运动控制技术四执行元件与驱动技术直流伺服

工作状态与波形
（2）有制动的不可逆PWM变换器
一般电动状态
2 1
回路２
回路１
（2）有制动的不可逆PWM变换器
轻载电动状态： 电动与制动交替出现 回路３ 能耗制动
回路４ 再生制动
（2）有制动的不可逆PWM变换器
制动状态: 当控制电压突然减小，或者电动机在位能负载转矩带动 下工作，会出现Ｅ＞Ｕd，即电动机处于发电运行状态。
ua
1/ Ra
ia
e 1 sLa / Ra
Ct T TL
1 Js
n
Ce
引入一个机电时间常数: T m JaR /C tC e 2
电枢回路电磁时间常数:
Ta
La Ra
ua
e
1 1
ia
Ra 1 Ta s
Ct
T
TL
Ra
CeCt 2
1 Tms
n
Ce
4.3 直流伺服电动机及其驱动技术
4.3.2 直流电机控制系统的数学模型
T m JaR /C tC e 2
4.3.3 直流伺服电机的技术指标及选型
✓额定功率 PN , 额定电压UN 额定电流 IN 在此功率下允许电机长期连续的运行而不过热.
✓额定转速 nN : ✓额定转矩 TN , ✓最大 转矩 TM: 电机在短时间内可以输出的最大转矩,反应其过载能 力;(一般是额定转矩的5~10倍)
即
J
30
J0
4.3 直流伺服电动机及其驱动技术
4.3.2 直流电机控制系统的数学模型
uaia e11s/R L aa /Ra 1 K T aas
n 1 T TL Js
ua
e
1/ Ra 1 sLa / Ra
ia
Ct T TL
1 Js
n
Ce
直流电机的精确模型
4.3 直流伺服电动机及其驱动技术
4.3.2 直流电机控制系统的数学模型
✓机电时间常数(通常小于20ms)
✓电磁时间常数(通常小于5ms) ✓转动惯量
TN PN N
26P 0nNN
9.55PN nN
最大转矩
最高转速
连续工作区：电机可在转矩和转速的任意组合下长期工作。 断续工作区：电机只能作间断工作，整流子和电刷工作于无火花的换向区，
可承受低速大转矩的工作状态。间断周期要根据载荷周期曲线求得。 右图为力矩过载倍数与导通时间的关系曲线。 加减速区： 电枢电流受去磁极限和瞬时换向极限的限制。电机只允许瞬时过渡。
T M 1 S(GM 2 D GLD M 2)2nM ta/6 0 T LM
8）所需减速运行转矩
T M 2S (GM 2 D GLD M 2)2n tM d/6 0 T LM
TMR
9）转矩有效值校核
TMR
TM1S2taTLM2tcTM2S2td T
l10m0m 0.5
t(s)
4.3.4 直流伺服电动机调速系统及其驱动技术
转速与电枢电压间传递关系: (s) 1/Ce
Ua(S) TmTas2Tms1
若电磁时间常数很小,既忽略电感:
(s)
1/
Ce
Ua(S) Tms1
可见:直流伺服电机过渡过程的快慢,取决于机电时间常数.
为了加快系统响应速度,可以:
1.减小机械系统等效转动惯量; 2.给电机供电的电源内阻小,Ra小; 3.加大等效反电动势系数
伺服电机的选型
２.发热校核：负载波动频繁时，要计算一个 工作周期的负载力矩的均方根值Trms，使其 小于电动机的额定力矩。
３.转矩过载校核：折算到电机轴的最大负载 转矩小于电机轴输出最大转矩。电机的最大 转矩一般为额定转矩乘过载系数λ《３.
例３. 已知工作台重量（含工件）m=100kg，工作台移动速度VL=15m/min， 摩擦系数μ=0.2，减速器效率η=80%，进给丝杠长度L=10000mm，直径
直流伺服电机的技术指标
对要求频繁起动/制动的数控机床，为避免电机过热，必须 检查在一个周期内电机转矩的均方根值，即有效力矩，并使 它小于电机连续额定转矩。
例1：
满足有效力矩小于电机连续额定转矩
常见的速度轮廓曲线
v、T
起动
v t1
运动
t2
制动
t3
停止
t4
O
v、T
起动
t1
制动
t2
停止
t3
O
t
梯形速度轮廓曲线
光电型旋转编码器（增量型/绝对值型），旋 转变压器型
快 较高
4.3 直流伺服电动机及其驱动技术
4.3.1 直流伺服电机工作原理与机械特性
（1）定子 : 定子磁场由定
子的磁极产生，根据磁场的产生 方式，直流伺服电动机可分为永 磁式和他励式。永磁式磁极由永 磁材料制成；他励式磁极由冲裁 的硅钢片叠压而成，外部绕线圈， 通以直流电流便产生恒定磁场。
4.3 直流伺服电动机及其驱动技术
4.3.1 直流电机工作原理与机械特性
如何控制转速使其保持恒定呢？
n
电机机械特性
n1
Id1
Id2
Id3
Id4
Id
改变电枢电压，得到硬的机械特性，只能靠闭环控制
4.3 直流伺服电动机及其驱动技术
4.3.1 直流电机工作原理与机械特性
直流伺服电动机的调节特性也是一组斜率相 同的直线簇。每条调节特性和一种电磁转矩 相对应，与Ua轴的交点是启动时的电枢电压。
Ua一定时，当 Ｔ时n
负载转矩增加转速下降 反电势减少电流增加电
T 磁转矩增加平衡电机以较
低的转速稳定运行
4.3 直流伺服电动机及其驱动技术
4.3.1 直流电机工作原理与机械特性
N0是空载转速;
nC 1 e U aIaR aC U e a C eC R ta 2T
Td称为启动瞬时转矩，其值也与电枢电压成正比。
3回路：电流方向与Ｅ同向，产生制动转矩－能耗制动； ４回路：因为电枢电感的作用，维持，能量回馈给电源－－再生制动
（2）有制动的不可逆PWM变换器
3） 双极式可逆PWM变换器
3） 双极式可逆PWM变换器
工作状态与波形
电压平衡方程：
在一个开关周期内电压在 +us,-us之间变换一次，所 以称作双极性可逆ＰＷＭ 变换器。
3） 双极式可逆PWM变换器
Ub1、Ub 4
O t3
t
t1 t2 T t3 t1
Ub2、Ub 3 O
Ud UAB O
id
id1
O
id4
id2
id1
id3 id4
t t id2 t
2. 晶体管脉宽调制（PWM）调速系统
1).直流斩波器的基本结构
直流斩波器－－电动机系统原理图和电压波形
电动机得到的平均电压为：
直流斩波器的基本结构与工作原理
2). 斩波器的三种控制方式
PWM: Pulse width modulation
几种典型PWM变换器的基本结构及工作原理
1). 无制动作用的不可逆PWM变换器
（2）转子: 又叫电枢，由
硅钢片叠压而成，表面嵌有线圈， 通以直流电时，在定子磁场作用 下产生带动负载旋转的电磁转矩。
（3）电刷与换向片: 为使产 生的电磁转矩保持恒定方向，确 保转子能沿着固定的方向均匀连 续旋转，电刷与外加直流电源相 接，换向片与电枢导体相接。
4.3 直流伺服电动机及其驱动技术
4）所需负载稳态功率 5）所需负载加速功率
PR
mgvL
/
60
Pa ２ １ Ｊ LM(2nM t /60)2
根据功率要求选择电机，一般，所选电动机额定功率为负载稳定运行 功率和加速功率之和的２-３倍。初步选择电机后，验算其转动力矩。
6）所需稳态运行转矩
TLM
mgvL 2nM
7）所需加速启动运行转矩
直流伺服电动机的调节特性
4.3 直流伺服电动机及其驱动技术
4.3.2 直流电机控制系统的数学模型
电枢电压平衡方程为：
ua
Raia
La
dia dt
e
e Cen
电枢电流与电枢电压之间传递函数为: uaia (e s)(s)11 s/R a La /Ra1 K T aas
4.3 直流伺服电动机及其驱动技术
伺服电机校核
伺服电机的选型
１.功率估算，初步选定电机；
一般电机功率大于负载功率的２－３倍 1) 若电机在峰值负载转矩下以峰值转速驱动负 载，则功率按峰值估算； ２) 若电机连续工作在变负载之下，按负载均 方根估算。
惯量匹配 1) 小惯量电机，推荐JL<3Jm，保证灵敏性，快 速性； ２) 大惯量电机，Jm＝0.1-0.6kgm2,惯量大转矩 大，热时间常数大，过载能力强。推荐 0.25<JL/Jm<1，保证灵敏性，快速性；
UR
ES 速度 IR
E1 电流
+
调节器 +
调节器
Uf
If -
触发脉冲 发生器
可控硅 整流器
电流反馈
电流检测
速度反馈
编码器
电机
速度环：速度调节（PI），作用：好的静态、动态特性。 电流环：电流调节(P或PI)。作用：加快响应、启动、低
频稳定等。 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。 可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。
响应速度 价格
主要是位置控制
低速时有振动（但用细分型驱动器则可明显 改善）
一般较低，细分型驱动时较高 高速时，力矩下降快 过载时会失步 大多数为开环控制，也可接编码器，防止失
步 ---
一般（需要200～400毫秒） 低
多样化智能化的控制方式，位置/转速/转矩 方式
好，运行平滑
高（具体要看反馈装置的分辨率） 力矩特性好，特性较硬 可3~10倍过载（短时） 闭环方式，编码器反馈
控制方式：
nC 1 e U aIaR aC U e a C eC R ta 2T
1.电枢控制（主要）； 2.磁极控制（少用）。
4.3 直流伺服电动机及其驱动技术
4.3.1 直流电机工作原理与机械特性
n n0
nC 1 e U aIaR aC U e a C eC R ta 2T
n 称为转速降落
n
D=20mm，导程p=10mm。要求：每次移动量l=100mm，定位次数60次/min，
定位时间0.5s以下。试选择直流伺服电动机。
解：
1）增量运动图
vL(m/ min)
15
假定速度运行图如图，
l10m0m
vL
则需启动的时间：tatd
0.5l/10000.1s vl /60
ta
tc
td
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2）进给丝杠转速
4.3.2 直流电机控制系统的数学模型
转矩平衡方程为：
J
dn dt
T
T
L
T C t ia
n1
T TL Js
J ——转速惯量(N·m·s·min / r)
它与常用的转动惯量 J 0 (N ·m·s2/ rad) 的关系可从下式推得：
T T L J 0d d tJ 0d d 2 6 tn 0 3J 0 0 d d n tJd dn t
4.3.3 直流伺服电机的驱动 晶闸管（可控硅）调速系统 通过对晶闸管触发角的控制来控制电机电枢电 压，以达到调速的目的。 晶体管脉宽调制（PWM）调速系统 通过脉宽调制器将直流电压转换成方波电压， 通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均 电压，以达到调速的目的。
1. 晶闸管调速系统
包括 控制回路：速度环、电流环、触发脉冲发生器等。 主回路： 可控硅整流放大器等。
4.3.1 直流电机工作原理与机械特性
直流电机电刷间的反电动势：
ECen
直流电机的电磁转矩表示为：
T CtIa
电枢回路中的电压平衡方程式为:
Ia
Ua Ra
E
4.3 直流伺服电动机及其驱动技术
4.3.1 直流电机工作原理与机械特性
Ia
Ua Ra
E
ECen
T CtIa
直流电动机的机械特性方程式为:
运动控制技术四执行元件与驱动 技术直流伺服
伺服电机
伺服电动机必须具备可控性好、稳定性高和 适应性强等基本性能。
提高直流伺服电动机的力矩/惯量比可以使 伺服系统在调速范围内都能平滑运转，无爬 行现象；具有较长时间的过载能力；有较小 的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能 小的时间常数和启动电压；具有承受频繁启 动、制动和正、反转的能力。
选择伺服电机和步进电机？
力矩范围 速度范围
步进电机
中小力矩（一般在20Nm以下） 低（一般在2000RPM以下，大力矩电机小于
1000RPM
伺服电机
小、中、大，全范围
高（可达5000RPM）,直流伺服电机更可达 1~2万转/分
控制方式
平滑性(低频特性）
控制精度 矩频特性 过载特性 反馈方式
编码器类型
t
三角形速度轮廓曲线
例2：龙门刨床工作台控制 v
往复运动
t
系统负载分析与综合
设R为与工作台齿条相 M c
摩擦力矩
t
啮合的齿轮节圆半径, i为
电机与该齿轮之间传动链 M j 惯 性 力 矩
的总速比，η为总效率。
t
切削力矩 Mg
t
合成力矩 M
M1
M2
M3
t4
M5
t5
t
t1
t2
t3 M 4
M 6 t6
设计实例
t(s)
nLP/1vl 000150r/0min
0.5 1.0
３) 若传动比i=2，则电机额定转速： nMPv1L 03i30r0m 0 in
若已计算出负载折算到电机轴总的转动惯量: JLM 7.2 4 13 0Nm 2
功率估算： 1)根据力矩均方根及转速估算功率；
2)分别计算稳态功率及加速功率，求和。