第五章-伺服系统.ppt

第五章伺服系统,5.1概述5.2伺服系统的执行元件及控制5.3伺服系统设计,5.1概述,一、伺服系统概念二、伺服系统的类型三、伺服系统的基本要求,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。伺服系统是机电一体化系统及产品中的重要组成部分。,一、伺服系统概念,按系统结构特点划分：单回路伺服系统、多回路伺服系统和开环伺服系统、半闭环伺服系统、闭环伺服系统。,二、伺服系统类型,伺服系统的分类,按系统组成元件划分：电气伺服系统、液压伺服系统电气液压伺服系统、电气气动伺服系统等。,按系统输出量的物理性质划分：速度伺服系统、加速度伺服系统和位置伺服系统等。,按系统中所包含的元件特性和信号作用特点划分：模拟式伺服系统和数字式伺服系统。,二、伺服系统类型,开环伺服系统,半闭环伺服系统,闭环伺服系统,例数控机床工作台进给伺服系统,二、伺服系统类型,尽管伺服系统的结构类型很多，但它与一般的反馈控制系统一样，也是由控制器、被控对象、反馈测量装置等部分组成。控制器是按预定的控制规律调节能量的输入，以使系统产生所希望的输出。被控对象一般指机器的运动部分，如工业机器人的手臂、数控机床的工作台以及自动导引车的驱动轮等。通常，被控对象还包括功率放大器、执行机构、减速器以及内反馈回路等。,三、伺服系统的基本要求,对伺服系统的基本要求有稳定性、精度和快速响应性。,指作用在系统上的扰动消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态的能力。,稳定性,稳定的伺服系统在受到输入信号（包括扰动）作用时，其输出量的响应随时间而衰减，并最终达到与期望值一致或相近；不稳定的伺服系统其输出量的响应随时间而增加，或者表现为等幅振荡。因此对伺服系统的稳定性要求是一项最基本的要求，它是保证伺服系统正常运行的最基本条件。,三、伺服系统的基本要求,伺服系统的稳定性是由系统本身特性决定的，即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。对于位置伺服系统，当运动速度很低时，往往会出现一种由摩擦特性所引起的、被称为“爬行”的现象，这也是伺服系统不稳定的一种表现。爬行会严重影响伺服系统的定位精度和位置跟踪精度。,精度,三、伺服系统的基本要求,指输出量复现输入指令信号的精确程度，它是伺服系统的一项重要的性能要求。影响精度的因素很多，主要来自以下三个方面。,系统组成元件本身的误差。有传感器的灵敏度和精度，伺服放大器的零点漂移和死区误差、机械装置中的反向间隙和传动误差、各元器件的非线性因素等。伺服系统本身的结构形式对伺服系统精度有重要影响。从构成原理上讲，有些系统无论采用多么精密的元器件，也总是存在稳态误差的，这类系统称为有差系统，而有些系统却是无差系统。系统的稳态误差还与输入指令信号的形式有关，当输入信号形式不同时，有时存在误差，有时误差却为零。,快速响应性是衡量伺服系统动态性能的另一项重要指标。快速响应性有两方面含义，一是指动态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的迅速程度；二是指动态响应过程结束的迅速程度。,快速响应性,三、伺服系统的基本要求,伺服系统对输入指令信号的响应速度常由系统的上升时间(输出响应从零上升到稳态值所需要的时间)来表征，它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增大和调整时间加长，使系统相对稳定性降低。伺服系统动态响应过程结束的迅速程度用系统的调整时间来描述，并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。,三、伺服系统的基本要求,伺服系统的快速响应性、稳定性和精度三项基本性能要求是相互关联的，在进行伺服系统设计时的原则是：必须首先满足稳定性要求，然后在满足精度要求的前提下尽量提高系统的快速响应性。除以上对一般伺服系统的基本性能要求之外，对机电一体化产品中常用的位置伺服系统，还有调速范围、负载能力、可靠性、体积、质量以及成本等方面的要求，这些要求都应在设计时给予综合考虑。,5.2伺服系统的执行元件及控制,一、执行元件类型及特点二、伺服电机及其控制三、步进电机及其控制四、数控步进液压马达及其控制,一、执行元件类型及特点,伺服系统的执行元件主要有电动机、电磁铁、油缸和液压马达等，是伺服控制系统的动力部件，它是将电能转换为机械能的一种能量转换装置。,根据使用能量的不同，可以将执行元件分为电气式、液压式、气压式以及它们之间组合等类型。电气式将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动执行机构运动。液压式先将电能变换为液压能并用电磁阀改变压力油的流向，从而使液压执行元件驱动执行机构运动。气压式与液压式的原理相同，只是将介质由油改为气体而已。,一、执行元件类型及特点,1电气执行元件电气执行元件包括直流(DC)伺服电机、交流（AC）伺服电机、步进电机以及电磁铁等，是最常用的执行元件。对伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态性能好，调速范围宽，适合于频繁使用，便于维修等。,2液压式执行元件液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点。,一、执行元件类型及特点,目前，世界上已开发了各种数字式液压执行元件，其定位性能好。例如电一液伺服马达和电一液步进马达，这些马达与电动机相比有转矩大的优点，可以直接驱动执行机构，适合于重载的高加、减速驱动。对一般的电一液伺服系统，可采用电一液伺服阀控制油缸的往复运动。,3气压式执行元件气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。,二、伺服电机及其控制,电力是国民生产中最主要的能源，电动机则是将电能转化为机械能的主要设备，对电动机的起停、调速控制是伺服控制系统主要的研究内容之一。电动机调速系统分为两大类：,直流调速系统,交流调速系统,直流调速系统,（1）有刷直流电机调速原理,结构特点：1、由定子产生励磁，有永磁和它励方式，磁场稳定。2、电枢在转子上，电枢通电后在磁场中转动。3、有电刷和换向器。,直流电机电刷间的电动势，其中为一对磁极的磁通，是与电机结构有关的常数，n为电枢的转速。直流电机电枢绕组中的电流与磁通相互作用产生电磁力和电磁力矩其中是与电机结构有关的常数，Ia为电枢电流。,直流调速系统,（a)它励式,（b)永磁式,直流调速系统,电枢回路的平衡为，将上2式代入，整理后即得到直流电机的机械特性,由上式可知，直流电机的转速控制可以有两种方式：对励磁磁通进行控制的励磁控制法（它励式）和对电枢电压进行控制的电枢控制法。励磁控制法在低速时受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，故励磁控制法应用较少。大多数的场合是通过调节电枢电压来实现调速，其中脉冲宽度调制PWM来控制电机电枢电压是最常用的调速方法。,直流调速系统,采用MOSFET作为开关器件实现PWM调速时，栅极输入高电平时开关导通，输入低电平时开关截止。,式中为占空比,直流调速系统,电动机电枢绕组两端的平均电压为,占空比表示了在一个周期T里,开关管导通的时间与周期T的比值,其变化范围为01。由上式可知，当电源电压Us不变的情况下，电枢的端电压的平均值Uo取决于占空比的大小，改变的值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。,直流调速系统,在PWM调速时，占空比是一个重要参数，以下3种方法可以改变占空比的值。,一、定宽调频法这种方法是保持t1不变，只改变t2，这样使周期T（或频率）也随之改变。二、调宽调频法这种方法是保持t2不变，而改变t1，这样使周期T(或频率）也随之改变。三、定频调宽法这种方法是使周期T（或频率）保持不变，而同时改变t1和t2。,前2种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。,直流调速系统,PWM控制信号的产生有4种：（1）分立电子元件组成的PWM信号发生器这种方法是用分立的逻辑电子元件组成PWM信号电路，它是早期的方式，现在已被淘汰。（2）软件模拟法利用单片机的一个I/O引脚，通过软件对该引脚不断地输出高低电平来实现PWM波输出，这种方法要占用CPU大量时间。（3）专用PWM集成电路从PWM控制技术出现起，就有芯片制造商生产专用的PWM集成电路芯片，现在市场上已有许多种。这些芯片除了具有PWM信号发生功能外，还有“死区”调节功能、保护功能等。在单片机控制直流电动机中，使用专用PWM集成电路可以减轻单片机负担，工作更可靠。（4）单片机的PWM口新一代的单片机增加了许多功能，其中包括PWM功能。单片机通过初始化设置，使其能自动地发出PWM脉冲波，只有在改变占空比时CPU才进行干预。,直流调速系统,直流电动机的PMW控制系统有可逆和不可逆系统之分。可逆系统是指电动机可以正反两个方向旋转；不可逆系统是指电动机只能单向旋转。对于可逆系统，又可以分为单极性驱动和双极性驱动两种方式。单极性驱动是指在一个PWM周期里面，作用在电枢两端的脉冲电压是单一极性的；双极性驱动则是指在一个PWM周期里，作用在电枢两端的脉冲电压是正负交替的。双极性驱动电路有两种，一种称为T型，它由2个开关管组成，采用正负电源，相当于2个不可逆系统的组合，由于形状象倒放的“T”字而得名。T型双极性驱动由于开关管要承受较高的反向电压，因此只用在低压小功率直流电机驱动。另一种常用的H型，它有4个开关管，采用一个单极性电源，其应用性能优于T型。,直流调速系统,直流调速系统,直流调速系统,有刷直流电机调速的优缺点,优点,直流电动机的电压、电流、磁通之间的耦合较弱，具有良好的线性调速特性，控制简单，具有较高的效率以及具有优异的动态特性。,缺点,电刷和换向器易磨损，换向时产生火花，限制转速；结构复杂，制造维修困难，成本高。,（2）无刷直流电机工作原理简介,直流调速系统,无刷直流电机是电子技术、新型电力电子器件和高性能永磁材料技术发展带来的新成果，它采用电子换向器代替了直流电机上的机械换向器和电刷，避免了因换向器和电刷接触不良所造成的一系列直流电动机的致命弱点。无刷直流电机由电动机本体、转子位置传感器和电子开关线路3部分组成。电机转子由永磁材料制成，是具有一定磁极对数的永磁体；电枢不在在转子上，而是在定子上，直流电源通过电子开关向定子绕组通电，为了实现转子的连续转动，必须实时检测转子所处的位置，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止，从而控制了哪些绕组通电，哪些绕组断电，实现了电子转向。,直流调速系统,（3）直流伺服系统模型,1)校正环节：一般速度环调节器为比例环节位置环为PI调节,2)检测环节：速度检测：,位置检测：,3)整流装置（惯性环节）,各种整流装置的时间常数见下表,直流调速系统,直流调速系统,5)根据直流电机原理求其传递函数,直流调速系统,设输入信号为Ud,输出为电机转角则：,拉式变换，消去id（s）后可得电机的传递函数G6(S),直流调速系统,式中：,电磁时间常数和机电时间常数,电枢绕组的电感和电阻,反电动势常数和力矩常数,阻尼和电机轴转动惯量,画出系统的传递函数框图，可得到系统的开环传递函数。,直流调速系统,直流调速系统,利用MATLAB软件的SIMULINK工具进行系统仿真研究,交流调速系统,在调速系统发展过程中，由于有刷直流电机结构复杂，电刷换向器结构导致寿命较短，制造维护成本较高，因此人们开始寻求交流调速技术的发展。根据电机种类的不同，交流调速系统分为交流永磁同步电机的调速系统和交流异步电机的调速系统两大类。交流异步电机（感应式）因为结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、维护方便等特点，在生产和生活中得到广泛的应用，始终稳居市场占有量的第一位。长期以来，交流异步电动机的调速始终是一个不好解决的难题，直到20世纪70年代，由于计算机的推广应用，以及近20年来新型快速的电力电子元件的出现，才使得交流异步电机的调速称为可能。,（1）交流调速系统的发展,交流调速系统,近年来，随着电力电子学、微电子学、传感技术、永磁材料技术、DSP技术和控制理论与技术的飞速发展，尤其是各种先进控制策略的成功应用，交流调速伺服系统的研究和应用取得了举世瞩目的发展，已具备了宽调速范围、高稳态精度、快速动态响应等良好的技术性能，其动、静态特性几乎可以和直流伺服系统相媲美。,永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速性能，并且可以实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。随着永磁材料性能的大幅提高和价格的降低，其在工业自动化领域的应用将会越来越广泛。,交流调速系统,感应式异步电动机交流伺服系统由于交流异步电动机具有结构简单、坚固耐用、成本低、寿命长等优点，因而具有较好的发展前景，代表了将来伺服系统的发展方向。近年来，随着DSP、嵌入式计算机技术的发展，特别是变频和矢量控制技术的不断完善，感应式异步电动机交流伺服系统也逐渐进入了实用阶段。,交流伺服系统硬件设备的发展趋势,全数字化,采用新型电力电子半导体器件,集成化,智能化,模块化和网络化,交流调速系统,全数字化采用高速微处理器和运动控制专用DSP芯片的伺服控制单元将全面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现伺服系统的完全数字化。20世纪90年代末，已经出现了电流环、速度环、位置环全部采用数字控制的伺服控制系统产品。全数字化的实现将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，从而在伺服系统中应用最先进的控制理论与算法成为可能，如将最优控制理论、模糊控制技术、神经网络控制技术等应用到伺服系统算法设计中。,交流调速系统,采用新型电力电子半导体器件伺服控制系统的控制、输出器件越来越多地采用具有较高开关频率的新型功率半导体器件，如大功率晶体管、功率场效应管和绝缘门极晶体管等，这些新型电子半导体器件的应用显著地降低了伺服单元输出回路的功耗，提高了系统的响应速度，降低了运行噪声。近来，一种将控制电路功能和大功率电子开关器件集成在一起的智能控制功率模块逐渐被应用于伺服控制系统中，该模块将输入隔离、能耗制动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能集成在一块不大的硬件模块中，其输入逻辑电平与TTL信号兼容，与微处理器的输出可以直接相连。智能控制功率模块的应用简化了伺服单元的设计，并实现了伺服系统的小型化。,交流调速系统,集成化最新伺服控制系统产品改变了将伺服系统划分为速度伺服单元与位置伺服单元两个模块的做法，代之以单一的、高度集成化、多功能的控制单元。同一控制单元，通过软件配置系统参数，就可以改变其实现的功能和性能指标，既可以使用伺服电机本身配置的传感器构成半闭环调节系统，又可以通过接口与外部的位置、速度或力矩传感器构成高精度的全闭环调节系统。集成化的控制单元显著地缩小了整个运动控制系统的体积，使得伺服系统的安装与调试工作得到了简化。,交流调速系统,智能化最新数字化的伺服控制单元具有许多智能化特点：系统具有参数记忆功能，系统所有的运行参数都可以通过人机对话的方式由软件来设置，并可以保存在伺服单元内部，通过通信接口，一些参数甚至可以在运行过程中由上位计算机进行修改；具有故障自诊断与分析功能，一旦系统出现故障，就可以将故障类型以及可能引起故障的原因通过通信接口反馈给人机接口显示界面，简化了系统维护和调试的复杂性；具有参数自整定功能，闭环调节系统的参数整定是保证系统性能指标的重要环节，利用控制单元提供的参数自整定功能，将会使得系统调试更加容易。,交流调速系统,模块化和网络化为配合现场设备的组网工作，最新的伺服控制单元配置有标准的串口通信(如RS-232/422/485等)和局域网通信接口。通信接口的设置显著地增强了伺服控制单元与其它控制设备之间的互联能力，从而可以利用一条通信电缆将数台甚至数十台伺服控制单元与上位控制计算机一起构成现场总线控制网络。,交流调速系统,在伺服控制硬件技术发展的同时，先进控制策略的成功应用也是提高交流伺服系统性能的重要因素。在交流伺服系统控制策略的发展中，比较有代表性的有：转速开环恒压频比控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制、非线性控制、自适应控制、滑模变结构控制以及各种智能控制技术等。随着伺服控制单元全数字化的实现，先进控制策略在各调节环路的应用将更容易实现，与先进的硬件单元一起共同提高伺服控制系统的各项性能。,（2）交流异步电机调速,交流调速系统,三相交流异步电机由定子和转子两部分组成，定子绕组产生旋转磁场，转子绕组的导体切割磁力线产生感生电动势，从而在转子绕组中产生感生电流，转子电流与旋转磁场相互作用产生电磁转矩。由于转子电流是感生电流，故也称为感应电动机。（对比直流电机的转子电枢电流）,交流调速系统,异步的由来,由交变电流产生的旋转磁场的旋转速度称为同步转速n0,交流异步电机的转子速度总是比同步速度小，因为如果两种速度相等，那么转子导体则与旋转磁场没有相对运动，那么将不再切割磁通，产生不了感生电势和感生电流，也就没有电磁转矩，转子不再继续旋转。因转子转速不等于同步转速，因此称为异步电动机。,交流调速系统,异步电机的同步转速遵从电机学的基本关系式,式中：,异步电机的同步转速，转/分,电源交变频率，Hz,电机定子磁极对数,式中,为转差率，其定义为,异步电机的实际转速为,由异步电机转速公式可知，改变电机交变电源的频率便可实现电机速度的调节。但是在异步电机调速时，除了改变电机的转速外，还希望保持每极磁通为额定值不变。磁通太弱，没有充分利用电动机的铁芯，是一种浪费，磁通太强，又会使铁芯饱和，导致励磁电流过大，严重时会因绕组过热而损坏电机。另外，保持为额定值不变，可保持电动机的输出转矩基本不变，使电动机在调速范围内有较好的机械特性。,交流调速系统,交流调速系统,异步电动机稳态等效电路如图,定子全磁通的感应电动势，V；,气隙（互感）磁通在定子每相绕组中的感应电动势，V；,转子全磁通的感应电动势（折合到定子边），V；,定子漏感，H（亨利）,转子漏感，H；,励磁电感，H；,定子和转子电阻，；,定子频率，Hz；,电源角频率，rad/s。,电源电压，V；,转差率；,交流调速系统,三相交流异步电机的定子每相感应电动势的有效值为,定子每相绕组串联的匝数；,基波绕组系数；,每极气隙磁通量，Wb。,由上式知，改变,进行调速时，只要同比例控制,可保持,基本不变。,交流调速系统,交流调速系统,交流调速系统,交流调速系统,交流调速系统,在生产机械对调速系统的动、静态性能要求不高的工业应用中（如风机、水泵的节能等），异步电机的调速控制可以采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案（恒控制）。对于在对调速系统动、静态性能有中等要求的应用场合，可以在调速控制系统中引入测速电机，构成转速闭环转差频率控制的变频调速系统（恒控制）。对于那些对调速性能的动、静态特性要求较高的应用场合，一般采用矢量控制变频调速系统（恒控制）。,交流调速系统,交流调速系统,为满足电机变频调速的要求，必须同时改变电机供电源的电压和频率，而电网的供电电压和频率是恒定的，需要专门的变频变压装置（VariableVoltageVariableFrequency,VVVF）来实现对电机供电源的控制。VVVF有两种类型，一种为直接变频变压，而另一种为间接变频变压。间接变频变压是使用最广泛的一种VVVF（变频器），其组成结构如图。,交流调速系统,（a)逆变器的基本原理,R,Y,B,电源,PWM变频器的主电路原理图,由担任交-直变换的二极管整流器和担任直-交变换、同时完成调频和调压任务的脉冲宽度调制逆变器组成。图中续流二极管D1-D6，为负载的滞后电流提供一条反馈到电源的通路，逆变管（全控式功率开关器件）T1-T6组成逆变桥，R、Y、B为逆变桥的输出端。电容器Cd的功能是：滤平全波整流后的电压波纹；当负载变化时，使直流电压保持平稳。交流电机变频调速系统中的关键部件之一就是逆变器，由于调速的要求，逆变器必须具有频率连续可调、以及输出电压连续可调，并与频率保持一定比例关系等功能。,T1,T2,T3,T4,T5,T6,交流调速系统,图中阴影部分为各逆变管的导通时间，其余为关断状态。,在0-t1时间内，T1、T3、T5同时导通，电机线圈电流方向为从R到Y和从B到Y，得到线电压为URY和-UYB。在t1-t2时间内，T1、T5、T6同时导通，电机线圈电流方向为从R到Y和从R到B，得到线电压为URY和-UBR。在t2-t3时间内，T1、T2、T6同时导通，电机线圈电流方向为从R到B和从Y到B，得到线电压为-UBR和UYB。,在t3-t4时间内，T2、T4、T6同时导通，电机线圈电流方向为从Y到R和从Y到B，得到线电压为-URY和UYB。在t4-t5时间内，T2、T3、T4同时导通，电机线圈电流方向为从Y到R和从B到R，得到线电压为-URY和UBR。在t5-t6时间内，T3、T4、T5同时导通，电机线圈电流方向为从B到R和从B到Y，得到线电压为UBR和-UYB。,交流调速系统,三相逆变桥的输出电压,逆变桥输出的线电压波形如图所示，由图可见，各相之间的相位互差1200，它们的幅值都与直流电压U相等。只要按照一定的规律来控制逆变管的导通与截止，就可以把直流电逆变成矩形波三相交流电，并且矩形波频率可控（改变逆变管导通和关断时间，即可得到不同的输出频率）。,交流调速系统,变频的同时进行变压,将上图中的一个周期的输出波形用一组等宽脉冲波代替，调节脉冲波的占空比，则可以调节输出的平均电压；调节PWM波的频率1/Tt就可以改变输出电压频率。,但是，上面采用PWM脉宽调制方法产生的是矩形波，而不是正弦波，将使交流异步电机产生发热、力矩下降、振动噪声等不利结果，为了使输出的波形接近正弦波，可以采用正弦脉宽调制波SPWM来实现。,交流调速系统,（b)SPWM调压调频原理,SPWM调制波的思路是将PWM中的等宽脉冲波变成宽度渐变的脉冲波，其宽度变化规律应符合正弦变化规律，其波形如图。,交流调速系统,产生SPWM的方法是用一组等腰三角形波与一个正弦波进行比较，其相等的时刻作为开、关的时刻。三角波成为载波，正弦波成为调制波。正弦波的频率和幅值可以控制，改变正弦波的频率就可以改变输出电源的频率，从而改变电动机的转速；改变正弦波的幅值，就可以改变正弦波与载波的交点，使输出脉冲序列的宽度改变，从而改变输出电压平均值。,交流调速系统,对三相逆变开关管生成SPWM波的控制可以有两种方式：单极性控制和双极性控制。单极性控制时，每半个周期内，逆变桥的同一桥臂的上下两只开关管中只有一只开关管按照上图规律反复通断，而另一只开关管关断；在另外半个周期内，两个开关管的工作状态正好相反。3个桥臂的工作规律相同，只是在相位上相差了120度。双极性控制时（输入电源有2个，U/2和-U/2），在全部周期内，同一桥臂的上、下两只开关管交替接通与关断，形成互补的工作方式，其波形如图。,SPWM输出的脉冲波输入逆变器开关管的控制端，从而使逆变器输出频率、幅值可调的类似正弦波电源。,交流调速系统,SPWM载波频率的选择SPWM是含有谐波的近似正弦波，左图给出了载波在不同频率时SPWM电流波形，可见载波频率越高，谐波波幅越小，SPWM电流波形越好。提高载波的频率受到逆变开关管的最高开关频率限制。第三代IGBT的工作频率可以达到30KHz，采用其作为逆变开关可以得到平滑的电流波形，越来越多的变频器采用IGBT。,另外，高的载波频率使变频器的噪声进入超声范围，产生了静音效果。,交流调速系统,载波与调制波的频率调整的3种方式：,同步控制方式在调整调制波频率的同时也相应地调整载波频率，使两者比值等于常数。这使得在逆变器输出电压的每个周期内，所使用的三角波的数目是不变的，因此所产生的SPWM的脉冲数是一定的。优点是在调制波频率变化范围内，逆变器输出波形的正、负半波完全对称，输出3相波形之间具有120度相差的对称关系。缺点是低频时，会使每个周期SPWM脉冲个数太少，使谐波分量不足，这是这种方式的严重不足。异步控制方式使载波频率不变，只调整调制波频率，它克服了低频时同步方式的缺点，但是它可能会造成变频器输出的正负半波、三相波之间出现不严格对称现象，造成电机运行不平稳。分段控制方式取上面两方式的优点，高频时使用同步控制方式，低频时使用异步控制方式，该方式在实际应用中广泛采用。,交流调速系统,采用数字电路的SPWM逆变器，可采用以软件为基础的控制模式。优点是所需硬件少，灵活性好和智能性强。缺点是需要通过计算确定SPWM的脉冲宽度，有一定的延时和响应时间。然而，随着高速度、高精度多功能微处理器、微控制器和SPWM专用芯片的发展，采用微机控制的数字化SPWM技术已占当今PWM逆变器的主导地位。微机控制的SPWM控制模式有多种，以规则取样法为例来介绍。微机是采用计算的办法寻找三角波VT与参考正弦波VS的交点从而确定SPWM脉冲宽度的。VT和VS的交点A1、B1能准确求得，从而确定脉冲宽度t2，但计算工作量较大。为简化计算，可采用近似的求VT和VS交点的方法。通过两个三角波峰之间中线与VS的交点m作水平线与两个三角波分别交于A和B点，由交点A和B确定的SPWM脉宽为t2，显然，t2与t2数值相近。,交流调速系统,规则取样法就是用VT和VS近似交点A和B代替实际的交点A1和B1，用以确定SPWM脉冲信号的。这种方法虽然有一定的误差，但却大大减少了计算工作量。由下图可很容易地导出规则取样法的计算公式。设三角波和正弦波的周期分别为TT和TS，幅值分别为UT和US。t1为在TT时间内，在脉冲发生以前（即A点以前）的间歇时间，t2为AB之间的脉宽时间，t3为在TT以内B点以后的间隙时间。显然TT=t1+t2+t3，t1、t3及t2可由下式计算,交流调速系统,变频后异步电机的机械特性,交流调速系统,由图可知，当电动机向低于额定转速方向调速时，曲线近似平行地下降，说明减速后的电机仍然保持原来较硬的机械特性；但是，临界转矩却随着电动机转速的下降而逐渐减小，导致电动机带负载能力下降。临界转矩下降的原因是：为了保持电动机定子磁通保持不变，调速时就要求感应电动势为常数。当采用电源电压U来近似代替感应电动势，这是以忽略定子阻抗压降为代价，必然存在一定的误差。被忽略掉的定子阻抗压降在电压U中所占比例的大小决定了它的影响。当频率f的数值相对较高时，定子阻抗压降在电压U中所占的比例相对较小，所产生的误差较小；当频率f的数值相对较低时，电压也按同比例下降，然而定子的阻抗压降并不按同比例下降，使得定子阻抗压降在电压U中的比例增大，已经不能满足，此时如果仍以U代替将带来较大的误差。因为定子阻抗压降所占的比例增大，使得实际产生的感应电动势减小，也减小，造成磁通减小，因而导致电动机的临界转矩下降。,交流调速系统,当电动机向高于额定转速方向调速时，曲线不仅临界转矩下降，而且曲线工作段的斜率开始增大，使机械特性变软。造成这种现象的原因是：电动机绕组的绝缘强度限制了电源电压不能超过电动机的额定电压，当频率f升高时，电源电压不能相应的升高，所以磁通量将随着频率f的升高而反比例下降。磁通量的下降使电动机的转矩下降，造成电动机的机械特性变软。,交流调速系统,交流调速系统,（c)矢量控制简介,矢量控制理论由德国学者F.Blachke1971年提出。在伺服系统中，直流伺服电机能获得优良的动态与静态性能，其根本原因是被控制只有电机磁通和电枢电流Ia，且这两个量是独立的。此外，电磁转矩（Tm=KTIa）与磁通和电枢电流Ia分别成正比关系。因此，控制简单，性能为线性。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，而分别独立地加以控制，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。,交流调速系统,任何电机的电磁转矩都是由主磁场和电枢电流磁场相互作用产生的。建立三相交流异步电机的等效直流电机控制模型的基础是旋转磁场的等效性。首先分析以下3种产生旋转磁场的方法。,（1）三相旋转磁场,交流调速系统,在三相固定绕组中通入三相平衡交流电，固定绕组是静止的，各绕组在空间上相差120度，三相平衡电流在相位上相差120度。随着时间的变化，合成磁场的轴线也在旋转，电流交变一个周期，磁场也旋转一周。在合成磁场旋转的过程中，合成磁场感应强度不变，称为圆磁场。,交流调速系统,（2）两相旋转磁场,在两相固定绕组中通入两相平衡交流电，其绕组在空间上相差90度，两相平衡交流电在相位上相差90度，其合成磁场也具有和三相旋转磁场完全相同的特性。,交流调速系统,交流调速系统,（3）旋转体的旋转直流磁场,在旋转体上放置两个互相垂直的直流绕组，在绕组中分别输入直流电，当旋转体不旋转时，它产生一个稳定磁场，当旋转体旋转时，恒定磁场也随着旋转，在空间形成一个旋转磁场，称为机械旋转磁场。如果调节两路直流电流中的任何一路时，直流合成磁场的磁感应强度也得到了调整。,对比直流电机的转子磁场可知，第3种方法与其完全类似，励磁磁场与电枢电流磁场在空间互差90度，并且和转子一起旋转。,交流调速系统,如果用上述3种方法产生的旋转磁场完全相同（磁极对数相同，磁感应强度相同，磁场转速相同），则认为这时的三相磁场、两相磁场、旋转直流磁场系统是等效的。答案是肯定的，因此，上述三种磁场是可以互相等效转换。,通常，把三相系统向两相系统转换称为3/2变换，两相系统向三相系统转换称为2/3变换；把两相交流系统向旋转直流系统转换称为交/直变换，把旋转直流系统向两相直流系统的转换称为直/交变换。,于是，可以像控制直流电机一样给出两相控制直流电iM和iT,但是它们不能直接去驱动三相交流异步电机，首先要进行直/交变换,然后进行2/3变换后再经逆变电路进行放大驱动三相交流异步电机。这些变换的原则就是上面所述的旋转磁场的等效性。,参考书：罗飞运动控制系统化学工业出版社,交流调速系统,由矢量控制原理图可知，矢量控制是闭环控制，利用传感器检测交流异步电机的三相交流数据，通过等效变换成两相的直流电流信号，反馈到控制器端，用来修正基本控制信号iM和iT。在进行控制时，可以和直流电动机一样，使其中一个磁场电流不变，而控制另一个磁场电流信号，从而获得和直流电动机类似的控制效果。,交流调速系统,（3）交流伺服电机控制,交流伺服电动机的接线图,交流伺服电动机的结构与普通的单相异步电动机的结构相似，其定子绕组则与单相电容式异步电动机结构相类似，其上装有两个在空间相隔90的绕组，一个是励磁绕组WF，另一个是控制绕组WC，这两个绕组通常分别接在两个不同的交流电源（频率相同，相位不同）上，这一点与单相电容式异步电动机不同。(对应于前面所讲的两相旋转磁场的产生方式),交流调速系统,杯形转子伺服电动机的结构图1励磁绕组2控制绕组3内定子4外定子5转子,转子一般分为鼠笼转子和杯形转子两种结构型式。鼠笼转子和三相鼠笼式电动机的转子结构相似，杯形转子结构如图所示。杯形转子通常用铝合金或铜合金制成空心薄壁圆筒，为了减小磁阻，在空心杯形转子内放置固定的内定子。不同结构型式的转子都制成具有较小惯量的细长形。目前用得较多的是鼠笼转子。,(1)工作原理:励磁绕组WF接到电压为的交流电网上，控制绕组接到控制电压上，当有控制信号输入时，两相绕组便产生旋转磁场。该磁场与转子中的感应电流相互作用产生转矩，使转子跟着旋转磁场以一定的转差率转动起来，其旋转速度为式中，f为交流电源频率(Hz)；p为磁极对数；n0为电动机旋转磁场转速(r/min)；s为转差率。把控制电压的相位改变180度,则可以改变伺服电机的旋转方向。,交流调速系统,交流调速系统,消除自转现象的措施,根据伺服系统工作性质的要求，控制电压一旦取消，电动机必须立即停止转动。但众所周知，单相异步电动机一旦转动以后，即使取消控制电压，仅靠励磁电压单相供电也会继续转动，即存在“自转”现象，这意味着失去控制作用，是不允许的，因而交流伺服电机必须解决“自转”问题。解决自转现象的措施是增大转子阻值，使电动机的正转矩或负转矩的最大值出现在Sm1的地方，如右图。,交流调速系统,当控制电压去掉以后交流伺服电机的机械特性如图。图中曲线1为有控制电压时的机械特性，当控制电压为0时，机械特性为中间实线段，此时电磁转矩的方向与转子的转动方向相反，为制动转矩，可以使电机快速停止。,交流调速系统,(2)交流伺服电机的控制,两相交流伺服电动机的控制方法有三种：幅值控制；相位控制；幅值相位控制。机电一体化系统中应用幅值控制的较多。,幅值控制原理图,不同控制电压下的机械特性曲线,由图可知，在一定负载转矩下，控制电压越高，转差率越小，电动机的转速就越高，不同的控制电压对应着不同的转速。这种维持与相位差为90，利用改变控制电压幅值大小来改变转速的方法，称为幅值控制方法。,交流调速系统,步进电动机能将脉冲信号直接转换成角位移(或直线位移)，这在计算机控制系统中特别方便，使用它可省去数模转换接口。由于步进电动机的角位移是一个步距一个步距（对应一个脉冲）移动的，所以称为步进电动机。当步进电动机的结构和控制方式确定后，步距角的大小为一固定值，所以可以对它进行开环控制。,三、步进电动机及其控制,应用：机床工作台、电脑绣花机、程控式鞋面打孔机等。,三、步进电动机及其控制,1、步进电机的结构及工作原理,步进电动机的定子上有数对极，极上有绕组，位置相对的极上的绕组连在一起，作为一相。转子有几个凸出的齿，如图所示。图中定子上有三对极，三相绕组有一端均连在一起，另一端A、B、C引入控制信号，形成星形接法。转子上有四个齿。这种结构形式称为三相步进电动机。,以下图为例来说明其转动的整个过程，假设转子上有四个齿，相邻两齿间夹角（齿距角）为90。当A相通电时，转子1、3齿被磁极A产生的电磁引力吸引过去，使1、3齿与A相磁极对齐。接着B相通电，A相断电，磁极B又把距它最近的一对齿2、4吸引过来，使转子按逆时针方向转动30。然后C相通电，B相断电，转子又逆时针旋转30度，依次类推，定子按ABCA顺序通电，转子就一步步地按逆时针方向转动，每步转30。若改变通电顺序，按ACBA使定子绕组通电，步进电机就按顺时针方向转动，同样每步转30度。,逆时针转30,逆时针转30,逆时针转30,三、步进电动机及其控制,定子绕组每改变一次通电方式称为一拍。例子中的控制方式叫三相单三拍方式，“单”是指每次只有一相绕组通电，“三拍”是指每三次换接为一个循环。由于每次只有一相绕组通电，在切换瞬间将失去自锁转矩，容易失步，另外，只有一相绕组通电，易在平衡位置附近产生振荡，稳定性不佳，故实际应用中不采用单三拍工作方式。,三、步进电动机及其控制,采用三相双三拍控制方式，即通电顺序按ABBCCAAB（逆时针方向）或ACCBBAAC（顺时针方向）进行，其步距角仍为30。由于双三拍控制每次有二相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组通电，所以工作比较稳定。,三、步进电动机及其控制,如果按AABBBCCCAA顺序通电，即首先A相通电，然后A相不断电，B相再通电，即A、B两相同时通电，接着A相断电而B相保持通电状态，然后再使B、C两相通电，依次类推，每切换一次，步进电机逆时针转过15。如通电顺序改为AACCCBBBAA，则步进电机以步距角15顺时针旋转。这种控制方式为三相六拍，它比三相三拍控制方式步距角小一半，因而精度更高，且转换过程中始终保证有一个绕组通电，工作稳定，因此这种方式被大量采用。,三、步进电动机及其控制,实际应用的步进电机如图所示，转子铁心和定子磁极上均有齿距相等的小齿，且齿数要有一定比例的配合。,2、性能参数(1)步距角与步距误差步进电动机走一步所转过的角度称为步距角，可按下面公式计算式中为步距角；为转子上的齿数；为步进电动机运行的拍数。同一台步进电动机，因通电方式不同，运行时步距角也是不同的。,三、步进电动机及其控制,有些书籍采用稍为不同的公式，但本质是相同的，其中m为定子相数，系数k的含义是当相邻两次通电相数相同时为1，不同时为2。本课程以上面教材为主。,步距误差是指步进电机运行时，转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差值。连续走若干步时，上述步距误差的累积值称为步距的累积误差。,三、步进电动机及其控制,(2)启动频率和运行频率空载时，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，可能发生丢步或堵转。步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率比空载要低。而且，随着负载加大（在允许范围内），启动频率会进一步降低，它是步进电动机的一项重要性能指标。运行频率是指步进电动机起动后，当控制脉冲频率连续上升时，步进电动机能不失步的最高频率。,（3）静态转矩、失调角与矩角特性,当步进电机上某相定子绕组通电之后，转子齿将力求与定子齿对齐，使磁路中的磁阻最小，转子处在平衡位置不动（0）。如果在电机轴上外加一个负载转矩Mz，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度，角度称为失调角。有失调角之后，步进电机就产生一个静态转矩（也称为电磁转矩），这时静态转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角的关系叫矩角特性，如图所示，近似为正弦曲线。该矩角特性上的静态转矩最大值称为最大静转矩。在静态稳定区内，当外加负载转矩除去时，转子在电磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置（0）。,最大静转矩,最大静转矩（保持转矩）：通电时能够维持静止状态的最大转矩。,矩角特性曲线,（4）最大启动转矩Mq图示为三相单三拍矩角特性曲线，图中的A、B分别是相邻A相和B相的静态矩角特性曲线，它们的交点所对应的转矩是步进电机的最大启动转矩Mq。如果外加负载转矩大于Mq，电机就不能启动。如图,当A相通电时，若外加负载转矩MaMq，对应的失调角为a，当励磁电流由A相切换到B相时，对应角在B相的静转矩为Mb,从图中看出MbMa,电机不能带动负载做步进运动，因而启动转矩是电机能带动负载转动的极限转矩。,b,ABC,三相单三拍步进电机的启动转矩,Mb,Mq,Ma,M,a,保持转矩（HOLDINGTORQUE）是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。,三、步进电动机及其控制,（5）保持转矩,（6）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，该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。当步进电机正常运行时，若输入脉冲频率逐渐增加，则电动机所能带动负载转矩将逐渐下降。使用时一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下降的特点。步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势，频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，导致驱动力矩下降。,三、步进电动机及其控制,3、步进电机功率驱动电路步进电机驱动线路完成由弱电到强电的转换和放大，也就是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需的具有一定功率的电流脉冲信号。驱动控制电路由环形分配器和功率放大器组成。环形分配器是用于控制步进电机的通电方式的，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按照一定的顺序和分配方式加到功率放大器上，控制各相绕组的通电、断电。环形分配器功能可由硬件或软件产生，硬件环形分配器是根据步进电机的相数和控制方式设计的，数控机床上常用三相、四相、五相及六相步进电机。现介绍三相六拍步进电机环形分配器的工作原理。硬件环形分配器是根据真值表或逻辑关系式采用逻辑门电路和触发器来实现。,三、步进电动机及其控制,如图所示，该线路由与非门和JK触发器组成。指令脉冲加到三个触发器的时钟输入端CP，旋转方向由正、反控制端的状态决定。QA,QB,QC为三个触发器的Q端输出，连到A、B、C三相功率放大器。若“1”表示通电，“0”表示断电，对于三相六拍步进电机正向旋转，正向控制端状态置“1”，反向控制端状态置“0”。初始时，在预置端加上预置脉冲，将三个触发器置为100状态。当在CP端送入一个脉冲时，环形分配器就由100状态变为110状态，随着指令脉冲的不断到来，各相通电状态不断变化，按照100110010011001101即AABBBCCCA次序通电。步进电机反转时，由反向控制信号“1”状态控制（正向控制为“0”），通电次序为ACACCBBBAA。,软件环形分配器实现较为简单、方便。计算机控制的步进电机驱动系统中，使用软件实现脉冲分配，常用的是查表法。例如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。,三相六拍环形分配器真值表,三、步进电动机及其控制,三、步进电动机及其控制,功率放大器的作用是将环形分配器发出的电平信号放大至几安培到几十安培的电流送至步进电机各绕组，每一相绕组分别有一组功率放大电路。介绍四种典型的驱动电路：单电压简单驱动、双电压驱动、高低压驱动和恒流斩波驱动。,（a)单电压驱动法,结构简单，电路中的限流电阻R1决定了时间常数，R1太小则时间常数太大，降低了响应性，太大会使绕组供电电流下降。可以采用在R1两端并联电容使电流的上升波形变陡，来改善高频特性，但这样又导致低频特性变差。,三、步进电动机及其控制,（b)双电压驱动法,当步进电机工作在低频时，给T1低电平，使T1截止，这时电动机的绕组由低电压VL供电；当工作在高频时，给T1高电平，D2截止，切断低电压，电动机由高电压VH供电。,控制脉冲通过T2使电机绕组得到脉冲电源。优点是保证了在低频段具有单电压驱动的特点，在高频段具有良好的高频特性。但是仍然没有摆脱单电压驱动的弱点，在限流电阻上仍然产生较大损耗和发热。,三、步进电动机及其控制,（c)高低电压驱动法,基本思路是：不论电动机的工作频率如何，在绕组