伺服电机与伺服控制系统原理全

直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式
需对直流电压的大小和方向进行控制 主要内容
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.晶体管脉宽调制（PWM Pulse Width Modulated ） 调速系统。
7.3 直流伺服电机及其速度控制 脉宽调制器
作用：将电压量转换成可由控制信号调节的矩形脉冲，为 功率晶体管的基极提供一个宽度可由速度指令信号调节的 脉宽电压。
组成：调制信号发生器（三角波和锯齿波两种）和比较放 大器。
原理：以三角波发生器为例介绍
7.3 直流伺服电机及其速度控制
USr –速度指令转化过
Ra
——电枢电路的电阻 ——励磁回路的电阻
Rf
La
Lf
——励磁绕组上的端电压 ——电枢电流
——电枢回路的自感系数
ia
——励磁回路的自感系数பைடு நூலகம்
——电动机的机械角速度
if
——励磁电流

2. 机械系统的转矩平衡方程
d Te T2 T0 J dt
Te
——电磁转矩 ——负载转矩 ——空载损耗转矩
利用大功率晶体管的开关作用，将直流电压转换成一定频 率的方波电压，加到直流电动机的电枢上；通过调整控制 主要内容 方波脉冲宽度来改变电枢的平均电压，从而调节电机的转 速。 控制电路简单，不需附加关断电路，开关特性好。 广泛 应用中、小功率直流伺服系统。
U
脉宽 脉宽
脉宽 脉宽
平均直流电压
周期不变 周期不变
1.电枢电压方程：
dia La Ra ia ei eb dt
实例：直流伺服系统
2.电动机转矩
TM KT ia
d 20 d0 J 2 B TM TN dt dt
3.转矩平衡方程
d 0 4.电动机的反电动势正比于速度 eb K b dt Kb ——反电动势常数
实例：直流伺服系统
伺服电机的分类
鼠笼转子 交流伺服电机 杯形转子 直流伺服电机
伺服电机
一、直流电动机工作原理
安培定律 F Bil
B
——磁场的磁感应强度 (Wb / m ——导体中的电流 ( A)
2
)
l ——导体的有效长度 (m)
i
直流电机原理
N
a
F
x
F'

x
S
载流线圈在磁场中产生转矩
如图所示： N和S是一对固定的磁 极（一般是电磁铁，也 可为永久磁铁），两级 之间装着一个可以转动 的铁质圆柱体，圆柱体 表面上固定这一个线圈， 上边为a，下圈为x，通 入如图所示的电流根据 左手定则便可得出电磁 转矩。
他励
并励
串励
直流电机的基本方程式
1. 电气系统的电动平衡方程
感应电动势
Ua
dia ua Gaf i f Raia La dt di f u f Rf if Lf dt ua u f u
I
Ia
M
If
1. 电气系统的电动平衡方程
u
ua
uf
——电源电压 ——电枢绕组上的端电压
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 Bs ) 0 ( s ) TN ( s )
2
Eb ( s ) K b s 0 ( s )
当负载转矩 TN (s) 0 其传递函数是:
7.3 直流伺服电机及其速度控制
直流伺服电机的调速原理与方法
If If Ia Ia
主要内容
a a La Ra RL
原 理 Uf Uf 图
M M
Ua Ua
Ua Ua
Ea Ea
等 效 图
电磁转矩 感应电势与转速关系
Tm KT I a
Ea KE n （ 一定） 电枢回路电压平衡方程式 U a Ea I a Ra
机械手手臂伸缩运动的电液伺服系统原理图。
1－电放大器 2－电液伺服阀 3－液压缸 4－机械手手臂 5－齿轮齿条机构 6－电位器 7－步进电机
伺服系统应用举例（1）
1.2.3.4——节流口 5——工件 6——刀具 7——样件 8——触销 9——油缸
10——油泵
图1.7 液压仿形车床工作原理图
二. 伺服系统的定义： (servomechanism) (servo-system）
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
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：
TM KT ia
式中： KT ——电动机的转矩常数
由控制输入电压 ei (t ) 开始，系统的因果方程为
7.3 直流伺服电机及其速度控制
全数字式PWM
1、3、5在正半周导通， 2、4、6在负半周导
通。每组内（即二相间）触发脉冲相位相差
120º，触发脉冲的顺序：1-2-3-4-5-6，相邻
之间相位差60º。为保证合闸后两个串联可控
硅能同时导通，或已截止的相再次导通，采用
双脉冲控制。即每个触发脉冲在导通60º后，
再补发一个辅助脉冲；也可以采用宽脉冲控制，
课题二 伺服电机与伺服控制系统原理
指导老师：段建中 学生：虎鑫 学号：12007240649 2012-3-15
内容 • 基本概念的介绍与举例 • 伺服电机原理介绍 • 伺服控制系统介绍 • 总结
一、“伺服”的含义
Servomechanism “伺服”—词源于希腊语“奴隶”的意
思。
伺服系统应用举例（2）
伺服系统是指实现输出变量精确 地跟随或复现输入变量的控制系统。
伺服电机
伺服电机（servo motor ） 伺服电动机又称执行电动机，在自动控 制系统中，它的转矩和转速受信号电压控 制。当信号电压的大小和相位发生变化时， 电动机的转速和转动方向将非常灵敏和准 确地跟着变化。当信号消失时，转子能及 时地停转。
T2
T0
如果电动机以恒 角速度转动，则 ：
d J 0 dt
实例：直流伺服系统
Ra
La
0 (t )
ei (t )
J
eb
TM
TN
ia
B
if
常数
实例：直流伺服系统
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：
K f if
Kf 式中：
——常数
i f 为磁场励磁电流
宽度大于60º，小于120º。
7.3 直流伺服电机及其速度控制
u 只要改变可控 c a) 硅触发角（即改变 导通角），就能改 变可控硅的整流输 u 出电压，从而改变 b) 直流伺服电机的转 速。 c) 触发脉冲提前， 增大整流输出电压； d) 5 触发脉冲延后，减 小整流输出电压。 6 α
1 a 3 b 5 c a b
直流电机的基本调速方式有三种: 调节电阻Ra、调节电枢电压Ua和调 节磁通Φ 的值。
他励式直流伺服电机的转速公式
主要内容
Ua Ra n T 2 m K E K E KT Ra n0 T 2 m K E KT
7.3 直流伺服电机及其速度控制
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；
ωt
b ① 1 120° 2 60° 120° 180° 1 60° 6 2 2 4 4 6 6 2 2 4 1 3 3 5 5 1 1 3 3 4 6 2 4 2 ② c ③ 3 4 ④ 5 a ⑤
6
⑥
b
1
3
ωt
ωt
ωt
ωt
60°
晶闸管调节电路
7.3 直流伺服电机及其速度控制 2．PWM调速控制系统
7.3 直流伺服电机及其速度控制
1．晶闸管调速系统 常用于大功率及要求不很高的直流伺服电机调速控制。
主要内容
U*n
+
US -
I*n 主要内容 速度 调节器 + In -
电流 调节器
触发脉冲 发生器 电流反馈 速度反馈
可控硅
Un
电流检测 编码器
电机
速度环：速度调节，作用：好的静态、动态特性。
控制 回路 电流环：电流调节，作用：系统快速性、稳定性改善。 触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移 或后移。 主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。
实例：直流伺服系统
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
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
一、直流电机原理
为什么要用电刷？
一、直流电机的原理
F
8
N
1
3
n
6
A B
5
7
4
这样的连接方 法只有一组线 圈得电，绕组 使用率低，那 么如何提高绕 组的使用率 呢？
2
S
F
改进后的绕线
N
1
8
n
7
6
3

2 4
5
提高了绕组的使用率
S
改进后的绕组
直流电机的励磁方式
励磁概念：由电流激励出磁场的过程叫做励磁。
主要内容
n Δn
N
n n n
02
Φ2 Φ1 ΦN n n n
2 1
N
U aN U a1 U a2 U aN>U a1 > U a2
01
0N
1
2
N
ΦN>Φ1>Φ2 O TN T
T
N
T
7.3 直流伺服电机及其速度控制
直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式
主要内容
调速的概念有两个方面的含义:
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。
7.3 直流伺服电机及其速度控制
主回路由大功率晶闸管构成的三相全控桥式反并接可逆电 路，分成二大部分（ Ⅰ和 Ⅱ ），每部分内按三相桥式连 接，二组反并接，分别实现正转 和反转。
Ⅰ
1 3 5 8
Ⅱ
12 10
KM
UD
A B
-
UM KM
M
+
C
4
6
2
7
9
11
各有一个可控硅同时导通，形成回路。
7.3 直流伺服电机及其速度控制
低速，特性很软，运转稳定性很差； n 调节平滑性差，操作费力。 主要内容 n0
Ua Ra n T 2 m K E K E KT Ra n0 T 2 m K E KT
R0
R1 R2 T
7.3 直流伺服电机及其速度控制
调节电枢电压（调压调速）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 主要内容 有较硬的机械特性，所以调压调速主要用于伺服进给 驱动系统电机的调速 n
整流
速 度 指 令
U△
速度 调节器
电流 调节器
Usr
脉宽 调制
USC
基极 驱动
Ub
M 功 放
电流反馈 速度反馈
控制回路： 速度调节器；电流调节器；固定频率振荡器及三 角波发生器；脉宽调制器和基极驱动电路。
区别： 与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节 器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器。
ωt
7.3 直流伺服电机及其速度控制
U Ia
+
U
T Ton
主要内容
Ea Ea VD Ua
t t t
M
Ia
-
1 直流电机电压的平均值: U a T
T—脉冲周期，

T
0
Ton Ea Ea T
Ton—导通时间
7.3 直流伺服电机及其速度控制 脉宽调制（PWM）系统组成：
三相交流电 主要内容
振荡器
如果 Δ n 值较大，不可能 n 实现宽范围的调速。永磁 式直流伺服电机的 Δ n 值 n 较小，因此，进给系统常 n 采用永磁式直流电机。
Δn n n n O
N 0N
01
N
U aN U a1 U a2 U aN>U a1 > U a2
02
1
2
T
N
T
7.3 直流伺服电机及其速度控制
调节磁通（调磁调速）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
U△
U Sr
来的直流电压 U△- 三角波 USC- 脉宽调制器的输出（US r+U△） 调制波形图
U
t
R1 R1
R2
+ -
+12V
USC R3
S r
+U
△
t
U
-12V
S r
o
+U
△
+U S r o
-U S r
US r为正时 USr为负时
t t
t
USr为0时
t
调制出正负脉宽一样 调制出脉宽较宽的 调制出脉宽较窄的 方波平均电压为0 波形平均电压为正 波形平均电压为负
7.3 直流伺服电机及其速度控制
直流电机转速与转矩的关系 n=f(T)称机械特性 主要内容 n 电机转速与理想转速的差 Δ n， n 反映了电机机械特性硬度，Δ n n0 越小（转矩对转速变化的影响 T 程度越小），机械特性越硬。 T
Ua Ra n T 2 m K E K E KT Ra n0 T 2 m K E KT