机电一体化系统设计第五章PPT课件

1、1标题添加点击此处输入相关文本内容点击此处输入相关文本内容总体概述点击此处输入相关文本内容标题添加点击此处输入相关文本内容3第四章 伺服系统设计 4图4.1 伺服系统的组成 5伺服系统的执行元件 1. 电气执行元件 电气执行元件包括直流(DC)伺服电机、交流（AC）伺服电机、步进电机以及电磁铁等，是最常用的执行元件。对伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态性能好，适合于频繁使用，便于维修等2液压式执行元件 液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点3气压式执行元件 气压式执行元件除了用压缩空气作工

2、作介质外，与液压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。678910第二节 伺服控制系统中常用电力电子器件 11121314151617181920212223242526 步进电机是一种把开关激励的变化变换成精确的转子位置增量运动的执行机构，它将电脉冲转化为角位移。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步距角）。 步进电机具有转矩大、惯性小、响应频率高等优点,因此具有瞬间起动与急速停止的优越特性。 2728工作原理293031kmz36032333435363

3、738394041aaaKRIEUncEeaaTIcT42432TeaeKccTRcUn442TeaeKccTRcUn45464748KTnn0eKcUn 0K)(2TeaccR4950eKcUnn00ndTaKTdRUcTTKTnn02TeaeKccTRcUn51TnKTnTKKKKU5253sKTeaseKTKUKccRTcUn2125455562TeiaccRRK575859图4.32 伺服电动机接线图 图4.33 合成磁通矢量末端随时间变化的轨迹图 6061VmUmVUUUK在其幅值方向的分量在其幅值方向的分量626364tUmUsintVmVcos2222)cos()sin(ttVm

4、UmVUVmUm656667 Tfn 68697071表4.4 励磁（通电）方式控制表控制电平励 磁 方 式A0A1YB013YB014YB015YB01600ABCAABCDAABCDEAABCDEFA01ABBCCAABABBCCDDAABABCBCDCDEABCBCDCDEDEF10AABBBCCAABBBCCCDABABCBCBCDABABCBCBCD11AABBBCCABABCBCBCDABABCBCBCDABCABCDBCDBCDE72图4.37四相八拍脉冲分配控制原理图73图4.384.38单片机与步进电动机接口电路 747576vfToscx5216777879AuAu8081

5、dtuuKusrisrpsc1i10CRipK01RRKp82（2）晶闸管触发器 晶闸管触发器AT和晶闸管UR作为驱动直流伺服电动机的功率驱动装置；晶闸管导通需要有一个触发电路来提供触发脉冲；晶闸管触发器AT的输出脉冲控制晶闸管的导通和关断。晶闸管触发器组成如图所示。 1）触发电路电路的组成 脉冲形成电路：产生一定功率（一定的幅值与脉宽）的脉冲。常用电路为单结晶晶体管自激振荡电路、单稳触发电路等。 移相控制电路：调节触发脉冲发生的时刻（即调节控制角的大小），常用锯齿波（或正弦波）与给定信号电压进行比较来进行移相控制。 同步电路：使触发脉冲每次产生的时刻都能准确地对应着主电路电压波形上的时刻。方

6、法：把主电路的电压信号直接引入（或通过同步变压器从主电路引入，或经过阻容移相电路从主电路引入）来作为触发同步信号。 脉冲功率放大电路：若触发驱动的晶闸管的容量较大则要求触发脉冲有较大的输出功率。若形成的脉冲的功率不够大时，这时还要增加脉冲功率放大环节。通常采用复合管组成的射极输出器或采用强功率触发脉冲电源。 2）触发电路的工作原理 单结晶体管自激振荡电路 组成：由两个基极（b1和b2）和一个阴极构成的一种特殊类型的晶体管，如图所示。 特点： 当在两个基极（b1和b2）加上一个电压Ubb后，第一基极上的电压UAUbb，式中，0.30.9，为分压比。 当Ueb1UA时，管内的PN结处于反偏而截止，

7、e、b1极间无电流；当Ueb1UA时，管内的PN结处于正偏导通，e、b1极间有电流流过（使管子由截止变为导通的Ueb1的数值相对较高，称为峰点电压UP）。当e、b1极间有电流通过后，e、b1间的电阻将大幅度降低（从几千欧降至几十欧），e、b1极间的电流将迅速增大而使管子进入饱和状态。当管子导通以后，只有降到一个较低的数值（称为谷点电压UV），管子才能重新由导通变为截止。832.2.双闭环调速系统的静态结构图和静特性PI调节器特点：调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非输入为反极性信号使调节器退出饱和。即饱和的调节器暂时隔断了输入和输出之间的联系，相当于系统开环。 调节器不饱和

8、的条件下，PIPI的作用使输入偏差电压在稳态时为零，实现无静差。系统静态结构框图如图4.514.51所示。 图4.51 双闭环调速系统静态结构框图 84.0*nUUUUnnnn*nUn*nUn*nU85.0*LiiiiIUUUU*iLUI*iU*iU86.LILmILI0nLILmI87 （1 1）转速调节器不饱和情况 在系统正常运行时，两个调节器都不饱和。稳态时，它们的输入偏差电压都是零。因此有如下两个关系式 *nUn LiiIUU*调速系统静特性 88由于ASRASR不饱和，则（限幅值），由上式知：。一般设计成.（额定值）。在两个调节器均不饱和时运行于静特性- -段，调速特性如图4.524

9、.52所示。*iU*imULILmILmINI0nA调速系统静特性 89 当转速调节器ASRASR饱和时，ASRASR输出达到限幅值 ，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响( (即无速度调节作用) )，双闭环系统已经变成只有电流内环无静差的单闭环系统。稳态时，有 式中， 为设计最大电流。它决定于电动机的允许过载能力和拖动系统所要求的最大加速度。*imU调速系统静特性 LmILmimLIUI*90 1 1）转速调节器和电流调节器的传递函数 式中， 为PIPI调节器的超前时间常数。ssKsWsWpin111)()(111CR2 2）晶闸管的传递函数为 sTKsUsUsctd1)()(2

10、3 3）由直流伺服电动机的数学模型经简化可得其传递函数为 sTRsIsIsEmLa)()()( 4 4）感应电势 与转速 之间的传递函数为 )(sEneCsEsn1)()(91 1) 1) 在起动过程中，随着ASRASR从饱和到不饱和，使系统工作于完全不同的状态：即当ASRASR饱和时转速开环，构成由ACRACR实现恒值电流调节的单闭环系统；当ASRASR不饱和时转速外环为无静差调速系统，内环为电流跟踪系统，呈现所谓饱和非线性控制的特征。 2) 2) 起动过程的主要阶段是恒流升速段。其特征是电流 恒定，并设计为最大允许值，以便充分发挥电动机的过载能力，以最大电流加速起动，实现起动时间最短。即所

11、谓时间最优控制。 3) 3) 采用PIPI调节的双闭环调速系统的转速动态响应必然有超调。因为在起动的转速调节阶段( (段) )，必须使ASRASR退出饱和，按PIPI的特性只有转速超调，才能使 为负值，只有 为负值，才能使ASRASR退出饱和。（2 2）双闭环调速系统的启动过程 双闭环控制可以获得接近于的理想的起动过程。当突加给定电压时，系统由静止状态起动, ,其转速和电流的过渡过程曲线如图4.544.54所示。 图4.54 双闭环调速系统起动时的转速和电流波形 为电流上升段(0(0t t1 1):):ASRASR由不饱和很快达到饱和，而ACRACR不饱和，确保电流内环的调节作用； 为恒流升速

12、段( (t t1 1t t2 2):): ASRASR处于饱和，转速外环相当于开环。 为转速调节段( (t t2 2点以后) )：转速超调，即 ，结果造成 为负，使ASRASR退出饱和状态。 n*nnUnUnUaI92二、直流脉宽调制型（PWMPWM）调速系统优点：（1 1）主电路简单，需用功率元件少；（2 2）开关频率高，电流易于连续，谐波成分少，使电机损失小；（3 3）低速性能好，稳态精度高，调速范围宽；（4 4）系统频带宽，快速响应好，动态抗扰性能强；（5 5）主电路元件工作于开关状态，损耗小，效率高。 基本原理是：利用大功率器件的开关作用，将直流电压转换成一定频率的方波电压，通过对方波

13、脉冲宽度的控制，改变输出电压的平均值。PWMPWM晶体管功率放大器由两部分组成，一部分是电压- -脉宽变换器，另一部分是开关功率放大器，其结构如图4.564.56所示。 1.PWM1.PWM晶闸管功率放大器 图4.56 PWM晶体管功率放大器结构框图 9394 1 1）三角波电压- -脉宽变换器原理：三角波发生器用于产生一定频率的三角波 ，该三角波经加法器与输入的指令信号 相加，产生信号 ，然后送入比较器。比较器是一个工作在开环状态下的运算放大器，具有极高的开环增益及限幅开关特性。两个输入端的信号差的微弱变化，会使比较器输出对应的开关信号。当 0 0时，比较器输出满幅度的正电平；当 0 0时，

14、比较器输出满幅度的负电平。 TUIUTIUU TIUU TIUU 95图4.57 PWM脉宽调制波形 当 0 0时，输出信号 为正负宽度相等的矩形脉冲。 当 0 0时， 的正脉宽大于负脉宽。 当 0 0时， 的负脉宽大于正脉宽。 当 ( (是三角波的峰- -峰值) )时， 为一正直流信号；当 时， 为一负直流信号。IU2/UTPPSUIU2/UTPPSUIUSUIUSUIUSU96 1 1）锯齿波电压- -脉宽变换器原理（UPWUPW） 三个输入信号： 为由锯齿波发生器提供的锯齿波信号，频率一般为1 14kHz4kHz，由主电路开关频率决定；另一个输入信号是控制电压 ，其极性和大小随系统控制要

15、求随时可变；第三个为负偏移电压，其值调整为 saUctUmax21sbUU 要求当 0 0，电机电抠电压 0 0。应调整负偏压 ，使 的正、负向脉宽相等。当 0 0时， 与 和 相叠加，使合成电压正向宽度增大，经运算放大器倒相后， 正半波变窄。当 0 0时，情况相反， 的正半波增宽。 的极性改变，也改变了PWMPWM变换器输出电压平均值的极性，因而改变了电动机的转向。ctUctUaUbUPWUctUctUbUsaUPWUctUPWU97 开关功率放大器的作用是对电压- -脉宽变换器输出的信号 进行放大，输出具有足够功率的信号 ，以驱动直流伺服电动机。 开关功率放大器常采用大功率晶体管构成。根据

16、各晶体管基极所加的控制电压波形，可分为单极性输出、双极性输出和有限单极性输出三种方式。 SUPU 四种工作状态： 1 1）当 0 0时， 的正、负脉宽相等，直流分量为零，VTlVTl和VT4VT4的导通时间与VT2VT2和VT3VT3的导通时间相等，流过电枢绕组中的平均电流等于零，电动机不转。但在交流分量作用下，电动机在停止位置处微振，这种微振有动力润滑作用，可消除电动机启动时的静摩擦，减小启动电压。 IUSU 四种工作状态： 2 2）当 0 0时， 的正脉宽大于负脉宽，直流分量大于零，VTlVTl和VT4VT4的导通时间长于VT2VT2和VT3VT3的导通时间，流过绕组中的电流平均值大于零，

17、电动机正转，且随着 增加，转速增加。 SUIUIUIU 四种工作状态： 3 3）当 0 0时， 的直流分量小于零，电枢绕组中的电流平均值也小于零，电动机反转，且反转转速随着 减小而增加。 SUIU 四种工作状态： 4 4）当 或 时， 为正或负的直流信号，VT1VT1和VT4VT4或VT2VT2和VT3VT3始终导通，电动机在最高转速下正转或反转。 2/UTPPSU2/UTPPIUIU98图4.59 4.59 双闭环脉宽调速系统原理框图 99 锯齿波电压- -脉宽变换器原理（UPWUPW） 三个输入信号： 为由锯齿波发生器提供的锯齿波信号，频率一般为1 14kHz4kHz，由主电路开关频率决定

18、；另一个输入信号是控制电压 ，其极性和大小随系统控制要求随时可变；第三个为负偏移电压，其值调整为 saUctUmax21sbUU图4.60 锯齿波脉宽调制器 100 可逆PWMPWM变换器正常工作时，是上、下两电力晶体管交替导通和关断，如果发生两个晶体管同时导通，则产生极为严重的电源短路情况，导致晶体管损坏，为了确保不产生同时导通的现象，在控制电路与驱动电路之间设立了逻辑延时环节。 对逻辑延迟电路的要求是：让原导通的晶体管先关断，然后让原关断的晶体管导通。因此它们的基极控制信号（如Ub1Ub1和Ub2Ub2）不能在同一时刻由“1”1”到“0”0”或“0”0”到“1”1”，而是应先是“1”1”到“0”0”，经过一个很小的时间后，使另一个由“0”0”到“1”1”，如图6-516-51所示，一般DLDDLD由R R、C C延迟电路组成，见图6-526-52所示。 101102 1. 1.异步电机的变频调速原理 异步电动机的转速方程为 式中， 为电动机转速； 为定子转速磁场的同步转速； 为定子供电频率； 为转差率。 由上式可见，改变异步电动机的供电频率 ，可以改变其同步转速 ，实现调速运行，也称为变频调速。 )1 ()1 (6011snspfnn1n1fs1f1n103 2.异步电机的变频特性 异步电动机定子每相电动势有效值E1为： 式中， 为每极气隙磁通； 为定子相绕组有效匝数。