1、課題二伺服電機與伺服控制系統(tǒng)原理指導(dǎo)老師：段建中 學(xué)生：虎鑫 學(xué)號：12007240649 2012-3-15 基本概念的介紹與舉例 伺服電機原理介紹 伺服控制系統(tǒng)介紹 總結(jié)內(nèi)容 “伺服伺服”詞源于希臘語詞源于希臘語“奴隸奴隸”的意的意思。思。一、“伺服”的含義 Servomechanism伺服系統(tǒng)應(yīng)用舉例（2）機械手手臂伸縮運動的電液伺服系統(tǒng)原理圖。1電放大器 2電液伺服閥 3液壓缸 4機械手手臂 5齒輪齒條機構(gòu) 6電位器 7步進(jìn)電機 伺服系統(tǒng)應(yīng)用舉例（1）圖圖1.7 液壓仿形車床工作原理圖液壓仿形車床工作原理圖 1.2.3.4節(jié)流口5工件6刀具7樣件8觸銷9油缸10油泵二二. 伺服系統(tǒng)的定

2、義：伺服系統(tǒng)的定義： (servomechanism)(servo-system） 伺服系統(tǒng)是指實現(xiàn)輸出變量精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)輸入變量的控制系統(tǒng)。伺服電機伺服電機（伺服電機（servo motor ） 伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，制系統(tǒng)中，它的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速受信號電壓控它的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速受信號電壓控制制。當(dāng)信號電壓的大小和相位發(fā)生變化時，。當(dāng)信號電壓的大小和相位發(fā)生變化時，電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向?qū)⒎浅ｌ`敏和準(zhǔn)電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向?qū)⒎浅ｌ`敏和準(zhǔn)確地跟著變化。當(dāng)信號確地跟著變化。當(dāng)信號消失消失時，轉(zhuǎn)子能及時，轉(zhuǎn)子能及時地停轉(zhuǎn)。時地停轉(zhuǎn)。伺服電機的分類伺服電

3、機伺服電機交流伺服電機交流伺服電機直流伺服電機直流伺服電機鼠籠轉(zhuǎn)子鼠籠轉(zhuǎn)子杯形轉(zhuǎn)子杯形轉(zhuǎn)子安培定律FBilBil磁場的磁感應(yīng)強度導(dǎo)體中的電流導(dǎo)體的有效長度2(/)Wb m( )A( )m直流電機原理如圖所示： N和S是一對固定的磁極（一般是電磁鐵，也可為永久磁鐵），兩級之間裝著一個可以轉(zhuǎn)動的鐵質(zhì)圓柱體，圓柱體表面上固定這一個線圈，上邊為a，下圈為x，通入如圖所示的電流根據(jù)左手定則便可得出電磁轉(zhuǎn)矩。xNSFF載流線圈在磁場中產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩載流線圈在磁場中產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩ax一、直流電機原理為什么為什么要用要用電刷？電刷？一、直流電機的原理NS12345678nFFAB這樣的連接方法只有一組線圈得電，繞組使用率

4、低，那么如何提高繞組的使用率呢？改進(jìn)后的繞線NSn12345678改進(jìn)后的繞組改進(jìn)后的繞組提高了繞組的使用率提高了繞組的使用率直流電機的勵磁方式勵磁概念：由電流激勵出磁場的過程叫做勵磁。勵磁概念：由電流激勵出磁場的過程叫做勵磁。他勵他勵并勵并勵串勵串勵直流電機的基本方程式電氣系統(tǒng)的電動平衡方程電氣系統(tǒng)的電動平衡方程aaaffa aafffffafdiuG iR iLdtdiuR iLdtuuuaUIaIfIM感應(yīng)電動勢感應(yīng)電動勢uau電氣系統(tǒng)的電動平衡方程電氣系統(tǒng)的電動平衡方程fuaifiaRfRaLfL電源電壓電源電壓電樞繞組上的端電壓電樞繞組上的端電壓勵磁繞組上的端電壓勵磁繞組上的端電壓電

5、樞電流電樞電流勵磁電流勵磁電流電樞電路的電阻電樞電路的電阻勵磁回路的電阻勵磁回路的電阻電樞回路的自感系數(shù)電樞回路的自感系數(shù)勵磁回路的自感系數(shù)勵磁回路的自感系數(shù)電動機的機械角速度電動機的機械角速度2. 機械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平衡方程20edTTTJdteT電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩2T0T負(fù)載轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩空載損耗轉(zhuǎn)矩空載損耗轉(zhuǎn)矩 如果電動機以恒如果電動機以恒角速度轉(zhuǎn)動，則角速度轉(zhuǎn)動，則 ： 0dJdt實例：直流伺服系統(tǒng)( )ie taiaR0() tNTBJMTaLbefi 常數(shù)實例：直流伺服系統(tǒng)伺服電機在磁化曲線的線性范圍內(nèi)使用，因而氣隙磁通 正比于勵磁電流，即：ffK i式中：fK常數(shù)由電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩 正比

6、于電樞電流和氣隙磁通的乘積，即MT1Mff aTK K i i式中：1K常數(shù)fi為磁場勵磁電流ai是電樞電流實例：直流伺服系統(tǒng)在電樞控制的直流電動機中，勵磁電流為常數(shù)，故上式可寫成：MT aTK i式中：TK電動機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)由控制輸入電壓由控制輸入電壓 開始，系統(tǒng)的因果方程為開始，系統(tǒng)的因果方程為( )ie t1.電樞電壓方程：aaa aibdiLR ieedt實例：直流伺服系統(tǒng)2.電動機轉(zhuǎn)矩MT aTK i3.轉(zhuǎn)矩平衡方程2002MNddJBTTdtdt4.電動機的反電動勢正比于速度0bbdeKdtbK反電動勢常數(shù)系統(tǒng)因果方程拉氏變換為實例：直流伺服系統(tǒng)200()( )( )( )( )(

7、)()( )( )( )( )aaaibMTaNbbL sR IsE sE sTsK IsJsBssTsE sK ss當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩( )0NTs其傳遞函數(shù)是:實例：直流伺服系統(tǒng)0( )( )( )()()TiaaTbsKG sE ss L sRJsBK K( )iE s( )bE s( )bKs1aaL sR( )aIsTK( )MTs( )NTs1()s JsB0( ) s直流伺服電機的系統(tǒng)方框圖直流伺服電機的系統(tǒng)方框圖主要內(nèi)容7.3 7.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺服電機及其速度控制mTaTKIaEEKn（ 一定）一定）aaaaRIEU電樞回路電壓平衡方程式電樞回路電壓平衡方程式感應(yīng)電

8、勢與轉(zhuǎn)速關(guān)系感應(yīng)電勢與轉(zhuǎn)速關(guān)系電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩 直流伺服電機的調(diào)速原理與方法直流伺服電機的調(diào)速原理與方法MIaIfUfUaRaLaEaUaMIaIfUfUaRaLaEaUa原原理理圖圖等等效效圖圖電機轉(zhuǎn)速與理想轉(zhuǎn)速的差電機轉(zhuǎn)速與理想轉(zhuǎn)速的差n，反映了電機機械特性硬度，反映了電機機械特性硬度，n越?。ㄞD(zhuǎn)矩對轉(zhuǎn)速變化的影響越?。ㄞD(zhuǎn)矩對轉(zhuǎn)速變化的影響程度越?。?，機械特性越硬。程度越?。?，機械特性越硬。n0主要內(nèi)容TTn n直流電機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系直流電機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系n=f(T)n=f(T)稱稱機械特性機械特性直流電機的基本調(diào)速方式有三種直流電機的基本調(diào)速方式有三種: :調(diào)節(jié)電阻調(diào)節(jié)電阻Ra、調(diào)節(jié)

9、電樞電壓調(diào)節(jié)電樞電壓Ua和調(diào)和調(diào)節(jié)磁通節(jié)磁通的值。的值。7.3 7.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺服電機及其速度控制202aamEETamETURnTKK KRnTK K主要內(nèi)容他勵式直流伺服電機的轉(zhuǎn)速公式他勵式直流伺服電機的轉(zhuǎn)速公式202aamEETamETURnTKK KRnTK K電樞電阻調(diào)速很少采用，電樞電阻調(diào)速很少采用，缺點：缺點：不經(jīng)濟：要得到低速，不經(jīng)濟：要得到低速，R R很大，則消耗大量電能；很大，則消耗大量電能；低速，特性很軟，運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性很差；低速，特性很軟，運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性很差；調(diào)節(jié)平滑性差，操作費力。調(diào)節(jié)平滑性差，操作費力。7.3 7.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺服電

10、機及其速度控制主要內(nèi)容Tnn0R0R2R1202aamEETamETURnTKK KRnTK K主要內(nèi)容調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)節(jié)電樞電壓（調(diào)壓調(diào)速）（調(diào)壓調(diào)速）時，直流電機機械特性為時，直流電機機械特性為一組平行線，只改變電機的理想轉(zhuǎn)速一組平行線，只改變電機的理想轉(zhuǎn)速n n0 0 ，保持了原，保持了原有較硬的機械特性，所以有較硬的機械特性，所以調(diào)壓調(diào)速調(diào)壓調(diào)速主要用于主要用于伺服進(jìn)給伺服進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)電機的調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)電機的調(diào)速UaNUa1 Ua2OTNnn0Nn01n02nNn1n2Ua2Ua1UaNNTN nNT12TOn02n01n0Nn2n1nNnN12如果如果n n值較大，不可能值較大，不可能

11、實現(xiàn)寬范圍的調(diào)速。永磁實現(xiàn)寬范圍的調(diào)速。永磁式直流伺服電機的式直流伺服電機的n n值值較小，因此，較小，因此，進(jìn)給系統(tǒng)常進(jìn)給系統(tǒng)常采用永磁式直流電機。采用永磁式直流電機。 7.3 7.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺服電機及其速度控制主要內(nèi)容調(diào)節(jié)磁通調(diào)節(jié)磁通（調(diào)磁調(diào)速）（調(diào)磁調(diào)速）不但改變了電機的理想轉(zhuǎn)不但改變了電機的理想轉(zhuǎn)速，而且使直流電機機械特性變軟速，而且使直流電機機械特性變軟Ua N Ua 1 Ua 2OTNnn0 Nn0 1n0 2nNn1n2Ua 2Ua 1Ua NNTN nNT12TOn0 2n0 1n0 Nn2n1nNnN 1 27.3 7.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺

12、服電機及其速度控制主要內(nèi)容 直流伺服電機速度控制單元的調(diào)速控制方式直流伺服電機速度控制單元的調(diào)速控制方式調(diào)速的概念有兩個方面的含義調(diào)速的概念有兩個方面的含義: :1)1)改變電機轉(zhuǎn)速：當(dāng)給定速度變化時改變電機轉(zhuǎn)速：當(dāng)給定速度變化時, ,電機的速度電機的速度隨之變化隨之變化, ,并希望以最快的加減速達(dá)到新的給定速并希望以最快的加減速達(dá)到新的給定速度值；度值；2)2)當(dāng)給定速度不變化時當(dāng)給定速度不變化時, ,電機的速度保持穩(wěn)定不變。電機的速度保持穩(wěn)定不變。7.3 7.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺服電機及其速度控制主要內(nèi)容直流伺服電機速度控制單元的調(diào)速控制方式直流伺服電機速度控制單元的調(diào)速控制

13、方式 需對直流電壓的大小和方向進(jìn)行控制需對直流電壓的大小和方向進(jìn)行控制直流伺服電機速度控制單元的作用：直流伺服電機速度控制單元的作用：將轉(zhuǎn)速指令信號轉(zhuǎn)將轉(zhuǎn)速指令信號轉(zhuǎn)換成電樞的電壓值換成電樞的電壓值，達(dá)到速度調(diào)節(jié)的目的。，達(dá)到速度調(diào)節(jié)的目的。直流電機速度控制單元常采用的調(diào)速方法：直流電機速度控制單元常采用的調(diào)速方法： 1.1.晶閘管（可控硅）調(diào)速系統(tǒng)晶閘管（可控硅）調(diào)速系統(tǒng) 2.2.晶體管脈寬調(diào)制（晶體管脈寬調(diào)制（PWM Pulse Width ModulatedPWM Pulse Width Modulated）調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)速系統(tǒng)。 主要內(nèi)容1 1晶閘管調(diào)速系統(tǒng)晶閘管調(diào)速系統(tǒng)常用于大功率及要

14、求不很高的直流伺服電機調(diào)速控制。常用于大功率及要求不很高的直流伺服電機調(diào)速控制。7.3 7.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺服電機及其速度控制U*n主要內(nèi)容速度速度調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器電流電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器觸發(fā)脈沖觸發(fā)脈沖發(fā)生器發(fā)生器可控硅可控硅電流反饋電流反饋速度反饋速度反饋電流檢測電流檢測編碼器編碼器電機電機+-UnInI*n+-US 控制控制回路回路主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驅(qū)動，使電機轉(zhuǎn)動。主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驅(qū)動，使電機轉(zhuǎn)動。速度環(huán)：速度調(diào)節(jié)，作用：好的靜態(tài)、動態(tài)特性。速度環(huán)：速度調(diào)節(jié)，作用：好的靜態(tài)、動態(tài)特性。電流環(huán)：電流調(diào)節(jié)，作用：系統(tǒng)快速性、穩(wěn)定性改善。電

15、流環(huán)：電流調(diào)節(jié)，作用：系統(tǒng)快速性、穩(wěn)定性改善。觸發(fā)脈沖發(fā)生器：產(chǎn)生移相脈沖，使可控硅觸發(fā)角前移觸發(fā)脈沖發(fā)生器：產(chǎn)生移相脈沖，使可控硅觸發(fā)角前移或后移?；蚝笠啤?.3 7.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺服電機及其速度控制462791113581210ABCMUMUDKMKM+-主回路主回路由大功率晶閘管構(gòu)成的三相全控橋式反并接可逆電由大功率晶閘管構(gòu)成的三相全控橋式反并接可逆電路，分成二大部分（路，分成二大部分（ 和和 ），每部分內(nèi)按三相橋式連），每部分內(nèi)按三相橋式連接，二組反并接，分別實現(xiàn)正轉(zhuǎn)接，二組反并接，分別實現(xiàn)正轉(zhuǎn) 和反轉(zhuǎn)。和反轉(zhuǎn)。各有一個可控硅同時導(dǎo)通，形成回路。各有一個可控硅同時導(dǎo)

16、通，形成回路。7.3 7.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺服電機及其速度控制1 1、3 3、5 5在正半周導(dǎo)通，在正半周導(dǎo)通， 2 2、4 4、6 6在負(fù)半周導(dǎo)在負(fù)半周導(dǎo)通。每組內(nèi)（即二相間）觸發(fā)脈沖相位相差通。每組內(nèi)（即二相間）觸發(fā)脈沖相位相差120120，觸發(fā)脈沖的順序：，觸發(fā)脈沖的順序：1-2-3-4-5-61-2-3-4-5-6，相鄰，相鄰之間相位差之間相位差6060。為保證合閘后兩個串聯(lián)可控為保證合閘后兩個串聯(lián)可控硅能同時導(dǎo)通硅能同時導(dǎo)通，或已截止的相再次導(dǎo)通或已截止的相再次導(dǎo)通，采用，采用雙脈沖控制。即每個觸發(fā)脈沖在導(dǎo)通雙脈沖控制。即每個觸發(fā)脈沖在導(dǎo)通6060后，后，再補發(fā)一個輔

17、助脈沖；也可以采用寬脈沖控制，再補發(fā)一個輔助脈沖；也可以采用寬脈沖控制，寬度大于寬度大于6060，小于，小于120120。7.3 7.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺服電機及其速度控制 只要改變可控只要改變可控硅觸發(fā)角（即改變硅觸發(fā)角（即改變導(dǎo)通角），就能改導(dǎo)通角），就能改變可控硅的整流輸變可控硅的整流輸出電壓，從而改變出電壓，從而改變直流伺服電機的轉(zhuǎn)直流伺服電機的轉(zhuǎn)速。速。 觸發(fā)脈沖提前，觸發(fā)脈沖提前，增大整流輸出電壓；增大整流輸出電壓；觸發(fā)脈沖延后，減觸發(fā)脈沖延后，減小整流輸出電壓。小整流輸出電壓。uacbcaba)b)c)d)135 tub246bcatttt1 1 3 3 5 5 1

18、 1 3 3 6 2 2 4 4 6 6 2 2 4 135246120120180601324606056晶閘管調(diào)節(jié)電路主要內(nèi)容2PWM調(diào)速控制系統(tǒng)調(diào)速控制系統(tǒng)利用大功率晶體管的開關(guān)作用，將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻利用大功率晶體管的開關(guān)作用，將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的率的方波電壓方波電壓，加到直流電動機的電樞上；通過調(diào)整控制，加到直流電動機的電樞上；通過調(diào)整控制方波脈沖寬度來改變電樞的平均電壓，從而調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)方波脈沖寬度來改變電樞的平均電壓，從而調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。速?？刂齐娐泛唵?，不需附加關(guān)斷電路，開關(guān)特性好?？刂齐娐泛唵?，不需附加關(guān)斷電路，開關(guān)特性好。 廣泛廣泛應(yīng)用中、小功率直流伺服系統(tǒng)。應(yīng)用

19、中、小功率直流伺服系統(tǒng)。周期不變周期不變脈寬脈寬脈寬脈寬脈寬脈寬脈寬脈寬平均直流電壓平均直流電壓Ut周期不變周期不變7.3 7.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺服電機及其速度控制主要內(nèi)容MUtttTonTEaIaUEaUaVDIa-+直流電機電壓的平均值直流電機電壓的平均值: : aonTaaETTETU01T脈沖周期，脈沖周期， Ton導(dǎo)通時間導(dǎo)通時間7.3 7.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺服電機及其速度控制脈寬調(diào)制（脈寬調(diào)制（PWMPWM）系統(tǒng)組成：）系統(tǒng)組成：主要內(nèi)容主要內(nèi)容速度速度調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器電流反饋電流反饋脈寬脈寬調(diào)制調(diào)制基極基極驅(qū)動驅(qū)動功功放放振蕩器振蕩器 電流電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器M M速速度度指指令令 三相交流電三相交流電整流整流速度反饋速度反饋U UsrsrU USCSCU UU Ub b7.3 7.3 直流伺服電機及其速度控制直流伺服電機及其速度控制 控制回路：控制回路： 速度調(diào)節(jié)器；電流調(diào)節(jié)器；固定頻率振蕩器及三速度調(diào)節(jié)器；電流調(diào)節(jié)器；固定頻率振蕩器及三角波發(fā)生器；脈寬調(diào)制器和基極驅(qū)動電路。角波發(fā)生器；脈寬調(diào)制器和基極驅(qū)動電路。 區(qū)別：區(qū)別： 與晶閘管調(diào)速系統(tǒng)比較，速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)與晶閘管調(diào)速系統(tǒng)比較，速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié) 器原理一樣。不同的是脈寬調(diào)制器和功率