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1、直流伺服电机 交流伺服电机,机电伺服系统中的执行元件,机电伺服系统中的执行元件,伺服系统的三种控制方式:,1.转矩控制方式：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入来设定电机轴对外的输出转矩的大小;,2、位置控制：位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。,3、速度控制：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。,选择伺服电机和步进电机？,在自动控制系统中，伺服电
2、动机将电压信号转换为转矩和转速以驱动被控对象，当信号电压的大小和极性(或相位)发生变化时，电动机的转速和转向将快速、准确地跟着变化。目前常用的伺服电动机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机。,二、伺服电机及其控制,永磁式直流伺服电机结构,直流伺服电机构成 直流伺服电机的电源特点 直流伺服电机的类型,4.3 直流伺服电动机及其驱动技术,4.3.1 直流伺服电机工作原理与机械特性,（1）定子 : 定子磁场由定子的磁极产生，根据磁场的产生方式，直流伺服电动机可分为永磁式和他励式。永磁式磁极由永磁材料制成；他励式磁极由冲裁的硅钢片叠压而成，外部绕线圈，通以直流电流便产生恒定磁场。 （2）转子: 又叫
3、电枢，由硅钢片叠压而成，表面嵌有线圈，通以直流电时，在定子磁场作用下产生带动负载旋转的电磁转矩。 （3）电刷与换向片: 为使产生的电磁转矩保持恒定方向，确保转子能沿着固定的方向均匀连续旋转，电刷与外加直流电源相接，换向片与电枢导体相接。,4.3.1 直流电机工作原理与机械特性,4.3 直流伺服电动机及其驱动技术,直流电机电刷间的反电动势：,直流电机的电磁转矩表示为：,电枢回路中的电压平衡方程式为:,4.3.1 直流电机工作原理与机械特性,4.3 直流伺服电动机及其驱动技术,直流电动机的机械特性方程式为:,控制方式： 1.电枢控制（主要）； 2.磁极控制（少用）。,4.3.1 直流电机工作原理与
4、机械特性,4.3 直流伺服电动机及其驱动技术,n0,T,n, n,n 称为转速降落 Ua一定时，当 M时n ，但由于有转速反馈回路， 转速 n 的变化不大。,4.3.1 直流电机工作原理与机械特性,4.3 直流伺服电动机及其驱动技术,Td称为启动瞬时转矩，其值也与电枢电压成正比。,N0是空载转速;,负载转矩增加转速下降反电势减少电流增加电磁转矩增加平衡电机以较低的转速稳定运行,4.3.1 直流电机工作原理与机械特性,4.3 直流伺服电动机及其驱动技术,直流伺服电动机的调节特性,直流伺服电动机的调节特性也是一组斜率相同的直线簇。每条调节特性和一种电磁转矩相对应，与Ua轴的交点是启动时的电枢电压。
5、,4.3.2 直流电机控制系统的数学模型,电枢电压平衡方程为：,4.3 直流伺服电动机及其驱动技术,电枢电流与电枢电压之间传递函数为:,4.3.2 直流电机控制系统的数学模型,转矩平衡方程为：,4.3 直流伺服电动机及其驱动技术,转速惯量(Nmsmin / r)，它与常用的转动惯量,(N m/ rad) 的关系可从下式推得：,即,4.3.2 直流电机控制系统的数学模型,4.3 直流伺服电动机及其驱动技术,直流电机的精确模型,4.3 直流伺服电动机及其驱动技术,引入一个机电时间常数:,电枢回路电磁时间常数:,4.3.2 直流电机控制系统的数学模型,转速与电枢电压间传递关系:,4.3.2 直流电机
6、控制系统的数学模型,4.3 直流伺服电动机及其驱动技术,若电磁时间常数很小,既忽略电感:,可见:直流伺服电机过渡过程的快慢,取决于机电时间常数. 为了加快系统响应速度,可以:,1.减小机械系统等效转动惯量; 2.给电机供电的电源内阻小,Ra小; 3.加大等效反电动势系数,直流伺服电机的技术指标,额定功率 PN , 额定电压UN 额定电流 IN 在此功率下允许电机长期连续的运行而不过热. 额定转速 nN : 额定转矩 TN , 最大 转矩 TM: 电机在短时间内可以输出的最大转矩,反应其过载能力;(一般是额定转矩的510倍) 机电时间常数(通常小于20ms) 电磁时间常数(通常小于5ms) 转动
7、惯量,连续工作区：电机可在转矩和转速的任意组合下长期工作。 断续工作区：电机只能作间断工作，间断周期要根据载荷周期曲线求得。 加减速区/瞬时工作区：电机只允许瞬时过渡，在2#整流线以外电机不允许使用。,曲线a为电机温度限制，在此曲线上，电机达到绝缘所允许的极限值，故只允许电机在此曲线内长时间连续运行。 曲线c为电机最高转速限制线，随着转速上升，电枢电压升高，整流子片间电压加大，超过一定值有发生环火的危险。最大转矩d主要受永磁材料的去磁特性所限制，当除磁超过某值后，铁氧体磁性发生变化。,最高转速,最大转矩,对要求频繁起动/制动的数控机床，为避免电机过热，必须检查在一个周期内电机转矩的均方根值，即
8、有效力矩，并使它小于电机连续额定转矩。,直流伺服电机的技术指标,例1：,满足有效力矩小于电机连续额定转矩,龙门刨床工作台控制 ,例2：,设计实例,4.3.3 直流伺服电机的驱动,4.3 直流伺服电动机及其驱动技术,晶闸管（可控硅）调速系统 通过对晶闸管触发角的控制来控制电机电枢电压，以达到调速的目的。,晶体管脉宽调制（PWM）调速系统 通过脉宽调制器将直流电压转换成方波电压，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，以达到调速的目的。,1. 晶闸管调速系统,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
9、。 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。,1).直流斩波器的基本结构,直流斩波器电动机系统原理图和电压波形,电动机得到的平均电压为：,2. 晶体管脉宽调制（PWM）调速系统,2). 斩波器的三种控制方式,直流斩波器的基本结构与工作原理,PWM: Pulse width modulation,几种典型PWM变换器的基本结构及工作原理,1). 无制动作用的不可逆PWM变换器,工作状态与波形,（2）有制动的不可逆PWM变换器,电动状态,一般电动状态,制动状态：能耗制
10、动，再生能耗制动,O,O,O,O,t1,t3,T,t2,t3,t1,Ug1,Ug2,Ud,id,t,t,t,t,id1,id1,id4,id2,id3,id4,id2,（2）有制动的不可逆PWM变换器,3). 可逆PWM变换器,T1 和T4 同时导通和关断，其基极驱动电压Ub1= Ub4。T2和T3同时导通和关断，基极驱动电压Ub2= Ub3 = Ub1。,负载较重时： 电动状态：当0t t 1时， Ub1、Ub4为正， T1 和T4 导通；Ub2、Ub3 为负， T2和T3截止。电机端电压UAB=Us，电枢电流id= id1，由US T1 T4 地。 续流维持电动状态：在t1 t T时， U
11、b1、Ub4为负， T1 和T4截止；Ub2、Ub3 变正，但T2和T3并不能立即导通，因为在电枢电感储能的作用下，电枢电流id= id2，由D2 D3续流，在D2、 D3 上的压降使T2 、T3的c-e极承受反压不能导通。UAB=-Us 。 接着再变到电动状态、续流维持电动状态反复进行.,负载较轻时： 反接制动状态，电流反向： 状态中，在负载较轻时，则id小，续流电流很快衰减到零，即t =t2 时,id=0。在t2 T 区段， T2 、T3 在US 和反电动势E的共同作用下导通，电枢电流反向，id= id3 由US T3 T2 地。电机处于反接制动状态。 电枢电感储能维持电流反向：在T t3
12、区段时，驱动脉冲极性改变，T2 、T3截止，因电枢电感维持电流， id= id4，由D4 D1。,3). 可逆PWM变换器,电机正转、反转、停止： 由正、负驱动电压脉冲宽窄而定。 当正脉冲较宽时，既t1 T/2，平均电压为正，电机正转； 当正脉冲较窄时，既t1 T/2 ，平均电压为负，电机反转； 如果正、负脉冲宽度相等，t1=T/2 ，平均电压为零，电机停转。 电机速度的改变： 电枢上的平均电压UAB越大，转速越高。它是由驱动电压脉冲宽度 决定的。 双极性： 由以上分析表明： 可逆H型双极式PWM开关功率放大器，无论负载是重还是轻、电机 是正转还是反转，加在电枢上的电压极性在一个开关周期内，都
13、在 US和 US之间变换一次，故称为双极性。,相关方程：,性能评价,PWM变换器的数学模型,（2） 晶体管脉宽调制（PWM）调速系统结构1,U,usr,us f,整流,功放,t,t,U ,U S r +U ,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 Sr 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（ U S r +U ） 调制波形图,USr为0时,调制出正负脉宽一样方波 平均电压为0,US r为正时,USr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,脉宽调制器,U S r +U ,（2） 晶体管脉宽调制（PWM）调速系统结构2-数字控制器直接发出PWM控制信号,仿真实验,直流伺服电机闭环控制系统（位置/速度伺服） 例4.2 其中可控硅整流器传函用PWM变换器传函替换，机械系统传动装置按数控机床进给传动系统模型建立。 参考相应论文,准备： 第4章例子 例5.1， 速度闭环+位置闭环 P134-142 例5.4，5.5 5.6 习题：5-6，5-7,