《伺服控制系统》ppt课件

1、第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 6.1 概述概述 6.2 执行元件执行元件6.3 电力电子变流技术电力电子变流技术6.4 PWM型变频电路型变频电路思索题思索题 第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统6.1 概述概述 伺服控制系统是一种可以跟踪输入的伺服控制系统是一种可以跟踪输入的指令信号进展动作，从而获得准确的位指令信号进展动作，从而获得准确的位置、速度及动力输出的自动控制系统。置、速度及动力输出的自动控制系统。如防空雷达控制就是一个典型的伺服控如防空雷达控制就是一个典型的伺服控制过程，它是以空中的目的为输入指令制过程，它是以空中的目的为输入指令要求，

2、雷达天线要不断跟踪目的，为地要求，雷达天线要不断跟踪目的，为地面炮台提供目的方位；加工中心的机械面炮台提供目的方位；加工中心的机械制造过程也是伺服控制过程，位移传感制造过程也是伺服控制过程，位移传感器不断地将刀具进给的位移传送给计算器不断地将刀具进给的位移传送给计算机，经过与加工位置目的比较，计算机机，经过与加工位置目的比较，计算机输出继续加工或停顿加工的控制信号。输出继续加工或停顿加工的控制信号。绝大部分机电一体化系统都具有伺服功绝大部分机电一体化系统都具有伺服功能，机电一体化系统中的伺服控制是为能，机电一体化系统中的伺服控制是为执行机构按设计要务虚现运动而提供控执行机构按设计要务虚现运动而

3、提供控制和动力的重要环节。制和动力的重要环节。第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统1.伺服控制系统的构造组成机电一体化的伺服控制系统的构造、类型繁多，但从自动控制实际的角度来分析，伺服控制系统普通包括：比较环节、控制器、执行环节、被控对象、检测环节等五部分图1 伺服系统组成原理框图比较元件调节元件执行元件被控对象测量、反馈元件输入指令输出量第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 1、比较环节 是将输入的指令信号与系统的反响信号进展比较，以获得输出与输入间的偏向信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。 2、控制器 通常是计算机或PID控制电路，主要义务是对比较元件输出的偏向信号进展变换处置，以

4、控制执行元件按要求动作。 3、执行元件 作用是按控制信号的要求，将输入的各种方式的能量转化成机械能，驱动被控对象任务。机电一体化系统中的执行元件普通指各种电机或液压、气动伺服机构等。比较元件调节元件执行元件被控对象测量、反馈元件输入指令输出量第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 4、被控对象 是指被控制的机构或安装，是直接完成系统目的的主体。普通包括传动系统、执行安装和负载。 5、检测环节 是指可以对输出进展丈量，并转换成比较环节所需求的量纲的安装。普通包括传感器和转换电路。 在实践的伺服控制系统中，上述的每个环节在硬件特征上并不独立，能够几个环节在一个硬件中，如测速直流电机既是执行元件又是检

5、测元件。比较元件调节元件执行元件被控对象测量、反馈元件输入指令输出量第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 2. 2. 伺服控制系统的分类伺服控制系统的分类伺服系统的分类方法很多，常见的分类方法有以下三种。伺服系统的分类方法很多，常见的分类方法有以下三种。 (1) (1)按被控量参数特性分类：按被控量参数特性分类： 位移、位移、 速度、加速度、力速度、加速度、力 、力矩等伺服系统；、力矩等伺服系统； (2) (2)按驱动元件的类型分类。按驱动元件的类型分类。 电气、液压、气动等伺服系统。电气、液压、气动等伺服系统。 (3) (3)按控制原理分类。按控制原理分类。 开环开环 、闭环、闭环 、半闭环

6、等伺服系统。、半闭环等伺服系统。 第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 开环伺服系统开环伺服系统 开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件，它没有位开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件，它没有位置反响回路和速度反响回路，因此设备投资低，调试置反响回路和速度反响回路，因此设备投资低，调试维修方便，但精度差，高速扭矩小，被用于中、低档维修方便，但精度差，高速扭矩小，被用于中、低档数控机床及普通机床改造。数控机床及普通机床改造。 任务台驱动控驱动控制线路制线路步进电机步进电机齿轮箱指令脉冲开环伺服系统简图第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统位置控制模块速度控制单元 伺服控 制电机 任务台 位置检测丈量反

7、响 速度环速度检测位置环闭环进给伺服系统闭环进给伺服系统 闭环伺服控制系统能及时对输出进展检测，并根据输出与输入的偏向，实时调整执行过程，因此系统精度高，但本钱也大幅提高。 第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统位置比较速度控制 任务台伺服电机指令 + 速度反响速度反响位置反响半闭环伺服系统半闭环伺服系统 半闭环控制伺服系统的检测反响环节位于执行机构的中间输出上，因此一定程度上提高了系统的性能。 第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统3. 3. 伺服系统的技术要求伺服系统的技术要求1 1稳定性稳定性 稳定稳定输出呼应的振幅随时间的添加而衰减输出呼应的振幅随时间的添加而衰减; ; 不稳定不稳定其输出

8、呼应振幅随时间的添加而添加其输出呼应振幅随时间的添加而添加, , 或表或表现为等幅振。现为等幅振。 取决于系统的构造及参数取决于系统的构造及参数( (如惯性、刚度、阻尼、如惯性、刚度、阻尼、增益等增益等),),与外界作用信号的性质或方式无关。与外界作用信号的性质或方式无关。2 2系统精度系统精度 伺服系统的精度是指输出量跟输入量的近似程度。伺服系统的精度是指输出量跟输入量的近似程度。3 3呼应特性呼应特性 呼应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反响呼应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反响速度，决议了系统的任务效率。速度，决议了系统的任务效率。4 4任务频率任务频率任务频率通常是指系统允许输入

9、信号的任务频率通常是指系统允许输入信号的频率频范围。在机电一体化系统中，任务频率普通指的是执频率频范围。在机电一体化系统中，任务频率普通指的是执行机构的运转速度。行机构的运转速度。 相互关联的，是系统动态特性相互关联的，是系统动态特性的表现特征。系统设计时，在满足系统任务要求的前提下，的表现特征。系统设计时，在满足系统任务要求的前提下，首先要保证系统的稳定性和精度，并尽量提高系统的呼应速首先要保证系统的稳定性和精度，并尽量提高系统的呼应速度。度。 第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统6.2 6.2 执行元件执行元件一、执行元件的分类及其特点执行元件能量变换元件，其目的是控制执行机构运动。 1.

10、分类根据运用能量的不同 1电气式电能转化成电磁力，并用电磁力驱动执行机构运动：步进电机 、直流伺服电机、交流伺服电机2液压式电能变化成液体压力 ：液压缸、液压马达等，3气压式电能变化成气体压力 ：气缸、气马达等，较难伺服控制。 2. 要求机电一体化伺服系统 惯性小，动力大；体积小，质量轻； 好控制，本钱低；可靠性好和安装维护简便等。第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统执行元件的分类交流(AC)伺服电动机直流(DC)伺服电动机步进电机其它电机双金属片形状记忆合金压电元件其它电磁铁及其它与材料有关气压马达气 缸液压马达油 缸电动机电磁式液压式气压式执行元件根据运用能量的不同根据运用能量的不同电气式

11、第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 二、直流伺服电动机二、直流伺服电动机 直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动转矩和直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动转矩和相对功率，易于控制及呼应快等优点。虽然其构造复杂，本相对功率，易于控制及呼应快等优点。虽然其构造复杂，本钱较高，在机电一体化控制系统中还是具有较广泛的运用。钱较高，在机电一体化控制系统中还是具有较广泛的运用。1.直流伺服电动机的分类直流伺服电动机的分类按励磁方式可分为：按励磁方式可分为： 电磁式他励式：磁场由励磁绕组产生。电磁式他励式：磁场由励磁绕组产生。 永磁式：磁场由永磁体产生永磁式：磁场由永磁体产生 2.直流伺服电动机

12、的根本构造及任务原理直流伺服电动机的根本构造及任务原理直流伺服电动机主要由磁极、电枢、电刷及换向片组成。直流伺服电动机主要由磁极、电枢、电刷及换向片组成。第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 直流伺服电动机根本构造直流伺服电动机根本构造磁极电枢导体磁极NSnA电刷换向片B定子转子电枢电源 硅钢片叠成 经过控制电枢绕组中电流的方向和大小，就可以控制直流伺服电动机的旋转方向和速度。当电枢绕组中电流为零时，伺服电动机那么静止不动。直流伺服电动机是在定子磁场的作用下，使通有直流电的电枢转子遭到电磁转矩的驱使，带动负载旋转。第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统式中: U外加电枢电压V；Ea电枢反电动势V

13、； Ia 电枢电流A；Ra 电枢回路内阻电枢回路电枢回路励磁回路励磁回路直流他励电动机的原理电路图直流他励电动机的原理电路图 aaRIEUa6-13、直流伺服电动机的特性分析 当电动机处于稳态运转时，电枢回路中的电流Ia坚持不变，那么电枢回路中的电压平衡方程式为：第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 转子在磁场中以转速n切割磁力线时，电枢反电动势Ea与转速n之间存在如下关系：式中，Ke电动势常数，仅与电动机构造有关； 定子磁场中每极气隙磁通量。将6-2代入 6-1 得：此外，电枢电流切割磁场磁力线所产生的电磁转矩T，可由下式表达Km转矩常数：am IKT aae RInKU 即：即： aeae

14、IKRKUn 转速特性转速特性TKKRKUn2meae 机械特性机械特性nKEa e6-26-46-36-5aaRIEUa第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统直流伺服电动机的调速方法直流伺服电动机的调速方法直流伺服电动机的控制方式主要有两种： 电枢电压控制：在定子磁场不变，控制施加在电枢绕组两端的电压来控制电机的转速恒转矩调速方式 。Ia可达额定值，励磁磁场控制：经过改动励磁电流的大小来改动定子磁场强度，从而控制电动机的转速和输出转矩恒功率调速方式 。电机额定值条件任务，饱和，只能弱磁调速， Ia不能超越额定值坚持不变，TKKRKUn2meae am IKTam IKTUINa 恒定恒定TKK

15、RKUn2meae 第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统3.直流他励电动机的机械特性直流他励电动机的机械特性 电动机的机械特性指的是转速与电磁转矩之间的关系。电动机的机械特性指的是转速与电磁转矩之间的关系。 机械特性曲线机械特性曲线kTKUnTKKRKUne2meae第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统1. 理想空载转速：理想空载转速： T=0时的转速称为理想空载转速，用n0表示。 根据机械特性可知：根据机械特性可知： e0KUn 2. 转速降落转速降落 TKKRnn2mea0 3. 机械特性硬度机械特性硬度 为了衡量机械特性的平直程度，引进一个机械特性硬为了衡量机械特性的平直程度，引进一个机

16、械特性硬度的概念，其定义为：度的概念，其定义为： %100dd nTnT 理想空载点理想空载点TKKRKUn2meae 第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 即转矩变化与所引起的转速变化即转矩变化与所引起的转速变化的比值，称为机械特性的硬度。的比值，称为机械特性的硬度。 根据根据 值的不同，可将值的不同，可将电动机机械特性分为三类。电动机机械特性分为三类。1绝对硬特性绝对硬特性 程度程度线线2硬特性硬特性 103软特性软特性 10 %100dd nTnT 第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统二、固有机械特性二、固有机械特性 直流他励电动机的固有机械特性指的是在额定条件直流他励电动机的固有机械特

17、性指的是在额定条件额定电压额定电压UN和额定磁通和额定磁通 N )下和电枢电路内不外接下和电枢电路内不外接任何电阻时的任何电阻时的 n=f(T) 即即: TKKRKUn2NmeaNeN 是一条直线。是一条直线。 直流他励电动机固有机械特性曲线可根据电动机的铭直流他励电动机固有机械特性曲线可根据电动机的铭牌数据求出牌数据求出(0,n0 )和和(TN, nN)即可绘出固有的机械特性。即可绘出固有的机械特性。 通常直流电动机铭牌上给出额定功率通常直流电动机铭牌上给出额定功率PN 、额定电、额定电压压 UN 、额定电流、额定电流IN和额定转速和额定转速 nN。第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统二、人

18、为机械特性二、人为机械特性人为地改动电动机电枢外加电压人为地改动电动机电枢外加电压U和励磁和励磁磁通磁通的大小以及电枢回路串接附加电阻的大小以及电枢回路串接附加电阻Rad所得到的机械特性。所得到的机械特性。 1. 电枢回路串接附加电阻电枢回路串接附加电阻 NN, UU电压平衡方程式为：电压平衡方程式为： )(adaaNRRIEUa 得到的人为机械特性方程式为：得到的人为机械特性方程式为： TKKRRKUn2NmeadaNeN TKKRKUn2meae 第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统TKKRKUn2NmeaNeN 把把TKKRRKUn2NmeadaNeN 与与 特性变软特性变软空载速度空载

19、速度 不变；不变；随着电阻的添加，转速降随着电阻的添加，转速降 落添加；落添加；0nnn0n第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 0,adN R 由于电动机电枢绕组绝缘由于电动机电枢绕组绝缘耐压强度的限制，电枢电压只耐压强度的限制，电枢电压只允许在其额定值以下调理，所允许在其额定值以下调理，所以，不同值的人为特性曲线均以，不同值的人为特性曲线均在固有特性曲线之下。在固有特性曲线之下。TKKRKUn2NmeaNeN 把把TKKRKUn2NmeaNe 与与空载速度空载速度 随着随着U的减小而减小；的减小而减小；转速降落转速降落 不变；不变； 特性硬度不变特性硬度不变am IKT 0nnn0n第第6

20、章章 伺服控制系统伺服控制系统3改动磁通改动磁通变励磁电流，恒功率调速变励磁电流，恒功率调速 0,adN RUU转速降转速降 随磁通的改动而变化。随磁通的改动而变化。理想空载转速理想空载转速 随磁通的改动而变化；随磁通的改动而变化；TKKRKUn2NmeaNeN 把把TKKRKUn2meaeN 与与特性变软特性变软斜率增大斜率增大空载转速增大空载转速增大0nnn0n第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流和它对应的磁通只能在低于其额定值的范围内调理； 当磁经过分减弱后：当磁经过分减弱后：1假设负载转矩不变，将使电动机电流大大添加而严重过载；假设

21、负载转矩不变，将使电动机电流大大添加而严重过载；2当当0时，从实际上说，空载时电动机速度趋近时，从实际上说，空载时电动机速度趋近 ，通，通常称为常称为“飞车；飞车； 当电动机轴上的负载转矩大于电磁转矩时，电动机不能启当电动机轴上的负载转矩大于电磁转矩时，电动机不能启动，电枢电流为动，电枢电流为Ist ，长时间的大电流会烧坏电枢绕组。，长时间的大电流会烧坏电枢绕组。 因此，直流他励电动机启动前必需先加励磁电流，在运转因此，直流他励电动机启动前必需先加励磁电流，在运转过程中，决不允许励磁电路断开或励磁电流为零，为此，直流他过程中，决不允许励磁电路断开或励磁电流为零，为此，直流他励电动机在运用中，普

22、通都设有励电动机在运用中，普通都设有“失磁维护。失磁维护。e0KUn第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统4. 直流他励电动机的调速特性直流他励电动机的调速特性 一速度调理和速度变化一速度调理和速度变化 调速又称速度调理与速度变化是两个完全不同的概念调速又称速度调理与速度变化是两个完全不同的概念 电动机的调速是在一定的负载条件下，人为地改动电动机电动机的调速是在一定的负载条件下，人为地改动电动机的电路参数，以改动电动机的稳定转速，如下图。的电路参数，以改动电动机的稳定转速，如下图。 这里转速的变化是人为改这里转速的变化是人为改动或调理电枢回路的动或调理电枢回路的电阻大小所呵斥的，故称电阻大小所呵

23、斥的，故称调速或速度调理。调速或速度调理。TKKRRKUn2NmeadaNeN 与与第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 速度变化是指由于电动机的负载转矩发生变化增大与速度变化是指由于电动机的负载转矩发生变化增大与减小或其它不可预见因数引起电动机转速的变化下降或减小或其它不可预见因数引起电动机转速的变化下降或上升，如下图。上升，如下图。 总之，速度变化是在某总之，速度变化是在某条机械特性上，由于负载改条机械特性上，由于负载改动而引起的；而速度调理那动而引起的；而速度调理那么是在某一特定的负载下，么是在某一特定的负载下，靠人为改动机械特性而得到靠人为改动机械特性而得到的。的。第第6章章 伺服控制

24、系统伺服控制系统 (二二)调速方法调速方法下面仅就他励直流电动机的调速方法作普通性的引见。下面仅就他励直流电动机的调速方法作普通性的引见。 从直流他励电动机机械特性方程式：从直流他励电动机机械特性方程式： TKKRRKUn2meadae 可知：改动串入电枢回路的电阻可知：改动串入电枢回路的电阻Rad ；改动电枢供电电；改动电枢供电电压压U或主磁通或主磁通，都可以得到不同的人为机械特性，从而在负，都可以得到不同的人为机械特性，从而在负载不变时可以改动电动机的转速，以到达速度调理的要求，载不变时可以改动电动机的转速，以到达速度调理的要求，故直流电动机调速的方法有以下三种。故直流电动机调速的方法有以

25、下三种。 第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统1 1、改动电枢电路串接电阻、改动电枢电路串接电阻 adR 直流电动机电枢回路串接电阻后，可以得到如下图的直流电动机电枢回路串接电阻后，可以得到如下图的一簇机械特性。一簇机械特性。 从特性曲线可看出，在一定从特性曲线可看出，在一定的负载转矩的负载转矩TL下，串入不同的电下，串入不同的电阻可以得到不同的转速。如在电阻可以得到不同的转速。如在电阻分别为阻分别为 Ra、R1、R2、R3、的、的情况下，可以分别得到稳定任务情况下，可以分别得到稳定任务点点A、C、D和和E，对应的转速为，对应的转速为nA、 nB、 nC、 nD。TKKRRKUn2meadae

26、 第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 改动电枢回路串接电阻的大小调速存在如下问题：改动电枢回路串接电阻的大小调速存在如下问题： 机械特性较软，电阻愈大那么特性愈软，稳定度愈低；机械特性较软，电阻愈大那么特性愈软，稳定度愈低； 在空载或轻载时，电枢电流较小，调速范围不大；在空载或轻载时，电枢电流较小，调速范围不大； 实现无级调速困难；实现无级调速困难； 在调速电阻上耗费大量电能等。在调速电阻上耗费大量电能等。 正由于缺陷不少，目前已很少采用，仅在正由于缺陷不少，目前已很少采用，仅在有些起重机、卷扬机等低速运转时间不长的传有些起重机、卷扬机等低速运转时间不长的传动系统中采用。动系统中采用。TKK

27、RRKUn2meadae aeaeIKRRKUnad第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统2 2改动电动机电枢供电电压改动电动机电枢供电电压U U 如下图特性曲线为改动电枢供电电压如下图特性曲线为改动电枢供电电压U调速的特性：调速的特性： 从特性曲线可看出，在一定从特性曲线可看出，在一定的负载转矩的负载转矩TL下，电枢外加不下，电枢外加不同电压可以得到不同的转速。如同电压可以得到不同的转速。如在电压分别为在电压分别为 UN、 U1、 U2、 U3的情况下，可以分别得到稳的情况下，可以分别得到稳定任务点定任务点a、b、c和和d，对应的转，对应的转速为速为na、 nb、 nc、 nd。即改动。即改动

28、电枢电压可以到达调速的目的。电枢电压可以到达调速的目的。TKKRKUn2meae第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 改动电枢外加电压调速有如下特点：改动电枢外加电压调速有如下特点： 1当电源电压延续变化时，转速可以平滑无级调当电源电压延续变化时，转速可以平滑无级调理，普通只能在额定转速以下调理；理，普通只能在额定转速以下调理； 2调速特性与固有特性相互平行，机械特性硬度不调速特性与固有特性相互平行，机械特性硬度不变，调速的稳定度较高，调速范围较大；变，调速的稳定度较高，调速范围较大； 3调速时，因电枢电流与电压调速时，因电枢电流与电压U无关，且无关，且= N，转，转矩矩T=Km N Ia不变

29、。不变。 调速过程中，电动机输出转矩不变的调速特性称为恒调速过程中，电动机输出转矩不变的调速特性称为恒转矩调速。具有恒转矩调速特性的调速方法适宜于对恒转转矩调速。具有恒转矩调速特性的调速方法适宜于对恒转矩型负载进展调速；矩型负载进展调速； 4可以靠调理电枢电压来启动电机，而不用其他启动设备。可以靠调理电枢电压来启动电机，而不用其他启动设备。第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统3改动电动机主磁通改动电动机主磁通 如下图曲线为改动电动机主磁通如下图曲线为改动电动机主磁通 调速的特性：调速的特性： 从特性曲线可看出，在一定的负载功率PL下，不同的主磁通 N、 1、 2、 ，可以得到不同的转速na、

30、nb、 nc。即改动主磁通即改动主磁通可以到达调可以到达调速的目的。速的目的。TKKRKUn2meae21N第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 改动电动机主磁通特点：改动电动机主磁通特点： 1可以平滑无级调速，但只能弱磁调速，即在额定可以平滑无级调速，但只能弱磁调速，即在额定转速以上调理；转速以上调理； 2调速特性较软，且受电动机换向条件等的限制。调速特性较软，且受电动机换向条件等的限制。 普通他励电动机的最高转速不得超越额定转速的普通他励电动机的最高转速不得超越额定转速的1.2倍，倍，所以，调速范围不大，假设运用特殊制造的所以，调速范围不大，假设运用特殊制造的“调速电动机，调速电动机，调速

31、范围可以添加，但这种调速电动机的体积和所耗费的调速范围可以添加，但这种调速电动机的体积和所耗费的资料都比普通电动机大得多；资料都比普通电动机大得多； 3调速时维持电枢电压调速时维持电枢电压U和电枢电流和电枢电流Ia不变时，电动不变时，电动机的输出功率机的输出功率P=UIa，电动机的输出功率不变。，电动机的输出功率不变。 在调速过程中，输出功率不变的这种特性称为恒功率在调速过程中，输出功率不变的这种特性称为恒功率调速，这种调速适宜于对恒功率型负载进展调速。调速，这种调速适宜于对恒功率型负载进展调速。第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 由于伺服控制系统的速度和位移都有较高的精度要求，因此直流伺服

32、电动机通常以闭环或半闭环控制方式运用于伺服系统中。它们都对系统输出进展实时检测和反响，并根据偏向对系统实施控制。两者的区别仅在于传感器检测信号的位置不同。 因此，设计、制造的难易程度不同,任务性能不同，但两者的设计与分析方法根本上是一致的。4.4.直流伺服系统直流伺服系统第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统闭环伺服系统构造原理图闭环伺服系统构造原理图 对伺服系统的最后输出结果进展检测和修正的伺服控对伺服系统的最后输出结果进展检测和修正的伺服控制方法。制方法。伺服驱动器伺服电动机减速器位移传感器输入指令速度传感器工作台第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统半闭环伺服系统构造原理图半闭环伺服系统构造

33、原理图 对伺服系统的中间环节如电动机的输出速度或角位对伺服系统的中间环节如电动机的输出速度或角位移等进展监控和调理的控制方法。移等进展监控和调理的控制方法。工 作 台伺 服驱 动 器伺 服电 动 机减 速 器转 角 传 感 器输 入 指 令速 度传 感 器第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 设计闭环伺服系统必需首先保证系统的稳定性，然后在此根底上采取各种措施满足精度及快速呼应性等方面的要求。 当系统精度要求很高时，应采用闭环控制方案。它将全部机械传动及执行机构都封锁在反响控制环内，其误差都可以经过控制系统得到补偿，因此可到达很高的精度。但是闭环伺服系统构造复杂，设计难度大，本钱高，尤其是机械

34、系统的动态性能难于提高，系统稳定性难于保证。 因此除非精度要求很高时，普通应采用半闭环控制方案。 第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 影响伺服精度的主要要素是检测环节，常用的检测传感器有旋转变压器、感应同步器、编码盘、光电脉冲编码器、光栅尺、磁尺及测速发电机等。 如被丈量为直线位移，那么应选尺状的直线位移传感器，如光栅尺、磁尺、直线感应同步器等。 如被丈量为角位移，那么应选圆形的角位移传感器，如光电脉冲编码器、圆感应同步器、旋转变压器、码盘等。 普通来讲，半闭环控制的伺服系统主要采用角位移传感器，闭环控制的伺服系统主要采用直线位移传感器。 在位置伺服系统中，为了获得良好的性能，往往还要对执行

35、元件的速度进展反响控制，因此还要选用速度传感器。速度控制也常采用光电脉冲编码器，既丈量电动机的角位移，又经过计时而获得速度。第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统6.2.3步进电动机步进电动机 第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 步进电动机又称电脉冲马达，是经过脉冲数量决议转角位移的一种伺服电动机。 由于步进电动机本钱较低，易于采用计算机控制，因此被广泛运用于开环控制的伺服系统中。 步进电动机比直流电动机或交流电动机组成的开环控制系统精度高，适用于精度要求不太高的机电一体化伺服传动系统。 目前，普通数控机械和普通机床的微机改造中大多数均采用开环步进电动机控制系统。第第6章章 伺服控制系统伺服控

36、制系统一、功能、用途和分类 功能功能 将电脉冲信号转换成转角或转速信号。将电脉冲信号转换成转角或转速信号。 转角转角 脉冲信号的个数；脉冲信号的个数； 转速转速 n 脉冲信号的频率。脉冲信号的频率。 用途用途 高精度的角度控制。如光驱、绘图机、经济型数高精度的角度控制。如光驱、绘图机、经济型数控系统。控系统。 分类分类 按定子相数不同：三相、四相、五相、六相等；按定子相数不同：三相、四相、五相、六相等； 按转子资料不同：永磁式、磁阻式反响式按转子资料不同：永磁式、磁阻式反响式 和混合式。和混合式。第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统二、根本构造三相磁阻式步进电动机二、根本构造三相磁阻式步进电动

37、机(1) 定子：有定子：有6个齿，缠有个齿，缠有WA、WB、WC三相绕组，三相绕组，构成三对磁极。构成三对磁极。 (2) 转子：转子上那么均匀分布着转子：转子上那么均匀分布着4个齿。个齿。 14 23U1U2V1V2W2W1三相磁阻式步进三相磁阻式步进电动机原理图电动机原理图第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 步进电动机的典型构造步进电动机的典型构造 为了减少每通电一次的为了减少每通电一次的转角，在转子和定子上开转角，在转子和定子上开有很多定分的小齿。有很多定分的小齿。 其中定子的三相绕组铁其中定子的三相绕组铁心间有一定角度的齿差。心间有一定角度的齿差。U 2U1W2W1V1V2定子定子转子

38、转子单定子、径向分相、反响式单定子、径向分相、反响式伺服步进电机的典型构造伺服步进电机的典型构造定子与转子齿错开1/3齿距角第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统三三 步进电动机的构造与任务原理步进电动机的构造与任务原理14 23U1U2V1V2W2W1图6-12 三相反响式步进电动机的任务原理步进电动机按其任务原理主要可分为磁电式和反响式两大类 这里只引见常用的反响式步进电动机的任务原理。如图6-12所示： 定子上有6个齿，分别缠有U、V、W三相绕组，构成三对磁极； 转子上那么均匀分布着4个齿。 步进电动机采用直流电源供电。 当U、V、W三相绕组轮番通电时，经过电磁力的吸引，步进电动机转子一步

39、一步地旋转。第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统一拍：一拍： 从一次通电到另一次通电。从一次通电到另一次通电。步距角：每一拍转子转过的角度。步距角：每一拍转子转过的角度。单相通电方式：每一拍只需一相绕组通电。单相通电方式：每一拍只需一相绕组通电。双相通电方式：每一拍都有两相绕组通电。双相通电方式：每一拍都有两相绕组通电。单、双相通电方式：步进电动机通电循环的各拍单、双相通电方式：步进电动机通电循环的各拍中交替出现单、双相通电形状。中交替出现单、双相通电形状。 m m 相单相单 m m 拍运转三相单三拍运转拍运转三相单三拍运转 U -V-W U -V-Wm m 相双相双 m m 拍运转三相双三拍

40、运转拍运转三相双三拍运转UV -VW-VWUV -VW-VWm m 相单双相单双 2m 2m 拍运转三相单双六拍运转拍运转三相单双六拍运转 U-UV -V - VW-W-VW U-UV -V - VW-W-VW 第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统14 2314 2314 2314 23U1U2V1V2W2W1(1) m 相单相单 m 拍运转三相单三拍运转拍运转三相单三拍运转 通电顺序：通电顺序： U 相相V 相相W 相相U 相。相。 U 相通电相通电 14 23U1U2V1V2W2W114 23 V 相通电相通电 U1U2V1V2W2W1 W 相通电相通电 14 2314 23一步一步两步两

41、步三步三步 步距角：步距角： = 30第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统(2) m 相双相双 m 拍运转三相双三拍运转拍运转三相双三拍运转 通电顺序：通电顺序： UV 相相VW 相相WU 相。相。 14 23U1U2V1V2W2W1 UV 相通电相通电 14 2314 23U1U2V1V2W2W1 VW 相通电相通电 14 2314 23U1U2V1V2W2W1 WU 相通电相通电 14 23 步距角：步距角： = 3014 2314 23第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统(3) m 相单双相单双 2m 拍运转拍运转 (三相单双六拍运转三相单双六拍运转通电顺序：通电顺序：UUV VVW W

42、 WU U。14 23U1U2V1V2W2W1114 23U1U2V1V2W2W1214 23U1U2V1V2W2W1314 23U1U2V1V2W2W1414 23U1U2V1V2W2W1514 23U1U2V1V2W2W1614 23步距角：步距角： = 15 第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统普通情况下，m相步进电动机可采用单相通电、双相通电或单双相轮番通电方式任务，对应的通电方式分别称为m相单m拍、m相双m拍或m相2m拍通电方式。由于采用单相通电方式任务时，步进电动机的矩频特性输出转矩与输入脉冲频率的关系较差，在通电换相过程中，转子形状不稳定，容易失步，因此实践运用中较少采用。图6-

43、14是某三相反响式步进电动机在不同通电方式下任务时的矩频特性曲线。显然，采用单双相轮番通电方式可使步进电动机在各种任务频率下都具有较大的负载才干。第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统图图6-14 不同通电方式时的矩频特性不同通电方式时的矩频特性双三拍六拍单三拍0500100015000.10.20.3f / HzT / Nm显然，采用单双相轮番通电方式可使步进电动机在各种任务频率下都具有较大的负载才干。采用单相通电方式任务时，步进电动机的矩频特性较差，在通电换相过程中，转子形状不稳定，容易失步，因此实践运用中较少采用。输出转矩输入脉冲频率第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 步距角步距角P36

44、7 =360z Nz ：转子齿数：转子齿数N ：拍数：拍数 转速转速 一个一个 转转 (1 / zN ) 圈，圈， 脉冲频率为脉冲频率为 f 每秒转每秒转 ( f / zN ) 圈。圈。n =60 fz N例如：三相步进电动机例如：三相步进电动机 z = 40，那么，那么采用单采用单/双三拍时：双三拍时：采用三相六拍时：采用三相六拍时：=360z N 360403= = 3=360z N 360406= = 1.5第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统四. 步进电动机的运用特性 1 步距误差。步距误差直接影响执行部件的定位精度。 2 最大静转矩。是指步进电动机在某相一直通电而处于静止不动形状时，

45、所能接受的最大外加转矩。它反映了制动才干和低速步进运转时的负载才干。 3 启动矩频特性。空载时步进电动机由静止忽然启动，并不失步地进入稳速运转所允许的最高频率称为最高启动频率。启动频率与负载转矩有关。第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统图6-15 90BF002型步进电动机的启动矩频特性3200f / Hz240016008001.9603.92T / Nm负载转矩负载转矩越大， 所允许的最大启动频率越小。当伺服系统要求步进电动机的运转频率高于最大允许启动频率时，可先按较低的频率启动， 然后按一定规律逐渐加速到运转频率。允许的最大启动频率第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统图6-16 运转矩频

46、特性f / Hz20000400060008000T / Nm1.963.924运转矩频特性。步进电动机延续运转时所能接受的最高频率称为最高任务频率，它与步距角一同决议执行部件的最大运转速度。最高任务频率决议于负载惯量J，还与定子相数、通电方式、控制电路的功率驱动器等要素有关。 输出转矩随运转频率的添加而减小，即高速时其负载才干变差。这是步进电动机运用范围受限的主要缘由之一。输出转矩运转频率第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统5 最大相电压和最大相电流。 分别是指步进电动机每相绕组所允许施加的最大电源电压和流过的最大电流。 实践运用的相电压或相电流假设大于允许值，能够会导致步进电动机绕组被击穿

47、或因过热而烧毁； 假设比允许值小得太多，步进电动机的性能又不能充分发扬出来。 因此设计或选择步进电动机的驱动电源时，应充分思索这两个电气参数。 第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统图 6-17 开环步进电动机控制系统框图环 形分 配 器功 率驱 动 器步 进电 动 机负 载指 令 脉 冲输 出 步进电动机的电枢通断电次数和各相通电顺序决议了输出角位移和运动方向，控制脉冲分配频率可实现步进电动机的速度控制。 因此，步进电机控制系统普通采用开环控制方式。 图6-17为开环步进电动机控制系统框图， 系统主要由环形分配器、 功率驱动器、 步进电动机等组成。 五. 步进电动机的控制与驱动第第6章章 伺服

48、控制系统伺服控制系统 1环形分配 步进电动机在一个脉冲的作用下，转过一个相应的步距角， 因此只需控制一定的脉冲数，即可准确控制步进电动机转过的相应的角度。但步进电动机的各绕组必需按一定的顺序通电才干正确任务，这种使电动机绕组的通断电顺序按输入脉冲的控制而循环变化的过程称为环形脉冲分配。 实现环形分配的方法有两种。 一种是计算机软件分配 另一种是硬件环形分配第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 计算机软件分配计算机软件分配 计算机软件分配， 采用查表或计算的方法使计算机的三个输出引脚依次输出满足速度和方向要求的环形分配脉冲信号。优点：能充分利用计算机软件资源，减少硬件本钱，尤其是多相电动机的脉冲

49、分配更能显示出这种分配方法的优点。优点：由于软件运转会占用计算机的运转时间，因此会使插补运算的总时间添加，从而影响步进电动机的运转速度。第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统硬件环形分配是采用数字电路搭建或公用的环形分配器件将延续的脉冲信号经电路处置后输出环形脉冲。 采用数字电路搭建的环形分配器通常由分立元件如触发器、 逻辑门等构成，特点是体积大， 本钱高， 可靠性差。 公用的环形分配器目前市面上有很多种， 如CMOS电路CH250即为三相步进电动机的公用环形分配器。 它的引脚功能及三相六拍线路图如图6-18所示。 硬件环形分配硬件环形分配第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 图6-18 环形分

50、配器CH250引脚图引脚功能； (b) 三相六拍线路图UDJ3LJ3rWVUR*RJ6rJ6LUsCPEN16151413121110912345678(a)置“1复位 CH250具有控制步进电机三相双三拍和三相单双六拍的功能。 J3r、J3L三相双三拍的控制端， J6r、J6L三相六拍的控制端， R*是双三拍的复位端， R是六拍的复位端， CP(CL)端是时钟脉冲输入端， EN是时钟脉冲允许端，CH250也允许以EN端作脉冲CP的输入端。 U、V、W 为环形分配器的三个输出端，经过脉冲放大器功率放大器后分别接到步进电动机的三相线上。双三拍控制六拍控制时钟允许输出端时钟输入第第6章章 伺服控制

51、系统伺服控制系统 图6-18 环形分配器CH250引脚图(a) 引脚功能； (b) 三相六拍线路图方 向CP100 k1 F217910166 12 V111213R*RCPJ6LJ6rJ3rJ3LUs14 158WVUENUD(b)第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统2 功率驱动功率驱动 要使步进电动机能输出足够的转矩以驱动负载任务，必需为步进电机提供足够功率的控制信号，实现这一功能的电路称为步进电动机驱动电路。驱动电路实践上是一个功率开关电路，其功能是将计算机或环形分配器的输出信号进展功率放大，得到步进电机控制绕组所需求的脉冲电流及所需求的脉冲波形。步进电机的任务特性在很大程度上取决于功率

52、驱动器的性能，对每一相绕组来说，理想的功率驱动器应使经过绕组的电流脉冲尽量接近矩形波。但由于步进电动机绕组有很大的电感，要做到这一点是有困难的。第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统常见的步进电动机驱动电路有三种： 单电源驱动电路。 双电源驱动电路。 斩波限流驱动电路。(1 单电源驱动电路。优点：采用单一电源供电，构造简单，本钱低；缺陷：电流波形差，效率低，输出力矩小； 主要用于对速度要求不高的小型步进电动机的驱动。图6-19所示为步进电动机的一相绕组驱动电路每相绕组的电路一样。第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 当环形分配器的脉冲输出信号 为低电平逻辑0时，虽然VT1、VT2管都导通，但只需

53、适中选择Rl、R3、R5的阻值，使Ub30约为0.7V，VT3管饱和导通，该相绕组通电。图6-19 单电源驱动电路560 R1uU6 V3.6 V0.3 V680 R3470 R220 R45 VV1V2Ub3b3 E0步进电动机绕组VDV3R0C1C210 R7390 R5uUuU续流二极管续流二极管限流电阻限流电阻第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统(2双电源驱动电路。 双电源驱动电路又称高、低压驱动电路，采用高压和低压两个电源供电。在步进电动机绕组刚接通时，经过高压电源供电，以加快电流上升速度，延迟一段时间后，切换到低压电源供电。采用这种高低压切换型电源，电动机绕组上不需求串联电阻或者只

54、需求串联一个很小的电阻Rf 1为平衡各相的电流，所以电源的功耗比较小。由于这种供压方式使电流波形得到很大改善，所以步进电动机的转矩一频率特性好，启动和运转频率得到很大的提高。但在低频运转时，会使绕组中注入过多的能量而引起电机的低频振荡和噪声。第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统图6-20 高、低压驱动电路低 压 控 制 电 路高 压 控 制 电 路uU控 制 信号低 压 输 入 信 号步 进 电 动 机 绕 组高 压 输 入 信 号 Ug(高 压 )VgVD 1VD 2VdRf1Rf2Ud(低 压 )在高压电源作用下绕组电流迅速上升，电流前沿很陡。当电流到达或略微超越额定稳态电流时，利用定时电

55、路或电流检测器等措施切断VTg基极上的信号电压，于是VTg截止。此时VTd依然是导通的，因此绕组电流即转而由低压电源经过二极管VD1供应。绕组中的电流限定在额定值。环形分配器的脉冲输出信号Uu为高电平这时VD1接受反向电压而截止，低压电源不对绕组作用基极都有信号电压输入而导通要求该相绕组通电UbgUbd第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统图6-20 高、低压驱动电路低 压 控 制 电 路高 压 控 制 电 路uU控 制 信号低 压 输 入 信 号步 进 电 动 机 绕 组高 压 输 入 信 号 Ug(高 压 )VgVD 1VD 2VdRf1Rf2Ud(低 压 )环形分配器的脉冲输出信号Uu为低

56、电平绕组中的电流经二极管VD2及电阻Rf2向高压电源放电，电流便迅速下降。 Vd基极信号电压消逝而截止要求该相绕组断电断电第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 (3斩波限流驱动电路。 这种电路采用单一高压电源供电，以加快电流上升速度，并经过对绕组电流的检测，控制功放管的开和关，使电流在控制脉冲继续期间一直坚持在规定值上下，其波形如图6-21所示。 这种电路功率大，功耗小，效率高，目前运用最广。图6-22所示为一种斩波限流驱动电路原理图。ttOOiu图6-21 斩波限流驱动电路波形图第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统图6-22 斩波限流驱动电路 OTV1U115 V3 kR11 kR2510

57、R48 R5V20.01FC1VD2TVD3V4VD4VD6U3100 VWV5U25 V1 kR3VD1V38 R63 kR7R951 R81 kUrefR100.27 VD5VD7OP要求该相绕组通电 当环形分配器的脉冲输出高电平 导通 在VT2导通截止瞬间，脉冲变压器TI在其二次线圈中感应出一个正负脉冲，使大功率晶体管VT4导通 截止。同时由于VT3的导通，大功率晶体管VT5也导通。 于是绕组W中有电流流过，步进电动机旋转。 因W是感性负载，其中电流逐渐添加，当添加到一定值时，在检测电阻R10上的压降将超越设定的Vref，使OP翻转，输出低电平使VT2截止。W W中储存的能量释放，中储存

58、的能量释放，电流逐渐减小。当减电流逐渐减小。当减小到一定值时，在检小到一定值时，在检测电阻测电阻R10R10上的压降上的压降将小于设定的将小于设定的VrefVref，使使OPOP翻转，输出高电翻转，输出高电平使平使VT2VT2导通。导通。 VrefVref由分压电由分压电阻阻R7R7和和R8R8所设所设定定使导通 使导通 步进电机绕组在控制脉冲继续期间，上述过程不断反复。 第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统图6-22 斩波限流驱动电路 OTV1U115 V3 kR11 kR2510 R48 R5V20.01FC1VD2TVD3V4VD4VD6U3100 VWV5U25 V1 kR3VD1V3

59、8 R63 kR7R951 R81 kUrefR100.27 VD5VD7OP要求该相绕组断电 环形分配器的脉冲输入低电平 截止W W中的能量那么中的能量那么经过经过VD6VD6、电源、电源、地和地和VD7VD7释放。释放。 VrefVref由分压电由分压电阻阻R7R7和和R8R8所设所设定定步进电机绕组使截止使截止截止截止该电路限流值可达6A左右，改动电阻R10或R8的值，可改动限流值的大小。第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统6.2.4 交流伺服电动机交流伺服电动机第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 二十世纪后期，随着电力电子技术的开展，交流电动机运用于伺服控制越来越普遍。与直流伺服电动

60、机比较： 优点：交流伺服电动机不需求电刷和换向器，因此维护方便和对环境无要求；此外，交流电动机还具有转动惯量、体积和分量较小，构造简单、价钱廉价；尤其是交流电动机调速技术的快速开展，使它得到了更广泛的运用。 缺陷：转矩特性和调理特性的线性度不及直流伺服电动机好；其效率也比直流伺服电动机低。由于现代变频技术的开展，交流电机转矩特性和调理特性已接近直流电机。 因此，在伺服系统设计时，除某些操作特别频繁或交流伺服电动机在发热和起、制动特性不能满足要求时，选择直流伺服电动机外，普通尽量思索选择交流伺服电动机。第第6章章 伺服控制系统伺服控制系统 用于伺服控制的交流电动机主要有两类： 同步型交流伺服电机