智能焊接制造基础 课件 第四章 伺服电动机及其控制技术

第四章伺服电动机及其控制技术智能焊接制造基础目录01020405伺服电动机概述伺服电动机工作原理伺服电动机控制模式伺服驱动器0306伺服电动机分类伺服电动机应用伺服电动机概述PART01伺服系统是反馈控制系统，输出量能跟随输入量变化。如焊枪位置、焊接速度等，通过伺服系统实现精确控制，保障焊接质量。伺服系统定义伺服电动机内置传感器，可快速响应控制信号，实现精确启停和运动控制。其高精度、高响应速度等特点，使其在焊接自动化中不可或缺。伺服电动机特点伺服电动机由电动机本体、伺服驱动器等组成。驱动器接收控制信号并转换为电流信号，驱动电动机旋转，同时通过反馈机制实现精确控制。伺服电动机组成020103伺服电动机概念伺服电动机

伺服电动机与伺服驱动器

驱动器接收控制信号并将其转换为电流信号，驱动电动机本体产生转动力矩。驱动器的性能直接影响电动机的响应速度和控制精度。驱动器功能电机运动控制伺服电动机通过接收脉冲信号进行定位，实现精确的位移或位置控制。其运动控制精度高，能够满足焊接自动化中对位置和速度的严格要求。调速与定位控制伺服电动机的调速范围宽，能够在极低速到高转速之间稳定运行。同时，其定位精度高，可实现微米级的精确控制，适用于高精度焊接加工。电机驱动与控制伺服电动机工作原理PART02伺服电动机工作原理

伺服电动机工作原理框图

控制信号可以是电压信号或数字信号，用于指示电动机的运动状态。给定信号表示电动机运动的期望值，反馈信号与给定信号进行比较，生成误差信号。控制信号类型负反馈控制是伺服系统的核心，通过实时监测和反馈电动机的运动状态，实现精确的转速或位置控制。这种控制方式能够有效提高系统的稳定性和精度。负反馈控制原理反馈机制通过编码器实时监测电动机的转速和位置信息，并将这些信息传输回控制器。控制器根据误差信号调整驱动器的输出，纠正电动机的运动偏差。反馈机制作用控制信号与反馈伺服电动机的技术特征

高精度高响应速度高稳定性大过载能力调速范围大智能化控制控制方式多伺服电动机分类PART0301直流伺服电动机具有良好的调速性能和较大的转矩输出，分为有刷和无刷两种。有刷电动机结构简单、成本低，但维护成本高；无刷电动机可靠性高、效率高，适用于高精度焊接自动化系统。

直流伺服电动机02交流伺服电动机分为同步型和异步型。同步型交流伺服电动机具有高功率因数和高效率，常用于高精度、高速度的控制系统；异步型适用于对性能要求不高的场合。交流伺服电动机03步进电机接收脉冲信号，将电脉冲信号转换为角位移或线位移，常用于需要精确位置控制的场合，如焊接工位转换等。步进电机按工作原理分类工业伺服电动机用于各类工业自动化设备，如焊接自动化生产线、焊接机床等，要求具有高可靠性、高精度和快速响应能力。工业伺服电动机机器人伺服电动机需要具备高扭矩、轻量化、紧凑结构以及良好的动态性能，以满足机器人复杂的运动要求。机器人伺服电动机航空航天伺服电动机应用于航空航天领域，对电动机的重量、体积、可靠性和抗恶劣环境能力有极高要求。航空航天伺服电动机按用途分类小功率伺服电动机通常功率在几百瓦以下，适用于小型设备、仪器仪表、小型机器人等，具有体积小、重量轻、控制灵活的特点。中功率伺服电动机功率一般在几百瓦到数千瓦之间，广泛应用于工业自动化、数控机床等领域，能满足大多数中等负载和速度要求的应用。大功率伺服电动机功率在数千瓦以上，主要用于大型机械设备、重型工业机器人等对动力要求较高的场合，能够提供强大的转矩和功率输出。030201按功率分类伺服电动机的技术特征

高精度高响应速度高稳定性大过载能力调速范围大智能化控制控制方式多直流伺服电动机有刷直流伺服电动机及换向器直流伺服电动机工作原理直流伺服电动机的机械特性

n

——

电动机的转速（r/min）；Ua

——

电枢线圈的控制电压（V）；Ce——

与电机结构有关的电动势常数；Фe

——

励磁磁通（Wb），与励磁电压Ue有关；Ra——

电枢回路的总电阻（Ω）；Cm

——

与电机结构有关的转矩常数；Cm＝0.95Ce；Tm——

电动机的电磁转矩（N・m）；

n0——

空载转速。

其中，当Tm＝0，即空载时，

当n＝0，即电动机启动前的临界状态或堵转时

直流伺服电动机的机械特性

直流伺服电动机的机械特性

交流伺服电动机永磁同步交流伺服电动机内部结构与外形

交流伺服电动机工作原理交流伺服电动机的转速控制

频率控制幅值控制相位控制幅相控制

伺服电动机控制模式PART04适用于需要对电动机运动速度进行控制的焊接自动化系统，如机器人焊接、精密焊接中心等。通过模拟量或脉冲数字量输入设定电动机转速。速度控制模式能够快速响应负载变化，保持电动机转速的稳定性。其控制精度高，适用于对速度要求严格的焊接自动化应用。速度控制模式下，伺服控制器通过预设的目标转速和实际转速的差值，实施电动机转速的负反馈控制，保证电动机转速的恒定不变。速度控制原理速度控制优势速度控制应用速度控制模式交流伺服系统工作在速度控制模式的结构

交流伺服系统工作在位置控制模式的结构

位置控制模式位置控制模式下，伺服控制器通过预设的目标位置和实际位置的差值，控制电动机的运动，使电动机旋转到预设的位置。适用于需要对位置要求较高的焊接自动化系统，如机器人焊接、自动切割、焊接自动化流水线等。通过脉冲信号或通讯方式设定电动机的目标位置。位置控制模式控制精度高，能够实现微米级的精确位置控制。其适用于复杂的焊接轨迹控制，确保焊接质量和效率。位置控制原理位置控制应用位置控制优势位置控制模式转矩控制模式交流伺服系统工作在转矩控制模式的结构

转矩控制原理转矩控制模式下，伺服控制器通过控制电动机输出的转矩或电流，来控制电动机的运动状态。当负载转矩小于电动机设定的输出转矩时，电动机正转。转矩控制应用主要用于受力有严格要求的装置，如焊丝自动化生产的绕线装置中，转矩的设定要根据焊丝缠绕半径的变化随时更改，以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。转矩控制优势转矩控制模式运算量小，驱动器对控制信号的响应最快。其适用于对实时转矩要求较高的焊接自动化应用，能够有效控制焊接过程中的受力情况。转矩控制模式伺服驱动器PART05整流器将工频交流电转换为直流电，通常采用二极管桥式整流电路，为后续的功率变换提供稳定的直流电源。整流器功能滤波器使整流获得的直流电波动部分变得平滑，通常采用电容滤波电路，提高电能质量，为逆变器提供稳定的输入。滤波器作用逆变器将整流获得的直流电转换为频率、幅值可调的交流电，采用PWM技术调节输出频率，实现电动机的精准调速。逆变器原理功率变换电路功率变换电路运算电路功能SPWM电路作用保护电路功能运算电路进行给定信号与反馈信号的比较，并根据要求进行各种控制运算，得到控制信号，实现对电动机的精确控制。SPWM电路采用三角波作为载波，正弦波为调制波，获得三相等效于正弦波的等幅不等宽矩形波脉冲信号，用于驱动功率半导体开关器件。保护电路实现过流、过压等各种保护功能，确保伺服驱动器和电动机的安全运行，提高系统的可靠性和稳定性。控制电路驱动电路作用驱动电路根据控制电路输出的SPWM信号对功率半导体开关器件进行驱动，确保功率器件的可靠工作，实现电能的有效转换和传输。软启动电路功能软启动电路在启动过程中减小对驱动器的冲击，降低启动电流，提高系统的启动性能和可靠性，延长设备的使用寿命。IPM模块特点IPM模块内部集成了驱动电路和多种故障检测保护电路，具有高集成度、高可靠性和低功耗的特点，适用于高压、大功率的伺服系统。驱动电路松下A6SF系列A型伺服驱动器面板接线示意图

伺服驱动器内部电路与外部连接框图

伺服电动机应用PART06机器人焊接工作站机器人焊接工作站由机器人、机械臂、变位机及焊接设备组成。伺服电动机用于实现机器人与变位机的精确位置控制和速度控制，保证焊接轨迹和焊接速度的精确性，提高焊接质量和效率。盾构机零部件焊接在盾构机零部件焊接中，伺服电动机用于控制机器人和变位机的运动，实现复杂焊接轨迹的精确控制。通过PLC和机器人控制系统，实现多设备的联动，确保焊接过程的稳定性。焊接自动化生产线焊接自动化生产线中，伺服电动机广泛应用于焊枪的定位、工件的位移和翻转等环节，实现高精度、高效率的焊接生产。其高精度和快速响应能力，能够有效提高生产效率和产品质量。焊接自动化应用机器人焊接工作站盾构机零部件焊接伺服电动机用于驱动主轴和进给轴，实现精确的切削加工。其高精度和高动态性能，能够满足复杂零件的加工要求，提高加工精