运动控制技术(四)-执行元件及驱动技术-直流伺服

1、n步进电机 n直流伺服电机 n交流伺服电机 机电伺服系统中的执行元件 伺服电机 n伺服电动机必须具备可控性好、稳定性高和 适应性强等基本性能。 n 提高直流伺服电动机的力矩/惯量比可以使 伺服系统在调速范围内都能平滑运转，无爬 行现象；具有较长时间的过载能力；有较小 的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能 小的时间常数和启动电压；具有承受频繁启 动、制动和正、反转的能力。 选择伺服电机和步进电机？ 步进电机伺服电机 力矩范围中小力矩（一般在20Nm以下）小、中、大，全范围 速度范围低（一般在2000RPM以下，大力矩电机小于 1000RPM 高（可达5000RPM）,直流伺服电机更可达 12万

2、转/分 控制方式主要是位置控制多样化智能化的控制方式，位置/转速/转矩 方式 平滑性(低频特性）低速时有振动（但用细分型驱动器则可明显 改善） 好，运行平滑 控制精度一般较低，细分型驱动时较高高（具体要看反馈装置的分辨率） 矩频特性高速时，力矩下降快力矩特性好，特性较硬 过载特性过载时会失步可310倍过载（短时） 反馈方式大多数为开环控制，也可接编码器，防止失 步 闭环方式，编码器反馈 编码器类型- - -光电型旋转编码器（增量型/绝对值型），旋 转变压器型 响应速度一般（需要200400毫秒）快 价格低较高 4.3 4.3.1 4.3.1 直流伺服电机工作原理与机械特性直流伺服电机工作原理与

3、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 4.3.1 直流电机工作原理与机械特性直流电机工作原理与机械特性 4.3 at ICT a a

4、R EU I a nCE e 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 4.3.1 直流电机工作原理与机械特性直流电机工作原理与机械特性 4.3 T CC R C U RIU C n te a e a aa e 2 a 1 at ICT a a R EU I a nCE e 直流电动机的机械特性方程式为: 控制方式：控制方式： 1.1.电枢控制（主要）；电枢控制（主要）； 2.2.磁极控制（少用）。磁极控制（少用）。 T CC R C U RIU C n te a e aa e 2 a a 1 4.3.1 4.3.1 直流电机工作原理与

5、机械特性直流电机工作原理与机械特性 4.3 n0 T n n n 称为转速降落 Ua一定时，当 时n 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 T CC R C U RIU C n te a e aa e 2 a a 1 4.3.1 4.3.1 直流电机工作原理与机械特性直流电机工作原理与机械特性 4.3 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; Id4 电机机械特性n Id n1 Id1 控 制 方 法 Id2Id3 4.3.1 4.3.1 直流电机工作原理与机械特性直流电机工作原理与机械特性 4.3 4.3.1 4.3.1

6、 直流电机工作原理与机械特性直流电机工作原理与机械特性 4.3 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。 4.3.2 4.3.2 直流电机控制系统的数学模型直流电机控制系统的数学模型 nCe e dt di LiRu e a aaaa 电枢电压平衡方程为： sT K RsL R seu si a a aa a a a 1/1 /1 )( )( 4.3 电枢电流与电枢电压之间传递函数为: 4.3.2 4.3.2 直流电机控制系统的数学模型直流电机控制系统的数学模型 转矩平衡方程为： at

7、L iCT TT dt d J n 4.3 dt dn J dt dn Jn dt d J dt d JTT L 000 3060 2 0 30 JJ J 转速惯量(Nmsmin / r) 0 J 它与常用的转动惯量 (N ms2/ rad) 的关系可从下式推得： 即 JsTT n L 1 4.3.2 4.3.2 直流电机控制系统的数学模型直流电机控制系统的数学模型 4.3 JsTT n L 1 sT K RsL R eu i a a aa a a a 1/1 /1 直流电机的精确模型 aa a RsL R /1 / 1 Js 1 e C t C a u e a i T L T n 4.3 2

8、 / etam CCJRT 引入一个机电时间常数引入一个机电时间常数: 电枢回路电磁时间常数电枢回路电磁时间常数: a a a R L T aa a RsL R /1 /1 Js 1 e C t C a u e a i T L T n sTR aa 1 11 sTCC R mte a 1 2 e C t C a u e a i T L T n 4.3.2 4.3.2 直流电机控制系统的数学模型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转速与电枢电压间传递关系: 4.3.2 4.3.2 直流电机控制系统的数学模型直流电机控制系统的数学模型 4.3 2 / etam CCJRT 1 /1

9、 )( )( 2 sTsTT C SU s mam e a 若电磁时间常数很小若电磁时间常数很小,既忽略电感既忽略电感: 1 /1 )( )( sT C SU s m e a 可见可见:直流伺服电机过渡过程的快慢直流伺服电机过渡过程的快慢,取决于机电时间常数取决于机电时间常数. 为了加快系统响应速度为了加快系统响应速度,可以可以: 1.减小机械系统等效转动惯量减小机械系统等效转动惯量; 2.给电机供电的电源内阻小给电机供电的电源内阻小,Ra小小; 3.加大等效反电动势系数加大等效反电动势系数 4.3.3 直流伺服电机的技术指标及选型直流伺服电机的技术指标及选型 额定功率 PN , 额定电压UN

10、 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) 转动惯量 N N N N N N N n P n PP T55. 9 2 60 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，整流子和电刷工作于无火花的换向区， 可承受低速大转矩的工作状态。间断周期要根据载荷周期曲线求得。 右图为力矩过载倍数与导通时间的关系曲线。 加减速区：电枢电流受去磁

11、极限和瞬时换向极限的限制。电机只允许瞬时过渡。 最高转速 最大转矩 n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 例例1： n满足有效力矩小于电机连续额定转矩满足有效力矩小于电机连续额定转矩 v v、T t O 起动起动 t1 运动运动 t2 制动制动 t3 停止停止 t4 常见的速度轮廓曲线常见的速度轮廓曲线 v、T t O 起动起动 t1 制动制动 t2 停止停止 t3 梯形速度轮廓曲线梯形速度轮廓曲线 三角形速度轮廓曲线三角形速度轮廓曲线 例例2：龙门刨床工作台控制龙门刨床工

12、作台控制 系统负载分析与综合系统负载分析与综合 设设R为与工作台齿条相为与工作台齿条相 啮合的齿轮节圆半径啮合的齿轮节圆半径, i为为 电机与该齿轮之间传动链电机与该齿轮之间传动链 的总速比，的总速比，为总效率。为总效率。 v t t t t t c M j M g M M 1 M 2 M 3 M 4 M 5 M 6 M 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 往 复 运 动 摩 擦 力 矩 惯 性 力 矩 切 削 力 矩 合 成 力 矩 设计实例设计实例 伺服电机校核伺服电机校核 .功率估算，初步选定电机功率估算，初步选定电机； 一般电机功率大于负载功率的倍 1) 若电机在峰值负载转

13、矩下以峰值转速驱动负 载，则功率按峰值估算； ) 若电机连续工作在变负载之下，按负载均 方根估算。 惯量匹配 1) 小惯量电机，推荐JL3Jm，保证灵敏性，快 速性； ) 大惯量电机，Jm0.1-0.6kgm2,惯量大转矩 大，热时间常数大，过载能力强。推荐 0.25JL/Jm1，保证灵敏性，快速性； 伺服电机的选型伺服电机的选型 .发热校核：负载波动频繁时，要计算一个 工作周期的负载力矩的均方根值Trms，使其 小于电动机的额定力矩。 .转矩过载校核：折算到电机轴的最大负载 转矩小于电机轴输出最大转矩。电机的最大 转矩一般为额定转矩乘过载系数. 伺服电机的选型伺服电机的选型 例例. 已知工作

14、台重量（含工件）m=100kg，工作台移动速度VL=15m/min， 摩擦系数=0.2，减速器效率=80%，进给丝杠长度L=10000mm，直径 D=20mm，导程p=10mm。要求：每次移动量l=100mm，定位次数60次/min， 定位时间0.5s以下。试选择直流伺服电动机。 解： 1）增量运动图 min)/(mvL L v mml100 a t d t c t 5 . 0 0 . 1 )(st 15 假定速度运行图如图， 则需启动的时间： s v l tt l da 1 . 0 60/ 1000/ 5 . 0 2）进给丝杠转速 min/1500 1000/ r P v n l L 若已计

15、算出负载折算到电机轴总的转动惯量: 23 1024. 7JmN LM ) 若传动比i=2，则电机额定转速： min3000 10 3 ri P v n L M 4）所需负载稳态功率 60/ L R mgv P 5）所需负载加速功率 a M LM t n P 2 a )60/2( 功率估算：功率估算：1)根据力矩均方根及转速估算功率； 2)分别计算稳态功率及加速功率，求和。 7）所需加速启动运行转矩 M L a M LMMMS T t n GDGDT 60/2 )( 22 1 6）所需稳态运行转矩 M L M L n mgv T 2 根据功率要求选择电机，一般，所选电动机额定功率为负载稳定运行

16、功率和加速功率之和的-倍。初步选择电机后，验算其转动力矩。 8）所需减速运行转矩 M L d M LMMMS T t n GDGDT 60/2 )( 22 2 mml100 5 . 0 )(st MR T 9）转矩有效值校核 T tTtTtT T dMSc M LaMS MR 2 2 2 2 1 4.3.3 4.3.3 直流伺服电机的驱动直流伺服电机的驱动 4.3.4 u 晶闸管（可控硅）晶闸管（可控硅）调速系统调速系统 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。 u晶体管脉宽调制（晶体管脉宽调制（PWM）调速系统调速系统 通过脉宽调制器将直流电压转换成方波电压， 通过对

17、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. 1. 晶闸管调速系统晶闸管调速系统 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。 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。 速度速度 调节器调节器 电流电流 调节器调节器 触发脉冲触发脉冲 发生器发生器 可控硅可控硅 整流器整流器 电流反馈电流反馈 速度反馈速度反馈 电流检测电流检测 编码器编码器电机电

18、机 UR + - Uf If IR + - E1ES 1).直流斩波器的基本结构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：电动机得到的平均电压为： 2. 2. 晶体管脉宽调制（晶体管脉宽调制（PWMPWM）调速系统）调速系统 2). 斩波器的三种控制方式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直流斩波器的基本结构与工作原理 PWM: Pulse width modulation 几种典型几种典型PWM变换器的基本结构及工作原理变换器的基本结构及工作原理 n1). 无制动作用的不可逆无制动作用的不可逆PWM

19、变换器变换器 工作状态与波形工作状态与波形 （2）有制动的不可逆）有制动的不可逆PWM变换器变换器 1 2 一般电动状态一般电动状态 回路回路 回路回路 （2 2）有制动的不可逆）有制动的不可逆PWMPWM变换器变换器 轻载电动状态：轻载电动状态：电动与制动交替出现电动与制动交替出现 回路回路再生制动再生制动 回路回路能耗制动能耗制动 （2）有制动的不可逆）有制动的不可逆PWM变换器变换器 制动状态制动状态: 当控制电压突然减小，或者电动机在位能负载转矩带动 下工作，会出现d，即电动机处于发电运行状态。 3回路：回路：电流方向与同向，产生制动转矩能耗制动；电流方向与同向，产生制动转矩能耗制动；

20、 回路：回路：因为电枢电感的作用，维持，能量回馈给电源再生制动因为电枢电感的作用，维持，能量回馈给电源再生制动 （2 2）有制动的不可逆）有制动的不可逆PWMPWM变换器变换器 3） 双极式可逆双极式可逆PWM变换器变换器 3） 双极式可逆双极式可逆PWM变换器变换器 工作状态与波形工作状态与波形 电压平衡方程： 在一个开关周期内电压在在一个开关周期内电压在 +us,-us+us,-us之间变换一次，所之间变换一次，所 以称作双极性可逆以称作双极性可逆 变换器。变换器。 负载较轻时： 四个回路交替运行 O O O O t1t3Tt2t3t1 Ub1、Ub 4 Ub2、Ub 3 Ud UAB i

21、d t t t t id1id1 id4 id2 id3id4 id2 3） 双极式可逆双极式可逆PWM变换器变换器 相关方程：相关方程： Id -Id n 正向电正向电 动动 正向制正向制 动动 反向电反向电 动动 反向制反向制 动动 -n 3） 双极式可逆双极式可逆PWM变换器变换器 性能评价性能评价 电路与双极式相同，只是基极控制脉冲不同；电路与双极式相同，只是基极控制脉冲不同； 在一个周期内，在一个周期内，ub1ub2，VT1和和VT2依然交替导通，右边的依然交替导通，右边的 VT3,VT4则不同，当电动机正转时，则不同，当电动机正转时，ub3恒为负，恒为负，ub4恒为正，反恒为正，反

22、 转则相反；转则相反； 在一个开关周期内，电压在在一个开关周期内，电压在+us/-us，0之间变换一次，所以称作之间变换一次，所以称作 单极性可逆变换器；单极性可逆变换器； 对静态动态要求低的系统，可采用单极性可逆变换器。对静态动态要求低的系统，可采用单极性可逆变换器。 ）单）单 极式可逆极式可逆PWM变换器变换器 PWM变换器的数学模型变换器的数学模型 根据根据PWMPWM功率变换器的工作原理，当控制电压改变后，功率变换器的工作原理，当控制电压改变后， 输出电压要到下一个周期才会改变，因此，脉宽调制器和输出电压要到下一个周期才会改变，因此，脉宽调制器和 PWMPWM功率变换器合起来可以看作一

23、个延时环节，最大延迟为功率变换器合起来可以看作一个延时环节，最大延迟为 一个开关周期一个开关周期T T，由于调制频率很高，远远高于系统开环频，由于调制频率很高，远远高于系统开环频 率特性的截止频率，按照工程上小参数环节的简化处理办率特性的截止频率，按照工程上小参数环节的简化处理办 法，可以将其近似成一个小惯性环节，甚至直接看作一个法，可以将其近似成一个小惯性环节，甚至直接看作一个 比例环节。这样，该环节的传递函数可写作比例环节。这样，该环节的传递函数可写作： )( 1 )( PWM PWM s s KsW Ts K sW 或直接写成 （2 2） 晶体管脉宽调制（晶体管脉宽调制（PWMPWM）调

24、速系统结构）调速系统结构1 1 速度调节器速度调节器 电流调节器电流调节器脉宽调制脉宽调制 振荡器振荡器 基极驱动基极驱动 MG 电流反馈电流反馈 U usr us f 整流整流 功放功放 U U S C o 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 R1 +12V USC R1 R3R2 + -12V U S r U - USr为0时 调制出正负脉宽一样方波 平均电压为0 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 脉宽调制器脉宽调制器 t t o -U

25、S r USr为负时 U S r +U U S r +U +U S r o t t US r为正时 （2） 晶体管脉宽调制（晶体管脉宽调制（PWM）调速系统结构）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（位置直流伺服电机闭环控制系统（位置/速度伺服）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。 参考相应论文参考相应论文 准备：准备： 第第4章例子章例子 例例5.1， 速度闭环速度闭环+位置闭环位置闭环 P134-142 例例5.4，5.5 5.6 习题：习题：5-6，5-7 6

26、6 TL + - M ud0 + - e R L n,Te id M 直流电动机等效电路 d d0d d d i uRiLe t 假定主电路电流假定主电路电流 连续，则动态电压连续，则动态电压 方程为方程为 电路方程电路方程 2.2.3 直流电机拖动系统直流电机拖动系统 67 如果忽略粘性磨擦及弹性转矩，电机轴上的动力学方如果忽略粘性磨擦及弹性转矩，电机轴上的动力学方 程为程为 t nGD TT d d 375 2 Le 额定励磁下电动机输出的电磁转矩和感应电动势分别额定励磁下电动机输出的电磁转矩和感应电动势分别 为为 em d TC i e eC n 式中式中 包括电机空载转矩在内的负载转矩

27、，包括电机空载转矩在内的负载转矩，N.m； 折算到电机轴上的飞轮惯量，折算到电机轴上的飞轮惯量，N.m2； 电机额定励磁下的转矩系数，电机额定励磁下的转矩系数， N.m/A； em 30 CC TL GD2 68 代入，整理得代入，整理得d d0d d () d l i ueR iT t m ddL d d Te ii Rt L d L m T i C 式中式中 为负载电流。为负载电流。 n 微分方程微分方程 R L Tl me 2 m 375CC RGD T 定义定义 电枢回路电磁时间常数，电枢回路电磁时间常数，s； 系统机电时间常数，系统机电时间常数，s。 69 在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得 电压与电流电压与电流间的传递函数间的传递函数 1 1 )()( )( 0d d sT R sEsU sI l 电流与电动势间的传递函数电