精密机械直流伺服电机控制技术

1、1.1.机械控制系统的作用、内容及特点机械控制系统的作用、内容及特点 用于控制的机构及系统，机构运行并实用于控制的机构及系统，机构运行并实现功能的必须环节，主要包括：现功能的必须环节，主要包括： 机械分配系统机械分配系统 机械辅助系统机械辅助系统2.2.电气控制系统的作用、内容及特点电气控制系统的作用、内容及特点 计算机为核心的控制器为基本单元实现计算机为核心的控制器为基本单元实现复杂系统控制。复杂系统控制。 常用电气控制常用电气控制（继电器、温度）（继电器、温度） 控制信号：输入量控制信号：输入量（开关量、模拟量）（开关量、模拟量）上次课程主要内容上次课程主要内容21/0121/019.4

2、9.4 控制用电机及其控制控制用电机及其控制控制用电机：控制用电机：电气控制系统的动力源电气控制系统的动力源 控制电机任然是将电能转换为机械能，但能控制电机任然是将电能转换为机械能，但能在很宽的速度、负载、时间、位移范围内，实施在很宽的速度、负载、时间、位移范围内，实施连续、精确的控制。连续、精确的控制。常用的控制电机：常用的控制电机： 伺服电机（直流、交流）伺服电机（直流、交流）步进电机步进电机 根据目标动作不同、驱动精度不同，控制用根据目标动作不同、驱动精度不同，控制用电机的选用类型及控制方式也不同。电机的选用类型及控制方式也不同。拓展应用：拓展应用：取代普通动力电机取代普通动力电机21/

3、0221/021.1.控制用电机的特性控制用电机的特性（1 1）性能密度大（两项评价指标）性能密度大（两项评价指标）功率密度：功率密度：单位质量的输出功率单位质量的输出功率比功率：比功率：单位时间的输出功率单位时间的输出功率21/0321/03电机质量输出功率；GPkgwGPPG/转子转动惯量额定转速；mNmNJTswJTdtdP/2（2 2）快速响应性能好）快速响应性能好 加速转矩大，转子转动惯量小。加速转矩大，转子转动惯量小。 该特性可使控制电机获得较大的转速变化加该特性可使控制电机获得较大的转速变化加速度，即频率响应特性好。速度，即频率响应特性好。（3 3）位置控制精确、稳定）位置控制精

4、确、稳定 控制电机的结构确定了这一基本特性，用于控制电机的结构确定了这一基本特性，用于定位精度高、速度可调范围宽、低速平稳场合。定位精度高、速度可调范围宽、低速平稳场合。评价项目：评价项目：爬行、分辨率、振动、噪声爬行、分辨率、振动、噪声（4 4）其他特性）其他特性 启停、正反转、可靠性、寿命启停、正反转、可靠性、寿命21/0421/042. 2. 控制用电机的种类、特点及应用控制用电机的种类、特点及应用 控制用旋转电机按其工作原理可分为旋控制用旋转电机按其工作原理可分为旋转磁场型转磁场型和和旋转电枢型旋转电枢型两类。两类。旋转磁场型旋转磁场型：直流伺服电机、步进电机直流伺服电机、步进电机旋转

5、电枢型旋转电枢型：直流永磁电机、直流永磁电机、交流伺服电机交流伺服电机21/0521/05直流伺服电机直流伺服电机步进电机步进电机与驱动器与驱动器交流伺服电机及驱动交流伺服电机及驱动相关知识相关知识 直驱技术直驱技术 电机直接与从动荷载连接，获得稳定的电机直接与从动荷载连接，获得稳定的运动和动力传递效果。运动和动力传递效果。优势：优势：取消传统的机械传动系统取消传统的机械传动系统 精度高、刚性好、平稳、节能、无润滑精度高、刚性好、平稳、节能、无润滑注意的问题：注意的问题：如何保持稳定的扭矩如何保持稳定的扭矩21/0621/06直流伺服电机：直流伺服电机：有刷与无刷；有齿与无齿有刷与无刷；有齿与

6、无齿一体化轮毂电机：一体化轮毂电机：电机、辐条、轮圈固化电机、辐条、轮圈固化常用控制电机对比：常用控制电机对比：p299p299表表9-19-1（1 1）直流伺服电机）直流伺服电机( (永磁永磁) ) 有槽铁芯电枢型有槽铁芯电枢型 无槽无槽( (平滑型平滑型) )铁芯电枢型铁芯电枢型 电枢型电枢型( (无槽铁芯型与无铁芯型无槽铁芯型与无铁芯型) )。（2 2）交流伺服电机）交流伺服电机 同步型同步型(SM) (SM) 感应型感应型(IM)(IM)（3 3）步进电机步进电机( (永磁永磁) ) 变磁阻型变磁阻型(VR) (VR) 永磁型永磁型(PM)(PM) 混合型混合型(HB)(HB)21/0

7、721/07高响应高响应高功率密度高功率密度高精度高精度大功率大功率相对相对低端低端3.3.直流直流(DC)(DC)伺服电机与驱动伺服电机与驱动 直流伺服电动机直流伺服电动机结构简单，可制成较小的体结构简单，可制成较小的体积，积，广泛应用于自控系统中广泛应用于自控系统中的的执行元件，也可用执行元件，也可用作驱动元件。作驱动元件。 直流伺服电机规格、系列繁多，直流伺服电机规格、系列繁多，具有体积小、具有体积小、重量轻、重量轻、功功能指标高等特点能指标高等特点。目前产品。目前产品系列化系列化完完整齐全整齐全，零部件，零部件标准标准化程度化程度高高。激磁方式激磁方式：他激、串激、复激他激、串激、复激

8、21/0821/08伺服电机伺服电机电机的转速电机的转速n n 随控制量变化而变化。随控制量变化而变化。例如：例如：直流伺服电机利用电压控制转速直流伺服电机利用电压控制转速有关选用性能的两个关注点：有关选用性能的两个关注点： 线性调节能力线性调节能力运动、变速的平稳运动、变速的平稳 响应快速性响应快速性加、减速响应加、减速响应精确定位：精确定位：伺服电机接收到伺服电机接收到1 1个脉冲，转子就会旋个脉冲，转子就会旋转转1 1个脉冲对应的角度，实现相应位移；个脉冲对应的角度，实现相应位移；闭环控制：闭环控制：当伺服电机转子每旋转一个确定角度，当伺服电机转子每旋转一个确定角度，也对外输出也对外输出

9、1 1个脉冲，其数量与接收脉冲相同。系个脉冲，其数量与接收脉冲相同。系统对照输入输、出脉冲量判断运行正常与否。统对照输入输、出脉冲量判断运行正常与否。闭环效应：闭环效应：实时判断伺服电机执行情况，能足够精实时判断伺服电机执行情况，能足够精确的控制电机的转动。确的控制电机的转动。配合精密传动机构：配合精密传动机构：达到低于达到低于0.001mm0.001mm位移量位移量（1 1）驱动原理）驱动原理 工作原理与一般直流电机完全相同。工作原理与一般直流电机完全相同。1 1）定子：）定子：定子磁场由定子磁极（永磁）产生定子磁场由定子磁极（永磁）产生2 2）转子：）转子：即电枢，由硅钢片叠压成，表面嵌即

10、电枢，由硅钢片叠压成，表面嵌有线圈。通直流电时在定子磁场作用下产生带有线圈。通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。动负载旋转的电磁转矩。3 3）电刷和换向片：）电刷和换向片： 电磁转矩保持恒电磁转矩保持恒定方向，转子沿固定定方向，转子沿固定方向均匀的连续旋转。方向均匀的连续旋转。21/0921/09 无刷直流电机具有定子绕无刷直流电机具有定子绕线和永久磁性转子，不用电刷线和永久磁性转子，不用电刷和换向器。和换向器。 定子定子绕线连接到电子控制绕线连接到电子控制系统，按旋转电场的移动模式系统，按旋转电场的移动模式产生移动电场；动电场与转子产生移动电场；动电场与转子永磁体作用形成正

11、反转扭矩。永磁体作用形成正反转扭矩。 有刷伺服电机具有成本低，结构简单，启动转有刷伺服电机具有成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易等优势；矩大，调速范围宽，控制容易等优势；缺陷：缺陷：运行过程需要维护，且维护极不方便（换碳运行过程需要维护，且维护极不方便（换碳刷）；产生较大的电磁干扰和易受周边电磁干扰。刷）；产生较大的电磁干扰和易受周边电磁干扰。应用：应用：对环境无特殊要求的普通对环境无特殊要求的普通工业和民用场合工业和民用场合（2 2）直流伺服电机直流伺服电机的一般应用的一般应用1 1）机械特性及其应用）机械特性及其应用 输入电枢电压输入电枢电压U Ua a保持不变时，电机转速

12、随保持不变时，电机转速随电磁转矩（负荷）变化而变化的规律。电磁转矩（负荷）变化而变化的规律。21/1021/10电电枢枢电电压压U Ua a 不同等级伺服电机不同等级伺服电机在其特定范围内，电枢在其特定范围内，电枢电压、输出转速、输出电压、输出转速、输出扭矩三项对外特性可保扭矩三项对外特性可保持良好的线性关系。持良好的线性关系。2 2）调节特性及其应用）调节特性及其应用 利用上述机械特性，在负载扭矩稳定的条件利用上述机械特性，在负载扭矩稳定的条件下，可通过电枢控制电压下，可通过电枢控制电压U Ua a数量值的变化，来实数量值的变化，来实现控制电机稳态转速。现控制电机稳态转速。转速控制效果比较：

13、转速控制效果比较：交流变频调速：交流变频调速：定子绕组旋转磁场定子绕组旋转磁场 转子转速与同步转速有滑差，在反复变速情转子转速与同步转速有滑差，在反复变速情况下异步转速无法准确计算。况下异步转速无法准确计算。直流调速：直流调速：21/1121/11edddCRIUnC Ce e电势系数电势系数励磁磁通励磁磁通Nfn603 3）动态特性及其应用）动态特性及其应用 伺服电机运行，从原来的稳定状态到新的稳伺服电机运行，从原来的稳定状态到新的稳定状态过渡过程呈现的变化规律。定状态过渡过程呈现的变化规律。两项评价指标：两项评价指标：进入稳态时间、振荡幅度进入稳态时间、振荡幅度优势：优势：机电时间常数小、

14、线性度高、始动电压低机电时间常数小、线性度高、始动电压低 伺服电机转速受输入信号控制，能随信号变伺服电机转速受输入信号控制，能随信号变化快速反应，将电信号迅速转换成电动机轴上的化快速反应，将电信号迅速转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。角位移或角速度输出。 在自动控制系统中用作执行元件。在自动控制系统中用作执行元件。21/1221/12（3 3）直流伺服电机直流伺服电机惯量惯量 伺服电机转子的转动惯量大小，直接影响输伺服电机转子的转动惯量大小，直接影响输出扭矩、正反转响应，常用电机分四个级别。出扭矩、正反转响应，常用电机分四个级别。1 1）小惯量：）小惯量：用于小负荷工况，如印刷板自动钻用于

15、小负荷工况，如印刷板自动钻孔机；复印打印机等。孔机；复印打印机等。 2 2）中惯量：）中惯量：具有宽调速特性，常用于各类数控具有宽调速特性，常用于各类数控机床的进给系统。机床的进给系统。3 3）大惯量：）大惯量：用于数控机床的主轴电机用于数控机床的主轴电机 。4 4）特殊形式：）特殊形式：特殊用途直流电机特殊用途直流电机21/1321/13小惯量电机小惯量电机外形细长外形细长中、大惯量中、大惯量伺服电机伺服电机（4 4）大惯量宽调速直流伺服电机大惯量宽调速直流伺服电机 大惯量电机系列是机电大惯量电机系列是机电一体化产品一体化产品设计设计应应用用最为最为广泛的广泛的系列系列。1 1）电机特性）电

16、机特性输出力矩大输出力矩大、过载能力强过载能力强动态响应性能好动态响应性能好低速运转平稳低速运转平稳性好、性好、易于调试易于调试可加装光电编码器可加装光电编码器、旋转变压器旋转变压器、制动器制动器体积大，电刷易磨损体积大，电刷易磨损21/1421/142 2）直流伺服电机选用要点）直流伺服电机选用要点 负荷计算：负荷计算：负载转矩负载转矩、负载惯量负载惯量调速范围内调速范围内的电机的电机负载转矩负载转矩，必须，必须在电机连续额在电机连续额定转矩范围以内；定转矩范围以内；电机电机工作负载工作负载、过载时间过载时间等主要功率指标，等主要功率指标，应应该该在在规定指标参数规定指标参数的范围以内的范围

17、以内；加加减减速度与速度与设计（预期）设计（预期）时间常数一致时间常数一致21/1521/15（5 5）直流伺服直流伺服（电刷）（电刷）电机驱动电机驱动 直流伺服电机配有专门的直流伺服电机配有专门的驱动器驱动器 。 直流伺服电机为直流供电，为调节电机转速直流伺服电机为直流供电，为调节电机转速和和旋转旋转方向，需要对其直流电压的方向，需要对其直流电压的大小和方向大小和方向进进行控制。行控制。目前采用的两类驱动电路：目前采用的两类驱动电路： 晶体管脉宽调速驱动晶体管脉宽调速驱动 可控硅直流调速驱动可控硅直流调速驱动21/1621/161 1）电枢电压控制）电枢电压控制 在定子磁场不变的情况下，通过

18、控制施加在定子磁场不变的情况下，通过控制施加在电枢绕组两端的电压信号来控制电动机的转在电枢绕组两端的电压信号来控制电动机的转速和输出转矩。速和输出转矩。21/1721/17永永磁磁体体励励磁磁绕绕组组电枢电压变化电枢电压变化励磁绕组励磁绕组励磁绕组励磁绕组2 2）磁极控制）磁极控制 按定子磁场产生方式，直流伺服电机可按定子磁场产生方式，直流伺服电机可分为永磁式和他励式两类。分为永磁式和他励式两类。 励磁绕组替代永磁体，励磁绕组替代永磁体，能获得永磁体无法达到的能获得永磁体无法达到的磁通密度。磁通密度。 调节励磁绕组电流改调节励磁绕组电流改变定子磁场强度，从而控变定子磁场强度，从而控制伺服电动机的转速和输制伺服电动机的转速和输出转矩。出转矩。21/1821/18例：例：七线直流伺服驱动器七线直流伺服驱动器 直流有刷直流有刷伺服伺服电机电机一般一般有有7 7条线条线。连连电机线两电机线两条，条，无正负之分无正负之分；（换向）；（换向）编码器线编码器线5 5条，分别是条，分别是脉冲脉冲A A、脉冲脉冲B B、脉冲脉冲Z Z、电源电源线和线和地地线。线。电压控制电压控制：入入24V24V电压，通过逆变可以得到低于电压，通过逆变可以得到低于242