f,I,R,+,-,E,1,E,S,（五）直流进给运动的速度控制晶,(1),晶闸管调速系统,6.4,直流伺服电机,2,）主回路工作原理,组成：由大功率晶闸 管构成的三相全控桥式（三相全波）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。,原理：,三相整流器，由二个半波整流电路组成。每部分内又分成,共阴极组,（,1,、,3,、,5,）和共阳极组（,2,、,4,、,6,）。为构成回路，这二组中必须各有一,个可控硅同时导通。,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,，每相内二个触发脉冲相差,180,。,按管号排列，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。既每个触发脉冲在导通,60,后，在补发一个辅助脉冲；也,可以采用宽脉冲控制，宽度大于,60,，小于,120,。,4,6,2,7,9,11,1,3,5,8,12,10,A,B,C,M,U,M,U,D,K,M,K,M,+,-,（五）直流进给运动的速度控制,(1),晶闸管调速系统,6.4,直流伺服电机,原理,：,主回路波形图,u,a,c,b,c,a,b,a,),b,),c,),d,),1,3,5,t,u,b,2,4,6,b,c,a,t,t,t,t,1 1 3 3 5 5 1 1 3 3,6 2 2 4 4 6 6 2 2 4,1,3,5,2,4,6,120,120,180,60,1,3,2,4,60,60,5,6,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,来，增大整流输出,电压；触发脉冲延,后来，减小整流输,出电压。,（五）直流进给运动的速度控制,(1),晶闸管调速系统,6.4,直流伺服电机,3,）控制回路分析,触发脉冲产生的过程：,改变触发角，即改变控制角,U,1,U,2,R,1,R,2,R,3,C,-,+,同步信号,过零信号,由速度,F,变换来的电流调节器输出的直流信号,1,2,3,同步信号,方波信号,矩齿波,矩齿波与直,流电压叠加,信号,尖脉冲,直流电压,（,可控硅导通时间），可调速。,没反馈是开环，特性软。,1-,同步电路,2-,移向控制电路,3-,脉冲分配器,电流调节器,:,同上，加快电流的反应。,触发脉冲发生器：正弦波同步锯齿波触发,电路，与,F,直流信号叠加。,速度调节器：比例积分,PI,，,高放大（相当,C,短路）,缓放大,增放大,稳定（相当,C,开路）无静差。,（五）直流进给运动的速度控制,(1),晶闸管调速系统,6.4,直流伺服电机,总结,速度控制的原理,：,调速：当给定的指令信号增大时，则有较大的偏差信号加到调节器的输入端，产生前移的触发脉冲，可控硅整流器输出直流电压提高，电机转速上升。此时测速反馈信号也增大，与大的速度给定相匹配达到新的平衡，电机以较高的转速运行。,干扰：假如系统受到外界干扰，如负载增加，电机转速下降，速度反馈电压降低，则速度调节器的输入偏差信号增大，其输出信号也增大，经电流调节器使触发脉冲前移，晶闸管整流器输出电压升高，使电机转速恢复到干扰前的数值。,电网波动：电流调节器通过电流反馈信号还起快速的维持和调节电流 作用，如电网电压突然短时下降，整流输出电压也随之降低，在电机转速由于惯性还未变化之前，首先引起主回路电流的减小，立即使电流调节器的输出增加，触发脉冲前移，使整流器输出电压恢复到原来值，从而抑制了主回路电流的变化。,启动、制动、加减速：电流调节器还能保证电机启动、制动时的大转矩、加减速的良好动态性能。,（五）直流进给运动的速度控制,(1),晶闸管调速系统,6.4,直流伺服电机,（,2,）晶体管脉宽调制（,PWM,）,调速系统,1,）系统的组成及特点,速度调节器,电流调节器,脉宽调节,振荡器,脉宽调节,M,G,电流反馈,U,u,sr,u,s f,整流,功放,（五）直流进给运动的速度控制,6.4,直流伺服电机,主回路,：,大功率晶体管开关放大器；功率整流器。,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。,直流脉宽调制：,功率放大器中的大功率晶体管工作在开,关状态下，开关频率保持恒定，用调整开关周期,内晶体管导通时间（即改变基极调制脉冲宽度）,的方法来改变输出。从而使电机获得脉宽受调制,脉冲控制的电压脉冲，由于频率高及电感的作用,则为波动很小的直流电压（平均电压）。,脉宽的变化使电机电枢的直流电压随着变化。,（五）直流进给运动的速度控制,（,2,）,PWM,调速系统,6.4,直流伺服电机,直流脉宽调调制的基本原理,周期不变,周期不变,脉宽,脉宽,脉宽,脉宽,平均直流电压,脉冲宽度正比代表速度,F,值的直流电压,U,t,（五）直流进给运动的速度控制,（,2,）,PWM,调速系统,6.4,直流伺服电机,2,）脉宽调制器,t,t,U,U,+,U,S r,U,+,U,S r,U,S C,U,S C,U,S C,+U,S,r,o,o,o,-U,S,r,t,t,t,t,同向加法放大器电路图,U,S r,速度指令转化过,来的直流电压,U,-,三角波,U,SC,-,脉宽调制器的输,出（,U,S r,+,U,）,调制波形图,R,1,+12V,U,SC,R,1,R,3,R,2,+,-,12V,U,S r,U,-,U,S r,为,0,时,调制出正负脉宽一样方波,平均电压为,0,U,S r,为正时,U,S r,为负时,调制出脉宽较宽的波形,平均电压为正,调制出脉宽较窄的波形,平均电压为负,（五）直流进给运动的速度控制,（,2,）,PWM,调速系统,6.4,直流伺服电机,3,）开关功率放大器,主回路：可逆,H,型双极式,PWM,开关功率放大器,电路图,:,由四个大功率晶体管,（,GTR,）,T,1,、,T,2,、,T,3,、,T,4,及四个续流二极管组成的桥,式电路。,H,型：,又分为,双极式、单极,式和受限单极,式三种。,U,b1,、,U,b2,、,U,b3,U,b4,为调制器,输出，经脉冲,分配、基极驱,动转换过来的,脉冲电压。分,别加到,T,1,、,T,2,、,T,3,、,T,4,的基极。,U,b3,U,b4,U,b1,U,b2,U,S,A,B,D,1,D,2,D,3,D,4,M,T,1,T,2,T,4,T,3,t,U,S,-U,S,Ud,U,AB,O,t,U,b1,U,b,4,U,b2,U,b3,O,O,t,t,t,1,T,i,d,id,1,i,d,2,i,d,1,i,d,2,O,O,O,O,O,t,1,t,3,T,t,2,t,3,t,1,U,b1,、,U,b,4,U,b2,、,U,b,3,Ud,U,AB,i,d,t,t,t,t,id,1,id,1,id,4,i,d,2,id,3,id,4,i,d,2,（五）直流进给运动的速度控制,（,2,）,PWM,调速系统,6.4,直流伺服电机,工作原理：,T,1,和,T,4,同时导通和关断，其基极驱动电压,U,b,1,=,U,b,4,。,T,2,和,T,3,同,时导通和关断，基极驱动电压,U,b,2,=,U,b,3,=,U,b,1,。,以正脉冲较宽为