《机电一体化技术》课件-第三章 3.3-3.4

第3章伺服驱动技术机电一体化技术3.3电气伺服系统3.3电气伺服系统

2（1）直流伺服电动机的基本结构及工作原理3.3.1、直流伺服系统图3-3.1直流伺服电动机基本结构直流伺服电动机与直流电动机结构、原理相同。只是为减小转动惯量，电机做得细长一些。直流伺服电动机主要由磁极、电驱、电刷、换向片等部分组成，如图3-3.1所示。3.3电气伺服系统

3（2）直流伺服电动机的类型及特点3.3.1、直流伺服系统直流伺服电动机具有稳定性好、易控制、响应快、控制功率低、损耗小、转矩大等优点，因此在工业中得到了较广泛的应用，但是电刷和换向器的使用增大了电动机维护的工作量，缩短了电动机的使用寿命。3.3电气伺服系统

43.3.1、直流伺服系统直流伺服电动机定子励磁方式电磁式他励式串励式并励式复励式永磁式电驱的结构与形状平滑电驱型空芯电驱型有槽电驱型转子转动惯量大惯量（直流力矩伺服器）中惯量小惯量3.3电气伺服系统

5（3）直流伺服电动机的稳态特性3.3.1、直流伺服系统图3-3.2电驱控制直流伺服电动机原理图

3.3电气伺服系统

6（3）直流伺服电动机的稳态特性3.3.1、直流伺服系统

2）转子切割磁力线时，电枢反电动势Ea与转速n之间关系为Ea=KeΦn

式中，Ke是电动势常数，仅与电动机结构有关；Φ是定子磁场中每极的气隙磁通量,n为转子转速。3.3电气伺服系统

7（3）直流伺服电动机的稳态特性3.3.1、直流伺服系统

3.3电气伺服系统

8（3）直流伺服电动机的机械特性与调节特性3.3.1、直流伺服系统根据稳态方程，可得出直流伺服电动机的两种特殊运行状态当M=0，即空载时，有

当n=0，即启动或堵转时，有

3.3电气伺服系统

9（3）直流伺服电动机的机械特性与调节特性3.3.1、直流伺服系统

3.3电气伺服系统

10（3）直流伺服电动机的机械特性与调节特性3.3.1、直流伺服系统可见，给定不同的Ua值和M值，可分别绘出直流伺服电动机的机械特性曲线和调节特性曲线如图3-3.3所示。图3-3.3直流伺服电动机的机械特性（左）和调节特性（右）3.3电气伺服系统

11（3）直流伺服电动机的机械特性与调节特性3.3.1、直流伺服系统直流伺服电动机的机械特性是一组斜率相同的直线簇。每条机械特性和一种电枢电压相对应，与n轴的交点是该电枢电压下的理想空载角速度，与M轴的交点则是该电枢电压下的启动转矩。机械特性的斜率为负，说明在电枢电压不变时，电动机转速随负载转矩增加而降低。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。调节特性的斜率为正，说明在一定的负载下，电动机转速随电枢电压的增加而增加。3.3电气伺服系统

12（4）直流伺服电动机的控制驱动3.3.1、直流伺服系统直流伺服电动机的转速和方向调节通过控制电驱直流电压的大小和方向实现，目前常用的驱动控制有晶闸管直流调速驱动和晶体管脉宽调制（PulseWidthModulation,PWM）。晶闸管直流调速驱动在低整流电压时其输出是很小的尖峰电压的平均值，会造成电流的不连续性。脉宽调制驱动系统开关频率高，伺服机构能够响应的频带范围也宽，与晶闸管相比，其输出电流脉动非常小，接近于纯真流。因此一般采取脉宽调制进行直流调速驱动。3.3电气伺服系统

13（4）直流伺服电动机的控制驱动3.3.1、直流伺服系统脉宽调制原理：利用大功率晶体管的开关作用，将直流电源电压转换成一定频率的方波电压，加在直流电动机的电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，从而调节电动机的转速。PWM信号需要连接功率放大器才能够驱动直流伺服电机。单极性驱动方式：通过占空比的改变控制电动机两端的平均电压双极性驱动方式：采取四个功率开关构成H桥电路，通过开关之间的配合作用可以实现电动机的制动和反向。3.3电气伺服系统

14（1）交流伺服电动机的工作原理3.3.2、交流伺服系统交流伺服电动机按结构和工作原理分为同步交流伺服电动机（SM）和异步交流伺服电动机（IM）。1）同步交流伺服电动机：三相交流电流通过定子绕组时，在定子上产生旋转磁场，旋转磁场与转子磁场相互作用驱动转子转动。转子的旋转速度与定子绕组所产生的旋转磁场的速度一致，转速可表示为：

3.3电气伺服系统

15（1）交流伺服电动机的工作原理3.3.2、交流伺服系统2）异步交流伺服电动机：又称为感应式伺服电动机，转子切割磁感线产生感应电流，从而产生电磁转矩，驱动转子沿定子产生的旋转磁场的相同方向旋转，如图3-3.4所示。转速方程为：

图3-3.4异步交流电动机工作原理图3.3电气伺服系统

16（2）交流伺服电动机的特性3.3.2、交流伺服系统交流伺服电动机的机械特性是指在一定的电源电压和转子电阻之下，电动机转速与电磁转矩的关系n=f(M)或转差率与电磁转矩的关系s=f(M)，如图3-3.5所示。图3-3.5异步交流电动机的机械特性3.3电气伺服系统

17（3）交流伺服电动机的控制与驱动3.3.2、交流伺服系统

3.3电气伺服系统

18（3）交流伺服电动机的控制与驱动3.3.2、交流伺服系统为了使异步交流电动机具有与直流电动机一样的控制特性，必须将定子电流分解磁场方向上的分量和与之正交方向的分量，磁场方向的分量相当于励磁电流，与之正交方向的分量相当于转矩电流，二者分别控制，使得三相异步电动机得到于直流电动机相似的控制特性。·变频调速控制由异步交流电动机的转速公式可知其调速方法有变频调速、变级调速和变转差率调速三种，其中变频调速是一种理想的调速方式。实现变频调速的方法有很多种，可分为交-交变频、交-直-交变频、正弦波脉宽调制（SPWM）变频等。3.3电气伺服系统

19（1）步进伺服电动机的结构与分类3.3.3、步进伺服系统步进电机运动形式旋转运动式直线运动式平面运动式工作方式功率式伺服式励磁相数两相三相……工作原理可变磁阻式步进电动机（VR）永磁式步进电动机（PM）混合式步进电动机（HB）3.3电气伺服系统

20（2）步进伺服电动机的工作原理3.3.3、步进伺服系统三相反应式步进电动机的定子上有6个齿，其上分别缠有A、B、C三相绕组，构成三对磁极；转子上则均匀分布着4个齿。步进电动机采用直流电源供电。当A、B、C三相绕组轮流通电时，通过电磁力的吸引，步进电动机转子一步一步地旋转。图3-3.6三相反应式步进电动机示意图3.3电气伺服系统

21（2）步进伺服电动机的工作原理3.3.3、步进伺服系统步进电动机绕组每次通断电使转子转过的角度称之为步距角。上述分析中的步进电动机步距角为30°。对于一个真实的步进电动机，为了减少每通电一次的转角，在转子和定子上开有很多定分的小齿。其中定子的三相绕组铁心间有一定角度的齿差，当A相定子小齿与转子小齿对正时，B相和C相定子上的齿则处于错开状态

3.3电气伺服系统

22（3）步进伺服电动机的运动特性3.3.3、步进伺服系统1)步进电动机矩-角特性图3-3.7矩-角特性曲线

3.3电气伺服系统

23（3）步进伺服电动机的运动特性3.3.3、步进伺服系统2）步进电动机转矩与工作频率特性图3-3.8步进电动机转矩与工作频率特性3.3电气伺服系统

24（4）步进伺服电动机的驱动控制3.3.3、步进伺服系统2）步进电动机驱动系统主要实现由弱电到强电的转换和放大，即将逻辑电平信号转换成电动机绕组所需要的具有一定功率的电流脉冲信号。驱动系统由环形分配器（又称脉冲分配器）和功率放大器组成。图3-3.9步进电动机驱动系统3.4电液伺服系统25电液伺服阀既是电液转换元件，又是功率放大元件。它能够将输入的微小电气信号转换为大功率的液压信号(流量与压力)输出，根据输出液压信号的不同，电液伺服阀可分为电液流量控制伺服阀和电液压力控制伺服阀两大类。在电液伺服系统中，电液伺服阀将系统的电气部分与液压部分连接起来，实现电、液信号的转换与放大以及对液压执行元件的控制。电液伺服阀是电液同服系统的关键部件，它的性能及正确使用，直接关系到整个系统的控制精度和响应速度，也直接影响到系统工作的可靠性和寿命。3.4.1、电液伺服阀3.4电液伺服系统263.4.1、电液伺服阀1电液伺服阀的组成电液伺服阀通常由力矩马达（或力马达）、液压放大器、反馈机构（或平衡机构）三部分组成。力矩马达的作用是把输入的电气控制信号转换为力矩（或力)，控制液压放大器的运动。而液压放大器的运动又去控制液压油源流向液压执行机构的流量或压力。力矩马达的输出力矩(或力)很小，在阀的流量比较大时，无法直接驱动功率级阀运动，此时需要增加液压前置级，将力矩马达的输出加以放大，再去控制功率级阀，这就构成二级或三级电液伺服阀。3.4电液伺服系统273.4.1、电液伺服阀1电液伺服阀的组成第一级的结构形式有单喷嘴挡板阀、双喷嘴挡板阀、滑阀、射流管阀和射流元件等。功率级几乎都采用滑阀。当在二级或三级电液伺服阀中，通常采用反馈机构将输出级(功率级)的阀芯位移、输出流量或输出压力以位移、力或电信号的形式反馈到第一级或第级的输入端，也有反馈到力矩马达衔铁组件或力矩马达输入端的，平衡机构一般用于单级同服阀或二级弹簧对中式伺服阀。平衡机构通常采用各种弹性元件，是一个力-位移转换元件。3.4电液伺服系统283.4.1、电液伺服阀2电液伺服阀的分类电液伺服阀的结构形式很多，可按不同的分类方法进行分类：按液压放大器的级数分类：单级、两级和三级伺服阀。按第一级阀的结构形式分类：滑阀、单/双喷嘴挡板阀和偏转板射流阀等。按反馈形式分类：滑阀位置反馈、负载流量反馈和负载压力反馈三种。按力矩马达是否浸泡在油中分类：湿式和干式两种。3.4电液伺服系统29电液伺服系统的分类方法很多，可按不同的角度分类：按输出物理量分类：位置控制系统、速度控制系统、力控制系统等。按控制元件类型分类：阀控系统、泵控系统。按输出功率分类：大功率系统、小功率系统。按输入和输出关系分类：开环控制系统、闭环控制系统等。按输入信号的形式不同分类：模拟伺服系统和数字伺服系统。3.4.2、电液伺服系统的类型3.4电液伺服系统303.4.2、电液伺服系统的类型1模拟伺服系统如图所示，在模拟伺服系统中，全部信号都是连续的模拟量。电信号可以是直流量或交流量，直流量和交流量的相互转换可通过调制器或解调器完成。伺服放大器伺服阀液压马达模拟检测器模拟输入信号（电压）模拟反馈信号（电压）输出特点：重复精度高，分辨能力较低（绝对精度低），精度很大程度上取决于检测装置的精度，分辨能力低于数字伺服系统，微小信号容易受到噪声和零漂的影响。+-3.4电液伺服系统313.4.2、电液伺服系统的类型数字检测器反馈脉冲液压马达指令脉冲脉冲加减回路（比较）数/模转换器指令脉冲模拟偏差电压伺服放大器伺服阀液压马达滚珠丝杠工作台2数字伺服系统在数字伺服系统中，全部信号或部分信号式离散参量。可分为全数字伺服系统和数字-模拟伺服系统两种。全数字伺服系统动力元件采用数字阀或电液步进马达接受数字信号。如图所示为数字-模拟伺服系统框图，数模混合系统利用数/模转换器将数字指令转换成模拟量输给控制元件，系统输出通过数字数字检测器（即模/数转换器）变为反馈脉冲信号。3.4电液伺服系统323.4.2、电液伺服系统的类型2数字伺服系统数字检测装置有很高的分辨能力，所以数字伺服系统可以得到很高的绝对精度。数字伺服系统的输入信号是很强的脉冲电压，受模拟量的噪声和零漂的影响很小。对于绝对精度要求较高，而重复精度要求不高的场合,常采用数字伺服系统。此外，该系统还能运用计算机对信息进行储存、解算和控制，在大系统中实现多环路、多参量的实时控制，因此有着广阔的发展前景。然而，从经济性、可靠性方面来看，简单的伺服系统仍以采用模拟型控制为宜。3.4电液伺服系统333.4.3、电液位置伺服系统

电液伺服系统最基本和最常用的一种液压伺服系统，在整个领域都得到了广泛的使用，如机床工作台的位置控制，板带轧机的厚板控制和带材跑偏控制、飞机和船舶的舵机控制、雷达和火炮控制系统以及震动试验台等。在其他物理量的控制系统里，如速度控制和力控制等系统中，也常有位置控制小回路作为大回路的一个环节。

电液伺服系统的动力元件不外乎阀式控制和泵式控制两种基本形式，但由于所采用的指令装置、反馈测量装置和相应的放大、校正的电子部件不同，就构成了不同系统。如果采用电位器作为指令接收装置和反馈测量装置，就可以构成直流电液位置伺服系统;当采用自整角机或旋转变压器作为指令装置和反馈测量装置时，就可构成交流电液位置间服系统。3.4电液伺服系统343.4.3、电液位置伺服系统

下图所示为一对自整角机作为角差测量装置的电液位置伺服系统。自整角机是一种回转式的电磁感应元件，由转子和定子组成。在定子上绕有星形连接的三相绕组，转子上绕有单相绕组。3.4电液伺服系统353.4.3、电液位置伺服系统

3.4电液伺服系统363.4.3、电液位置伺服系统

自整角机输出的交流误差电压信号经相敏放大器前置放大和解调后，转换为直流电压信号。直流电压信号的大小与交流电压信号的幅值成正比，其极性与交流电压信号的相位相适应。相敏放大器的影响与液压动力元件相比可忽略，将其看成比例环节，其增益为

3.4电液伺服系统373.4.3、电液位置伺服系统

伺服放大器和伺服阀力矩马达线圈的传递函数与伺服放大器的形式有关。当采用电流负反馈放大器时，由于力矩马达线圈的转折频率很高，故可忽略何服放大器的动态影响，将其看成比例环节，因此

3.4电液伺服系统383.4.3、电液位置伺服系统电液伺服阀的传递函数采用什么形式，取决于动力元件液压固有频率的大小。当伺服阀的频宽与液压固有频率相近时，伺服阀可近似地看成二阶振荡环节：当伺服阀的频宽大于液压固有频率（3-5倍）时，伺服阀可近似看做惯性环节：

3.4电液伺服系统393.4.3、电液位置伺服系统

当伺服阀的频宽远大于液压固有频率（5-10倍）时，伺服阀可近似看成比例环节：

上式中，Ksv为伺服阀的流量增益;Gsv(s)为Ksv=1时的伺服阀的传递函数;Q0为伺服阀的空载流量。

3.4电液伺服系统403.4.3、电液位置伺服系统

从伺服阀阀芯位移到液压马达轴转角之间是典型的阀控马达。如果马达没有弹性负载，也不考虑机架刚度，阀控马达液压马达的动态方程可表示为

3.4电液伺服系统413.4.3、电液位置伺服系统根据上述几式：可以画出位置控制系统的方框图和其开环传递函数其中，KV=(KeKdKaKsv)/(iDm)为开环增益

3.4电液伺服系统423.4.3、电液位置伺服系统

当考虑电液伺服阀的动态特性时，上式所表达的系统开环传递函数是比较复杂的。为简化分析，并得到一个比较简单的稳定判据，需要对该式进行简化。一般地，电液伺服阀的响应速度较快，与液压动力元件相比其动态特性可忽略不计，因此可将它看成比例环节。系统的方框图和开环传递函数可进行如下简化：

3.4电液伺服系统433.4.3、电液位置伺服系统

此近似式除特殊情况外，一般都正确。液压固有频率通常总是回路中最低的，他决定了系统的动态特性。

所示的简化方框图和简化的开环传递函数很有代表性，一般的液压位置伺服系统往往都能简化成这种形式。3.4电液伺服系统443.4.4、电液速度伺服系统在实际工程中，经常需要进行速度控制，如原动机调速、机床进给装置的速度控制、雷达天线/炮塔/转台中的速度控制等。在电液位置伺服系统中也经常采用速度局部反馈回路来提高系统的刚度和减小伺服阀等参数变化的影响，提高系统的精度。

电液速度控制系统按控制方式可分为阀控液压马达速度控制系统和泵控液压马达速度控制系统。阀控马达系统一般用于小功率系统，泵控马达系统一般用于大功率系统。3.4电液伺服系统453.4.4、电液速度伺服系统1阀控液压马达速度控制系统如图（a）所示为阀控液压马达速度控制系统的原理图。伺服放大器伺服阀液压马达测速机速度信号（电压）

+-（a）阀控液压马达速度控制系统原理图3.4电液伺服系统463.4.4、电液速度伺服系统1阀控液压马达速度控制系统忽略伺服放大器和伺服阀的动态影响，并假定负载为简单的惯性负载，系统的方框图如图（b）所示。

+-

（b）阀控液压马达速度控制系统方框图

3.4电液伺服系统473.4.4、电液速度伺服系统

3.4电液伺服系统483.4.4、电液速度伺服系统2泵控液压马达速度控制系统（1）泵控开环速度控制系统如图所示，变量泵的斜盘角由比例放大器、伺服阀、液压缸和位置传感器组成的位置回路控制。通过改变变量泵斜盘角来控制供给液压马达的流量，以此来调节液压马达的转速。因为是开环控制，受负载和温度变化的影响较大，所以控制精度差。泵控开环速度控制系统原理图比例放大器伺服阀液压缸位置传感器速度信号（电压）

+-变量泵液压马达负载