运动控制技术(四)-执行元件及驱动技术-直流伺服ppt课件

1、步进电机直流伺服电机交流伺服电机机电伺服系统中的执行元件伺服电机伺服电动机必需具备可控性好、稳定性高和顺应性强等根本性能。 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，无爬行景象；具有较长时间的过载才干；有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽能够小的时间常数和启动电压；具有接受频繁启动、制动和正、反转的才干。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智能化的控

2、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 直流伺服电动机及其驱动技术4.3.1 直流伺服电机任务原理与机械特性 1定子 : 定子磁场由定子的磁极产生，根据磁场的产生方式，直流伺服电动机可分为永磁

3、式和他励式。永磁式磁极由永磁资料制成；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，外表嵌有线圈，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坚持恒定方向，确保转子能沿着固定的方向均匀延续旋转，电刷与外加直流电源相接，换向片与电枢导体相接。4.3.1 直流电机任务原理与机械特性 4.3 直流伺服电动机及其驱动技术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:4.3.1 直流电机任务原理与机械特性 4.3 直流伺服电动机及其驱动技术直流电动机的

4、机械特性方程式为:控制方式：1.电枢控制主要； 2.磁极控制少用。4.3.1 直流电机任务原理与机械特性 4.3 直流伺服电动机及其驱动技术n0Tn nn 称为转速降落Ua一定时，当 时n负载转矩添加转速下降反电势减少电流添加电磁转矩添加平衡电机以较低的转速稳定运转4.3.1 直流电机任务原理与机械特性 4.3 直流伺服电动机及其驱动技术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;如何控制转速使其坚持恒定呢？改动电枢电压，得到硬的机械特性，只能靠闭环控制Id4电机机械特性nIdn1Id1控制方法Id2Id34.3.1 直流电机任务原理与机械特性 4.3 直流伺服电动机及其驱动

5、技术4.3.1 直流电机任务原理与机械特性 4.3 直流伺服电动机及其驱动技术直流伺服电动机的调理特性直流伺服电动机的调理特性也是一组斜率一样的直线簇。每条调理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 直流电机控制系统的数学模型 电枢电压平衡方程为：4.3 直流伺服电动机及其驱动技术电枢电流与电枢电压之间传送函数为: 4.3.2 直流电机控制系统的数学模型 转矩平衡方程为：4.3 直流伺服电动机及其驱动技术转速惯量(Nmsmin / r)它与常用的转动惯量 (N ms2/ rad) 的关系可从下式推得：即 4.3.2 直流电机控制系统的数学模型 4.3 直流伺服电

6、动机及其驱动技术直流电机的准确模型4.3 直流伺服电动机及其驱动技术引入一个机电时间常数: 电枢回路电磁时间常数:4.3.2 直流电机控制系统的数学模型 转速与电枢电压间传送关系: 4.3.2 直流电机控制系统的数学模型 4.3 直流伺服电动机及其驱动技术假设电磁时间常数很小,既忽略电感: 可见:直流伺服电机过渡过程的快慢,取决于机电时间常数.为了加快系统呼应速度,可以:1.减小机械系统等效转动惯量;2.给电机供电的电源内阻小,Ra小;3.加大等效反电动势系数4.3.3 直流伺服电机的技术目的及选型额定功率 PN , 额定电压UN 额定电流 IN 在此功率下允许电机长期延续的运转而不过热.额定

7、转速 nN : 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,反响其过载才干;(普通是额定转矩的510倍)机电时间常数(通常小于20ms)电磁时间常数(通常小于5ms)转动惯量延续任务区：电机可在转矩和转速的恣意组合下长期任务。断续任务区：电机只能作延续任务，整流子和电刷任务于无火花的换向区，可接受低速大转矩的任务形状。延续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。最高转速最大转矩对要求频繁起动/制动的数控机床，为防止电机过热，必需检查在一个周期内电机转矩的均方根值，即有

8、效能矩，并使它小于电机延续额定转矩。直流伺服电机的技术目的例1：满足有效能矩小于电机延续额定转矩vv、TtO起动 t1运动 t2制动 t3停顿 t4常见的速度轮廓曲线v、TtO起动 t1制动 t2停顿 t3梯形速度轮廓曲线三角形速度轮廓曲线例2：龙门刨床任务台控制 系统负载分析与综合 设R为与任务台齿条相啮合的齿轮节圆半径, i为电机与该齿轮之间传动链的总速比，为总效率。设计实例伺服电机校核.功率估算，初步选定电机；普通电机功率大于负载功率的倍1) 假设电机在峰值负载转矩下以峰值转速驱动负载，那么功率按峰值估算；) 假设电机延续任务在变负载之下，按负载均方根估算。 惯量匹配1) 小惯量电机，引

9、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，过载才干强。引荐0.25JL/Jm1，保证灵敏性，快速性；伺服电机的选型.发热校核：负载动摇频繁时，要计算一个任务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。电机的最大转矩普通为额定转矩乘过载系数.伺服电机的选型例. 知任务台分量含工件m=100kg，任务台挪动速度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：每次挪动量l

10、=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 假定速度运转图如图，那么需启动的时间：2进给丝杠转速 假设已计算出负载折算到电机轴总的转动惯量:) 假设传动比i=2，那么电机额定转速：4所需负载稳态功率5所需负载加速功率 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所需加速启动运转转矩6所需稳态运转转矩根据功率要求选择电机，普通，所选电动机额定功率为负载稳定运转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所需减速运转转矩9转矩有效值校核4.3.3 直流伺服电机的驱动4.3.4 直流伺服电

11、动机调速系统及其驱动技术 晶闸管可控硅调速系统经过对晶闸管触发角的控制来控制电机电枢电压，以到达调速的目的。晶体管脉宽调制PWM调速系统经过脉宽调制器将直流电压转换成方波电压，经过对方波脉冲宽度的控制，改动电枢的平均电压，以到达调速的目的。 1. 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：速度调理PI，作用：好的静态、动态特性。 电流环：电流调理(P或PI)。作用：加快呼应、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。速度调理器电流调理器触发脉冲发

12、生器可控硅整流器电流反响速度反响电流检测编码器电机UR+-UfIfIR+-E1ES1).直流斩波器的根本构造 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：2. 晶体管脉宽调制PWM调速系统2). 斩波器的三种控制方式直流斩波器的根本构造与任务原理PWM: Pulse width modulation几种典型PWM变换器的根本构造及任务原理1). 无制动作用的不可逆PWM变换器任务形状与波形2有制动的不可逆PWM变换器12普通电动形状回路回路2有制动的不可逆PWM变换器轻载电动形状：电动与制动交替出现回路再生制动回路能耗制动2有制动的不可逆PWM变换器制动形状: 当控制电压忽然减

13、小，或者电动机在位能负载转矩带动下任务，会出现d，即电动机处于发电运转形状。3回路：电流方向与同向，产生制动转矩能耗制动；回路：由于电枢电感的作用，维持，能量回馈给电源再生制动2有制动的不可逆PWM变换器 3 双极式可逆PWM变换器 3 双极式可逆PWM变换器任务形状与波形电压平衡方程：在一个开关周期内电压在+us,-us之间变换一次，所以称作双极性可逆变换器。负载较轻时： 四个回路交替运转OOOOt1t3Tt2t3t1Ub1、Ub 4Ub2、Ub 3UdUABidttttid1id1id4id2id3id4id2 3 双极式可逆PWM变换器相关方程：Id-Idn正向电动正向制动反向电动反向制

14、动-n 3 双极式可逆PWM变换器性能评价电路与双极式一样，只是基极控制脉冲不同；在一个周期内，ub1ub2，VT1和VT2依然交替导通，右边的VT3,VT4那么不同，当电动机正转时，ub3恒为负，ub4恒为正，反转那么相反；在一个开关周期内，电压在+us/-us，0之间变换一次，所以称作单极性可逆变换器；对静态动态要求低的系统，可采用单极性可逆变换器。 单 极式可逆PWM变换器PWM变换器的数学模型 根据PWM功率变换器的任务原理，当控制电压改动后，输出电压要到下一个周期才会改动，因此，脉宽调制器和PWM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T，由于调制频率很高，远远高

15、于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置方法，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，该环节的传送函数可写作：2 晶体管脉宽调制PWM调速系统构造1速度调理器电流调理器脉宽调制振荡器基极驱动MG电流反响Uusrus f整流功放U U S Cott同向加法放大器电路图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tto-

16、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PWM调速系统构造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/速度伺服 例4.2 其中可控硅整流器传函用PWM变换器传函交换，机械系统传动安装按数控机床进给传动系统模型建立。 参考相应论文预备：第4章例子例5.1， 速度闭环+位置闭环 P134-142例5.4，5.5 5.6习题：5-6，5-766TL+-Mud0+-e R Ln,TeidM直流电动机等效电路 假定主电路电流延续，那么动态电压方程为 电路方程2.2.3 直流电机拖动系统67 假设忽略粘性

17、磨擦及弹性转矩，电机轴上的动力学方程为 额定励磁下电动机输出的电磁转矩和感应电动势分别为 式中 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，N.m2； 电机额定励磁下的转矩系数， N.m/A； TLGD268代入，整理得式中 为负载电流。 微分方程定义 电枢回路电磁时间常数，s； 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，得电压与电流间的传送函数 电流与电动势间的传送函数 (1) (2) 传送函数70 动态构造图 Id (s)IdL(s)+-E (s) R Tmsb. 式2的构造图E(s)Ud0+-1/RTl s+1Id (s)a. 式1的构造图

18、+n(s)c. 整个直流电动机的动态构造图 1/CeUd0IdL (s) EId (s)E+- 1/R Tl s+1 R Tms71 电机从输入到输出的物理学传送过程 n(s)直流电动机的动态构造图 1/CeUd0IdL (s) EId (s)E+- 1/R Tl s+1 R TmsTL+-Mud0+-e R Ln,TeidM直流电动机等效电路 72 根据直流伺服电动机的物理模型，电枢电压一部分被电动机反电动势所平衡，剩余部分经电枢回路电阻和电枢回路电感组成的惯性环节产生电枢电流，或者说是产生了正比于电枢电流的电磁转矩，电磁转矩一部分用来抑制摩擦力矩等稳态条件下的恒值负载转矩，剩余部分，即用来抑制电动机加减速时的惯性转矩，或者说是用