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1、运动控制系统运动控制系统 哈尔滨理工大学自动化学院 主讲教师 许家忠 哈尔滨理工大学自动化学院 主讲教师 许家忠 伺服电机及其驱动技术伺服电机及其驱动技术 3 伺服系统的发展 1 直流伺服系统 伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程 电 气伺服系统根据所驱动的电机类型分为直流 DC 伺服系统和交流 AC 伺服系统 50年代 无刷 电机和直流电机实现了产品化 并在计算机外围 设备和机械设备上获得了广泛的应用 70年代则 是直流伺服电机的应用最为广泛的时代 4 2 交流伺服系统 从70年代后期到80年代初期 随着微处理器技术 大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材 料制造工艺的发展及其性能价格
2、比的日益提高 交流伺服技术 交流伺服电机和交流伺服控制系 统逐渐成为主导产品 交流伺服驱动技术已经成 为工业领域实现自动化的基础技术之一 并将逐 渐取代直流伺服系统 5 2 交流伺服系统 交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分 主 要有两大类 永磁同步 SM型 电动机交流伺服系统和感 应式异步 IM型 电动机交流伺服系统 其中 永磁同步 电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟 具备了十 分优良的低速性能 并可实现弱磁高速控制 拓宽了系统 的调速范围 适应了高性能伺服驱动的要求 并且随着永 磁材料性能的大幅度提高和价格的降低 其在工业生产自 动化领域中的应用将越来越广泛 目前已成为交流伺服
3、系 统的主流 感应式异步电动机交流伺服系统由于感应式异 步电动机结构坚固 制造容易 价格低廉 因而具有很好 的发展前景 代表了将来伺服技术的方向 但由于该系统 采用矢量变换控制 相对永磁同步电动机伺服系统来说控 制比较复杂 而且电机低速运行时还存在着效率低 发热 严重等有待克服的技术问题 目前并未得到普遍应用 6 3 交直流伺服系统的比较 直流伺服驱动技术受电机本身缺陷的影响 其发展受 到了限制 直流伺服电机存在机械结构复杂 维护工作量 大等缺点 在运行过程中转子容易发热 影响了与其连接 的其他机械设备的精度 难以应用到高速及大容量的场 合 机械换向器则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈 交流伺服
4、电机克服了直流伺服电机存在的电刷 换向 器等机械部件所带来的各种缺点 特别是交流伺服电机的 过负荷特性和低惯性更体现出交流伺服系统的优越性 所 以交流伺服系统在工厂自动化 FA 等各个领域得到了 广泛的应用 从伺服驱动产品当前的应用来看 直流伺服产品正逐 渐减少 交流伺服产品则日渐增加 市场占有率逐步扩大 在实际应用中 精度更高 速度更快 使用更方便的交流 伺服产品已经成为主流产品 7 4 伺服系统的发展趋势 1 交流化交流化 伺服伺服技术将继续迅速地由技术将继续迅速地由DC伺服系统伺服系统转向转向 AC伺服系统伺服系统 从目前国际市场的情况看 几乎所 有的新产品都是 从目前国际市场的情况看
5、几乎所 有的新产品都是AC伺服系统伺服系统 在工业发达国家 在工业发达国家 AC伺服电机伺服电机的市场占有率已经超过的市场占有率已经超过80 在 国内生产 在 国内生产AC伺服电机伺服电机的厂家也越来越多 正在逐 步地超过生产 的厂家也越来越多 正在逐 步地超过生产DC伺服电机伺服电机的厂家 可以预见 在 不远的将来 除了在某些微型 的厂家 可以预见 在 不远的将来 除了在某些微型电机电机领域之外 领域之外 AC 伺服电机伺服电机将完全取代将完全取代DC伺服电机伺服电机 8 4 伺服系统的发展趋势 2 全数字化 采用新型高速微处理器和专用数字信号处理 机 全数字化 采用新型高速微处理器和专用数
6、字信号处理 机 DSP 的 的伺服控制伺服控制单元将全面代替以模拟电 子器件为主的 单元将全面代替以模拟电 子器件为主的伺服控制伺服控制单元 从而实现完全数字 化的 单元 从而实现完全数字 化的伺服系统伺服系统 全数字化的实现 将原有的硬件 全数字化的实现 将原有的硬件 伺服控制伺服控制变成了软件变成了软件伺服控制伺服控制 从而使在 从而使在伺服系伺服系 统统中应用现代中应用现代控制控制理论的先进算法 如理论的先进算法 如 最优最优控制控制 人工智能 模糊 人工智能 模糊控制控制 神经元网络等 成为可能 神经元网络等 成为可能 9 4 伺服系统的发展趋势 3 采用新型电力电子半导体器件 目前
7、采用新型电力电子半导体器件 目前 伺服控制系统伺服控制系统的输出器件越来越多地采用开关 频率很高的新型功率半导体器件 主要有大功率晶体管 的输出器件越来越多地采用开关 频率很高的新型功率半导体器件 主要有大功率晶体管 GTR 功率场效应管 功率场效应管 MOSFET 和绝缘门极晶体管 和绝缘门极晶体管 IGBT 等 这些先进器件的应用显著地降低了 等 这些先进器件的应用显著地降低了伺服伺服单元 输出回路的功耗 提高了 单元 输出回路的功耗 提高了系统系统的响应速度 降低了运行噪 声 尤其值得一提的是 最新型的 的响应速度 降低了运行噪 声 尤其值得一提的是 最新型的伺服控制系统伺服控制系统已经
8、开始 使用一种把 已经开始 使用一种把控制控制电路功能和大功率电子开关器件集成在一 起的新型模块 称为智能 电路功能和大功率电子开关器件集成在一 起的新型模块 称为智能控制控制功率模块 功率模块 Intelligent Power Modules 简称 简称IPM 这种器件将输入隔离 能耗制动 过温 过压 过流保护及故障诊断等功能全部集成于一个 不大的模块之中 其输入逻辑电平与 这种器件将输入隔离 能耗制动 过温 过压 过流保护及故障诊断等功能全部集成于一个 不大的模块之中 其输入逻辑电平与TTL信号完全兼容 与微处理器的输出可以直接接口 它的应用显著地简化了 信号完全兼容 与微处理器的输出可
9、以直接接口 它的应用显著地简化了 伺服伺服单元的设计 并实现了单元的设计 并实现了伺服系统伺服系统的小型化和微型化 的小型化和微型化 10 4 伺服系统的发展趋势 5 智能化 智能化是当前一切工业 智能化 智能化是当前一切工业控制控制设备的流行趋势 设备的流行趋势 伺服伺服驱 动 驱 动系统系统作为一种高级的工业作为一种高级的工业控制控制装置当然也不例外 最新 数字化的 装置当然也不例外 最新 数字化的伺服控制伺服控制单元通常都设计为智能型产品 它们的 智能化特点表现在以下几个方面 单元通常都设计为智能型产品 它们的 智能化特点表现在以下几个方面 首先他们都具有参数记忆 功能 首先他们都具有参
10、数记忆 功能 系统系统的所有运行参数都可以通过人机对话的方式由 软件来设置 保存在 的所有运行参数都可以通过人机对话的方式由 软件来设置 保存在伺服伺服单元内部 通过通信接口 这些 参数甚至可以在运行途中由上位计算机加以修改 应用起 来十分方便 单元内部 通过通信接口 这些 参数甚至可以在运行途中由上位计算机加以修改 应用起 来十分方便 其次它们都具有故障自诊断与分析功能 无论 什么时候 只要 其次它们都具有故障自诊断与分析功能 无论 什么时候 只要系统系统出现故障 就会将故障的类型以及可 能引起故障的原因通过用户界面清楚地显示出来 这就简 化了维修与调试的复杂性 出现故障 就会将故障的类型以
11、及可 能引起故障的原因通过用户界面清楚地显示出来 这就简 化了维修与调试的复杂性 除以上特点之外 有的除以上特点之外 有的伺服系统伺服系统 还具有参数自整定的功能 众所周知 闭环调节还具有参数自整定的功能 众所周知 闭环调节系统系统的参 数整定是保证 的参 数整定是保证系统系统性能指标的重要环节 也是需要耗费较 多时间与精力的工作 带有自整定功能的 性能指标的重要环节 也是需要耗费较 多时间与精力的工作 带有自整定功能的伺服伺服单元可以通 过几次试运行 自动将 单元可以通 过几次试运行 自动将系统系统的参数整定出来 并自动实现 其最优化 对于使用 的参数整定出来 并自动实现 其最优化 对于使用
12、伺服伺服单元的用户来说 这是新型单元的用户来说 这是新型伺服伺服 系统系统最具吸引力的特点之一 最具吸引力的特点之一 11 4 伺服系统的发展趋势 6 模块化和网络化 在国外 以工业局域网技术为基础的工厂自动化 模块化和网络化 在国外 以工业局域网技术为基础的工厂自动化 Factory Automation 简称简称FA 工程技术在最近十年来 得到了长足的 工程技术在最近十年来 得到了长足的发展发展 并显示出良好的 并显示出良好的发展发展势头 为适应这 一 势头 为适应这 一发展发展趋势 最新的趋势 最新的伺服系统伺服系统都配置了标准的串行通信接 口 如 都配置了标准的串行通信接 口 如RS
13、232 或 或RS 422接口等 和专用的局域网接口 这些接口的设置 显著地增强了 接口等 和专用的局域网接口 这些接口的设置 显著地增强了伺服伺服单元与其它单元与其它控制控制设备 间的互联能力 从而与 设备 间的互联能力 从而与CNC系统系统间的连接也由此变得十分 简单 只需要一根电缆或光缆 就可以将数台 甚至数十 台 间的连接也由此变得十分 简单 只需要一根电缆或光缆 就可以将数台 甚至数十 台伺服伺服单元与上位计算机连接成为整个数控单元与上位计算机连接成为整个数控系统系统 也可以 通过串行接口 与可编程 也可以 通过串行接口 与可编程控制控制器 器 PLC 的数控模块相连 的数控模块相连
14、 12 概述 伺服电机 运动控制中的执行部件 电动式 液压式和气动 式 运动控制中的执行部件 电动式 液压式和气动 式 电动式执行部件动作灵敏 性能优良 控制方 便 容易小型化 广泛应用 电动式执行部件动作灵敏 性能优良 控制方 便 容易小型化 广泛应用 13 1 电气执行元件电气执行元件 电气执行元件包括直流电气执行元件包括直流 DC 伺服电机 交流 伺服电机 交流 AC 伺服电机 步进电机以及电磁铁等 是最常用的执行元 件 对伺服电机除了要求运转平稳以外 一般还要求动态 性能好 适合于频繁使用 便于维修等 伺服电机 步进电机以及电磁铁等 是最常用的执行元 件 对伺服电机除了要求运转平稳以外
15、 一般还要求动态 性能好 适合于频繁使用 便于维修等 2 液压式执行元件液压式执行元件 液压式执行元件主要包括往复运动油缸 回转油缸 液压马达等 其中油缸最为常见 在同等输出功率的情况 下 液压元件具有重量轻 快速性好等特点 液压式执行元件主要包括往复运动油缸 回转油缸 液压马达等 其中油缸最为常见 在同等输出功率的情况 下 液压元件具有重量轻 快速性好等特点 3 气压式执行元件气压式执行元件 气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外 与液 压式执行元件没有区别 气压驱动虽可得到较大的驱动 力 行程和速度 但由于空气粘性差 具有可压缩 性 故不能在定位精度要求较高的场合使用 气压式执行元件除了
16、用压缩空气作工作介质外 与液 压式执行元件没有区别 气压驱动虽可得到较大的驱动 力 行程和速度 但由于空气粘性差 具有可压缩 性 故不能在定位精度要求较高的场合使用 执行元件类型及特点执行元件类型及特点 14 15 16 17 概述 伺服电机 电机电机电机电机是电动机 俗称马达 的简称 是一种将电能 转换成机械能的装置 在伺服系统中所使用的电机一般称为伺服电机 伺服电机在运动控制系统中主要用作执行部件执行部件 18 概述 伺服电机 伺服电机伺服电机伺服电机伺服电机是一种受输入电信号控制 并作出快速 响应的电机 其堵转转速与控制电压成正比 转 速随着转矩的增加而近似线性下降 调速范围 宽 当控制电压为零时能够立即停止 19 概述 伺服电机类型 运动控制中常用的伺服电机类型运动控制中常用的伺服电机类型 直流 DC 伺服电机 无刷直流伺服电机 交流 AC 伺服电机 步进电机 20 Motors Motors convert electrical energy to mechanical energy Motors make things move LINEAR线性电机线性电机 ELECTRO
