工学091201第6章-机电一体化伺服驱动系统设计课件

第6章机电一体化伺服驱动系统设计

伺服驱动系统——是带有信号反馈并可自动调节的驱动系统，它比一般无伺服的驱动系统的性能要好得多。相当于人的四肢。6.1伺服驱动系统概述1第6章机电一体化伺服驱动系统设计伺服驱动系统——是带有6.1.1伺服驱动系统的概念伺服驱动系统（随动系统或自动跟踪系统）——是指以机械参数作为控制对象，在控制指令的指挥下，控制执行元件工作，使机械运动部件按照控制命令的要求进行运动的一种自动控制系统。所涉及的机械参量包括位移（位置）、速度、加速度、力和力矩等。伺服系统必须随时跟踪指定目标。26.1.1伺服驱动系统的概念伺服驱动系统（随动系统或自动6.1.2伺服系统的分类按控制原理：开环、闭环和半闭环等伺服系统；按信息传递：连续控制和采样控制；按驱动方式：电气、液压和气动等伺服系统；按被控量性质：位置控制、速度控制或加速度控制、力或力矩控制、速度或位置的同步控制等伺服系统；按控制过程：点位控制和轮廓控制。36.1.2伺服系统的分类按控制原理：开环、闭环和半闭环等（1）开环伺服系统开环伺服系统——控制系统中没有检测反馈环节开环伺服系统结构简图缺点：精度低（定位精度±0.02mm~±0.01mm），速度有限；优点：结构简单，调试、维修、使用方便，工作稳定、可靠；应用：一些精度要求不高的机电一体化系统，如线切割机、办公自动化设备、大多数经济型数控机床和老式机床的改造4（1）开环伺服系统开环伺服系统——控制系统中没有检测反馈（2）闭环伺服系统闭环伺服系统结构简图闭环系统——是误差控制随动系统，位置检测元件直接安装在工作台上

（双闭环）内环——速度环外环——位置环缺点：在结构复杂，成本高，稳定性会要受到固有频率、刚性、阻尼、间隙、摩擦等的影响，设计和调试复杂；优点：控制精度高；应用：主要用于高精密和大型的机电一体化设备5（2）闭环伺服系统闭环伺服系统结构简图闭环系统——是误差控（3）半闭环伺服系统位置检测元件安装在传动链的中间，间接测量工作台的位置图6-3半闭环伺服系统结构简图位置检测装置——可以安装在电动机上或安装在丝杠轴端的编码器精度比闭环系统的精度要低，结构比较简单，调整、维护也比较方便，稳定性好，具有较高的性价比，被广泛应用于各种机电一体化设备。6（3）半闭环伺服系统位置检测元件安装在传动链的中间，间接测6.1.3对伺服系统的基本要求（1）稳定性（2）精度（3）快速响应，无超调（4）灵敏度76.1.3对伺服系统的基本要求（1）稳定性76.2机电一体化系统常用伺服执行元件6.2.1执行元件的分类及特点最常用的分类方法是根据使用能量的不同，把伺服执行元件分为液压式、气压式和电气式等主要类型86.2机电一体化系统常用伺服执行元件6.2.1执行元机电一体化系统执行装置的分类

9机电一体化系统执行装置的分类9常用执行元件特点种类特点优点缺点电动式可使用商用电源；信号与动力的传送方向相同；有交流和直流之分；应特别注意电压之大小操作简便；编程容易；能实现定位伺服；响应快、易与微机相连接；体积小、动力较大；无污染瞬时输出功率大；过载能力差；特别是由于某种原因而堵转时，会引起烧毁事故，易受外部噪声影响液压式对操作人员要求高；液压源压强为（20~80）×105Pa输出功率大，速度快，动作平稳，可实现定位伺服易与微机相连；响应快设备难于小型化；对液压源或液压油要求严格（比如杂质、温度、油量、油质）；易泄漏且有污染气压式对操作人员要求高；空气源压强为(5~7）×105Pa气源方便、成本低；无泄漏、无污染；速度快；操作比较简单功率小，体积大，动作不够平稳，不易于小型化；远距离传输困难；工作噪声大、难于伺服10常用执行元件特点种类特点优点缺点电可使用商用电源；信号与动力6.2.2机电一体化系统对伺服执行元件的基本要求（1）体积小、重量轻、输出功率大功率密度——执行装置单位重量所能达到的输出功率(W/N)反映了电动机单位重量的输出功率，在电动机起停频率低，但要求运行平稳和扭矩脉动小的场合可采用这一指标比功率——功率的时间变化率，是衡量电动机加速性能的一个指标，具有高的比功率对于起停频率高的机械是非常重要的116.2.2机电一体化系统对伺服执行元件的基本要求（1）（2）快速性能好——直线运动为质量m，对回转运动为转动惯量J

（3）宜于计算机控制（4）可靠性高、便于维修与安装（5）有足够有精确度，即实际的输出与指令值之差要小（6）动作平稳、准确度和分辨率高

步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机12（2）快速性能好——直线运动为质量m，对回转运动为转动惯量6.2.3交流伺服系统（1）交流伺服电动分类及特点分类：同步交流伺服电动机、异步交流伺服电动机

特点：同步交流伺服电动机的转子上装有永久磁铁或直流励磁绕组；同步交流伺服电动机的转速严格的与电源频率保持同步，而异步交流伺服电动机的转速永远低于同步转速。异步交流伺服电动机属于交流感应电动机，可分为鼠笼式和绕线式，鼠笼式异步交流伺服电动机的结构简单、容量大、成本低、适宜大功率传动。136.2.3交流伺服系统（1）交流伺服电动分类及特点13（2）交流伺服电动调速方法异步机的调速方法可分为变频调速、变极对数调速和变转差率调速。14（2）交流伺服电动调速方法异步机的调速方法可分为变频调速、变极对数调速：异步电动机的极对数一般不能随意改，必须做成专门的双速或多速异步电动机，故变极对数调速为有级调速；变转差率调速：可以通过调定子电压、转子电阻、转差电压等方法来实现，变转差率调速时转差损耗大、效率低；变频调速：由于同步转速随频率而改变，转差变化小，调速性能好，故应用广

注意：同步电动机不能采用调节转差的方法，只能进行变频调速15变极对数调速：异步电动机的极对数一般不能随意改，必须做成专门（3）交流伺服电动变频调速原理①V/f变频调速原理气隙磁通Φ减小，电动机转子的感应电流I2也相应减小，导致机的允许输出转矩M下降，严重时电动机会产生堵转；若相电压U不变，随着f1的减小，气隙磁通Φ将增加，这会使磁路饱和，激磁电流上升，导致铁耗剧增，功率因数下降。因此改变频率f1进行调速时，需要同时改变定子的相电压U，以维持Φ值接近不变，从而使M也接近不变,这就是VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）16（3）交流伺服电动变频调速原理①V/f变频调速原理16②变频器交流伺服电动机变频调速的关键问题是要获得调频调压的交流电源频率变换：交-直-交变频器、交-交变频器。交-交变频器(直接变频器或周波变频器)——采用元器件的数量较多，其输出的电压波形是由电源波形的区段组成的，为了使波形畸变不至过大，输出频率不能高于电网频率的1/3~1/2，通常用于大功率(500kW或1000kW以上)、低速(600r/min以下)的场合17②变频器交流伺服电动机变频调速的关键问题是要获得调频调压的交-直-交变频器结构框图18交-直-交变频器结构框图18交-直-交变频器（带直流环节的间接变频器）——这种型式的变频器技术成熟，应用较多，输出交流电的频率可高于电网的频率19交-直-交变频器（带直流环节的间接变频器）——这种型式的变频③SPWM变频器SPWM（正弦波脉冲宽度调制），其主要特点是在脉冲宽度调制时，采用三相正弦信作为调制波20③SPWM变频器SPWM（正弦波脉冲宽度调制），其主要特点SPWM波生成原理21SPWM波生成原理21SPWM变频器电路原理图22SPWM变频器电路原理图22在SPWM逆变器中，载波电压频率ft与调制波电压频率fr（即逆变器的输出频率）这比N=ft/fr称为载波比（调制比）。根据载波比的是否改变，SPWM调制方式可分为同步调制方式、异步调制方式和分段同步调制方式

④SPWM变频器调制方式23在SPWM逆变器中，载波电压频率ft与调制波电压频率fr（即⑤SPWM变频调速系统恒压频比（U1/f1=常数）的SPWM变频调速系统的原理如图6-8所示。在需要恒速，但要求不高的场合常采用开环系统24⑤SPWM变频调速系统恒压频比（U1/f1=常数）的SPW恒压频比SPWM变频调速原理图25恒压频比SPWM变频调速原理图25SA8282引脚图SPWM信号可由单片机运行软件查表及必要的计算来生成。也可用专用的大规模集成电路芯片产生，如HEF4752、SLE4520、SA4828、SA828226SA8282引脚图SPWM信号可由单片机运行软件查表及必要的微机控制SPWM变频调速系统框图27微机控制SPWM变频调速系统框图27（4）转差频率控制变频调速系统依据——转差率可以控制电动机的转速，而转差角频率ω可以通过速度反馈确定，转差角频率与异步电动机的转矩有比例关系，因此通过控制转差频率而控制电动机转矩，可以达到电动机调速的目的。28（4）转差频率控制变频调速系统依据——转差率可以控制电动机转差频率调速的控制律可归纳为：①按满足式的函数关系控制定子电流，以保持气隙磁通Φ恒定；②在转差频率≤ωsmax的范围内，保证气隙磁通Φ恒定，则转矩基本上与ωs成正比。29转差频率调速的控制律可归纳为：①按满足式转差频率控制的交流调速系统结构图30转差频率控制的交流调速系统结构图30转差频率控制同恒压频比控制一样，转差频率控制所依赖的控制规律—不管是转矩与转差的关系，还是保持恒磁通时定子电流与转差的关系都是在稳态条件下得出的，不能反映动态特性，因而仍然不能保证最优的动态品质。对于最优的动态性能，显然希望控制的基本原理基于异步机的真实动态模型。矢量控制就是这样31转差频率控制同恒压频比控制一样，转差频率控制所依赖的控制规律（5）交流伺服电动机矢量控制交流电动机矢量控制的作用是使得交流电动机能像直流电动机那样，实现磁通和转矩的单独控制，使交流电动机能够获得与直流电动机同样的控制灵活性和动态特性。为此，必须将三相交流矢量转换成与之等效的直流标量，建立起交流电动机与直流电动机等效的数学模型，然后按直流电动机的控制方法对其进行控制。32（5）交流伺服电动机矢量控制交流电动机矢量控制的作用是使得交流电动机三相绕组等效变换为两相绕组33交流电动机三相绕组等效变换为两相绕组33交流电动机绕组矢量变换34交流电动机绕组矢量变换34矢量变换控制的基本原理由所要求的气隙磁通ΦM确定电流IM，由气隙磁通和所要求的转矩T确定转子电流IT。由此经过IM、IT到iD、iQ再到iA、iB、iC的变换，就可以得三相电流iA、iB、iC的瞬时值，以此作为定子三相电流的给定值对三相交流电动机进行控制。由于IM和IT可以单独调节，从而就调节了三相电流的瞬时给定值，这就使交流电动机的控制具有直流电动机同样的控制灵活性，并且由于是瞬时值控制，所以有良好的动态控制性能。35矢量变换控制的基本原理由所要求的气隙磁通ΦM确定电流IM，由矢量控制系统分类矢量控制系统可分为磁通反馈式和磁通前馈式两大类，其中反馈式矢量控制又可分为磁通直接测量和磁通仿真两种。36矢量控制系统分类矢量控制系统可分为磁通反馈式和磁通前馈式两大交流电动机矢量控制系统框图37交流电动机矢量控制系统框图37优点：转动可以连续平滑调节，调速范围宽。缺点：由于运行过程中转子参数常发生变化，转子磁链难以精确地观测和定向，系统参数鲁棒性差，并由于矢量运算的复杂性，使得实际的控制效果很难与理论分析完全一致，控制器的参数很难在整个调速范围内保证控制性能一致，控制参数的选择需在线调整。变结构控制和直接转矩控制是交流电动机的新型控制方法，它们力图在控制方法鲁棒性和控制方法的简单化方面进行改进。38优点：转动可以连续平滑调节，调速范围宽。变结构控制和直接转矩6.2.4直线电动机直线电动机（DirectDriveLinearMotor）——是直接驱动的一种，取消了中间传动机构，直接驱动执行机构（拖板、工作台主轴等），弹性环节减少，系统刚性提高，改善动态性能，可实现高速、高加速度运行396.2.4直线电动机直线电动机（DirectDrive（1）直线电动机基本原理初级固定次级移动、次级固定初级移动40（1）直线电动机基本原理初级固定次级移动、次级固定初级移动（2）直线电动机的分类与特点分类：按工作原理——交流感应式、交流同步式、直流式、步进式、振荡式和压电式；按结构型式——扁平型、圆筒型、圆盘型和圆弧型等特点：①结构简单，不需要中间传动机，可实现直接驱动，使系统得到简化，提高动态性能与可靠性，易于维护；②移动速度高；③精度高，可达纳米级；④安装简单；⑤在低速时效率和功率因数下降较大。41（2）直线电动机的分类与特点分类：按工作原理——交流感应式6.3数控机床伺服驱动系统设计6.3.1主轴伺服驱动系统设计主轴伺服驱动含义：驱动控制+定向控制。主轴的驱动控制——主要是指主轴的速度、转向控制；而主轴的定向控制——指某些数控机床要求在主轴停下换刀等情况下，为了便于机械手操作必须停在某一角度，这样就需要对主轴的位置进行控制伺服驱动系统：主轴驱动系统+进给伺服驱动系统。主轴伺服驱动系统一般都采用无级调速，以适应各种加工方式的需要，保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得高的生产率、加工精度和表面质量426.3数控机床伺服驱动系统设计6.3.1主轴伺服驱动（1）主轴伺服驱动原理对主轴驱动特殊要求：①结构尽量简单，降低成本、便于维护及提高可靠性；②转速范围也要很大。现代数控机床多采用电气控制调速的办法，使主轴能在大范围内进行恒转矩无级调速；③在尽可能大的调速范围内保持恒功率的输出；

④要求主轴能与进给驱动实行同步控制；在加工中心上为了自动换刀还要求主轴能进行高精度停位控制，即主轴定向控制。有的数控机床还要求主轴具有角度分度控制的功能电主轴

43（1）主轴伺服驱动原理对主轴驱动特殊要求：43（2）电主轴选择以及与控制系统连接电主轴单元选取：据切削工艺计算所得转速、转矩和功率、电主轴转矩、功率和转速之间的关系来决定44（2）电主轴选择以及与控制系统连接电主轴单元选取：据切削工数控机床中完整的电主轴系统45数控机床中完整的电主轴系统456.3.2进给伺服驱动系统设计是数控机床的重要组成部分:伺服驱动电路、伺服驱动装置(电动机)、位置检测装置、机械传动机构以及执行部件等部分。作用：接受数控系统发出的进给位移和速度指令信号，由伺服驱动电路作一定的转换和放大后，经伺服驱动装置（直流、交流伺服电动机、直线电动机、功率步进电动机、电液伺服阀—液压马达等）和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴头架等执行部件进行工作进给和快速进给466.3.2进给伺服驱动系统设计是数控机床的重要组成部分:（1）进给伺服系统的技术要求①调速范围宽(调速范围是指最高进给速度与最低进给速度之比);②位移精度高;③稳定性好,即负载特性要硬;

④动态响应快即有高的灵敏度，达到最大稳态速度的时间要短47（1）进给伺服系统的技术要求①调速范围宽(调速范围是指最（2）进给伺服电动机选择与相应连线计算的电动机额定转速nj、额定转矩TR以及电动机惯量Jm等要求，选择安川（yaskawa）公司Σ-II系列的SGMSH-30ACA3E型交流伺服电动机，采用14bit增量式编码器构成半闭环系统。同时，选用与之配套的SGDM-30AD型伺服驱单元。48（2）进给伺服电动机选择与相应连线计算的电动机额定转速njSGMSH-30ACA3E交流伺服电动机特性参数项目额定功率（kW）额定电流(A)额定转速(rpm)额定转矩(N·m)峰值转矩(N·m)转动惯量(10-4kg/m2)数值3.018.830009.829.49.149SGMSH-30ACA3E交流伺服电动机特性参数项目额定功率图6-18Σ-II系列伺服驱动器的连接50图6-18Σ-II系列伺服驱动器的连接506.4机电一体化新执行装置6.4.1磁致伸缩执行装置

磁致伸缩现象——磁性体的外部一旦加上磁场，则磁性体的外形尺寸会发生变化(Jouleeffect，焦耳效应)，这种现象称为

超磁致伸缩材料——特伏诺（Terfenol），这种材料具有超磁致伸缩特性，可用于开发磁致伸缩驱动器

516.4机电一体化新执行装置6.4.1磁致伸缩执行装置磁致伸缩驱动原理52磁致伸缩驱动原理526.4.2压电执行装置压电效应——是指某些压电材料在机械力的作用下发生变形，内部产生极化现象，在材料的某些表面产生极性相反的电荷；当去掉外力后，电荷消失，这种现象就是压电效应。逆压电效应——是指对压电陶瓷施加一直流电场，改变其表面的极性强度，从而使压电陶瓷的形状和尺寸发生改变。压电执行器——是利用压电陶瓷（Piezoceramic）的逆压电效应来实现微量位移的执行装置。536.4.2压电执行装置压电效应——是指某些压电材料在机械分类压电执行装置分类：双压电式和积层式两大。双电压式压电执行装置——以金属弹性板为中心电极，两边贴合两层压电材料，当驱动元件加上电源时，则一层压电材料伸长，另一层发生收缩，发生与施加的电源波形相应的弯曲变形；积层式压电驱动元件——与双压电式相比较，在变形量、输出力、能量变换率和稳定性方面有优势。压电原理：54分类压电执行装置分类：双压电式和积层式两大。压电原理：54积层式压电驱动器驱动原理特点：①能量变换率高(约50％)；②驱动电压低，75V（最大变形量为4μm时），150V（最大变形量为16μm时）；③输出力大（3400N/cm2）；④响应快（几十微秒)；⑤稳定性好；⑥超精度驱动（1μm以下可达10nm）55积层式压电驱动器驱动原理特点：55压电元件驱动压电元件驱动：电压控制、电流控制(a)电压型驱动电路(b)电流型驱动电路56压电元件驱动压电元件驱动：电压控制、电流控制(a)电压型表6-3压电执行装置的用途装置名称应用举例CDR、VDR计算机硬盘打印机继电器、开关气压阀、油压阀汽车机器人、精密加工机构照相机、摄像机扬声器光头的聚焦机构、跟踪调节磁头的跟踪调节、读出机构打印机的线驱动元件接点的驱动元件喷嘴挡板的驱动元件燃料喷嘴、制动部件精密进给机构、高精度直线驱动器测长、调焦机构振动源压力传感器加速度传感器CTR的选择板地震仪、汽车的控制57表6-3压电执行装置的用途装置名称应用举例CDR、VDR单轴微驱动器的基本结构杠杆58单轴微驱动器的基本结构杠杆586.4.3热变形执行装置热变形执行装置原理优点：高刚度和无间隙的，并可通过控制加热电流来获得所需要的微量位移；缺点：只适用于行程较短、频率不高的场合（热惯性以及冷却速度难以精确控制等）。596.4.3热变形执行装置热变形执行装置原理优点：高刚度和6.4.4形装记忆合金执行装置形状记忆效应——某些特殊的金属材料在发生了塑性变形后，经过加热到某一温度之后，仍能回复到变形前的形状的现象；形状记忆合金(SMA，ShapeMemoryAlloy)——具有形状记忆效应的金属通常是由两种以上金属元素组成的合金：TiNi合金、AuAlNi合金、FeMnSi合金、Cu-Zn-Al合金……606.4.4形装记忆合金执行装置形状记忆效应——某些特殊的优缺点优点：①结构小，重量轻;②动作柔性好;③不易受到周围环境（温度除外）的影响。缺点：响应速度较慢（靠加热、冷却使其运动的，而驱动器本身具有一定的热惯量）；性能还有待提高61优缺点优点：616.4.5静电执行装置静电步进执行装置微型静电驱动马达、静电步进执行装置等626.4.5静电执行装置静电步进执行装置微型静电驱动马达、静电驱动器的特点①构造简单、呈平面结构;②适宜于小型化、微型化(缩小空间有利于提高静电作用力);③小型化时能量变换率高。63静电驱动器的特点①构造简单、呈平面结构;63思考与习题P1861、2、3、664思考与习题P18664第6章机电一体化伺服驱动系统设计

伺服驱动系统——是带有信号反馈并可自动调节的驱动系统，它比一般无伺服的驱动系统的性能要好得多。相当于人的四肢。6.1伺服驱动系统概述65第6章机电一体化伺服驱动系统设计伺服驱动系统——是带有6.1.1伺服驱动系统的概念伺服驱动系统（随动系统或自动跟踪系统）——是指以机械参数作为控制对象，在控制指令的指挥下，控制执行元件工作，使机械运动部件按照控制命令的要求进行运动的一种自动控制系统。所涉及的机械参量包括位移（位置）、速度、加速度、力和力矩等。伺服系统必须随时跟踪指定目标。666.1.1伺服驱动系统的概念伺服驱动系统（随动系统或自动6.1.2伺服系统的分类按控制原理：开环、闭环和半闭环等伺服系统；按信息传递：连续控制和采样控制；按驱动方式：电气、液压和气动等伺服系统；按被控量性质：位置控制、速度控制或加速度控制、力或力矩控制、速度或位置的同步控制等伺服系统；按控制过程：点位控制和轮廓控制。676.1.2伺服系统的分类按控制原理：开环、闭环和半闭环等（1）开环伺服系统开环伺服系统——控制系统中没有检测反馈环节开环伺服系统结构简图缺点：精度低（定位精度±0.02mm~±0.01mm），速度有限；优点：结构简单，调试、维修、使用方便，工作稳定、可靠；应用：一些精度要求不高的机电一体化系统，如线切割机、办公自动化设备、大多数经济型数控机床和老式机床的改造68（1）开环伺服系统开环伺服系统——控制系统中没有检测反馈（2）闭环伺服系统闭环伺服系统结构简图闭环系统——是误差控制随动系统，位置检测元件直接安装在工作台上

（双闭环）内环——速度环外环——位置环缺点：在结构复杂，成本高，稳定性会要受到固有频率、刚性、阻尼、间隙、摩擦等的影响，设计和调试复杂；优点：控制精度高；应用：主要用于高精密和大型的机电一体化设备69（2）闭环伺服系统闭环伺服系统结构简图闭环系统——是误差控（3）半闭环伺服系统位置检测元件安装在传动链的中间，间接测量工作台的位置图6-3半闭环伺服系统结构简图位置检测装置——可以安装在电动机上或安装在丝杠轴端的编码器精度比闭环系统的精度要低，结构比较简单，调整、维护也比较方便，稳定性好，具有较高的性价比，被广泛应用于各种机电一体化设备。70（3）半闭环伺服系统位置检测元件安装在传动链的中间，间接测6.1.3对伺服系统的基本要求（1）稳定性（2）精度（3）快速响应，无超调（4）灵敏度716.1.3对伺服系统的基本要求（1）稳定性76.2机电一体化系统常用伺服执行元件6.2.1执行元件的分类及特点最常用的分类方法是根据使用能量的不同，把伺服执行元件分为液压式、气压式和电气式等主要类型726.2机电一体化系统常用伺服执行元件6.2.1执行元机电一体化系统执行装置的分类

73机电一体化系统执行装置的分类9常用执行元件特点种类特点优点缺点电动式可使用商用电源；信号与动力的传送方向相同；有交流和直流之分；应特别注意电压之大小操作简便；编程容易；能实现定位伺服；响应快、易与微机相连接；体积小、动力较大；无污染瞬时输出功率大；过载能力差；特别是由于某种原因而堵转时，会引起烧毁事故，易受外部噪声影响液压式对操作人员要求高；液压源压强为（20~80）×105Pa输出功率大，速度快，动作平稳，可实现定位伺服易与微机相连；响应快设备难于小型化；对液压源或液压油要求严格（比如杂质、温度、油量、油质）；易泄漏且有污染气压式对操作人员要求高；空气源压强为(5~7）×105Pa气源方便、成本低；无泄漏、无污染；速度快；操作比较简单功率小，体积大，动作不够平稳，不易于小型化；远距离传输困难；工作噪声大、难于伺服74常用执行元件特点种类特点优点缺点电可使用商用电源；信号与动力6.2.2机电一体化系统对伺服执行元件的基本要求（1）体积小、重量轻、输出功率大功率密度——执行装置单位重量所能达到的输出功率(W/N)反映了电动机单位重量的输出功率，在电动机起停频率低，但要求运行平稳和扭矩脉动小的场合可采用这一指标比功率——功率的时间变化率，是衡量电动机加速性能的一个指标，具有高的比功率对于起停频率高的机械是非常重要的756.2.2机电一体化系统对伺服执行元件的基本要求（1）（2）快速性能好——直线运动为质量m，对回转运动为转动惯量J

（3）宜于计算机控制（4）可靠性高、便于维修与安装（5）有足够有精确度，即实际的输出与指令值之差要小（6）动作平稳、准确度和分辨率高

步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机76（2）快速性能好——直线运动为质量m，对回转运动为转动惯量6.2.3交流伺服系统（1）交流伺服电动分类及特点分类：同步交流伺服电动机、异步交流伺服电动机

特点：同步交流伺服电动机的转子上装有永久磁铁或直流励磁绕组；同步交流伺服电动机的转速严格的与电源频率保持同步，而异步交流伺服电动机的转速永远低于同步转速。异步交流伺服电动机属于交流感应电动机，可分为鼠笼式和绕线式，鼠笼式异步交流伺服电动机的结构简单、容量大、成本低、适宜大功率传动。776.2.3交流伺服系统（1）交流伺服电动分类及特点13（2）交流伺服电动调速方法异步机的调速方法可分为变频调速、变极对数调速和变转差率调速。78（2）交流伺服电动调速方法异步机的调速方法可分为变频调速、变极对数调速：异步电动机的极对数一般不能随意改，必须做成专门的双速或多速异步电动机，故变极对数调速为有级调速；变转差率调速：可以通过调定子电压、转子电阻、转差电压等方法来实现，变转差率调速时转差损耗大、效率低；变频调速：由于同步转速随频率而改变，转差变化小，调速性能好，故应用广

注意：同步电动机不能采用调节转差的方法，只能进行变频调速79变极对数调速：异步电动机的极对数一般不能随意改，必须做成专门（3）交流伺服电动变频调速原理①V/f变频调速原理气隙磁通Φ减小，电动机转子的感应电流I2也相应减小，导致机的允许输出转矩M下降，严重时电动机会产生堵转；若相电压U不变，随着f1的减小，气隙磁通Φ将增加，这会使磁路饱和，激磁电流上升，导致铁耗剧增，功率因数下降。因此改变频率f1进行调速时，需要同时改变定子的相电压U，以维持Φ值接近不变，从而使M也接近不变,这就是VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）80（3）交流伺服电动变频调速原理①V/f变频调速原理16②变频器交流伺服电动机变频调速的关键问题是要获得调频调压的交流电源频率变换：交-直-交变频器、交-交变频器。交-交变频器(直接变频器或周波变频器)——采用元器件的数量较多，其输出的电压波形是由电源波形的区段组成的，为了使波形畸变不至过大，输出频率不能高于电网频率的1/3~1/2，通常用于大功率(500kW或1000kW以上)、低速(600r/min以下)的场合81②变频器交流伺服电动机变频调速的关键问题是要获得调频调压的交-直-交变频器结构框图82交-直-交变频器结构框图18交-直-交变频器（带直流环节的间接变频器）——这种型式的变频器技术成熟，应用较多，输出交流电的频率可高于电网的频率83交-直-交变频器（带直流环节的间接变频器）——这种型式的变频③SPWM变频器SPWM（正弦波脉冲宽度调制），其主要特点是在脉冲宽度调制时，采用三相正弦信作为调制波84③SPWM变频器SPWM（正弦波脉冲宽度调制），其主要特点SPWM波生成原理85SPWM波生成原理21SPWM变频器电路原理图86SPWM变频器电路原理图22在SPWM逆变器中，载波电压频率ft与调制波电压频率fr（即逆变器的输出频率）这比N=ft/fr称为载波比（调制比）。根据载波比的是否改变，SPWM调制方式可分为同步调制方式、异步调制方式和分段同步调制方式

④SPWM变频器调制方式87在SPWM逆变器中，载波电压频率ft与调制波电压频率fr（即⑤SPWM变频调速系统恒压频比（U1/f1=常数）的SPWM变频调速系统的原理如图6-8所示。在需要恒速，但要求不高的场合常采用开环系统88⑤SPWM变频调速系统恒压频比（U1/f1=常数）的SPW恒压频比SPWM变频调速原理图89恒压频比SPWM变频调速原理图25SA8282引脚图SPWM信号可由单片机运行软件查表及必要的计算来生成。也可用专用的大规模集成电路芯片产生，如HEF4752、SLE4520、SA4828、SA828290SA8282引脚图SPWM信号可由单片机运行软件查表及必要的微机控制SPWM变频调速系统框图91微机控制SPWM变频调速系统框图27（4）转差频率控制变频调速系统依据——转差率可以控制电动机的转速，而转差角频率ω可以通过速度反馈确定，转差角频率与异步电动机的转矩有比例关系，因此通过控制转差频率而控制电动机转矩，可以达到电动机调速的目的。92（4）转差频率控制变频调速系统依据——转差率可以控制电动机转差频率调速的控制律可归纳为：①按满足式的函数关系控制定子电流，以保持气隙磁通Φ恒定；②在转差频率≤ωsmax的范围内，保证气隙磁通Φ恒定，则转矩基本上与ωs成正比。93转差频率调速的控制律可归纳为：①按满足式转差频率控制的交流调速系统结构图94转差频率控制的交流调速系统结构图30转差频率控制同恒压频比控制一样，转差频率控制所依赖的控制规律—不管是转矩与转差的关系，还是保持恒磁通时定子电流与转差的关系都是在稳态条件下得出的，不能反映动态特性，因而仍然不能保证最优的动态品质。对于最优的动态性能，显然希望控制的基本原理基于异步机的真实动态模型。矢量控制就是这样95转差频率控制同恒压频比控制一样，转差频率控制所依赖的控制规律（5）交流伺服电动机矢量控制交流电动机矢量控制的作用是使得交流电动机能像直流电动机那样，实现磁通和转矩的单独控制，使交流电动机能够获得与直流电动机同样的控制灵活性和动态特性。为此，必须将三相交流矢量转换成与之等效的直流标量，建立起交流电动机与直流电动机等效的数学模型，然后按直流电动机的控制方法对其进行控制。96（5）交流伺服电动机矢量控制交流电动机矢量控制的作用是使得交流电动机三相绕组等效变换为两相绕组97交流电动机三相绕组等效变换为两相绕组33交流电动机绕组矢量变换98交流电动机绕组矢量变换34矢量变换控制的基本原理由所要求的气隙磁通ΦM确定电流IM，由气隙磁通和所要求的转矩T确定转子电流IT。由此经过IM、IT到iD、iQ再到iA、iB、iC的变换，就可以得三相电流iA、iB、iC的瞬时值，以此作为定子三相电流的给定值对三相交流电动机进行控制。由于IM和IT可以单独调节，从而就调节了三相电流的瞬时给定值，这就使交流电动机的控制具有直流电动机同样的控制灵活性，并且由于是瞬时值控制，所以有良好的动态控制性能。99矢量变换控制的基本原理由所要求的气隙磁通ΦM确定电流IM，由矢量控制系统分类矢量控制系统可分为磁通反馈式和磁通前馈式两大类，其中反馈式矢量控制又可分为磁通直接测量和磁通仿真两种。100矢量控制系统分类矢量控制系统可分为磁通反馈式和磁通前馈式两大交流电动机矢量控制系统框图101交流电动机矢量控制系统框图37优点：转动可以连续平滑调节，调速范围宽。缺点：由于运行过程中转子参数常发生变化，转子磁链难以精确地观测和定向，系统参数鲁棒性差，并由于矢量运算的复杂性，使得实际的控制效果很难与理论分析完全一致，控制器的参数很难在整个调速范围内保证控制性能一致，控制参数的选择需在线调整。变结构控制和直接转矩控制是交流电动机的新型控制方法，它们力图在控制方法鲁棒性和控制方法的简单化方面进行改进。102优点：转动可以连续平滑调节，调速范围宽。变结构控制和直接转矩6.2.4直线电动机直线电动机（DirectDriveLinearMotor）——是直接驱动的一种，取消了中间传动机构，直接驱动执行机构（拖板、工作台主轴等），弹性环节减少，系统刚性提高，改善动态性能，可实现高速、高加速度运行1036.2.4直线电动机直线电动机（DirectDrive（1）直线电动机基本原理初级固定次级移动、次级固定初级移动104（1）直线电动机基本原理初级固定次级移动、次级固定初级移动（2）直线电动机的分类与特点分类：按工作原理——交流感应式、交流同步式、直流式、步进式、振荡式和压电式；按结构型式——扁平型、圆筒型、圆盘型和圆弧型等特点：①结构简单，不需要中间传动机，可实现直接驱动，使系统得到简化，提高动态性能与可靠性，易于维护；②移动速度高；③精度高，可达纳米级；④安装简单；⑤在低速时效率和功率因数下降较大。105（2）直线电动机的分类与特点分类：按工作原理——交流感应式6.3数控机床伺服驱动系统设计6.3.1主轴伺服驱动系统设计主轴伺服驱动含义：驱动控制+定向控制。主轴的驱动控制——主要是指主轴的速度、转向控制；而主轴的定向控制——指某些数控机床要求在主轴停下换刀等情况下，为了便于机械手操作必须停在某一角度，这样就需要对主轴的位置进行控制伺服驱动系统：主轴驱动系统+进给伺服驱动系统。主轴伺服驱动系统一般都采用无级调速，以适应各种加工方式的需要，保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得高的生产率、加工精度和表面质量1066.3数控机床伺服驱动系统设计6.3.1主轴伺服驱动（1）主轴伺服驱动原理对主轴驱动特殊要求：①结构尽量简单，降低成本、便于维护及提高可靠性；②转速范围也要很大。现代数控机床多采用电气控制调速的办法，使主轴能在大范围内进行恒转矩无级调速；③在尽可能大的调速范围内保持恒功率的输出；

④要求主轴能与进给驱动实行同步控制；在加工中心上为了自动换刀还要求主轴能进行高精度停位控制，即主轴定向控制。有的数控机床还要求主轴具有角度分度控制的功能电主轴

107（1）主轴伺服驱动原理对主轴驱动特殊要求：43（2）电主轴选择以及与控制系统连接电主轴单元选取：据切削工艺计算所得转速、转矩和功率、电主轴转矩、功率和转速之间的关系来决定108（2）电主轴选择以及与控制系统连接电主轴单元选取：据切削工数控机床中完整的电主轴系统109数控机床中完整的电主轴系统456.3.2进给伺服驱动系统设计是数控机床的重要组成部分:伺服驱动电路、伺服驱动装置(电动机)、位置检测装置、机械传动机构以及执行部件等部分。作用：接受数控系统发出的进给位移和速度指令信号，由伺服驱动电路作一定的转换和放大后，经伺服驱动装置（直流、交流伺服电动机、直线电动机、功率步进电动机、电液伺服阀—液压马达等）和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴头架等执行部件进行工作进给和快速进给1106.3.2进给伺服驱动系统设计是数控机床的重要组成部分:（1）进给伺服系统的技术要求①调速范围宽(调速范围是指最高进给速度与最低进给速度之比);②位移精度高;③稳定性好,即负载特性要硬;

④动态响应快即有高的灵敏度，达到最大稳态速度的时间要短111（1）进给伺服系统的技术要求①调速范围宽(调速范围是指最（2）进给伺服电动机选择与相应连线计算的电动机额定转速nj、额定转矩TR以及电动机惯量Jm等要求，选择安川（yaskawa）公司Σ-II系列的SGMSH-30ACA3E型交流伺服电动机，采用14bit增量式编码器构成半闭环系统。同时，选用与之配套的SGDM-30AD型伺服驱单元。112（2）进给伺服电动机选择与相应连线计算的电动机额定转速njSGMSH-30ACA3E交流伺服电动机特性参数项目额定功率（kW）额定电流(A)额定转速(rpm)额定转矩(N·m)峰值转矩(N·m)转动惯量(10-4kg/m2)数值3.018.830009.829.49.1113SGMSH-30ACA3E交流伺服电动机特性参数项目额定功率图6-18Σ-II系列伺服驱动器的连接114图6-18Σ-II系列伺服驱动器的连接506.4机电一体化新执行装置6.4.1磁致