计算机控制机电系统设计PPT课件

1 机电一体化系统设计主讲崔小劲 4章伺服系统设计 2 5 1概述5 2电力电子技术基础5 3步进伺服系统设计5 4直流伺服系统设计5 5交流伺服系统设计 第5章伺服系统设计 4章伺服系统设计 3 5 1概述 伺服 随动 系统 在机电一体化控制系统中 输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统 它用来控制被控对象的转角 或位移 使其能自动地 连续地 精确地复现输入指令的变化规律 伺服系统的基本组成 控制器 功率放大器 执行机构和检测装置等四大部分 如图5 1所示 图5 1伺服系统的组成 4章伺服系统设计 4 4章伺服系统设计 5 伺服系统的种类 1 按控制方式划分开环伺服系统 闭环伺服系统 半闭环系统 以及由它们组合的复合伺服控制系统 4章伺服系统设计 6 伺服系统的种类 1 按控制方式划分开环伺服系统 闭环伺服系统 半闭环系统 以及由它们组合的复合伺服控制系统 4章伺服系统设计 7 伺服系统的种类 1 按控制方式划分开环伺服系统 闭环伺服系统 半闭环系统 以及由它们组合的复合伺服控制系统 2 按使用驱动元件划分 步进伺服系统 直流伺服系统 交流伺服系统 4章伺服系统设计 8 伺服系统的基本要求 1 稳定性 指当作用在系统上的扰动信号消失后 系统能够恢复到原来的稳定状态下运行 或者在输入的指令信号作用下 系统能够达到新的稳定运行状态的能力 影响系统稳定的因素 伺服系统的稳定性是系统本身的一种特性 取决于系统的结构及组成元件的参数 如惯性 刚度 阻尼 增益等 与外界作用信号 包括指令信号和扰动信号 的性质或形式无关 4章伺服系统设计 9 2 系统精度 伺服系统的精度指其输出量复现输入指令信号的精确程度 动态误差稳定的伺服系统对变化的输入信号的动态响应过程往往是一个振荡衰减过程 在动态响应过程中输出量与输入量之间的偏差 4章伺服系统设计 10 2 系统精度 稳态误差在动态响应过程结束后 即在振荡完全衰减掉之后 输出量对输入量的偏差 系统的静态误差指由系统组成元件本身的误差及干扰信号所引起的系统输出量对输入量的偏差 4章伺服系统设计 11 3 快速响应性 上升时间 输出响应从零上升到稳态值所需要的时间 主要取决于系统的阻尼比 阻尼比小则响应快 但阻尼比太小会导致最大超调量 系统输出响应的最大值与稳态值之间偏差 增大 调整时间 系统的输出响应达到并保持在其稳态值的一个允许的误差范围内所需的最短时间 调整时间加长使系统相对稳定性降低 调整时间取决于系统的阻尼比和无阻尼固有频率 当阻尼比一定时 提高固有频率值可以缩短响应过程的持续时间 4章伺服系统设计 12 一 新型电力电子器件1 晶闸管晶闸管又称可控硅主要类型 单向晶闸管SCR 双向晶闸管Triac 可关断晶闸管GTO 光控晶闸管 温控晶闸管等类型 1 单向晶闸管SCR如图5 3所示SCR的三个极 阳极A 阴极K 控制极G 又称门极 5 2电力电子技术基础 4章伺服系统设计 13 图5 3单向晶闸管内部结构 4章伺服系统设计 14 平板式普通晶闸管和螺栓式普通晶闸管的区别 平板式普通晶闸管属于双面散热 适用于大功率场合 螺栓式普通晶闸管属于单面散热 适用于中 小功率场合 4章伺服系统设计 15 单向晶闸管的工作状态 1 导通条件阳极加上正向电压 控制极加上正向电压 可使晶闸管从阻断到导通 晶闸管一旦导通 控制极对晶闸管就不起控制作用了 2 关断条件流过晶闸管的电流小于保持晶闸管导通所需的电流即维持电流时 晶闸管从导通到阻断 4章伺服系统设计 16 a 控制角 即晶闸管承受正压到触发导通之间的电角度 q 导通角 即晶闸管在一个周期内导通的电角度 4章伺服系统设计 17 图5 4SCR的控制信号及输出波形 晶闸管的应用 4章伺服系统设计 18 如图5 6所示 MT1和MT2为主电极 G为门极 特点是 在触发后是双向导通的 门极所加触发信号可以为正也可以为负 图5 6双向晶闸管的内部结构 2 双向晶闸管TRIAC 4章伺服系统设计 19 3 门极可关断晶闸管GTO 图5 7门极可关断晶闸管 如图5 7所示 GTO有灵活方便的控制性能 当门极加上正控制信号时GTO导通 在门极加上负控制信号时GTO截止 4章伺服系统设计 20 4 光控晶闸管与温控晶闸管 图5 8光控晶闸管结构 其结构如图5 8所示 4章伺服系统设计 21 2 功率晶体管 1 功率晶体管 电力晶体管 的特点 可工作在开关状态 也可工作在模拟状态 如声频功率放大 超声波功率放大 有源滤波器等 功率晶体管的开关速度远大于晶闸管 功率晶体管的控制比晶闸管容易 功率晶体管价格高于晶闸管 图5 9功率晶体管内部结构 4章伺服系统设计 22 2 功率晶体管的结构原理加速二极管VD1 在输入端b的控制信号从高电平变成低电平的瞬间 二极管VDl导通 使VT1的一部分射极电流经过VDl流到输入端b 加速功率晶体管集电极电流的下降速度 续流二极管VD2 对晶体管VT2起保护作用 对于感性负载 当功率晶体管关断时 感性负载所存储的能量可以通过VD2的续流作用而泄放 避免对功率晶体管造成反向击穿 4章伺服系统设计 23 3 功率晶体管的应用 图5 10是用功率晶体管做功放元件的步进电动机一相绕组的驱动电路 P1 0输出高电平经7407进行电流放大 使VT1导通 图5 10步进电动机一相绕组的驱动电路 4章伺服系统设计 24 3 功率场效应晶体管 1 功率场效应晶体管的特性1 有较高的开关速度 2 有较宽的安全工作区而不会产生热点和正的电阻温度系数 3 可靠性高 过载能力强 短时过载能力为额定值的四倍 4 控制电压 阈值电压 高 可达2 6V 故有较高的噪声容限和抗干扰能力 5 输入阻抗高 驱动电流很小 接口容易 G为栅极 控制极 S为源极 D为漏极 图5 11功率场效应晶体管表示符号 4章伺服系统设计 25 3 功率场效应晶体管 2 功率场效应晶体管的驱动由于功率场效应管输入阻抗大 控制电压高 驱动电路相对简单 图5 12功率场效应管的驱动 4章伺服系统设计 26 固态继电器是一种无触点功率型通断电子开关 又名固态开关 当在控制端输入触发信号后 主回路呈导通状态 无控制信号时主回路呈阻断状态 1 固态继电器特性1 固态继电器输出电路可接交流或直流 对交流负载的控制有过零与不过零控制功能 其控制信号如图5 13所示 2 由于固态继电器是一种电子开关 故有一定的通态压降和断态漏电流 3 负载短路易损坏SSR 应特别注意避免 4 固态继电器 SSR 4章伺服系统设计 27 2 固态继电器的应用图5 13示出了8031单片机通过固态继电器控制一交流接触器的电路 当8031的P1 0输出高电平时 固态继电器SSR导通 交流接触器K吸合 主电路导通 当P1 0输出低电平时 固态继电器截止 交流接触器断开 主电路关断 图5 13SSR应用 4章伺服系统设计 28 可控整流电路 整流电路 单相 单相半波单相全波单相桥式 三相 三相半波三相桥式双反星形 负载性质 电阻性电感性反电势性 二 晶闸管可控整流技术 4章伺服系统设计 29 VT导通时 ud u2 截止时ud 0 ud u2 1 单相半波可控整流电路 1 电阻性负载 4章伺服系统设计 30 具有电阻性负载的单相半波可控整流电路及信号波形 4章伺服系统设计 31 数量关系 整流电压的平均值Ud为 负载平均电流Id为 负载电流有效值I为 4章伺服系统设计 32 负载两端电压的有效值U为 4章伺服系统设计 33 2 电感性负载 整流电路直流负载的感抗 Ld和电阻Rd的大小相比不可忽略时 这种负载称为电感性负载 4章伺服系统设计 34 4章伺服系统设计 35 4章伺服系统设计 36 4章伺服系统设计 37 单相半波可控整流接大电感负载时 为使晶闸管在电源电压过零时能关断 负载上不致出现负电压 可在负载上并联一个二极管 该二极管称为续流二极管 其极性如图5 13所示 当电源电压过零变负时 二极管V2导通 晶闸管反向阻断 负载两端为二极管正向电压 接近于零 不会出现负电压 电流波形是连续的 此外 由电感储存的磁场能量供给电阻消耗 4章伺服系统设计 38 接有续流二极管的单相半波可控整流电路及信号波形 4章伺服系统设计 39 2 单相全波可控整流电路 4章伺服系统设计 40 1 具有电阻性负载的单相全波可控整流电路 4章伺服系统设计 41 数量关系 4章伺服系统设计 42 返回 4章伺服系统设计 43 u2 u2 2 具有电感性负载的单相全波整流电路 4章伺服系统设计 44 电感性负载 4章伺服系统设计 45 3 可控整流电路的数学模型 图5 16晶闸管可控整流电路的失控时间 4章伺服系统设计 46 三 脉宽调制功率变换技术 脉宽调制 PulseWidthModulation 简称PWM技术 是利用电力电子开关器件的导通与关断 将直流电压变成连续的电压脉冲列 并通过控制脉冲宽度或周期达到变压的目的 也可以通过控制脉冲宽度和脉冲列的周期达到变压变频的目的 采用的电力电子器件 全控式晶体管 如电力晶体管 GTR 可关断晶体管 GTO 绝缘双极晶体管 IGBT 组成直流电压的控制装置 即直流斩波器 PWM斩波器 或称直流调压器 如图5 17所示 4章伺服系统设计 47 图5 17PWM斩波器的电路原理图及波形 式中T 开关周期 ton 导通时间 f 开关频率 占空比 电枢压平均值 均为正值 即电动机只能实现单一方向的不可逆调速 4章伺服系统设计 48 1 不可逆PWM变换器 1 无制动作用的不可逆PWM变换器 PWM直流斩波变换器主电路原理如图所示 4章伺服系统设计 49 VT 全控式电力晶体管 Us 由不可控整流电路提供的电源电压 C 滤波大电容 以消除直流供电线路上的谐波电流对主电路的干扰 VD 在晶体管关断时为电枢回路提供释放电感储存能的续流回路的二极管 4章伺服系统设计 50 主电路电压平衡方程式 电枢电流平均值 4章伺服系统设计 51 电动工作状态 Ub1 Ub2 且Ub1 Ub2宽相等 时 VT1导通 VT2截止 电流id回路沿1 Ub1和Ub2改变极性 VT1截止 VD2导通 VT2仍不导通 电流id回路沿2 有Ud E id 0 2 有制动作用的不可逆PWM变换器 4章伺服系统设计 52 2 有制动作用的不可逆PWM变换器 降速状态 减小控制电压 使Ub1的正脉冲变窄 负脉冲变宽 降低Ud使E Ud 4章伺服系统设计 53 能耗制动状态 Ub2变正 VT2导通 由E Ud产生的反向电流经VT2沿回路3流通 VT2截止 Ub2为负 自感电动势和反电动势共同作用 有Ldid dt E Us 反向电流 id经过VD1沿回路4流通 对电源回馈制动 4章伺服系统设计 54 有制动电流通路的不可逆PWM变换器电路 2 可逆PWM变换器可逆PWM变换器结构 H型 T型等H型变换器优于其他类型变换器 H型变换器组成 4个电力晶体管 4个续流二极管桥式电路按控制方式 双极式 单极式和受限单极式 4章伺服系统设计 55 l 双极式可逆PWM变换器 图5 20双极式H型可逆PWM变换器电路 图5 21变换器电压与电流波形 当时 VT1和VT4饱和导通 VT2和VT3截止 UAB Us 电枢电流id沿回路1流通 4章伺服系统设计 56 l 双极式可逆PWM变换器 图5 20双极式H型可逆PWM变换器电路 图5 21变换器电压与电流波形 当时 VT1和VT4 VT2和VT3均截止 id沿回路2经VD2 VD3续流 使VT2和VT3上承受着VD2和VD3上压降施加的反压 UAB Us 4章伺服系统设计 57 l 双极式可逆PWM变换器 图5 20双极式H型可逆PWM变换器电路 图5 21变换器电压与电流波形 电动状态 电动机负载较重 id较大 在续流阶段VT2 VT3处于关断状态 因此id始终为正 电机工作在电动状态 电流波形见图中id1 4章伺服系统设计 58 l 双极式可逆PWM变换器 图5 20双极式H型可逆PWM变换器电路 图5 21变换器电压与电流波形 制动状态 负载较轻 在续流阶段id很快衰减到零 VT2和VT3失去反压 并在 Us与反电动势E作用下导通 id反向沿回路3流通 电动机处于制动状态 4章伺服系统设计 59 电枢平均电压 控制原理 0 Ud 0 电机正转 0 Ud 0 电机反转 0 Ud 0 电机停止 占空比 4章伺服系统设计 60 双极式可逆PWM变换器的优点 电流连续 可使电动机在4个象限中运行 电动机停转时有微振电流 能消除静摩擦死区 低速时每个晶体管的驱动脉冲较宽 能保证晶体管可靠导通 低速平稳性好 调速范围可达20000左右 缺点 在工作过程中 4个电力晶体管都处于开关状态 开关损耗大 且容易发生上 下两管直通事故 为避免上 下两管直通 可在一管关断和另一管导通的驱动脉冲之间 设置逻辑延时 4章伺服系统设计 61 2 单极式可逆PWM变换器为克服双极式可逆PWM变换器的缺点 在动 静态性能要求略低的调速系统中 常采用单极式H型可逆PWM变换器 单极式左边两个管子的驱动脉冲Ub1 Ub2 具有正负交替的脉冲波形 使VT1和VT2轮流导通 电动机正转 Ub3恒为负 Ub4恒为正 VT3截止 VT4常通 电动机反转 Ub3恒为正 Ub4恒为负 VT3常通 VT4截止 4章伺服系统设计 62 3 受限单极式可逆PWM变换器 受限单极式控制方式 在电动机正转时 使Ub2恒为负 让VT2一直截止 当电动机反转时 使认Ub1恒为负 VT1一直截止 与在负载较重时运行的单极式变换器相同 但在负载较轻时 由于其中有一个晶体管截止 所以电流不能反向 在续流期间电流衰减到零时 出现断流 使变换器外特性变软 4章伺服系统设计 63 3 脉宽调制器PWM变换器只对已有的脉宽可调脉冲电压信号Ub进行功率放大 而给PWM变换器的电力晶体管CTR提供脉冲电压信号的就是脉宽调制器 脉宽调制器是一种电压 脉宽变换装置 本书的第2章介绍了电压 脉宽变换器的基本电路和工作原理 p 149 152 图为以锯齿波作调制信号的另一种脉宽调制器电路 4章伺服系统设计 64 锯齿波脉宽调制器 锯齿波脉宽调制波形图 4章伺服系统设计 65 锯齿波脉宽调制器组成 锯齿波发生器 振荡器 电压比较器压比较器由运算放大器和几个输入信号组成 运算放大器工作在开环状态 很小的输入信号就可使其输出电压达到饱和值 改变输入信号极性 就可使输出电压在正 负饱和值之间变化 实现将连续电压信号变成脉冲电压信号 运算放大器输入信号 1 锯齿波信号Usa 频率为1 4kHz 2 控制电压Uc 极性和大小随系统控制要求可变 3 负偏移电压Ub 且Ub Usamax 2 4章伺服系统设计 66 控制脉冲 1 当Uc 0时 输入信号Usa Ub 二者实际值相减 的合成电压正负宽度相同 经运算放大器倒相后 输出脉冲电压Upw正负半波宽度相等 对应于可逆变换器输出Ud 0的情况 2 当Uc 0时 Usa Ub Uc使输入端合成电压为正的宽度增加 则输出Upw的正半波变窄 3 当Uc 0时 Usa Ub Uc使输入端合成电压为正的宽度减小 则输出Upw的正半波增宽 4章伺服系统设计 67 一 步进电动机的原理与特性二 步进电动机的控制与驱动三 步进伺服系统的设计计算 5 3步进伺服系统设计 4章伺服系统设计 68 开环步进伺服系统结构图a 使用电液脉冲马达b 使用功率步进电机 步进伺服系统 4章伺服系统设计 69 一 步进电动机原理及特性 将电脉冲信号转换成角位移 或线位移 的一种机电式数模转换器 组成 定子 转子 电磁绕组或永磁磁钢等类型 反应式 定子励磁 励磁式 定转子均励磁 4章伺服系统设计 70 图5 28步进电动机工作原理 通电方式 A B C A步距角 每通断电一次 拍 步进电动机转过的角度 方向控制 改变各相绕组的通断电顺序 速度控制 改变绕组的通断电频率 磁阻最小原理 4章伺服系统设计 71 单相通电方式 每拍中只有一相绕组通电 其余断电 三相步进电动机一个通电循环 A B C三相轮流通电一次 共需三拍 称为三相单三拍通电方式 步距角为30 特点 稳定性不好 当一相断电时 另一相刚开始通电 易失步 4章伺服系统设计 72 单双相轮流通电方式 步进电动机通电循环的各拍中交替出现单 双相通电状态 三相步进电动机每个通电循环中共有六拍 步距角为15 称为三相六拍通电方式 即A AB B BC C CA A 双相 多相 通电方式 步进电动机通电循环的每拍中都有两 多 相绕组通电 三相双三拍通电方式 AB BC CA AB 每个通电循环也需三拍 步距角为30 工作稳定不易失步 4章伺服系统设计 73 4章伺服系统设计 74 结论 1 电动机绕组的通电状态每改变一次 转子转过一个确定的步距角 电机输出角位移 与输入脉冲数N 步距角 之间的关系为 N 2 改变绕组通电顺序 旋转方向随之改变 3 绕组通电状态改变的速度越快 电机转速越快 即 通电状态变化频率越高 转子的转速越高 4章伺服系统设计 75 转速计算 f 控制脉冲频率 4 步距角与定子绕组相数m 转子齿数z 通电方式k有关 式中 相邻通电相数相同时 k 1 相邻通电相数不同时 k 2 4章伺服系统设计 76 1 步距角及步距精度步距角 步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次 转子转过的角度 步距角越小 加工精度越高 步距精度 是指空载时理论步距角和实际步距角之差 以分表示 影响步距精度的因素 定 转子的齿距制造误差 定子和转子间气隙不均匀 各相电磁转矩不均匀等 步距精度直接影响工件的加工精度及电机的动态特性 4章伺服系统设计 77 静态力矩Mj 在静态运行状态下平衡外负载力矩的电磁力矩 失调角 c 在静态运行状态下转子转过的角度 静态特性 矩角特性 矩角特性 即静力矩 失调角特性曲线 Mj f c 如图所示 4章伺服系统设计 78 图单相通电矩角特性 矩角特性差异过大 会引起精度下降和低频振荡 4章伺服系统设计 79 静态运行状态 步进电动机在不改变定子绕组的通电状态 即一相或几相绕组通直流电时的运行状态 也是直流为常数且转子不动时的定位状态 此时可能转子在平衡位置 也可能在负载力矩作用下转动一个角度 失调角 定位 最大静力矩Mjmax 静态运行状态下所能承受的最大外加负载力矩 亦所能输出的最大电磁力矩 反映了电机的制动能力和低速步进运行时的负载能力 最大启动力矩Mq 当外负载超过Mq时 电机就不能启动 4章伺服系统设计 80 1 启动矩频特性启动频率 突跳频率 fq 步进电机由静止突然启动 进入不失步的正常运行所允许的最高频率 快速性指标 与负载力矩和惯量有关 启动矩频特性 外加负载力矩时 不失步地正常启动所能接受的最大阶跃输入脉冲频率 启动频率 与负载力矩之间的对应关系 负载力矩越大所允许的启动频率越小 4章伺服系统设计 81 选用步进电机时 应使实际应用的启动频率与负载力矩所对应的启动工作点位于启动矩频特性曲线之下 才能保证步进电机不失步地正常启动 4章伺服系统设计 82 2 启动惯频特性指带纯惯性负载力矩启动时 启动频率与负载惯量之间的关系 负载惯量越大 所允许的最大启动频率越低 4章伺服系统设计 83 3 连续运行矩频特性步进电机运行时 输出力矩 动态转矩 与输入脉冲频率的关系 如图所示 高速时其负载能力变差 应使实际运行工作点位于运行矩频特性之下 保证电机不失步地正常运行 矩频特性曲线 4章伺服系统设计 84 4 电机的运行状态 共振现象 连续运行状态 控制脉冲频率和电机固有频率相等或接近时 电机则会发生共振 低频振荡 现象 使电机振荡不前 当控制脉冲的转换时间小于电动机的过渡过程时 步进电动机呈连续运行状态 其转矩即为动态转矩 步进运行状态 当控制脉冲的频率很低 转换时间 周期 大于电动机的过渡过程时间时 电动机呈步进运动状态 4章伺服系统设计 85 升降速特性曲线 连续运行频率 步进电动机启动后 当控制脉冲频率逐渐升高仍能保证不丢步运行的极限频率 也称为最高连续频率或最高工作频率 连续运行频率远大于启动频率 在工作频率高于启动频率的情况下 电动机若要停止 脉冲频率必须逐步下降 步进电机的升降速特性如图所示 5 电机的升降速特性 4章伺服系统设计 86 二 步进电动机的控制与驱动 脉冲分配控制步进电机速度控制步进电机功率驱动 1 硬件脉冲分配器脉冲分配器按一定的顺序导通和截止使相应的绕组通电或断电 硬件分配器由门电路 触发器等基本逻辑功能元件组成 国产YB系列脉冲分配器 YB013 三相 YB014 四相 YB015 五相 YB016 六相 引脚功能见教材表5 3所示 例 芯片8255和脉冲分配器YB014组成的脉冲分配控制电路原理如图所示 4章伺服系统设计 87 四相八拍脉冲分配控制原理图 转向控制 8255的PA0口线输出高电平时 控制步进电动机正转 输出低电平时 控制步进电动机反转 控制参数 8255的PA1口线输出的脉冲数量决定步进电动机的转角 脉冲频率决定步进电动机的转速 4章伺服系统设计 88 4章伺服系统设计 89 2 软件脉冲分配器 基本原理 1 根据步进电动机与计算机的接线情况及通电方式列出脉冲分配控制数据表 2 运行时按节拍序号查表获得相应的控制数据 3 在规定时刻通过输出口将数据输出到步进电动机驱动电路 例 8031对数控X Y工作台的两台四相步进电动机进行控制的接口电路原理如图所示 脉冲分配数据见表所示 4章伺服系统设计 90 单片机与步进电动机接口电路 当8031的P1口输出数据EEH 11101110 时 X向和Y向两个步进电动机的A相绕组都通电 当8031的P1口输出数据ECH 11101100 时 Y向步进电动机的A相通电 X向步进电动机的A B两相通电 当按节拍序号顺序循环控制时 步进电动机正转 当按倒序循环控制时 步进电动机反转 4章伺服系统设计 91 4章伺服系统设计 92 脉冲分配控制程序图 4章伺服系统设计 93 硬件方法 软件方法 硬件方法 在硬件脉冲分配器的时钟输入端 CP 接一可变频率脉冲发生器 改变其振荡频率 即可改变步进电动机速度 4章伺服系统设计 94 软件方法 采用定时器确定每相邻两次分配时间间隔 脉冲分配周期 并通过中断服务程序向输出口分配控制数据 定时常数的确定 式中 为数控工作台的脉冲当量 V为运动速度 fosc为单片机的晶振频率 4章伺服系统设计 95 4章伺服系统设计 96 FC MOVTL0 5BH 5AH 5BH中存放着与速度MOVTH0 5AH 相应的定时常数SETBTR0 启动定时器 其它程序 如脉冲分配等INTR0 MOVTL0 5BH 重装定时常数MOVTH0 5AHMOVP1 55H 输出脉冲分配控制数据RETI 中断返回 用单片机CTC0 16位定时 计数器 的速度控制程序为 4章伺服系统设计 97 升降速特性曲线 实现 硬件控制或软件控制 4章伺服系统设计 98 Pa为运算器送来的进给脉冲 其频率为fa Pb为实际送入分配器的工作脉冲 其频率为fb Pa和Pb都经同步器送入可逆计数器 Pa送入可逆计数器作加法 Pb送入可逆计数器作减法 N R 4章伺服系统设计 99 可逆计数器中记下的是进给脉冲与工作脉冲之差N 送入数模转换装置 将N的变化转换成电阻值R的变化 然后通过R的变化改变振荡频率 N R 当输入量为阶跃值时 输出量却是缓慢变化的 从而达到自动升降速的目的 4章伺服系统设计 100 4章伺服系统设计 101 驱动电路种类 晶体管驱动电源 高频晶闸管驱动电源 可关断晶闸管驱动电源和混合元件驱动电源等 单电压驱动电路 4章伺服系统设计 102 高低电压驱动电路 4章伺服系统设计 103 斩波型驱动电路 4章伺服系统设计 104 1 主要内容2 设计计算参数3 控制系统设计4 设计计算例 4章伺服系统设计 105 一 直流伺服电动机工作原理及类型直流伺服电动机主要由磁极 电枢 电刷及换向片等三部分组成 如图所示 电动机的类型 1 按电枢的结构与形状可分成平滑电枢型 空心电枢型和有槽电枢型等 2 直流伺服电动机还可按转子转动惯量的大小而分成大惯量 中惯量和小惯量直流伺服电动机 电动机的工作原理 当电枢绕组中通过直流电时 在定子磁场的作用下就会产生带动负载旋转的电磁转矩 驱动转子转动 用直流伺服电动机作为执行元件的伺服系统 主要包括晶闸管 直流电动机调速系统和大功率晶体管脉宽调制 PWM 调速系统 4章伺服系统设计 106 图直流伺服电动机基本结构 4章伺服系统设计 107 1 直流伺服电机控制特性方程 运行控制特性方程 通过控制电枢电压或控制励磁磁场就可以调节电动机的转速 4章伺服系统设计 108 2 直流伺服电机的调速方法 由电动机的运行特性方程可知 当电动机负载转矩T不变 磁通 不变时 上式右边各项除外均为常数 它表示电动机在一定负载下转速n与控制电压UK的关系 即当负载转矩T不变 磁通 不变时 电动机的转速n随电枢端电压UK的上升而增大 反之则减小 4章伺服系统设计 109 电枢电压控制转速的特点 从电机发热观点来看电枢所允许通过的电流是一定的 而 又保持不变 所以不论电机工作在高速还是低速 电动机所能发出的转矩T CT Ia是一定的 电机的功率P T n由于电机输出转矩不变 所以功率与转速成线性关系 4章伺服系统设计 110 2 励磁磁场控制和恒功率调速 1 励磁磁场控制由电机运行控制方程可知 当电枢电压UK不变 负载转矩T一定时 改变电动机励磁绕组的端电压以改变磁通 即可改变电动机转速n的大小 这种控制方式又叫做磁极控制方式 2 恒功率调速励磁磁场控制的特点 电动机所允许的电流一定 但由于 减少时n增加 所以转矩T CT Ia是下降的 也就是说当调节励磁改变转速时 转矩随转速改变而改变 转速越高输出的转矩越低 反之相反 如图所示 4章伺服系统设计 111 4章伺服系统设计 112 1 电枢电压控制特性1 机械特性机械特性是指控制电压恒定时 电动机转速随负载转矩变化的关系 采用电枢电压控制时为 式中 为直线在纵坐标上的截距 为该直线的斜率 机械特性曲线如图所示 4章伺服系统设计 113 直流伺服电动机的机械特性 4章伺服系统设计 114 称为理想空载转速 可见 其值与电枢电压成正比 称为启动转矩或堵转转矩 其值也与电枢电压成正比 4章伺服系统设计 115 式中 是转矩增量 是对应 的转速增量 值的大小表示了电动机转矩变化所引起的转速变化程度 对应同样的转矩变化 转速变化大即 大的机械特性软 转速变化小即 小的机械特性硬 不同 时的机械特性如图所示 4章伺服系统设计 116 不同控制电压时的机械特性 4章伺服系统设计 117 2 调节特性 负载力矩T Ts 常数的情况下 电动机的转速n与控制电压Uk之间的函数关系 即n f Uk 由电机运行方程得 调节特性的特点 1 当Ts 常数时 n与Uk之间的关系是一条直线 Ts不同时的调节特性是一组平行线 2 Uk Uk0 始动电压或死区电压 时 电机转速n 0 3 负载越大始动电压越大 电机为理想空载的始动电压为零 4章伺服系统设计 118 伺服电动机的调节特性 4章伺服系统设计 119 2 励磁磁场控制 由电机的运行控制方程可知 如果改变励磁磁通 保持电枢电压不变 就可得到如图所示的机械特性 由于磁路饱和 磁通 一般只能减弱 不能增强 4章伺服系统设计 120 3 影响直流伺服电动机特性的因素 功放电路对机械特性的影响 内部摩擦对调节特性的影响 负载变动对调节特性的影响 电枢电压 电阻对调节特性的影响 功放电路中必然存在一定内阻 其等效电路如图4 26所示 其机械特性斜率应为内阻越大 机械特性越软 希望放大器有较低的内阻 直流伺服电动机内部存在摩擦 如转子与轴承间的摩擦等 直流伺服电动机在启动时需要克服一定的摩擦转矩 因而启动时电枢电压不可能为零 同样存在一个死区电压 即始动电压 在实际伺服系统中 负载随转速变动将导致调节特性的非线性问题 如流体摩擦阻力是随转速增加而增加的 数控机床切削加工过程中的切削力也是随进给速度变化而变化等等 当电枢电压比较小时 电动机的转速在几转 分到几十转 分范围内是不稳定的 会出现时快时慢的低速运转不稳定性现象 电枢回路电阻 主要是电刷与换向器的接触电阻 变化 也将引起转速不稳定性现象 4章伺服系统设计 121 放大器的等效电路放大器内阻对机械特性的影响 4章伺服系统设计 122 转速 电流双闭环调速系统电路原理 三 晶闸管 直流电动机调速系统 1 转速 电流双闭环调速系统的组成主要由转速调节器ASR 电流调节器ACR 测速发电机TG 电流互感器TA 晶闸管触发器AT 晶闸管UR及伺服电动机等组成 如图所示 4章伺服系统设计 123 PI调节器特点 调节器饱和时 输出为恒值 输入量的变化不再影响输出 除非输入为反极性信号使调节器退出饱和 即饱和的调节器暂时隔断了输入和输出之间的联系 相当于系统开环 调节器不饱和的条件下 PI的作用使输入偏差电压在稳态时为零 实现无静差 系统静态结构框图如图4 51所示 双闭环调速系统静态结构框图 4章伺服系统设计 124 转速调节器的作用 保持转速稳定 并在最后消除转速误差 稳态时 当 为一定的时 速度调节器调节作用 转速 将稳定在 的数值上 其调节原理如图所示 4章伺服系统设计 125 电流调节器的作用 稳态时 起稳定电流作用 即 当 为一定的情况下 由于电流调节器的调节作用 整流装置的电流将保持在 的数值上 其调节原理如图所示 4章伺服系统设计 126 双闭环调速系统的静特性 1 当电流 时 表现为转速无静差 系统以转速负反馈起主要调节作用 2 当 达到 以后 转速调节器ASR输出饱和 此时系统以电流调节器起主要作用 表现为电流无静差 0 起到过电流的自动保护作用 4章伺服系统设计 127 在系统正常运行时 两个调节器都不饱和 稳态时 它们的输入偏差电压都是零 因此有如下两个关系式 调速系统静特性 4章伺服系统设计 128 由于ASR不饱和 则 限幅值 由上式知 一般设计成 额定值 在两个调节器均不饱和时运行于静特性 段 调速特性如图4 52所示 调速系统静特性 4章伺服系统设计 129 4章伺服系统设计 130 图4 53双闭环调速系统动态结构图 1 转速调节器和电流调节器的传递函数式中 为PI调节器的超前时间常数 2 晶闸管的传递函数为 3 由直流伺服电动机的数学模型经简化可得其传递函数为 4 感应电势与转速之间的传递函数为 4章伺服系统设计 131 优点 1 主电路简单 需用功率元件少 2 开关频率高 电流易于连续 谐波成分少 使电机损失小 3 低速性能好 稳态精度高 调速范围宽 4 系统频带宽 快速响应好 动态抗扰性能强 5 主电路元件工作于开关状态 损耗小 效率高 基本原理是 利用大功率器件的开关作用 将直流电压转换成一定频率的方波电压 通过对方波脉冲宽度的控制 改变输出电压的平均值 组成 电压 脉宽变换器 开关功率放大器 如图所示 1 PWM晶体管功率放大器 4章伺服系统设计 132 PWM晶体管功率放大器结构框图 4章伺服系统设计 133 由三角波 或锯齿波 发生器 加法器和比较器组成 4章伺服系统设计 134 PWM脉宽调制波形 当 0时 输出信号为正负宽度相等的矩形脉冲 当 0时 的正脉宽大于负脉宽 当 0时 的负脉宽大于正脉宽 当 是三角波的峰 峰值 时 为一正直流信号 当 时 为一负直流信号 4章伺服系统设计 135 PWM脉宽调制波形 4章伺服系统设计 136 当 0时 输出信号为正负宽度相等的矩形脉冲 当 0时 的正脉宽大于负脉宽 当 0时 的负脉宽大于正脉宽 当 是三角波的峰 峰值 时 为一正直流信号 当 时 为一负直流信号 4章伺服系统设计 137 H型桥式PWM晶体管 4章伺服系统设计 138 双闭环脉宽调速系统原理框图 系统中采用了脉宽调制单元UPW 调制波产生器GM 逻辑延时环节DLD 电力晶体管基极驱动器GD以及瞬时动作的限流保护FA等 2 典型双闭环控制的PWM调速系统 4章伺服系统设计 139 三个输入信号 为由锯齿波发生器提供的锯齿波信号 频率一般为1 4kHz 由主电路开关频率决定 为控制输入信号 其极性和大小随系统控制要求随时可变 为负偏移电压 其值调整为 锯齿波脉宽调制器 4章伺服系统设计 140 可逆PWM变换器正常工作时 是上 下两电力晶体管交替导通和关断 如果发生两个晶体管同时导通 则产生极为严重的电源短路情况 导致晶体管损坏 为了确保不产生同时导通的现象 在控制电路与驱动电路之间设立了逻辑延时环节 对逻辑延迟电路的要求是 让原导通的晶体管先关断 然后让原关断的晶体管导通 因此它们的基极控制信号 如Ub1和Ub2 不能在同一时刻由 1 到 0 或 0 到 1 而是应先是 1 到 0 经过一个很小的时间后 使另一个由 0 到 1 如图6 51所示 一般DLD由R C延迟电路组成 见图6 52所示 4章伺服系统设计 141 电容C2主要有三条路径放电 1 C2 VT5的e和c VT1 的e和b VD4 C2的短暂放电时间回路 一旦VT1 完全截止 电流即为零 2 C2 VT5的e和c VS VD4 C2 由于VS导通 VT1 的b e结一直承受反偏压 保证了功率级VT1可靠截止 3 C2 R5 C2 此外 C2还通过VT5的e和b VT2的c和e VS VD4 C2放电 为VT5提供基极电流 在此期间VT3 VT4处于反偏 FA的设置是为 一旦PWM变换器某桥臂电流超过允许最大电流时 FA环节使电力晶体管VTl和VT4 或VT2和VT3 同时封锁截止 以便保护电力晶体管不会造成出的脉冲损坏 基极驱动器的任务是确保晶体管在开通时能迅速达到饱和导通 关断时能迅速截止 采用光电耦合控制器的具有反偏压的驱动电路如图6 35所示 当脉冲调制信号使A点处于高电平时 光敏二极管中的反向电流I流过VT1的基极 使之导通 VT2截止 VT3和VT4导通 VT5因处于反偏而截止 功率晶体管VT1 导通 电容充有左正右负的电压 其大小由Us和R4 R5决定 当信号输入端A为低电平时 光敏二极管中的电流为零 VT1截止 VT2导通 VT3 VT4截止 VT5导通 4章伺服系统设计 142 5 5交流伺服系统设计 励磁绕组f1f2 接于电源上的绕组 由定值交流电压励磁 控制绕组K1K2 接于控制电压上的绕组 由伺服放大器供电而进行控制 励磁绕组和控制绕组在定子空间上互成90 的电角度 交流伺服电动机的结构原理如图所示 鼠笼型结构 励磁电流小 性能优良 转子惯量大 如图所示 杯型结构 转子转动惯量小 运转平稳 噪声小 但励磁电流大 效率低 体积大 如图所示 4章伺服系统设计 143 交流伺服电机原理图1 励磁绕组2 控制绕组3 转子 伺服电动机接线图合成磁通矢量末端随时间变化的轨迹图 4章伺服系统设计 144 鼠笼型转子伺服电动机结构1 定子铁芯2 定子绕组3 鼠笼转子4 机壳5 端盖6 轴承7 轴 杯形转子伺服电动机结构1 外定子2 杯形转子3 内铁芯 4章伺服系统设计 145 单相绕组通交流电在气隙中产生不旋转的脉动磁 通 场 双相绕组通同幅值 同相位的交流电则产生固定方向不旋转的合成脉动磁 通 场 在两相绕组上通幅值相等 相位差90 电角度的对称电压 则在电动机的气隙中产生圆形旋转磁场 若两个电压幅值不等或相位差不是90 电角度 则产生的磁场将是一个椭圆形旋转磁场 旋转磁场的圆度决定电机转速 故负载转矩一定时 改变控制信号幅值或相位差 就可以改变磁场的圆度 从而控制伺服电动机的转速 定义旋转磁场的圆度 电机的有效信号系数 为K表示了两相供电电压的不对称程度 K 1则两相绕组对称且电压互相差90 为圆形旋转磁场 K 0表示UU 0 为脉动磁场 0 K 1为椭圆形旋转磁场 4章伺服系统设计 146 在励磁电路串联移相电容 改变控制电压的幅值以引起励磁电压的幅值 及其相对于控制电压的相位差发生变化 保持控制电压和励磁电压之间的相位差角为90 仅仅改变控制电压的幅值 保持控制电压的幅值不变 仅仅改变控制电压与励磁电压的相位差 4章伺服系统设计 147 交流伺服电动机的接线图如图所示 励磁绕组V与电容串联接到单相交流电源电压上 控制绕组U接于同频率交流电压或功率放大器的输出端 励磁绕组串接电容 适当选择C的数值 使励磁绕组的端电压与电源电压间有近90 的相位差 以产生两相旋转磁场 4章伺服系统设计 148 假定不考虑磁饱和现象 空间相位差90 的两相绕组在外加电流相位差为90 的电压作用下 分别在两绕组中产生脉动磁场 即 上式是一个椭圆方程式 其纵轴长为 横轴长为 4章伺服系统设计 149 伺服电动机接线图合成磁通矢量末端随时间变化的轨迹图 4章伺服系统设计 150 在一定负载转矩下 控制电压越大 则转速也越高 在一定控制电压下 负载转矩加大 转速下降 特性曲线的斜率随控制电压的大小不同而变化 表现为机械特性较软 如图4 34所示 幅值控制的调节特性也不是直线 只当n较低时近似为直线 负载转矩大时 初始起动电压也高 如图所示 4章伺服系统设计 151 UB为常数时 曲线 交流伺服电动机调节特性 4章伺服系统设计 152 1 异步电机的变频调速原理异步电动机的转速方程为式中 为电动机转速 为定子转速磁场的同步转速 为定子供电频率 为转差率 由上式可见