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3伺服驱动与控制—伺服驱动

第三章
主要内容
一、概述
伺服系统执行元件
二、直流伺服电机与驱动控制
三、交流伺服电机与驱动控制
四、步进电机与驱动控制
五、新型驱动机构
六、本章实验
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一、概述
1. 定义:能够将非机械能转换为机械能动力元件。 2. 分类:

电磁执行元件、液压执行元件、气动执行元件三大类。
(1)电磁执行元件:通过电磁转换将电能转换成机械能的动力元件, 应用最广泛,包括按照输出形式分为旋转电机、直线电机;按照电机类 型包括交流电机、直流电机和步进电机。 (2) 液压执行元件:将液压能转换为机械能的动力元件,包括:液压 马达(旋转运动)、液压缸(直线运动)。 (3)气动执行元件:将气压能转换为机械能的动力元件,包括:气马 达(旋转运动)、气缸(直线运动)。
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一、概述
4. 电机的选型与计算原则
(1)确定电机的种类 交流伺服电机适用于具有较高控制精度要求的场合; 直流电机适用于低速大扭矩而控制精度相对较高的控制场合; 步进电机适用于控制精度较低的开环控制场合。 (2)确定电机的最高转速与转矩 根据负载要求,确定电机的最高转速,如果需要减速器,还应该减 速机的减速比; 综合考虑各种负载形式(惯性负载、摩擦负载、弹性负载、阻尼负 载和不平衡负载等),将其折合到电机轴上,从而确定电机的转矩。 (3)其它因素 确定电机的反馈形式(全闭环、半闭环、开环;电流环、速度环、 位臵环); 确定电机的驱动电压。
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Pe
二、直流伺服电机与驱动控制
7.2 H型桥控制方式
H桥式电机驱动电路包括4个三极 管和一个电机。要使电机运转,必须 导通对角线上的一对三极管。根据不 同三极管对的导通情况,电流可能会 从左至右或从右至左流过电机,从而 控制电机的转向。 如图所示,当Q1管和Q4管导通时, 电机顺时针方向旋转;当Q2管和Q3管 导通时,电机逆时针方向旋转。
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二、直流伺服电机与驱动控制
直流电机分为两部分:定子与转子。定子包括:主磁极,机座,换向极, 电刷装臵等。转子包括:电枢铁芯,电枢绕组,换向器,轴和风扇等。
1. 直流电机的特点 优点: 直流电机具有转矩大,低速性能好; 在重负载条件下,实现均匀、平滑的无级调速; 调速范围宽,起动力矩大; 成本较低。 缺点: 直流电机的最大缺点就是有电流的换向问题。 2. 应用场合 各种机器人控制;火炮高低、方位随动系统。
T1
T
Id
Iq
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Pe
二、直流伺服电机与驱动控制
现以IRF640场效应管的特性为例:


最大工作电流18A,峰值电流72A
最高耐压200V 导通电阻RDS=0.180Ω 高阻输入 纳秒级开关速度。
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360 KmZ
三、步进电机与驱动控制
1. 概述
定义:步进电机(又称脉冲马达)是将脉冲信号转化为角位移的电磁机 械。其转子的转角与输入的脉冲数成正比,其速度与单位时间内输入的 脉冲数成正比,电机运动的方向则取决于脉冲的顺序。 步距角: 特点:
不需要反馈就能对位置或速度进行控制; 角位移量与输入脉冲数严格成正比,不会引起误差积累; 具有自锁能力,定位精度较高; 与数字设备兼容。
(相邻两次通电相数相同K=1;相邻两次通电相数不同,K=2)。
360 KmZ
式中,m为电机相数,Z为转子齿数,K为系数
应用:步进电机应用比较广泛,主要用在定位控制系统、数控机床等 领。
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三、步进电机与驱动控制
2. 原理与分类
根据工作原理不同,步进电机可分为三种: (1) 反应式(又称为磁阻式步进电机):结构简 单,工作可靠,运行频率高,步距角小(0.09-9度), 价格便宜,易于操作。 (2) 永磁式:控制功率小、效率高、造价低,步 距角较大(7.5-18度)。由于价格更便宜,被广泛用于 打印机、复印机、传真机以及空调器等各个领域中。 (3) 混合式:既有反应式步进电机步距角小、工 作频率高的特点,又有永磁式步进电机控制功率小、 无励磁时具有转矩定位的优点,但价格较高。
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一、概述
3. 执行元件的特性 主要从以下几个方面来衡量执行机构的特性: (1)负载能力:执行机构所能承受的负荷或所能产生的驱动
能力,如电机最大输出扭矩,液压缸最大输出力;
(2)运动速度:指正常工作时,执行机构最小或最大稳定速 度。如电机的转速、液压马达的转速;
(3)功率密度:执行机构所产生的最大功率与其自身质量或 体积的比值。一般液压执行机构的功率密度要比电动和气动 执行机构的功率密度大。
n Ud R Te Ce CeCm
R / CeCm 为斜率,
值大表示电磁转矩的变化引起电机转速的变化大,这种 情况称直流电机的机械特性软;反之,斜率值小,电机 的机械特性硬。
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Ce 为与电动机结构有关的电势常数。
Pe
二、直流伺服电机与驱动控制
6.2 调节特性 直流电机在一定的电磁转矩下电机的稳态转速随电 枢的控制电压变化而变化的规律,被称为调节特性。
脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM)是利用微处理器的数字输出
来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术,应用非常广泛。 定义:(T1/T) ×100%
当控制信号为低时光耦导通,三极管Q1导通,流过 电机的电流为Iq;当控制信号为高或悬空时光耦截止, 三极管Q1截止,由于电机是感性负载,电流不能突变, 此时,电机通过续流二极管D1形成电流回路放电。 当三极管Q1导通时,电源电流流过电机;当三极管 Q1截止时,电机中线圈电流通过续流二极管放电。由于 电机线圈为电感,因此对电流有滤波作用,当开关频率 合适,则可认为电流基本没有变化。因此,当控制信号 频率不变时,调节占空比,即可调节流过电机电流的大 小,从而控制电机的转速。
变有显著的变化。 直流复励电机: 电动机的磁通由两个绕组内的励磁电流产生。
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Pe
二、直流伺服电机与驱动控制
4. 直流电机主要技术参数
直流电机的输出电磁转矩表达式为:
式中:
p
pN Te Cm I a Ia 2 a
--- 电动机的极对数。 --- 电枢绕组并联支路数; --- 电动机的每极磁通;
电机扩大机控制方式 H型桥式控制方式
PWM脉宽调制控制方式
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Pe
二、直流伺服电机与驱动控制
7.1 电机扩大机控制方式
电机扩大机的换向器上臵有 互成 90°电角度的直轴和交轴 两组电刷(顺着控制绕组轴线 的是直轴,与其成90°电角度 的轴线是交轴),利用其交轴 的电枢反应磁场,实现两级放 大,其作用原理如图所示。
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Pe
二、直流伺服电机与驱动控制
若交磁扩大机在电动机拖动下恒速旋转,则当控制绕组通有 控制电流Ik时,交轴电刷q-q间就产生电动势Eq。由于q-q电刷短
路,或者经串接交轴助磁绕组后短路,其电阻较小,所以交轴电
流Iq较大。由Iq建立的磁通Φq比控制磁通Φk大得多。因此,旋转 的转子切割Φq产生的并由直轴电刷引出的电动势Ed远比Eq大。 在接有负载的直轴回路内,就有很大的负载电流Id,也就是负载 可获得很大的功率输出。较小控制绕组电流Ik的较小变化,可获 得很大的Id变化,实现功率放大。 优点:二级发电原理,功率放大倍数大,带负载能力强,控制功 率只需几毫瓦,放大倍数可达几千倍,动态响应快,加速减速性 能好,静差小,调速范围大。 缺点:补偿复杂、换向困难,存在滞环,易造成工作点不稳定, 导致整个系统不稳定;需要原电机带动,结构负载,成本高。
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三、步进电机与驱动控制
3 步进电机静态特性 步进电动机的静态特性是指它在稳定状态时的特性,包括静转矩、 矩-角特性及静态稳定区。 (1)矩-角特性:在空载状态下,给步进电机某相通以直流电流时,转 子齿的中心线与定子齿的中心线相重合,转子上没有转矩输出,此时的位 臵为转子初始稳定平衡位臵。 (2)静态转矩:在电机转子轴上加一负载转矩,则转子齿的中心线与定 子齿的中心线将错过一个电角度才能重新稳定下来。此时转子上的电磁转 矩与负载转矩相等,该转矩为静态转矩,转过的角度为失调角。 (3)静态稳定区:当失调角在-π到π的范围内,若去掉负载转矩,转子 仍能回到初始稳定平衡位臵。因此,把-π 到π 的区域称为步进电动机静 态稳定区。
N --- 电枢绕组的有效导体数;
a

Cma
pN --- 与电机结构有关的转矩常数。 2 a
5. 直流电机主要技术参数
额定功率、额定电压、额定电流、额定转速、额定转矩、调速比
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Pe
二、直流伺服电机与驱动控制
6. 直流伺服电机的基本特性 6.1 机械特性 输入电枢电压保持不变时,电机的转速随电磁转矩 变化而变化的规律,称直流电机的机械特性。
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二、直流伺服电机与驱动控制
3. 直流电机的分类

永磁式直流电机 电磁式直流电机
直流它励电机:励磁绕组与电枢没有联系,由另外直流电源供给。
因此励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响。
直流并励电机: 励磁绕组两端电压就是电枢两端电压,励磁绕组具 有较大的电阻,使得通过他的励磁电流较小。
直流串励电机: 励磁绕组和电枢串联,励磁磁场随着电枢电流的改
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三、步进电机与驱动控制
4 步进电机动态特性
步进电机动态特性主要包括:起动转矩、矩-频特性和惯-频特性。
(1)起动转矩:步进电动机单相励磁时所能带动的极限负载转矩。 (2)启动频率:空载时步进电机由静止状态突然起动,并进入不失步的正 常运行的最高频率,称为启动频率或突跳频率,加给步进电机的指令脉冲频 率如大于启动频率,就不能正常工作。 (3)最高连续运行频率:步进电动机在连续运行时所能接受的最高控制频 率被称为最高运行频率,以表示。电机在连续运行状态下,其电磁转矩随控 制频率的升高而逐步下降。 (4)矩频特性与动态转矩 矩频特性:是描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之 间的关系。
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