运动控制技术(四)-执行元件及驱动技术-直流伺服

1、n步进电机n直流伺服电机n交流伺服电机机电伺服系统中的执行元件伺服电机n伺服电动机必须具备可控性好、稳定性高和适应性强等基本性能。n 提高直流伺服电动机的力矩/惯量比可以使伺服系统在调速范围内都能平滑运转，无爬行现象；具有较长时间的过载能力；有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压；具有承受频繁启动、制动和正、反转的能力。选择伺服电机和步进电机？ 步进电机伺服电机力矩范围中小力矩（一般在20Nm以下）小、中、大，全范围速度范围低（一般在2000RPM以下，大力矩电机小于1000RPM高（可达5000RPM）,直流伺服电机更可达12万转/分 控制方式主要是位置控制多样化

2、智能化的控制方式，位置/转速/转矩方式平滑性(低频特性）低速时有振动（但用细分型驱动器则可明显改善）好，运行平滑控制精度一般较低，细分型驱动时较高高（具体要看反馈装置的分辨率）矩频特性高速时，力矩下降快力矩特性好，特性较硬过载特性过载时会失步可310倍过载（短时）反馈方式大多数为开环控制，也可接编码器，防止失步闭环方式，编码器反馈编码器类型- - -光电型旋转编码器（增量型/绝对值型），旋转变压器型响应速度一般（需要200400毫秒）快价格低较高4.3 4.3.1 4.3.1 直流伺服电机工作原理与机械特性直流伺服电机工作原理与机械特性 （1）定子 : 定子磁场由定子的磁极产生，根据磁场的产生

3、方式，直流伺服电动机可分为永磁式和他励式。永磁式磁极由永磁材料制成；他励式磁极由冲裁的硅钢片叠压而成，外部绕线圈，通以直流电流便产生恒定磁场。（2）转子: 又叫电枢，由硅钢片叠压而成，表面嵌有线圈，通以直流电时，在定子磁场作用下产生带动负载旋转的电磁转矩。（3）电刷与换向片: 为使产生的电磁转矩保持恒定方向，确保转子能沿着固定的方向均匀连续旋转，电刷与外加直流电源相接，换向片与电枢导体相接。4.3.1 4.3.1 直流电机工作原理与机械特性直流电机工作原理与机械特性 4.3 atICTaaREUIanCEe直流电机电刷间的反电动势：直流电机的电磁转矩表示为： 电枢回路中的电压平衡方程式为:4.

4、3.1 4.3.1 直流电机工作原理与机械特性直流电机工作原理与机械特性 4.3 TCCRCURIUCnteaeaaae2a1atICTaaREUIanCEe直流电动机的机械特性方程式为:控制方式：控制方式：1.1.电枢控制（主要）；电枢控制（主要）； 2.2.磁极控制（少用）。磁极控制（少用）。TCCRCURIUCnteaeaae2aa14.3.1 4.3.1 直流电机工作原理与机械特性直流电机工作原理与机械特性 4.3 n0Tn nn 称为转速降落Ua一定时，当 时n负载转矩增加转速下降反电势减少电流增加电磁转矩增加平衡电机以较低的转速稳定运行TCCRCURIUCnteaeaae2aa14

5、.3.1 4.3.1 直流电机工作原理与机械特性直流电机工作原理与机械特性 4.3 Td称为启动瞬时转矩，其值也与电枢电压成正比。N0是空载转速;Id4电机机械特性nIdn1Id1控制方法Id2Id34.3.1 4.3.1 直流电机工作原理与机械特性直流电机工作原理与机械特性 4.3 4.3.1 4.3.1 直流电机工作原理与机械特性直流电机工作原理与机械特性 4.3 直流伺服电动机的调节特性直流伺服电动机的调节特性也是一组斜率相同的直线簇。每条调节特性和一种电磁转矩相对应，与Ua轴的交点是启动时的电枢电压。4.3.2 4.3.2 直流电机控制系统的数学模型直流电机控制系统的数学模型 nCee

6、dtdiLiRueaaaaa电枢电压平衡方程为：sTKRsLRseusiaaaaaaa1/1/1)()(4.3 电枢电流与电枢电压之间传递函数为: 4.3.2 4.3.2 直流电机控制系统的数学模型直流电机控制系统的数学模型 转矩平衡方程为：atLiCTTTdtdJn4.3 dtdnJdtdnJndtdJdtdJTTL00030602030JJJ转速惯量(Nmsmin / r)0J它与常用的转动惯量 (N ms2/ rad) 的关系可从下式推得：即 JsTTnL14.3.2 4.3.2 直流电机控制系统的数学模型直流电机控制系统的数学模型 4.3 JsTTnL1sTKRsLReuiaaaaaa

7、a1/1/1直流电机的精确模型aaaRsLR/1/ 1Js1eCtCaueaiTLTn4.3 2/etamCCJRT引入一个机电时间常数引入一个机电时间常数: 电枢回路电磁时间常数电枢回路电磁时间常数:aaaRLT aaaRsLR/1/1Js1eCtCaueaiTLTnsTRaa111sTCCRmtea12eCtCaueaiTLTn4.3.2 4.3.2 直流电机控制系统的数学模型直流电机控制系统的数学模型 转速与电枢电压间传递关系转速与电枢电压间传递关系: 4.3.2 4.3.2 直流电机控制系统的数学模型直流电机控制系统的数学模型 4.3 2/etamCCJRT1/1)()(2sTsTTC

8、SUsmamea若电磁时间常数很小若电磁时间常数很小,既忽略电感既忽略电感: 1/1)()(sTCSUsmea可见可见:直流伺服电机过渡过程的快慢直流伺服电机过渡过程的快慢,取决于机电时间常数取决于机电时间常数.为了加快系统响应速度为了加快系统响应速度,可以可以:1.减小机械系统等效转动惯量减小机械系统等效转动惯量;2.给电机供电的电源内阻小给电机供电的电源内阻小,Ra小小;3.加大等效反电动势系数加大等效反电动势系数4.3.3 直流伺服电机的技术指标及选型直流伺服电机的技术指标及选型额定功率 PN , 额定电压UN 额定电流 IN 在此功率下允许电机长期连续的运行而不过热.额定转速 nN :

9、 额定转矩 TN , 最大 转矩 TM: 电机在短时间内可以输出的最大转矩,反应其过载能力;(一般是额定转矩的510倍)机电时间常数(通常小于20ms)电磁时间常数(通常小于5ms)转动惯量NNNNNNNnPnPPT55. 9260连续工作区：电机可在转矩和转速的任意组合下长期工作。断续工作区：电机只能作间断工作，整流子和电刷工作于无火花的换向区，可承受低速大转矩的工作状态。间断周期要根据载荷周期曲线求得。右图为力矩过载倍数与导通时间的关系曲线。加减速区：电枢电流受去磁极限和瞬时换向极限的限制。电机只允许瞬时过渡。最高转速最大转矩n对要求频繁起动/制动的数控机床，为避免电机过热，必须检查在一个

10、周期内电机转矩的均方根值，即有效力矩，并使它小于电机连续额定转矩。直流伺服电机的技术指标例例1：n满足有效力矩小于电机连续额定转矩满足有效力矩小于电机连续额定转矩vv、TtO起动起动 t1运动运动 t2制动制动 t3停止停止 t4常见的速度轮廓曲线常见的速度轮廓曲线v、TtO起动起动 t1制动制动 t2停止停止 t3梯形速度轮廓曲线梯形速度轮廓曲线三角形速度轮廓曲线三角形速度轮廓曲线例例2：龙门刨床工作台控制龙门刨床工作台控制 系统负载分析与综合系统负载分析与综合 设设R为与工作台齿条相为与工作台齿条相啮合的齿轮节圆半径啮合的齿轮节圆半径, i为为电机与该齿轮之间传动链电机与该齿轮之间传动链的

11、总速比，的总速比，为总效率。为总效率。vtttttcMjMgMM1M2M3M4M5M6M1t2t3t4t5t6t往 复 运 动摩 擦 力 矩惯 性 力 矩切 削 力 矩合 成 力 矩设计实例设计实例伺服电机校核伺服电机校核.功率估算，初步选定电机功率估算，初步选定电机；一般电机功率大于负载功率的倍1) 若电机在峰值负载转矩下以峰值转速驱动负载，则功率按峰值估算；) 若电机连续工作在变负载之下，按负载均方根估算。 惯量匹配1) 小惯量电机，推荐JL3Jm，保证灵敏性，快速性；) 大惯量电机，Jm0.1-0.6kgm2,惯量大转矩大，热时间常数大，过载能力强。推荐0.25JL/Jm1，保证灵敏性，

12、快速性；伺服电机的选型伺服电机的选型.发热校核：负载波动频繁时，要计算一个工作周期的负载力矩的均方根值Trms，使其小于电动机的额定力矩。.转矩过载校核：折算到电机轴的最大负载转矩小于电机轴输出最大转矩。电机的最大转矩一般为额定转矩乘过载系数.伺服电机的选型伺服电机的选型例例. 已知工作台重量（含工件）m=100kg，工作台移动速度VL=15m/min，摩擦系数=0.2，减速器效率=80%，进给丝杠长度L=10000mm，直径D=20mm，导程p=10mm。要求：每次移动量l=100mm，定位次数60次/min，定位时间0.5s以下。试选择直流伺服电动机。解：1）增量运动图 min)/(mvL

13、Lvmml100atdtct5 . 00 . 1)(st15假定速度运行图如图，则需启动的时间：svlttlda1 . 060/1000/5 . 02）进给丝杠转速min/15001000/rPvnlL 若已计算出负载折算到电机轴总的转动惯量:231024. 7JmNLM) 若传动比i=2，则电机额定转速：min3000103riPvnLM4）所需负载稳态功率60/LRmgvP 5）所需负载加速功率aMLMtnP2a)60/2( 功率估算：功率估算：1)根据力矩均方根及转速估算功率；2)分别计算稳态功率及加速功率，求和。7）所需加速启动运行转矩MLaMLMMMSTtnGDGDT60/2)(22

14、16）所需稳态运行转矩MLMLnmgvT2根据功率要求选择电机，一般，所选电动机额定功率为负载稳定运行功率和加速功率之和的-倍。初步选择电机后，验算其转动力矩。8）所需减速运行转矩MLdMLMMMSTtnGDGDT60/2)(222mml1005 . 0)(stMRT9）转矩有效值校核TtTtTtTTdMScMLaMSMR222214.3.3 4.3.3 直流伺服电机的驱动直流伺服电机的驱动4.3.4 u 晶闸管（可控硅）晶闸管（可控硅）调速系统调速系统通过对晶闸管触发角的控制来控制电机电枢电压，以达到调速的目的。u晶体管脉宽调制（晶体管脉宽调制（PWM）调速系统调速系统通过脉宽调制器将直流电

15、压转换成方波电压，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，以达到调速的目的。 1. 1. 晶闸管调速系统晶闸管调速系统 包括 控制回路：速度环、电流环、触发脉冲发生器等。 主回路： 可控硅整流放大器等。 速度环：速度调节（PI），作用：好的静态、动态特性。 电流环：电流调节(P或PI)。作用：加快响应、启动、低频稳定等。 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。 可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。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发生器可控硅可控硅整流器整流器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

16、+-UfIfIR+-E1ES1).直流斩波器的基本结构直流斩波器的基本结构 直流斩波器电动机系统原理图和电压波形直流斩波器电动机系统原理图和电压波形电动机得到的平均电压为：电动机得到的平均电压为：2. 2. 晶体管脉宽调制（晶体管脉宽调制（PWMPWM）调速系统）调速系统2). 斩波器的三种控制方式斩波器的三种控制方式直流斩波器的基本结构与工作原理直流斩波器的基本结构与工作原理PWM: Pulse width modulation几种典型几种典型PWM变换器的基本结构及工作原理变换器的基本结构及工作原理n1). 无制动作用的不可逆无制动作用的不可逆PWM变换器变换器工作状态与波形工作状态与波形

17、（2）有制动的不可逆）有制动的不可逆PWM变换器变换器12一般电动状态一般电动状态回路回路回路回路（2 2）有制动的不可逆）有制动的不可逆PWMPWM变换器变换器轻载电动状态：轻载电动状态：电动与制动交替出现电动与制动交替出现回路回路再生制动再生制动回路回路能耗制动能耗制动（2）有制动的不可逆）有制动的不可逆PWM变换器变换器制动状态制动状态: 当控制电压突然减小，或者电动机在位能负载转矩带动下工作，会出现d，即电动机处于发电运行状态。3回路：回路：电流方向与同向，产生制动转矩能耗制动；电流方向与同向，产生制动转矩能耗制动；回路：回路：因为电枢电感的作用，维持，能量回馈给电源再生制动因为电枢电

18、感的作用，维持，能量回馈给电源再生制动（2 2）有制动的不可逆）有制动的不可逆PWMPWM变换器变换器 3） 双极式可逆双极式可逆PWM变换器变换器 3） 双极式可逆双极式可逆PWM变换器变换器工作状态与波形工作状态与波形电压平衡方程：在一个开关周期内电压在在一个开关周期内电压在+us,-us+us,-us之间变换一次，所之间变换一次，所以称作双极性可逆以称作双极性可逆变换器。变换器。负载较轻时： 四个回路交替运行OOOOt1t3Tt2t3t1Ub1、Ub 4Ub2、Ub 3UdUABidttttid1id1id4id2id3id4id2 3） 双极式可逆双极式可逆PWM变换器变换器相关方程：

19、相关方程：Id-Idn正向电正向电动动正向制正向制动动反向电反向电动动反向制反向制动动-n 3） 双极式可逆双极式可逆PWM变换器变换器性能评价性能评价 电路与双极式相同，只是基极控制脉冲不同；电路与双极式相同，只是基极控制脉冲不同； 在一个周期内，在一个周期内，ub1ub2，VT1和和VT2依然交替导通，右边的依然交替导通，右边的VT3,VT4则不同，当电动机正转时，则不同，当电动机正转时，ub3恒为负，恒为负，ub4恒为正，反恒为正，反转则相反；转则相反； 在一个开关周期内，电压在在一个开关周期内，电压在+us/-us，0之间变换一次，所以称作之间变换一次，所以称作单极性可逆变换器；单极性

20、可逆变换器； 对静态动态要求低的系统，可采用单极性可逆变换器。对静态动态要求低的系统，可采用单极性可逆变换器。 ）单）单 极式可逆极式可逆PWM变换器变换器PWM变换器的数学模型变换器的数学模型 根据根据PWMPWM功率变换器的工作原理，当控制电压改变后，功率变换器的工作原理，当控制电压改变后，输出电压要到下一个周期才会改变，因此，脉宽调制器和输出电压要到下一个周期才会改变，因此，脉宽调制器和PWMPWM功率变换器合起来可以看作一个延时环节，最大延迟为功率变换器合起来可以看作一个延时环节，最大延迟为一个开关周期一个开关周期T T，由于调制频率很高，远远高于系统开环频，由于调制频率很高，远远高于

21、系统开环频率特性的截止频率，按照工程上小参数环节的简化处理办率特性的截止频率，按照工程上小参数环节的简化处理办法，可以将其近似成一个小惯性环节，甚至直接看作一个法，可以将其近似成一个小惯性环节，甚至直接看作一个比例环节。这样，该环节的传递函数可写作比例环节。这样，该环节的传递函数可写作： )( 1)( PWMPWMssKsW TsKsW或直接写成（2 2） 晶体管脉宽调制（晶体管脉宽调制（PWMPWM）调速系统结构）调速系统结构1 1速度调节器速度调节器电流调节器电流调节器脉宽调制脉宽调制振荡器振荡器基极驱动基极驱动MG电流反馈电流反馈Uusrus f整流整流功放功放U U S Cott同向加

22、法放大器电路图U Sr 速度指令转化过 来的直流电压U - 三角波USC- 脉宽调制器的输出（ U S r +U ）调制波形图R1+12VUSCR1R3R2+-12VU S rU -USr为0时调制出正负脉宽一样方波平均电压为0调制出脉宽较宽的波形平均电压为正调制出脉宽较窄的波形平均电压为负脉宽调制器脉宽调制器tto-U S rUSr为负时U S r +U U S r +U +U S rottUS r为正时（2） 晶体管脉宽调制（晶体管脉宽调制（PWM）调速系统结构）调速系统结构2-数字控制器直接发出PWM控制信号 仿真实验 直流伺服电机闭环控制系统（位置直流伺服电机闭环控制系统（位置/速度伺

23、服）速度伺服） 例4.2 其中可控硅整流器传函用PWM变换器传函替换，机械系统传动装置按数控机床进给传动系统模型建立。 参考相应论文参考相应论文准备：准备：第第4章例子章例子例例5.1， 速度闭环速度闭环+位置闭环位置闭环 P134-142例例5.4，5.5 5.6习题：习题：5-6，5-766TL+-Mud0+-e R Ln,TeidM直流电动机等效电路 dd0dddiuRiLet 假定主电路电流假定主电路电流连续，则动态电压连续，则动态电压方程为方程为 电路方程电路方程2.2.3 直流电机拖动系统直流电机拖动系统67 如果忽略粘性磨擦及弹性转矩，电机轴上的动力学方如果忽略粘性磨擦及弹性转矩

24、，电机轴上的动力学方程为程为 tnGDTTdd3752Le 额定励磁下电动机输出的电磁转矩和感应电动势分别额定励磁下电动机输出的电磁转矩和感应电动势分别为为 em dTC ieeC n式中式中 包括电机空载转矩在内的负载转矩，包括电机空载转矩在内的负载转矩，N.m； 折算到电机轴上的飞轮惯量，折算到电机轴上的飞轮惯量，N.m2； 电机额定励磁下的转矩系数，电机额定励磁下的转矩系数， N.m/A； em30CCTLGD268代入，整理得代入，整理得dd0dd()dliueR iTtmddLddTeiiRtLd LmTiC式中式中 为负载电流。为负载电流。 n 微分方程微分方程RLTlme2m375CCRGDT定义定义 电枢回路电磁时间常数，电枢回路电磁时间常数，s； 系统机电时间常数，系统机电时间常数，s。69 在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得电压与电流电压与电流间的传递函数间的传递函数 11)()()(0ddsTRsEsUsIl电流与电动势间的传递函数电流与