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1、課題二伺服電機與伺服控制系統(tǒng)原理,指導老師：段建中學生：虎鑫學號：120072406492012-3-15,基本概念的介紹與舉例伺服電機原理介紹伺服控制系統(tǒng)介紹總結,內容,“伺服”—詞源于希臘語“奴隸”的意思。,一、“伺服”的含義Servomechanism,●基本概念的介紹,伺服系統(tǒng)應用舉例（2）,機械手手臂伸縮運動的電液伺服系統(tǒng)原理圖。,1－電放大器2－電液伺服閥3－液壓缸4－機械手手臂5－齒輪齒條機構6－電位器7－步進電機,伺服系統(tǒng)應用舉例（1）,圖1.7液壓仿形車床工作原理圖,1.2.3.4——節(jié)流口5——工件6——刀具7——樣件8——觸銷9——油缸10——油泵,二.伺服系統(tǒng)的定義：(

2、servomechanism)(servo-system）伺服系統(tǒng)是指實現(xiàn)輸出變量精確地跟隨或復現(xiàn)輸入變量的控制系統(tǒng)。,伺服電機,伺服電機（servomotor）伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，它的轉矩和轉速受信號電壓控制。當信號電壓的大小和相位發(fā)生變化時，電動機的轉速和轉動方向將非常靈敏和準確地跟著變化。當信號消失時，轉子能及時地停轉。,伺服電機的分類,,一、直流電動機工作原理,●伺服電機的原理介紹,安培定律,——磁場的磁感應強度,——導體中的電流,——導體的有效長度,直流電機原理,如圖所示：N和S是一對固定的磁極（一般是電磁鐵，也可為永久磁鐵），兩級之間裝著一個可以轉動的鐵質圓

3、柱體，圓柱體表面上固定這一個線圈，上邊為a，下圈為x，通入如圖所示的電流根據(jù)左手定則便可得出電磁轉矩。,一、直流電機原理,為什么要用電刷？,,一、直流電機的原理,,這樣的連接方法只有一組線圈得電，繞組使用率低，那么如何提高繞組的使用率呢？,改進后的繞線,提高了繞組的使用率,直流電機的勵磁方式,勵磁概念：由電流激勵出磁場的過程叫做勵磁。,直流電機的基本方程式,電氣系統(tǒng)的電動平衡方程,,電氣系統(tǒng)的電動平衡方程,——電源電壓,——電樞繞組上的端電壓,——勵磁繞組上的端電壓,——電樞電流,——勵磁電流,——電樞電路的電阻,——勵磁回路的電阻,——電樞回路的自感系數(shù),——勵磁回路的自感系數(shù),——電動機的

4、機械角速度,,,,2.機械系統(tǒng)的轉矩平衡方程,——電磁轉矩,——負載轉矩,——空載損耗轉矩,如果電動機以恒角速度轉動，則：,實例：直流伺服系統(tǒng),,,,,常數(shù),實例：直流伺服系統(tǒng),伺服電機在磁化曲線的線性范圍內使用，因而氣隙磁通正比于勵磁電流，即：,,式中：,——常數(shù),由電動機產生的轉矩正比于電樞電流和氣隙磁通的乘積，即,,式中：,——常數(shù),為磁場勵磁電流,是電樞電流,實例：直流伺服系統(tǒng),在電樞控制的直流電動機中，勵磁電流為常數(shù)，故上式可寫成：,由控制輸入電壓開始，系統(tǒng)的因果方程為,1.電樞電壓方程：,實例：直流伺服系統(tǒng),2.電動機轉矩,3.轉矩平衡方程,4.電動機的反電動勢正比于速度,——反電

5、動勢常數(shù),系統(tǒng)因果方程拉氏變換為,實例：直流伺服系統(tǒng),當負載轉矩,其傳遞函數(shù)是:,實例：直流伺服系統(tǒng),直流伺服電機的系統(tǒng)方框圖,,主要內容,,,7.3直流伺服電機及其速度控制,（一定）,電樞回路電壓平衡方程式,感應電勢與轉速關系,電磁轉矩,直流伺服電機的調速原理與方法,原理圖,等效圖,,,電機轉速與理想轉速的差Δn，反映了電機機械特性硬度，Δn越?。ㄞD矩對轉速變化的影響程度越小），機械特性越硬。,n0,直流電機轉速與轉矩的關系n=f(T)稱機械特性,直流電機的基本調速方式有三種:調節(jié)電阻Ra、調節(jié)電樞電壓Ua和調節(jié)磁通Φ的值。,7.3直流伺服電機及其速度控制,,主要內容,他勵式直流伺服電機的轉

6、速公式,,,,,電樞電阻調速很少采用，缺點：不經濟：要得到低速，R很大，則消耗大量電能；低速，特性很軟，運轉穩(wěn)定性很差；調節(jié)平滑性差，操作費力。,7.3直流伺服電機及其速度控制,,主要內容,,調節(jié)電樞電壓（調壓調速）時，直流電機機械特性為一組平行線，只改變電機的理想轉速n0，保持了原有較硬的機械特性，所以調壓調速主要用于伺服進給驅動系統(tǒng)電機的調速,如果Δn值較大，不可能實現(xiàn)寬范圍的調速。永磁式直流伺服電機的Δn值較小，因此，進給系統(tǒng)常采用永磁式直流電機。,7.3直流伺服電機及其速度控制,,主要內容,,調節(jié)磁通（調磁調速）不但改變了電機的理想轉速，而且使直流電機機械特性變軟,7.3直流伺服電機及

7、其速度控制,主要內容,,直流伺服電機速度控制單元的調速控制方式調速的概念有兩個方面的含義:1)改變電機轉速：當給定速度變化時,電機的速度隨之變化,并希望以最快的加減速達到新的給定速度值；2)當給定速度不變化時,電機的速度保持穩(wěn)定不變。,7.3直流伺服電機及其速度控制,主要內容,直流伺服電機速度控制單元的調速控制方式需對直流電壓的大小和方向進行控制直流伺服電機速度控制單元的作用：將轉速指令信號轉換成電樞的電壓值，達到速度調節(jié)的目的。直流電機速度控制單元常采用的調速方法：1.晶閘管（可控硅）調速系統(tǒng)2.晶體管脈寬調制（PWMPulseWidthModulated）調速系統(tǒng)。,,主要內容,,1．晶閘

8、管調速系統(tǒng)常用于大功率及要求不很高的直流伺服電機調速控制。,7.3直流伺服電機及其速度控制,,U*n,,7.3直流伺服電機及其速度控制,主回路由大功率晶閘管構成的三相全控橋式反并接可逆電路，分成二大部分（Ⅰ和Ⅱ），每部分內按三相橋式連接，二組反并接，分別實現(xiàn)正轉和反轉。,,,各有一個可控硅同時導通，形成回路。,7.3直流伺服電機及其速度控制,1、3、5在正半周導通，2、4、6在負半周導通。每組內（即二相間）觸發(fā)脈沖相位相差120，觸發(fā)脈沖的順序：1-2-3-4-5-6，相鄰之間相位差60。為保證合閘后兩個串聯(lián)可控硅能同時導通，或已截止的相再次導通，采用雙脈沖控制。即每個觸發(fā)脈沖在導通60后，再

9、補發(fā)一個輔助脈沖；也可以采用寬脈沖控制，寬度大于60，小于120。,,7.3直流伺服電機及其速度控制,只要改變可控硅觸發(fā)角（即改變導通角），就能改變可控硅的整流輸出電壓，從而改變直流伺服電機的轉速。觸發(fā)脈沖提前，增大整流輸出電壓；觸發(fā)脈沖延后，減小整流輸出電壓。,晶閘管調節(jié)電路,,主要內容,,2．PWM調速控制系統(tǒng)利用大功率晶體管的開關作用，將直流電壓轉換成一定頻率的方波電壓，加到直流電動機的電樞上；通過調整控制方波脈沖寬度來改變電樞的平均電壓，從而調節(jié)電機的轉速?？刂齐娐泛唵危恍韪郊雨P斷電路，開關特性好。廣泛應用中、小功率直流伺服系統(tǒng)。,,,,,,,,,,,,周期不變,,,,,,,,,,脈

10、寬,脈寬,脈寬,脈寬,平均直流電壓,U,ωt,周期不變,7.3直流伺服電機及其速度控制,,主要內容,,直流電機電壓的平均值:,T—脈沖周期，Ton—導通時間,7.3直流伺服電機及其速度控制,,脈寬調制（PWM）系統(tǒng)組成：,7.3直流伺服電機及其速度控制,,控制回路：速度調節(jié)器；電流調節(jié)器；固定頻率振蕩器及三角波發(fā)生器；脈寬調制器和基極驅動電路。區(qū)別：與晶閘管調速系統(tǒng)比較，速度調節(jié)器和電流調節(jié)器原理一樣。不同的是脈寬調制器和功率放大器。,,脈寬調制器作用：將電壓量轉換成可由控制信號調節(jié)的矩形脈沖，為功率晶體管的基極提供一個寬度可由速度指令信號調節(jié)的脈寬電壓。組成：調制信號發(fā)生器（三角波和鋸齒波兩種）和比較放大器。原理：以三角波發(fā)生器為例介紹,7.3直流伺服電機及其速度控制,,USr–速度指令轉化過來的直流電壓U△-三角波USC-脈寬調制器的輸出（USr+U△）調制波形圖,7.3直流伺服電機及其速度控制,,,,7.3直流伺服電機及其速度控制,全數(shù)字式PWM,,,