交流伺服电机及其控制第5章
伺服电机及其控制原理PPT课件
9
执行环节
执行环节的作用是按控制信号的要求， 将输入的各种形式的能量转换成机械能， 驱动被控对象工作。
2019/10/26
10
CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION
10
被控对象
被控对象是指被控制的机构或装置，是 直接完成系统目的的主体。被控对象一 般包括传动系统、执行装置和负载。
2019/10/26
4
CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION
4
输入量
控制操作
输出量
2019/10/26
CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION
输入量
反馈环
控制操作
测量
5
输出量
5
1.2 伺服系统组成
从自动控制理论的角度来分析，伺服控 制系统一般包括控制器、被控对象、执行 环节、检测环节、比较环节等五部分。
在实际的伺服控制系统中，上述每个环 节在硬件特征上并不成立，可能几个环 节在一个硬件中，如测速直流电机既是 执行元件又是检测元件。
2019/10/26
13
CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION
13
1.3 伺服系统分类
伺服系统可分为三类
开环伺服控制系统 半闭环伺服控制系统 闭环伺服控制系统
§3 伺服控制器 3.1 伺服控制器概述 3.2 伺服控制器原理 3.3 松下伺服控制器介绍 3.4 松下伺服控制器常用设置应用 3.5 松下伺服控制器故障分析和处理
2019/10/26
2
CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION
2
1.1 伺服概述
第5章 高速加工机床
说明：（1）棕色为参考内容；（2）绿色为新加的内容，尚未仔细阅读决定是否加入课件PPT第4章高速加工机床目录(根据张伯霖书整理，与正文略有不同)4.1高速加工机床概述4.1.1高速机床的发展现状4.1.2高速机床应满足的要求4.2高速机床主轴单元4.2.1高速主轴单元的特点及关键技术4.2.2电主轴的结构4.2.3电主轴的参数及选用4.2.4高速主轴轴承及其润滑4.2.5电主轴的电动机及驱动模块764.2.6电主轴的支持技术及装置834.3高速机床进给系统4.3.1高速机床进给系统概述94-954.3.2高速滚珠丝杠副传动系统（96-98）4.3.3直线电动机进给驱动系统984.3.3.1直线电动机及其在高速机床上的应用（98）4.3.3.2直线电动机与高速滚珠丝杠的性能对比及应用场合4.3.3.3直流直线电动机进给驱动系统（100）4.3.3.4交流永磁（同步）直线电动机进给驱动系统（101）4.3.3.5交流异步直线电动机进给驱动系统（102）4.4 高速机床总体设计的有关问题4.4.1高速加工机床结构件的设计原则4.4.2高速电主轴单元4.4.3高速进给系统4.4.4各轴进给运动的相互结构联系4.4.5数控、伺服控制系统××××××××××××××××××××正文×××××××××××××××××××4.1 高速加工机床概述4.1.1 高速机床的发展现状随着大功率高速主轴单元、高加减速直线进给电机、磁悬浮以及动静压高速主轴轴承、高性能的控制系统等一系列关键技术的解决，已使得高速、超高速加工机床有了很大的发展。
交流伺服控制电机伺服电机控制原理
交流伺服控制机电伺服机电控制原理之迟辟智美创作“伺服”一词源于希腊语“奴隶”的意思.“伺服机电”可以理解为绝对服从控制信号指挥的机电：在控制信号发出之前，转子静止不动；当控制信号发出时，转子立即转动；当控制信号消失时，转子能即时停转.伺服机电是自动控制装置中被用作执行元件的微特机电，其功能是将电信号转换成转轴的角位移或角速度.伺服机电分为交流伺服和直流伺服两年夜类交流伺服机电的基本构造与交流感应电念头（异步机电）相似.在定子上有两个相空间位移90°电角度的励磁绕组Wf和控制绕组WcoWf，接恒定交流电压，利用施加到Wc 上的交流电压或相位的变动，到达控制机电运行的目的.交流伺服机电具有运行稳定、可控性好、响应快速、灵敏度高以及机械特性和调节特性的非线性度指标严格（要求分别小于10％～15％和小于15％～25％）等特点.直流伺服机电基本构造与一般直流电念头相似.机电转速n ＝E／K1j＝（Ua－IaRa）／K1j，式中E为电枢反电动势，K为常数，j为每极磁通，Ua、Ia为电枢电压和电枢电流，Ra为电枢电阻，改变Ua或改变φ，均可控制直流伺服电念头的转速，但一般采纳控制电枢电压的方法，在永磁式直流伺服电念头中，励磁绕组被永久磁铁所取代，磁通φ恒定.直流伺服电念头具有良好的线性调节特性及快速的时间响应.直流伺服机电的优点和缺点优点：速度控制精确，转矩速度特性很硬，控制原理简单，使用方便，价格廉价.缺点：电刷换向，速度限制，附加阻力，发生磨损微粒(无尘易爆环境不宜)交流伺服机电的优点和缺点优点：速度控制特性良好，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡，90%以上的高效率，发热少，高速控制，高精确度位置控制（取决于编码器精度），额定运行区域内，可实现恒力矩，惯量低，低噪音，无电刷磨损，免维护（适用于无尘、易爆环境）缺点：控制较复杂，驱动器参数需要现场调整PID参数确定，需要更多的连线.直流伺服机电分为有刷和无刷机电.有刷机电本钱低，结构简单，启动转矩年夜，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），发生电磁干扰，对使用环境有要求，通经常使用于对本钱敏感的普通工业和民用场所.无刷机电体积小重量轻，出力年夜响应快，速度高惯量小，力矩稳定转动平滑，控制复杂，智能化，电子换相方式灵活，可以方波或正弦波换相，机电免维护，高效节能，电磁辐射小，温升低寿命长，适用于各种环境.交流伺服机电也是无刷机电，分为同步和异步机电，目前运动控制中一般都用同步机电，其功率范围年夜，功率可以做到很年夜，年夜惯量，最高转速低，转速随功率增年夜而匀速下降，适用于低速平稳运行场所.伺服机电内部的转子是永磁铁，驱动器控制U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时机电自带的编码器将反馈信号传给驱动器，对反馈值与目标值进行比力，从而调整转子转动的角度，伺服机电的精度决定于编码器的精度（线数）.什么是伺服机电？有几种类型？工作特点是什么？答：伺服电念头又称执行电念头，在自动控制系统中用作执行元件，把所收到的电信号转换成电念头轴上的角位移或角速度输出.伺服机电分为直流和交流伺服电念头两年夜类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降.交流伺服机电和无刷直流伺服机电在性能上有什么区别？答：交流伺服机电的性能要好一些，因为交流伺服是正弦波控制，转矩脉动小；而无刷直流伺服是梯形波控制.但无刷直流伺服实现控制比力简单，廉价.永磁交流伺服驱动技术的迅猛发展使直流伺服系统面临被淘汰的危机20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继不竭推出新的交流伺服机电和伺服驱动器系列产物.交流伺服系统已成为今世高性能伺服系统的主要发展方向，使直流伺服系统面临被淘汰的危机.永磁交流伺服电念头同直流伺服电念头比力，主要优点有：⑴无电刷和换向器，运行更可靠，免维护调养.⑵定子绕组发热年夜年夜减少.⑶惯量小，系统快速响应性好.⑷高速年夜力矩工作状态好.⑸相同功率下体积小重量轻.永磁交流伺服系统的兴起和现状自从德国MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年汉诺威贸易展览会上正式推出MAC永磁交流伺服机电驱动系统开始，标识表记标帜着新一代交流伺服技术已经成熟.到1980年代中后期，各年夜公司都已有了完整的系列产物，整个伺服装置市场都转向了交流系统.早期的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在缺乏，尚不能完全满足运动控制的要求，近年来随着微处置器、新型数字信号处置器（DSP）的应用，呈现了数字控制系统，控制部份可由软件完成.到20世纪90年代以后，全数字正弦波控制的永磁交流伺服机电驱动系统在传动领域中的位置进一步上升.目前高性能的电伺服系统年夜多采纳永磁同步型交流伺服电念头，控制驱动器多采纳快速、准确定位的全数字位置伺服系统.典范生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司.永磁交流伺服系统各主要生产商概况日本安川机电制作所推出的小型交流伺服电念头和驱动器，其中D系列适用于数控机床（最高转速为1000r/min，力矩为0.25～2.8N.m），R系列适用于机器人（最高转速为3000r/min，力矩为0.016～0.16N.m）.之后又推出M、F、S、H、C、G 六个系列.20世纪90年代先后推出了新的D系列和R系列.由旧系列矩形波驱动的8051单片机控制，改为正弦波驱动的80C、154CPU和门阵列芯片控制，力矩摆荡由24％降低到7％，并提高了可靠性.这样，只用了几年时间形成了八个系列（功率范围为0.05～6kW）较完整的体系，满足了工作机械、搬运机构、焊接机械人、装配机器人、电子部件、加工机械、印刷机、高速卷绕机、绕线机等方面的分歧需求.以生产机床数控装置而著名的日本法那克（Fanuc）公司，在20世纪80年代中期也推出了S系列（13个规格）和L 系列（5个规格）的永磁交流伺服电念头.其中L系列有较小的转动惯量和机械时间常数，适用于要求特别快速响应的位置伺服系统.日本其他厂商，例如三菱电念头（HC-KFS、HC-MFS、HC-SFS、HC-RFS和HC-UFS系列）、东芝精机（SM系列）、年夜隈铁工所(BL系列）、三洋电气（BL系列）、立石机电（S系列）等众多厂商也进入了永磁交流伺服系统的竞争行列.德国力士乐公司（Rexroth）的Indramat分部的MAC 系列交流伺服电念头共有7个机座号92个规格.德国西门子（Siemens）公司的IFT5系列三相永磁交流伺服电念头分为标准型和短型两年夜类，共8个机座号98种规格.据称该系列交流伺服电念头与相同输出力矩的直流伺服电念头IHU系列相比，重量只有后者的1／2，配套的晶体管脉宽调制驱动器6SC61系列，最多的可供6个轴的电念头控制.德国博世（BOSCH）公司生产铁氧体永磁的SD系列（17个规格）和稀土永磁的SE系列（8个规格）交流伺服电念头和Servodyn SM系列的驱动控制器.美国著名的伺服装置生产公司Gettys曾一度作为Gould电子公司一个分部（Motion Control Division），生产M600系列的交流伺服电念头和A600 系列的伺服驱动器，后合并到AEG，恢复Gettys名称，并推出A700全数字化交流伺服系统.美国AB（ALLEN-BRADLEY）公司驱动分部生产的1326型铁氧体永磁交流伺服电念头和1391型交流PWM伺服控制器，机电包括3个机座号共30个规格.I.D.（Industrial Drives）是美国著名的科尔摩根（Kollmorgen）的工业驱动分部，曾生产BR-210、BR-310、BR-510 三个系列共41个规格的无刷伺服电念头和BDS3型伺服驱动器.自1989年起推出了全新系列设计的永磁交流伺服电念头（Goldline），包括B（小惯量）、M （中惯量）和EB（防爆型）三年夜类，有10、20、40、60、80五种机座号，每年夜类有42个规格，全部采纳钕铁硼永磁资料，力矩范围为0.84～111.2N.m，功率范围为0.54～15.7kW.配套驱动器有BDS4（模拟型）、BDS5（数字型、含位置控制）和Smart Drive（数字型）三个系列，最年夜连续电流55A.Goldline系列代表了今世永磁交流伺服技术最新水平.爱尔兰的Inland原为Kollmorgen在国外的一个分部，现合并到AEG，以生产直流伺服电念头、直流力矩电念头和伺服放年夜器而闻名.生产BHT1100、2200、3300三种机座号共17种规格的SmCo永磁交流伺服电念头和八种控制器.法国Alsthom集团在巴黎的Parvex工厂生产LC系列（长型）和GC系列（短型）交流伺服电念头共14个规格，并生产AXODYN系列驱动器.前苏联为数控机床和机器人伺服控制开发了两个系列的交流伺服电念头.其中ДBy系列采纳铁氧体永磁，有两个机座号，每个机座号有3种铁心长度，各有两种绕组数据，共12个规格，连续力矩范围为7～35N.m.2ДBy系列采纳稀土永磁，6个机座号17个规格，力矩范围为0.1～170N.m，配套的是3ДБ型控制器.近年日本松下公司推出的全数字型MINAS系列交流伺服系统，其中永磁交流伺服电念头有MSMA系列小惯量型，功率从0.03～5kW，共18种规格；中惯量型有MDMA、MGMA、MFMA三个系列，功率从0.75～4.5kW，共23种规格,MHMA系列年夜惯量电念头的功率范围从0.5～5kW，有7种规格.韩国三星公司近年开发的全数字永磁交流伺服电念头及驱动系统，其中FAGA交流伺服电念头系列有CSM、CSMG、CSMZ、CSMD、CSMF、CSMS、CSMH、CSMN、CSMX多种型号，功率从15W～5kW.现在常采纳功率变动率（Powerrate）这一综合指标作为伺服电念头的品质因数，衡量比较各种交直流伺服电念头和步进电念头的静态响应性能.功率变动率暗示电念头连续（额定）力矩与转子转动惯量之比.按功率变动率进行计算分析可知，永磁交流伺服电念头技术指标以美国I.D 的Goldline系列为最佳，德国Siemens的IFT5系列次之.伺服机电原理交流伺服电念头°的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf 上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc.所以交流伺服电念头又称两个伺服电念头.交流伺服电念头的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电念头具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电念头相比，应具有转子电阻年夜和转动惯量小这两个特点.目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采纳高电阻率的导电资料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采纳铝合金制成的空心杯形转子，杯壁仅0.2-0.3mm，空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采纳.交流伺服电念头在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组发生的脉动磁场，转子静止不动.当有控制电压时，定子内便发生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电念头的转速随控制电压的年夜小而变动，当控制电压的相位相反时，伺服电念头将反转.交流伺服电念头的工作原理与电容运转式单相异步电念头虽然相似，但前者的转子电阻比后者年夜很多，所以伺服电念头与电容运转式异步电念头相比，有三个显著特点：1、起动转矩年夜：由于转子电阻年夜，使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较年夜的起动转矩.因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点.2、运行范围宽：运行平稳、噪音小.3、无自转现象：运转中的伺服电念头，只要失去控制电压，机电立即停止运转.什么叫做控制机电或“精密传动微特机电”？“精密传动微特机电”，也就是控制机电，能够在系统中快速而正确地执行频繁变动的指令，带动伺服机构完成指令所期望的工作，年夜多能够满足以下要求：1、能频繁启动、停止、制动、反转及低速运行，且机械强度高、耐热品级高、绝缘品级高.2、快速相应能力好，转矩较年夜，转动惯量小，时间常数小.3、带有驱动器和控制器（如伺服机电、步进机电），控制性能良好.4、高可靠性，高精度.“精密传动微特机电”的类别、结构和性能1、交流伺服机电（1）笼型两相交流伺服机电（细长笼型转子、机械特性近似线性、体积和励磁电流小、小功率伺服、低速运转不够平滑）（2）非磁性杯型转子两相交流伺服机电（空心杯转子、机械特性近似线性、体积和励磁电流较年夜、小功率伺服、低速运转平滑）（3）铁磁杯型转子两相交流伺服机电（铁磁资料杯型转子、机械特性近似线性、转子转动惯量年夜、齿槽效应小、运行平稳）（4）同步型永磁交流伺服机电（由永磁同步机电、测速机及位置检测元件同轴一体机组，定子为3相或2相，磁性资料转子，必需配驱动器；调速范围宽、机械特性由恒转矩区和恒功率区组成，可连续堵转，快速相应性能好，输出功率年夜，转矩摆荡小；有方波驱动和正弦波驱动两种方式，控制性能好，为机电一体化产物）（5）异步型三相交流伺服机电（转子与笼型异步机电相似，必需配驱动器，采纳矢量控制，扩年夜了恒功率调速范围，多用于机床主轴调速系统）2、直流伺服机电（1）印制绕组直流伺服机电（盘形转子、盘形定子轴向粘接柱状磁钢，转子转动惯量小，无齿槽效应，无饱和效应，输出转矩年夜）（2）线绕盘式直流伺服机电（盘形转子、定子轴向粘接柱状磁钢，转子转动惯量小，控制性能优于其他直流伺服机电，效率高，输出转矩年夜）（3）杯型电枢永磁直流机电（空心杯转子，转子转动惯量小，适用于增量运动伺服系统）（4）无刷直流伺服机电（定子为多相绕组，转子为永磁式，带转子位置传感器，无火花干扰，寿命长，噪声低）3、力矩机电（1）直流力矩机电（扁平结构，极数槽数换向片数串连导体数多；输出转矩年夜，低速或堵转下可连续工作，机械和调节特性好，机电时间常数小）（2）无刷直流力矩机电（与无刷直流伺服机电结构相似，但为扁平状，极数槽数串连导体数多；输出转矩年夜，机械和调节特性好，寿命长，无火花，噪声低）（3）笼型交流力矩机电（笼型转子，扁平结构，极数槽数多，启动转矩年夜，机电时间常数小，可长期堵转运行，机械特性较软）（4）实心转子交流力矩机电（铁磁资料实心转子，扁平结构，极数槽数多，可长期堵转，运行平滑，机械特性较软）4、步进机电（1）反应式步进机电（定转子均由硅钢片叠成，转子铁心上无绕组，定子上有控制绕组；步距角小，启动与运行频率较高，步距角精度较低，无自锁力矩）（2）永磁步进机电（永磁式转子，径向磁化极性；步距角年夜，启动与运行频率低，有坚持转矩，消耗功率比反应式小，但须供正、负脉冲电流）（3）混合式步进机电（永磁式转子，轴向磁化极性；步距角精度高，有坚持转矩，输入电流小，兼有反应式和永磁式两者的优点）5、开关磁阻机电（定转子均由硅钢片叠成，都为凸极式，与极数相接近的年夜步距反应式步进机电结构相似，带有转子位置传感器，转矩方向与电流方向无关，调速范围小，噪声年夜，机械特性由恒转矩区、恒功率区、串励特性区三部份组成）6、直线机电（结构简单，导轨等可作为二次导体，适用于直线往复运动；高速伺服性能好，功率因数和效率高，恒速运行性能优）交流异步伺服机电的规格与性能项目规格与性能结构型式笼型感应电念头冷却方式小型机：全封闭；中型机：全封闭外扇冷型与防护强迫通风型额定功率 0.1-1.5kw；2.2-22kw；30-55kw额定转矩 0.33-7.3N.M；10.7-107.8N.M；117-269N.M额定转速 3000r/min；3000r/min；2000r/min额定电压 80-120V；120V；150V瞬时最年夜转矩 500%能率 4.25-11kw/s；44-293kw/s；516-860kw/s转子GD²²²²适用负载GD²电念头GD²的5倍频率特性 50-100HZ电源电压三相交流80-200V控制方式晶体管式等效正弦波PWM控制调速范围 1比1000调速精度负载变动（0%-100%）‹±0.1%；电源变动（±10%）‹±0.1%冷却方式小型机用自冷式；中型机用强制风冷式呵护功能过电压，过电流，过载，速度，温升，编码器适用环境环境空气温度0-50ºC，环境空气湿度85%以下，海拔1000米以下交流永磁伺服机电的规格与性能项目规格与性能电源稳定电压或调压直流电源（蓄电池、整流器）；6.3-48V60-120V主要构成设备两相或三相永磁同步机电，电力三极管交流器（方形波或等效正弦波=PWM）无触点转子位置传感器以及放年夜器额定功率 0.5w-0.75kw-2.9kw额定转速 1000-3000r/min,也可20000r/min以上结构型式呵护全滴型或全封闭型较多额按时间连续额定输出特性恒转矩特性转速-转矩特性加减恒转矩特性调速范围0%-100%速度控制装置置于机电内部.多为恒转速特性（精度可达正负0.5%）转矩脉动比直流电念头年夜效率50%-80%，无因控制引起的损耗，减速时仍有较高的效率启动特性启动转矩年夜于100%，瞬时最年夜转矩年夜于300%，转矩与电流成比例采纳逐渐升高电压的降压启动法，小型机可直接启动速度控制改变电力三极管变流器的直流输入电压调速制动能耗制动和反接制动较为简单正反转可通过改变转子位置检测信号顺序实现正反转控制，实现无触点控制而不用切换主电路其他优点因为无刷，是可靠性很高的电念头把三极管控制器置于电念头上，可获得小型恒转速电念头与负载的连接用柔性联接器直连，齿轮链接，皮带连接等，无限制.负载转动惯量小于电念头转动惯量的5倍维护除轴承外无需维护使用环境可适用恶劣环境，但不适于高温环境使用注意事项因使用了半导体元器件，对周围温度需加以限制；因转矩脉动较年夜需注意低速运行情况运行辅助设备除直流电源外，还需断路器、熔断器等呵护装置以及速度控制时的调压直流电源用途机床、机器人、丈量仪器、自动化仪表、音响设备、办公设备以及计算机的磁带传送机等。
伺服驱动技术
伺服系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度，以误差的形式 表现，可概括为动态误差、稳态误差和静态误差三个方面组成。
稳定性 伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后，系统能够 恢复到原来稳定状态的能力；或者当给系统一个新的输入指令后，系统 达到新的稳定运行状态的能力。
响应特性
响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度，决定了系 统的工作效率。响应速度与许多因素有关，如计算机的运行速度、 运动系统的阻尼和质量等。
Ra CeC 2
T
由上式知，直流伺服电机的控制方式如下：
（1）调压调速（变电枢电压）
（2）调磁调速（变励磁电流）
（3）改变电枢回路电阻调速
转向取决于电磁转矩 T 的方向，而 T 的方向 取决于 Φ 和 Ia 的方向。
+ Ia
Ua
M
If + Uf
+ Ia
Ua
M
－
－磁
场
Uf
反
If +
向
－
－
－
If +
360° zN
=
360° 40×3
= 3°
②采用三相六拍时： θ=
360° zN
=
360° 40×6
= 1.5°
3.步进电动机驱动电源
(1)作用 : 发出一定功率的电脉冲信号，使定子励 磁绕组 顺序通电。
与一般交流和直流电动机所不同的是，步进电动机定子绕 组所加的电源形式为脉冲电压，而不是正弦电压或者恒定 直流电压。
U2
3
U1
V2
W2
V2
W2
V2
W2
W1
V1
W1
电机控制技术-课件
1.2 电力传动系统运动方程
1.2.1 运动方程 一. 单轴电力拖动系统的运动方程
研究运动方程,以电动机的轴为研究对象，电动机 运行时的轴受力如图示。
电力拖动系统正方向的规定：先规定转速n的正方 向，然后规定电磁转矩的正方向与n的正方向相同， 规定负载转矩的正方向与n的正方向相反。
生产机械转矩分为：摩擦阻力产生的和重力 作用产生的。
（3）恒功率负载：负载转矩与转速成反比。 （4）粘滞摩擦负载：负载转矩与转速成正比。
1.4 电力传动系统的机械特性
第 电动机机械特性：电动机的转速与转矩的关系。
一 电动机四象限运行状态：正向电动状态、反向电
章 动状态，正向制动状态、反向制动状态。
电动机固有机械特性： 电动机人为机械特性：
第II象限 第I象限 正向制动 正向电动
变压器
变电站
楼宇
照明 B
高压输电线
制冷 小型发电机 变压器
M
电力系统简单结构图
H/C 加 热
工厂
1.1 电力传动系统的发展
第 电力传动系统：以电动机为动力源，驱动各种设 一 备及电器的系统，以 完成一定的生产任务。 章 目前，电能的三分之二用于电力传动系统。
电力传动系统的基本结构：
概
述
电源
指令 控制设备
电动机 传动机构 生产机械
1.1 电力传动系统的发展
第 电力传动系统分类： 一 （1）按控制类型：调速系统、位置随动系统。调 章 速系统又分为直流调速和交流调速。
（2）按电动机类型：直流传动系统、交流传动 系统。
概 （3）按机组形式：单台传动系统、多机传动系 述 统。
（4）按运动方式：单向运转不可逆、双向运转 可逆传动系统 （5）按用途形式：主传动系统、辅助传动系统
第五章_机电传动伺服系统
伺服系统概述
模拟控制方式的特点： 控制系统响应速度快，调速范围宽； 易于与常见输出模拟速度指令的CNC接 口； 系统状态及信号变化易于观测； 系统功能由硬件实现，易于掌握，有利 于使用者进行维护、调整； 模拟器件温漂和分散性对系统的性能影 响较大，系统的抗干扰能力较差； 难于实现复杂的控制算法，系统缺少柔 性。
伺服系统概述
5.1 伺服系统的基本概念
5.1.1 伺服的定义
伺服系统是指执行机构按照控制信号的要 求而动作。 主要任务：按照控制命令要求，对信号变 换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出 的转矩、速度及位置都能得到灵活的控制。
伺服系统概述
5.1.2 伺服系统的组成
组成:检测部分、误差放大部分、执行部
伺服系统概述
5.3.1.2 感应型交流伺服电机 随着电力电子技术、微处理器技术与磁场 定向控制技术的快速发展，使感应电机可以达 到与他励式直流电机相同的转矩控制特性，再 加上感应电机本身价格低廉、结构坚固及维护 简单的优点，感应电机逐渐在高精密速度及位 置控制系统得到越来越广泛的应用。
感应电机的定子电流中，包含相当于直流 电机励磁电流与电枢电流的两个成分。
伺服系统概述
5.5 交流伺服系统常用性能指标
（1） 调速范围D 伺服系统在额定负载时所提供的最高转速 与最低转速之比: nmax D nmin （2）转矩脉动系数 额定负载下转矩波动的峰峰值与平均转矩 之比：
TP P KTr 100% Tavg
伺服系统概述
（3） 稳速精度 伺服系统在最高转速、额定负载条件下， 令电源电压变化、环境温度变化，或电源电压 与环境温度都不变，连续运行若干小时，系统 电机的转速变化与最高转速的百分比分别称为 电压变化的稳速精度、温度变化的稳速精度、 时间变化的稳速精度。
交流伺服电机的机械特性及控制方式PPT
轴形成电磁转矩。根据左手定则，转矩方向与磁铁转动的 方向是一致的，也是顺时针方向。因此，鼠笼转子便在电 磁转矩作用下顺着磁铁旋转的方向转动起来。
励磁绕组 控制绕组
电气原理图
ic I m sin t
if I m sin t 90
if Ic
南京埃斯顿 太仓东元
国内重要伺服系统生产企业
5、卧龙电气集团股份有限公司 公司，前身是成立于1995年的浙江 卧龙集团电机工业有限公司。1998 年变更设立为浙江卧龙电机股份有 限公司。
6、北京和利时电机技术有限公 司，位于江苏省苏州市太仓市浏河 镇闸南工业区。
卧龙电气
北京和利时
国外重要伺服系统生产企业 产品进入我国市场的国外重要伺服系统生产企业有：
(1)调速范围宽广。伺服电动机的转速随着控制电 压改变，能在宽广的范围内连续调节。 (2)转子的惯性小，即能实现迅速启动、停转。 (3)控制功率小，过载能力强，可靠性好。
1.4 伺服电机在自控制系统中的典型应用
其它场合的应用
国内重要伺服系统生产企业
1、广州数控设备有限公司公司，创 建于1991年，位于广州市罗冲围螺涌北 路一街7号。
C B
A
伺服电动机的机械特性
设电机的负载阻转矩为TL，控制电压 0.25UC时,电机在特性点A运行，转速为na，这 时电机产生的转矩与负载阻转矩相平衡。当 控制电压升高到0.5UC时，电机产生的转矩就 随之增加C，由于电机的转子及其负载存在着 惯性，转速不能瞬时改变，因此电机就要瞬 时地在特性点C运行，这时电机产生的转矩大 于负载阻转矩，电机就加速，一直增加到nb， 电机就在B点运行。
德国西门子伺服电机 安川伺服电机驱动器
控制电机(2版)思考题与习题参考答案
控制电机（2版）思考题与习题参考答案（机械工业出版社，李光友等编着）第1章 直流伺服电动机1. 一台直流电动机，其额定电压为110V ，额定电枢电流为0.4A ，额定转速为3600r/min ，电枢电阻为50Ω，空载阻转矩015.0T 0=N ·m ，试问电动机的额定负载转矩是多少？解：,=120,2. 一台型号为55SZ54的直流伺服电动机，其额定电压为110V ，额定电枢电流为0.46A ，额定转矩为093.0 N ·m ，额定转速为3000r/min 。
忽略电动机本身的空载阻转矩0T ，试求电机在额定运行状态时的反电动势a E 和电枢电阻a R 。
解：U= , , 1003. 伺服电动机型号为70SZ54，,V 110U U ,W 55P f N N ===效率m i n /r 3000n %,5.62N N ==η，空载阻转矩0714.0T 0= N ·m 。
试求额定运行时电动机的电枢电流aN I ，电磁转矩e T ，反电动势aN E 和电枢电阻a R 。
解：100，4. 由两台完全相同的直流电机组成的电动机-发电机组。
它们的励磁电压均为110V，电枢绕组电阻均为75Ω。
当发电机空载时，电动机电枢加110V电压，电枢电流为0.12A，机组的转速为4500r/min。
试求：（1）发电机空载时的输出电压为多少？（2）电动机仍加110V电压，发电机负载电阻为1kΩ时，机组的转速为多少?解：（1）（2）由得，, =0.12A, n=4500r/min.接负载时，U=，解得=4207r/min5. 试用分析电枢控制时的类似方法，推导出电枢绕组加恒定电压，而励磁绕组加控制电压时直流伺服电动机的机械特性和调节特性。
并说明这种控制方式有哪些缺点?答：磁场控制时电枢电压保持不变。
机械特性是指励磁电压不变时电动机转速随电磁转矩变化的关系，即 = 。
由公式可知，当控制电压加载励磁绕组上，即采用磁场控制时，随着控制信号减弱，减小，k增大，机械特性变软。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
5.1位置传感器5.2速度传感器5.3电流传感器5.4电压传感器5.5温度传感器
表５-1传感器的主要类型
5.1位置传感器
5.1.1旋转变压器
5.1.2感应同步器
5.1.3旋转变压器-数字转换器5.1.4光电编码器
5.1.5磁性编码器
5.1.6几种传感器的对比
5.1.1旋转变压器
1.电磁式旋转变压器
2.磁阻式旋转变压器
图５-1无刷旋转变压器的结构
图５-2振幅调制型无刷旋转变压器的绕组配置
图５-3振幅调制型无刷旋转变压器的信号
图５-4相位调制型无刷旋转变压器的绕组配置
图５-5相位调制型无刷旋转
变压器的信号
图５-6磁阻式旋转变压器的定、转子冲片图
2.磁阻式旋转变压器
图５-7磁阻式旋转变压器原理示意图
(1)输出电压小
(2)电枢反应弱
(3)输出电压的失真系数大于励磁电压
(4)输出电压相位移接近90°
图５-8感应同步器绕组布线示意图
a)定子b)转子
5.1.3旋转变压器-数字转换器
1)提供有10位、12位、14位和16位的分辨率，用户可通过两个控制引脚自行选用不同的分辨率。
2)可将输入的模拟信号转换为并行二进制数输出，易与单片机或DSP 等控制芯片接口。
3)采用比率跟踪转换方式，使之连续输出数据而没有转换延迟，并具有较强的抗干扰能力和远距离传输能力。
4)用户可通过外围元器件的选择来改变带宽、最大跟踪速度等动态性能。
5)具有很高的跟踪速度，当采用10位分辨率时，最大跟踪速度达1040 r/s。
6)能产生与转速成正比的模拟信号，输出范围为±8V(DC)，线性度
可达，回差小于±0.3%，可代替传统的测速发电机，提供高精度的
速度信号。
7)具有过零标志信号(RIPPLE CLOCK)和旋转方向信号(DIRECTION)。
5.1.4光电编码器
1.绝对式编码器
2.增量式编码器
3.准绝对式编码器
4.混合式光电编码器
(1)单圈编码器
(2)多圈编码器
图５-10绝对式编码器的结构
图５-11二进制码盘的光学图案
图５-12格雷码码盘的
光学图案
图５-13增量式编码器的结构
2.增量式编码器
图５-14增量式编码器光学图案
1)准绝对式编码器光学图案比较简单，因此，准绝对式编码器的机械尺寸比较小，译码系统也比较简单。
2)准绝对式编码器用光学图案对位置进行编码，因此，应用系统可在工作的任意时刻进行位置测量，测量到的数据为绝对位置数据，且测量结果不易丢失，两次上电测量同一位置的测量结果绝对一样。
3)准绝对式编码器位置编码的各有效位沿圆周(切向)分布，因此，应用系统上电后不能立刻获得有效位置编码，而要经过一个自引导过程，但无论自引导过程的方向和起始位置如何，初始化位移都固定为几个计量光栅节距，轻微的振动就可以确定初始位置，方便了实际操作。
4)准绝对式编码器光学图案包含计量光栅，因此，可以通过电子技术或软件方法对光学最小分辨角进行细分，从而有效提高系统的测量精度。
5)准绝对式编码器输出的位置信息是全量程绝对编码，非常容易与计算机、过程控制器和伺服控制器等数字器件相连接。
图５-15准绝对式编码器
光学图案
图５-16混合式光电编码器的输出信号波形
图５-17混合式光电编码器信号处理电路框图
图５-18混合式光电编码器
I/V转换电路
5.1.5磁性编码器
1.磁性编码器的结构与工作原理
2.采用多相形式的多脉冲化
(1)磁鼓
(2)磁阻效应元件(Magnetoresistive
图５-19磁性编码器的结构
图５-20MR元件的磁场与磁化
图５-21MR元件的电阻变化率特性
图５-22磁鼓与MR元件的位置关系
图５-23MR元件的输出特性
图５-24MR元件的接线图
1)结构简单、紧凑。
2)灵敏度高、稳定性好、高频特性好，响应速度快。
3)高速下仍能稳定工作。
4)抗污染等恶劣环境的能力强。
5)具有多功能的特点，易于制成绝对式编码器。
6)耐振动、抗冲击、可靠性高。
7)耗电少。
图５-252倍频时MR元件的接线图
图５-26信号处理电路
图５-27信号处理时序
5.1.6几种传感器的对比
表５-5常用的三种位置(速度)传感器的比较
5.2速度传感器
5.2.1测速发电机
5.2.2数字转速传感器
5.2.1测速发电机
1)输出电压与转速成正比，并保持稳定。
2)转动惯量小，以保证反应迅速。
3)灵敏度高，即输出电压对转速的变化反应灵敏，输出特性斜率大。
4)结构简单、工作可靠。
5)输出电压纹波小。
6)正、反转的输出特性应一致。
7)无线电干扰小、噪声小、体积小、重量轻。
图５-28三相无刷直流测速发电机的构成
图５-29三相无刷直流测速发电机的信号波形
(1)非线性误差只有在严格保持直轴磁通Φ
不变的前提下，异步测
d
速发电机的输出电压才与转子转速成正比。
(2)剩余电压
(3)相位误差
图５-30异步测速发电机的工作原理
5.2.2数字转速传感器
1.数字测速的技术要求
2.数字测速方法
1.数字测速的技术要求
(1)分辨率
(2)精度
(3)检测时间
(1)M法测速
(2)T法测速
(3)M/T法测速
图５-31M法测速原理
图５-32T法测速原理。