第五章-伺服驱动技术.ppt

1、第5章伺服驱动器技术，5.1概述，5.3步进驱动器系统，5.4直流伺服驱动器系统，5.2通用控制的电动机，5.1概述，第5章伺服驱动器技术，机构所需的运动和动力，最终来自伺服驱动器系统。基本要求：动作输出量快速准确地响应命令输入更改。图1伺服系统的基本组件，5.1概述，按执行组件分类，图2其他执行组件的伺服系统，5.1概述，按控制分类，图3伺服驱动器系统的基本控制方法，5.1概述，开环伺服系统，无测试链，机械零件的运动误差没有反馈给控制系统，伺服精度主要取决于执行组件和驱动零件的精度，在半闭环伺服系统、电机轴上检测或在驱动链中间轴上测试，有效控制电机的速度和角度位移，机器系统的非线性因素对系统

2、的稳定性影响不大，位置增益可以调节得很高。从执行零件直接检测位置的闭环伺服系统、不受机械传递精度影响的控制精度、伺服系统的动态参数对伺服系统的稳定性有一定的困难。5.1概述，对伺服驱动器系统的要求，可靠性，高精度，快速，抗干扰，稳定性判断，位置精度，集成精度，核心是执行元件的快速，第五章伺服驱动器技术，5.2通用控制用电动机，转矩电动机，脉冲(步进)电动机，以及，电压、电流、频率(包括指令脉冲)等控制方式，固定速度、变速驱动器或重复启动，停止增量驱动器，将电能转换为机械能的一种能量转换装置，提供正确的运动或更复杂的动作，5.2一般为控制马达，第一，控制马达的基本要求，(1)，(3)位置控制精度

3、高，速度调节范围宽，运行平稳，无爬行，分辨率高，振动噪音小。(4)适应和停止频繁的工作要求。(5)可靠性高，寿命长。5.2通用控制的电动机，2，控制电动机的特性和选择，表1通用电动机的适用范围，5.2通用控制的电动机，表2伺服电动机的特性和应用，第5章伺服驱动器技术，5.3步进驱动系统，1，步进电动机的特性和类型，1，步进电动机的特性，电脉冲信号，(2)步距角度有误差，但不会长期积累。(3)在开始、停止、反转中，“失去阶段”并不容易。2，步进电机种类，图4可变磁阻步进电动机，定子1和转子2由核心组成，没有永磁体，图5永磁步进电动机，转子2由永磁体，定子1由柔性磁铁构成，绕组3交替供电。5.3步

4、进驱动系统，5.3步进驱动系统，图6混合步进电动机，转子内置永磁体，永磁体两端贴有两个管帽芯。定子相位数和绕组接线有特殊的地方。5.3步进驱动系统，2，步进电动机工作原理，图7三相反应步进电动机工作原理，三相单三位电源，ABCA，三相双三位电源，ABBCCAAB，5.3步进驱动系统，图8三相六位反应步进电动机工作原理，ABBCCAAB当一相定子磁极的小齿与转子的小齿对齐时，另一个二相磁极的小齿就会错过转子的小齿和角。转子齿数，电动机中的相位数，快照数/相位数。5.3步进驱动系统，3，步进电动机运行特性，1，分辨率，步进角度，2，静态特性，力矩特性，图9不平衡角度图，转子齿的中心线与定子齿的中心

5、线匹配，转子没有转矩输出，此时位置是转子的初始稳定平衡位置。在电动机转子轴上添加载荷转矩将导致转子齿的中心线和定子齿的中心线错过电气角度，从而再次稳定。在这种情况下，转子的电磁转矩等于载荷转矩，静态转矩是偏移角度。5.3步进驱动系统，图10力矩特性曲线，静态力矩越大，自动锁力矩越大，静态误差越小。如果位移角度在-中，移除负载扭矩可使转子返回初始稳定平衡位置。因此，的区域称为步进电动机的静态稳定区域。静态稳定区域，5.3步进驱动系统，3，动态特性，动态稳定区域，图11力矩特性曲线族，步进电动机从a相电源状态切换到b相(或AB相)电源状态时不发生损耗阶段，该区域称为动态稳定区域。5.3步进驱动系统

6、、启动扭矩、最大连续工作频率、力矩频率特性、空载起始频率、惯性频率特性、力矩特性曲线中相邻二相曲线交点对应的扭矩称为启动扭矩，表示可由步进电动机的单相励磁时间驱动的极限载荷扭矩。连续操作中步进电动机可接受的最大控制频率。马达在连续工作状态下随着控制频率的增加，电磁扭矩逐渐减小，在其他控制频率下马达产生的扭矩称为动态扭矩。在空载状态下，转子可以在静止状态下逐步启动最大控制频率。步进电动机驱动惯性载荷时的起始频率与载荷惯性矩的关系。5.3步进驱动器系统、4、步进电动机驱动器、驱动器(驱动电源)以所需的功率分配方式自动循环于步进电动机的各相绕组上，例如从变频信号源(微型计算机或CNC设备)发送的脉冲

7、信号和方向信号。1，环形脉冲分配器，步进电机绕组的电源顺序按一定顺序变化的装置称为脉冲分配器。计算机软件，AABBBCCCAA，状态代码：01H，03H，02H，06H，04H，05H，通过查找表或计算方法分配脉冲环。5.3步进驱动系统、环分配器专用集成电路、3相6位布线、图12专用环分配器CH250布线图、采用门电路和触发器的硬件环脉冲分配器、5.3步进驱动系统、2、功率放大器、脉冲信号电流(几毫秒)、功率放大器、电动机驱动电流绕组断电时产生反电动势。电压类型，单电压类型，双电压类型(高低压)，电流类型，恒流驱动，斩波驱动，5.3步进驱动系统，(1)单电压功率放大器电路，图13单电压功率放大

8、器电路，在高电流电路中消耗能量，降低放大器效率；此外，由于绕组电感l较大，电路对脉冲电流的响应较慢。5.3步进驱动系统，(2)低压功率放大器(解决电路电流上升缓慢的问题)，图14高压功率放大器，5.3步进驱动系统，(3)斩波恒流功率放大器(解决电流限制电阻消耗功率问题)，图15斩波恒流功率放大器，5.3步进驱动系统，关闭时，w通过VF2、VD4释放能量，从而减少IW，使电流平均值保持所需值的稳定。该电路消除了限流电阻，提高了效率，在w储能装置中使用了高压，因此提高了波形前沿，提高了步进电机的输出转矩，提高了工作频率。5.3步进驱动系统，3，细分驱动器，在每个输入脉冲切换时，如果将额定电流分成多

9、个阶梯，而不是通过或切断所有线圈电流，则转子将在相同的数目下旋转一步距离角。图18细分电流波形，以便绕组的电流从多个等宽阶梯上升到额定值，从同一阶梯下降到额定值0。，5.3步进驱动系统，图19电源开关细分驱动电路，绕组电流上升期间VTd1VTd5顺序指南。每个导轨一个，绕组的电流上升一个台阶，步进电机转动一个小步骤。5.3步进驱动系统，5，步进电动机产品，图2086系列三相步进电动机技术参数，5章伺服驱动器技术，5.4直流伺服驱动器系统，1，直流电动机功能，优点：控制性能好，启动扭矩大，相对功率和响应速度。缺点：与交流马达相比，结构复杂，价格高。第二，直流电机结构原理，通过刷和换向器整流，使磁

10、场磁电位和电枢电流磁电位正交，产生转矩。电机结构由磁极、电枢绕组、电刷和换向器组成。5.4直流伺服驱动器系统，图21直流伺服电动机工作原理，直流伺服电动机的要求如下。从伺服电动机获得的速度n必须与应用的电压u(t)成比例，以便能够根据需要调整直流电动机的速度。5.4直流伺服驱动系统，图22电枢电压控制时电枢等效电路，转子转速与电枢电压、电流、定子磁场中的各极气隙磁通相关。也就是说，当忽略电枢绕组的压降时，(1)，(2)，5.4直流伺服驱动系统，3，直流电动机的数学模型，电压平衡方程：(3)，感应电动势方程：(4)，电磁转矩方程：(、5.4直流伺服驱动系统、4、直流电动机驱动技术、伺服电动机功率的驱动放大是伺服系统的心脏，用于转换功率和驱动伺服电动机运动。晶体管功率放大器、线性放大器、开关型放大器、脉宽调制(PWM)、脉冲频率调制(PFM)、SCR (SCR)、5.4直流伺服驱动器系统、图25开关放大器的电压波形、5.4直流伺服驱动器系统、脉宽调制，控制电压脉冲宽度或周期以达到变压目的。控制电压脉冲宽度和脉冲序列的周期，以达到变频目的。脉冲频率调制，传导角度固定和重复频率变化。PWM、PFM、晶闸管整流器、SCR、整流器交流电源电压形式。5.4直流伺服驱动器系统，图26PWM和PFM原理，5.4直流伺服驱动器系统，表3功率放大器性能和应用比较，晶体管