伺服驱动与控制-伺服驱动.ppt

第三章伺服系统执行元件,主要内容一、概述二、直流伺服电机与驱动控制三、交流伺服电机与驱动控制四、步进电机与驱动控制五、新型驱动机构六、本章实验,一、概述,1.定义：能够将非机械能转换为机械能动力元件。2.分类：电磁执行元件、液压执行元件、气动执行元件三大类。（1）电磁执行元件：通过电磁转换将电能转换成机械能的动力元件，应用最广泛，包括按照输出形式分为旋转电机、直线电机；按照电机类型包括交流电机、直流电机和步进电机。（2）液压执行元件：将液压能转换为机械能的动力元件，包括：液压马达（旋转运动）、液压缸（直线运动）。（3）气动执行元件：将气压能转换为机械能的动力元件，包括：气马达（旋转运动）、气缸（直线运动）。,一、概述,3.执行元件的特性主要从以下几个方面来衡量执行机构的特性：（1）负载能力：执行机构所能承受的负荷或所能产生的驱动能力，如电机最大输出扭矩，液压缸最大输出力；（2）运动速度：指正常工作时，执行机构最小或最大稳定速度。如电机的转速、液压马达的转速；（3）功率密度：执行机构所产生的最大功率与其自身质量或体积的比值。一般液压执行机构的功率密度要比电动和气动执行机构的功率密度大。,一、概述,4.电机的选型与计算原则（1）确定电机的种类交流伺服电机适用于具有较高控制精度要求的场合；直流电机适用于低速大扭矩而控制精度相对较高的控制场合；步进电机适用于控制精度较低的开环控制场合。（2）确定电机的最高转速与转矩根据负载要求，确定电机的最高转速，如果需要减速器，还应该减速机的减速比；综合考虑各种负载形式（惯性负载、摩擦负载、弹性负载、阻尼负载和不平衡负载等），将其折合到电机轴上，从而确定电机的转矩。（3）其它因素确定电机的反馈形式（全闭环、半闭环、开环；电流环、速度环、位置环）；确定电机的驱动电压。,二、直流伺服电机与驱动控制,直流电机的特点优点：直流电机具有转矩大，低速性能好；在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速；调速范围宽，起动力矩大；成本较低。缺点：直流电机的最大缺点就是有电流的换向问题。,2.应用场合各种机器人控制；火炮高低、方位随动系统。,直流电机分为两部分：定子与转子。定子包括：主磁极，机座，换向极，电刷装置等。转子包括：电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和风扇等。,二、直流伺服电机与驱动控制,3.直流电机的分类永磁式直流电机电磁式直流电机直流它励电机：励磁绕组与电枢没有联系，由另外直流电源供给。因此励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响。直流并励电机：励磁绕组两端电压就是电枢两端电压，励磁绕组具有较大的电阻，使得通过他的励磁电流较小。直流串励电机：励磁绕组和电枢串联，励磁磁场随着电枢电流的改变有显著的变化。直流复励电机：电动机的磁通由两个绕组内的励磁电流产生。,二、直流伺服电机与驱动控制,5.直流电机主要技术参数额定功率、额定电压、额定电流、额定转速、额定转矩、调速比,4.直流电机主要技术参数直流电机的输出电磁转矩表达式为：,式中：,-电枢绕组并联支路数；,-电枢绕组的有效导体数；,-电动机的每极磁通；,-电动机的极对数。,-与电机结构有关的转矩常数。,二、直流伺服电机与驱动控制,6.直流伺服电机的基本特性6.1机械特性输入电枢电压保持不变时，电机的转速随电磁转矩变化而变化的规律，称直流电机的机械特性。为与电动机结构有关的电势常数。为斜率，值大表示电磁转矩的变化引起电机转速的变化大，这种情况称直流电机的机械特性软；反之，斜率值小，电机的机械特性硬。,二、直流伺服电机与驱动控制,6.2调节特性直流电机在一定的电磁转矩下电机的稳态转速随电枢的控制电压变化而变化的规律，被称为调节特性。式中斜率反映了电机转速随控制电压的变化而变化快慢的关系，其值大小与负载大小无关，仅取决于电机本身的结构和技术参数。,二、直流伺服电机与驱动控制,6.3动态特性直流电机的起动存在一个过渡过程，其工作状态称为动态，可用下面的式子进行描述：-稳态转速-机械时间常数，是影响过渡过程的主要参数，其表达式为：决定机械时间常数的主要因素有：系统转动惯量、电枢回路电阻。,二、直流伺服电机与驱动控制,7直流电机的驱动与控制电机扩大机控制方式H型桥式控制方式PWM脉宽调制控制方式,二、直流伺服电机与驱动控制,7.1电机扩大机控制方式电机扩大机的换向器上置有互成90电角度的直轴和交轴两组电刷（顺着控制绕组轴线的是直轴，与其成90电角度的轴线是交轴），利用其交轴的电枢反应磁场，实现两级放大，其作用原理如图所示。,二、直流伺服电机与驱动控制,若交磁扩大机在电动机拖动下恒速旋转，则当控制绕组通有控制电流Ik时，交轴电刷q-q间就产生电动势Eq。由于q-q电刷短路，或者经串接交轴助磁绕组后短路，其电阻较小，所以交轴电流Iq较大。由Iq建立的磁通q比控制磁通k大得多。因此，旋转的转子切割q产生的并由直轴电刷引出的电动势Ed远比Eq大。在接有负载的直轴回路内，就有很大的负载电流Id，也就是负载可获得很大的功率输出。较小控制绕组电流Ik的较小变化，可获得很大的Id变化，实现功率放大。优点：二级发电原理，功率放大倍数大，带负载能力强，控制功率只需几毫瓦，放大倍数可达几千倍，动态响应快，加速减速性能好，静差小，调速范围大。缺点：补偿复杂、换向困难，存在滞环，易造成工作点不稳定，导致整个系统不稳定；需要原电机带动，结构负载，成本高。,二、直流伺服电机与驱动控制,7.2H型桥控制方式,H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。如图所示，当Q1管和Q4管导通时，电机顺时针方向旋转；当Q2管和Q3管导通时，电机逆时针方向旋转。,Q1和Q4导通,Q2和Q3导通,二、直流伺服电机与驱动控制,驱动电机时，必须保证H桥上两个同侧的三极管不能同时导通，否则会造成短路而烧坏三极管。下图的改进电路增加了4个与门和2个非门，便可以保证任何时候在H桥的同侧都只有一个三极管导通。,二、直流伺服电机与驱动控制,7.3PWM控制方式,脉宽调制(PulseWidthModulation，PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，应用非常广泛。,定义：（T1/T)100%,当控制信号为低时光耦导通，三极管Q1导通，流过电机的电流为Iq；当控制信号为高或悬空时光耦截止，三极管Q1截止，由于电机是感性负载，电流不能突变，此时，电机通过续流二极管D1形成电流回路放电。当三极管Q1导通时，电源电流流过电机；当三极管Q1截止时，电机中线圈电流通过续流二极管放电。由于电机线圈为电感，因此对电流有滤波作用，当开关频率合适，则可认为电流基本没有变化。因此，当控制信号频率不变时，调节占空比，即可调节流过电机电流的大小，从而控制电机的转速。,二、直流伺服电机与驱动控制,现以IRF640场效应管的特性为例：最大工作电流18A，峰值电流72A最高耐压200V导通电阻RDS=0.180高阻输入纳秒级开关速度。,三、步进电机与驱动控制,1.概述定义：步进电机(又称脉冲马达)是将脉冲信号转化为角位移的电磁机械。其转子的转角与输入的脉冲数成正比，其速度与单位时间内输入的脉冲数成正比，电机运动的方向则取决于脉冲的顺序。步距角：式中，m为电机相数，Z为转子齿数，K为系数（相邻两次通电相数相同K1；相邻两次通电相数不同，K2）。特点：不需要反馈就能对位置或速度进行控制；角位移量与输入脉冲数严格成正比，不会引起误差积累；具有自锁能力，定位精度较高；与数字设备兼容。应用：步进电机应用比较广泛，主要用在定位控制系统、数控机床等领。,三、步进电机与驱动控制,2.原理与分类根据工作原理不同，步进电机可分为三种：（1）反应式（又称为磁阻式步进电机）：结构简单，工作可靠，运行频率高，步距角小(0.09-9度)，价格便宜，易于操作。（2）永磁式：控制功率小、效率高、造价低，步距角较大(7.5-18度)。由于价格更便宜，被广泛用于打印机、复印机、传真机以及空调器等各个领域中。（3）混合式：既有反应式步进电机步距角小、工作频率高的特点，又有永磁式步进电机控制功率小、无励磁时具有转矩定位的优点，但价格较高。,三、步进电机与驱动控制,根据电机驱动架构不同，可分为单极性和双极性两种：(1)单极性电机：每个绕组只能单一方向通电，也被称为两绕组步进电机，因为它只含有两个线圈。两个线圈的极性相反，卷绕在同一铁芯上，具有同一个中间抽头。,单极性步进电机可以来用三种步进方式：1）单拍方式：每次仅给一个绕组通电，使转子旋转并运动到转子永磁体与具有相反极性的绕组对齐的位置。2）双拍方式：同时给两个绕组通电，使转子旋转并在永磁体到达两个通电绕组的中间位置点时平衡。比单拍方式的优点是多获得输出力矩，代价是花费两倍能量，因两相绕组同时通电。3）半拍方式：工作时让两个绕组通电与单个绕组通电方式交替地进行。半拍方式的输出力矩比双拍方式小，不过它可以获得双拍方式两倍的步进分辨率。,三、步进电机与驱动控制,(2)双极性电机：每个绕组都可以双向通电，其驱动电路则如图所示（双极性驱动电路可以同时驱动四线式或六线式步进电机）,因为可以双向通电，所以每个绕组都既可以是N极又可以是S极。它又被称为单绕组步进电机，因为每极只有单一的绕组，它还被称为两相步进电机。双极性步进电机可以简单地使用数字万用表来查找两个绕组。如果在某两根引线之间能够测量到阻值，那么这两根引线之间就属于一个绕组，其它两根线之间是另外一个绕组。双极性步进电机的步距通常是1.8，也就是每周200步。,三、步进电机与驱动控制,3步进电机静态特性步进电动机的静态特性是指它在稳定状态时的特性，包括静转矩、矩-角特性及静态稳定区。（1）矩-角特性：在空载状态下，给步进电机某相通以直流电流时，转子齿的中心线与定子齿的中心线相重合，转子上没有转矩输出，此时的位置为转子初始稳定平衡位置。（2）静态转矩：在电机转子轴上加一负载转矩，则转子齿的中心线与定子齿的中心线将错过一个电角度才能重新稳定下来。此时转子上的电磁转矩与负载转矩相等，该转矩为静态转矩，转过的角度为失调角。（3）静态稳定区：当失调角在-到的范围内，若去掉负载转矩，转子仍能回到初始稳定平衡位置。因此，把-到的区域称为步进电动机静态稳定区。,三、步进电机与驱动控制,4步进电机动态特性步进电机动态特性主要包括：起动转矩、矩-频特性和惯-频特性。（1）起动转矩：步进电动机单相励磁时所能带动的极限负载转矩。（2）启动频率：空载时步进电机由静止状态突然起动，并进入不失步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率，加给步进电机的指令脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工作。（3）最高连续运行频率：步进电动机在连续运行时所能接受的最高控制频率被称为最高运行频率，以表示。电机在连续运行状态下，其电磁转矩随控制频率的升高而逐步下降。（4）矩频特性与动态转矩矩频特性：是描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系。动态转矩：矩频特性上每一个频率对应的转矩。,三、步进电机与驱动控制,5步进电机驱动步进电机驱动电路包括：脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路以及功率驱动电路。主要的驱动方式有:单电压驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、调频调压驱动和细分驱动。,（1）单电压驱动是最简单的一种步进电机驱动方式，如图所示，其中电机简化为电感Lm。功率放大管根据脉冲分配器的输出脉冲导通或关闭，从而使步进电机绕组中得到脉动的电流以驱动电机运行。优点：线路简单，成本最低。缺点：功率小，只能用于一些小功率场合。同时，为提高电流导通时回路电流上升的陡度，在驱动线路中需串接一个较大的电阻，以减小时间常数，但同时使电源效率大为降低，且必须采用冷却装置。,三、步进电机与驱动控制,（2）高低压驱动高低压驱动的基本思路是：在脉冲来到时，在电机绕组的两端先施加较高电压，从而使绕组的电流迅速建立，使电流建立时间大为缩短，在相电流建立起来后改用低电压，以维持相电流的大小。优点：减小甚至去掉了限流电阻，提高了驱动效率；提高了快速性，改善了运行性能。缺点：增加了一个高压电源，而使电源结构复杂，成本变高，可靠性降低；高压供电时电流的稳态值远大于步进电机电流的额定值，因此，在低频尤其是单步运行时，由于高压管的导通时间不变，输入控制绕组的能量过多，使步进电机低频运行时振荡加剧。,三、步进电机与驱动控制,（3）斩波恒流驱动如图，T1、T2是高频开关管。当控制脉冲Ui为低电平时,T1和T2均截止。当Ui为高电平时,T1和T2均导通,电源向电机供电。由于绕组电感的作用,电流逐渐增大，R上电压逐渐升高,当超过给定电压Uc,比较器输出低电平,与门因此输出低电平,T1截止,电源被切断,绕组电感放电，电流逐渐减小，R上电压逐渐降低。当取样电阻上的电压小于给定电压时,比较器又输出高电平,与门输出高电平,T1又导通,电源又开始向绕组供电。这样反复循环,直到Ui又为低电平。因此，T2每导通一次,T1导通多次,绕组的电流波形为锯齿形,在T2导通的时间里电源是脉冲式供电,所以提高了电源效率,而且还能有效抑制振荡。,优点：大大改善了电流波形，采用能量反馈提高了电源效率，改善了矩频特性。缺点：低速运行时由于绕组电流冲击大，使低频产生振荡，运行不平稳，噪声大定位精度没有提高等。,三、步进电机与驱动控制,（4）调频调压驱动调频调压方法的基本思想是：随着步进电机运行频率的提高，同时提高功率放大电路的电源电压；当步进电机的运行频率降低时，同时降低功率放大电路电源电压。以期补偿因运行频率上升导致的输出转矩下降，使得到的矩频特性是一条水平直线。,优点：矩频特性较硬，能够在较宽的频率范围内运行。缺点：不能利用步进电机实现多种步距角控制。,三、步进电机与驱动控制,（5）细分驱动前几种驱动技术是从电流波形及矩角特性等方面来改善驱动性能，没有提高步进电机的固有分辨率，而细分驱动是针对步进电机的分辨率及精度不高，精度与快速性相矛盾，动态中有丢步及振动、噪声大等缺点而产生的一种比较特殊而有效的驱动控制方式。其实质是步进电机在输入脉冲切换时，只改变相应绕组中电流的一部分，即对相电流实施微量控制。,优点：易实现步进电机的可变细分控制、正反转控制及加减速控制，而且电路简单，性能稳定可靠。缺点：由于单片微机运行速度的限制，其频率不可能做的太高。但是它仍然是目前步进电机细分技术的一种主要发展方向，随着单片机技术的发展，细分驱动技术也日渐成熟。,四、交流伺服电机与驱动控制,1.交流永磁伺服电机的特点（1）具有较硬的机械特性，对负载扰动有较强的鲁棒性。（2）无励磁电路，省去了电刷和端环，从而降低了故障发生率。只需提供力矩电流，无需励磁电流，可显著提高功率因素，并减少了定子电阻损耗，提高了运行效率。（3）能在极低转速下保持同步运行，且调速范围宽。（4）其效率和功率因数都较高，转矩惯性比高。,2.应用场合逐渐在代替直流电机,四、交流伺服电机与驱动控制,3.交流伺服电机的分类3.1根据驱动方式不同分为无刷直流电动机(简称BLDCM)和三相永磁交流同步电动机(简称PMSM)两种，它们的区别在于前者的感应电动势为梯形波，电流为方波，而后者的感应电动势和电流都为正弦波。3.2根据转子结构不同凸极式永磁同步电机：结构不对称，气隙磁场分布不均匀，其绕组间的互感不仅仅是角位移的函数。凹极式永磁同步电机：励磁绕组两端电压就是电枢两端电压，励磁绕组具有较大的电阻，使得通过他的励磁电流较小。直流串励电机：励磁绕组和电枢串联，励磁磁场随着电枢电流的改变有显著的变化。直流复励电机：电动机的磁通由两个绕组内的励磁电流产生。,四、交流伺服电机与驱动控制,4.交流伺服电机结构及原理,三相永磁同步电机的定子主要由硅钢冲片、绕组、固定铁芯的机壳及端盖等部分组成，与绕线式同步电机基本相同。而转子由转子铁心、永磁体磁钢和转子转轴组成。目前，永磁同步电机常用的永磁材料是稀土永磁材料。从永磁体安装方式上，转子分为凸装式、嵌入式和内埋式三种。,如果在三相空间对称的定子绕组中通入三相时间上也对称的正弦电流，则在定子、转子气隙间将产生一个圆形旋转磁场。等效旋转磁场转速为：,为电机极对数,四、交流伺服电机与驱动控制,5.交流伺服电机驱动技术,要实现调速控制，通过改变定子电压的频率。随着电力电子技术的发展，目前应用的较多的是间接变频装置（或称交直交变频装置）。利用功率开关器件的通断把直流电压变换成电压脉冲列，并通过控制电压的脉冲宽度或周期以达到变频、变压的目的。这就是目前被广泛应用于交流电机的变频调速系统中的脉冲宽度调制（PWM）技术，也是电机驱动的核心技术之一。常用的脉宽调制技术有电流滞环跟踪PWM控制方式、正弦波脉宽调制（SPWM）方式以及电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）控制技术三种。,四、交流伺服电机与驱动控制,5.1电流闭环跟踪PWM技术,以其中一相控制原理进行阐述。VT1、VT2是通过参考正弦电流信号与相电流瞬时值信号进行比较所产生的差值继电信号来控制。其中继电元件滞环宽度。设VT1导通，则增加。当时，VT1关断，VT4导通，于是下降。当时，VT4关断，VT1导通，又增加。参考正弦电流变化。,如此反复通断，使电机电流始终以滞环宽度为界,电流滞环跟踪PWM技术（a）逆变器控制原理（一相）（b）输出电压和电流波形,四、交流伺服电机与驱动控制,5.2正弦波脉宽调制（SPWM）技术,SPWM波的产生原理如图。当调制波（正弦波）大于载波（三角波）时，逆变桥的开关管导通。反之，则关断，逆变器就产生一组等幅不等宽的脉冲序列。正弦波的频率和幅值是可控的，只要改变正弦波的频率，就可以改变输出脉冲的频率，从而改变电机的转速；改变正弦波的幅值，它与三角波的交点发生改变，使输出的逆变脉冲序列的宽度发生变化，从而改变逆变器输出电压的幅值。通过生成的SPWM信号来控制逆变器的功率器件的开、关就可以实现电机的变频调速。,四、交流伺服电机与驱动控制,5.4电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术,电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术是当前永磁同步电机调速系统的一种主要驱动方法。主要是如何使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场，即正弦磁通。由于磁链的轨迹是靠电压空间矢量相加得到，所以又称为电压空间矢量控制。,假设电机定子三相绕组采用星型连接，在空间上互差120，设三相绕组的电压瞬时值为、，引入Clark变换，可以将瞬时电压空间矢量表示为右图所示式子。,式中：,四、交流伺服电机与驱动控制,当永磁同步电机由三相平衡对称正弦电压供电时，其定子磁链与电压空间矢量轨迹重合，这样对电机旋转磁场形状的分析可转化为对合成电压空间矢量轨迹的分析。,逆变器上、下桥臂的开关器件在任一时刻不能同时导通，处于互逆状态。为了便于分析，可将三个桥臂的状态抽象成开关函数，,如果某相桥臂的上管导通下管关闭，则，反之，。,共存在八种组合，构成了对应的基本电压矢量。,以开关状态(011)为例，此时，,，,同理可得：,四、交流伺服电机与驱动控制,逆变器可以输出如图示在空间分布的八个电压空间矢量。其中(000)和(111)状态对应的逆变器输出电压空间矢量为零，称为零矢量。其它6个矢量称为有效矢量，有效矢量的长度均为。SVPWM调制技术就是利用各个基本电压空间矢量的作用时间不同，来等效合成所需要的空间矢量。,四、交流伺服电机与驱动控制,6永磁同步电机矢量控制原理,基本思想：在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电机转矩控制的规律，通过矢量变换将三相交流电机的定子电流在按转子磁场定向的旋转坐标系（d-q）上进行分解，得到产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量。通过控制定子电流的幅值和相位，对坐标变换后的两个分量进行独立地控制，从而使交流电机的转矩控制从原理和特性上都和直流电机相似，获得良好的解耦特性。一定的转速和一定转矩对应于一定的和，通过控制旋转坐标系上的直流量来达到对三相定子坐标系上交流量的控制，实现对交流电机的控制，这就是矢量控制的原理。,四、交流伺服电机与驱动控制,转子磁场定向矢量控制的永磁同步电机调速系统原理如下图所示，有速度和电流双闭环。主要包括定子电流检测、转子位置和速度检测、速度环调节器、电流环调节器、Clarke变换、Park变换与逆变换、SVPWM控制模块等几个环节。,四、交流伺服电机与驱动控制,永磁同步电机控制系统,控制主回路,整个控制回路,四、交流伺服电机与驱动控制,IPM模块：PM25RLA120为三菱第五代“L系列”产品，带过温（OT）、短路（SC）和控制电源欠电压（UV）保护，以及制动电路。由于PM25RLA120能够达到的输出功率为3.7KW，便于驱动一定容量的电机，使驱动器具有一定的通用性。,五、实验,实验二：（1）在实验台上测试直流电机的电压、电流、转速和扭矩，分别拟合转速转矩特性、电压转速特性、电流转矩特性等，绘制电机的输入功率、输出功率和效率曲线。（2）在实验台上测试步进电机的电压、电流、转速和扭矩，分别拟合转速转矩特性、电流转矩特性等，最终绘制电机的输入功率、输出功率和效率曲线。（3）在实验台上测试交流电机的电压、电流、转速和扭矩，分别拟合转速转矩特性、电流转矩特性等，最终绘制电机的输入功率、输出功率和效率曲线。,