伺服系统及变频器应用技术.ppt

1、机电设备伺服与变频应用技术,机电设备伺服与变频应用技术,第一单元 机电伺服系统概述 （1） 机电伺服系统及类型,2. 机电伺服系统类型,Page 3,本讲主要内容,1. 机电伺服系统概念,Page 4,一、 机电伺服系统概念,伺服系统：用来控制被控对象的某种状态，使其能够自动地、连续地、精确地复现输入信号的变化规律，亦称随动系统。,机电伺服系统：以电动机作为动力驱动元件的伺服系统。,主要任务：按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的转矩、速度及位置都能得到灵活方便的控制。,Page 5,机电伺服系统的应用：,一、 机电伺服系统概念,船舶自动驾驶,火炮控制,数控加

2、工,机器人,Page 6,二、机电伺服系统的类型,伺服系统的分类方法： 按照驱动方式分类 按照功能特征分类 按照控制方式分类,Page 7,1. 按驱动方式分类,Page 8,（1）直流伺服系统,直流伺服系统常用的伺服电动机： 小惯量直流伺服电动机 一般都设计成具有较高的额定转速和较低的惯量，所以应用时要经过中间机械传动（如减速器）才能与丝杠相连接。目前，许多数控机床上仍使用这种电动机驱动的直流伺服系统。 永磁直流伺服电动机（大惯量宽调速直流伺服电动机） 永磁直流伺服电动机的缺点是有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂、价格较贵。,Page 9,（1）直流伺服系统,直流伺服系统适用的功率范围很

3、宽，包括从几十瓦到几十千瓦的控制对象。直流电动机的输出力矩同加于电枢的电流和由激磁电流产生的磁通有关，通过改变电枢电流或激磁电流，可对直流电动机的力矩进行控制。 电枢控制 激磁控制,Page 10,（1）直流伺服系统,即对电枢电流进行控制，这时控制电压施加在电枢上。,图1-1 直流电机的机械特性,电枢控制,特点： 机械特性基本上呈线性特性，如图2-1所示； 响应快； 需要较大的控制功率，增加了功率放大部件的复杂性。,Page 11,（1）直流伺服系统,若对激磁电流进行控制，则将控制电压加在激磁绕组上，称为激磁控制。 激磁控制时要求电枢上加恒流电源，使电动机的力矩只受激磁电流控制。,激励控制,特

4、点： 机械特性上的斜率等于零 动态特性较差 响应较慢,Page 12,（2）交流伺服系统,交流伺服系统使用交流异步伺服电动机（一般用于主轴伺服电动机）和永磁同步伺服电动机（一般用于进给伺服电动机）。,因此，交流伺服系统得到了迅速发展，已经形成伺服系统的主流。,特点：,无电刷,转子惯量小,动态响应好,容量大,更高的电压和转速,Page 13,2. 按功能特征分类,Page 14,（1）位置伺服系统,位置控制是指转角位置或直线移动位置的控制。位置控制按数控原理分为点位控制（PTP）和连续轨迹控制（CP）。,点位控制（PTP） ：是点到点的定位控制，它既不控制点与点之间的运动轨迹，也不在此过程中进行

5、加工或测量。如数控钻床、冲床、镗床、测量机和点焊工业机器人等。,连续轨迹控制（CP）：又分为直线控制和轮廓控制。,直线控制是指工作台相对工具以一定速度沿某个方向的直线运动(单轴或双轴联动)，在此过程中要进行加工或测量。如数控镗铣床、大多数加工中心和弧焊工业机器人等。,轮廓控制是控制两个或两个以上坐标轴移动的瞬时位置与速度，通过联动形成一个平面或空间的轮廓曲线或曲面。如数控铣床、车床、凸轮磨床、激光切割机和三坐标测量机等。,Page 15,（2）速度伺服系统,速度控制是保证电机的转速与速度指令要求一致，通常采用PI控制方式。对于动态响应、速度恢复能力要求特别高的系统，可采用变结构（滑模）控制方式

6、或自适应控制方式。 速度控制既可单独使用，也可与位置控制联合成为双回路控制，但主回路是位置控制，速度控制作为反馈校正，改善系统的动态性能，如各种数控机械的双回路伺服系统。,Page 16,（3）转矩伺服系统,转矩控制是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小。 主要应用在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如绕线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的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。,Page 17,3. 按控制方式分类,Page 18,（1）开环伺服系统,开环伺服系统没有速度及位置测量元件，伺服驱动元件为步进电机或电液脉

7、冲马达。由于这种控制方式对传动机构或控制对象的运动情况不进行检测与反馈，输出量与输入量之间只有前向作用，没有反向联系，故称为开环伺服系统。组成原理图如图2-2所示：,图2-2 开环系统原理图,Page 19,（1）开环伺服系统,优点：结构简单，容易掌握，调试、维修方便，造价低； 缺点：控制精度低、温升高、噪声大、效率低、加减速性能差，在低频段有共振区、容易失步等。,主要特点：,Page 20,（2）半闭环伺服系统,半闭环伺服系统不对控制对象的实际位置进行检测，而是用安装在伺服电机轴端上的速度、角位移测量元件测量伺服电机的转动，间接地测量控制对象的位移，角位移测量元件测出的位移量反馈回来，与输入指令比较，利用差值来校正伺服电机的转动位置。组成原理图如图2-3所示：,图2-3 半闭环系统原理图,Page 21,（2）半闭环伺服系统,较稳定的控制特性 介于闭环伺服系统和开环伺服系统之间的定位精度 系统稳定性较好 调试较容易 价格低廉,主要特点：,Page 22,（3）闭环伺服系统,闭环伺服系统带有检测装置，可以直接对工作台的位移量进行检测。在闭环伺服系统中，速度、位移测量元件不断地检测控制对象的运动状态。如图2-4所示为闭环伺服系统原理图：,图1-4 闭环系统原理图,Page 23,（3）闭环伺服系统,与半闭环伺服系统相比，其反馈点取自输出量，避免了半