伺服电机与伺服控制系统原理全

伺服系统应用举例（1）
图1.7 液压仿形车床工作原理图
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
二. 伺服系统的定义： (servomechanism) (servo-system）
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。
如果电动机以恒 角速度转动，则 ：
J d 0
dt
实例：直流伺服系统
Ra
ei (t)
ia
La
0 (t ) eb TM
TN
J
B
i f 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 i f 式中：K f ——常数 i f 为磁场励磁电流
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，只改主要变内电容 机的理想转速n0 ，保持了原 有较硬的机械特性，所以调压调速主要用于伺服进给
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
T 程度越小），机械特性越硬。 T
n

Ua KE

Ra KE KT 2
Tm

n0

KE
Ra KT
2
Tm
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
n

Ua KE

Ra KE KT 2
Tm

n0

Ra KE KT 2
伺服电机与伺服控制系统原理 全
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
S“e伺rvo服m”ec—ha词nis源m 于希腊语“奴隶”的意 思。
伺服系统应用举例（2）
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
Tm KT Ia
感应电势与转速关系 Ea KEn （ 一定）
电枢回路电压平衡方程式 U a Ea I a Ra
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
n0
n
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
Tm
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；
低速，特性很软，运转稳定性很差； 调节平滑性差，操作费力。nn主0 要内容
n

Ua KE

Ra KE KT 2
Tm

n0

Ra KE KT 2
Tm
R0 R1 R2
T
7.3 直流伺服电机及其速度控制
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

Gaf i f

Raia

La
dia dt
uf
Rfif
Lf
di f dt
ua u f u
Ua
I
Ia
M
If
1. 电气系统的电动平衡方程
u ——电源电压
ua ——电枢绕组上的端电压
u f ——励磁绕组上的端电压
(Js2 Bs)0 (s) TN (s) Eb (s) Kbs0 (s)
当负载转矩 TN (s) 0 其传递函数是:
实例：直流伺服系统
G(s) 0(s)
KT
Ei (s) s[(Las Ra )(Js B) KT Kb
TN (s)
Ei (s)

1 La s Ra
ia ——电枢电流
i f ——励磁电流
Ra ——电枢电路的电阻
R f ——励磁回路的电阻
La ——电枢回路的自感系数
L f ——励磁回路的自感系数
——电动机的机械角速度
2. 机械系统的转矩平衡方程
d
Te T2 T0 J dt
Te ——电磁转矩 T2 ——负载转矩
T0 ——空载损耗转矩
一、直流Leabharlann Baidu机原理
为什么要用电刷？
一、直流电机的原理
N
F
1
8
3
n
6
A B
5
4
7
2
SF
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？
改进后的绕线
N
1
8
n6
3


7
2
4
5
S
改进后的绕组
提高了绕组的使用率
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。
Ia (s)
KT TM (s)

1 s(Js B)
0 (s)
Eb (s)
Kb (s)
直流伺服电机的系统方框图
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
原 理 Uf Uf 图
Ia Ia
主要内容
M M Ua Ua
Ra RLa a La
Ua Ua
等 Ea Ea 效
图
电磁转矩
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。
伺服电机的分类
伺服电机
鼠笼转子
交流伺服电机 杯形转子
1.电枢电压方程：
La
dia dt

Raia

ei
eb
实例：直流伺服系统
2.电动机转矩 TM KT ia
3.转矩平衡方程
J
d 20
dt 2
B
d0
dt
TM
TN
4.电动机的反电动势正比于速度
eb

Kb
d0
dt
Kb ——反电动势常数
实例：直流伺服系统
系统因果方程拉氏变换为
(Las Ra )Ia (s) Ei (s) Eb (s) TM (s) KT Ia (s)
直流伺服电机
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 / m2 )
i ——导体中的电流 ( A)
l ——导体的有效长度(m)
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。