伺服电机与伺服控制系统原理
7.3 直流伺服电机及其速度控制 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
USr –速度指令转化过
T2
T0
如果电动机以恒 角速度转动,则 :
d J 0 dt
实例:直流伺服系统
Ra
La
0 (t )
ei (t )
J
eb
TM
TN
ia
B
if
常数
实例:直流伺服系统
伺服电机在磁化曲线的线性范围内使用, 因而气隙磁通 正比于励磁电流,即:
K f if
K 式中: f
——常数
i f 为磁场励磁电流
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 主要内容 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。
U
脉宽 脉宽
脉宽 脉宽
平均直流电压
周期不变 周期不变
如果Δ n值较大,不可能 n 实现宽范围的调速。永磁 式直流伺服电机的Δ n值 n 较小,因此,进给系统常 n 采用永磁式直流电机。
Δn n n n
N 0N
01
N
U aN U a1 U a2 U aN>U a1 > U a2
02
1
2
O
T
N
T
7.3 直流伺服电机及其速度控制
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
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
120º,触发脉冲的顺序:1-2-3-4-5-6,相邻
之间相位差60º。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。即每个触发脉冲在导通60º后,
再补发一个辅助脉冲;也可以采用宽脉冲控制,
7.3 直流伺服电机及其速度控制
直流伺服电机的调速原理与方法
If If Ia Ia
主要内容
a Ra RLa La
原 理 Uf Uf 图
M M
Ua Ua
Ua Ua
Ea Ea
等 效 图
电磁转矩 感应电势与转速关系
Tm KT I a
Ea KE n ( 一定) 电枢回路电压平衡方程式 U a Ea I a Ra
系统因果方程拉氏变换为
( La s Ra ) I a ( s ) Ei ( s ) Eb ( s ) TM ( s ) KT I a ( s ) ( Js Bs ) 0 ( s ) TN ( s )
2
Eb ( s ) K b s 0 ( s )
当负载转矩 TN (s) 0 其传递函数是:
伺服系统是指实现输出变量精确 地跟随或复现输入变量的控制系统。
伺服电机
伺服电机(servo motor ) 伺服电动机又称执行电动机,在自动控 制系统中,它的转矩和转速受信号电压控 制。当信号电压的大小和相位发生变化时, 电动机的转速和转动方向将非常灵敏和准 确地跟着变化。当信号消失时,转子能及 时地停转。
7.3 直流伺服电机及其速度控制
全数字式PWM
直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式
需对直流电压的大小和方向进行控制 主要内容
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。
7.3 直流伺服电机及其速度控制
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。
主要内容
I*n 主要内容 速度 调节器 + In 电流反馈 速度反馈 电流检测 编码器
电机
U*n
+
US -
电流 调节器
触发脉冲 发生器
可控硅
Un
速度环:速度调节,作用:好的静态、动态特性。
控制 回路 电流环:电流调节,作用:系统快速性、稳定性改善。 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。 主回路:可控硅整流放大器:整流、放大、驱动,使电机转动。
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( Ⅰ和 Ⅱ ),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。
Ⅰ
1 3 5 8
Ⅱ
12 10
KM
UD
A B
-
UM KM
M
+
C
4
6
2
7
9
11
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
直流电机的基本调速方式有三种: 调节电阻Ra、调节电枢电压Ua和调 节磁通Φ 的值。
他励式直流伺服电机的转速公式
主要内容
Ua Ra n Tm 2 K E K E KT Ra n0 Tm 2 K E KT
7.3 直流伺服电机及其速度控制
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;
伺服电机的分类
鼠笼转子 交流伺服电机 杯形转子 直流伺服电机
伺服电机
一、直流电动机工作原理
安培定律 F Bil
B
——磁场的磁感应强度 (Wb / m ——导体中的电流 ( A)
2
)
i
l ——导体的有效长度 (m)
直流电机原理
N
a
F
x
F'
x
S
载流线圈在磁场中产生转矩
如图所示: N和S是一对固定的磁 极(一般是电磁铁,也 可为永久磁铁),两级 之间装着一个可以转动 的铁质圆柱体,圆柱体 表面上固定这一个线圈, 上边为a,下圈为x,通 入如图所示的电流根据 左手定则便可得出电磁 转矩。
宽度大于60º,小于120º。
7.3 直流伺服电机及其速度控制
u 只要改变可控 c a) 硅触发角(即改变 导通角),就能改 变可控硅的整流输 u 出电压,从而改变 b) 直流伺服电机的转 速。 c) 触发脉冲提前, 增大整流输出电压; d) 5 触发脉冲延后,减 小整流输出电压。 6 α
1 a 3 b 5 c a b
由电动机产生的转矩 TM 正比于电枢电流 和气隙磁通的乘积,即
TM K1K f i f ia
式中: 1 ——常数 K
ia 是电枢电流
实例:直流伺服系统
在电枢控制的直流电动机中,励磁电流为常数, 故上式可写成:
TM KT ia
式中: T ——电动机的转矩常数 K
由控制输入电压 ei (t ) 开始,系统的因果方程为
主要内容
n Δn
N
Hale Waihona Puke n n n02Φ2 Φ1 ΦN n n n
2 1
01
N
U aN U a1 U a2 U aN>U a1 > U a2
0N
1
2
N
ΦN>Φ1>Φ2 O TN T
T
N
T
7.3 直流伺服电机及其速度控制
直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式
主要内容
调速的概念有两个方面的含义:
1)改变电机转速:当给定速度变化时,电机的速度 随之变化,并希望以最快的加减速达到新的给定速 度值; 2)当给定速度不变化时,电机的速度保持稳定不变。
整流
速 度 指 令
U△
速度 调节器
电流 调节器
Usr
脉宽 调制
USC
基极 驱动
Ub
M 功 放
电流反馈 速度反馈
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。
ωt
b ① 1 120° 2 60° 120° 180° 1 60° 6 2 2 4 4 6 6 2 2 4 1 3 3 5 5 1 1 3 3 4 6 2 4 2 ② c ③ 3 4 ④ 5 a ⑤
6
⑥
b
1
3
ωt
ωt
ωt
ωt
60°
晶闸管调节电路
7.3 直流伺服电机及其速度控制 2.PWM调速控制系统
Ra
——电枢电路的电阻 ——励磁回路的电阻
Rf
La
Lf
——励磁绕组上的端电压 ——电枢电流
——电枢回路的自感系数
ia
——励磁回路的自感系数
——电动机的机械角速度
if
——励磁电流
2. 机械系统的转矩平衡方程
d Te T2 T0 J dt
Te
——电磁转矩 ——负载转矩 ——空载损耗转矩
机械手手臂伸缩运动的电液伺服系统原理图。
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
伺服系统应用举例(1)
1.2.3.4——节流口 5——工件 6——刀具 7——样件 8——触销 9——油缸
10——油泵
图1.7 液压仿形车床工作原理图
二. 伺服系统的定义: (servomechanism) (servo-system)