伺服电机原理

1、伺服电机原理第1页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日3.1 直流伺服电机及其控制3.1.1 伺服系统的要求 “伺服”一词是跟随的意思，即被控的电机忠实地执行频繁变化的位置或速度指令，精确地控制机械系统运动的位移或角度，这种自动系统称伺服系统或随动系统。 以直流伺服电机为驱动元件的伺服系统，称直流伺服系统。 以交流伺服电机为驱动元件的伺服系统，称交流伺服系统。 第2页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日伺服系统的要求 工作精度高 调速性能好 带负载能力强 响应速度快 稳定性和可靠性高 第3页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日3.1.

2、2 直流伺服电机结构和速度控制原理 第4页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日直流电机的输出电磁转矩表达式为：控制直流伺服电机电磁转矩和速度的方法有两种： 一种是改变电枢电压Ua即改变电枢电流Ia的方法； 另一种是改变励磁电流If即改变磁通的方法。常用调节电枢电压的方法。 第5页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日优点：一元函数，线性较好，控制方便；响应速度快； 输出转矩大。第6页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日3.1.3 直流伺服电机的基本特性 1、机械特性 在输入的电枢电压Ua保持不变时，电机的转速n随电磁转矩M变化而变化的规

3、律，称直流电机的机械特性。 K值大表示电磁转矩的变化引起电机转速的变化大，这种情况称直流电机的机械特性软；反之，斜率K值小，电机的机械特性硬。在直流伺服系统中，总是希望电机的机械特性硬一些，这样，当带动的负载变化时，引起的电机转速变化小，有利于提高重流电机的速度稳定性和工件的加工精度。 功耗增大。第7页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日机械特性曲线第8页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日2、调节特性直流电机在一定的电磁转矩M（或负载转矩）下电机的稳态转速n随电枢的控制电压Ua变化而变化的规律，被称为直流电机的调节特性 。第9页，共64页，2022年，

4、5月20日，22点21分，星期日 斜率K反映了电机转速n随控制电压Ua的变化而变化快慢的关系，其值大小与负载大小无关，仅取决于电机本身的结构和技术参数。 第10页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日3、动态特性 从原来的稳定状态到新的稳定状态，存在一个过渡过程，这就是直流电机的动态特性。 决定时间常数的主要因素有： 惯性J的影响、电枢回路电阻Ra的影响、机械特性硬度的影响。第11页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日3.1.4 直流伺服电机的种类和主要技术参数按转动部分惯性大小来分：小惯量直流电机 印刷电路板的自动钻孔机中惯量直流电机（宽调速直流电机）

5、数控机床的进给系统大惯量直流电机 数控机床的主轴电机特种形式的低惯量直流电机第12页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日主要技术参数：额定功率Pe额定电压Ue额定电流Ie额定转速ne额定转矩MIe调速比D直流伺服电机的选择，是根据被驱动机械的负载转矩、运动规律和控制要求来确定。第13页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日3.1.5 直流伺服电机的速度控制1、直流伺服电机速度控制技术指标 （1）调速范围D电机在额定负载下 （2）静差度S 指电机由理想空载增加到额定负载时的转速降落ne与理想空载转速n。之比 第14页，共64页，2022年，5月20日，22点

6、21分，星期日 （3）调速的平滑性Q 用两个相近转速之比表示 Q值越接近1，表示调速平滑性越好。 第15页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日2、直流伺服电机调速对控制信号进行功率放大 （1）线性型优点：电路结构和原理简单，成本低，加速能力强 ；缺点：发热厉害，耗损大。适用于小功率低惯量直流电机。 第16页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日（2）开关型 对直流电机采用脉冲方式供电 ，PWM优点：功率损耗小，运行效率高，加减速性能好，尤其是在要求低速大转矩下连续运行的场合。已普遍用于中小惯量的直流电机调速。 （3）晶闸管型（可控硅型） 对直流电机采用脉冲

7、方式供电 ，PWM优点：输出功率大，电流大 。适用于大功率大惯量的直流电机调速。 第17页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日双向式PWM调速电机的转动方向处决于t1的大小。第18页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日优点：电枢电流稳定连续，外特性硬度高，死区很小，低速性能好，调速范围宽；缺点：工作过程中4个功率三极管都处于开关状态，故开关损耗大，易发生上、下两管直通，造成电源短路等。 第19页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日单向式PWM调速第20页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日3、直流伺服电机闭环速度控

8、制系统第21页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日第22页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日第23页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日3.1.6 直流伺服电机位置伺服控制系统第24页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日第25页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日位置伺服模块第26页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日第27页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日第28页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日第29页，共64页，2022年

9、，5月20日，22点21分，星期日3.2 交流伺服电机及其控制3.2.1 交流伺服控制的发展直流电动机具有很好的控制性能和调速性能 ；但其致 命弱点是常产生火花和磨损，电刷和换向 器需要经常的维护和保养 。交流电动机调速比较困难。 随着变频调速技术的进步，交流电机调速控制己在大功率、高电压、高精度、快响应等领域中的应用己取得重要进展 。第30页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日3.2.2 交流伺服电机结构和工作原理第31页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日第32页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日工作原理：定子绕组通入三相交流电

10、后，产生旋转磁场，旋转磁场切割转子中铜条产生电流，有电流流过的铜条在磁场中受力的作用，使转子产生旋转力矩，驱动转子旋转，转子的旋转方向与旋转磁场的旋转方向相同，其旋转速度n可表达为： 第33页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日第34页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日感应式电机的速度控制有3种方法： 改变加在电机上的电源频率f； 改变转差率s，即改变加在电机上的电源电压； 改变电机的磁极对数p。 第35页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日改变定子电压的速度控制第36页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日其基本

11、原理是利用电机转差率的改变来达到 控制速度的目的。 第37页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日控制定子电压调速的优点是： 速度控制范囿为1：10； 可以进行制动控制（定子绕组中通人直流电流或通入 相序反向的交流电流）。 缺点是： 由于转子输入功率与负载转矩成比例，随着转速的降低，损失增加，效率降低。 采用改变电机输入电压控制电机转速时，应选用转子电阻较大的电机，以减小其功率损失和发热。 第38页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日定子频率控制 定子频率控制的基本原理是通过调节输入到交流电机定子的电压（或电流）的频率和幅值，来控制交流电机的转速，以满足实

12、际工作的要求。感应电机的转差频率控制 Vf（电压频率比）控制 第39页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日感应电机的转差频率控制 其基本控制原理是，实时检测感应电机的旋转角频率m并进行反馈，将反馈的m和给定的转差频率s相加再生时相减），以决定定子电流角频率。 第40页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日第41页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日第42页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日第43页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日Vf（电压频率比）控制第44页，共64页，2022年，5月20日

13、，22点21分，星期日第45页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日3.2.3 逆变器 逆变器是交流伺服电机的驱动电源，它供给交流电机一定幅值、一定频率的交流电流或电压，从而达到交流电机调速控制的目的。分类：电压型、电流型；PWM逆变器、PAM逆变器矩形波逆变器、正弦波逆变器第46页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日电流型逆变器主电路的工作原理第47页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日电压型逆变器主电路的工作原理第48页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日逆变器的PWM控制第49页，共64页，2022年，5月20

14、日，22点21分，星期日第50页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日第51页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日逆变器的数字控制第52页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日第53页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日第54页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日3.3 液压、气动阀及其控制 驱动元件液压、气动缸和马达的运动是靠压力油、压缩空气作为动力源；运动的控制是靠液压系统和气动系统的各种阀来完成。 第55页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日1、液压系统的基本原理1，油箱； 2滤网；3油泵； 4节流阀；5管路； 6换向阀；7、9油管；8，油缸；10电磁铁；11溢流阀；12，油管 第56页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日第57页，共64页，2022年，5月20日，22点21分，星期日2、液压阀的分类按控制功能分： 压力控制阀、方向控制阀、流量控制阀按液压系统的压力分： 低压阀（6MPa）、中压阀（ 16MPa ）按操作方式分： 手动操作阀、电动操作阀按阀的工作方式分： 开关型、模拟量型第58页，共64页，2022年，5月20日，2