机电接口技术第二章 伺服执行元件

1、第三章第三章 典型伺服电机及控制典型伺服电机及控制3.1 直流伺服电机及控制直流伺服电机及控制3.2 无刷直流伺服电机及控制无刷直流伺服电机及控制3.3 交流永磁同步电机及控制交流永磁同步电机及控制3.4 步进电机及控制步进电机及控制3.1 直流伺服电机及控制直流伺服电机及控制3.1.1 基本定律基本定律3.1.2 直流伺服电机结构直流伺服电机结构3.1.3 直流伺服电机工作原理直流伺服电机工作原理3.1.4 直流伺服电机的数学模型直流伺服电机的数学模型3.1.5 直流伺服电机的控制方法直流伺服电机的控制方法图形符号 3.1.1 基本定律基本定律n电磁力定律电磁力定律 大小：大小： 方向：方向

2、： 左手定则左手定则 IlBF n电磁感应定律电磁感应定律 大小：大小： 方向：方向： 右手定则右手定则 vBle 3.1.1 基本定律基本定律3.1.2 直流电动机的结构直流电动机的结构n模型电机模型电机 3.1.2 直流伺服电机结构直流伺服电机结构3.1.3 直流伺服电机工作原理直流伺服电机工作原理 (a) (b) (c) (d) (e) (f) 图 3.1.7 直流电枢绕组连接示意图 ia ia Ia Ia n四大关系式n动态：n通用：n静态n参数关系ddtaaaaaaIULR IEaaaaUR IE0ddemLTTTJtaeeECnK 0emLTTTetKKemtat aTCIK I3

3、.1.4 直流伺服电机的数学模型直流伺服电机的数学模型3.1.5 直流伺服电机的控制方法直流伺服电机的控制方法p 直流电机的机械特性直流电机的机械特性p 电枢回路电阻调速电枢回路电阻调速p 调磁调速调磁调速p 调压调速调压调速 机械特性 n磁通不变，电枢电压为常数或参变量时转速与电磁转矩的关系。n图象：下垂的直线。n斜率：n理想空载转速n实际空载转速n堵转转矩 00emTTn20aaetetRRC CK K 00aaemeeUUTnCK0astststaUnTCI CI KR 电枢回路电阻调速电枢回路电阻调速p通过改变通过改变R可以改变转可以改变转速速np缺点缺点l经济性不好经济性不好l调速指

4、标不高调速指标不高l调速范围不大调速范围不大l调速是有级的，平滑性不调速是有级的，平滑性不高高调磁调速调磁调速p通过改变磁通来调节通过改变磁通来调节电机的转速。电机的转速。p此种调速方法调速范此种调速方法调速范围过小，通常与其它围过小，通常与其它两种方法结合使用。两种方法结合使用。调压调速调压调速p机械特性硬度不变，调速范围大，便于实现无级调速，且调速的平滑性较好；p不需在电枢回路中串联电阻，损耗小，运行效率高；p当前应用最为广泛。速度速度调节器调节器电流电流调节器调节器PWM发生器发生器功率功率驱动驱动电流反馈电流反馈速度反馈速度反馈电流检测电流检测编码器编码器电机电机UR+-UfIfIR+

5、-E1ES4.3 无刷直流伺服电机及控制无刷直流伺服电机及控制4.3.1 无刷直流伺服电机结构无刷直流伺服电机结构4.3.2 无刷直流伺服电机工作原理无刷直流伺服电机工作原理4.3.3 无刷直流伺服电机的数学模型无刷直流伺服电机的数学模型4.3.4 无刷直流伺服电机的控制方法无刷直流伺服电机的控制方法3.2.1 无刷直流伺服电机结构无刷直流伺服电机结构4.3.2 无刷直流电机工作原理无刷直流电机工作原理4.3.2 无刷直流电机工作原理无刷直流电机工作原理4.3.2 无刷直流电机工作原理无刷直流电机工作原理4.3.2 无刷直流电机工作原理无刷直流电机工作原理4.3.4 无刷直流电机的控制方法无刷

6、直流电机的控制方法p 直流侧电流反馈直流侧电流反馈p 交流侧非换相相电流反馈交流侧非换相相电流反馈p 交流侧三相电流反馈交流侧三相电流反馈直流侧电流反馈直流侧电流反馈交流侧非换相相电流反馈交流侧非换相相电流反馈交流侧三相电流反馈交流侧三相电流反馈4.4 交流永磁同步电机及控制交流永磁同步电机及控制4.4.1 交流永磁同步电机结构交流永磁同步电机结构4.4.2 交流永磁同步电机工作原理交流永磁同步电机工作原理4.4.3 交流永磁同步电机的数学模型交流永磁同步电机的数学模型4.4.4 交流永磁同步电机的控制方法交流永磁同步电机的控制方法4.4.1 交流永磁同步电机结构交流永磁同步电机结构定子转子脉

7、冲编码器定子三相绕组接线盒4.4.2 永磁同步电机工作原理永磁同步电机工作原理4.4.3 永磁同步电机的数学模型永磁同步电机的数学模型p电磁特性电磁特性p机电特性机电特性Te=P/=(eaia+ebib+ecic)/ DTTdtdJLetiRtiRtIRUtiRutiRutiRudd0dd0ddddddddQQQDDDffffCCsCBBsBAAsA4.4.4 永磁同步电机的控制方法永磁同步电机的控制方法p 开环控制开环控制p 矢量控制矢量控制(VC)p 直接转矩控制直接转矩控制(DTC)p VC与与DTC的性能对比的性能对比p 直接电流控制直接电流控制(DIC)开环控制开环控制常值1fUs矢

8、量控制矢量控制Te直接转矩控制直接转矩控制VC与与DTC的性能对比的性能对比pVC是电流闭环，而是电流闭环，而DTC 是转矩闭环。是转矩闭环。pVC的硬件结构上复杂，的硬件结构上复杂， DTC的软件结构复杂。的软件结构复杂。p由于由于DTC没有进行电流闭环，直接对转矩进行控制，没有进行电流闭环，直接对转矩进行控制，导致开关频率较低，转矩脉动较大，低速性能较差。导致开关频率较低，转矩脉动较大，低速性能较差。p采用采用VC的伺服系统调速范围可达的伺服系统调速范围可达10000:1，而在，而在DTC下，调速范围较窄，一般只有几百比一。下，调速范围较窄，一般只有几百比一。p在在VC下，电机定子电流形成

9、的磁场与转子磁场垂直，下，电机定子电流形成的磁场与转子磁场垂直，只有交轴电枢反应；而在只有交轴电枢反应；而在DTC下，定子磁场与转子磁下，定子磁场与转子磁场的角度与负载有关，既有交轴电枢反应，又有直轴场的角度与负载有关，既有交轴电枢反应，又有直轴电枢反应，且直轴电枢反应电流分量将在电机中产生电枢反应，且直轴电枢反应电流分量将在电机中产生额外的电损耗，使电机温升增加。额外的电损耗，使电机温升增加。直接电流控制直接电流控制4.5 交流异步伺服电机及控制交流异步伺服电机及控制4.5.1 交流异步电机结构交流异步电机结构4.5.2 交流异步电机工作原理交流异步电机工作原理4.5.3 交流异步电机的数学

10、模型交流异步电机的数学模型4.5.4 交流异步电机的机械特性交流异步电机的机械特性4.5.5 交流异步电机的控制方法交流异步电机的控制方法4.5.6 控制系统典型结构控制系统典型结构4.5.1 交流异步电机结构交流异步电机结构4.5.2 交流异步电机工作原理交流异步电机工作原理p三相绕组通入三相对称电流，三相绕组通入三相对称电流，产生旋转磁场；产生旋转磁场；p旋转磁场在定、转子之间的气旋转磁场在定、转子之间的气隙里以同步转速旋转，从而使隙里以同步转速旋转，从而使转子导条内产生感应电势；转子导条内产生感应电势；p进而使载流导条受到的电磁力进而使载流导条受到的电磁力产生电磁转矩；产生电磁转矩；p在

11、电磁转矩的作用下，转子就在电磁转矩的作用下，转子就会随着旋转磁场同方向旋转。会随着旋转磁场同方向旋转。4.5.3 交流异步电机的数学模型交流异步电机的数学模型p 基本假设基本假设p 坐标变换坐标变换p 三相坐标系中的数学模型三相坐标系中的数学模型p 两相旋转坐标系中的数学模型两相旋转坐标系中的数学模型p 两相静止坐标系中的数学模型两相静止坐标系中的数学模型p 模型的基本性质模型的基本性质基本假设基本假设p忽略空间谐波，且设三相绕组对称分布忽略空间谐波，且设三相绕组对称分布(在空间互在空间互差差120 电角度电角度)，所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦，所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布；规律分

12、布；p忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的；忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的； p忽略铁心损耗；忽略铁心损耗； p不考虑频率和温度变化对绕组电阻的影响。不考虑频率和温度变化对绕组电阻的影响。 坐标变换坐标变换2121212323021211322/3C1000cossin0sincos/rsC三相坐标系中的数学模型三相坐标系中的数学模型uLiddLLiRLdti d111LTpTiddLiJndtd21dtdTrCrBrAsCsBsAuuuuuuu TrCrBrAsCsBsAiiiiiii rrrsssRRRRRRdiagR )()()()(rrsskDLcMcMkDLL111

13、)(kkkkkkkDcos)120cos()120cos()120cos(cos)120cos()120cos()120cos(cos)(c两相旋转坐标系中的数学模型两相旋转坐标系中的数学模型sdrqrprdrrsqesdrrsdssduLMnLRiiLMRiRdtdi1sqrqrrrdrpsqrrsqssdesquLRLMniLMRiRidtdi1rqperdrrsdrrrdnLRiLRMdtd)(rqrrrdpesqrrrqLRniLRMdtd)(JTiidtdLrqsdrdsq)(rrsLMLL)(2rLMrpJLMnsssLkL)1 (rrrLkL)1 (23MM两相静止坐标系中的数学

14、模型两相静止坐标系中的数学模型srprrrsrrsssunLRiLMRiRdtdi1srrrrpsrrsssuLRniLMRiRdtdi1srrrprrrrMiLRnLRdtdsrrrrrrprMiLRLRndtdJTiidtdLrsrs)(模型的基本性质模型的基本性质p能控性能控性p能观性能观性l不易直接测量的转子磁链可通过定子电流观测得到 p非完整性非完整性l不存在一个时不变的连续状态反馈使之镇定 p无源性无源性l存在无功力 ，可以简化控制器设计4.5.4 交流异步电机的机械特性交流异步电机的机械特性压频比为常数压频比为常数4.5.5 交流异步电机的控制方法交流异步电机的控制方法p转差功率

15、消耗型调速系统转差功率消耗型调速系统 p转差功率回馈型调速系统转差功率回馈型调速系统 p转差功率不变型调速系统转差功率不变型调速系统 l转速开环恒压频比控制转速开环恒压频比控制 l基于稳态模型的转速闭环转差频率控制基于稳态模型的转速闭环转差频率控制 l基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制 l基于动态模型按定子磁链定向的直接转矩控制基于动态模型按定子磁链定向的直接转矩控制l基于现代控制理论的控制方法基于现代控制理论的控制方法 PmechPmPs转差功率消耗型调速系统转差功率消耗型调速系统p在转差功率消耗型交流调速系统中，全部转差功在转差功率消耗型交流调速系统中

16、，全部转差功率都转换成热能的形式消耗掉。率都转换成热能的形式消耗掉。p调压调速、电磁转差离合器调速、线绕转子异步调压调速、电磁转差离合器调速、线绕转子异步电机转子回路串电阻调速等，都属于这种形式。电机转子回路串电阻调速等，都属于这种形式。p一般采用开环或闭环控制，控制比较简单，易于一般采用开环或闭环控制，控制比较简单，易于实现。实现。p这类系统的效率最低，而且它是以增加转差功率这类系统的效率最低，而且它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的消耗来换取转速的降低( (恒转矩负载恒转矩负载) )。p越向下调速，效率越低。越向下调速，效率越低。 转差功率回馈型调速系统转差功率回馈型调速系统p在转差

17、功率回馈型调速系统中，转差功率的一部分在转差功率回馈型调速系统中，转差功率的一部分被消耗掉，而大部分则通过变流装置回馈给电网或被消耗掉，而大部分则通过变流装置回馈给电网或者转化为机械能予以利用。者转化为机械能予以利用。p转速越低，回馈的功率越多。转速越低，回馈的功率越多。p串级调速即属于这一类系统。串级调速即属于这一类系统。p这类系统的效率比转差功率消耗型的要高。但是，这类系统的效率比转差功率消耗型的要高。但是，增设的变流装置总要多消耗一部分功率。增设的变流装置总要多消耗一部分功率。 转差功率不变型调速系统转差功率不变型调速系统p在转差功率不变型调速系统中，除转子铜耗部分的消在转差功率不变型调

18、速系统中，除转子铜耗部分的消耗不可避免之外，无论转速高低，转差功率的消耗基耗不可避免之外，无论转速高低，转差功率的消耗基本不变，因此效率最高。本不变，因此效率最高。p变极对数调速、变压变频调速等，都属于这种情况。变极对数调速、变压变频调速等，都属于这种情况。p变极对数调速只能实现有级调速，应用场合有限。变极对数调速只能实现有级调速，应用场合有限。p只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统。交流调速系统。 转速开环恒压频比控制转速开环恒压频比控制p 从变压变频基本控制方式出发的从变压变频基本控制方式出发的最简单的控制策略，为普通型通

19、最简单的控制策略，为普通型通用变频器所采用；用变频器所采用；p 适用于没有高动态性能要求的一适用于没有高动态性能要求的一般交流调速，如风机、水泵等。般交流调速，如风机、水泵等。p 在基频以下采用恒压频比控制，在基频以下采用恒压频比控制，低频时须把电压抬高一些，以补低频时须把电压抬高一些，以补偿定子压降；在基频以上则采用偿定子压降；在基频以上则采用恒压升频控制，相当于直流电动恒压升频控制，相当于直流电动机的弱磁升速。机的弱磁升速。 稳态转速闭环转差频率控制稳态转速闭环转差频率控制p从异步电动机的稳态数学模型可以知道，当稳态气隙从异步电动机的稳态数学模型可以知道，当稳态气隙磁通恒定时，电机的电磁转

20、矩与转差频率成正比。磁通恒定时，电机的电磁转矩与转差频率成正比。p如果能保持稳态转子全磁链恒定，则电机的电磁转矩如果能保持稳态转子全磁链恒定，则电机的电磁转矩能准确地与转差频率成正比。能准确地与转差频率成正比。p因此，控制转差频率即相当于控制电磁转矩。因此，控制转差频率即相当于控制电磁转矩。p采用转速闭环的转差频率控制，使定子频率随着实际采用转速闭环的转差频率控制，使定子频率随着实际转速的变化而变化，即可得到平滑、稳定的调速，并转速的变化而变化，即可得到平滑、稳定的调速，并可保证较高的调速范围。可保证较高的调速范围。 p这种方法只是依据交流异步机的稳态模型而得到的，这种方法只是依据交流异步机的

21、稳态模型而得到的，还不能保证调速系统的动态性能。还不能保证调速系统的动态性能。 按转子磁链定向的矢量控制按转子磁链定向的矢量控制p 发展历史发展历史p 直接磁场定向直接磁场定向p 间接磁场定向间接磁场定向p 对比分析对比分析发展历史发展历史p1971年，年，F.Blaschke等提出等提出“感应电机磁场定向的感应电机磁场定向的控制原理控制原理”；pP.C.Custman及及A.A.Clark申请专利申请专利“感应电机定感应电机定子电压的坐标变换控制子电压的坐标变换控制”；p所谓异步电机的矢量控制，即是指通过对电机定所谓异步电机的矢量控制，即是指通过对电机定子电流的一系列的矢量变换，使定子电流分

22、解为子电流的一系列的矢量变换，使定子电流分解为励磁分量和转矩分量，从而实现电机磁链与转矩励磁分量和转矩分量，从而实现电机磁链与转矩控制间的解耦。控制间的解耦。 直接磁场定向直接磁场定向 isd* isq* isC* isB* isA* 磁链 参考 转速参考 ASR AR 矢量 变换 电流控制 型 PWM 逆 变 器 转子磁链模型 IM 速度检测 间接磁场定向间接磁场定向 usd* + + s* Tr Lm Lm Trs+1 isd* isq* 磁链 参考 转速参考 ASR i-u usq* 1* r 对比分析对比分析p在直接磁场定向控制中，当模型的参数受环境的变在直接磁场定向控制中，当模型的参

23、数受环境的变化而改变时，特别是转子时间常数发生变化时，观化而改变时，特别是转子时间常数发生变化时，观测到的转子磁链就会产生较大的误差，从而使转子测到的转子磁链就会产生较大的误差，从而使转子磁链不能准确控制，进而导致整个矢量控制系统的磁链不能准确控制，进而导致整个矢量控制系统的性能恶化。性能恶化。p间接磁场定向舍去转子磁链闭环，虽然可在一定程间接磁场定向舍去转子磁链闭环，虽然可在一定程度上避免了由转子磁链观测所带来的问题，简化了度上避免了由转子磁链观测所带来的问题，简化了控制结构，但仍没有摆脱转子时间常数变化所造成控制结构，但仍没有摆脱转子时间常数变化所造成的影响。的影响。 按定子磁链定向的直接

24、转矩控制按定子磁链定向的直接转矩控制 s Te r 磁链 参考 转速参考 ASR 开关 状态 选择 逆 变 器 定子磁链模型 交流 异步 电机 转矩模型 M. Depenbrock，1985 基于现代控制理论的控制方法基于现代控制理论的控制方法p非线性反馈解耦控制非线性反馈解耦控制 p基于无源性的能量成型非线性控制基于无源性的能量成型非线性控制 p基于反向递推法的非线性控制基于反向递推法的非线性控制 p非线性自抗扰控制非线性自抗扰控制p自适应控制自适应控制p滑模变结构控制滑模变结构控制p智能控制智能控制 4.5.6 控制系统典型结构控制系统典型结构 输出 电压 电流 给定 电流 反馈 开关 指

25、令 d Td d is is 转速调节器 转子磁链轨迹参考 转矩 磁通 调节 位置检测 外围电路 2/3 电流 控制 策略 逆 变 器 异步 电机 光电 码盘 速度估计 转速调节模块转速调节模块 )() 1()(kTkTkTddd) 1()()(kkkTkkkTpsipd转矩磁链调节模块转矩磁链调节模块 )()(1)()(1)()(2020kkMkTMnLkTMnLMkikidrdrdprdprss) 1() 1() 1()(cos) 1()(sin) 1()(sin) 1()(cos)()(20202020kkknkTnRknkTnRknkTnRknkTnRkkdrdrpdprpdprpdp

26、rpdprdrdr转子磁链参考生成模块转子磁链参考生成模块 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 0 0.5 1 (rad/s) d(Wb) Flux Reference dmax r -r 4.6 超声波伺服电机及控制超声波伺服电机及控制4.6.1 超声波电机的发展超声波电机的发展4.6.2 超声波电机的工作原理超声波电机的工作原理4.6.3 超声波电机的分类超声波电机的分类4.6.4 超声波电机的特点超声波电机的特点4.6.5 超声波电机的数学模型超声波电机的数学模型4.6.6 超声波电机的控制方法超声波电机的控制方法4.6.1 超声波电机的发展超声波

27、电机的发展p萌芽阶段萌芽阶段l1961年，Bulova Watch Ltd利用弹性体的振动带动钟表齿轮p原理性样机阶段原理性样机阶段l1972-1973年，Siemens和Matsushital1973年，IBM公司的H. V Barth 驻波型超声波电机l1978年，前苏联的Tasiliev换能器原理p实用性样机阶段实用性样机阶段 80年代以后年代以后 日本日本p实用阶段实用阶段l指田年生 1982 行波型超声波电机 1987 销售4.6.2 超声波电机的工作原理超声波电机的工作原理p 超声波电机一般由振动体超声波电机一般由振动体( (定定子子) )和移动体和移动体( (转子转子) )组成；

28、组成；p 在压电陶瓷振子在压电陶瓷振子( (振动体的一振动体的一部分部分) )上加频率为几十千赫的上加频率为几十千赫的交流电压，利用逆压电效应即交流电压，利用逆压电效应即电致伸缩效应产生几十千赫的电致伸缩效应产生几十千赫的超声波振动；超声波振动；p 然后，将这种振动通过振动体然后，将这种振动通过振动体和移动体之间的摩擦力变换成和移动体之间的摩擦力变换成旋转或直线运动，或者直接用旋转或直线运动，或者直接用压电振子产生弯曲振动驱动移压电振子产生弯曲振动驱动移动体转动。动体转动。4.6.3 超声波电机的分类超声波电机的分类4.6.4 超声波电机的特点超声波电机的特点p 低压电源控制，功耗低；低压电源

29、控制，功耗低；p 刚度好，刚度好， 热稳定性好；热稳定性好；p 直接获得低转速大力矩，直接获得低转速大力矩， 可直接驱动，不需减速器；可直接驱动，不需减速器；p 没有线圈和磁铁，不产生电磁波，外部磁场对其影响也很小；没有线圈和磁铁，不产生电磁波，外部磁场对其影响也很小；p 具有无源自锁性能，且响应时间短；具有无源自锁性能，且响应时间短；p 可实现高精密定位；可实现高精密定位；p 体积小，体积小， 易于集成，能量密度高；易于集成，能量密度高；p 适宜在各种特殊的恶劣环境下使用。适宜在各种特殊的恶劣环境下使用。p 不足：制造成本较高、摩擦材料的寿命问题会影响电机的寿命不足：制造成本较高、摩擦材料的寿命问题会影响电机的寿命4.6.5 超声波电机的数学模型超声波电机的数学模型定子动态方程定子动态方程转子运动方程转子运动方程q表示电极极板上的电