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第五章伺服驱动技术 5 1伺服系统 5 2步进电动机及其驱动系统 5 3直流伺服电动机及其速度控制 5 4交流伺服电动机及其速度控制 5 5位置伺服控制 1 定义 伺服系统是自动控制系统的一类 它的输出变量通常是机械或位置的运动 它的根本任务是实现执行机构对给定指令的准确跟踪 即实现输出变量的某种状态能够自动 连续 精确地复现输入指令信号的变化规律 5 1伺服系统 2 分类从系统组成元件的性质来看 有电气伺服系统 液压伺服系统和电气 液压伺服系统 电气 气动伺服系统等 从系统输出量的物理性质来看 有速度或加速度伺服系统和位置伺服系统等 从系统中所包含的元件特性和信号作用特点来看 有模拟式伺服系统和数字式伺服系统 从系统结构特点来看 有单回路伺服系统 多回路伺服系统和开环伺服系统 闭环伺服系统 例 数控机床伺服系统 3 组成 1 比较环节 比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较 以获得输出与输入间的偏差信号的环节 通常由专门的电路或计算机来实现 2 控制器 控制器通常是计算机或PID控制电路 其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理 以控制执行元件按要求动作 3 执行环节 执行环节的作用是按控制信号的要求 将输入的各种形式的能量转化成机械能 驱动被控对象工作 机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压 气动伺服机构等 4 被控对象 5 检测环节 检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置 一般包括传感器和转换电路 4 伺服系统的技术要求系统精度伺服系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度 以误差的形式表现 可概括为动态误差 稳态误差和静态误差三个方面组成 稳定性伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后 系统能够恢复到原来稳定状态的能力 或者当给系统一个新的输入指令后 系统达到新的稳定运行状态的能力 响应特性响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度 决定了系统的工作效率 响应速度与许多因素有关 如计算机的运行速度 运动系统的阻尼和质量等 工作频率工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围 当工作频率信号输入时 系统能够按技术要求正常工作 而其它频率信号输入时 系统不能正常工作 1 步进电机的功能 用途和分类 功能将电脉冲信号转换成转角或转速信号 转角 脉冲信号的个数 转速n 脉冲信号的频率 用途高精度的角度控制 分类按定子相数不同 三相 四相 五相 六相等 按转子材料不同 永磁式 磁阻式 反应式 和混合式 5 2步进电动机及其驱动系统 2 基本结构 1 定子 2 转子 三相磁阻式步进电动机原理图 步进电动机的典型结构 3 工作原理 一拍从一次通电到另一次通电 步距角每一拍转子转过的角度 1 m相单m拍运行 三相单三拍运行 2 m相双m拍运行 三相双三拍运行 3 m相单 双2m拍运行 三相单 双六拍运行 1 m相单m拍运行 三相单三拍运行 通电顺序 U相 V相 W相 U相 U相通电 V相通电 W相通电 一步 两步 三步 步距角 30 2 m相双m拍运行 三相双三拍运行 通电顺序 UV相 VW相 WU相 UV相通电 VW相通电 WU相通电 步距角 30 3 m相单 双2m拍运行 三相单 双六拍运行 通电顺序 U UV V VW W WU U 1 2 3 4 5 6 步距角 15 步距角 转速一个 转 1 zN 圈 脉冲频率为f 每秒转 f zN 圈 例如 三相步进电动机z 40 则 采用单 双三拍时 采用三相六拍时 3 步进电动机驱动电源 1 作用 发出一定功率的电脉冲信号 使定子励磁绕组顺序通电 与一般交流和直流电动机所不同的是 步进电动机定子绕组所加的电源形式为脉冲电压 而不是正弦电压或者恒定直流电压 2 基本要求电源的基本参数与电动机相适应 满足步进电动机起动频率和运行频率的要求 抗干扰能力强 工作可靠 成本低 效率高 安装维修方便 3 由环形分配器和功率放大器组成 1 环形分配器主要功能是将CNC装置的插补脉冲 按步进电动机所要求的规律分配给步进电动机驱动电源的各相输入端 以控制励磁绕组的导通或关断 同时由于电动机有正反转要求 所以环形分配器的输出是周期性的 又是可逆的 硬件环形分配器根据步进电机的相数和控制方式设计的真值表或逻辑关系式 采用逻辑门电路和触发器来实现 一般由与非门和J K触发器组成 常用的是专用集成芯片或通用可编程逻辑器件组成的环形分配器 软件环形分配器按步进电动机的要求编制不同的软环分程序 存入EPROM中 常用的是查表法 软件环形分配器举例对于三相六拍环形分配器 每当接收到一个进给脉冲指令 环形分配器软件根据下表所示真值表 按顺序及方向控制输出接口将A B C的值输出即可 如果上一个进给脉冲到来时 控制输出接口输出的A B C的值是100 则对于下一个正向进给脉冲指令 控制输出接口输出的值是110 再下一个正向进给脉冲 应是010 而使步进电机正向地旋转起来 实现较为简单 灵活方便 三相六拍环形分配器真值表 2 功率驱动器 功率放大电路 将环形分配器输出的脉冲信号放大 以用足够的功率来驱动步进电动机 最早的功率驱动器采用单电压驱动电路 后来出现了双电压 高低压 驱动电路 斩波电路 调频调压和细分电路等 并串接一电阻Rc 为了减小回路的时间常数 电阻Rc并联一电容C 从而提高电机的快速响应能力和启动性能 续流二极管VD和阻容吸收回路RC 是功率管VT的保护线路 单电压驱动电路的优点是线路简单 缺点是电流上升不够快 高频时带负载能力低 单电压驱动电路图中L为步进电机励磁绕组的电感 Ra为绕组电阻 高低压驱动电路其特点是供给步进电机绕组有两种电压 一种是高电压U1 由电机参数和晶体管特性决定 一般在80v至更高范围 另一种是低电压U2 即步进电机绕组额定电压 一般为几伏 不超过20v 高压U1 以提高绕组中电流上升率 当电流达到规定值时 VT1关断 VT2仍然导通 则自动切换到低压U2 该电路的优点是在较宽的频率范围有较大的平均电流 能产生较大且稳定的平均转矩 其缺点是电流波顶有凹陷 电路较复杂 斩波驱动电路可以克服高低压驱动电路的波顶的凹陷造成高频输出转矩的下降 使励磁绕组中的电流维持在额定值附近 工作原理 环形分配器输出的正脉冲将VT1 VT2导通 由于U1电压较高 绕组回路又没串电阻 所以绕组电流迅速上升 当绕组电流上升到额定值以上的某一数值时 由于采样电阻Re的反馈作用 经整形 放大后送至VT1的基极 使VT1管截止 接着绕组由U2低压供电 绕组中的电流立即下降 但刚降到额定值以下时 由于采样电阻Re 的反馈作用 使整形电路无信号输出 此时高压前置放大电路又使VT1导通 电流又上升 如此反复进行 形成一个在额定电流值上下波动呈锯齿状的绕组电流波形 近似恒流 三种驱动电路的电流波形比较 4 步进电动机的控制方式 位移量的控制向步进电动机送一个控制脉冲 其转轴就转过一个角度或移动一个直线位移 称为一步 脉冲数增加 角位移 或线位移 随之增加 即脉冲数决定位移量 进给速度的控制脉冲频率高 则步进电动机的旋转速度就高 反之则低 即脉冲频率决定进给速度 运动方向的控制改变分配脉冲的相序 实现步进电动机的正 反转 从而改变运动方向 例 在某数控机床的步进电机驱动系统中 已知步进电机转子的齿数为80 三相六拍工作方式 丝杠的导程值为6mm 脉冲当量为0 01mm 数控系统发出脉冲的频率为300Hz 求 1 步进电机的步距角 2 步进电机每转所需脉冲数 3 传动系统的传动比 4 每转进给量 5 每分进给量 1 基本结构 与普通小型直流电动机相同 Ua 电磁式 Uf Ua 永磁式 5 3直流伺服电动机及其速度控制 2 工作原理 U 电刷 换向片 直流电流 交流电流 电磁转矩 拖动转矩 换向 机械负载 旋转 反电动势 做功 电磁关系 二 工作原理 施加Ua 主磁通 T n E 电磁转矩 T CT Ia电动势 E CE n电枢电路电压方程 Ua E RaIa 由上式知 直流伺服电机的控制方式如下 2 调磁调速 变励磁电流 1 调压调速 变电枢电压 3 改变电枢回路电阻调速 转向取决于电磁转矩T的方向 而T的方向取决于 和Ia的方向 磁场反向 电枢反向 3 控制方式及其特性 电枢控制式Uf UfN Ua Uc 控制电压 Uc3 Uc2 Uc1 机械特性 T3 T2 T1 控制特性 4 直流伺服电动机的速度调节系统 1 晶闸管调速系统利用晶闸管的单向导电可控性 输出可控制的电压 利用可控硅整流器提供直流电源 通过改变晶闸管触发角 改变外加电压 从而达到调速的目的 常采用两种速度调节系统 2 晶体管脉宽调制调速系统1 主电路所需的功率元件少 2 控制线路简单 3 PWM放大器的开关频率比晶闸管三相全控整流桥的开关频率约高一个数量级 4 晶体管脉宽调制放大器的电压放大系数不随输出电压的改变而变化 低速性能好 2 脉宽调制 PWM 原理与系统晶体管脉宽调制调速系统 PWM 的调速性能优于晶闸管调速系统的调速性能 而且 功率晶体管的功率 耐压等都已有很大提高 现代数控机床的直流进给伺服系统中多采用晶体管脉宽调制调速系统 原理 利用脉宽调制器 将直流电压转换成某一频率的矩形波电压 加到直流电动机的转子回路两端 通过对矩形波脉冲宽度的控制 改变转子回路两端的平均电压 从而达到调节电动机转速的目的 调速系统的组成 由控制电路 主回路及功率整流电路三部分组成 其中控制电路由速度调节器 电流调节器和脉宽调制器 包括固定频率振荡器 调制信号发生器 脉宽调制及基极驱动电路 组成 系统的核心部分是主回路和脉宽调制器 由于机械惯性的作用 决定电动机转向和转速的仅为此电压的平均值 设矩形波的周期为T 正向脉冲宽度为t1 并设 为占空比 则电枢电压的平均值 人为地改变占空比 可以达到调速的目的 连续地改变脉冲宽度 即可实现直流电动机的无级调速 主回路即脉宽调制式开关功率放大器 开关功率放大器通常有两种形式 即T形和H形 在PWM直流调速系统中 多采用H形开关功率放大器作为主回路 H形开关功率放大器由四个大功率开关管和四个续流二极管构成桥式电路 有单极性和双极性两种工作方式 双极性H形开关电路给VT3 VT4管基极也加脉冲控制电压 并且保证ub1 ub4 ub2 ub3 ub1 就变成双极性工作方式 在0 t t1区间 VT1 VT4管饱和导通 电源电压 Ed加在电动机转子绕组的A B端 即uAB Ed 在t1 t T区间 VT2 VT3管饱和导通 电源电压 Ed加在电动机转子绕组的B A端 即uAB Ed 当t1 T 2时 加在A B两端的平均电压大于零 电动机正转 当t1 T 2时 加在A B两端的平均电压小于零 电动机反转 当t1 T 2时 加在A B两端的平均电压等于零 电动机停转 5 无静差转速负反馈调速系统 1 比例积分 PI 调节器 比例器调节器 其输入输出之间的关系如下 积分调节器 其输入输出之间的关系如下 比例积分调节器 PI调节器的输出由两部分组成 第一部分是比例部分 第二部分是积分部分 在零初始状态和阶跃输入下 输出电压的时间特性如图所示 当突加输入信号Ui时 开始瞬间电容C1相当于短路 反馈回路中只有电阻R1 此时相当于比例调节器 它可以毫无延迟地起调节作用 故调节速度快 随着电容C1被充电而开始积分 U0线性增长 直到稳态 在稳态时 C1相当于开路 放大器呈现出极大的开环放大倍数 2 采用PI调节器的无静差调速系统放大器采用具有比例积分调节器的调速系统为无静差调速系统 静态时U Ug Uf 调节作用停止 由于积分作用 调节器的输出电压Uk保持在某一数值上 即Ud固定 以维持电动机在给定转速下运转 由于静态时呈现出无穷大的放大倍数 系统可以消除静态误差 故称无静差调速系统 一 单闭环调速系统 转速负反馈调速系统的特点 采用PI调节器组成速度调节器的单闭环调速系统 既能得到转速的无静差调节 又能获得较快的动态响应 启动过程中 随着转速的升高 转速负反馈的作用越来越大 使启动转矩越来越小 启动过程变慢 因此转速负反馈调速系统不能满足快速启动 停止和反向的要求 用加大过渡过程中的电流即加大动态转矩来实现快速启动 停止和反向的要求 但电流不能超过晶闸管和电动机的允许值 为此 应采取一种方法 使电动机在启动过程中 动态转矩保持不变 即电动机电枢电流不变 且为电动机电枢允许的最大电流 当启动结束后 使电流回到额定值 二 双闭环调速系统 1 系统采用两个调节器 一般采用PI调节器 分别对速度和电流两个参量进行调节 对速度进行调节的调节器称为速度调节器ASR 对电流进行调节的调节器称为电流调节器ACR 2 来自速度给定电位器的信号Ugn与速度反馈信号Ufn比较的偏差送到速度调节器ST的输入端 速度调节器的输出作为电流调节器ACR的给定信号 与电流反馈信号比较的偏差送到电流调节器ACR的输入端 电流调节器的输出送到触发器以控制可控整流器 整流器为电动机提供直流电压 3 从闭环反馈的结构上看 电流调节环在里面 是内环 转速调节环在外面 为外环 二者进行串级联接 在控制系统中 常把这种系统称为双闭环系统 例 某他励直流伺服电动机 数据为 PN 17kW UN 220V IN 90A Nn 1500r min EN 0 94UN 该电动机在额定电枢电压和额定磁通下拖动某负载运行 转速n 1550r min 要求负载向下调速 最低转速nmin 600r min 现采用降低电源电压的调速方法 试计算负载为恒转矩负载和恒功率负载两种负载情况下调速时电枢电流的变化范围 一 交流电动机变频调速特性直流伺服电动机具有优良的调速性能 但直流伺服电动机的电刷和换向器容易磨损 需要经常维护 由于换向器换向时会产生火花而使最高转速受到限制 也使应用环境受到限制 直流伺服电动机结构复杂 制造困难 成本高 自20世纪80年代中期以来 以交流伺服电动机作为驱动元件的交流伺服系统得到迅速发展 有逐渐代替直流伺服电机的趋势 交流伺服电动机分类异步型同步型同步型交流伺服电动机又分为永磁式和励磁式 5 4交流伺服系统 据电机学知 同步交流伺服电动机转子转速公式 r min 交流异步电机的转速表达式为 r min 式中f1 定子电源频率 Hz p 磁极对数 s 转差率 由上式可知异步电机的调速方法 可以有变转差率 变极对数及变频三种 当略去定子阻抗压降时 定子相电压U1为式中KE 电势系数 KE 4 44Kr1N1 定子电压不变时 随f1的上升 气隙磁通将减小 改变频率f1 可平滑调节同步转速 由电机学知 式中 E1 感应电势 Kr1 基波绕组系数 N1 定子每相绕组串联匝数 每极气隙磁通量 转矩公式式中 CT 转矩常数 I2 折算到定子上的转子电流 cosy2 转子电路功率因数 f减小导致电机允许输出转矩Te下降 则电机利用率下降 电机的最大转矩也将降低 严重时可能发生负载转矩超过最大转矩 电机就带不动了 即所谓堵转现象 f上升会造成磁路饱合 激磁电流会上升 铁芯过热 功率因数下降 电机带负载能力降低 故在调频调速中 要求在变频的同时改变定子电压U1 以维持f接近不变 由U1 f1不同的相互关系 而得出不同的变频调速方式 不同的调速机械特性 1 恒转矩调速由转子电流与主磁通作用而产生的电磁转矩公式可知 T与 I2成正比 要保持T不变 即要求U1 f1为常数 可以近似地维持 恒定 2 恒最大转矩 Tm 调速为了在低速时保持最大转矩Tm不变 就必须采取E1 f1 常数的协调控制 显然 这是一种理想的保持磁通恒定的控制方法 对应于同一转矩 转速降基本不变 即直线部分斜率不变 机械特性平行地移动 3 恒功率调速为了扩大调速范围 可以在额定频率以上进行调速 若频率上升 额定电压不变 那么气隙磁通 m将随着f1的升高而降低 相当于额定电流时的转矩也减小 而转速增加 可得近似恒功率的调速特性 异步电动机变频调速控制 二 交流电动机变频调速系统主回路1 变频器 1 交 交变频器直接将固定频率的交流电变换为另一种频率的交流电 2 交 直 交变频器先将电网交流电通过整流变为直流 再经过电容或电感或电容 电感组合电路滤波后供给逆变器 逆变器输出的是电压和频率可调的交流电 目前应用比较多的是交 直 交变频器 一般采用PWM逆变器 PWM逆变器的关键技术是PWM的调制方法 最基本 应用最广泛的一种调制方法是SPWM 正弦波脉宽调制 2 SPWM 正弦波脉宽调制 1 调制脉冲信号的形成 三角波为载波 由三角波发生器生成正弦波为调制波 有电压调节器产生 其频率和幅值可调两波形交点决定逆变器U相VT1 VT4管的通断时间 形成控制VT1 VT4管基极的调制脉冲信号 电路原理图 2 变频器的工作原理调制波为正半周 当正弦波高于三角波时 VT1导通 VT4关断 使负载上得到的相电压为uA Ed 2 当正弦波低于三角波时 VT1关断 VD4续流二极管释放能量 负载上的相电压为uA Ed 2 实现双极性调制 调制波为负半周 VT4导通 VT1关断 逆变器输出电压为一组等幅 等距 但不等宽的脉冲系列 其脉宽按正弦分布 等效正弦电压波 通过改变调制波的幅值 可改变逆变器输出电压的幅值 通过改变调制波的频率 可改变逆变器输出基波的频率 3 SPWM变频调速系统 4 SPWM波形的数字采样 1 自然采样法 以正弦波与三角波的交点采样 从而生成SPWM波形的采样方式 以查表方式进行 适用于有限调速 2 规则采样法 用平行于横轴的直线代替自然采样中两采样点间的正弦线 用于计算机实时产生SPWM波形 但存在一定误差 3 指定谐波消除法 以消除某些指定阶次谐波为出发点求得功率组件通断时刻 纯计算方式 能有效消除某阶次谐波 但在指定次数外的谐波不一定减小 三 交流电动机的矢量控制在伺服系统中 直流伺服电机具有优良的调速性能 其根本原因是被控制量电机磁场f和电枢电流Ia是独立的 交流电动机的电磁转矩与磁通和转子电流不是独立的 磁通是由励磁电流产生 励磁电流是定子电流和转子电流的合成电流 如果能够模拟直流电机 求出交流电机与之对应的磁场与电枢电流 分别而独立地加以控制 就会使交流电机具有与直流电机近似的优良特性 为此 必须将三相交变量 矢量 转换为与之等效的直流量 标量 建立起交流电机的等效模型 然后按直流电机的控制方法对其进行控制 矢量控制的实质将交流电动机模拟成直流电动机 用对直流电动机的控制方法来控制交流电动机 其方法是以交流电动机转子磁场定向 把定子电流分解成与转子磁场力相平行的磁化电流分量Id和相垂直的转矩电流分量Iq 分别对应直流电动机中的励磁电流If和电枢电流Ia在转子旋转坐标系上 分别对磁化电流分量和转矩电流分量进行控制 以达到对实际的交流电动机速度控制的目的 1 矢量变换控制原理通过绕组等效来实现 图a所示三相异步交流电机在空间上产生一个角速度为 o的旋转磁场f 如果用图b中的两套空间相差900的绕组 和 来代替 并通以两相在时间上相差900的交流电流 使其也产生角速度为 0的旋转磁场f 则可以认为图a和图b中的两套绕组是等效的 若给图c所示模型上两个互相垂直绕组d和q 分别通以直流电流id和iq 则将产生位置固定的磁场f 如果再使绕组以角速度 0旋转 则所建立的磁场也是旋转磁场 其幅值和转速也与图a一样 2 矢量变换数学模型交流电动机三相 二相电动机变换三相A B C系统变换到两相 系统三相A B C绕组的作用 完全可以用在空间上互相垂直的两个静止的 绕组代替 并给两相通以在时间上相差90 的交流平衡电流 使其产生的旋转磁场的幅值和角速度也分别为f和 0 则可以认为图a b中的两套绕组是等效的 按照磁动势与电流成正比关系 可求得对应的电流值ia和ib 除磁动势的变换外 变换中用到的其它物理量 只要是三相平衡量与二相平衡量 则转换方式相同 这样就将三相电机转换为二相电机 应用三相 二相的数学变换公式 将其化为二相交流绕组的等效交流磁场 其磁动势为 矢量旋转变换将三相电机转化为二相电机后 还需将二相交流电机变换为等效的直流电机 若设图中d为激磁绕组 通以激磁电流 q为电枢绕组 通以电枢电流 则产生固定幅度的磁场 在定子上以角速度 0旋转 这样就可看成是直流电机了 将二相交流电机转化为直流电机的变换 实质就是矢量向标量的转换 是静止的直角坐标系向旋转的直角坐标系之间的转换 即把 转化为 转化条件是保证合成磁场不变 转换公式为 直角坐标与极坐标的变换矢量控制中 还要用到直角坐标系与极坐标系的变换 由和求 其公式为采用矢量变换的感应电机具有和直流电机一样的控制特点 而且结构简单 可靠 电机容量不受限制 与同等直流电机相比机械惯量小 其前景非常可观 一 脉冲比较伺服系统用脉冲比较的方法构成闭环和半闭环控制 1 系统组成 采用光电编码器产生位置反馈脉冲信号 实现指令脉冲与反馈脉冲的脉冲比较 以取得位置偏差信号 以位置偏差作为速度给定的伺服电机速度调节系统 位置控制按伺服系统分为开环 闭环和半闭环控制 5 5位置伺服控制 2 脉冲比较伺服系统的闭环和半闭环的比较 脉冲比较伺服系统的闭环和半闭环的区别在检测元件上的不同点 在半闭环控制中 多采用光电编码器作为检测元件 在闭环控制中 多采用光栅作为检测元件 在安装位置上的不同点 半闭环的检测元件一般安装在丝杠轴上 而闭环的检测元件则安装在工作台上 1 开始时 指令脉冲F 0 且工作台处于静止状态 则反馈脉冲Pf 0 经比较环节e F一Pf 0 伺服电机的速度给定为0 伺服电机不动 工作台仍处于静止状态 2 当指令脉冲F 0 工作台在没有移动之前 反馈脉冲Pf仍为0 经比较环节e F一Pf 0 调速系统驱动工作台向正向进给 随着电机的运转 检测元件的反馈脉冲信号进入比较环节 按负反馈原理 当F Pf时 偏差e F一Pf 0 工作台重新稳定在指令所规定的位置 3 当指令脉冲F 0 其控制过程与正向指令脉冲的控制过程相类似 只是此时e 0 工作台向反方向进给 最后 工作台稳定在指令所规定的反向位置上 4 比较环节输出的位置偏差信号e是一个数字量 经D A转换后 变为模拟给定电压 使模拟调速系统工作 3 脉冲比较伺服系统的工作原理 闭环 二 相位比较伺服系统用相位比较的方法构成闭环和半闭环控制 1 主要组成基准信号发生器 脉冲调相器 检测元件 鉴相器 伺服放大器 伺服电动机等 2 相位比较伺服系统的闭环和半闭环的比较 相位比较伺服系统的闭环和半闭环的区别在检测元件上的不同点 在半闭环控制中 多采用旋转变压器作为检测元件 在闭环控制中 多采用感应同步器作为检测元件 在安装位置上的不同点 半闭环的检测元件一般安装在丝杠