机电一体化第四章PPT

直流伺服控制与驱动
特点： 直流伺服电机具有响应迅速、精度和效率高，高速范围宽、 负载能力大、控制特性优良等优点，缺点是转子上安装了具有机 械运动性质的电刷和换向器，需要定期维修和更换电刷，使用寿 命短、噪声大，电机功率不能太大等。
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构造：
执行元件的控制与驱动
直流伺服控制与驱动
直流电机
定子
空 气 隙
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伺服系统概述
伺服系统的基本要求
❶对系统稳态性能的要求：系统稳态性能指标包括系统静态误差、系统速度 误差、系统加速度误差。 对闭环系统而言，理论上没有静态误差系统，实际由于检测装置分辨率 有限以及干摩擦等影响，都存在静误差。 系统速度误差是指系统处于等速跟踪状态时，系统输出轴与其输入轴作 相等的匀速运动，在同一时刻，输出轴与输入轴之间的转速差。 系统加速度误差是指系统输出轴在一定的速度和加速度范围内跟踪输入 轴运动时，在同一时刻两轴之间最大的加速度差值。
转子
定 子 铁 心
励 机 端 电 电 换 电 转 磁 枢 向 枢 绕 绕 器 铁 组 壳 盖 刷 组 心 轴
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执行元件的控制与驱动
2 直流伺服控制与驱动 定子主磁极和铁心
1) 功能：产生磁场。 2) 按照主磁极励磁方式， 又分为：永磁式和电磁式。 3) 电磁式直流电机：主磁极为 电磁铁形式，用直流电产生 磁场，应用功率大的场合，
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伺服系统概述
伺服系统的基本类型
❶按被控制量的不同可将伺服系统分为： 位置伺服系统（最常见，如数控机床的伺服进给系 统）、速度伺服系统、力伺服系统等。 ❷按所采用的执行元件的不同可分为： 电气伺服系统（采用伺服电机或步进电机作为执行 元件，应用较广泛）、液压伺服系统、气压伺服系统等。 ❸按控制方式不同可将私服系统分为： 开环伺服系统（无检测反馈元件，结构简单，精度 低）、闭环伺服系统（直接对工作台等移动部件进行检 测和反馈，精度高结构复杂、成本高）、半闭环伺服系 统（将大部分机械构件封闭在反馈控制环节之外，性能 介于开环和闭环伺服系统之间）。
c）能最大限度地抑制步进电动机的振荡，工作可靠，抗干扰能力强。 d）成本低，效率高，安装和维护方便。
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执行元件的控制与驱动
步进电机控制与驱动
变频信号源：提供控制脉冲的信号发生器。 功率放大器：提供足够的驱动功率。 脉冲分配器：根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加到放大器上， 并根据指令使电动机正转或反转，实现既定的运行方式。
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执行元件的控制与驱动
步进电机控制与驱动
1）步进电动机驱动电源的基本功能 a）按一定顺序及频率接通和断开步进电机的绕组，使电动机起动、运转和停止。 b）提供足够的功率，实现机电能量转换。 c）提高步进电动机运行的快速性和平稳性。
2）对驱动电源的基本要求 a）电源的相数、通电方式、电压、电流与电动机的基本参数相适应。 b）满足步进电机启动频率和运行频率的要求，并能实现自动频率升降。
③ 应当估算机械负载的负载惯量和系统要求的启动频率。
④ 合理确定脉冲当量和传动链的传动比。
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驱动方法
执行元件的控制与驱动
步进电机控制与驱动
a、单电压功率放大电路
结构简单，R要消耗能量，使放大器功率降低。用于对速度要求不高的 小型步进电动机中。
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执行元件的控制与驱动
直流伺服控制与驱动
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执行元件的控制与驱动
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执行元件的控制与驱动
直流伺服控制与驱动
在该伺服系统中，数控装置的位移指令以指令脉冲数Pv给出， 反馈信号由位置检测器给出反馈脉冲P1，它们分别进入数字控制器 中的加法器和减法器端，经运算输出位置偏差量，该偏差量经位置 控制器，通过D/A转换后，输出作为速度环的速度指令电压信号，从 而控制直流伺服电机的运动。
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执行元件的控制与驱动
步进电机控制与驱动
b、双电压驱动
功耗小，效率高，能增加电机的起动和运行频率，改善矩频特性。
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执行元件的控制与驱动
步进电机控制与驱动
4、步进电机的选型
通常考虑的问题有：步进电机种类、步距角、运行频率、转矩等。 常用的步进电机有：反应式（BC或BF系列）和混合式（BYG系列）两种。 选取原则： ① 应使步距角和机械系统相匹配，得到所需的脉冲当量。 ② 要正确计算机械系统的负载转矩。
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执行元件的控制与驱动
直流伺服控制与驱动
2. 直流伺服电机的控制与驱动 直流伺服电机为直流供电，为调节电机转速和方向，需要对其 直流电压的大小和方向进行控制。目前常用的驱动方式有SCR（晶 闸管直流驱动方式）驱动和PWM驱动。本节介绍目前广泛采用的PWM 驱动方式。 脉宽调制直流调速系统(PWM)： PWM（Pulse-Width Modulation）是脉冲宽度调制的英文缩写， 是利用大功率晶体管的开关作用，将恒定的直流电源电压斩成一定 频率的方波电压，并加在直流电机的电枢上，通过对方波脉冲宽度 的控制，改变电枢平均电压来控制电机的转速。
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执行元件的控制与驱动
直流伺服控制与驱动
4. 直流伺服电机选型 选择伺服电机时，主要应考虑转矩和惯量两个方面。 ❶惯量匹配原则：通常分两种情况。 a. 小惯量直流伺服电机 负载惯量和电机惯量的比值推荐为 [1,3]，特点是转矩/惯量比大，机械时间常数小，加速能力强， 动态特性好，响应快。 b. 大惯量直流伺服电机 负载惯量和电机惯量比值推荐为 [0.25,1]。特点是转矩大、惯量大，能在低速范围内提供额定转 矩，常常不需要传动装置而与滚珠丝杠直接连接，受惯性负载的 影响小。转矩/惯量比值高于普通电机而小于小惯量伺服电机。
❷对伺服系统动态性能的要求：一般用最大超调量，过度过程时间、激荡次 数等特征作为衡量指标。
❸对系统工作环境的要求：如温度、湿度、防潮、防化、防辐射、抗振动等 方面的要求。 ❹对系统制造成本、运行的经济性、标准化程度、能源条件等方面的要求。
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伺服系统概述
伺服系统的设计方法 （1）设计要求分析，系统方案设计 （2）系统性能分析 （3）执行元件及传感器的选择 （4）机械系统设计 （5）控制系统设计 （6）系统性能复查 （7）系统测试实验 （8）系统设计定案
流电机的主要电路部分，也是通过电流和感应电动势，从而实现机、
电能量转换的关键性部件。
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执行元件的控制与驱动
2 直流伺服控制与驱动 电枢绕组和电枢铁心
电机的负载电 流，发电机的电势 和电动机的转矩都
要依靠电枢绕组产
生，是电机的中枢 和枢纽。
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1. 工作原理
执行元件的控制与驱动
直流伺服控制与驱动 当电流通过电刷、换向器流入 处于永磁体磁场中的转子线圈时， 产生的电磁力驱动转子转动。 外加的电源是直流的，但由于 电刷和换向片的作用，在线圈中流 过的电流是交流的，其产生的转矩 的方向却是不变的。 实际上直流电动机转子上的绕 组也不是由一个线圈构成，而是由 多个线圈连接而成，以减少电动机 电磁转矩的波动，绕组形式同发电 机。
第 4 章 伺服系统设计
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伺服系统概述
伺服系统中的执行元件
执行元件的控制与驱动 开环控制的伺服系统设计
闭环控制的伺服系统设计 开环控制伺服系统设计实例
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伺服系统概述
伺服系统基本概念 伺服系统（servo system）也叫随动系统，是 一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得 精确的位置、速度或力输出的自动控制系统。 大多数伺服系统具有检测反馈回路，因而伺服 系统是一种反馈控制系统。伺服系统是根据输入的 指令值与输出的物理量之间的偏差进行动作控制的， 因此伺服系统的工作过程是一个偏差不断产生，又 不断消除的动态过度过程。 许多机电一体化产品（如数控机床，工业机器 人等），需要对输出量进行跟踪控制，因而伺服系 统是机电一体化产品的一个重要组成部分。
中、大型直流电机。
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பைடு நூலகம்
执行元件的控制与驱动
2 直流伺服控制与驱动 电枢绕组和电枢铁心
电枢位于转子上，是电机主磁路的一部分，由电枢铁心和电枢 铁心构成。
电枢铁心：用来嵌放电枢绕组，为了减少电枢旋转时电枢铁心中因
磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗，通常用0.5mm厚的两面涂有绝缘 漆的硅钢片叠压而成。 电枢绕组：电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组成，它是直
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执行元件的控制与驱动
直流伺服控制与驱动
3. 直流伺服系统：
❶速度伺服系统：它有速度控制单元，伺服电机，速度检测装置等 构成，速度控制单元用于控制电机的转速，是速度控制系统的核心。 目前用得最多的是晶闸管直流调速系统和PWM直流脉宽调速系统。 ❷位置伺服系统：应用领域非常广泛，如数控机床、工业机器人、 雷达天线和电子望远镜的瞄准系统等。这里只介绍检测反馈与比较 电路比较简单，应用广泛的数字脉冲控制伺服系统。
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执行元件的控制与驱动
步进电机控制与驱动
步进电动机的转子为多极分 布，定子上嵌有多相星形连接的 控制绕组，由专门电源输入电脉 冲信号，每输入一个脉冲信号， 步进电动机的转子就前进一步。 由于输入的是脉冲信号，输出的 角位移是断续的，所以又称为脉 冲电动机。 右图是反应式步进电动机结 构示意图，它的定子具有均匀分 布的六个磁极，磁极上绕有绕组。
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伺服系统中的执行元件
执行元件的种类及特点 （1）电气执行元件：包括控制用电机、 静电电动机、磁致伸缩器件、压电元件、 超声波电动机以及电磁铁等 （2）液压执行元件：重量轻、惯量小、 快速性好等优点。主要有高压油泵、伺 服阀、液压马达和其他辅助元件组成。 （3）气压执行元件：除了用压缩空气 作工作介质外，与液压执行元件无什么 区别。有气缸、气压马达等，具有结构 简单、可靠性高、价格低等优点、