机电一体化技术与系统第三章（课堂PPT）

第三章伺服传动技术,第一节概述,第二节直流伺服系统,第三节交流伺服系统,第四节步进电动机控制系统,第五节电液伺服系统,1,第一节概述,一、伺服系统的结构组成及分类,1控制器,2功率放大器,3执行机构,4检测装置,图3-1伺服系统的组成,二、伺服电动机,伺服电动机是电气伺服系统的执行元件，其作用是把电信号转换为机械运动。,通常伺服电动机应符合如下基本要求:,1)具有宽广而平滑的调速范围。,具有较硬的机械特性和良好的调节特性。,3)具有快速响应特性。,4)空载始动电压小。,2,1直流伺服电动机,(1)永磁直流伺服电动机,(2)无槽电枢直流伺服电动机,(3)空心杯电枢直流伺服电动机,(4)印刷绕组直流伺服电动机,2交流伺服电动机,(1)永磁同步伺服电动机,(2)两相异步交流伺服电动机,3步进电动机,步进电动机是一种将脉冲信号转换成角位移的执行元件。,(1)反应式步进电动机,(2)永磁式步进电动机,(3)永磁感应式步进电动机,交流伺服电动机,3,三、电力电子技术简介,1晶闸管SCR,晶闸管的开关特性如下：,1)起始时若控制极不加电压，则不论阳极加正向还是反向电压，晶闸管均不导通，这说明晶闸管具有正、反向阻断能力。,2)晶闸管的阳极和控制极同时加正向电压时晶闸管才能导通，这是晶闸管导通必须同时具备的两个条件。,3)在晶闸管导通之后，其控制极就失去了控制作用。欲使晶闸管恢复阻断状态，必须把阳极电流降低到一定值(小于维持电流)。,晶闸管电路符号,4,2功率晶体管,指的是双极型功率晶体管，它由三层半导体构成的，有型和型两种，图3-4a、b所示为型功率晶体管的基本结构和图形符号。,3绝缘栅双极晶体管,是一种即具有的高电流密度、低饱和电压，又具有的高输入阻抗、高速特性的一种新型复合功率开关器件。,图3-4晶体管的结构和图形符号,5,第二节直流伺服系统,一、直流伺服系统结构和原理,1位置检测与信号综合环节,(1)旋转变压器,旋转变压器是一种输出电压随转角变化的角位移测量装置。,图3-9鉴幅型直流伺服系统的原理框图,多摩川旋转变压器,6,(2)相敏放大器,它的功能是将交流电压转换为与之成正比的直流电压，并使它的极性与输入的交流电压的相位相适应。,图3-13相敏放大器原理图及波形围,a)电路图b)波形图,7,相敏放大器的任务是：,1)将输入交流电压变换成直流电压；,2)当输入交流电压相位变成相差时，输出的直流电压极性亦随之改变。或者说输出直流电压的极性反映了输入交流电压的相位；,3)输出直流电压的数值与输入交流电压的幅值成正比。,(3)位置检测与信号综合环节,2脉宽调制型(PWM)功率放大,PWM功率放大器的基本原理是：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。,(1)PWM变换器,图3-15脉宽调速示意图,8,2)逻辑延时环节,3)基极驱动器,(3)PWM功率放大器的传递函数,3直流伺服电动机和减速器的传递函数,减速器的传递函数可以表示为：,(2)PWM的控制电路,1)脉冲调制器,脉冲调制器是一个电压脉宽变换器装置，输入的是电压量，输出则是宽度受控制的脉冲量。,9,二、直流伺服系统的稳态误差分析,1检测误差,2原理误差,3扰动误差,三、直流伺服系统的动态校正,图3-25位置伺服系统动态框图,10,1速度调节器的设计,控制对象传递函数为,2位置调节器的设计,图3-29位置环方框图,11,改变异步电动机的供电频率，可以改变其同步转速，实现调速运行，也称为变频调速。,第三节交流伺服系统,采用交流伺服电动机作为执行元件的伺服系统，称为交流伺服系统。,按其选用不同的电动机而分为两大类：同步型交流伺服电动机和异步型交流伺服电动机。,一、异步型交流电动机的变频调速的基本原理及特性,异步电动机的转速方程为,1基频以下的恒磁通变频调速,2基频以上的弱磁通变频调速,12,二、异步电动机变频调速系统,1SPWM变频器,图332SPWM变频器控制电路框图,2SPWM逆变器的同步调制与异步调制,SPWM逆变器的性能与载频比N有密切关系，载频比N定义为,13,3SPWM变频调速系统,(1)绝对值运算器,(2)函数发生器,(3)逻辑控制器,图3-35恒压频比控制SPWM变频调速系统的原理框图,14,第四节步进电动机控制系统,一、步进电动机,1步进电动机的结构与工作原理,图3-37步进电动机简化图,罐码垛步进电动机,2步进电动机的使用特性,(1)步距误差,(2)最高启动频率和最高工作效率,(3)输出的转矩频率特性,15,二、环形分配器,步进电动机的各绕组必须按一定的顺序通电才能正确工作，这种使电动机绕组的通电顺序按输入脉冲的控制而循环变化的装置称为脉冲分配器，又称为环形分配器。,实现环形分配的方法有三种。,一种是采用计算机软件分配，采用查表或计算的方法来产生相应的通电顺序。,另一种是采用小规模集成电路搭接一个硬件分配器。,第三种即采用专用的环形分配器。,图3-39双三拍环形分配器的原理图,16,三、功率驱动器,功率驱动器实际上是一个功率开关电路，其功能是将环形分配器的输出信号进行功率放大，得到步进电动机控制绕组所需要的脉冲电流及所需要的脉冲波形。,步进电动机驱动电路的种类很多，按其主电路结构分：,1单电压驱动电路,2高、低压双电压驱动电路,3伺服控制,(1)执行部件的位移量控制,(2)执行部件移动速度的控制,(3)执行部件移动方向的控制,四、提高系统精度的措施,为了提高系统的精度，须适当提高系统各组成环节的精度，其中包括机械传动与支承装置的精度。,17,第五节电液伺服系统,电液伺服系统是由电信号处理部分和液压的功率输出部分组成的控制系统，系统的输入是电信号。,一、电液位置伺服控制系统,电液位置伺服控制系统常用于机床工作台的位置控制、机械手的定位控制、稳定平台水平位置控制等。,1阀控液压缸电液位置控制系统的工作原理,图343双电位器位置控制电液伺服系统,1指令电位器,2反馈电位器,3放大器,4电液伺服阀,5液压缸,18,2阀控液压马达电液位置控制系统的工作原理,图345阀控液压马达电液位置控制系统原理图,3电液位置伺服系统应用实例,图3-47跑偏控制系统电路简图,