《交流伺服调速原理》课件

交流伺服调速原理交流伺服系统是一种基于交流电机的自动控制系统，广泛应用于工业自动化、机器人等领域。课程概述学习目标深入了解交流伺服调速系统的基本原理和工作机制。课程内容涵盖同步电动机、伺服系统、驱动器、控制算法和应用等方面的内容。实践应用结合实际案例分析和实验操作，帮助学生掌握伺服系统的应用方法。伺服驱动系统概述伺服电机伺服电机是一种能够精确控制转速和位置的电机。它通常用于自动化生产线、机器人和其他精密控制领域。伺服驱动器伺服驱动器是伺服系统的控制中心。它接收来自控制器的指令，并驱动伺服电机，使其按照预定的轨迹运行。位置反馈传感器位置反馈传感器用于检测伺服电机的实际位置，并将信息反馈给伺服驱动器，以确保电机按照预定的轨迹运行。同步电动机的工作原理1旋转磁场定子绕组通入三相交流电，产生旋转磁场2磁场同步转子磁场与定子旋转磁场同步旋转3转矩产生定子旋转磁场与转子磁场相互作用，产生转矩同步电动机的数学模型定子电阻定子电感转子电阻转子电感励磁绕组电阻励磁绕组电感同步电动机的数学模型是描述其电磁特性和运动特性的方程组。模型包括定子、转子和励磁绕组的等效电路，并使用微分方程描述其动态特性。同步电动机的控制方式矢量控制将三相交流电转换为旋转磁场，并精确控制转子磁场的方向和大小，实现对电机转速和转矩的精确控制。直接转矩控制通过直接控制转子磁链和转矩，实现对电机转速和转矩的精确控制，减少了中间环节，提高了控制精度和响应速度。伺服系统的组成伺服系统通常由以下几个部分组成：伺服电机：负责执行运动指令，将电能转换为机械能。伺服驱动器：负责控制伺服电机的运行，并接收来自控制器的指令。位置传感器：用于检测伺服电机的位置，并将信号反馈给伺服驱动器。速度传感器：用于检测伺服电机的转速，并将信号反馈给伺服驱动器。控制器：负责发出运动指令，并根据位置和速度反馈信号进行闭环控制。励磁电路的工作原理直流励磁直流励磁是使用直流电源为同步电动机提供励磁电流。此方法简单可靠，但需要额外的直流电源。交流励磁交流励磁是使用交流电源为同步电动机提供励磁电流。此方法效率更高，但需要额外的交流励磁电源。无刷励磁无刷励磁是使用电子开关控制励磁电流。这种方法无需电刷，更可靠，并且可以实现更精确的励磁控制。转子位置检测1编码器增量式编码器和绝对式编码器是常见的转子位置检测方式。2解析器解析器是一种高精度位置传感器，适用于要求更高精度和可靠性的场合。3磁传感器磁传感器可以检测转子的磁场变化，从而确定转子的位置。位置控制环和速度控制环1位置控制环位置控制环用于控制电机转子的位置，以满足预设目标位置。2速度控制环速度控制环用于控制电机转子的速度，以满足预设目标速度。3环路相互影响位置控制环和速度控制环相互影响，共同控制电机转子的运动。伺服驱动器的工作原理伺服驱动器是伺服系统中的核心部件，它接收来自控制器的指令信号，并将信号转换为控制电机运行的电流和电压。驱动器的工作原理主要包括以下几个方面：信号接收与处理：驱动器接收来自控制器的速度、位置、电流等指令信号，并进行数字化处理。控制算法：驱动器内部包含PID控制器、速度控制环、位置控制环等算法，根据控制器的指令信号和电机反馈信号，计算出所需的电机电流和电压。功率输出：驱动器将计算出的电流和电压信号放大，并通过功率放大器输出到电机。伺服驱动器的结构控制电路包含位置环、速度环和电流环等控制回路，负责接收指令并控制电机运行功率电路将直流电源转换为交流电，驱动电机旋转，并根据指令调节电机转速和扭矩反馈电路负责测量电机的实际位置、速度和电流，并将反馈信号传回控制电路进行闭环控制伺服驱动器的功率输出级1IGBT绝缘栅双极型晶体管，功率器件2MOSFET金属氧化物半导体场效应晶体管，高频开关3PWM脉冲宽度调制技术，控制电流脉宽调制技术PWM信号PWM信号是一种方波信号，其周期固定，但脉冲宽度可变。占空比占空比是指脉冲宽度与信号周期的比例，它决定了输出电压的平均值。调制频率调制频率是指PWM信号的频率，它影响电机电流的纹波。电机位置反馈信号类型描述绝对式编码器提供电机轴的绝对位置信息，不受电源断电影响。增量式编码器仅提供位置增量信息，需要初始位置信息才能确定绝对位置。旋转变压器通过测量电压变化来获取电机轴的位置信息。速度反馈信号的获取方式速度传感器通过安装在电机轴上的速度传感器，可以测量电机转速，并将其转换为电信号。编码器编码器是一种常用的位置传感器，也可以用于速度测量。通过测量编码器的脉冲频率，可以得到电机速度。反电动势法利用电机反电动势的大小和频率来推算电机速度。位置环和速度环的参数设置1比例系数控制输出信号与误差信号之间的比例关系2积分系数消除稳态误差3微分系数改善系统响应速度和抗干扰能力参数的设置需要根据伺服系统的具体应用场景和性能要求进行调整，例如：不同的负载惯量、摩擦系数和响应速度要求会影响参数的选取。伺服系统的动态特性1响应时间2上升时间3稳定时间4超调量伺服系统对指令信号的响应速度、平稳性和精度，是衡量其性能的重要指标。伺服系统的稳定性分析分析系统对扰动和参数变化的响应，保证系统稳定运行。利用传递函数、频率特性等方法分析系统稳定性。通过参数调整和控制策略优化提高系统稳定性。伺服系统的故障诊断1电机故障电机过热、过载、转速异常、噪声过大等。2驱动器故障驱动器过热、过载、输出电压异常、控制信号异常等。3反馈信号故障位置传感器、速度传感器故障、信号传输线路故障等。4机械故障负载过重、机械磨损、连接松动等。伺服系统的性能指标指标描述速度伺服系统最大运动速度精度伺服系统运动位置的准确性重复精度伺服系统多次运动到同一位置的偏差加速度伺服系统运动的加速度大小响应时间伺服系统从指令发出到开始运动的时间稳定性伺服系统在运动过程中保持稳定性的能力负载能力伺服系统可以承载的最大负载可靠性伺服系统正常工作的时间比例维护性伺服系统的维护难度和周期伺服驱动器的选型电机类型同步电机，异步电机，步进电机性能参数功率，转矩，速度，精度，响应时间应用场景自动化生产线，机器人，数控机床伺服系统的应用领域交流伺服系统应用广泛，涵盖工业自动化、机器人、数控机床、电梯、风电等领域。这些领域需要精确的运动控制，以提高效率、精度和可靠性。自动化生产线中的伺服应用1精准定位伺服系统可精确控制机械臂和执行机构的运动，确保产品的高精度和一致性。2高速生产伺服电机的高速响应能力，可提升生产效率，提高生产线整体速度。3灵活配置可根据生产需求调整伺服系统参数，实现生产线自动化程度的灵活定制。机器人伺服系统的应用焊接机器人手臂能够精确控制焊接路径，提高焊接质量和效率。喷漆机器人手臂可以进行精确的喷涂作业，提高涂层均匀度和表面光洁度。组装机器人手臂可以完成精密零件的组装工作，提高生产效率和产品质量。数控机床中的伺服系统应用数控机床广泛应用于机械加工行业。伺服系统能够实现高精度、高速、高效率的加工。伺服系统可以提高机床的自动化程度，降低人工成本。电梯伺服系统的应用精准控制伺服系统可实现电梯的精准控制，提高乘坐舒适度和效率。节能环保伺服系统可优化电梯运行效率，减少能耗，降低运行成本。风电场中的伺服系统应用风力发电机组伺服系统