伺服系统与变频器应用技术2(1)

1、第二单元第二单元 直流伺服控制直流伺服控制 （1） 直流伺服电动机及其调速系统直流伺服电动机及其调速系统LOGO2. 直流伺服电动机调速系统直流伺服电动机调速系统Page 3本讲主要内容本讲主要内容1. 直流伺服电动机直流伺服电动机LOGOPage 42.1 2.1 直流伺服电动机直流伺服电动机 直流伺服电机具有良好的调速特性、较大的启动转矩和相对功率、易于控制及响应快等优点，可很方便地在宽范围内实现平滑无级调速，故多采用在对伺服电动机的调速性能要求较高的生产设备中。LOGOPage 52.1 2.1 直流伺服电动机直流伺服电动机2.1.1 2.1.1 结构组成及工作原理结构组成及工作原理1结

2、构组成直流伺服电动机在结构上主要由定子、转子、电刷及换向片等组成，如图3-1所示。图2-1 直流伺服电动机基本结构LOGOPage 62.1 2.1 直流伺服电动机直流伺服电动机（1 1）定子）定子定子磁极磁场由定子的磁极产生。根据产生磁场的方式，可分为永磁式和他激式。永磁式磁极由永磁材料制成，他激式磁极由冲压硅钢片叠压而成，外绕线圈，通以直流电流便产生恒定磁场。（2 2）转子）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 3）电刷与换向片）电刷与换向片 为使所产生的电磁转矩保持恒定方向，转子能沿固定方向均匀地连续旋转，电刷与外加

3、直流电源相接，换向片与电枢导体相接。1结构组成2.1.1 2.1.1 结构组成及工作原理结构组成及工作原理LOGOPage 72.1 2.1 直流伺服电动机直流伺服电动机 如图2-2所示，电机转子上的载流导体(即电枢绕组)在定子磁场中，受到电磁转矩的作用，使电机转子旋转，其转速为eaaaCRIU（2-1）由式（2-1）可见，可通过改变电枢电压Ua或改变每极磁通来控制直流伺服电动机的转速，前者称为电枢电压控制，后者称为励磁磁场控制。由于电枢电压控制具有机械特性和调节特性的线性度好、输入损耗小、控制回路电感小且响应速度快等优点，所以直流伺服系统多采用电枢电压控制。2.1.1 2.1.1 结构组成及

4、工作原理结构组成及工作原理2工作原理LOGOPage 82.1 2.1 直流伺服电动机直流伺服电动机2.1.2 2.1.2 主要特性主要特性1运行特性电动机稳态运行，回路中电流保持不变，电枢电流切割磁场磁力线所产生的电磁转矩Tm 为ammICT（2-2）由式（2-2）代入式（2-1），则直流伺服电动机运行特性表达式 mmeaeaTCCRCU2（2-3）式中，Cm转矩常数，仅与电动机结构有关。LOGOPage 92.1 2.1 直流伺服电动机直流伺服电动机当直流伺服电动机的电枢控制电压Ua 和 激励磁场强度均保持不变，则角速度可看作是电磁转矩Tm的函数，即=f (Tm)，该特性称为直流伺服电动机

5、的机械特性，表达式为：mmeaTCCR0（2-4）式中，0常数，eaCU0根据式（2-4），给定不同的Tm 值，可绘出直流伺服电动机的机械特性曲线，如图2-3所示：Ua1Ua2Ua3Td3Td2Td1TmO Ua1 Ua2 Ua3图2-3 直流伺服电动机的机械特性2.1.2 2.1.2 主要特性主要特性1运行特性机械特性LOGOPage 102.1 2.1 直流伺服电动机直流伺服电动机直流伺服电动机的机械特性曲线是一组斜率相同的直线簇，每条机械特性和一种电枢电压Ua 相对应，且随着Ua 增大，平行地向转速和转矩增加的方向移动。与轴的交点是该电枢电压下的理想空载角速度0，与Tm轴的交点则是该电枢

6、电压下的启动转矩Td。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。 机械特性的线性度越高，系统的动态误差越小。2.1.2 2.1.2 主要特性主要特性1运行特性机械特性由图2-3可见：Ua1Ua2Ua3Td3Td2Td1TmO Ua1 Ua2 Ua3图2-3 直流伺服电动机的机械特性LOGOPage 112.1 2.1 直流伺服电动机直流伺服电动机 当直流伺服电动机的电激励磁场强度和电磁转矩Tm均保持不变，则角速度可看作是电枢控制电压Ua的函数，即=f (Ua)，该特性称为直流伺服电动机的调节特性，表达式为meakTCU式中，k常数， 2meaCCRk根据式（2-

7、5），给定不同的Tm值，可绘出直流伺服电动机的调节特性曲线，如图3-4所示。Tm3 Tm2 0图2-4 直流伺服电动机的调节特性2.1.2 2.1.2 主要特性主要特性1运行特性调节特性（2-5）LOGOPage 123.1 3.1 直流伺服电动机直流伺服电动机Tm3 Tm2 0图2-4 直流伺服电动机的调节特性3.1.2 3.1.2 主要特性主要特性1运行特性调节特性由图2-4可见：直流伺服电动机的调节特性曲线一组斜率相同的直线簇，每条调节特性和一种电磁转矩Tm相对应，且随着Tm增大，平行地向电枢电压增加的方向移动。与Ua轴的交点表示在一定的负载转矩下，电动机启动时的电枢电压，且随负载的增大

8、而增大。调节特性的斜率为正，说明在一定负载下，电动机转速随电枢电压的增加而增加。调节特性的线性度越高，系统的动态误差越小。LOGOPage 132.1 2.1 直流伺服电动机直流伺服电动机 电动机的输入功率、输出功率、效率、转速、电枢电流与输出转矩的关系。图2-5 电磁式直流伺服电动机工作特性 图2-6 永磁式直流伺服电动机工作特性P1输入功率；P2输出功率；效率； P1输入功率；P2输出功率；效率；n转速；Ia电枢电流；T输出转矩。 n转速；Ia电枢电流；T输出转矩。2.1.2 2.1.2 主要特性主要特性2工作特性LOGOPage 142.1 2.1 直流伺服电动机直流伺服电动机2.1.2

9、 2.1.2 主要特性主要特性3主要参数LOGOPage 152.1 2.1 直流伺服电动机直流伺服电动机2.1.3 类型及选用1直流伺服电动机的类型直流伺服电动机的分类可按励磁方式、转子转动惯量的大小和电枢的结构与形状等分成多种类型。按励磁方式分按励磁方式分l直流伺服电动机按励磁方式可分为电磁式和永磁式两种。l电磁式直流伺服电动机是一种普遍使用的伺服电动机，特别是大功率电机（100W以上）。l永磁式伺服电动机具有体积小、转矩大、力矩和电流成正比、伺服性能好、响应快功率体积比大、功率重量比大、稳定性好等优点。由于功率的限制，目前主要应用在办公自动化、家用电气、仪器仪表等领域。 按转子转动惯量的

10、大小分按转子转动惯量的大小分l直流伺服电动机按转子转动惯量的大小可分成大惯量、中惯量和小惯量三种。l大惯量直流伺服电动机（又称直流力矩伺服电动机）负载能力强，易于与机械系统匹配。1. 小惯量直流伺服电动机的加减速能力强、响应速度快、动态特性好。LOGOPage 162.1 2.1 直流伺服电动机直流伺服电动机2.1.3 类型及选用1直流伺服电动机的类型直流伺服电动机的分类可按励磁方式、转子转动惯量的大小和电枢的结构与形状等分成多种类型。按电枢的结构与形状分按电枢的结构与形状分 直流伺服电动机按电枢的结构与形状又可分为平滑电枢型、空心电枢型和有槽电枢型等类型。l平滑电枢型平滑电枢型的电枢无槽，其

11、绕组用环氧树脂粘固在电枢铁心上，因而转子形状细长，转动惯量小。l空心电枢型空心电枢型的电枢无铁心，且常做成杯形，其转子转动惯量最小。1.1. 有槽电枢型有槽电枢型的电枢与普通直流电动机的电枢相同，因而转子转动惯量较大。LOGOPage 172.2 2.2 直流伺服电动机调速系统直流伺服电动机调速系统 所谓调速，是指在某一具体负载情况下，通过改变电动机或电源参数的方法，使机械特性曲线得以改变，从而使电动机转速发生变化或保持不变。 直流调速系统是最基本的拖动控制系统，主要有单闭环调速系统和双闭环调速系统。LOGOPage 182.2 2.2 直流伺服电动机调速系统直流伺服电动机调速系统2.2.1

12、单闭环调速系统 根据自动控制原理，为满足调速系统的性能指标，在开环系统的基础上，引入反馈构成单闭环有静差调速系统，采用不同物理量的反馈便形成不同的单闭环系统，在此以引入速度负反馈为例，构成转速负反馈直流调速系统，如图2-7所示。 图2-7 转速负反馈调速系统1.1.系统组成及工作原理系统组成及工作原理LOGOPage 192.2 2.2 直流伺服电动机调速系统直流伺服电动机调速系统2.2.1 单闭环调速系统 2. 2. 系统特性系统特性1 1）静态特性）静态特性 单闭环有静差调速系统，静特性较硬，在一定静差率要求下调速范围宽，而且系统具有良好的抗干扰性能。 存在两个问题：2 2）动态特性）动态

13、特性 系统开环放大系数太大时，可能会引起闭环系统的不稳定，须采取校正措施才能使系统正常工作。 系统的静态精度和动态稳定性系统的静态精度和动态稳定性有有矛盾矛盾启动时冲击电流太大启动时冲击电流太大 为兼顾静态和动态两种特性，一般采用比例积分（PI）调节器进行调节，以解决动态稳定性、快速性和静态精度之间的矛盾。LOGOPage 202.2 2.2 直流伺服电动机调速系统直流伺服电动机调速系统1.1.系统组成及工作原理系统组成及工作原理 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，两者之间实行串级连接。转速负反馈的闭环在外面称外环，电流负反馈的闭环在里面，称

14、内环。其原理图如图2-8所示。 图2-8双闭环调速系统原理图2.2.2 双闭环调速系统LOGOPage 212.2 2.2 直流伺服电动机调速系统直流伺服电动机调速系统2.2.2 双闭环调速系统1.1.系统的组成及工作原理系统的组成及工作原理1 1）电流调节环）电流调节环电流环为由 ACR 和 电流负反馈 组成的闭环，它的主要作用是稳定电流。设电流环的给定信号是速度调节器的输出信号Ui，电流环的反馈信号Id，其值为idUI（2-10）式中，电流反馈系数。在Ui一定的条件下，在电流调节器的作用下，输出电流保持不变，而由电网电压波动引起电流波动将被有效抑制。LOGO2.2 2.2 直流伺服电动机调

15、速系统直流伺服电动机调速系统2 2）速度调节环速度调节环2.2.2 双闭环调速系统1.1.系统的组成及工作原理系统的组成及工作原理 速度环是由 ASR 和 转速负反馈 组成的闭环，它的主要作用是保持转速稳定，并最后消除转速静差。LOGO2.2 2.2 直流伺服电动机调速系统直流伺服电动机调速系统2.2.系统特性系统特性静态特性静态特性2.2.2 双闭环调速系统双闭环调速系统的静特性如图2-9所示。 在n0A段，负载电流IdIdm，转速负反馈起主要调节作用，这就是静态特性的运行段。 在AB段，负载电流Id达到Idm，电流调节器起主要调节作用，双闭环系统变成一个电流无静差的单闭环系统。图2-9 双

16、闭环调速系统的静态特性LOGO2.2 2.2 直流伺服电动机调速系统直流伺服电动机调速系统（1 1）动态跟随性能）动态跟随性能由于直流伺服电机在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图2-10中标明的I、II、III三个阶段。图2-10双闭环调速系统启动过程第I 阶段电流上升阶段。第阶段恒流升速阶段第阶段转速调节阶段。 由上述可以看出，双闭环直流调速系统在起动和升速过程中，能够在最大转矩下，表现出很快的动态转速跟随性能。在减速和制动过程中，由于主电路电流的不可逆性，跟随性能变差。2.2.2 双闭环调速系统2.2.系统特性系统特性动动态特性态特性LOGO2.2 2.2 直流伺服电动机调速系统直流伺服电动机调速系统（2 2）动态抗扰性能）动态抗扰性能 双闭环调速系统中，由电网电压波动引起的动态速降会比单闭环系统中小得多，对内环扰动调节起来更及时些。2.2.系统特性系统特性动动态特性态特性2.2.2 双闭环调速系统LOGO2.2 2.2 直流伺服电动机调速系统直流伺服电动机调速系统3 3双闭环调速系统的优点双闭环调速系统的优点2.2.2 双闭环调速系统LOGOPage Page 2727单