第九讲 机器人关节伺服驱动技术 PPT课件

山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02
电枢电阻调速
电枢电阻调速很少采用，缺点： 不经济：要得到低速，R很大，则消耗大量电能； 低速，特性很软，运转稳定性很差；调节平滑性差， 操作费力。 n主要内容 n0 R0 R1 R2 T
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调压调速
二. 机械系统的转矩平衡方程
d Te T2 T0 J dt
J ---- 转子惯量
Te
——电磁转矩 ——负载转矩
T2
T0
如果电动机以恒 角速度转动，则 ：
——空载损耗转矩
d J 0 dtБайду номын сангаас
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电磁转矩TM
伺服电机在磁化曲线的线性范围内使用， 因而气隙磁通 正比于励磁电流，即：
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实例：直流伺服系统
当负载转矩 TN (s) 0 其传递函数是:
0 ( s ) KT G( s) Ei ( s) s[( La s Ra )( Js B) KT Kb
TN (s)
Ei ( s)

Eb (s)
1 La s Ra
直流电机的基本调速方式有三种: 1、调节电阻Ra、 2、调节电枢电压Ua 3、调节磁通Φ 的值。
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转速与转矩的关系n=f(T)称机械特性
n n0
n
T
T
电机转速与理想转速的差 Δ n ，反 映了电机机械特性硬度， Δ n 越小（转 矩对转速变化的影响程度越小），机械 特性越硬。
d 20 d0 J 2 B TM TN dt dt
4.电动机的反电动势正比于速度
d 0 eb K b dt
Kb
——反电动势常数
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实例：直流伺服系统
系统因果方程拉氏变换为:
( La s Ra ) I a ( s ) Ei ( s ) Eb ( s ) TM ( s ) KT I a ( s ) ( Js 2 Bs ) 0 ( s ) TN ( s ) Eb ( s ) K b s 0 ( s )
直流电机的基本方程式
1. 电气系统的电动平衡方程（并励）
感应电动势
U a 电枢电压
dia ua Gaf i f Ra ia La dt di f u f Rf if Lf dt ua u f u
I
Ia
电枢电流
M
If
励磁电流
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直流伺服电机速度控制单元的作用： 将转速指令信号转换成电枢的电压值，达到 主要内容 速度调节的目的。 直流电机速度控制单元常采用的调速方法： 1.晶闸管（可控硅）调速系统 2、晶体管线性放大器调速系统 3、晶体管开关放大器---脉宽调制（PWM Pulse Width Modulated）调速系统。
K f if
式中：K f
——常数，
if
为磁场励磁电流
由电动机产生的转矩 TM 正比于电枢电流 和气隙磁通的乘积，即
TM K1K f i f ia
式中： K1 ——常数
ia 是电枢电流
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实例：直流伺服系统
在电枢控制的直流电动机中，励磁电 流为常数，故上式可写成：
N
n
01
n n n
N
U aN U a1 U a2 U aN>U a1 > U a2
02
1
2
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O
T
N
T
调磁调速
调节磁通不但改变了电机的理想转速，而且 使直流电机机械特性变软。
主要内容
n Δn
N
n n n
02
Φ2 Φ1 ΦN n n n
2 1
U aN U a1 U a2 U aN>U a1 > U a2
N
01
0N
N
ΦN>Φ1>Φ2 O TN T
T
T
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四、直流伺服电机速度控制
调速的概念有两个方面的含义:
主要内容
1)改变电机转速：当给定速度变化时, 电机的速度随之变化,并希望以最快的加 减速达到新的给定速度值；
2)当给定速度不变化时,电机的速度 保持稳定不变。
调节电枢电压时，直流电机机械特性为一组平行 线，只改变电机的理想转速n0 ，保持了原有较硬的 主要内容 机械特性，所以调压调速主要用于伺服进给驱动系统 电机的调速
n
如果Δ n值较大，不可 能实现宽范围的调速。 n
永磁式直流伺服电机 n 的Δ n值较小，因此， 进给系统常采用永磁式 直流电机。
Δn
0N
原 理 U f 图
Uf
Ea
等 Ea 效 图
电磁转矩：
感应电势与转速关系
Tm KT I a
Ea KE n
a
（ 一定）
电枢电压平衡方程式： U
Ea I a Ra
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三、直流伺服电机的调速原理与方法 由上述关系式可得：
Ua Ra n T 2 m K E K E KT Ra n0 T 2 m K E KT
第五章
机器人关节伺服驱动技术
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5.1 直流电机伺服系统
一、直流电机原理
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直流电机的励磁方式
电枢：产生电磁力的部件，如直流电机的 转子。 励磁：由电流激励出磁场的过程叫做励磁。
他励
并励
串励
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TM KT ia
式中：KT ——电动机的转矩常数
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实例：直流伺服系统
由控制输入电压 ei (t ) 开始，系统的因果方 程为: dia Ra ia ei eb 1.电枢电压方程： La dt TM KT ia 2.电动机转矩
3.转矩平衡方程
I a ( s)
KT
TM (s)

1 s( Js B)
0 (s)
Kb (s)
直流伺服电机的系统方框图
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7.3 直流伺服电机及其速度控制 三、直流伺服电机的调速原理与方法
If
If
Ia M
主要内容
Ia M Ua Ua
Ra LaRa La Ua
Ua