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宽调速直流伺服电动机
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直流伺服电动机的调速方法
• 直流伺服电动机与驱动
• 直流伺服电动机为直流供电，为调节电动机 转速和方向,需要对其直流电压的大小和方向 进行控制
• 驱动方式：
• 晶闸管直流调速驱动
• 通过调节触发装置控制晶闸管的触发延迟角(控制电压的 大小)来移动触发脉冲的相位，从而改变整流电压的大小 ，使直流电动机电枢电压的变化易于平滑调速。
机械设计制造及其自动化专业课程
机械电子学 （机电一体化系统设计）
第三章 执行元件的选择与设计
1
3 执行元件的选择与设计
• 3.1 执行元件的种类、特点及基本要求 • 3.2 常用的控制用电动机 • 3.3 直流与交流伺服电动机及驱动 • 3.4 步进电动机及驱动（★）
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3.1 种类、特点及基本要求
换向片
直流电源
电刷
换向器
线圈
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3.3 直流与交流伺服电动机
• 一、直流(DC)伺服电动机及其驱动
• 直流伺服电动机的特性及选用
• 优点:具有较高的响应速度、精度和频率，优良的 控制特性
• 不足：由于使用电刷和换向器，故寿命较低，需要 定期维修
• 典型产品：宽调速直流伺服电动机
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宽调速直流伺服电动机
• 结构特点：励磁便于调整，易于安排补偿 绕组和换向极，电动机的换向性能得到改 善，成本低,可以在较宽的速度范围内得到 恒转速特性
• 永久磁铁的宽调速直流伺服电动机的结构
• A、不带制动器 • B、带制动器
• 日本FANUC公司生产的L系列(低惯量系列) 、M系列和H系列直流伺服电动机
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宽调速直流伺服电动机
• 执行元件的概念：
• 是处于机电一体化系统的机械运行机构与微电 子控制装置的接点（联接）部位的能量转换元 件
3
执行元件——电动机
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执行元件——电动机
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执行元件——电动机
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直线电机平台
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直线电机平台
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执行元件——电动机
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执行元件——电动机
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执行元件——电动机
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执行元件——气压式
三相交流量
两相交流量
交流/直流变换
等效直流量
逆变换
还原三相交流量
实现转矩和转速控制
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同步交流伺服电机控制
• SM伺服电机结构图
永磁转 子材料： 铁氧体 稀土
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同步交流伺服电机控制
• SM伺服电机结构图
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同步交流伺服电机控制
• 矢量控制
• 图中A，B，C分别为 定子绕组的轴线。
• 转子的磁极轴线为直 轴d，逆时针方向转 90度为交轴q。
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执行元件——液压式
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电机执行元件的应用
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液压执行元件的应用
15
液压执行元件的应用
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压电驱动器
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压电驱动器
18
压电驱动器
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3.1 种类、特点及基本要求 Nhomakorabea电磁式电动机
电磁铁及其它
交流(AC)伺服电动机 直流(DC)伺服电动机
执
行
液压式
元
件
气压式
油缸
液压马达
气缸
气动马达
步进电动机 其它电动机
• 交流伺服系统分类
正弦波电流驱动的永磁交流伺服系统 同步型交流伺服系统（SM）
矩形波电流驱动的无刷直流伺服系统 异步型交流伺服系统（IM）
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3.3 直流与交流伺服电动机
• 二、交流(AC)伺服电动机及其驱动
• 感应交流伺服电机
• SM交流伺服电机的矢量控制
• 直流电机转矩与电枢电流成正比，转矩的控制容易，动 态性好，而交流电机的电枢电流不容易得到，转矩的动 态控制较困难，进行矢量控制的目的就是模拟直流电机 的转矩控制规律
• 力矩电动机、脉冲（步进）电动机、变频 调速电动机、开关磁阻电动机和各种 AC/DC电动机等。
• 是电气伺服控制系统的动力部件，是将电 能转换为机械能的一种能量转换装置。
• 可在很宽的速度和负载范围内进行连续、 精确的控制。
• 常用的控制用电动机是指能提供正确运动 或较复杂动作的伺服电动机。
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3.2 常用的控制用电动机
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晶体管直流调速驱动（PWM）
桥式整流电路
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晶体管直流调速驱动（PWM）
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3.3 直流与交流伺服电动机
• 直流伺服电机的应用
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3.3 直流与交流伺服电动机
• 二、交流(AC)伺服电动机及其驱动
• 交流伺服驱动系统组成
• 伺服电机 • 伺服驱动器
• 采用电流型脉宽调制（PWM）三相逆变器、电流环为内 环、速度环为外环的多环闭环控制系统
• 伺服电动机控制方式的基本形式
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3.2 常用的控制用电动机
• 伺服电动机的特点及应用实例
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3.2 常用的控制用电动机
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3.2 常用的控制用电动机
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3.2 常用的控制用电动机
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3.2 常用的控制用电动机
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3.3 直流与交流伺服电动机
• 熟悉直流电机的工作原理
电刷
+
U
N I
I
– S
双金属片
形状记忆合金
其它
与材料有关
压电元件
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3.1 种类、特点及基本要求
• 对执行元件的基本要求： 比功率密度： • 惯量小，动力大；
• 体积小，重量轻；
• 便于维修，安装； • 宜于微机控制
(T2 / J) / G
• 新术语：
• 比功率：P/T2/J
• P为功率， 为角加速度， 为角速度
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3.2 常用的控制用电动机
• 晶体管脉宽调速驱动
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晶体管直流调速驱动（PWM）
• 脉冲宽度调制
• Pulse Width Modulation（PWM）
• 晶体管
• 半导体三极管，Transistor
• 晶闸管
• 晶体闸流管，可控硅整流器，“古”称可控硅 ，Thyristor
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晶体管直流调速驱动（PWM）
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晶体管直流调速驱动（PWM）
：i0[iAiBiC]/30
i d ( t ) = 2 3 i A ( t ) c o s ( θ ) + i B ( t ) c o s ( θ - 1 2 0 o ) + i C ( t ) c o s ( θ + 1 2 0 o ) i q ( t ) = 2 3 i A ( t ) s i n ( θ ) + i B ( t ) s i n ( θ - 1 2 0 o ) + i C ( t ) s i n ( θ + 1 2 0 o ) 53
• θ=2πft 为转子d轴 虚部 相对于定子A轴逆时 针转过的角度。
实部
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同步交流伺服电机控制
• 矢量控制
• 定义定子电流的空间矢量为：
• 其物理意义代表合成磁势的大小及方向
i(t)=2 3 iA (t)ej0 0+ iB (t)ej1 2 0 0+ iC (t)ej2 4 0 0 • 将i(t)向d、q轴变换，并引入零轴电流i0，得
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晶体管直流调速驱动（PWM）
1 0
0
1
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晶体管直流调速驱动（PWM）
0 0
0 0
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晶体管直流调速驱动（PWM）
0 1
1 0
40
晶体管直流调速驱动（PWM）
0 0
0 0
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晶体管直流调速驱动（PWM）
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晶体管直流调速驱动（PWM）
整流电路
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晶体管直流调速驱动（PWM）
桥式整流电路