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1、課題二伺服電機與伺服控制系統(tǒng)原理,指導(dǎo)老師:段建中 學(xué)生:虎鑫 學(xué)號:12007240649 2012-3-15,基本概念的介紹與舉例 伺服電機原理介紹 伺服控制系統(tǒng)介紹 總結(jié),內(nèi)容,“伺服”詞源于希臘語“奴隸”的意思。,一、“伺服”的含義 Servomechanism, 基本概念的介紹,伺服系統(tǒng)應(yīng)用舉例(2),機械手手臂伸縮運動的電液伺服系統(tǒng)原理圖。,1電放大器 2電液伺服閥 3液壓缸 4機械手手臂 5齒輪齒條機構(gòu) 6電位器 7步進電機,伺服系統(tǒng)應(yīng)用舉例(1),圖1.7 液壓仿形車床工作原理圖,1.2.3.4節(jié)流口 5工件 6刀具 7樣件 8觸銷 9油缸 10油泵,二. 伺服系統(tǒng)
2、的定義: (servomechanism) (servo-system) 伺服系統(tǒng)是指實現(xiàn)輸出變量精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)輸入變量的控制系統(tǒng)。,伺服電機,伺服電機(servo motor ) 伺服電動機又稱執(zhí)行電動機,在自動控制系統(tǒng)中,它的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速受信號電壓控制。當(dāng)信號電壓的大小和相位發(fā)生變化時,電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向?qū)⒎浅l`敏和準確地跟著變化。當(dāng)信號消失時,轉(zhuǎn)子能及時地停轉(zhuǎn)。,伺服電機的分類,,一、直流電動機工作原理,伺服電機的原理介紹,安培定律,磁場的磁感應(yīng)強度,導(dǎo)體中的電流,導(dǎo)體的有效長度,,直流電機原理,如圖所示: N和S是一對固定的磁極(一般是電磁鐵,也可為永久磁鐵)
3、,兩級之間裝著一個可以轉(zhuǎn)動的鐵質(zhì)圓柱體,圓柱體表面上固定這一個線圈,上邊為a,下圈為x,通入如圖所示的電流根據(jù)左手定則便可得出電磁轉(zhuǎn)矩。,一、直流電機原理,為什么要用電刷?,,一、直流電機的原理,,這樣的連接方法只有一組線圈得電,繞組使用率低,那么如何提高繞組的使用率 呢?,改進后的繞線,提高了繞組的使用率,直流電機的勵磁方式,勵磁概念:由電流激勵出磁場的過程叫做勵磁。,直流電機的基本方程式,電氣系統(tǒng)的電動平衡方程,,,電氣系統(tǒng)的電動平衡方程,電源電壓,電樞繞組上的端電壓,勵磁繞組上的端電壓,電樞電流,勵磁電流,電樞電路的電阻,勵磁回路的電阻,電樞回路的自感系數(shù),勵磁回路的自感系數(shù),電動機的機
4、械角速度,,,,2. 機械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平衡方程,,電磁轉(zhuǎn)矩,負載轉(zhuǎn)矩,空載損耗轉(zhuǎn)矩,如果電動機以恒 角速度轉(zhuǎn)動,則 :,實例:直流伺服系統(tǒng),,,,,常數(shù),實例:直流伺服系統(tǒng),,伺服電機在磁化曲線的線性范圍內(nèi)使用, 因而氣隙磁通 正比于勵磁電流,即:,,式中:,常數(shù),由電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩 正比于電樞電流 和氣隙磁通的乘積,即,,式中:,常數(shù),為磁場勵磁電流,是電樞電流,實例:直流伺服系統(tǒng),在電樞控制的直流電動機中,勵磁電流為常數(shù), 故上式可寫成:,由控制輸入電壓 開始,系統(tǒng)的因果方程為,1.電樞電壓方程:,實例:直流伺服系統(tǒng),2.電動機轉(zhuǎn)矩,3.轉(zhuǎn)矩平衡方程,4.電動機的反電動勢正比于速度,反
5、電動勢常數(shù),系統(tǒng)因果方程拉氏變換為,實例:直流伺服系統(tǒng),當(dāng)負載轉(zhuǎn)矩,其傳遞函數(shù)是:,實例:直流伺服系統(tǒng),直流伺服電機的系統(tǒng)方框圖,,主要內(nèi)容,,,7.3 直流伺服電機及其速度控制,( 一定),電樞回路電壓平衡方程式,感應(yīng)電勢與轉(zhuǎn)速關(guān)系,電磁轉(zhuǎn)矩,直流伺服電機的調(diào)速原理與方法,原理圖,等效圖,,,電機轉(zhuǎn)速與理想轉(zhuǎn)速的差n,反映了電機機械特性硬度,n越?。ㄞD(zhuǎn)矩對轉(zhuǎn)速變化的影響程度越?。瑱C械特性越硬。,n0,直流電機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系n=f(T)稱機械特性,直流電機的基本調(diào)速方式有三種:調(diào)節(jié)電阻Ra、調(diào)節(jié)電樞電壓Ua和調(diào)節(jié)磁通的值。,7.3 直流伺服電機及其速度控制,,主要內(nèi)容,他勵式直流伺服電機
6、的轉(zhuǎn)速公式,,,,,電樞電阻調(diào)速很少采用,缺點: 不經(jīng)濟:要得到低速,R很大,則消耗大量電能; 低速,特性很軟,運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性很差; 調(diào)節(jié)平滑性差,操作費力。,7.3 直流伺服電機及其速度控制,,主要內(nèi)容,,調(diào)節(jié)電樞電壓(調(diào)壓調(diào)速)時,直流電機機械特性為一組平行線,只改變電機的理想轉(zhuǎn)速n0 ,保持了原有較硬的機械特性,所以調(diào)壓調(diào)速主要用于伺服進給驅(qū)動系統(tǒng)電機的調(diào)速,如果n值較大,不可能實現(xiàn)寬范圍的調(diào)速。永磁式直流伺服電機的n值較小,因此,進給系統(tǒng)常采用永磁式直流電機。,7.3 直流伺服電機及其速度控制,,主要內(nèi)容,,調(diào)節(jié)磁通(調(diào)磁調(diào)速)不但改變了電機的理想轉(zhuǎn)速,而且使直流電機機械特性變軟,7.3
7、直流伺服電機及其速度控制,主要內(nèi)容,,直流伺服電機速度控制單元的調(diào)速控制方式 調(diào)速的概念有兩個方面的含義: 1)改變電機轉(zhuǎn)速:當(dāng)給定速度變化時,電機的速度隨之變化,并希望以最快的加減速達到新的給定速度值; 2)當(dāng)給定速度不變化時,電機的速度保持穩(wěn)定不變。,7.3 直流伺服電機及其速度控制,主要內(nèi)容,直流伺服電機速度控制單元的調(diào)速控制方式 需對直流電壓的大小和方向進行控制 直流伺服電機速度控制單元的作用:將轉(zhuǎn)速指令信號轉(zhuǎn)換成電樞的電壓值,達到速度調(diào)節(jié)的目的。 直流電機速度控制單元常采用的調(diào)速方法: 1.晶閘管(可控硅)調(diào)速系統(tǒng) 2.晶體管脈寬調(diào)制(PWM Pulse Width Modulate
8、d)調(diào)速系統(tǒng)。,,主要內(nèi)容,,1晶閘管調(diào)速系統(tǒng) 常用于大功率及要求不很高的直流伺服電機調(diào)速控制。,7.3 直流伺服電機及其速度控制,,U*n,,7.3 直流伺服電機及其速度控制,主回路由大功率晶閘管構(gòu)成的三相全控橋式反并接可逆電路,分成二大部分( 和 ),每部分內(nèi)按三相橋式連接,二組反并接,分別實現(xiàn)正轉(zhuǎn) 和反轉(zhuǎn)。,,,各有一個可控硅同時導(dǎo)通,形成回路。,7.3 直流伺服電機及其速度控制,1、3、5在正半周導(dǎo)通, 2、4、6在負半周導(dǎo)通。每組內(nèi)(即二相間)觸發(fā)脈沖相位相差120,觸發(fā)脈沖的順序:1-2-3-4-5-6,相鄰之間相位差60。為保證合閘后兩個串聯(lián)可控硅能同時導(dǎo)通,或已截止的相再次導(dǎo)通
9、,采用雙脈沖控制。即每個觸發(fā)脈沖在導(dǎo)通60后,再補發(fā)一個輔助脈沖;也可以采用寬脈沖控制,寬度大于60,小于120。,,7.3 直流伺服電機及其速度控制,只要改變可控硅觸發(fā)角(即改變導(dǎo)通角),就能改變可控硅的整流輸出電壓,從而改變直流伺服電機的轉(zhuǎn)速。 觸發(fā)脈沖提前,增大整流輸出電壓;觸發(fā)脈沖延后,減小整流輸出電壓。,晶閘管調(diào)節(jié)電路,,主要內(nèi)容,,2PWM調(diào)速控制系統(tǒng) 利用大功率晶體管的開關(guān)作用,將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓,加到直流電動機的電樞上;通過調(diào)整控制方波脈沖寬度來改變電樞的平均電壓,從而調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。 控制電路簡單,不需附加關(guān)斷電路,開關(guān)特性好。 廣泛應(yīng)用中、小功率直流伺服系
10、統(tǒng)。,,,,,,,,,,,,周期不變,,,,,,,,,,脈寬,脈寬,脈寬,脈寬,平均直流電壓,U,t,周期不變,7.3 直流伺服電機及其速度控制,,主要內(nèi)容,,直流電機電壓的平均值:,T脈沖周期, Ton導(dǎo)通時間,7.3 直流伺服電機及其速度控制,,脈寬調(diào)制(PWM)系統(tǒng)組成:,7.3 直流伺服電機及其速度控制,,控制回路: 速度調(diào)節(jié)器;電流調(diào)節(jié)器;固定頻率振蕩器及三角波發(fā)生器;脈寬調(diào)制器和基極驅(qū)動電路。 區(qū)別: 與晶閘管調(diào)速系統(tǒng)比較,速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié) 器原理一樣。不同的是脈寬調(diào)制器和功率放大器。,,脈寬調(diào)制器 作用:將電壓量轉(zhuǎn)換成可由控制信號調(diào)節(jié)的矩形脈沖,為功率晶體管的基極提供一個寬度可由速度指令信號調(diào)節(jié)的脈寬電壓。 組成:調(diào)制信號發(fā)生器(三角波和鋸齒波兩種)和比較放大器。 原理:以三角波發(fā)生器為例介紹,7.3 直流伺服電機及其速度控制,,USr 速度指令轉(zhuǎn)化過 來的直流電壓 U- 三角波 USC- 脈寬調(diào)制器的輸出(US r+U) 調(diào)制波形圖,7.3 直流伺服電機及其速度控制,,,,7.3 直流伺服電機及其速度控制,全數(shù)字式PWM,,,