《直流伺服电机》PPT课件.ppt

常用的直流电动机有：永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、印刷绕组）励磁式直流电机 混合式直流电机 无刷直流电机 直流力矩电机 直流进给伺服系统：永磁式直流电机类型中的有槽电枢永磁直 流电机（普通型）；直流主轴伺服系统：励磁式直流电机类型中的他激直流电机。,6.4 直流伺服电机,(一）直流伺服电机的结构,6.4 直流伺服电机,1.静态特性 电磁转矩由下式表示:（6.1）KT 转矩常数；磁场磁通；Ia 电枢电流；TM 电磁 转矩。电枢回路的电压平衡方程式为:（6.2）Ua 电枢上的外加电压；Ra 电枢电阻；Ea 电枢反电势。电枢反电势与转速之间有以下关系：（6.3）Ke电势常数；电机转速（角速度）。根据以上各式可以求得：（6.4）,（二）一般直流电机的工作特性,6.4 直流伺服电机,当负载转矩为零时：理想空载转速（6.5）当转速为零时：启动转矩(6.6）当电机带动某一负载TL时 电机转速与理想空载转速的差（6.7）,6.4 直流伺服电机,（二）一般直流电机的工作特性,2.动态特性直流电机的动态力矩平衡方程式为（6.8）式中 TM 电机电磁转矩；TL 折算到电机轴上的负载转矩；电机转子角速度；J 电机转子上总转动惯量；t 时间自变量。,6.4 直流伺服电机,（二）一般直流电机的工作特性,1.永磁直流伺服电机的性能特点 1)低转速大惯量 2)转矩大 3)起动力矩大 4)调速泛围大，低速运行平稳，力矩波动小 2.永磁直流伺服电机性能用特性曲线和数据表描述 1)转矩-速度特性曲线（工作曲线）2)负载-工作周期曲线 过载倍数Tmd，负载工作周期比 d。3)数据表：N、T、时间常数、转动惯量等等。,（三）永磁直流伺服电机的工作特性,6.4 直流伺服电机,d%80 110%120%60 130%140%40 160%d 180%20 200%0 1 3 tR 6 10 30 60 100 tR(min)图69负载-工作周期曲线,（三）永磁直流伺服电机的工作特性,6.4 直流伺服电机,3.永磁直流伺服电机的工作特性曲线,（四）主轴直流伺服电机的工作原理和特性,6.4 直流伺服电机,（五）直流进给运动的速度控制,1.、直流伺服电机的调速原理 根据机械特性公式可知调速有二种方法:电枢电压Ua和气隙磁通 改变电枢外加电压Ua:由于绕组绝缘耐压的限制，调压只能在额定 转速以下进行。属于恒转矩调速。改变气隙磁通量：改激磁电流即可改，在Ua恒定情况下，磁场接 近饱和，故只能弱磁调速，在额定转速以上进行。属于恒功率调速。2.直流速度控制单元调速控方式 晶闸管（可控硅）调速系统 晶体管脉宽调制（PWM）调速系统,6.4 直流伺服电机,晶闸管调速系统1）系统的组成,包括 控制回路：速度环、电流环、触发脉冲发生器等。主回路：可控硅整流放大器等。速度环：速度调节（PI），作用：好的静态、动态特性。电流环：电流调节(P或PI)。作用：加快响应、启动、低频稳定等。触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或后移。可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。,（五）直流进给运动的速度控制晶(1)晶闸管调速系统,6.4 直流伺服电机,2）主回路工作原理,组成：由大功率晶闸 管构成的三相全控桥式（三相全波）反并接可逆电路，分成二大部分（和），每部分内按三相桥式连接，二组反并接，分别实现正转 和反转。,原理：三相整流器，由二个半波整流电路组成。每部分内又分成共阴极组（1、3、5）和共阳极组（2、4、6）。为构成回路，这二组中必须各有一 个可控硅同时导通。1、3、5在正半周导通，2、4、6在负半周导通。每 组内（即二相间）触发脉冲相位相差120，每相内二个触发脉冲相差180。按管号排列，触发脉冲的顺序：1-2-3-4-5-6，相邻之间相位差60。为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通，或已截止的相再次导通，采用双脉冲控制。既每个触发脉冲在导通60后，在补发一个辅助脉冲；也 可以采用宽脉冲控制，宽度大于60，小于120。,（五）直流进给运动的速度控制(1)晶闸管调速系统,6.4 直流伺服电机,原理：,主回路波形图,只要改变可控硅触发角（即改变导通角），就能改变可控硅的整流输出电压，从而改变直流伺服电机的转速。触发脉冲提前来，增大整流输出电压；触发脉冲延后来，减小整流输出电压。,（五）直流进给运动的速度控制(1)晶闸管调速系统,6.4 直流伺服电机,3）控制回路分析,触发脉冲产生的过程：改变触发角，即改变控制角,（可控硅导通时间），可调速。没反馈是开环，特性软。,1-同步电路 2-移向控制电路3-脉冲分配器,电流调节器:同上，加快电流的反应。触发脉冲发生器：正弦波同步锯齿波触发 电路，与F直流信号叠加。,速度调节器：比例积分PI，高放大（相当 C短路）缓放大增放大稳定（相当C 开路）无静差。,（五）直流进给运动的速度控制(1)晶闸管调速系统,6.4 直流伺服电机,总结 速度控制的原理：调速：当给定的指令信号增大时，则有较大的偏差信号加到调节器的输入端，产生前移的触发脉冲，可控硅整流器输出直流电压提高，电机转速上升。此时测速反馈信号也增大，与大的速度给定相匹配达到新的平衡，电机以较高的转速运行。干扰：假如系统受到外界干扰，如负载增加，电机转速下降，速度反馈电压降低，则速度调节器的输入偏差信号增大，其输出信号也增大，经电流调节器使触发脉冲前移，晶闸管整流器输出电压升高，使电机转速恢复到干扰前的数值。电网波动：电流调节器通过电流反馈信号还起快速的维持和调节电流 作用，如电网电压突然短时下降，整流输出电压也随之降低，在电机转速由于惯性还未变化之前，首先引起主回路电流的减小，立即使电流调节器的输出增加，触发脉冲前移，使整流器输出电压恢复到原来值，从而抑制了主回路电流的变化。启动、制动、加减速：电流调节器还能保证电机启动、制动时的大转矩、加减速的良好动态性能。,（五）直流进给运动的速度控制(1)晶闸管调速系统,6.4 直流伺服电机,（2）晶体管脉宽调制（PWM）调速系统1）系统的组成及特点,U,usr,us f,整流,功放,（五）直流进给运动的速度控制,6.4 直流伺服电机,主回路：大功率晶体管开关放大器；功率整流器。,控制回路：速度调节器；电流调节器；固定频率振荡器及三角波发生器；脉宽调制器和基极驱动电路。区别：与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节 器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器。直流脉宽调制：功率放大器中的大功率晶体管工作在开 关状态下，开关频率保持恒定，用调整开关周期 内晶体管导通时间（即改变基极调制脉冲宽度）的方法来改变输出。从而使电机获得脉宽受调制 脉冲控制的电压脉冲，由于频率高及电感的作用 则为波动很小的直流电压（平均电压）。脉宽的变化使电机电枢的直流电压随着变化。,（五）直流进给运动的速度控制（2）PWM调速系统,6.4 直流伺服电机,直流脉宽调调制的基本原理,周期不变,周期不变,脉宽,脉宽,脉宽,脉宽,平均直流电压,脉冲宽度正比代表速度F值的直流电压,U,t,（五）直流进给运动的速度控制（2）PWM调速系统,6.4 直流伺服电机,2）脉宽调制器,t,同向加法放大器电路图U S r 速度指令转化过 来的直流电压U-三角波USC-脉宽调制器的输 出（U S r+U）调制波形图,US r为0时,调制出正负脉宽一样方波平均电压为0,US r为正时,US r为负时,调制出脉宽较宽的波形平均电压为正,调制出脉宽较窄的波形平均电压为负,（五）直流进给运动的速度控制（2）PWM调速系统,6.4 直流伺服电机,3）开关功率放大器,主回路：可逆H型双极式PWM 开关功率放大器,电路图:由四个大功率晶体管（GTR）T 1、T 2、T 3、T4 及四个续流二极管组成的桥 式电路。,H型：又分为双极式、单极式和受限单极式三种。Ub1、Ub2、Ub3Ub4 为调制器输出，经脉冲分配、基极驱动转换过来的脉冲电压。分别加到T1、T2、T3、T4的基极。,t,（五）直流进给运动的速度控制（2）PWM调速系统,6.4 直流伺服电机,工作原理：T1 和T4 同时导通和关断，其基极驱动电压Ub1=Ub4。T2和T3同 时导通和关断，基极驱动电压Ub2=Ub3=Ub1。以正脉冲较宽为例，既正转时。负载较重时：电动状态：当0t t1时，Ub1、Ub4为正，T1 和T4 导通；Ub2、Ub3 为负，T2和T3截止。电机端电压UAB=US，电枢电流id=id1，由US T1 T4 地。续流维持电动状态：在t1 t T时，Ub1、Ub4为负，T1 和T4截止；Ub2、Ub3 变正，但T2和T3并不能立即导通，因为在电枢电感储能的 作用下，电枢电流id=id2，由D2 D3续流，在D2、D3 上的压降使T2、T3的c-e极承受反压不能导通。UAB=-US。接着再变到电动状态、续流 维持电动状态反复进行，如上面左图。负载较轻时：反接制动状态，电流反向：状态中，在负载较轻时，则id小，续流 电流很快衰减到零，即t=t2 时（见上面右图），id=0。在t2 T 区段，T2、T3 在US 和反电动势E的共同作用下导通，电枢电流反向，id=id3 由US T3 T2 地。电机处于反接制动状态。电枢电感储能维持电流反向：在T t3区段时，驱动脉冲极性改变，T2、T3截止，因电枢电感维持电流，id=id4，由D4 D1。,（五）直流进给运动的速度控制（2）PWM调速系统,6.4 直流伺服电机,电机正转、反转、停止：由正、负驱动电压脉冲宽窄而定。当正脉冲较宽时，既t1 T/2，平均电压为正，电机正转；当正脉冲较窄时，既t1 T/2，平均电压为负，电机反转；如果正、负脉冲宽度相等，t1=T/2，平均电压为零，电机停转。电机速度的改变：电枢上的平均电压UAB越大，转速越高。它是由驱动电压脉冲宽度 决定的。双极性：由以上分析表明：可逆H型双极式PWM开关功率放大器，无论负载是重还是轻、电机是正转还是反转，加在电枢上的电压极性在一个开关周期内，都在US和 US之间变换一次，故称为双极性。,（五）直流进给运动的速度控制（2）PWM调速系统,6.4 直流伺服电机,（4）PWM调速系统的特点,频带宽、频率高:晶体管“结电容”小，开关频率远高于可控（50Hz)，可达2-10KHz。快速性好。电流脉动小:由于PWM调制频率高，电机负载成感性对电流脉动 由平滑作用，波形系数接近于1。电源的功率因数高:SCR系统由于导通角的影响，使交流电源的波形畸 变、高次谐波的干扰，降低了电源功率因数。PWM 系统的直流电源为不受控的整流输出，功率因数高。动态硬度好:校正瞬态负载扰动能力强，频带宽，动态硬度高。,（五）直流进给运动的速度控制（2）PWM调速系统,6.4 直流伺服电机,直流伺服电机的缺点：它的电刷和换向器易磨损；电机最高转速的限制，应用环境的限制；结构复杂，制造困难，成本高。交流伺服电机的优点：动态响应好；输出功率大、电压和转速提高交流伺服电机形式：同步型交流伺服电机和 异步型交流感应伺服电机。,VS,VS,6.5 交流伺服电机,交流同步伺服电机的种类：励磁式、永磁式、磁阻式和磁滞式（1）永磁交流同步伺服电机的结构,一永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理,VS,VS,定子,转子,脉冲编码器,定子三相绕组,接线盒,图 永磁交流同步伺服电机结构,6.5 交流伺服电机,（2）永磁交流同步伺服电机工作原理和性能,n（r/min）,6.5 交流伺服电机,一永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理,交流主轴电机的要求：大功率低速恒转矩、高速恒功率 鼠笼式交流异步伺服电机图614交流主轴电机与普通交流 异步感应电机的比较图示意图 图615 交流主轴伺服电机的特性曲线,二交流主轴伺服电机的结构和工作原理,6.5 交流伺服电机,（1）永磁交流同步伺服电机的发展 新永磁材料的应用 钕铁硼 永久磁铁的结构改革 内装永磁交流同步伺服电机 与机床部件一体化的电机 空心轴永磁交流同步伺服电机（2）交流主轴伺服电机的发展 输出转换型交流主轴电机 三角-星形切换，绕组数切换或二者组合切换。液体冷却电机 内装式主轴电机,三、交流伺服电机的发展,6.5 交流伺服电机,四.交流伺服电机的调速方法1.由电机学知，交流电机转速公式：式中：f 定子电源频率 p 磁激对数 S 转差率 ns 定子旋转磁场转速 n 转子转速,由此可知调速方法：,（6.11）,（6.12）,6.5 交流伺服电机,对于进给系统常使用交流同步电机，该电机没有转差率，电机转速公式变为：,从式中可以看出：只能用变频调速，并且是有效方法。变频调速的主要环节是为交流电机提供变频、变压电源的变频器，变频器分为：交直交变频器 分电压型和电流型。电压型先将电网的交流 电经整流器变为直流，再经逆变器变为频率和电压都可变的交 流电压。电流型是切换一串方波，方波电流供电，用于大功率。交交变频器 该变频器没有中间环节，直接将电网的交流电 变为频率和电压都可变的交流电。目前对于中小功率电机，用得最多的是电压型交直交变频器。2.正弦脉宽调制（SPWM）变压变频器基本概念 1964年德国人率先提出脉宽调制变频思想，把通讯系统中的,（6.13）,6.5 交流伺服电机,四.交流伺服电机的调速方法,调制技术应用于交流变频器。调制方法很多，目前用得最多的是正弦脉宽调制。还有空间电压矢量PWM、最优PWM、预测PWM、随机PWM、规则采样数字化PWM等等。SPWM交直交变压变频器的原理框图如下：,UR整流器 固定电压不可控整流器，常采用六个二级管桥式整流器 结构将交流变为直流，电压幅值不变。为逆变器的供电。UI 逆变器 由六个功率开关器件组成，常采用大功率晶体管。其控 制极（大功率晶体管GTR为基极）输入由基准正弦波（由速度指 令转化过来的）和三角波叠加出来的SPWM调制波（等幅、不等 宽的矩形脉冲波），使这些大功率晶体管按一定规律导通、截止，输出一系列功率级等效于正弦交流电的可变频变压的等幅、不等 宽的矩形脉冲电压波，即功率级SPWM电压，使电机转动。功率开关器件还可采用：可关断晶闸管GTO、功率场效应晶 体管MOSFET、绝缘门极晶体管IGBT等。,6.5 交流伺服电机,四.交流伺服电机的调速方法,2.SPWM变压变频器,正弦脉宽调制原理（以单相为例）正弦脉宽调制（SPWM）波形:与正弦波等效的一系列等幅不等 宽的矩形脉冲波，如右下图所示。,等效原理：把正弦分成 n 等分，每一区间的面积用与其相等的等幅不等宽的矩形面积代替。正弦的正负半周均如此处理。,6.5 交流伺服电机,四.交流伺服电机的调速方法,2.SPWM变压变频器,SPWM控制波的生成:正弦波三角波调制、方波三角波调制。,6.5 交流伺服电机,四.交流伺服电机的调速方法,2.SPWM变压变频器,主回路：左半部：整流器右半部：逆变器,6.5 交流伺服电机,四.交流伺服电机的调速方法,2.SPWM变压变频器,(1).系统的组成：速度环、电流环 SPWM电路、功放电路 检测反馈电路,3.交流进给伺服电机的速度控制系统,6.5 交流伺服电机,四.交流伺服电机的调速方法,(2)SPWM电路原理,SPWM的控制方法：模拟控制 原始的控制方法；数字控制微机存储事先算好的SPWM数据表格，由指令调出，或通过软 件实时生成。专用集成芯片单片机微处理器直接带有SPWM信号产生功能，并有其输出端 口，如8098、8XC196MC。,3.速度控制系统,6.5 交流伺服电机,四.交流伺服电机的调速方法,SPWM变压变频调速的优点：1.主电路只有一个可控的功率环节，简化了结构；2.采用了不可控整流器。使电网功率因数提高；3.逆变器同时调频调压，动态相应不受中间环节影响；4.可获得更接近于正弦波的输出电压波形。,6.5 交流伺服电机,四.交流伺服电机的调速方法,6.6闭环伺服系统,一、鉴相式伺服系统,1.基本组成,分类：鉴相式伺服系统 鉴幅式伺服系统 数字、脉冲比较式,采用相位比较的方法实现位置闭环或半闭环控制,6.6闭环伺服系统,一、鉴相式伺服系统,(1)基准信号发生器：,输出的一列具有一定频率的脉冲信号，为伺服系统提供相位比较的基准。,(2).脉冲调相器(数字相位转换器)：,将进给脉冲信号转换为相位变化信号（可用正弦波或方波表示）,(3).检测元件及信号处理线路：,将工作台的位移检测出来，并表达成与基准信号之间的相位差；相位差的大小代表了工作台的实际位移量。,(4)鉴相器：,有两路输入信号：,若没有进给脉冲信号输入，脉冲调相器的输出与基准信号发生器输出的基准信号同相位，即两者没有相位差；若有进给脉冲到来，则每输入一个正向或反向脉冲，脉冲调相器的输出将超前或滞后基准信号一个相应的相位角。,来自脉冲调相器的指令进给信号,来自于检测元件及信号处理线路的反馈信号,两路信号同频率、同周期；且都用它们与基准倍号之间的相位差表示,作用：鉴别出这两个信号之间的相位差，并输出与此相位差信号成正比的电压信号。,6.6闭环伺服系统,一、鉴相式伺服系统,(5).直流放大器：,对鉴相器的输出信号进行电压和功率放大，然后再去驱动执行元件。,2.鉴相式伺服系统的工作原理：,当数控装置要求工作台沿一个方向进给时，插补器或插补软件便产生一列进给脉冲；该进给脉冲作为指令信号送入伺服系统。,在伺服系统中，进给脉冲首先经脉冲调相器转变为相对于基准信号的相位差，设为（代表了指令要求工作台的进给距离）；,在鉴相器中：和进行比较；两者的差值，称为跟随误差。,跟随误差信号经电压和功率放大后，驱动执行元件带动工作台移动。,利用相位比较原理,另一方面，来自于测量元件及信号处理线路的反馈信号也表示成相对于基准信号的相位差，设为(代表了机床工作台实际移动的距离)。,进给开始时:=0,进给过程中:=0,=0,当=0时,进给停止,6.6闭环伺服系统,一、鉴相式伺服系统,3鉴相式伺服系统的类别,*若选用不同的测量元件，因其工作原理和输出的信号形式的 不同，会造成了测量元件的控制及其输出信号的处理方法不同,旋转变压器/感应同步器：输出正弦信号，工作时需要一组基准激磁信号,光栅：输出信号经处理后一般为方波信号，工作时不需任何激磁信号，只是在信息处理时，需要一个基准脉冲信号,考虑到系统的整体结构和简化鉴相器结构，当测量元件的输出是方波信号时，脉冲调相器的输出设计成方波形式，两列方波信号在鉴相器中进行比较。,当测量元件的输出是正弦信号，则要将脉冲调相器的输出设计成正弦信号形式或者将测量元件输出的正弦信号转换成方波信号，以保证相同形式的信号在鉴相器中进行比较。,选用的测量元件不同，鉴相式伺服系统的结构不同,*不同的执行元件也使鉴相式伺服系统的构成有所不同,6.6闭环伺服系统,一、鉴相式伺服系统,鉴相式伺服系统的类别,(1)以旋转变压器为测量元件的半闭环伺服系统,基准信号发生器：一方面控制脉冲调相器，使进给脉冲按一定的比例转换成相位的变化，另一方面经励磁线路产生出旋转变压器的激磁信号,整形线路：将旋转变压器的输出变成与脉冲调相器的输出同形式的信号。,(2)以直线感应同步器为测量元件的闭环伺服系统：基本同(1),感应同步器是直接安装在机床的工作台上，位置反馈信号直接代表了工作台的实际位移，构成了闭环系统，因而精度高，但调试比半闭环系统难。,(3)以光栅为测量元件的数字相位比较伺服系统,6.6闭环伺服系统,一、鉴相式伺服系统,光栅的输出信号经信号处理线路即鉴向倍频线路之后，进入它的数字相位变换器，把代表工作台实际位移的数字脉冲信号转换成与基准信号成一相位差的方波信号,进给脉冲经它的脉冲调相器即数字相位变换器之后，变成另一与基准信号成一相位差的方波信号,上述两路方波信号共同进入鉴相器，在鉴相器中进行比较，其差值以电压信号的形式输出。,6.6闭环伺服系统,一、鉴相式伺服系统,3.鉴相式伺服系统的主要控制线路,（1)脉冲调相器,（2）鉴相器,6.6闭环伺服系统,二、鉴幅式伺服系统,以位置检测信号的幅值反映机械位移，并采用幅值比较的方法实现位置闭环或半闭环控制。,1.基本组成,与鉴相式伺服系统的区别：,(1)鉴幅式伺服系统测量元件是以鉴幅式工作状态进行工作的，因此，可用的测量元件主要有旋转变压器和感应同步器。,(2)鉴幅式伺服系统中比较器所比较的是数字脉冲量，故不需要基准信号，两数字脉冲量可直接在比较器中进行脉冲数量的比较。而与之对应的鉴相式伺服系统的鉴相器所比较的是相位信号，需要基准信号,6.6闭环伺服系统,2.鉴幅式伺服系统的工作原理,二、鉴幅式伺服系统,进入比较器的信号：,来自数控装置的进给脉冲(代表了数控装置要求机床工作台移动的位移),来自测量元件及信号处理线路的数字 脉冲信号(代表了工作台实际移动的距离),鉴幅系统工作前，数控装置和测量元件的信号处理线路都没有脉冲输出，比较器的输出为零：执行元件不能带动工作台移动,当有进给脉冲信号之后，比较器的输出不再为零，执行元件开始带动工作台移动；同时，测量元件又将工作台的位移检测出来，经信号处理线路转换成相应的数字脉冲信号，并作为反馈信号进入比较器与进给脉冲进行比较。,若比较器的输出不为零，说明工作台实际移动的距离还不等于指令信号要求工作台移动的距离，执行元件带动工作台继续移动。,若比较器的输出不零，说明工作台实际移动的距离等于指令信号要求工作台移动的距离，执行元件停止带动工作台移动。,6.6闭环伺服系统,二、鉴幅式伺服系统,数模转换电路：,将比较器输出的数字量转化为直流电压信号，再经驱动线路进行电压和功率放大后，驱动执行元件带动工作台移动。,测量元件及信号处理线路：,将工作台的机械位移检测出来并转换为数字脉冲量。,原理框图：,当工作台移动时，测量元件根据工作台的位移量，即丝杠转角输出电压信号：,为此时测量元件激磁信号的电气角,6.6闭环伺服系统,三、数字脉冲比较式伺服系统,(1)由数控装置提供的指令信号：是数码信号，或脉冲数字信号,(2)由测量元件提供的机床工作台位置信号。它可以是数码信号，也可以是数字脉冲信号。(3)完成指令信号与测量反馈信号比较的比较器。(4)数字脉冲信号与数码的相互转换部件。它依据比较器的功能以及指令信号和反馈信部号的性质而决定取舍。(5)驱动执行元件。它根据比较器的输出带动床工作台移动。,