第3章伺服驅動技術機電一體化技術3.3電氣伺服系統(tǒng)3.3電氣伺服系統(tǒng)

2（1）直流伺服電動機的基本結構及工作原理3.3.1、直流伺服系統(tǒng)圖3-3.1直流伺服電動機基本結構直流伺服電動機與直流電動機結構、原理相同。只是為減小轉動慣量，電機做得細長一些。直流伺服電動機主要由磁極、電驅、電刷、換向片等部分組成，如圖3-3.1所示。3.3電氣伺服系統(tǒng)

3（2）直流伺服電動機的類型及特點3.3.1、直流伺服系統(tǒng)直流伺服電動機具有穩(wěn)定性好、易控制、響應快、控制功率低、損耗小、轉矩大等優(yōu)點，因此在工業(yè)中得到了較廣泛的應用，但是電刷和換向器的使用增大了電動機維護的工作量，縮短了電動機的使用壽命。3.3電氣伺服系統(tǒng)

43.3.1、直流伺服系統(tǒng)直流伺服電動機定子勵磁方式電磁式他勵式串勵式并勵式復勵式永磁式電驅的結構與形狀平滑電驅型空芯電驅型有槽電驅型轉子轉動慣量大慣量（直流力矩伺服器）中慣量小慣量3.3電氣伺服系統(tǒng)

5（3）直流伺服電動機的穩(wěn)態(tài)特性3.3.1、直流伺服系統(tǒng)圖3-3.2電驅控制直流伺服電動機原理圖

3.3電氣伺服系統(tǒng)

6（3）直流伺服電動機的穩(wěn)態(tài)特性3.3.1、直流伺服系統(tǒng)

2）轉子切割磁力線時，電樞反電動勢Ea與轉速n之間關系為Ea=KeΦn

式中，Ke是電動勢常數，僅與電動機結構有關；Φ是定子磁場中每極的氣隙磁通量,n為轉子轉速。3.3電氣伺服系統(tǒng)

7（3）直流伺服電動機的穩(wěn)態(tài)特性3.3.1、直流伺服系統(tǒng)

3.3電氣伺服系統(tǒng)

8（3）直流伺服電動機的機械特性與調節(jié)特性3.3.1、直流伺服系統(tǒng)根據穩(wěn)態(tài)方程，可得出直流伺服電動機的兩種特殊運行狀態(tài)當M=0，即空載時，有

當n=0，即啟動或堵轉時，有

3.3電氣伺服系統(tǒng)

9（3）直流伺服電動機的機械特性與調節(jié)特性3.3.1、直流伺服系統(tǒng)

3.3電氣伺服系統(tǒng)

10（3）直流伺服電動機的機械特性與調節(jié)特性3.3.1、直流伺服系統(tǒng)可見，給定不同的Ua值和M值，可分別繪出直流伺服電動機的機械特性曲線和調節(jié)特性曲線如圖3-3.3所示。圖3-3.3直流伺服電動機的機械特性（左）和調節(jié)特性（右）3.3電氣伺服系統(tǒng)

11（3）直流伺服電動機的機械特性與調節(jié)特性3.3.1、直流伺服系統(tǒng)直流伺服電動機的機械特性是一組斜率相同的直線簇。每條機械特性和一種電樞電壓相對應，與n軸的交點是該電樞電壓下的理想空載角速度，與M軸的交點則是該電樞電壓下的啟動轉矩。機械特性的斜率為負，說明在電樞電壓不變時，電動機轉速隨負載轉矩增加而降低。直流伺服電動機的調節(jié)特性也是一組斜率相同的直線簇。每條調節(jié)特性和一種電磁轉矩相對應，與Ua軸的交點是啟動時的電樞電壓。調節(jié)特性的斜率為正，說明在一定的負載下，電動機轉速隨電樞電壓的增加而增加。3.3電氣伺服系統(tǒng)

12（4）直流伺服電動機的控制驅動3.3.1、直流伺服系統(tǒng)直流伺服電動機的轉速和方向調節(jié)通過控制電驅直流電壓的大小和方向實現，目前常用的驅動控制有晶閘管直流調速驅動和晶體管脈寬調制（PulseWidthModulation,PWM）。晶閘管直流調速驅動在低整流電壓時其輸出是很小的尖峰電壓的平均值，會造成電流的不連續(xù)性。脈寬調制驅動系統(tǒng)開關頻率高，伺服機構能夠響應的頻帶范圍也寬，與晶閘管相比，其輸出電流脈動非常小，接近于純真流。因此一般采取脈寬調制進行直流調速驅動。3.3電氣伺服系統(tǒng)

13（4）直流伺服電動機的控制驅動3.3.1、直流伺服系統(tǒng)脈寬調制原理：利用大功率晶體管的開關作用，將直流電源電壓轉換成一定頻率的方波電壓，加在直流電動機的電樞上，通過對方波脈沖寬度的控制，改變電樞的平均電壓，從而調節(jié)電動機的轉速。PWM信號需要連接功率放大器才能夠驅動直流伺服電機。單極性驅動方式：通過占空比的改變控制電動機兩端的平均電壓雙極性驅動方式：采取四個功率開關構成H橋電路，通過開關之間的配合作用可以實現電動機的制動和反向。3.3電氣伺服系統(tǒng)

14（1）交流伺服電動機的工作原理3.3.2、交流伺服系統(tǒng)交流伺服電動機按結構和工作原理分為同步交流伺服電動機（SM）和異步交流伺服電動機（IM）。1）同步交流伺服電動機：三相交流電流通過定子繞組時，在定子上產生旋轉磁場，旋轉磁場與轉子磁場相互作用驅動轉子轉動。轉子的旋轉速度與定子繞組所產生的旋轉磁場的速度一致，轉速可表示為：

3.3電氣伺服系統(tǒng)

15（1）交流伺服電動機的工作原理3.3.2、交流伺服系統(tǒng)2）異步交流伺服電動機：又稱為感應式伺服電動機，轉子切割磁感線產生感應電流，從而產生電磁轉矩，驅動轉子沿定子產生的旋轉磁場的相同方向旋轉，如圖3-3.4所示。轉速方程為：

圖3-3.4異步交流電動機工作原理圖3.3電氣伺服系統(tǒng)

16（2）交流伺服電動機的特性3.3.2、交流伺服系統(tǒng)交流伺服電動機的機械特性是指在一定的電源電壓和轉子電阻之下，電動機轉速與電磁轉矩的關系n=f(M)或轉差率與電磁轉矩的關系s=f(M)，如圖3-3.5所示。圖3-3.5異步交流電動機的機械特性3.3電氣伺服系統(tǒng)

17（3）交流伺服電動機的控制與驅動3.3.2、交流伺服系統(tǒng)

3.3電氣伺服系統(tǒng)

18（3）交流伺服電動機的控制與驅動3.3.2、交流伺服系統(tǒng)為了使異步交流電動機具有與直流電動機一樣的控制特性，必須將定子電流分解磁場方向上的分量和與之正交方向的分量，磁場方向的分量相當于勵磁電流，與之正交方向的分量相當于轉矩電流，二者分別控制，使得三相異步電動機得到于直流電動機相似的控制特性?！ぷ冾l調速控制由異步交流電動機的轉速公式可知其調速方法有變頻調速、變級調速和變轉差率調速三種，其中變頻調速是一種理想的調速方式。實現變頻調速的方法有很多種，可分為交-交變頻、交-直-交變頻、正弦波脈寬調制（SPWM）變頻等。3.3電氣伺服系統(tǒng)

19（1）步進伺服電動機的結構與分類3.3.3、步進伺服系統(tǒng)步進電機運動形式旋轉運動式直線運動式平面運動式工作方式功率式伺服式勵磁相數兩相三相……工作原理可變磁阻式步進電動機（VR）永磁式步進電動機（PM）混合式步進電動機（HB）3.3電氣伺服系統(tǒng)

20（2）步進伺服電動機的工作原理3.3.3、步進伺服系統(tǒng)三相反應式步進電動機的定子上有6個齒，其上分別纏有A、B、C三相繞組，構成三對磁極；轉子上則均勻分布著4個齒。步進電動機采用直流電源供電。當A、B、C三相繞組輪流通電時，通過電磁力的吸引，步進電動機轉子一步一步地旋轉。圖3-3.6三相反應式步進電動機示意圖3.3電氣伺服系統(tǒng)

21（2）步進伺服電動機的工作原理3.3.3、步進伺服系統(tǒng)步進電動機繞組每次通斷電使轉子轉過的角度稱之為步距角。上述分析中的步進電動機步距角為30°。對于一個真實的步進電動機，為了減少每通電一次的轉角，在轉子和定子上開有很多定分的小齒。其中定子的三相繞組鐵心間有一定角度的齒差，當A相定子小齒與轉子小齒對正時，B相和C相定子上的齒則處于錯開狀態(tài)

3.3電氣伺服系統(tǒng)

22（3）步進伺服電動機的運動特性3.3.3、步進伺服系統(tǒng)1)步進電動機矩-角特性圖3-3.7矩-角特性曲線

3.3電氣伺服系統(tǒng)

23（3）步進伺服電動機的運動特性3.3.3、步進伺服系統(tǒng)2）步進電動機轉矩與工作頻率特性圖3-3.8步進電動機轉矩與工作頻率特性3.3電氣伺服系統(tǒng)

24（4）步進伺服電動機的驅動控制3.3.3、步進伺服系統(tǒng)2）步進電動機驅動系統(tǒng)主要實現由弱電到強電的轉換和放大，即將邏輯電平信號轉換成電動機繞組所需要的具有一定功率的電流脈沖信號。驅動系統(tǒng)由環(huán)形分配器（又稱脈沖分配器）和功率放大器組成。圖3-3.9步進電動機驅動系統(tǒng)3.4電液伺服系統(tǒng)25電液伺服閥既是電液轉換元件，又是功率放大元件。它能夠將輸入的微小電氣信號轉換為大功率的液壓信號(流量與壓力)輸出，根據輸出液壓信號的不同，電液伺服閥可分為電液流量控制伺服閥和電液壓力控制伺服閥兩大類。在電液伺服系統(tǒng)中，電液伺服閥將系統(tǒng)的電氣部分與液壓部分連接起來，實現電、液信號的轉換與放大以及對液壓執(zhí)行元件的控制。電液伺服閥是電液同服系統(tǒng)的關鍵部件，它的性能及正確使用，直接關系到整個系統(tǒng)的控制精度和響應速度，也直接影響到系統(tǒng)工作的可靠性和壽命。3.4.1、電液伺服閥3.4電液伺服系統(tǒng)263.4.1、電液伺服閥1電液伺服閥的組成電液伺服閥通常由力矩馬達（或力馬達）、液壓放大器、反饋機構（或平衡機構）三部分組成。力矩馬達的作用是把輸入的電氣控制信號轉換為力矩（或力)，控制液壓放大器的運動。而液壓放大器的運動又去控制液壓油源流向液壓執(zhí)行機構的流量或壓力。力矩馬達的輸出力矩(或力)很小，在閥的流量比較大時，無法直接驅動功率級閥運動，此時需要增加液壓前置級，將力矩馬達的輸出加以放大，再去控制功率級閥，這就構成二級或三級電液伺服閥。3.4電液伺服系統(tǒng)273.4.1、電液伺服閥1電液伺服閥的組成第一級的結構形式有單噴嘴擋板閥、雙噴嘴擋板閥、滑閥、射流管閥和射流元件等。功率級幾乎都采用滑閥。當在二級或三級電液伺服閥中，通常采用反饋機構將輸出級(功率級)的閥芯位移、輸出流量或輸出壓力以位移、力或電信號的形式反饋到第一級或第級的輸入端，也有反饋到力矩馬達銜鐵組件或力矩馬達輸入端的，平衡機構一般用于單級同服閥或二級彈簧對中式伺服閥。平衡機構通常采用各種彈性元件，是一個力-位移轉換元件。3.4電液伺服系統(tǒng)283.4.1、電液伺服閥2電液伺服閥的分類電液伺服閥的結構形式很多，可按不同的分類方法進行分類：按液壓放大器的級數分類：單級、兩級和三級伺服閥。按第一級閥的結構形式分類：滑閥、單/雙噴嘴擋板閥和偏轉板射流閥等。按反饋形式分類：滑閥位置反饋、負載流量反饋和負載壓力反饋三種。按力矩馬達是否浸泡在油中分類：濕式和干式兩種。3.4電液伺服系統(tǒng)29電液伺服系統(tǒng)的分類方法很多，可按不同的角度分類：按輸出物理量分類：位置控制系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、力控制系統(tǒng)等。按控制元件類型分類：閥控系統(tǒng)、泵控系統(tǒng)。按輸出功率分類：大功率系統(tǒng)、小功率系統(tǒng)。按輸入和輸出關系分類：開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)等。按輸入信號的形式不同分類：模擬伺服系統(tǒng)和數字伺服系統(tǒng)。3.4.2、電液伺服系統(tǒng)的類型3.4電液伺服系統(tǒng)303.4.2、電液伺服系統(tǒng)的類型1模擬伺服系統(tǒng)如圖所示，在模擬伺服系統(tǒng)中，全部信號都是連續(xù)的模擬量。電信號可以是直流量或交流量，直流量和交流量的相互轉換可通過調制器或解調器完成。伺服放大器伺服閥液壓馬達模擬檢測器模擬輸入信號（電壓）模擬反饋信號（電壓）輸出特點：重復精度高，分辨能力較低（絕對精度低），精度很大程度上取決于檢測裝置的精度，分辨能力低于數字伺服系統(tǒng)，微小信號容易受到噪聲和零漂的影響。+-3.4電液伺服系統(tǒng)313.4.2、電液伺服系統(tǒng)的類型數字檢測器反饋脈沖液壓馬達指令脈沖脈沖加減回路（比較）數/模轉換器指令脈沖模擬偏差電壓伺服放大器伺服閥液壓馬達滾珠絲杠工作臺2數字伺服系統(tǒng)在數字伺服系統(tǒng)中，全部信號或部分信號式離散參量?？煞譃槿珨底炙欧到y(tǒng)和數字-模擬伺服系統(tǒng)兩種。全數字伺服系統(tǒng)動力元件采用數字閥或電液步進馬達接受數字信號。如圖所示為數字-模擬伺服系統(tǒng)框圖，數?；旌舷到y(tǒng)利用數/模轉換器將數字指令轉換成模擬量輸給控制元件，系統(tǒng)輸出通過數字數字檢測器（即模/數轉換器）變?yōu)榉答伱}沖信號。3.4電液伺服系統(tǒng)323.4.2、電液伺服系統(tǒng)的類型2數字伺服系統(tǒng)數字檢測裝置有很高的分辨能力，所以數字伺服系統(tǒng)可以得到很高的絕對精度。數字伺服系統(tǒng)的輸入信號是很強的脈沖電壓，受模擬量的噪聲和零漂的影響很小。對于絕對精度要求較高，而重復精度要求不高的場合,常采用數字伺服系統(tǒng)。此外，該系統(tǒng)還能運用計算機對信息進行儲存、解算和控制，在大系統(tǒng)中實現多環(huán)路、多參量的實時控制，因此有著廣闊的發(fā)展前景。然而，從經濟性、可靠性方面來看，簡單的伺服系統(tǒng)仍以采用模擬型控制為宜。3.4電液伺服系統(tǒng)333.4.3、電液位置伺服系統(tǒng)

電液伺服系統(tǒng)最基本和最常用的一種液壓伺服系統(tǒng)，在整個領域都得到了廣泛的使用，如機床工作臺的位置控制，板帶軋機的厚板控制和帶材跑偏控制、飛機和船舶的舵機控制、雷達和火炮控制系統(tǒng)以及震動試驗臺等。在其他物理量的控制系統(tǒng)里，如速度控制和力控制等系統(tǒng)中，也常有位置控制小回路作為大回路的一個環(huán)節(jié)。

電液伺服系統(tǒng)的動力元件不外乎閥式控制和泵式控制兩種基本形式，但由于所采用的指令裝置、反饋測量裝置和相應的放大、校正的電子部件不同，就構成了不同系統(tǒng)。如果采用電位器作為指令接收裝置和反饋測量裝置，就可以構成直流電液位置伺服系統(tǒng);當采用自整角機或旋轉變壓器作為指令裝置和反饋測量裝置時，就可構成交流電液位置間服系統(tǒng)。3.4電液伺服系統(tǒng)343.4.3、電液位置伺服系統(tǒng)

下圖所示為一對自整角機作為角差測量裝置的電液位置伺服系統(tǒng)。自整角機是一種回轉式的電磁感應元件，由轉子和定子組成。在定子上繞有星形連接的三相繞組，轉子上繞有單相繞組。3.4電液伺服系統(tǒng)353.4.3、電液位置伺服系統(tǒng)

3.4電液伺服系統(tǒng)363.4.3、電液位置伺服系統(tǒng)

自整角機輸出的交流誤差電壓信號經相敏放大器前置放大和解調后，轉換為直流電壓信號。直流電壓信號的大小與交流電壓信號的幅值成正比，其極性與交流電壓信號的相位相適應。相敏放大器的影響與液壓動力元件相比可忽略，將其看成比例環(huán)節(jié)，其增益為

3.4電液伺服系統(tǒng)373.4.3、電液位置伺服系統(tǒng)

伺服放大器和伺服閥力矩馬達線圈的傳遞函數與伺服放大器的形式有關。當采用電流負反饋放大器時，由于力矩馬達線圈的轉折頻率很高，故可忽略何服放大器的動態(tài)影響，將其看成比例環(huán)節(jié)，因此

3.4電液伺服系統(tǒng)383.4.3、電液位置伺服系統(tǒng)電液伺服閥的傳遞函數采用什么形式，取決于動力元件液壓固有頻率的大小。當伺服閥的頻寬與液壓固有頻率相近時，伺服閥可近似地看成二階振蕩環(huán)節(jié)：當伺服閥的頻寬大于液壓固有頻率（3-5倍）時，伺服閥可近似看做慣性環(huán)節(jié)：

3.4電液伺服系統(tǒng)393.4.3、電液位置伺服系統(tǒng)

當伺服閥的頻寬遠大于液壓固有頻率（5-10倍）時，伺服閥可近似看成比例環(huán)節(jié)：

上式中，Ksv為伺服閥的流量增益;Gsv(s)為Ksv=1時的伺服閥的傳遞函數;Q0為伺服閥的空載流量。

3.4電液伺服系統(tǒng)403.4.3、電液位置伺服系統(tǒng)

從伺服閥閥芯位移到液壓馬達軸轉角之間是典型的閥控馬達。如果馬達沒有彈性負載，也不考慮機架剛度，閥控馬達液壓馬達的動態(tài)方程可表示為

3.4電液伺服系統(tǒng)413.4.3、電液位置伺服系統(tǒng)根據上述幾式：可以畫出位置控制系統(tǒng)的方框圖和其開環(huán)傳遞函數其中，KV=(KeKdKaKsv)/(iDm)為開環(huán)增益

3.4電液伺服系統(tǒng)423.4.3、電液位置伺服系統(tǒng)

當考慮電液伺服閥的動態(tài)特性時，上式所表達的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數是比較復雜的。為簡化分析，并得到一個比較簡單的穩(wěn)定判據，需要對該式進行簡化。一般地，電液伺服閥的響應速度較快，與液壓動力元件相比其動態(tài)特性可忽略不計，因此可將它看成比例環(huán)節(jié)。系統(tǒng)的方框圖和開環(huán)傳遞函數可進行如下簡化：

3.4電液伺服系統(tǒng)433.4.3、電液位置伺服系統(tǒng)

此近似式除特殊情況外，一般都正確。液壓固有頻率通?？偸腔芈分凶畹偷?，他決定了系統(tǒng)的動態(tài)特性。

所示的簡化方框圖和簡化的開環(huán)傳遞函數很有代表性，一般的液壓位置伺服系統(tǒng)往往都能簡化成這種形式。3.4電液伺服系統(tǒng)443.4.4、電液速度伺服系統(tǒng)在實際工程中，經常需要進行速度控制，如原動機調速、機床進給裝置的速度控制、雷達天線/炮塔/轉臺中的速度控制等。在電液位置伺服系統(tǒng)中也經常采用速度局部反饋回路來提高系統(tǒng)的剛度和減小伺服閥等參數變化的影響，提高系統(tǒng)的精度。

電液速度控制系統(tǒng)按控制方式可分為閥控液壓馬達速度控制系統(tǒng)和泵控液壓馬達速度控制系統(tǒng)。閥控馬達系統(tǒng)一般用于小功率系統(tǒng)，泵控馬達系統(tǒng)一般用于大功率系統(tǒng)。3.4電液伺服系統(tǒng)453.4.4、電液速度伺服系統(tǒng)1閥控液壓馬達速度控制系統(tǒng)如圖（a）所示為閥控液壓馬達速度控制系統(tǒng)的原理圖。伺服放大器伺服閥液壓馬達測速機速度信號（電壓）

+-（a）閥控液壓馬達速度控制系統(tǒng)原理圖3.4電液伺服系統(tǒng)463.4.4、電液速度伺服系統(tǒng)1閥控液壓馬達速度控制系統(tǒng)忽略伺服放大器和伺服閥的動態(tài)影響，并假定負載為簡單的慣性負載，系統(tǒng)的方框圖如圖（b）所示。

+-

（b）閥控液壓馬達速度控制系統(tǒng)方框圖

3.4電液伺服系統(tǒng)473.4.4、電液速度伺服系統(tǒng)

3.4電液伺服系統(tǒng)483.4.4、電液速度伺服系統(tǒng)2泵控液壓馬達速度控制系統(tǒng)（1）泵控開環(huán)速度控制系統(tǒng)如圖所示，變量泵的斜盤角由比例放大器、伺服閥、液壓缸和位置傳感器組成的位置回路控制。通過改變變量泵斜盤角來控制供給液壓馬達的流量，以此來調節(jié)液壓馬達的轉速。因為是開環(huán)控制，受負載和溫度變化的影響較大，所以控制精度差。泵控開環(huán)速度控制系統(tǒng)原理圖比例放大器伺服閥液壓缸位置傳感器速度信號（電壓）

+-變量泵液壓馬達負載