第五章 机电一体化中的执行元件与伺服驱动技术

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1、1,第五章 机电一体化中的执行元件与伺服驱动技术,了解伺服控制技术的相关基本概念 了解直流电动机的工作原理、特性 掌握直流及交流电动机的调速方法 了解直流电动机伺服系统的基本原理 了解交流伺服系统的基本原理及其产品 了解步进电机的基础知识及其驱动技术 了解液压执行元件及其伺服系统的原理及应用 了解气压执行元件及其伺服系统的原理及应用 了解新型电气驱动单元的基本概念,本章知识点,2,第一节 伺服控制技术概述 第二节 直流电动机及其伺服控制系统 第三节 交流电动机及其伺服控制系统 第四节 步进电动机及其驱动 第五节 液压执行元件及其伺服控制 第六节 气压执行元件及其伺服控制 第七节 新型电气驱动单

2、元,本章目录,3,执行元件的功能及分类,执行元件是处于执行机构与电子控制装置接口部位的能量转换部件，它能在电子控制装置控制下，将输入的各种形式的能量转换为机械能。,4,机电控制系统对控制用执行元件的要求,要有良好的可控性，在控制信号到来之前静止不动，控制信号不为零时，其运动方向与速度完全取决于控制信号的大小、极性或相位，而且转速与控制信号具有线性调节特性。 功率密度和比功率大。 快速性好，即加速转矩大。 频响特性好。 位置控制精度高。 调速范围宽。 低速运行平稳，无爬行现象。 分辨率高，振动噪声小。 适应频繁起停的工作要求。 运行可靠，且易于计算机控制。,5,第一节 伺服控制技术概述,“伺服”

3、 来源于Servo的音译，伺服运动控制系统是一种能够跟踪输入指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度及动力输出的自动控制系统。 伺服控制过程一般是以能量较弱的电信号实现对执行部件的运动或输出力等的有效控制，伺服系统具备明显的“功率放大”作用。 对伺服系统性能的主要要求包括稳定性、工作精度和快速响应性。稳定性是指系统在输入及干扰的作用下，在短时间调节后能恢复到原有的或新的平衡状态的能力。精度是系统的输出对于输入信号符合的程度，快速响应反映系统输出对于输入信号跟随的速度，这两方面的要求既相互联系，又相互制约，在设计、调试系统时要综合考虑。,6,一 伺服系统的分类,按控制原理伺服系统可分为开环、闭

4、环和半闭环伺服系统。,7,连续控制与采样控制,按传递信息的不同，伺服系统可分为连续控制与采样控制。,连续控制系统又称为模拟控制系统，其发展最早。模拟控制系统中传递的信号是模拟量。 采样控制系统中的信号是脉冲序列数字编码，通过采样开关把模拟量转化为离散量，故这类系统又称作脉冲控制系统或离散控制系统。 与连续控制系统相比，采样控制有更高的可靠性、稳定性、灵活性及更高的精度。,按被控量的不同性质，伺服系统又分为位置控制、速度或加速度控制、力或力矩控制等伺服系统。,8,二 伺服系统的反馈,输出检测中包含的噪声使伺服控制性能变坏，有效的反馈可以减少这些不确定性的影响、补偿各种因素所引起的误差。 反馈环节

5、在闭环运动伺服控制系统中起着十分重要的作用。应用反馈后，便形成了从输入、系统、输出、测量、比较误差再到输入的一个环路，因而也构成了一个包含原系统在内的一个新的闭环系统。这种构成的关键问题是新闭环系统的稳定性和动态特性。 反馈环节由运动参数测量单元（传感器）和反馈信号处理电路（反馈接口电路）组成。 测速发电机、旋转变压器等是常用模拟量旋转运动参数传感器，而旋转编码器、感应同步器、圆光栅、圆磁栅等是常用数字式旋转运动参数测量传感器。,9,三 控制的实时性与控制的准确性,绝大部分机电系统都是有惯性负载的二阶系统，其大部分输出都不可能“立即”反映输入控制信号的要求，这就引出实时性问题。,当加在m上的力

6、f(t)(被测量力)为阶跃信号时，无论模型的参数如何，输出位移x(f)都不能立即达到目的值，而是逐步“逼近”最终值。 减小阻尼系数能够使位移变动快，但不易稳定，加大阻尼系数使位移的变化趋向稳定，但稳定速度却又变慢。总之，“快”和“稳”、或者说“实时性”与“准确性”对不变参数的系统而言永远是有矛盾的。,10,第二节 直流电动机及其伺服控制系统,直流电动机的工作原理,直流电动机是按通电导线在磁场中受力的原理进行工作的。 为维持电枢的连续转动，直流电动机上还需要设置为电枢电流换向的装置。普通直流电动机的换向是依靠电刷来完成的，电枢线圈的两端接在换向片上，换向片通过电刷与外部直流电源接通使工作在一定位

7、置的线圈导线之电流方向保持不变，达到电流换向的目的。,11,12,直流电动机的换向,改变电枢电流方向及及改变主磁场方向。 直流电动机电枢线圈是感性负载，在电刷换向时，容易在电刷和换向片之间产生电弧放电现象，引起电刷的磨损、电火花电磁干扰等问题，电刷和换向器的存在增大了摩擦转矩，这些问题除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制，寿命较低，需要定期维修，使用维护较麻烦，给直流电动机的应用造成一定的问题。,13,直流电动机的机械特性,机械特性表示直流电机工作转速主要取决于电枢线圈电压，在某一电源电压下，随着负载转矩的增大，因为电枢线圈中电流的增加加大了线圈电阻上的压降，使电机的转速下降，这种现象在

8、工程上称为动力源特性的“硬”、“软”。线圈电阻越小，电机的机械特性越硬。 似乎直流电动机可以输出无限大的转矩，但当电枢线圈中的电流过大时，过高的温升将破坏线圈绕组的绝缘，使电动机损坏。,n电机转速； Ua电枢线圈电压； Ra电枢线圈的电阻； 定子磁通； Ke感应电动势常数； Km转矩常数； T电动机的输出转矩。,14,直流电动机的调速特性,调速特性图说明：电枢线圈电压越高，电机工作转速越高，两者基本成线性关系。当电动机要求的输出转矩增加时，需要以更高的电源电压才能实现原定的工作转速。,15,直流电动机的转速,对于靠励磁线圈产生定子磁场的直流电动机，一旦励磁失效，直流电机定子磁场将降至剩磁水平，

9、转子在原有转速下只能产生较小的感应电动势，直流电机电枢电流电流将急剧增加，使电动机产生极高的转速，这就是励磁直流电动机可能产生的“飞车”事故，在使用中要引起注意保证励磁的有效。,n电机转速； Ua加在电枢线圈上的电压； Ra电枢线圈的电阻； 定子磁通； Ke感应电动势常数，与电机结构及磁场相关； Km转矩常数； T电动机的输出转矩。,16,直流电动机的调速方式,直流电动机的速度调节可以通过调节电枢绕组的电阻、改变定子磁通或调节电枢电压实现。 调节电枢绕组电阻调速使机械特性变软，只能用于软特性的电动机。 改变励磁电流，一般只能通过增大励磁电路串联的外加电阻来减小励磁电流，当电枢电压和电阻不变时，

10、减小磁通，使理想空载转速升高，同时使转速随转矩的增大而下降的数量增大，因此机械特性变软。 调节电枢电压调速是直流电机调速最有效、最常用的方法。,17,二 可控硅调压,晶闸管是硅晶体闸流管的简称，又程可控硅，有单向导通的可控性。 当电路中阳极A的电位高于阴极K时，同时在门极G施加高于阴极K的电压，门极将承受正向门极电压，晶闸管则由阻断状态转为导通状态。 晶闸管一旦导通后，无论门极电压是正向还是反向，均不影响其导通状态，也不影响晶闸管中阳极电流的大小。只有在阳极电流减小到某一数值以下或又一次加上反向阳极电压时，晶闸管才能由导通状态转变为关断状态。 当施加反向电压时，门极与阴极之间无论施加何种极性的

11、电压，均不能使晶闸管由关断转变为导通。即晶闸管具有单向导通的可控特性。,（一）可控硅,18,（二） 触发角方式单相半波可控硅调压电路,控制触发脉冲疏密程度，即可调整在全部工作历程中可控硅导通所占的比重，从而达到调节电压和电流大小的目的。 用两只可控硅或配合二极管可以组成桥式全波整流电路。,对门极施加触发脉冲使可控硅导通后，其导通状态将一直持续到电源电压U2降到零为止。,19,对可控硅的触发，传统都选用与交流电源频率同步的方式，将触发点都控制在交流电源每一变化周期起始点后的某一相位角度位置（触发角），触发角越小、效果电压越高，反之越小。如用积分方式计算，输出到电阻负载上的平均电压：,电压的有效值

12、：,20,可控硅触发脉冲的产生,电位器Rf调节电容的充电时间，当电容上的电压达到单结晶体管的转折电压（峰点）时，单结晶体管导通，负载电阻Rf上产生电压信号，同时，电容迅速放电使发射极的电压又下降至截止状态，由此周而复始，不断产生由电容充电时间控制的脉冲信号。,21,脉宽调压,脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）技术在进行调压时，电源为直流固定电压，在规定的开关频率下，根据控制信号的大小改变每一周期内大功率晶体管或功率场效应管“接通”与“断开”时间的长短，从而使直流电压的占空比得到改变，达到改变输出电压平均值的目的。,主电路简单，所用的功率元件少。 控制用开关频率较高

13、，对电网谐波干扰小，电动机的损耗和发热较小。 电压调节的范围宽，调节的精度相对较高。 主电路的导通损耗小，装置的效率高。 电网的功率因素较高。,与可控硅触发角方式调压相比，脉宽调压有以下优点：,22,简单脉宽调压电路,脉宽调制脉冲信号Ub施加到大功率晶体管VT的基极时，晶体管即依据Ub的极性对US进行脉宽调制。晶体管的开关频率可达14kHz，经该电路调制后的电流波形不会有大的起伏。电路中的二极管VD起续流作用。,23,可正反向转动的脉宽调压电路,VTl与VT4为一对，控制一个转向，VT3与VT2成另一对，控制另一转向。相应的控制信号也成对同步输入。,24,五 直流伺服电动机,直流伺服电动机的结

14、构与小型直流电动机相同，将输入电信号转换为转轴上的角位移或角速度量。 其转速和转向随输入信号的变化而变化，并具有一定的负载能力。 自动控制系统要求直流伺服电动机的可控性好且运行稳定，为满足该要求，直流伺服电动机大都采用他励或永磁励磁方式，并在设计中力求磁路不饱和、电枢反应影响甚微、起动转矩最大、转动惯量最小。 直流伺服电动机的功率一般都很小，约在几瓦至几百瓦之间，采用电枢控制或磁场控制方式。,25,小贯量直流伺服电动机,为减小电枢的转动贯量，小贯量直流伺服电动机转子设计成光滑无槽铁芯的形式，电枢线圈用绝缘黏合剂直接贴于铁芯表面。 转子直径较小，长度相对较长，使电动机能够得到相同的输出转矩。 转

15、子转动贯量只有一般直流电机的十分之一，电机时间常数只有几毫秒（一般电动机至少为几十毫秒）。 由于转子没有开槽，运转均衡性好，低速状态无爬行现象。 转子直径小，散热面积小，电机热惯性小，承受过载的时间不能太长。 就电动机本身而言，小贯量利于伺服工作中的频繁启停，但当负载的惯性在系统中占主要作用时，由于负载动力学性质的多变和不稳定，易导致系统动力学设计的失误甚至失败。,26,大贯量直流伺服电动机,大惯量直流伺服电动机又称大惯量宽调速直流伺服电动机，其结构与普通直流电动机比较相似。 由于电动机转子的惯量较大，系统中负载部分的惯量影响已经不占主导地位，负载的变化及不稳定对系统运转的作用就较小，使系统能

16、够比较正常地工作，这是在电动机工作品质得到很大提高以后出现的比较先进的控制方案。 这种电机一般采用恒定强磁材料制成的恒磁定子及一系列相应结构，使电动机的输出转矩很大，转子的热容量高，热时间常数大，加上电枢线圈的绝缘材料耐高温性能较好，因而电动机的过载能力很强，使其动态响应特性仍然很好。,27,直流力矩电动机,直流力矩电动机是一种低速、大转矩永磁式直流伺服电机。 转子呈扁平状，长度与直径之比为1:5。 可以长期在低速、甚至堵转状态下运行，并产生足够大的输出转矩。 只要准确地调节输入电枢线圈的工作电流，就可以十分方便地控制电动机的输出力矩。 考核直流力矩电动机的主要指标是输出转矩、电动机重量和消耗功率。 直流力矩电动机参数范围很宽，小到直径几十毫米、转矩零点几牛米，大至直径一米以上、转矩达几千牛米。转速的适应范围也极大，从每分钟几百转到每小时几转、每日几转，甚至数月只有一转的极低转速。,28,动圈式转子直流伺服电动机,杯型电枢线圈转子的电枢线圈靠特殊芯轴绕制成杯型，恒