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1、第三节 闭环伺服系统,一、概述,1位置检测单元将检测元件检测到的位置信号进行处理，以形成位置反馈信号。2比较环节完成指令信号与反馈信号的比较等。3伺服驱动功率放大，以驱动伺服元件。4伺服电机将电信号转换成机械运动。,(一)系统组成,(二)闭环伺服系统分类,定位与控制精度高，速度快，稳定性好，有故障自诊断和报警功能,(一)对驱动元件的要求,1转动惯量小以提高系统的快速响应,二、驱动元件,3低速运行的稳定性、均匀性好以保证低速时的精度,2过载能力强以适应经常出现的过冲现象,1小惯量直流伺服电动机,(二)直流伺服电动机,转子细而长大大减小了电动机的转动惯量,快速响应性能好。,2)气隙较大换向性好，时
2、间常数5-10ms。,3)转子上无槽电感小，时间常数小，动态特性 好，响应快，低速运转稳定而均匀。,4)气隙磁密度大过载能力强。输出功率几+瓦+千瓦，转速1-3000r/min 最大转矩约20N.m,但输出需加齿轮减速,工作原理,1)转矩大,2)调速范围宽 10001500r/min,3)转动惯量小 设计时可忽略其它传动件的转动惯量,4)动态响应好,最大峰值转矩可达额定转矩的10倍，可在3倍额定转矩的过载条件下工作30min，但快速响应性能不如小惯量电机。,5)过载能力强,特点：,2大惯量直流伺服电动机,返回,下一页,上一页,表1 日本富士通公司直流伺服电动机系列几种规格的主要技术参数,1笼型
3、异步型伺服电动机,定子 对称三相绕组产生旋转磁场,转子 转子绕组（导体）切割磁通产生感应电势 感应电流 电磁转矩 转子转动,转子转动方向与旋转磁场方向不同异步,转子转动速度小于旋转磁场速度n0 转差率,(三)交流伺服电动机,2永磁同步型伺服电动机,定子 三相电枢绕组产生旋转磁场,转子 永磁体 产生恒定励磁磁场,通电的电枢绕组及载流导体切割磁力线产生电磁力 以反作用力方式驱动转子永磁体转动,转子转动的方向与旋转磁场方向相同同步,(三)交流伺服电动机,工作原理,返回,下一页,上一页,表2 DC伺服电动机与AC伺服电动机的比较,1DC电动机转速公式,三、速度调节,(一)直流伺服电动机的调速,n=UD
4、/Ce-RI/Ce,UD 电枢电压 Ce与电机结构有关的常数 励磁磁通 I 励磁电流 R电枢回路电阻,改变 UD 调速的方法,1)可控硅电力半导体器件，是弱电控制到强电输出的桥梁作用。包括：阳极（A）、阴极（K）、控制级（G）导通条件：）阳极A：阴极K：）控制级G 加正向电压。,2可控硅调速（SCR-M）,三、速度调节,(一)直流伺服电动机的调速,三、速度调节,(一)直流伺服电动机的调速,2)SCR-M调速系统,特点：工作频率低，输出电压波形差，电流脉动分量大，这不但使电机发热，工作条件恶化，也影响电网电压 波动。,M,1)脉宽调速原理,3.脉宽调制(PWM)原理与系统,PWM Pulse W
5、idth Modulation,直流电源电压U经开关S转换为一定频率的方波电压加到直流电机电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制，就可改变电枢的平均电压，从而调节电机转速。,设开关S开闭周期为T，每次闭合时间为则电枢两端平均电压Ud为：,Ud=U/T=rU r:导通率(脉宽系数),T一定 Ud=0 Ud=0 电机停止=T Ud=U 最高转速,3.脉宽调制(PWM)原理与系统,PWM Pulse Width Modulation,1)脉宽调速原理,T：500 2500Hz，大大小于电动机的时间常数，故无转速脉动。,2)脉宽调制器 PWM,输入：电流调节器输出的直流电压Uc输出：幅值恒定，宽度可变的矩形
6、脉冲电压方法：高频载波法、数字脉宽调制、高频极限环法等,调制信号发生器 产生频率、幅值都固定的高频载波信号D（t）,D(t)可以是三角波、锯齿波、正弦波,高频载波法的原理直流输入信号Uc 叠加在载波信号D(t)上，再进入比较器。比较器是一个具有继电器特性的电子元件，其输出信号是一个与D(t)同频率的矩形脉冲，脉冲占空比取决于Uc的大小。,2)脉宽调制器 PWM,脉宽调速器,2)脉宽调制器 PWM,3)功率放大器,3)功率放大器,4)PWM-M系统组成及工作原理,PWM-M 特点：开关频率高，仅靠电枢的电感作用，即可获得满意的滤波作用，近似直流。无论高速或低速电机转速和扭矩平滑均匀，调速比可以做
7、得很大，且发热小，寿命长。,1.交流调速方法,交流电动机调速公式：n=60 f1(1-S)/Pf1:定子电源频率 变频调速 高效率、宽范围、高精度P:磁极对数 变 P调速S:转差率 变 S调速,(二)交流伺服电动机的调速,(二)交流伺服电动机的调速,2.PWM型变频器,构成,二极管整流器：交直变换，经电容器滤波平滑，产生恒定的直流电压，输出给逆变器。,PWM逆变器：直交变换、调频、调压，产生电压、频率可调交流电压,输出给伺服电动机的电枢绕组。,下一页,上一页,(二)交流伺服电动机的调速,2.SPWM型变频器,返回,PWM 逆变器原理,(二)交流伺服电动机的调速,2.PWM型变频器,PWM 逆变
8、器原理,ED：二极管整流器输出的直流电压 VT1-VT4：大功率晶体管，工作于开关壮态,控制信号：加在VT1-VT4基极上的一组等副、不等宽的矩形脉冲(调制信号)，由控制电路产生。输出信号：逆变器输出端Uab一组与控制信号频率相同、但幅值放大的矩行脉冲。,改变VT1、VY4和VT2、VT3交替导通的时间改变输出波形的频率；,(二)交流伺服电动机的调速,2.PWM型变频器,PWM 逆变器原理,改变半周期内VT1、VY4（或VT2、VT3）的通断比改变脉冲宽度改变输出电压幅值。,下一页,上一页,返回,六只大功率晶体管组成全桥式电路，电动机定子采用“Y”连接。,(二)交流伺服电动机的调速,2.PWM
9、型变频器,PWM 逆变器原理,逆变器与电动机定子三相绕组的连接如图所示,方波 三角波调制：输出波形的平均值按方波形式变化 三角波 载波信号，决定逆变器的开关频率。,3.PWM 控制信号形成,*正弦波三角波调制：输出波形的平均值按正弦波形式变化*方波、正弦波 控制信号，频率、幅值均可调，决定逆变器的输出频率和幅值，可以由矢量变换控制获得。*两信号交叉点调制信号，即逆变器功率晶体管基极的控制信号,3.PWM 控制信号形成,4.正弦脉宽调制器,SPWM原理,5.失量变换控制原理,失量控制由德国学者于1972年提出,首先应用于感应(IM)电动机中,目前也应用于永磁电动机(PM)中,且更易实现,在高性能
10、伺服驱动系统中得以广泛应用。,失量控制是模仿直流电动机的控制得出的。,直流伺服电动机 定子绕组通以电流If产生励磁磁通 电枢绕组通以电流Ia产生电磁转矩 If,Ia彼此独立，分别调节可以控制、T,此外，励磁磁场和电枢电流空间角度是由电刷和机械换向所固定，且是正交的，从而使电枢电流产生的电磁转矩最大。,5.失量变换控制原理,同步：两磁场相互作用，转子产生转动，转速与旋转磁常相同,永磁同步交流伺服电动,转子永磁体产生恒定的励磁磁场定子三相电枢绕组电枢电流产生旋转磁场,励磁磁场与电枢电流的空间角度不是固定的，随负载而变化，故不能简单地通过调节电枢电流来直接控制电磁转矩。,5.失量变换控制原理,设计一
11、控制系统，对电枢电流相对励磁磁场进行空间定向控制角度控制；同时也控制电枢电流幅值幅值控制，统称失量控制。,在角度控制中，选择使电枢磁场与励磁磁场空间角度正交磁场定向，使电枢电流产生的电磁转矩最大，以实现直流伺服电动机的严格模拟。,永磁同步交流伺服电动,交流调速系统控制回路的结构与原理如下图：,返回,下一页,上一页,交流调速系统控制回路的结构与原理图说明,1)转子磁极位置检测电路为了使电流与永磁体磁通在空间角度正交,必须正确检测出磁极位置.检测位置:旋转变压器,2)正弦波产生电路 产生以转子位置为相位的正弦波,3)DC-SIN(直流正弦)变换回路由于在交流伺服电动机中需向电绕组通以三相交流正弦电
12、压,故需将速度调节器输出的直流电流参考信号转化为交流正弦信号,交流调速系统控制回路的结构与原理图说明,DC-SIN变换回路原理:正弦波发生电路输出的数字化正弦波信号与速度调节器输出的直流信号在乘法器中相乘,其输出信号作为交流正弦电流指令.,交流调速系统控制回路的结构与原理图说明,交流调速系统控制回路的结构与原理图说明,4)正弦波PWM电路 以一定频率和一定振幅的三角波与电流调节器输出的正弦波在比较器中进行比较，若只取出正弦波超出三角波的部分，即可输出不等宽的脉冲列。当脉冲的占空比为50%时,逆变器的输出电压为零。由于正弦波以50%占空比为中心而向两边增减，平均看来就得到了正弦调制。,交流调速系
13、统控制回路的结构与原理图说明,交流调速系统控制回路的结构与原理图说明,5)速度检测回路,检测装置:旋转变压器、光电编码器 可同时完成磁极位置的检测。,6)速度调节器ASR,ASR输入信号：速度指令与速度反馈信号 输出信号：电流指令信号（直流量）控制规律：比例积分(PL)作用：进行稳定的速度控制要求：能快速响应速度指令；,交流调速系统控制回路的结构与原理图说明,7)电流调节器ACR,ACR输入信号：电流指令与电流反馈信号输出信号：电流控制信号 控制规律：比例积分(PL)作用：完成与磁通矢良正交的高速控制，使电枢绕组中的电流在幅值和相位上都得到有效控制要求：具有更高的快速性，以适应对电流瞬时值跟踪控制.,第五节 直线电机,直线电机工作原理,直线电机特点,速度高 60-200m/min惯性小 加速性能好1-28g减少了机械传动系统，没有机械滞后和齿节误差平稳精度高没有中间传动系统，没有摩擦没有磨损,
