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1、第三节 闭环伺服系统,一、概述,1位置检测单元将检测元件检测到的位置信号进行处理， 以形成位置反馈信号。 2比较环节完成指令信号与反馈信号的比较等。 3伺服驱动功率放大，以驱动伺服元件。 4伺服电机将电信号转换成机械运动。,(一) 系统组成,(二) 闭环伺服系统分类,定位与控制精度高，速度快，稳定性好，有故 障自诊断和报警功能,(一) 对驱动元件的要求,1转动惯量小以提高系统的快速响应,二、驱动元件,3低速运行的稳定性、均匀性好以保证低速时的精度,2过载能力强以适应经常出现的过冲现象,1小惯量直流伺服电动机,(二) 直流伺服电动机,转子细而长大大减小了电动机的转动惯量, 快速响应性能好。,2)
2、 气隙较大换向性好，时间常数5-10ms。,3) 转子上无槽电感小，时间常数小，动态特性 好，响应快，低速运转稳定而均匀。,4) 气隙磁密度大过载能力强。 输出功率几+瓦+千瓦，转速1-3000r/min 最大转矩约20N.m,但输出需加齿轮减速,工作原理,1) 转矩大,2) 调速范围宽 10001500r/min,3) 转动惯量小 设计时可忽略其它传动件的转动惯量,4) 动态响应好,最大峰值转矩可达额定转矩的10倍，可在3倍额定 转矩的过载条件下工作30min，但快速响应性能不如小 惯量电机。,5) 过载能力强,特点：,2大惯量直流伺服电动机,返回,下一页,上一页,表1 日本富士通公司直流伺
3、服电动机系列几种规格的主要技术参数,1笼型异步型伺服电动机,定子 对称三相绕组产生旋转磁场,转子 转子绕组（导体） 切割磁通产生感应电势 感应电流 电磁转矩 转子转动,转子转动方向与旋转磁场方向不同异步,转子转动速度小于旋转磁场速度n0 转差率,(三) 交流伺服电动机,2永磁同步型伺服电动机,定子 三相电枢绕组产生旋转磁场,转子 永磁体 产生恒定励磁磁场,通电的电枢绕组及载流导体切割磁力线产生电磁力 以反作用力方式驱动转子永磁体转动,转子转动的方向与旋转磁场方向相同同步,(三)交流伺服电动机,工作原理,返回,下一页,上一页,表2 DC伺服电动机与AC伺服电动机的比较,1DC电动机转速公式,三、
4、速度调节,(一) 直流伺服电动机的调速,n= UD /Ce - RI/ Ce,UD 电枢电压 Ce与电机结构有关的常数 励磁磁通 I 励磁电流 R电枢回路电阻,改变 UD 调速的方法,1 ) 可控硅 电力半导体器件，是弱电控制到强电输出的桥梁作用。 包括：阳极（A）、阴极（K）、控制级（G） 导通条件：）阳极A： 阴极K： ）控制级G 加正向电压。,2可控硅调速（SCR-M）,三、速度调节,(一) 直流伺服电动机的调速,三、速度调节,(一) 直流伺服电动机的调速,2) SCR-M调速系统,特点：工作频率低，输出电压波形差，电流脉动分量大， 这不但使电机发热，工作条件恶化，也影响电网电压 波动。
5、,M,1) 脉宽调速原理,3. 脉宽调制 (PWM) 原理与系统,PWM Pulse Width Modulation,直流电源电压U经开关S 转换为一定频率的方波电压加到 直流电机电枢上，通过对方波 脉冲宽度的控制，就可改变电枢 的平均电压，从而调节电机转速。,设开关S开闭周期为T，每次闭合时间为 则电枢两端平均电压Ud为：,Ud = U/T=rU r :导通率(脉宽系数),T一定 Ud =0 Ud=0 电机停止 =T Ud=U 最高转速,3. 脉宽调制 (PWM) 原理与系统,PWM Pulse Width Modulation,1) 脉宽调速原理,T：500 2500Hz， 大大小于电动
6、机的时间常数，故无转速脉动。,2) 脉宽调制器 PWM,输入：电流调节器输出的直流电压Uc 输出：幅值恒定，宽度可变的矩形脉冲电压 方法：高频载波法、数字脉宽调制、高频极限环法等,调制信号发生器 产生频率、幅值都固定的高频载波信号D（t）, D(t)可以是三角波、锯齿波、正弦波,高频载波法的原理 直流输入信号Uc 叠加 在载波信号D(t)上， 再进入比较器。 比较器是一个具有继电器特性的电子元件，其输出信号是一个与D(t)同频率的矩形脉冲，脉冲占空比取决于Uc的大小。,2) 脉宽调制器 PWM,脉宽调速器,2) 脉宽调制器 PWM,3) 功率放大器,3) 功率放大器,4) PWM-M系统组成及
7、工作原理,PWM-M 特点： 开关频率高，仅靠电枢的电感作用，即可获得满意的滤波作用，近似直流。无论高速或低速电机转速和扭矩平滑均匀，调速比可以做得很大，且发热小，寿命长。,1.交流调速方法,交流电动机调速公式： n = 60 f1(1-S)/P f1: 定子电源频率 变频调速 高效率、宽范围、 高精度 P: 磁极对数 变 P调速 S: 转差率 变 S调速,(二) 交流伺服电动机的调速,(二) 交流伺服电动机的调速,2. PWM型变频器,构成,二极管整流器：交直变换，经电容器滤波平滑， 产生恒定的直流电压，输出给逆变器。,PWM逆变器：直交变换、调频、调压，产生电压、 频率可调交流电压,输出给
8、伺服电动机的电枢绕组。,下一页,上一页,(二) 交流伺服电动机的调速,2. SPWM型变频器,返回,PWM 逆变器原理,(二) 交流伺服电动机的调速,2. PWM型变频器,PWM 逆变器原理,ED：二极管整流器输出的直流电压 VT1-VT4：大功率晶体管，工作于开关壮态,控制信号：加在VT1-VT4基极上的一组等副、不等宽的矩 形脉冲(调制信号)，由控制电路产生。 输出信号：逆变器输出端Uab一组与控制信号频率相同、但 幅值放大的矩行脉冲。,改变VT1 、VY4和VT2 、VT3交替导通的时间改变输出波 形的频率；,(二) 交流伺服电动机的调速,2. PWM型变频器,PWM 逆变器原理,改变半
9、周期内VT1 、VY4（或VT2 、VT3）的通断比改变 脉冲宽度改变输出电压幅值。,下一页,上一页,返回,六只大功率晶体 管组成全桥式电 路，电动机定子 采用“Y”连接。,(二) 交流伺服电动机的调速,2. PWM型变频器,PWM 逆变器原理,逆变器与电动机 定子三相绕组的 连接如图所示,方波 三角波调制：输出波形的平均值按方波形式变化 三角波 载波信号，决定逆变器的开关频率。,3.PWM 控制信号形成,*正弦波三角波调制：输出波形的平均值按正弦波形式变化 *方波、正弦波 控制信号，频率、幅值均可调，决定逆变器的输出频率和幅值，可以由矢量变换控制获得。 *两信号交叉点调制信号，即逆变器功率晶
10、体管基极的控制信号,3.PWM 控制信号形成,4.正弦脉宽调制器,SPWM原理,5.失量变换控制原理,失量控制由德国学者于1972年提出,首先应用于感应(IM)电动 机中,目前也应用于永磁电动机 (PM)中,且更易实现,在高性能 伺服驱动系统中得以广泛应用。,失量控制是模仿直流电动机的控制得出的。,直流伺服电动机 定子绕组通以电流If产生励磁磁通 电枢绕组通以电流Ia产生电磁转矩 If, Ia彼此独立，分别调节可以控制 、T,此外，励磁磁场和电枢电流空间角度是由电刷和机械换向所 固定，且是正交的，从而使电枢电流产生的电磁转矩最大。,5.失量变换控制原理,同步：两磁场相互作用，转子产生转动，转速
11、与旋转磁常相同,永磁同步交流伺服电动,转子永磁体产生恒定的励磁磁场 定子三相电枢绕组电枢电流产生旋转磁场,励磁磁场与电枢电流的空间角度不是固定的，随负载而变化， 故不能简单地通过调节电枢电流来直接控制电磁转矩。,5.失量变换控制原理,设计一控制系统，对电枢电流相对励磁磁场进行空间定向控 制角度控制；同时也控制电枢电流幅值幅值控制， 统称失量控制。,在角度控制中，选择使电枢磁场与励磁磁场空间角度正交 磁场定向，使电枢电流产生的电磁转矩最大，以实现直流伺服 电动机的严格模拟。,永磁同步交流伺服电动,交流调速系统控制回路的结构与原理如下图：,返回,下一页,上一页,交流调速系统控制回路的结构与原理图说
12、明,1)转子磁极位置检测电路 为了使电流与永磁体磁通在空间角度正交, 必须正确检测出磁极位置. 检测位置:旋转变压器,2)正弦波产生电路 产生以转子位置为相位的正弦波,3) DC-SIN (直流正弦)变换回路 由于在交流伺服电动机中需向电绕组通以三相交流正弦电压,故 需将速度调节器输出的直流电流参考信号转化为交流正弦信号,交流调速系统控制回路的结构与原理图说明,DC-SIN变换回路原理: 正弦波发生电路输出的数字化正弦波信号与速度调节器输出的直 流信号在乘法器中相乘,其输出信号作为交流正弦电流指令.,交流调速系统控制回路的结构与原理图说明,交流调速系统控制回路的结构与原理图说明,4)正弦波PW
13、M电路 以一定频率和一定振幅的三角波与电流调节器输出的正弦波在比 较器中进行比较，若只取出正弦波超出三角波的部分，即可输出 不等宽的脉冲列。当脉冲的占空比为50%时, 逆变器的输出电压 为零。由于正弦波以50%占空比为中心而向两边增减，平均看来 就得到了正弦调制。,交流调速系统控制回路的结构与原理图说明,交流调速系统控制回路的结构与原理图说明,5) 速度检测回路,检测装置:旋转变压器、光电编码器 可同时完成磁极位置的检测。,6) 速度调节器ASR,ASR输入信号：速度指令与速度反馈信号 输出信号：电流指令信号（直流量） 控制规律：比例积分(PL) 作用：进行稳定的速度控制 要求：能快速响应速度指令；,交流调速系统控制回路的结构与原理图说明,7) 电流调节器ACR,ACR输入信号：电流指令与电流反馈信号 输出信号：电流控制信号 控制规律：比例积分(PL) 作用：完成与磁通矢良正交的高速控制，使电枢绕组中的电 流在幅值和相位上都得到有效控制 要求：具有更高的快速性，以适应对电流瞬时值跟踪控制.,第五节 直线电机,直线电机工作原理,直线电机特点,速度高 60-200m/min 惯性小 加速性能好1-28g 减少了机械传动系统，没有机械滞后和齿节误差 平稳精度高 没有中间传动系统，没有摩擦没有磨损,
