24828B第1章伺服系統(tǒng)概述1.1伺服系統(tǒng)的基本概念

1.2伺服系統(tǒng)的發(fā)展過程

1.3溝通伺服系統(tǒng)的構(gòu)成

1.4溝通伺服系統(tǒng)的分類

1.5溝通伺服系統(tǒng)的常用性能指標

1.6伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢24828B1.1伺服系統(tǒng)的基本概念1.1.1伺服系統(tǒng)的定義

1.1.2伺服系統(tǒng)的組成

1.1.3伺服系統(tǒng)性能的基本要求

1.1.4伺服系統(tǒng)的種類24828B1.1.1伺服系統(tǒng)的定義“伺服系統(tǒng)”是指執(zhí)行機構(gòu)依據(jù)限制信號的要求而動作，即限制信號到來之前，被控對象是靜止不動的；接收到限制信號后，被控對象則按要求動作；限制信號消逝之后，被控對象應自行停止。24828B1.1.2伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)是具有反饋的閉環(huán)自動限制系統(tǒng)。它由檢測部分、誤差放大部分、執(zhí)行部分及被控對象組成。24828B1.1.3伺服系統(tǒng)性能的基本要求1)精度高。

2)穩(wěn)定性好。

3)快速響應。

4)調(diào)速范圍寬。

5)低速大轉(zhuǎn)矩。

6)能夠頻繁地起動、制動以及正反轉(zhuǎn)切換。24828B1.1.4伺服系統(tǒng)的種類伺服系統(tǒng)依據(jù)伺服驅(qū)動機的不同可分為電氣式、液壓式和氣動式三種；依據(jù)功能的不同可分為計量伺服和功率伺服系統(tǒng)，模擬伺服和功率伺服系統(tǒng)，位置伺服、速度伺服和加速度伺服系統(tǒng)等。電氣伺服系統(tǒng)依據(jù)電氣信號可分為直流伺服系統(tǒng)和溝通伺服系統(tǒng)兩大類。溝通伺服系統(tǒng)又有感應電機伺服系統(tǒng)和永磁同步電機伺服系統(tǒng)兩種。24828B1.2伺服系統(tǒng)的發(fā)展過程伺服系統(tǒng)的發(fā)展閱歷了由液壓到電氣的過程，電氣伺服系統(tǒng)的發(fā)展則與伺服電機的不同發(fā)展階段具有緊密的聯(lián)系，伺服電機至今已有50多年的發(fā)展歷史，閱歷了三個主要發(fā)展階段。24828B1.3溝通伺服系統(tǒng)的構(gòu)成1.3.1溝通伺服電機

1.3.2功率變換器

1.3.3傳感器

1.3.4限制器24828B1.3溝通伺服系統(tǒng)的構(gòu)成圖1-1溝通伺服系統(tǒng)24828B1.3.1溝通伺服電機1.同步型溝通伺服電機(無刷直流伺服電機)

2.感應型溝通伺服電機

3.兩種溝通伺服電機的比較24828B1.同步型溝通伺服電機(無刷直流伺服電機)溝通伺服電機中最為普及的是同步型溝通伺服電機，其勵磁磁場由轉(zhuǎn)子上的永磁體產(chǎn)生，通過限制三相電樞電流，使其合成電流矢量與勵磁磁場正交而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。由于只需限制電樞電流就可以限制轉(zhuǎn)矩，因此比感應型溝通伺服電機限制簡潔。而且利用永磁體產(chǎn)生勵磁磁場，特殊是數(shù)千瓦的小容量同步型溝通伺服電機比感應型效率更高。24828B2.感應型溝通伺服電機近年來，隨著電力電子技術(shù)、微處理器技術(shù)與磁場定向限制技術(shù)的快速發(fā)展，使感應電機可以達到與他勵式直流電機相同的轉(zhuǎn)矩限制特性，再加上感應電機本身價格低廉、結(jié)構(gòu)堅實及維護簡潔，因此感應電機漸漸在高精密速度及位置限制系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用。24828B3.兩種溝通伺服電機的比較(1)同步型溝通伺服電機

(2)感應型溝通伺服電機24828B(1)同步型溝通伺服電機1)正弦波電流限制稍困難，轉(zhuǎn)矩波動小。

2)方波電流限制較為簡潔，轉(zhuǎn)矩波動較大。

3)接受稀土永磁體勵磁，功率密度高。

4)電子換相，不需維護，散熱好，慣量小，峰值轉(zhuǎn)矩大。

5)弱磁限制難，不適合恒功率運行。

6)要留意高溫及大電流可能引起的永磁體去磁。24828B(2)感應型溝通伺服電機1)接受磁場定向限制，轉(zhuǎn)矩限制原理類似直流伺服。

2)須要無功的勵磁電流，損耗稍大。

3)設計上要減小漏感及磁路飽和的影響。

4)利用弱磁限制，適合高速及恒功率運行。

5)結(jié)構(gòu)簡潔、堅實，適合大功率應用。

6)限制困難，參數(shù)易受轉(zhuǎn)子溫升影響。24828B1.3.2功率變換器溝通伺服系統(tǒng)功率變換器的主要功能是依據(jù)限制電路的指令，將電源單元供應的直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)樗欧姍C電樞繞組中的三相溝通電流，以產(chǎn)生所須要的電磁轉(zhuǎn)矩。功率變換器主要包括限制電路、驅(qū)動電路、功率變換主電路等。24828B1.3.3傳感器在伺服系統(tǒng)中，須要對伺服電機的繞組電流及轉(zhuǎn)子速度、位置進行檢測，以構(gòu)成電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)，因此須要相應的傳感器及其信號變換電路。24828B1.3.4限制器1.電流限制器

2.速度限制器

3.位置限制器24828B1.4溝通伺服系統(tǒng)的分類1.4.1按伺服系統(tǒng)限制信號的處理方法分類

1.4.2按伺服系統(tǒng)的限制方式分類24828B1.4.1按伺服系統(tǒng)限制信號的處理方法分類1.模擬限制方式

2.數(shù)字限制方式

3.數(shù)字-模擬混合限制方式

4.軟件伺服限制方式24828B1.模擬限制方式1)限制系統(tǒng)的響應速度快，調(diào)速范圍寬。

2)易于與常見的輸出模擬速度指令的CNC(ComputerizedNumericalControl)接口。

3)系統(tǒng)狀態(tài)及信號變更易于觀測。

4)系統(tǒng)功能由硬件實現(xiàn)，易于駕馭，有利于運用者進行維護、調(diào)整。

5)模擬器件的溫漂和分散性對系統(tǒng)的性能影響較大，系統(tǒng)的抗干擾實力較差。

6)難以實現(xiàn)較困難的限制算法，系統(tǒng)缺少柔性。24828B2.數(shù)字限制方式1)系統(tǒng)的集成度較高，具有較好的柔性，可實現(xiàn)軟件伺服。

2)溫度變更對系統(tǒng)的性能影響小，系統(tǒng)的重復性好。

3)易于應用現(xiàn)代限制理論，實現(xiàn)較困難的限制策略。

4)易于實現(xiàn)智能化的故障診斷和疼惜，系統(tǒng)具有較高的牢靠性。

5)易于與接受計算機限制的系統(tǒng)相接。24828B3.數(shù)字-模擬混合限制方式由于數(shù)字限制方式的響應速度由微處理器的運算速度確定，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，要實現(xiàn)包括電流調(diào)整器在內(nèi)的全數(shù)字限制，就必需接受DSP等高性能微處理器芯片，這導致全數(shù)字限制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)困難、成本較高。為滿足電流調(diào)整快速性的要求，全數(shù)字限制永磁溝通伺服系統(tǒng)產(chǎn)品中，電流調(diào)整器雖已數(shù)字化，但其限制策略一般仍接受PID調(diào)整方式。同時，考慮到系統(tǒng)中模擬傳感器(如電流傳感器)的溫漂和信號噪聲的干擾及其數(shù)字化時引入的誤差的影響，全數(shù)字化限制在性價比上并沒有明顯的優(yōu)勢。24828B4.軟件伺服限制方式1)限制器硬件體積小、成本低。

2)限制系統(tǒng)的牢靠性高。

3)系統(tǒng)的穩(wěn)定性好、限制精度高。

4)硬件電路標準化簡潔。

5)系統(tǒng)限制的靈敏性好，智能化程度高。

6)限制策略的更新、升級實力強。24828B1.4.2按伺服系統(tǒng)的限制方式分類1.開環(huán)伺服系統(tǒng)

2.閉環(huán)伺服系統(tǒng)

3.半閉環(huán)伺服系統(tǒng)24828B1.5溝通伺服系統(tǒng)的常用性能指標(1)調(diào)速范圍D

(2)轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)KTr

(3)穩(wěn)速精度

(4)超調(diào)量

(5)轉(zhuǎn)矩變更的時間響應

(6)轉(zhuǎn)速響應時間

(7)靜態(tài)剛度K

(8)定位精度和穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差24828B1.6伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(1)溝通化

(2)全數(shù)字化

(3)高性能化

(4)多功能化

(5)低成本化

(6)小型化和集成化

(7)模塊化和網(wǎng)絡化24828B第2章感應電機伺服限制系統(tǒng)2.1感應電機伺服限制系統(tǒng)的構(gòu)成

2.2感應電機的數(shù)學模型與坐標變換

2.3感應電機的矢量限制

2.3.3解耦限制

2.3.6弱磁限制

2.4伺服限制感應電機的等效直流電機常數(shù)

2.4.2伺服限制感應電機的等效直流電機常數(shù)

2.5關(guān)于感應電機的干脆轉(zhuǎn)矩限制24828B2.1感應電機伺服限制系統(tǒng)的構(gòu)成(1)感應電機的電動運行

(2)感應電機的發(fā)電制動24828B2.1感應電機伺服限制系統(tǒng)的構(gòu)成圖2-1感應電機伺服限制系統(tǒng)的構(gòu)成24828B2.1感應電機伺服限制系統(tǒng)的構(gòu)成圖2-2感應電機的轉(zhuǎn)子與籠型繞組

a)轉(zhuǎn)子b)籠型繞組24828B2.2感應電機的數(shù)學模型與坐標變換2.2.1矢量限制的基本思路

2.2.2在三相靜止坐標系下感應電機的數(shù)學模型

2.2.3坐標變換24828B2.2.1矢量限制的基本思路由電機學中感應電機的運行原理可知，只要能實現(xiàn)對感應電機定子各相電流(iA、iB、iC)的瞬時限制，就能夠?qū)崿F(xiàn)對感應電機轉(zhuǎn)矩的瞬時限制24828B2.2.2在三相靜止坐標系下感應電機的數(shù)學模型1)忽視空間諧波，設三相繞組對稱，在空間互差120°電角度，所產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙四周按正弦規(guī)律分布。

2)忽視磁路飽和，各繞組的自感和互感都是恒定的。

3)忽視鐵心損耗。

4)不考慮頻率變更和溫度變更對繞組電阻的影響。

1.磁鏈方程

2.電壓方程

3.電磁轉(zhuǎn)矩方程

4.運動方程24828B圖2-3三相靜止坐標系下的三相籠型

感應電機的物理模型24828B1.磁鏈方程(1)互感為常數(shù)

(2)互感是角度θre的函數(shù)24828B2.電壓方程將三相定、轉(zhuǎn)子繞組的電壓平衡方程寫成矩陣方程形式，并以微分算子P代替微分運算符號d/dt旋轉(zhuǎn)電動勢矩陣，由轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生，與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比。24828B3.電磁轉(zhuǎn)矩方程24828B4.運動方程作用在電動機軸上的轉(zhuǎn)矩與電動機速度變更之間的關(guān)系可以用運動方程來表達，轉(zhuǎn)子與負載的轉(zhuǎn)動慣量之和。24828B2.2.3坐標變換1.靜止三相/兩相坐標變換

2.靜止/旋轉(zhuǎn)兩相坐標變換24828B1.靜止三相/兩相坐標變換圖2-4靜止三相／兩相坐標系

與繞組磁動勢的空間矢量24828B1.靜止三相/兩相坐標變換圖2-5兩相靜止和旋轉(zhuǎn)坐標系與

磁動勢空間矢量圖24828B2.靜止/旋轉(zhuǎn)兩相坐標變換圖2-6M-T坐標系下感應電機的框圖24828B2.3感應電機的矢量限制2.3.1轉(zhuǎn)子磁場定向M-T坐標系中的基本方程

2.3.2轉(zhuǎn)差頻率限制24828B2.3.1轉(zhuǎn)子磁場定向M-T坐標系中的基本方程式(2-27)為感應電機兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系數(shù)學模型的電壓方程式，式右邊的4行×4列系數(shù)矩陣每一項都是占滿了的，也就是說，系統(tǒng)仍是強耦合的。24828B2.3.2轉(zhuǎn)差頻率限制圖2-7電源頻率的計算框圖24828B2.3.2轉(zhuǎn)差頻率限制圖2-8電源頻率的簡化計算方法24828B2.3.2轉(zhuǎn)差頻率限制圖2-9勵磁電流恒定時的電源頻率計算方法24828B2.3.3解耦限制2.3.4磁通與電流限制

2.3.5坐標變換的實現(xiàn)24828B2.3.3解耦限制圖2-10轉(zhuǎn)子磁場定向限制感應電動機的系統(tǒng)框圖24828B2.3.3解耦限制圖2-11解耦限制的感應電動機的系統(tǒng)框圖24828B2.3.4磁通與電流限制圖2-12含有磁通、電流限制器的感應電機伺服系統(tǒng)的限制框圖24828B2.3.5坐標變換的實現(xiàn)圖2-13從、到、、的實現(xiàn)框圖24828B2.3.5坐標變換的實現(xiàn)圖2-14從、到、的實現(xiàn)框圖24828B2.3.6弱磁限制圖2-15轉(zhuǎn)子磁鏈的限制框圖24828B2.3.7M-T坐標系下感應電機矢量限制伺服系統(tǒng)的構(gòu)成1)位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)限制單元、磁鏈限制單元、解耦限制單元。

2)電機轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速檢測及信號處理計算單元。

3)坐標變換單元。

4)三相逆變單元。24828B圖2-16M-T坐標系下感應電機矢量限制伺服系統(tǒng)24828B2.4.1伺服限制感應電機的等效電路圖2-17感應電機的等效電路24828B2.4.1伺服限制感應電機的等效電路圖2-18轉(zhuǎn)矩重量等效電路24828B2.4.1伺服限制感應電機的等效電路圖2-19勵磁重量等效電路24828B2.4.3伺服限制感應電機的特性框圖與時間常數(shù)圖2-20伺服限制感應電機的特性框圖24828B2.5關(guān)于感應電機的干脆轉(zhuǎn)矩限制1)干脆轉(zhuǎn)矩限制以定子磁鏈作為被限制的磁鏈，限制過程中只涉及電機定子側(cè)的參數(shù)，即定子電壓、電流、磁鏈、阻抗等，所以限制效果不受轉(zhuǎn)子回路參數(shù)變更的影響。

2)干脆轉(zhuǎn)矩限制的限制運算均在定子靜止坐標系中進行，不須要在旋轉(zhuǎn)坐標系中對定子電流進行分解和設定，所以不須要進行靜止坐標系與旋轉(zhuǎn)坐標系之間的變換運算，從而明顯簡化了信號的處理過程，提高了限制運算的速度。24828B2.5關(guān)于感應電機的干脆轉(zhuǎn)矩限制3)干脆轉(zhuǎn)矩限制接受轉(zhuǎn)矩閉環(huán)干脆限