3机电一体化技术(伺服系统)第三章.ppt

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第三章伺服系统设计伺服系统设计在机电一体化控制系统中，把输出量能够以一定的准确度在机电一体化控制系统中，把输出量能够以一定的准确度跟随输入量的变化为变化的系统称为伺服系统，亦称随动系统。

跟随输入量的变化为变化的系统称为伺服系统，亦称随动系统。

它用来控制被控对象的转角（或位移），使其能自动地连续地，它用来控制被控对象的转角（或位移），使其能自动地连续地，精确地复现输入指令的变化规律。

其组成如下图：

精确地复现输入指令的变化规律。

其组成如下图：

常用的电力电子器件常用的电力电子器件:

晶闸管晶闸管机电一体化系统中较多的采用机电一体化系统中较多的采用电气伺服驱动装置，即电气伺服驱动装置，即电气伺服驱动装置，即电气伺服驱动装置，即伺服电机驱动系统。

伺服电机驱动系统。

伺服伺服伺服伺服驱动电机一般是指：

驱动电机一般是指：

步进步进步进步进电机（电机（SteppingMotorSteppingMotor）直流伺服直流伺服直流伺服直流伺服电机电机（DCServoMotor）（DCServoMotor）交流伺服交流伺服交流伺服交流伺服电机电机（ACServoMotor）（ACServoMotor）三种电机驱动的特点：

11、步进、步进、步进、步进电机电机转角与数字脉冲成比例，可构成直接数字控制构成廉价的开环系统控制系统控制较简单22、DCDC伺服伺服伺服伺服电机电机高响应、高功率密度可实现高精度的数字控制换向器件需维护33、ACAC伺服伺服伺服伺服电机电机具有DC伺服电机的全部优点无接触换向器件，维护方便3.1步进电动机驱动及其控制1.1.步进电动机的特点：

步进电动机的特点：

步进电动机是将电脉冲信号转换成角位移（或线位移）的一种机电式数模转换器。

转角与脉冲，速度与频率成正比，运动方向与通电顺序相关。

定位精度高，且无累积误差。

转换速度慢，毫秒级与一般的伺服电机比较：

可以直接实现数字控制，在开环系统中可以达到高精度的定位和调速，位置误差不会累积。

步进电机的种类步进电机的种类按励磁相数分：

有三相、四相、五相等步进电机按励磁相数分：

有三相、四相、五相等步进电机按运转方式分：

有旋转式步进电机和直线式步进电机按运转方式分：

有旋转式步进电机和直线式步进电机BFBF励磁绕组相数或代号励磁绕组相数或代号励磁绕组相数或代号励磁绕组相数或代号反应式反应式反应式反应式（BY（BY永磁式、永磁式、永磁式、永磁式、BYGBYG混合式混合式混合式混合式）步进电机步进电机步进电机步进电机电机外径（电机外径（电机外径（电机外径（mm）mm）步进电机型号表示：

如70BF3-32.2.步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理定子齿与定子齿与转子齿对转子齿对齐时，齐时，磁磁导率最大，导率最大，磁阻最小磁阻最小，单三拍时：

单三拍时：

AABBC,C,AABBCC电压电流波形，转子齿数电压电流波形，转子齿数4040双三拍时：

双三拍时：

单双拍（即六拍）时：

单双拍（即六拍）时：

ABABBCBCCA,CA,ABABBCBCCACAAAABABBBBCBCCCCA,-ACA,-AABABBBBCBCCCCACAv五相步进电机步距角及步距精度步进电动机定子绕组通电状态每变一次，转子转过的角度，常用数控机床为0.53，步距角小，加工精度高步距精度指理论步距角与实际步距角之差，以分表示。

主要是由步进电机齿距制造误差、定子和转子间气隙不均匀、各相电磁转矩不均匀造成的。

3.步进电动机的主要特性步进电动机的主要特性启动频率与惯频特性步进电机由静止突然启动，进入不失步的正常运行所允许的最高频率。

与负载的转动惯量有关运行频率与矩频特性步进电机由转子运行的过渡过程尚未达到稳定值时产生的转矩，即某一频率下的最大负载转矩。

与电磁常数有关。

矩角特性单相通入额定通电时，其静转矩与失调角的关系,空载时，若步进电机某相通以直流电流，则该相对应的定、转子齿槽对齐。

此时转子上无力矩输出。

如果此时在电机轴上加一负载力矩M，则转子要相应力矩的方向转一个角才能重新稳定下来，此时转子上的电磁力矩Mj与负载力矩M相等。

Mj称为静态力矩，称为失调角。

Mj=f（）称为矩角特性。

近似正弦。

Mjmax为最大静态力矩，曲线A和B的交点Mq是电机运行状态的最大启动启动力矩。

步进电机控制信号的产生步进电机控制信号的产生步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机（或计算机）产生，其基本控制作用如下：

（或计算机）产生，其基本控制作用如下：

控制换相顺序（也称脉冲分配）控制换相顺序（也称脉冲分配）控制转向（正反序通电）控制转向（正反序通电）控制速度（由单片机发出的脉冲频率的大小决定）控制速度（由单片机发出的脉冲频率的大小决定）4.4.步进电动机控制驱动步进电动机控制驱动硬件环分软件环分+功率驱动MOVP1,R0INCR0MOVA,R0CJNEA,#5DH,RE1MOVR0,55HRE1:

RETI/主程序MOVR0,55H55H:

DB0EEH,0CCH,0DDH,99H,0BBH,33H,77H,66H单电压驱动及其改进a）图（a）中，Ra为电动机一相绕组内阻，L为其电感，VT是大功率管，Rc是外接电阻，VD是续流管。

由于Ra很小，如不接Rc，则时间常数大，VT由截止变为导通时，电流上升慢，影响启动频率。

串接Rc可减小时间常数，使脉冲电流的前沿变陡，从而改善频率响应。

但Rc使整个系统效能降低。

b）图（b）在外接电阻Rc上并接一个电容（与加速电容作用相同），改善注入电流脉冲前沿状况。

增加注入绕组的平均电流值。

（开始电阻相当于被短接）。

c）图（c）在VD支路加接泄放电阻R，减少时间常数，使脉冲电流的后沿变陡，有利于提高电机的高频性能，但使低频变坏，对转子阻尼变弱，易引起低频共振区运行不平稳。

高低压驱动（用得广泛）如图，则在t1t2时间内，VT1、VT2均饱和导通，+80V的电源经VT1、VT2管加到电机绕组L上，使其电流迅速上升，当时间达到t2，VT2截止，电机绕组电流由+12V经VT1维持，此时电机电流下降到额定值，直到t3，VT1截止，绕组电流经高压源E1，地，E2，V2放电，下降到零。

优点：

功耗小，启动力矩大，工作频率高。

缺点：

大功率管数量多，增加驱动电源成本。

5.5.步进电动机自动升降速控制步进电动机自动升降速控制由于步进电机转子本身惯量大，尤其带了负载后，启动频率将会大大下降。

为使步进电机能在较高的频率下工作，可对其升降速度进行控制，使脉冲信号能按一定的规律升频和降频。

工作原理：

工作原理：

设Pa为控制脉冲，其频率为fa，Pb为实际送入电机的工作脉冲，其频率为fb。

Pa和Pb都经同步器送入可逆计数器。

同步器的作用在于保证不丢失Pa和Pb，并使Pa送入可逆计数器时作加法，Pb送入可逆计数器时作减法，可逆计数器记下的是控制脉冲与实际脉冲之差N，将此数通过数字电位器转换成电阻值R的变化，进而改变振荡频率。

v电路设计成平滑系统，当输入量fa为阶跃值时，输出量fb是缓慢变化的，从而达到自动升降速的目的。

v只有当N不为零时，才有输出脉冲。

v在进给开始时，fafb，振荡器频率低，反馈脉冲小于输入脉冲，N增大，fb逐渐增大，经过t时间，fa=fb，N不变，升速结束。

进入恒速。

到达终点，fa=0fb，N减少，振荡器频率降低，fb逐渐减少，直到N=0，振荡停止，步进电机停止工作。

v常用的升降速规律v图a为线性升降速，以恒定的加速度，容易实现，方法简单，但加速时间较长。

v图b为指数曲线，由步进电机的矩频特性推导来，符合电机加减速规律，快速响应好，缩短了升降速时间。

v图c为抛物线，这种方法充分利用步进电机低速时的有效转矩，升降速时间大大缩短。

v运动控制系统3.2直流伺服电动机驱动及其控制1.1.直流伺服电动机的特点：

直流伺服电动机的特点：

响应速度高、精度高、响应速度高、精度高、调速范围广、控制特性优调速范围广、控制特性优良。

良。

其原理与普通直流电机其原理与普通直流电机相同，由磁极、电枢、电相同，由磁极、电枢、电刷和换向片组成。

但外形刷和换向片组成。

但外形细长，转动惯量小，以满细长，转动惯量小，以满足快速响应的要求。

足快速响应的要求。

图4.21基本结构2.2.控制方式：

控制方式：

图4.22直流电机模型根据上式，控制方式有根据上式，控制方式有因此，有三种调速方法：

电枢控制调速电枢控制调速电枢控制调速电枢控制调速（即恒转矩调速）：

不同的转速时，磁场控制调速磁场控制调速磁场控制调速磁场控制调速（即恒功率调速）：

不同的转速时，混合调速（混合调速（混合调速（混合调速（即恒功率调速），如主轴伺服驱动，在额定转速以下为恒转矩调速，在额定转速以上为恒功率调速.如进给伺服系统如小惯量高速伺服系统3.3.直流伺服电动机的特性：

直流伺服电动机的特性：

机械特性：

电压恒定时，机械特性：

电压恒定时，电动机转速随负载转矩电动机转速随负载转矩变化的关系。

变化的关系。

1）1）当当T=0T=0时，时，n0n0为理想空载为理想空载转速。

转速。

2）2）当当n=0n=0时，时，TT为启动转矩为启动转矩或堵转转矩。

许多工程或堵转转矩。

许多工程机械如电铲就工作于堵机械如电铲就工作于堵转转矩转转矩机械特性4.4.直流伺服系统直流伺服系统用直流伺服电动机作为执行元件的伺服系用直流伺服电动机作为执行元件的伺服系统。

常用的有晶闸管统。

常用的有晶闸管-直流电机调速系统和直流电机调速系统和大功率晶体管脉宽调制大功率晶体管脉宽调制（PWM）（PWM）调速系统。

调速系统。

4.14.1晶闸管晶闸管-直流电机调速系统直流电机调速系统1）1）组成：

转速调节器组成：

转速调节器ASRASR、电流调节器、电流调节器ACRACR、测速发电机测速发电机TGTG、电流互感器、电流互感器TATA、晶闸管触、晶闸管触发器发器ATAT、晶闸管、晶闸管URUR及伺服电动机。

及伺服电动机。

直流伺服系统为消除系统静差并提高系统的快速响应，为消除系统静差并提高系统的快速响应，常采用常采用PIPI调节器作为转速调节器调节器作为转速调节器ASRASR和电流和电流调节器调节器ACRACR。

PIPI调节器的特性：

调节器的特性：

比例积分调节器输出电压输出电压uuscsc第一部分是比例部分，在输第一部分是比例部分，在输入电压入电压uusrsr加上的瞬间加上的瞬间,C,C11相当于短路，此时相当于短路，此时只相当于比例调节器，输出电压只相当于比例调节器，输出电压uuscsc=KKppuusrsr，毫无延迟，调节速度快。

第二部分是积分部毫无延迟，调节速度快。

第二部分是积分部分，随着分，随着CC11充电，不断上升，上升快慢取决充电，不断上升，上升快慢取决于于ii。

正因为这种积累、保持特性，所以能。

正因为这种积累、保持特性，所以能消除静态误差。

消除静态误差。

PIPI调节器饱和后，将维持输调节器饱和后，将维持输出值恒定，只有超调，也就是输入为负，才出值恒定，只有超调，也就是输入为负，才能退出饱和。

能退出饱和。

2）2）双闭环调速系统的静态特性双闭环调速系统的静态特性

（1）

（1）系统正常运行时，两个调节器都不饱和，系统正常运行时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都为零。

稳态时，它们的输入偏差电压都为零。

由于由于ASRASR不饱和，则不饱和，则IILLIINN（额定电流）。

在（额定电流）。

在两个调节器均不饱和两个调节器均不饱和时运行于右图静特性时运行于右图静特性nn00-A-A段：

段：

（2）

（2）转速调节器饱和，转速调节器饱和，ASRASR输出达到限幅值，输出达到限幅值，转速外环开环，转速变化对系统不产生影响，转速外环开环，转速变化对系统不产生影响，此时只有电流环（内环）起作用。

此时：

此时只有电流环（内环）起作用。

此时：

IILmLm为设计最大电流。

它决定于电动机允许的为设计最大电流。

它决定于电动机允许的过载时的最大电流，在转速过载时的最大电流，在转速nnnIILL,转速还会上升