第九讲(2) 机器人关节伺服驱动技术

1、山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 第五章 机器人关节伺服驱动技术 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 一、直流电机原理 5.1 直流电机伺服系统 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 直流电机的励磁方式 励磁：由电流激励出磁场的过程叫做励磁。 他励他励 并励并励串励串励 电枢：产生电磁力的部件，如直流电机的 转子。 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 直流电机的基本方程式 1.电气系统的电动平衡方程（并励）电气系统的电动平衡方程（并励） a aaffa aa f ffff af di uG iR iL dt di

2、uR iL dt uuu a U I a I f I M 感应电动势感应电动势 电枢电压电枢电压 励磁电流励磁电流 电枢电流电枢电流 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 二. 机械系统的转矩平衡方程 20e d TTTJ dt e T 电磁转矩电磁转矩 2 T 0 T 负载转矩负载转矩 空载损耗转矩空载损耗转矩 如果电动机以恒如果电动机以恒 角速度转动，则角速度转动，则 ： 0 d J dt J - 转子惯量转子惯量 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 伺服电机在磁化曲线的线性范围内使用， 因而气隙磁通 正比于励磁电流，即： 电磁转矩TM f f K i

3、 式中： f K常数， 由电动机产生的转矩 正比于电枢电流 和气隙磁通的乘积，即 M T 1Mff a TK K i i式中： 1 K常数 f i为磁场励磁电流 a i是电枢电流 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 实例：直流伺服系统 MT a TK i T K 在电枢控制的直流电动机中，励磁电 流为常数，故上式可写成： 式中： 电动机的转矩常数 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 实例：直流伺服系统 3.转矩平衡方程 2 00 2 MN dd JBTT dtdt 4.电动机的反电动势正比于速度 0 bb d eK dt b K 反电动势常数 由控制输入

4、电压 开始，系统的因果 方程为: ( ) i e t 1.电枢电压方程： a aa aib di LR iee dt 2.电动机转矩 MT a TK i 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 实例：直流伺服系统 系统因果方程拉氏变换为: 2 0 0 ()( )( )( ) ( )( ) ()( )( ) ( )( ) aaaib MTa N bb L sR IsE sE s TsK Is JsBssTs E sK ss 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 实例：直流伺服系统 0 ( ) ( ) ( )()() T iaaTb sK G s E ss L s

5、RJsBK K ( ) i E s ( ) b E s ( ) b Ks 1 aa L sR ( ) a Is T K ( ) M Ts ( ) N Ts 1 ()s JsB 0( ) s 直流伺服电机的系统方框图直流伺服电机的系统方框图 当负载转矩 ( )0 N Ts其传递函数是: 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 主要内容 7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制 mTa TKI aE EKn （ 一定）一定） aaaa RIEU 电枢电压平衡方程式： 感应电势与转速关系 电磁转矩： 三、三、直流伺服电机的调速原理与方法 M IaIf UfUa

6、 RaLa EaUa M IaIf UfUa RaLa EaUa 原原 理理 图图 等等 效效 图图 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 直流电机的基本调速方式有三种: 1、调节电阻Ra、 2、调节电枢电压Ua 3、调节磁通的值。 三、三、直流伺服电机的调速原理与方法 2 0 2 aa m EET a m ET UR nT KK K R nT K K 由上述关系式可得： 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 电机转速与理想转速的差n，反 映了电机机械特性硬度，n越小（转 矩对转速变化的影响程度越小），机械 特性越硬。 T T n n0 n 转速与转矩的关系

7、n=f(T)称机械特性 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 电枢电阻调速很少采用，缺点： 不经济：要得到低速，R很大，则消耗大量电能； 低速，特性很软，运转稳定性很差；调节平滑性差， 操作费力。 电枢电阻调速 主要内容 T n n0 R0 R2 R1 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 主要内容 调节电枢电压时，直流电机机械特性为一组平行 线，只改变电机的理想转速n0 ，保持了原有较硬的 机械特性，所以调压调速主要用于伺服进给驱动系统 电机的调速 UaNUa1 Ua2 OTN n n0N n01 n02 nN n1 n2 Ua2 Ua1 UaN N TN

8、 nN T 1 2 T O n02 n01 n0N n2 n1 nN n N12 如果n值较大，不可 能实现宽范围的调速。 调压调速 永磁式直流伺服电机 的n值较小，因此， 进给系统常采用永磁式 直流电机。 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 主要内容 调节磁通不但改变了电机的理想转速，而且 使直流电机机械特性变软。 UaNUa1 Ua2 OTN n n0N n01 n02 nN n1 n2 Ua2 Ua1 UaN N TN nN T 1 2 T O n02 n01 n0N n2 n1 nN n N12 调磁调速 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 主要

9、内容 调速的概念有两个方面的含义: 1)改变电机转速：当给定速度变化时, 电机的速度随之变化,并希望以最快的加 减速达到新的给定速度值； 2)当给定速度不变化时,电机的速度 保持稳定不变。 四、直流伺服电机速度控制四、直流伺服电机速度控制 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 主要内容 直流伺服电机速度控制单元的作用： 将转速指令信号转换成电枢的电压值，达到 速度调节的目的。 直流电机速度控制单元常采用的调速方法： 1.晶闸管（可控硅）调速系统 2、晶体管线性放大器调速系统 3、晶体管开关放大器-脉宽调制（PWM Pulse Width Modulated）调速系统。 山东大

10、学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 主要内容 晶闸管不具有自动关断能力，控制复杂， 多用于大功率及要求不很高的直流伺服电机 调速控制。 晶闸管（可控硅）调速系统晶闸管（可控硅）调速系统 U*n 主要内容 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 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 电机电机 + - Un In I*n + - US 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 控制控制 回路回路 主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。主回路：可控硅整流放大器：整流、放大

11、、驱动，使电机转动。 速度环：速度调节，作用：好的静态、动态特性。速度环：速度调节，作用：好的静态、动态特性。 电流环：电流调节，作用：系统快速性、稳定性改善。电流环：电流调节，作用：系统快速性、稳定性改善。 触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移 或后移。或后移。 晶闸管（可控硅）调速系统包括： 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 晶体管线性放大器调速系统 特点： 功率晶体管工作在线性区，晶体管功耗 大，特别在低速大转矩情况下，电动机的 反电动势小而电流大，大量的有功功率消 耗在输出晶体管上。 在宽频带、低功率（小

12、于几百瓦）系统 中多选用线性放大器。 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 主要内容 利用大功率晶体管的开关作用，将直流电压转 换成一定频率的方波电压，加到直流电动机的电枢 上；通过调整控制方波脉冲宽度来改变电枢的平均 电压，从而调节电机的转速。 控制电路简单，不需附加关断电路，开关特性好。 广泛应用中、小功率直流伺服系统。 周期不变周期不变 脉宽脉宽 脉宽脉宽 脉宽脉宽 脉宽脉宽 平均直流电压平均直流电压 U t 周期不变周期不变 PWM调速控制系统 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 主要内容 M U t t t TonT Ea Ia U Ea UaV

13、D Ia - + 直流电机电压的平均值: a on T aa E T T E T U 0 1 T脉冲周期， Ton导通时间 PWM调速控制系统 晶体管基极控制电压 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 脉宽调制（脉宽调制（PWMPWM）系统组成：）系统组成： 主要内容主要内容 速度速度 调节器调节器 电流反馈电流反馈 脉宽脉宽 调制调制 基极基极 驱动驱动 功功 放放 振荡器振荡器 电流电流 调节器调节器 M M 速速 度度 指指 令令 三相交流电三相交流电 整流整流 速度反馈速度反馈 U Usrsr U USC SC U U U Ub b 山东大学机械工程学院机电工程研究所

14、2010/09/02 实现电路 主回路 控制回路 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 控制回路： 速度调节器；电流调节器；固定频率 振荡器及三角波发生器；脉宽调制器和基 极驱动电路。 脉宽调制器脉宽调制器 作用：将电压量转换成可由控制信号调节的 矩形脉冲，为功率晶体管的基极提供一个 宽度可由速度指令信号调节的脉宽电压。 组成：调制信号发生器（三角波和锯齿波两 种）和比较放大器。 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 R1 +12V USC R1 R3R2 + -12V U S r U - PWM PWM 发生器原理发生器原理 过零比较器 加法 U USr

15、Sr 速度指令转化过速度指令转化过 来的直流电压来的直流电压 U U - - 三角波三角波 U USC SC- - 脉宽调制器的输出脉宽调制器的输出 调制波形图：调制波形图： 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 主回路主回路 双极式H型PWM变换器原理图： 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 双极式双极式PWM变换器电压电流波形图变换器电压电流波形图 返回 基极控制： b1，b4 B3，b4 电机电压： Uab 电机电流： 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 单极式PWM变换器电压电流波形图 返回 山东大学机械工程学院机电工程研究所2

16、010/09/02 SG1731组成的组成的PWM直流调速系统直流调速系统 返回 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 5.2 交流伺服系统其应用简介 分类：1、（永磁）同步交流伺服系统 a、矩形波电流驱动 b、正弦波电流驱动 2、异步型交流伺服系统 根据： p s fn 1 60 0 其中：f0为定子电压频率，s为转差率，p为极对 数。 异步电机的调速方法有：变极调速、变转差率调 速和变频调速。变极调速由分为：调压调速，转 子串电阻调速、串级调速、电磁离合器调速。 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 5.2.15.2.1同步电机调速系统同步电机调速系统

17、给同步电动机三相对称绕组通入三相对称电 流会在气隙中产生一旋转磁场，旋转磁场的同步 转速为 n0。 同步电机有转子磁场（保证恒定），转子可 以看成一块磁铁。两磁场的相同作用，驱动同步 电机旋转。 同步电机转速公式n=60f/np 调速方法：变极调速和变频调速。主要方式是 变频调速。 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 两种变频调速方式 同步电机变频调速按控制方式可分为自 控式和他控式两种。 他控式； 装置与电机是独立的。变频装置的输 出频率由转速给定决定，由于同步关系， 这时系统一般为开环，所依据的原理是 VVVF，即变压变频调速 (Variable Voltage Variable Frequency)。 特点： 控制简单，但存在转子振荡和失步问题。 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 两种变频调速方式 自控式： 变频装置与电机非独立，变频装置的 输出频率是依据电动机轴上所带的转子位 置决定。组成电源频率自动跟踪转子位置 的闭环系统。 由于同步电机供电频率受转子位置的 控制即定子磁场转速与转子转速相等，始 终保持同步，因此不会出现转子振荡和失 步的隐患。 山