《机电一体化系统设计》第4章伺服系统设计课件.ppt

伺服系统，也称为随动系统，是一种能够及时跟踪输入给定信号并产生动作，从而获得精确的位置、速度等输出的自动控制系统。,4.1、伺服系统概念,第四章伺服系统设计,概况1您的内容打在这里，或者通过复制您的文本后。概况2您的内容打在这里，或者通过复制您的文本后。概况3您的内容打在这里，或者通过复制您的文本后。,+,+,+,整体概况,伺服系统应用举例,机械手手臂伸缩运动的电液伺服系统。,1电放大器 2电液伺服阀 3液压缸 4机械手手臂 5齿轮齿条机构 6电位器 7步进电机,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。系统需不断检测被控对象输出的变化，与给定值比较，对被控对象进行自动调节，以消除偏差。,数控系统,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，系统能够达到新的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。,伺服系统的基本要求,按被控量的不同可以将伺服系统分为位置伺服系统、速度伺服系统，其中最常见的是位置伺服系统 ； 按照控制方式，可将伺服系统分为开环、闭环、半闭环系统 。 根据执行器使用的动力源，可以将伺服系统分为电气伺服系统、液压伺服系统和气压伺服系统等几种类型,4.1.2、伺服系统的分类,开回路,开回路没有反馈、只能进行一个方向的控制。使用步进马达。,一方向指令,半闭回路,全闭合回路,1.电气伺服系统 高精度、高速度、高可靠行、易控制。但承载能力有限，设计较复杂。2.液压伺服系统 功率大、控制性好、维修方便。但快速响应性不好，稳定性较差。2.气压伺服系统 成本低、清洁安全、结构简单、维修方便。但控制稳定性差，输出功率和力较小，体积大,4.1.2、伺服系统的分类,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。,4.2 伺服系统执行元件及其控制,4.2 伺服系统执行元件及其控制,一、直流伺服电机及控制二、交流伺服电机及控制三、步进电机及控制,伺服电动机典型生产厂家,德国西门子，产品外形有：,伺服电机,伺服电机驱动器,美国科尔摩根，产品外形有：,伺服电机,伺服电机驱动器,伺服电动机典型生产厂家,日本松下及安川，产品外形有：,松下交流伺服电机及驱动器,安川伺服电机驱动器,伺服电动机典型生产厂家,伺服电机的分类,1、直流电动机工作原理、分类和结构,安培定律,磁场的磁感应强度,导体中的电流,导体的有效长度,4.2.1、直流伺服电动机,直流电机原理,直流电机的励磁方式,励磁概念：由电流激励出磁场的过程叫做励磁。,直流伺服电机的结构,1. 静态特性（电压相对稳定） 电磁转矩由下式表示: 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: 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： Ke电势常数；n电机转速（角速度）。 根据以上各式可以求得： (转速公式),2、直流电机的静态特性,反映转速随转矩变化的程度，斜率越大，转速随负载变化大，机械特性软；反之（转矩对转速变化的影响程度越小），机械特性越硬。从公式可看出机械特性硬度与Ra有关， Ra越小，电机机械特性越硬。实际控制中，伺服电机需外接放大电路，这就引入了放大电路内阻，使机械特性变软，在设计时应注意。,1）、机械特性直流电机转速随转矩（负载）变化的关系n=f(T)称机械特性,2）、调节特性,由图可知：空载时，起动电压为0. 当负载为TL1时，电机的起动电压为Ua1 当负载为TL2时，电机的起动电压为Ua2,3）、动态特性,直流电机的基本调速方式有三种:（1）调节电阻Ra、（2）调节磁通的值（3）调节电枢电压Ua,4）、直流伺服电机的速度控制,由转速公式可得，,（1）电枢电阻调速：很少采用，缺点：不经济：要得到低速，R很大，则消耗大量电能；低速，特性很软，运转稳定性很差；调节平滑性差，操作费力。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,主要内容,（2）调节磁通（调磁调速）不但改变了电机的理想转速，而且使直流电机机械特性变软,7.3 直流伺服电机及其速度控制,主要内容,（3）调节电枢电压：（调压调速）时，直流电机机械特性为一组平行线，只改变电机的理想转速n0 ，保持了原有较硬的机械特性，所以调压调速主要用于伺服进给驱动系统电机的调速,如果n值较大，不可能实现宽范围的调速。永磁式直流伺服电机的n值较小，因此，进给系统常采用永磁式直流电机。 n为负载转速与理想空载转速的转速差。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,主要内容,直流伺服电机速度控制单元 需对直流电压的大小和方向进行控制直流伺服电机速度控制单元的作用：将转速指令信号转换成电枢的电压值，达到速度调节的目的。直流电机速度控制单元常采用的调速方法： 1.晶闸管（可控硅）调速系统 2.晶体管脉宽调制（PWM Pulse Width Modulated）调速系统。,主要内容,1晶闸管调速系统常用于大功率及要求不很高的直流伺服电机调速控制。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,U*n,7.3 直流伺服电机及其速度控制,主回路由大功率晶闸管构成的三相全控桥式反并接可逆电路，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。,各有一个可控硅同时导通，形成回路。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,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，增大整流输出电压；触发脉冲延后，减小整流输出电压。,主要内容,2PWM调速控制系统利用大功率晶体管的开关作用，将直流电压转换成一定频率的方波电压，加到直流电动机的电枢上；通过调整控制方波脉冲宽度来改变电枢的平均电压，从而调节电机的转速。控制电路简单，不需附加关断电路，开关特性好。 广泛应用中、小功率直流伺服系统。,周期不变,脉宽,脉宽,脉宽,脉宽,平均直流电压,U,t,周期不变,7.3 直流伺服电机及其速度控制,脉宽调制（PWM）系统组成：,7.3 直流伺服电机及其速度控制,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。,脉宽调制器作用：将电压量转换成可由控制信号调节的矩形脉冲，为功率晶体管的基极提供一个宽度可由速度指令信号调节的脉宽电压。组成：调制信号发生器（三角波和锯齿波两种）和比较放大器。原理：以三角波发生器为例介绍,7.3 直流伺服电机及其速度控制,全数字式PWM,交流伺服电机系统,驱动器,交流伺服电动机,4.2.2 交流伺服电动机,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、转速高； 结构坚固，易维护。交流伺服电机形式： 同步交流伺服电机； 异步交流伺服电机。,1 特点、类型、结构,结构,交流伺服电动机的主体结构与一台两相交流异步电机的结构基本一致。也主要由定子与转子两在部分组成。,交流伺服电动机主体就是一台两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差90的两个绕组：励磁绕组和控制绕组，其结构如图所示。,励磁绕组,控制绕组,杯形转子,内定子,交流伺服电动机结构图,定子,(1) 笼型转子,铁芯槽内放铜条,端 部用短路环形成一体, 或铸铝形成转子绕组。,笼型转子,4.2.2 交流伺服电动机,转子,杯型转子,2 交流异步伺服电动机的工作原理,当磁铁旋转时，在空间形成一个旋转磁场。假设永久磁铁是顺时纠方向以n0的转速旋转，那末它的磁力线也就以顺时针方向切割转子导条，在转子导条中就产生感应电势。根据右手定则，N极下导条的感应电势方向垂直地从纸面出来。而S极下导条的感应电势方向垂直地进入纸面。由于鼠笼转子的导条都是通过短路环连接起来的，因此在感应电势的作用下，在转子导条中就会有电流流过，电流有功分量的方向和感应电势方向相同。再根据通电导体在磁场中受力原理，转子载流导条又要与磁场相互作用产生电磁力，这个电磁力F作用在转子上，并对转轴形成电磁转矩。根据左手定则，转矩方向与磁铁转动的方向是一致的，也是顺时针方向。因此，鼠笼转子便在电磁转矩作用下顺着磁铁旋转的方向转动起来。,异步电动机的转动原理,为了分析方便，先假定励磁绕组有效匝数Uf与控制绕组有效匝数UC相等。这种在空间上互差900电角度，有效匝数又相等的两个绕组称为对称两相绕组。,伺服电机旋转磁场的产生,2 交流异步伺服电动机的工作原理,同时，又假定通入励磁绕组的电流Uf与通入控制绕组的电流UC相位上彼此相差900幅值彼此相等，这样的两个电流称为两相对称电流，用数学式表示为,伺服电机旋转磁场的产生,2 交流异步伺服电动机的工作原理,控制绕组,励磁绕组,当两相对称电流通入两相对称绕组时，在电机内就产生一个旋转磁场。当电流变化一个周期时，旋转磁场在空间转了一圈。,UC1,UC2,UF1,UF2,伺服电机旋转磁场的产生,伺服电机旋转磁场的方向,控制绕组,励磁绕组,3 伺服电机旋转磁场的速度,旋转磁场的转速决定于定子绕组极对数和电源的频率。图所表示的是一台两极的电机，即极对数P1。对两极电机而言，电流每变化一个周期，磁场旋转一圈，因而当电源频率f400 Hs，即每秒变化400个周期时，磁场每秒应当转400圈，故对两极电机，即P1而言，旋转磁场转速为 n0= 24000 rmin旋转磁场转速为的一般表达式为,由电机学知，交流异步电机转子是以低于同步转速（旋转磁场转速）运行的，所以电机转速为：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,3 伺服电机旋转磁场的速度,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90，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。,4.伺服电机控制方式及特性,交流电机转速公式可得调速方法：,由此可知调速方法：,4.交流伺服电机的调速方法,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。,4.交流伺服电机的调速方法,1964年脉宽调制变频调制技术应用于交流变频器。目前用得最多的是正弦脉宽调制。 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。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。,正弦脉宽调制（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,5 交流伺服电机的应用,编码器部分,安装在电机后端，其转盘（光栅）与电机同轴。,伺服电机控制精度取决于编码器精度。,1） 伺服电机编码器,编码器,2）伺服电机驱动器,数码显示窗口,参数设置键,计算机RS232口,I/O信号接口,编码器信号接口,电机电源输入输出接线端子,2、外部组成,5、交流伺服电机系统应用,图 2-2 交流伺服电机系统接线示意图,交流伺服电机驱动器,连接AC220V,I/O板,交流伺服电机系统结构,1 、设置参数,方法一联接计算机使用软件设置,方法二直接在驱动器面板按钮设置,5. 交流伺服电机系统使用,步进电机外形结构,常见步进电机外形构造,4.2.3 步进电机,步进电机内部结构,步进电机内部结构,步进电机的内部构造,步进电动机的工作原理与特点,原理：步进电机是利用电磁铁原理,将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。,特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。 (2)控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序，改变转动方向。 (4)角位移量或线位移量与电脉冲数成正比.,工作方式,步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。,一、三相单三拍,（1）三相绕组联接方式：Y 型,（3）工作过程,引转子，由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产生切向力而形成磁阻转矩， 使转子转动，使转、定子的齿对齐停止转动。,A 相通电，A 方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁化，吸,A 相通电使转子1、3齿和 AA 对齐。,B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电位置转30；,C相通电再转30,这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。,三相单三拍的特点：,（1）每来一个电脉冲，转子转过 30。此角称为步距角，用S表示。,（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。,二、三相单双六拍,三相绕组的通电顺序为： AABBBCCCAA 共六拍。,工作过程：,A相通电，转子1、3齿和A相对齐。,所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通电，转子转了15。,（1）BB 磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针 方向转动。,A、B相同时通电,（2）AA 磁场继续对1、3齿有拉力。,总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为15。,B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15。,三、三相双三拍,三相绕组的通电顺序为： AB BC CA AB 共三拍。,工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转30，即 S = 30。,步距角： 步进电机的定子绕组每改变一次通电状态，转子转过的角度称步距角。 转子齿数越多，步距角 越小 定子相数越多，步距角 越小 通电方式的节拍越多，步距角 越小,式中：m 定子相数 Z 转子齿数 C 通电方式 C = 1 单相轮流通电、双相轮流通电方式 C = 2 单、双相轮流通电方式,常用步进电机的步距角 常用步进电机的定子绕组多数是三相和五相, 与此相匹配的转子齿数分别为40齿和48齿，即有三相步进电机：五相步进电机：,步进电机的实际结构, 控制输入给步进电机的脉冲数目可以控制步进电机的角位移,结论, 控制输入给步进电机的脉冲的频率可以控制步进电机的转速, 控制步进电机定子绕组的通电顺序可以控制步进电机的转动 方向,步进电机的驱动控制,功率放大器,环形分配器,加减速电路,脉冲混合电路,加减脉冲分配电路,进给脉冲,至步进电机绕阻,1. 脉冲混合电路 将脉冲进给、手动进给、手动回原点、误差补偿等混合为正向或负向脉冲进给信号2. 加减脉冲分配电路 将同时存在正向或负向脉冲合成为单一方向的进给脉冲,3. 加减速电路 将单一方向的进给脉冲调整为符合步进电机加减速特性的脉冲，频率的变化要平稳，加减速具有一定的时间常数。4. 环形分配器 将来自加减速电路的一系列进给脉冲转换成控制步进电机定子绕阻通、断电的电平信号，电平信号状态的改变次数及顺序与进给脉冲的个数及方向对应。5. 功率放大器 将环形分配器输出的mA级电流进行功率放大，一般由前置放大器和功率放大器组成。,步进电机的驱动控制,1.6.1 功率的选择,功率选得过大不经济，功率选得过小电动机容易因过载而损坏。,1. 对于连续运行的伺服电动机，所选功率应等于或略大于生产机械的功率。,2. 对于短时工作的伺服电动机，允许在运行中有短暂的过载，故所选功率可等于或略小于生产机械的功率。,6.伺服电机的选择,6.1 种类和型式的选择,1. 种类的选择,一般自动控制应用场合应尽可能选用交流伺服电机。调速和控制精度很高的场合选用直流伺服电机或其他专用的控制电机,如直线电机等。,2. 结构型式的选择,根据工作方式和工作环境的条件选择不同的结构型式，如频繁启停选用空心杯转子结构的伺服电机；如速度要求较平衡的场合选用大惯量伺服电机,6.3 主要技术指标的选择,1电压 技术数据表中励磁电压和控制电压指的都是额定值。励磁电压允许变动范围为土5左右。电压太高，电机会发热；电压太低和输出功率会明显下降，加速时间增长等。伺服电动机使用时，应注意到励磁绕组两端电压会高于电源电压，而且随转速升高而增大，其值如果超过额定值太多，会使电机过热。 控制绕组的额定电压有时也称最大控制电压，在幅值控制条件下加上这个电压就能得到圆形旋转磁场,6.3 主要技术指标的选择,2频率 目前控制电机常用的频率分低频和中频两大类，低频为50 HZ(或60HZ)，中频为400HZ(或500HZ)。因为频率越高，涡流损耗越大，所以中频电机的铁心用较薄的(0.2mm以下)硅钢片叠成，以减少涡流损耗；低频电机则用0.350.5mm的硅钢片。 低频电机不应该用中频电源，中频电机也不应该用低频电源，否则电机性能会变差。,在不得已时，低频电源之间或者中频电源之间可以互相代替使用，但要随频率正比地改变电压，而保持电流仍为额定值，这样，电机发热可以基本上不变。例如一台500 Hz、110V的电机，如果用在400 Hz时，那末加到电机上的电压就应改成11040050088V。,提问与解答环节Questions and answers,结束语CONCLUSION感谢参与本课程，也感激大家对我们工作的支持与积极的参与。课程后会发放课程满意度评估表，如果对我们课程或者工作有什么建议和意见，也请写在上边，来自于您的声音是对我们最大的鼓励和帮助，大家在填写评估表的同时，也预祝各位步步高升，真心期待着再次相会！,谢谢聆听THANK YOU FOR LISTENING演讲者：XX 时间：202X.XX.XX,