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1、課題二伺服電機與伺服控制系統(tǒng)原理,指導老師：段建中 學生：虎鑫 學號：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,內容,“伺服”詞源于希臘語“奴隸”的意思。,一、“伺服”的含義 Servomechanism, 基本概念的介紹,伺服系統(tǒng)應用舉例（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 6電位器 7步進電機,伺服系統(tǒng)應用舉例（1）,圖1.7 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. 伺服系統(tǒng)

2、的定義： (servomechanism) (servo-system） 伺服系統(tǒng)是指實現輸出變量精確地跟隨或復現輸入變量的控制系統(tǒng)。,伺服電機,伺服電機（servo motor ） 伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，它的轉矩和轉速受信號電壓控制。當信號電壓的大小和相位發(fā)生變化時，電動機的轉速和轉動方向將非常靈敏和準確地跟著變化。當信號消失時，轉子能及時地停轉。,伺服電機的分類,,一、直流電動機工作原理,伺服電機的原理介紹,安培定律,磁場的磁感應強度,導體中的電流,導體的有效長度,,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）

3、，兩級之間裝著一個可以轉動的鐵質圓柱體，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左手定則便可得出電磁轉矩。,一、直流電機原理,為什么要用電刷？,,一、直流電機的原理,,這樣的連接方法只有一組線圈得電，繞組使用率低，那么如何提高繞組的使用率 呢？,改進后的繞線,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。,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,電源電壓,電樞繞組上的端電壓,勵磁繞組上的端電壓,電樞電流,勵磁電流,電樞電路的電阻,勵磁回路的電阻,電樞回路的自感系數,勵磁回路的自感系數,電動機的機

4、械角速度,,,,2. 機械系統(tǒng)的轉矩平衡方程,,電磁轉矩,負載轉矩,空載損耗轉矩,如果電動機以恒 角速度轉動，則 ：,實例：直流伺服系統(tǒng),,,,,常數,實例：直流伺服系統(tǒng),,伺服電機在磁化曲線的線性范圍內使用， 因而氣隙磁通 正比于勵磁電流，即：,,式中：,常數,由電動機產生的轉矩 正比于電樞電流 和氣隙磁通的乘積，即,,式中：,常數,為磁場勵磁電流,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， 故上式可寫成：,由控制輸入電壓 開始，系統(tǒng)的因果方程為,1.電樞電壓方程：,實例：直流伺服系統(tǒng),2.電動機轉矩,3.轉矩平衡方程,4.電動機的反電動勢正比于速度,反

5、電動勢常數,系統(tǒng)因果方程拉氏變換為,實例：直流伺服系統(tǒng),當負載轉矩,其傳遞函數是:,實例：直流伺服系統(tǒng),直流伺服電機的系統(tǒng)方框圖,,主要內容,,,7.3 直流伺服電機及其速度控制,（ 一定）,電樞回路電壓平衡方程式,感應電勢與轉速關系,電磁轉矩,直流伺服電機的調速原理與方法,原理圖,等效圖,,,電機轉速與理想轉速的差n，反映了電機機械特性硬度，n越小（轉矩對轉速變化的影響程度越?。?，機械特性越硬。,n0,直流電機轉速與轉矩的關系n=f(T)稱機械特性,直流電機的基本調速方式有三種:調節(jié)電阻Ra、調節(jié)電樞電壓Ua和調節(jié)磁通的值。,7.3 直流伺服電機及其速度控制,,主要內容,他勵式直流伺服電機

6、的轉速公式,,,,,電樞電阻調速很少采用，缺點： 不經濟：要得到低速，R很大，則消耗大量電能； 低速，特性很軟，運轉穩(wěn)定性很差； 調節(jié)平滑性差，操作費力。,7.3 直流伺服電機及其速度控制,,主要內容,,調節(jié)電樞電壓（調壓調速）時，直流電機機械特性為一組平行線，只改變電機的理想轉速n0 ，保持了原有較硬的機械特性，所以調壓調速主要用于伺服進給驅動系統(tǒng)電機的調速,如果n值較大，不可能實現寬范圍的調速。永磁式直流伺服電機的n值較小，因此，進給系統(tǒng)常采用永磁式直流電機。,7.3 直流伺服電機及其速度控制,,主要內容,,調節(jié)磁通（調磁調速）不但改變了電機的理想轉速，而且使直流電機機械特性變軟,7.3

7、直流伺服電機及其速度控制,主要內容,,直流伺服電機速度控制單元的調速控制方式 調速的概念有兩個方面的含義: 1)改變電機轉速：當給定速度變化時,電機的速度隨之變化,并希望以最快的加減速達到新的給定速度值； 2)當給定速度不變化時,電機的速度保持穩(wěn)定不變。,7.3 直流伺服電機及其速度控制,主要內容,直流伺服電機速度控制單元的調速控制方式 需對直流電壓的大小和方向進行控制 直流伺服電機速度控制單元的作用：將轉速指令信號轉換成電樞的電壓值，達到速度調節(jié)的目的。 直流電機速度控制單元常采用的調速方法： 1.晶閘管（可控硅）調速系統(tǒng) 2.晶體管脈寬調制（PWM Pulse Width Modulate

8、d）調速系統(tǒng)。,,主要內容,,1晶閘管調速系統(tǒng) 常用于大功率及要求不很高的直流伺服電機調速控制。,7.3 直流伺服電機及其速度控制,,U*n,,7.3 直流伺服電機及其速度控制,主回路由大功率晶閘管構成的三相全控橋式反并接可逆電路，分成二大部分（ 和 ），每部分內按三相橋式連接，二組反并接，分別實現正轉 和反轉。,,,各有一個可控硅同時導通，形成回路。,7.3 直流伺服電機及其速度控制,1、3、5在正半周導通， 2、4、6在負半周導通。每組內（即二相間）觸發(fā)脈沖相位相差120，觸發(fā)脈沖的順序：1-2-3-4-5-6，相鄰之間相位差60。為保證合閘后兩個串聯可控硅能同時導通，或已截止的相再次導通

9、，采用雙脈沖控制。即每個觸發(fā)脈沖在導通60后，再補發(fā)一個輔助脈沖；也可以采用寬脈沖控制，寬度大于60，小于120。,,7.3 直流伺服電機及其速度控制,只要改變可控硅觸發(fā)角（即改變導通角），就能改變可控硅的整流輸出電壓，從而改變直流伺服電機的轉速。 觸發(fā)脈沖提前，增大整流輸出電壓；觸發(fā)脈沖延后，減小整流輸出電壓。,晶閘管調節(jié)電路,,主要內容,,2PWM調速控制系統(tǒng) 利用大功率晶體管的開關作用，將直流電壓轉換成一定頻率的方波電壓，加到直流電動機的電樞上；通過調整控制方波脈沖寬度來改變電樞的平均電壓，從而調節(jié)電機的轉速。 控制電路簡單，不需附加關斷電路，開關特性好。 廣泛應用中、小功率直流伺服系

10、統(tǒng)。,,,,,,,,,,,,周期不變,,,,,,,,,,脈寬,脈寬,脈寬,脈寬,平均直流電壓,U,t,周期不變,7.3 直流伺服電機及其速度控制,,主要內容,,直流電機電壓的平均值:,T脈沖周期， Ton導通時間,7.3 直流伺服電機及其速度控制,,脈寬調制（PWM）系統(tǒng)組成：,7.3 直流伺服電機及其速度控制,,控制回路： 速度調節(jié)器；電流調節(jié)器；固定頻率振蕩器及三角波發(fā)生器；脈寬調制器和基極驅動電路。 區(qū)別： 與晶閘管調速系統(tǒng)比較，速度調節(jié)器和電流調節(jié) 器原理一樣。不同的是脈寬調制器和功率放大器。,,脈寬調制器 作用：將電壓量轉換成可由控制信號調節(jié)的矩形脈沖，為功率晶體管的基極提供一個寬度可由速度指令信號調節(jié)的脈寬電壓。 組成：調制信號發(fā)生器（三角波和鋸齒波兩種）和比較放大器。 原理：以三角波發(fā)生器為例介紹,7.3 直流伺服電機及其速度控制,,USr 速度指令轉化過 來的直流電壓 U- 三角波 USC- 脈寬調制器的輸出（US r+U） 調制波形圖,7.3 直流伺服電機及其速度控制,,,,7.3 直流伺服電機及其速度控制,全數字式PWM,,,