第5章-伺服驱动技术

机电一体化第五章伺服系统第五章伺服系统5.1概述5.2伺服系统的执行元件及控制5.3伺服系统设计机电一体化第五章伺服系统5.1概述一、伺服系统概念二、伺服系统的类型三、伺服系统的基本要求机电一体化第五章伺服系统伺服系统是自动控制系统的一类，它的输出变量通常是机械的位置或运动，它的根本任务是实现执行机构对给定指令的准确跟踪，即实现输出变量的某种状态能够自动、连续、精确地复现输入指令信号的变化规律。一、伺服系统概念机电一体化第五章伺服系统从系统组成元件的性质来看，有电气伺服系统、液压伺服系统和电气—液压伺服系统、电气—气动伺服系统等；从系统输出量的物理性质来看，有速度或加速度伺服系统和位置伺服系统等；从系统中所包含的元件特性和信号作用特点来看，有模拟式伺服系统和数字式伺服系统；从系统结构特点来看，有单回路伺服系统、多回路伺服系统和开环伺服系统、闭环伺服系统。二、伺服系统类型机电一体化第五章伺服系统例：数控机床伺服系统，由图可以看出，它与一般的反馈控制系统一样，也是由控制器、被控对象、反馈测量装置等部分组成。二、伺服系统类型机电一体化第五章伺服系统对伺服系统的基本要求有稳定性、精度和快速响应性。稳定性是指作用在系统上的扰动消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指令信号作用下，系统能够达到新稳定运行状态的能力。精度是伺服系统的一项重要的性能要求。它是指其输出量复现输入指令信号的精确程度。快速响应性是衡量伺服系统动态性能的另一项重要指标。快速响应性有两方面含义，一是指动态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的迅速程度，二是指动态响应过程结束的迅速程度。三、伺服系统的基本要求机电一体化第五章伺服系统5.2伺服系统的执行元件及控制一、执行元件类型及特点二、伺服电机及其控制三、步进电机及其控制机电一体化第五章伺服系统1.电气执行元件电气执行元件包括直流(DC)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2．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3．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。一、执行元件类型及特点机电一体化第五章伺服系统在自动控制系统中，伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱动被控对象，当信号电压的大小和极性(或相位)发生变化时，电动机的转速和转向将快速、准确地跟着变化。目前常用的伺服电动机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机。二、伺服电机及其控制机电一体化第五章伺服系统机电一体化第五章伺服系统1直流伺服电动机(1)调速方式直流伺服电机的机械特性方程为：式中，一电枢控制电压；一电枢回路电阻；—每极磁通；、—分别为电动机的结构常数。二、伺服电机及其控制TCCRCUn2teeccUReCtC机电一体化第五章伺服系统由上式知，直流伺服电机的控制方式如下：二、伺服电机及其控制（2）调磁调速（变励磁电流，恒功率调速）（1）调压调速（变电枢电压，恒转矩调速）常用的是前面2种调速方式。（3）改变电枢回路电阻调速机电一体化第五章伺服系统(2)直流电机的功率驱动直流电机的调速电路目前以脉冲宽度调制(PWM)电路应用最为广泛。二、伺服电机及其控制机电一体化第五章伺服系统桥式(H形)PWM变换器主电路机电一体化第五章伺服系统机电一体化第五章伺服系统二、伺服电机及其控制sonABU)1Tt2(U作用在电机两端的平均电压为：机电一体化第五章伺服系统(3)直流伺服系统模型二、伺服电机及其控制机电一体化第五章伺服系统二、伺服电机及其控制1)校正环节：一般速度环调节器为比例环节G1(S)=Kp位置环为PI调节2)检测环节：速度检测：)11()(2sTKsGivfvKsG)(3位置检测：fpKsG)(43)整流装置（惯性环节）1)(15sTksGis各种整流装置的时间常数见下表机电一体化第五章伺服系统二、伺服电机及其控制机电一体化第五章伺服系统二、伺服电机及其控制5)直流电机直流电机原理见右图机电一体化第五章伺服系统二、伺服电机及其控制设输入信号为Ud,输出为电机转角,则其传递函数：ddddddEUiRdtdiLdtdCCEededdmdiCMdtdBdtdJMd22拉式变换，消去id（s）后可得电机的传递函数G6(S)机电一体化第五章伺服系统)1()(26sTsTsKsGmddmedmdCCBRCK式中：medddCCBRJLTmedddmCCBRBLJRTdLdRBmCdTmTeC——电磁时间常数和机电时间常数——电枢绕组的电感和电阻——反电动势常数和力矩常数J——阻尼和电机轴转动惯量画出系统的传递函数框图，可得到系统的开环传递函数。机电一体化第五章伺服系统二、伺服电机及其控制机电一体化第五章伺服系统2.交流伺服电动机二、伺服电机及其控制机电一体化第五章伺服系统1、基本结构空心杯形转子交流伺服电动机的结构示意图转子内定子外定子绕组转轴二、伺服电机及其控制机电一体化第五章伺服系统2.交流伺服电动机的接线图二、伺服电机及其控制机电一体化第五章伺服系统当两相绕组分别加上相位相差90o的额定电压时：对称两相运行→ic和if产生圆形旋转磁场→产生T→转子旋转。如果uc反相，即改变ic和if的相序→旋转磁场改变方向→n的方向改变。同时减小uc和uf而保持其90o的相位差→圆形磁通势的幅值→T→n。SM~控制绕组励磁绕组＋Uc－＋Uf－cfIcIf3.交流伺服电动机的原理:二、伺服电机及其控制机电一体化第五章伺服系统励磁绕组Wf接到电压为的交流电网上，控制绕组接到控制电压上，当有控制信号输入时，两相绕组便产生旋转磁场。该磁场与转子中的感应电流相互作用产生转矩，使转子跟着旋转磁场以一定的转差率转动起来，其旋转速度为式中，f为交流电源频率(Hz)；p为磁极对数；n0为电动机旋转磁场转速(r/min)；s为转差率。二、伺服电机及其控制)1()1(600snpsfn机电一体化第五章伺服系统4.交流伺服电动机的控制:二、伺服电机及其控制幅值控制原理图不同控制电压下的机械特性曲线由右图可知，在一定负载转矩下，控制电压越高，转差率越小，电动机的转速就越高，不同的控制电压对应着不同的转速。这种维持与相位差为90º，利用改变控制电压幅值大小来改变转速的方法，称为幅值控制方法。机电一体化第五章伺服系统三、步进电动机及其控制机电一体化第五章伺服系统1、功能、用途和分类功能将电脉冲信号转换成转角或转速信号。转角θ∝脉冲信号的个数；转速n∝脉冲信号的频率。用途高精度的角度控制。分类按定子相数不同：三相、四相、五相、六相等；按转子材料不同：永磁式、磁阻式（反应式）和混合式。三、步进电动机及其控制机电一体化第五章伺服系统2、基本结构1423(1)定子(2)转子U1U2V1V2W2W1三相磁阻式步进电动机原理图三、步进电动机及其控制机电一体化第五章伺服系统步进电动机的典型结构U2U1W2W1V1V2三、步进电动机及其控制机电一体化第五章伺服系统一拍从一次通电到另一次通电。步距角每一拍转子转过的角度。(1)m相单m拍运行（三相单三拍运行）(2)m相双m拍运行（三相双三拍运行）(3)m相单－双2m拍运行（三相单－双六拍运行）3、工作原理：三、步进电动机及其控制机电一体化第五章伺服系统三、步进电动机及其控制1423U1U2V1V2W2W1①U相通电1423U1U2V1V2W2W1②V相通电U1U2V1V2W2W1③W相通电1423一步两步三步※步距角：θ=30°(1)m相单m拍运行（三相单三拍运行）通电顺序：U相→V相→W相→U相。机电一体化第五章伺服系统(2)m相双m拍运行（三相双三拍运行）通电顺序：UV相→VW相→WU相。U1U2V1V2W2W1①UV相通电U1U2V1V2W2W1②VW相通电U1U2V1V2W2W1③WU相通电※步距角：θ=30°三、步进电动机及其控制机电一体化第五章伺服系统(3)m相单－双2m拍运行(三相单－双六拍运行）通电顺序：U→UV→V→VW→W→WU→U。1423U1U2V1V2W2W11U1U2V1V2W2W12U1U2V1V2W2W13U1U2V1V2W2W14U1U2V1V2W2W15U1U2V1V2W2W161423※步距角：θ=15°三、步进电动机及其控制机电一体化第五章伺服系统步距角θ=360°zNz：转子齿数N：拍数转速一个θ→转(1/zN)圈，脉冲频率为f→每秒转(f/zN)圈。n=60fzN例如：三相步进电动机z=40，则①采用单/双三拍时：②采用三相六拍时：θ=360°zN360°40×3==3°θ=360°zN360°40×6==1.5°三、步进电动机及其控制机电一体化第五章伺服系统步进电动机的参数脉冲放大器步进电动机脉冲分配器脉冲输入负载驱动电源最大静转矩、起动频率、运行频率。步进电动机的控制方式三、步进电动机及其控制机电一体化第五章伺服系统5.3伺服系统设计一、方案设计二、伺服系统稳态设计三、伺服系统动态设计机电一体化第五章伺服系统在进行系统方案设计时，需要考虑以下方面的问题：1．系统闭环与否的确定当系统负载不大，精度要求不高时，可考虑开环控制；反之，当系统精度要求较高或负载较大时，开环系统往往满足不了要求，这时要采用闭环或半闭环控制系统。一般情况下，开环系统的稳定性不会有问题，设计时仅考虑满足精度方面的要求即可，并通过合理的结构参数匹配，使系统具有尽可能好的动态响应特性。一、方案设计机电一体化第五章伺服系统2．执行元件的选择选择执行元件时应综合考虑负载能力、调速范围、运行精度、可控性、可靠性以及体积、成本等多方面的要求。一般来讲，对于开环系统可考虑采用步进电动机、电液脉冲马达等，应优先选用步进电动机。对于中小型的闭环系统可考虑采用直流伺服电动机、交流伺服电动机，对于负载较大的闭环伺服系统可考虑选用伺服阀控制的液压马达等。一、方案设计机电一体化第五章伺服系统3．传动机构方案的选择传动机构是执行元件与执行机构之间的一个连接装置，用来进行运动和力的变换与传递。在伺服系统中，执行元件以输出旋转运动和转矩为主，而执行机构则多为直线运动。用于将旋转运动转换成直线运动的传动机构主要有齿轮齿条和丝杠螺母等。前者可获得较大的传动比和较高的传动效率，所能传递的力也较大，但高精度的齿轮齿条制造困难，且为消除传动间隙而结构复杂；后者因结构简单、制造容易而应用广泛。一、方案设计机电一体化第五章伺服系统4．控制系统方案的选择控制系统方案的选择包括微型机、步进电动机控制方式、驱动电路等的选择。常用的微型机有单片机、单板机、工业控制微型机等，其中单片机由于在体积、成本、可靠性和控制指令功能等许多方面的优越性，在伺服系统的控制中得到了广泛的应用。一、方案设计机电一体化第五章伺服系统系统方案确定后，应进行方案实施的具体化设计，即各环节设计，通常称为稳态设计。其内容主要包括执行元件规格的确定、系统结构的设计、系统惯量参数的计算以及信号检测、转换、放大等环节的设计与计算。稳态设计要满足系统输出能力指标的要求。二、伺服系统稳态设计机电一体化第五章伺服系统1.负载的等效换算为了便于系统运动学、动力学的分析与计算，可将负载运动部件的转动惯量等效地变换到执行元件的输出轴上，并计算输出轴承受的转矩(回转运动)或力(直线运动)。例如：二、伺服系统稳态设计机电一体化第五章伺服系统如图所示系统中，由m个移动部件和n个转动部件组成。mi、Vi和Fi分别为移动部件的质量(kg)、运动速度(m/s)和所承受的负载力(N)；Jj、nj和Tj分别为转动部件的转动惯量(kg﹒m2)、转速(r/min或rad/s)和所承受负载力矩(N