伺服系统V20ppt课件

1、3、伺服系统 3.1 概述n3.1.1伺服系统的结构组成n 机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。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图3-1 伺服系统组成原理框图1.比较环节比较环节 比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。节，通常由专门的电路或计算机来实现。2.控制器控制器 控制器通常是计算机或控

2、制器通常是计算机或PID控制电路，其主要任控制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。控制执行元件按要求动作。3.执行环节执行环节 执行环节的作用是按控制信号的要求，将输入执行环节的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机作。机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。或液压、气动伺服机构等。4.被控对象被控对象5.检测环节检测环节 按执行元件按执行元件 执行元件是能量

3、变换元件，其目的是执行元件是能量变换元件，其目的是控制机械执行机构运动。机电一体化伺服控制机械执行机构运动。机电一体化伺服系统要求执行元件具有转动惯量小，输出系统要求执行元件具有转动惯量小，输出动力大，便于控制，可靠性高和安装维护动力大，便于控制，可靠性高和安装维护简便等特点。简便等特点。3.1.2伺服系统的分类伺服系统的分类交流(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3.1.2伺服系统的分类伺服系统的分类(1)电磁式执行元件能将电能转化成电磁力，并用电磁力驱动执行

4、机构运动，如交流电机、直流电机、力矩电机、步进电机等。(2)液压式执行元件先将电能变化成液体压力，并用电磁阀控制压力油的流向，从而使液压执行元件驱动执行机构运动。 (3)气压式执行元件与液压式执行元件的原理相同，只是介质由液体改为气体。 按控制原理的分类按控制原理的分类 3.1.2伺服系统的分类开环控制：没有检测元件，伺服精度取决开环控制：没有检测元件，伺服精度取决于执行机构和传动部件的精度。于执行机构和传动部件的精度。半闭环控制半闭环控制闭环控制：基于反馈控制原理工作。闭环控制：基于反馈控制原理工作。全闭环控制全闭环控制1.系统精度 伺服系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度，以误差

5、的形式表现，可概括为动态误差、稳态误差和静态误差三个方面组成。2.稳定性 伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后，系统能够恢复到原来稳定状态的能力；或者当给系统一个新的输入指令后，系统达到新的稳定运行状态的能力。3.1.3伺服系统的技术要求3.响应特性 响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度，决定了系统的工作效率。响应速度与许多因素有关，如计算机的运行速度、运动系统的阻尼和质量等。4.工作频率 工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围。当工作频率信号输入时，系统能够按技术要求正常工作；而其它频率信号输入时，系统不能正常工作。3.1.3伺服系统的技术要求n模拟式、混合式、数字

6、式3.1.3伺服系统的基本组成形式n模拟式、混合式、数字式3.1.3伺服系统的基本组成形式3.2 3.2 步进式伺服驱动系统步进式伺服驱动系统n步进电机的特点步进电机的特点3.2 3.2 步进式伺服驱动系统步进式伺服驱动系统 步进电动机按其工作原理主要可分为磁电式和反应式两大类。三相反应式步进电动机的工作原理如图3-3所示，其中步进电动机的定子上有6个齿，其上分别缠有U、V、W三相绕组，构成三对磁极；转子上则均匀分布着4个齿。步进电动机采用直流电源供电。当U、V、W三相绕组轮流通电时，通过电磁力的吸引，步进电动机转子一步一步地旋转。W 相 通 电V相 通 电U相 通 电逆 时 针 旋 转 30

7、逆时针旋转30逆 时 针 旋 转 30图3-3 步进电动机运动原理图 n步进电机工作原理步进电机工作原理 假设U相绕组首先通电，则转子上、下两齿被磁场吸住。然后U相断电，V相通电，则磁极U的磁场消失，磁极V产生了磁场，磁极V的磁场把离它最近的另外两齿吸引过去，停止在V相通电的位置上，这时转子逆时针转了30。 定子各相轮流通电一次，转子转一个齿 。 步 进 电 动 机 绕 组 按UVWUVWU依次轮流通电，步进电动机转子就一步步地按逆时针方向旋转。反之，如果步进电动机按 倒 序 依 次 使 绕 组 通 电 ， 即UWVUWVU则步进电动机将按顺时针方向旋转。W相通电V相通电U相通电逆时针旋转30

8、逆时针旋转30逆时针旋转30 步进电动机绕组每次通断电使转子转过的角度称之为步距角。为了减少每通电一次的转角，在转子和定子上开有很多定分的小齿。其中定子的三相绕组铁心间有一定角度的齿差，当U相定子小齿与转子小齿对正时，V相和W相定子上的齿则处于错开状态。真实步进电动机的工作原理与上同，只是步距角是小齿距夹角的1/3。三相反应式步进电动机n步进电动机的通电方式n 如果步进电动机绕组的每一次通断电操作称为一拍，每拍中只有一相绕组通电，其余绕组断电，则这种通电方式称为单相通电方式。三相步进电动机的单相通电方式称为三相单三拍通电方式。n 如果步进电动机通电循环的每拍中都有两相绕组通电，则这种通电方式称

9、为双相通电方式。三相步进电动机采用双相通电方式时，称为三相双三拍通电方式。n 如果步进电动机通电循环的各拍中交替出现单、双相通电状态，则这种通电方式称为单双相轮流通电方式。三相步进电动机采用单双相轮流通电方式时，每个通电循环中共有六拍，因而又称为三相六拍通电方式。 一般情况下，m相步进电动机可采用单相通电、双相通电或单双相轮流通电方式工作，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工作时，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，转子状态不稳定，容易失步，因而实际应用中较少采用。不同通电方式时的矩频特性双三拍六拍单三拍

10、0500100015000.10.20.3f / HzT / Nm 左图某三相反应式步进电动机在不同通电方式下工作时的矩频特性曲线。显然，采用单双相轮流通电方式可使步进电动机在各种工作频率下都具有较大的负载能力。 通电方式不仅影响步进电动机的矩频特性，对步距角也有影响。一个m相步进电动机，如其转子上有z个小齿，则其步距角可通过下式计算：kmz360式中，k是通电方式系数。当采用单相或双相通电方式时，k1；当采用单双相轮流通电方式时，k2。可见，采用单双相轮流通电方式还可使步距角减小一半。步进电机的步距角决定了系统的最小位移，步距角越小，位移的控制精度越高。 n步进电动机的使用特性n （1） 步

11、距误差n （2） 最大静转矩n （3） 启动矩频特性n （4） 运行矩频特性n步进电动机的使用特性n 当伺服系统要求步进电动机的运行频率高于最大允许启动率时，可先按较低的频率启动， 然后按一定规律逐渐加速到运行频率。下图给出了90BF002型步进电动机的启动矩频特性曲线。由图可见，负载转矩越大，所允许的最大启动频率越小。3200f / Hz240016008001.9603.92T / Nm启动矩频特性启动矩频特性f / Hz20000400060008000T / Nm1.963.9290BF00290BF002型步进电动机的运行矩频特性曲线型步进电动机的运行矩频特性曲线环 形分 配 器功

12、率驱 动 器步 进电 动 机负 载指 令 脉 冲输 出n步进电动机的控制与驱动n步进电动机的电枢通断电次数和各相通电顺序决定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。 n步进电机控制系统一般采用开环控制方式。下图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。 开环步进电动机控制系统框图n步进电动机的控制与驱动步进电动机在一个脉冲的作用下， 转过一个相应的步距角， 因此只要控制一定的脉冲数， 即可精确控制步进电动机转过的相应的角度。 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。

13、 一种是计算机软件分配，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。 这种方法能充分利用计算机软件资源，减少硬件成本， 尤其是多相电动机的脉冲分配更能显示出这种分配方法的优点。 但由于软件运行会占用计算机的运行时间， 因而会使插补运算的总时间增加， 从而影响步进电动机的运行速度。n 硬件环形分配 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， 成本高， 可靠性差。 专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专用环形分配器， 它的引脚功能及三相六拍线路图如图所示。UDJ3LJ

14、3rWVUR*RJ6rJ6LUsCPEN16151413121110912345678(a) 环形分配器CH250引脚图(a) 引脚功能； (b) 三相六拍线路图 环形分配器CH250(a) 引脚功能； (b) 三相六拍线路图方向CP100 k1 F21791016612 V111213R*RCPJ6LJ6rJ3rJ3LUs14 158WVUENUD(b)n加减速控制n加减速控制n步进电机的微机控制n步进电机功率驱动 n (1单电源驱动电路n 采用单一电源供电，结构简单，成本低，但电流波形差，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。下图为步进电动机的一相绕组驱动电路每

15、相绕组的电路相同）。 560 R1uU 6 V3.6 V0.3 V680 R3470 R220 R4 5 VV1V2Ub3b3 E0步 进 电动 机 绕组VDV3R0C1C210 R7390 R5单电源驱动电路单电源驱动电路高、低压驱动电路高、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 )VgVD1VD2VdRf1Rf2Ud(低 压 ) （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。（在导通前沿用高电压来提高电流的前沿上升率，前沿后用低电压来维

16、持绕组的电流） （3斩波限流驱动 采用单一高压电源供电，以加快电流上升速度，并通过对绕组电流的检测，控制功放管的开和关，使电流在控制脉冲持续期间始终保持在规定值上下，其波形如图所示。这种电路功率大，功耗小，效率高，目前应用最广。ttOOiu斩波限流驱动电路波形图斩波限流驱动电路波形图斩波限流驱动电路斩波限流驱动电路 OTV1U115 V3 kR11 kR2510 R48 R5V20.01FC1VD2TVD3V4VD4VD6U3100 VWV5U25 V1 kR3VD1V38 R63 kR7R951 R81 kUrefR100.27 VD5VD7OPn步进电机的细分驱动提高进给精度降低电动机的振

17、动和噪声n步进电机的闭环控制n步进电机的种类n永磁式步进电机：一般为两相，转矩和体积较小n反应式步进电机：一般为三相，可实现大转矩输出 n混合式步进电机：是指混合了永磁式和反应式的优点的电机,它又分为两相和五相。这是目前应用最广泛的一种步进电机 n1.直流伺服电动机的分类直流伺服电动机按励磁方式可分为电磁式和永磁式两种。n n2.直流伺服电动机的基本结构及工作原理n 直流伺服电动机主要由磁极、电枢、电刷及换向片组成,如下图。 3.2 直流伺服电动机磁 极电 枢 导 体磁 极NSnA电 刷换向片B直流伺服电动机基本结构直流伺服电动机基本结构MTmUaLaIaRaEa3.2.1直流伺服电动机的特性

18、直流伺服电动机采用电枢电压控制时的电枢等效电路直流伺服电动机采用电枢电压控制时的电枢等效电路 当电动机处于稳态运行时，回路中的电流Ia保持不变，则电枢回路中的电压平衡方程式为 Ea=Ua-IaRa （1） 式中，Ea是电枢反电动势； Ua是电枢电压； Ia是电枢电流；Ra是电枢电阻。转子在磁场中以角速度切割磁力线时，电枢反电动势Ea与角速度之间存在如下关系： Ea=Ce （2）式中，Ce是电动势常数，仅与电动机结构有关； 是定子磁场中每极的气隙磁通量。 eaaaCRIUmTammICTmmaCTImC由1）（2得 （3）此外，电枢电流切割磁场磁力线所产生的电磁转矩 那么 (4)式中，是转矩常数

19、，仅与电动机结构有关。mCCRCUTmeaea2mTmTeaCU将4代入3得到直流伺服电动机运行特性的一般表达式 由此可以得出空载（0，转子惯量忽略不计的电机特性。0时， (6)称为理想空载角速度。可见，角速度与电枢电压成正比。 (5)当0时，有 式中，Td称为启动瞬时转矩，其值也与电枢电压成正比。如果把角速度看作是电磁转矩Tm的函数，即=f (Tm)，则可得到直流伺服电动机的机械特性表达式为(8) 式中,0是常数， 。 aamdmURCTT(7)mmeaTCCR0eaCU0)(aUfmCUkTeak2meaCCRkaUmT如果把角速度看作是电枢电压的函数，即则可得到直流伺服电动机的调节特性表

20、达式 (9)是常数，根据式(8)和式(9)，给定不同的 值和 值可分别绘出直流伺服电动机的机械特性曲线和调节特性曲线。直流伺服电动机的机械特性Ua1Ua2Ua3Td3Td2Td1TmOl直流伺服电动机的机械特性是一组斜率相同的直线簇。每条机械特性和一种电枢电压相对应，与轴的交点是该电枢电压下的理想空载角速度，与Tm轴的交点则是该电枢电压下的启动转矩。l机械特性的斜率为负，说明在电枢电压不变时，电动机转速随负载转矩增加而降低。直流伺服电动机的机械特性l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。l调节特性的斜率为正，说明在

21、一定的负载下，电动机转速随电枢电压的增加而增加。Ua2Ua3Ua10Tm10Tm2Tm3Ua直流伺服电动机的调节特性 直流伺服电动机的调节特性3.2.2 影响直流伺服电动机特性的因素 上述对直流伺服电动机特性的分析是在理想条件下进行的，实际上电动机的驱动电路、电动机内部的摩擦及负载的变动等因素都对直流伺服电动机的特性有着不容忽略的影响【1】驱动电路对机械特性的影响 直流伺服电动机是由驱动电路供电的，假设驱动电路的内阻是Ri，加在电枢绕组两端的控制电压是Uc，则可画出如图所示的电枢等效回路。 在这个电枢等效回路中，电压平衡方程式为 Ea=Uc-Ia (Ra+Ri) (10)MEaRiUcLaRa

22、Ia含驱动电路的电枢等效回路含驱动电路的电枢等效回路于是在考虑了驱动电路的影响后，直流伺服电动机的机械特性表达式变成 (11) 将式(11)与式(8)比较可以发现，由于驱动电路内阻Ri的存在而使机械特性曲线变陡了。mmeiaTCCRR20OTdTmRaRa RidT【1】驱动电路对机械特性的影响n 如果直流伺服电动机的机械特性较平缓，则当负载转矩变化时，相应的转速变化较小，这时称直流伺服电动机的机械特性较硬。反之，如果机械特性较陡，当负载转矩变化时，相应的转速变化就较大，则称其机械特性较软。n 机械特性越硬，电动机的负载能力越强；机械特性越软，负载能力越低。毫无疑问，对直流伺服电动机应用来说，

23、其机械特性越硬越好。由于功放电路内阻的存在而使电动机的机械特性变软了，这种影响是不利的，因而在设计直流伺服电动机功放电路时，应设法减小其内阻。【2】直流伺服电动机内部的摩擦对调节特性的影响 直流伺服电动机在理想空载时即Tm1=0），其调节特性曲线从原点开始。但实际上直流伺服电动机内部存在摩擦如转子与轴承间的摩擦等），直流伺服电动机在启动时需要克服一定的摩擦转矩，因此启动时电枢电压不可能为零。这个不为零的电压称为启动电压，用Ub表示。电动机摩擦转矩越大，所需的启动电压就越高。通常把从零到启动电压这一电压范围称死区，电压值处于该区内时，不能使直流伺服电动机转动。 OTL 0TL0UbUa摩擦及负载

24、变动对摩擦及负载变动对调节特性的影响调节特性的影响【3】负载变化对调节特性的影响 在负载转矩TL不变的条件下，直流伺服电动机角速度与电枢电压成线性关系。但在实际伺服系统中，经常会遇到负载随转速变动的情况，如粘性摩擦阻力是随转速增加而增加的，数控机床切削加工过程中的切削力也是随进给速度变化而变化的。这时由于负载的变动将导致调节特性的非线性。可见，由于负载变动的影响，当电枢电压Ua增加时，直流伺服电动机角速度的变化率越来越小，这一点在变负载控制时应格外注意。摩擦及负载变动对调节特性的影响摩擦及负载变动对调节特性的影响OTL0TL0UbUal可控硅晶闸管法lPWM法Pulse Width Modul

25、ation缩写，脉冲宽度调制,简称脉宽调制.它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的技术。3.2.3 直流电机的驱动调速方法l可控硅晶闸管法 直流电机的驱动调速方法通过改变加在可控硅控制极的触发脉冲的相位(即交流电过零点到触发脉冲的前沿)，达到控制可控硅导通角大小的目的。 当交流电正半周加到可控硅的阳极,在180度的某一角度时,在可控硅的控制极加一触发脉冲,例如在30度加一脉冲,可控硅只能通过余下的150度的电压.这种使可控硅导电的起始角度称为导通角。l可控硅晶闸管法 直流电机的驱动调速方法l可控硅晶闸管法 直流电机的驱动调速方法lPWM法l 利用大功率晶体管的开关作用，将恒定的直流电

26、源电压转换成一定频率的方波电压，加在直流电机的电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，从而改变控制电机的转速。 直流电机的驱动调速方法lPWM法 直流电机的驱动调速方法lPWM驱动电路 直流电机的驱动调速方法lPWM驱动电路 直流电机的驱动调速方法3.2.4 直流伺服系统 由于伺服控制系统的速度和位移都有较高的精度要求，因而直流伺服电动机通常以闭环或半闭环控制方式应用于伺服系统中。直流伺服系统的闭环控制是针对伺服系统的最后输出结果进行检测和修正的伺服控制方法，而半闭环控制是针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行监控和调节的控制方法。图a 闭环伺服系统结构原理图工作

27、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图b 半闭环伺服系统结构原理图n设计闭环伺服系统必须首先保证系统的稳定性，然后在此基础上采取各种措施满足精度及快速响应性等方面的要求。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闭在反馈控制环内，其误差都可以通过控制系统得到补偿，因而可达到很高的精度。但是闭环伺服系统结构复杂，设计难度大，成本高，尤其是机械系统的动态性能难于提高，系统稳定性难于保证。因而除非精度要求很高时，一般应采用半闭环控制方案。 影响伺服精度的主要因素是检测环节，常用的检测传感器有

28、旋转变压器、感应同步器、码盘、光电脉冲编码器、光栅尺、磁尺及测速发电机等。如被测量为直线位移，则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。如被测量为角位移，则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。一般来讲，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，往往还要对执行元件的速度进行反馈控制，因而还要选用速度传感器。速度控制也常采用光电脉冲编码器，既测量电动机的角位移，又通过计时而获得速度。3.3 交流伺服电动机 异步型交流电动机 三相异步电动机定子中的三个绕组在空间

29、方位上也互差120，三相交流电源的相与相之间的电压在相位上也相差120。当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场，旋转磁场的转速为pfn1160式中,f1为定子供电频率; p为定子线圈的磁极对数; n1为定子转速磁场的同步转速。 异步电动机所谓异步，是指定子旋转磁场转速和转子转速不同。 定子旋转磁场的转速和电网频率严格对应称谓同步转速。n=60f/p。 所以，转差率就是定子旋转磁场转速与转子转速之差再除以定子旋转磁场转速同步转速）3.3 交流伺服电动机 异步型交流电动机异步电动机的转速方程为)1 ()1 (6011snspfn式中,n为电动机转速；s为转差率。异步电动机变频调

30、速控制特性U1U1nOf1nf1 m恒转矩调速 mU1恒功率调速n 异步电动机变频调速的基本控制方式如图所示n交流电动机变频调速的控制方案交流电动机变频调速的控制方案n 根据生产的要求、变频器的特点和电动机的种类，会出根据生产的要求、变频器的特点和电动机的种类，会出现多种多样的变频调速控制方案。讨论交现多种多样的变频调速控制方案。讨论交-直直-交交(AC-DC-AC)变频器。变频器。n开环控制开环控制n 开环控制的通用变频器三相异步电动机变频调速系统控开环控制的通用变频器三相异步电动机变频调速系统控制框图如图所示。制框图如图所示。VVVFIM3VVVF通 用 变 频 器 ； IM异 步 电 动

31、 机开环异步电动机变频调速矢量控制变频器的异步电动机变频调速VVVFIM3VVVVF矢 量 变 频 器n2无速度传感器的矢量控制n无速度传感器的矢量控制变频器异步电动机变频调速系统控制框图如图所示。异步电动机闭环控制变频调速VVVFIM3VPG设定反馈PG速度脉冲发生器3带速度传感器的矢量控制带速度传感器的矢量控制变频器异步电动机闭环变频调速系统控制框图如图所示。n电力电子变流技术开关器件特性普通晶闸管：12kV、1kA；4kV、3kA。可关断晶闸管：9kV、1kA；4.5kV、4.5kA。逆导晶闸管：4.5kV、1kA。光触晶闸管：6kV、2.5kA；4kV、5kA。电力晶体管：单管1kV、

32、200A；模块1.2kV、800A；1.8kV、100A。场效应管：1kV、38A。绝缘栅极双极型晶体管：1.2kV、400A；1.8kV、100A。静电感应晶闸管(SITH)：4.5kV、2.5kA。场控晶闸管：1kV、100A。图6-29 电力电子器件的控制容量和开关频率的应用范围 TH(SCR)MCTGTOIGBTGTRMOSFETS / VAf / Hz102103104105106103104105106107n变流技术n包括晶闸管在内的电力电子器件是变流技术的核心。近年来，随着电力电子器件的发展，变流技术得到了突飞猛进的发展，特别是在交流调速应用方面获得了极大的成就。变流技术按其功能应用可分成下列几种变流器类型：n整流器把交流电变为固定的或可调的直流电。n逆变器把固定直流电变成固定的或可