第九讲(2) 机器人关节伺服驱动技术课件

1、山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02第五章机器人关节伺服驱动技术山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02一、直流电机原理5.1 直流电机伺服系统山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02直流电机的励磁方式励磁：由电流激励出磁场的过程叫做励磁。他励他励并励并励串励串励电枢：产生电磁力的部件，如直流电机的 转子。 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02直流电机的基本方程式电气系统的电动平衡方程（并励）电气系统的电动平衡方程（并励）fIM感应电动势感应电动势电枢电压电枢电压励磁电流励磁电流电枢电流电枢电流山东大学机械工程学院机电工程研究所2

2、010/09/02二. 机械系统的转矩平衡方程eT电磁转矩电磁转矩负载转矩负载转矩空载损耗转矩空载损耗转矩 如果电动机以恒如果电动机以恒角速度转动，则角速度转动，则 ： J - 转子惯量转子惯量山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 伺服电机在磁化曲线的线性范围内使用，因而气隙磁通 正比于励磁电流，即：电磁转矩TMMT1Mf f aT KKii式中：1K常数， 由电动机产生的转矩 正比于电枢电流和气隙磁通的乘积，即fi式中：ai常数MT aTK i TK为磁场励磁电流MT aTK i ()iet是电枢电流山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02实例：直流伺服系统a

3、aa aibdiLRieedt 在电枢控制的直流电动机中，励磁电流为常数，故上式可写成：式中：电动机的转矩常数0bbdeKd t山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02实例：直流伺服系统3.转矩平衡方程200()()()()()()()()()()()aaaibMTaNbbLsRIsEsEsTsKIsJ sB ssTsEsKss4.电动机的反电动势正比于速度( ) 0NT s 0( )( )( ) () ()Ti aaT bs KG sE ss L sR J sB K K 反电动势常数 由控制输入电压 开始，系统的因果方程为:MTaT Ki1.电枢电压方程：2002MNddJBT

4、Tdtdt2.电动机转矩bK山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02实例：直流伺服系统系统因果方程拉氏变换为:( )iEs山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02实例：直流伺服系统( )bE s( )bK s( )bK s( )aIsTK( )MT s( )NTs1()sJs B0( ) smTaT K I aEE K n 直流伺服电机的系统方框图直流伺服电机的系统方框图当负载转矩其传递函数是:山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02主要内容7.3 7.3 直流伺服电机及其速度控制直流伺服电机及其速度控制MIaIfUfUaRaLaEaUa202aamE

5、E TamE TURnTKKKRnTKK （ 一定）一定）电枢电压平衡方程式：感应电势与转速关系电磁转矩： 三、三、直流伺服电机的调速原理与方法原原理理图图等等效效图图山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02直流电机的基本调速方式有三种: 1、调节电阻Ra、 2、调节电枢电压Ua 3、调节磁通的值。三、三、直流伺服电机的调速原理与方法UaNUa1 Ua2OTNnn0Nn01n02nNn1n2Ua2Ua1UaNNTNnNT12TOn02n01n0Nn2n1nNnN12由上述关系式可得：山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 电机转速与理想转速的差n，反映了电机机械特

6、性硬度，n越小（转矩对转速变化的影响程度越小），机械特性越硬。TTnn0 n转速与转矩的关系n=f(T)称机械特性山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02电枢电阻调速很少采用，缺点：不经济：要得到低速，R很大，则消耗大量电能；低速，特性很软，运转稳定性很差；调节平滑性差，操作费力。电枢电阻调速主要内容Tnn0R0R2R1山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02主要内容 调节电枢电压时，直流电机机械特性为一组平行线，只改变电机的理想转速n0 ，保持了原有较硬的机械特性，所以调压调速主要用于伺服进给驱动系统电机的调速MUtttTonTEaIaUEaUaV DIa-+如果

7、n值较大，不可能实现宽范围的调速。调压调速 永磁式直流伺服电机的n值较小，因此，进给系统常采用永磁式直流电机。山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02主要内容 调节磁通不但改变了电机的理想转速，而且使直流电机机械特性变软。MUtttTo nTEaIaUEaUaV DIa-+调磁调速山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02主要内容调速的概念有两个方面的含义: 1)改变电机转速：当给定速度变化时,电机的速度随之变化,并希望以最快的加减速达到新的给定速度值； 2)当给定速度不变化时,电机的速度保持稳定不变。四、直流伺服电机速度控制四、直流伺服电机速度控制山东大学机械工程学

8、院机电工程研究所2010/09/02主要内容直流伺服电机速度控制单元的作用： 将转速指令信号转换成电枢的电压值，达到速度调节的目的。直流电机速度控制单元常采用的调速方法： 1.晶闸管（可控硅）调速系统 2、晶体管线性放大器调速系统 3、晶体管开关放大器-脉宽调制（PWM Pulse Width Modulated）调速系统。 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02主要内容 晶闸管不具有自动关断能力，控制复杂，多用于大功率及要求不很高的直流伺服电机调速控制。晶闸管（可控硅）调速系统晶闸管（可控硅）调速系统U*n主要内容速度速度调节器调节器电流电流调节器调节器触发脉冲触发脉冲发生器

9、发生器可控硅可控硅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+-UnInI*n+-US山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 控制控制回路回路主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。速度环：速度调节，作用：好的静态、动态特性。速度环：速度调节，作用：好的静态、动态特性。电流环：电流调节，作用：系统快速性、稳定性改善。电流环：电流调节，作用：系统快速性、稳定性改善。触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或后移。或后移。晶闸管（

10、可控硅）调速系统包括：山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02晶体管线性放大器调速系统特点： 功率晶体管工作在线性区，晶体管功耗大，特别在低速大转矩情况下，电动机的反电动势小而电流大，大量的有功功率消耗在输出晶体管上。 在宽频带、低功率（小于几百瓦）系统中多选用线性放大器。山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02主要内容 利用大功率晶体管的开关作用，将直流电压转换成一定频率的方波电压，加到直流电动机的电枢上；通过调整控制方波脉冲宽度来改变电枢的平均电压，从而调节电机的转速。控制电路简单，不需附加关断电路，开关特性好。 广泛应用中、小功率直流伺服系统。周期不变周期不变

11、脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽平均直流电压平均直流电压Ut周期不变周期不变PWM调速控制系统山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02主要内容aonTaaETTETU01直流电机电压的平均值: T脉冲周期， Ton导通时间PWM调速控制系统晶体管基极控制电压山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02脉宽调制（脉宽调制（PWMPWM）系统组成：）系统组成：主要内容主要内容速度速度调节器调节器电流反馈电流反馈脉宽脉宽调制调制基极基极驱动驱动功功放放振荡器振荡器 电流电流调节器调节器M M速速度度指指令令 三相交流电三相交流电整流整流速度反馈速度反馈U UsrsrU USC

12、SCU UU Ub b山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02实现电路主回路控制回路山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 控制回路： 速度调节器；电流调节器；固定频率振荡器及三角波发生器；脉宽调制器和基极驱动电路。脉宽调制器脉宽调制器 作用：将电压量转换成可由控制信号调节的矩形脉冲，为功率晶体管的基极提供一个宽度可由速度指令信号调节的脉宽电压。 组成：调制信号发生器（三角波和锯齿波两种）和比较放大器。山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02R1+12VUSCR1R3R2+-12VU S rU -PWM PWM 发生器原理发生器原理过零比较器加法U

13、USrSr 速度指令转化过速度指令转化过 来的直流电压来的直流电压U U- - 三角波三角波U USCSC- - 脉宽调制器的输出脉宽调制器的输出调制波形图：调制波形图：山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02主回路主回路双极式H型PWM变换器原理图：山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02双极式双极式PWM变换器电压电流波形图变换器电压电流波形图 返回基极控制：b1，b4B3，b4电机电压： Uab电机电流：山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02单极式PWM变换器电压电流波形图 返回山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02SG1731

14、组成的组成的PWM直流调速系统直流调速系统 返回山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/025.2 交流伺服系统其应用简介分类：1、（永磁）同步交流伺服系统 a、矩形波电流驱动 b、正弦波电流驱动 2、异步型交流伺服系统 根据：其中：f0为定子电压频率，s为转差率，p为极对数。异步电机的调速方法有：变极调速、变转差率调速和变频调速。变极调速由分为：调压调速，转子串电阻调速、串级调速、电磁离合器调速。山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/025.2.15.2.1同步电机调速系统同步电机调速系统 给同步电动机三相对称绕组通入三相对称电流会在气隙中产生一旋转磁场，旋转磁场的同步

15、转速为 n0。 同步电机有转子磁场（保证恒定），转子可以看成一块磁铁。两磁场的相同作用，驱动同步电机旋转。 同步电机转速公式n=60f/np调速方法：变极调速和变频调速。主要方式是变频调速。山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02两种变频调速方式 同步电机变频调速按控制方式可分为自控式和他控式两种。他控式； 装置与电机是独立的。变频装置的输出频率由转速给定决定，由于同步关系，这时系统一般为开环，所依据的原理是VVVF，即变压变频调速 (Variable Voltage Variable Frequency)。特点： 控制简单，但存在转子振荡和失步问题。山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02两种变频调速方式自控式： 变频装置与电机非独立，变频装置的输出频率是依据电动机轴上所带的转子位置决定。组成电源频率自动跟踪转子位置的闭环系统。 由于同步电机供电频率受转子位置的控制即定子磁场转速与转子转速相等，始终保持同步，因此不会出现转子振荡和失步的隐患。山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09