机电一体化系统设计伺服系统设计.pptx

n n伺服系统伺服系统，也称为随动系统，是一种能够，也称为随动系统，是一种能够及时跟踪输入给定信号并产生动作，从而及时跟踪输入给定信号并产生动作，从而获得精确的位置、速度等输出的自动控制获得精确的位置、速度等输出的自动控制系统。伺服系统是自动控制系统的一类，系统。伺服系统是自动控制系统的一类，它的输出变量通常是机械或位置的运动，它的输出变量通常是机械或位置的运动，它的根本任务是实现执行机构对给定指令它的根本任务是实现执行机构对给定指令的准确跟踪，即实现输出变量的某种状态的准确跟踪，即实现输出变量的某种状态能够自动、连续、精确地复现输入指令信能够自动、连续、精确地复现输入指令信号的变化规律。号的变化规律。一、伺服系统概念一、伺服系统概念n n按被控量的不同按被控量的不同可以将伺服系统分为可以将伺服系统分为位置位置伺服系统伺服系统、速度伺服系统速度伺服系统，其中最常见的，其中最常见的是位置伺服系统是位置伺服系统；n n按照控制方式按照控制方式，可将伺服系统分为，可将伺服系统分为开环、开环、闭环、半闭环系统闭环、半闭环系统。（P25）n n根据执行器使用的动力源根据执行器使用的动力源，可以将伺服系，可以将伺服系统分为统分为电气伺服系统电气伺服系统、液压伺服系统液压伺服系统和和气气压伺服系统压伺服系统等几种类型等几种类型二、伺服系统类型二、伺服系统类型n n例：数控机床伺服系统例：数控机床伺服系统例：数控机床伺服系统例：数控机床伺服系统，n n由图可以看出，它与一般的反馈控制系统一样，由图可以看出，它与一般的反馈控制系统一样，由图可以看出，它与一般的反馈控制系统一样，由图可以看出，它与一般的反馈控制系统一样，也是由控制器、被控对象、反馈测量装置等部分也是由控制器、被控对象、反馈测量装置等部分也是由控制器、被控对象、反馈测量装置等部分也是由控制器、被控对象、反馈测量装置等部分组成。组成。组成。组成。二、伺服系统类型二、伺服系统类型n n 对伺服系统的基本要求有对伺服系统的基本要求有对伺服系统的基本要求有对伺服系统的基本要求有稳定性稳定性稳定性稳定性、精度精度精度精度和和和和快速快速快速快速响应性响应性响应性响应性。n n 稳定性是指作用在系统上的扰动消失后，系统稳定性是指作用在系统上的扰动消失后，系统稳定性是指作用在系统上的扰动消失后，系统稳定性是指作用在系统上的扰动消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态的能力。的能力。的能力。的能力。n n 精度是伺服系统的一项重要的性能要求。它是精度是伺服系统的一项重要的性能要求。它是精度是伺服系统的一项重要的性能要求。它是精度是伺服系统的一项重要的性能要求。它是指其输出量复现输入指令信号的精确程度。指其输出量复现输入指令信号的精确程度。指其输出量复现输入指令信号的精确程度。指其输出量复现输入指令信号的精确程度。n n 快速响应性是衡量伺服系统动态性能的另一项快速响应性是衡量伺服系统动态性能的另一项快速响应性是衡量伺服系统动态性能的另一项快速响应性是衡量伺服系统动态性能的另一项重要指标。快速响应性有两方面含义，一是指动重要指标。快速响应性有两方面含义，一是指动重要指标。快速响应性有两方面含义，一是指动重要指标。快速响应性有两方面含义，一是指动态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的迅速程度，二是指动态响应过程结束的迅速程度。迅速程度，二是指动态响应过程结束的迅速程度。迅速程度，二是指动态响应过程结束的迅速程度。迅速程度，二是指动态响应过程结束的迅速程度。三、伺服系统的基本要求三、伺服系统的基本要求由于由于A A、B B两相相差两相相差9090度，可通过比较度，可通过比较A A相在前还相在前还是是B B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。信号连接信号连接编码器的脉冲信号一般连接计数器、编码器的脉冲信号一般连接计数器、PLCPLC、计算机，、计算机，PLCPLC和计算机连接的模块有低速和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有低有高。模块与高速模块之分，开关频率有低有高。如单相联接，用于单方向计数，单方向测速。如单相联接，用于单方向计数，单方向测速。A.BA.B两相联接，用于正反向计数、判断正反向和两相联接，用于正反向计数、判断正反向和测速。测速。A A、B B、Z Z三相联接，用于带参考位修正的位置三相联接，用于带参考位修正的位置测量。测量。n n绝对型编码器（旋转型）绝对型编码器（旋转型）绝对型编码器（旋转型）绝对型编码器（旋转型）绝对编码器光码盘上有许多道光通道刻线，每道绝对编码器光码盘上有许多道光通道刻线，每道刻线依次以刻线依次以2 2线、线、4 4线、线、8 8线、线、16 16 线。线。编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从每道刻线的通、暗，获得一组从2 2的零次方到的零次方到2 2的的n-1n-1次方的唯一的次方的唯一的2 2进制编码（格雷码），这就称进制编码（格雷码），这就称为为n n位绝对编码器。这样的编码器是由光电码盘的位绝对编码器。这样的编码器是由光电码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。绝对编码器由机械位置决定的每个位置是唯一的，绝对编码器由机械位置决定的每个位置是唯一的，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。性大大提高了。光栅传感器光栅传感器长光栅横向模尔条纹 从图中不难看出。当从图中不难看出。当光栅副光栅副间的夹角间的夹角很小，且两光栅的栅距相等，都为很小，且两光栅的栅距相等，都为W时，莫时，莫尔条纹间距尔条纹间距B为为:由于由于值很小，条纹近似与栅线的方向值很小，条纹近似与栅线的方向垂直，故称为横向莫尔条纹。垂直，故称为横向莫尔条纹。横向莫尔条纹重要特性横向莫尔条纹重要特性:莫尔条纹运动与光栅运动具有对应关系莫尔条纹运动与光栅运动具有对应关系莫尔条纹具有位移放大作用莫尔条纹具有位移放大作用 莫尔条纹具有平均光栅误差作用莫尔条纹具有平均光栅误差作用原理图原理图1退 出4.2 伺服系统执行元件及其控制伺服系统执行元件及其控制n n一、执行元件类型及特点一、执行元件类型及特点一、执行元件类型及特点一、执行元件类型及特点n n二、步进电机及其控制二、步进电机及其控制二、步进电机及其控制二、步进电机及其控制n n三、伺服电机及其控制三、伺服电机及其控制三、伺服电机及其控制三、伺服电机及其控制 1.1.电气执行元件电气执行元件电气执行元件电气执行元件 电气执行元件包括直流电气执行元件包括直流电气执行元件包括直流电气执行元件包括直流(DC)(DC)伺服电机、交流（伺服电机、交流（伺服电机、交流（伺服电机、交流（ACAC）伺服电机、步进电机以及电磁铁等，是最常用的执行元伺服电机、步进电机以及电磁铁等，是最常用的执行元伺服电机、步进电机以及电磁铁等，是最常用的执行元伺服电机、步进电机以及电磁铁等，是最常用的执行元件。对伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态件。对伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态件。对伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态件。对伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态性能好，适合于频繁使用，便于维修等性能好，适合于频繁使用，便于维修等性能好，适合于频繁使用，便于维修等性能好，适合于频繁使用，便于维修等n n2 2液压式执行元件液压式执行元件液压式执行元件液压式执行元件 液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点n n3 3气压式执行元件气压式执行元件气压式执行元件气压式执行元件 气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。一、执行元件类型及特点一、执行元件类型及特点n n1 1、工作原理：、工作原理：、工作原理：、工作原理：n n 当第一个脉冲通入当第一个脉冲通入当第一个脉冲通入当第一个脉冲通入AA相时，磁通企图沿着磁阻最小的相时，磁通企图沿着磁阻最小的相时，磁通企图沿着磁阻最小的相时，磁通企图沿着磁阻最小的路径闭合，在此磁场力的作用下，转子的路径闭合，在此磁场力的作用下，转子的路径闭合，在此磁场力的作用下，转子的路径闭合，在此磁场力的作用下，转子的1 1、3 3齿要和齿要和齿要和齿要和AA级级级级对齐。当下一个脉冲通入对齐。当下一个脉冲通入对齐。当下一个脉冲通入对齐。当下一个脉冲通入BB相时，磁通同样要按磁阻最小相时，磁通同样要按磁阻最小相时，磁通同样要按磁阻最小相时，磁通同样要按磁阻最小的路径闭合，即的路径闭合，即的路径闭合，即的路径闭合，即2 2、4 4齿要和齿要和齿要和齿要和BB级对齐，则转子就顺逆时针级对齐，则转子就顺逆时针级对齐，则转子就顺逆时针级对齐，则转子就顺逆时针方向转动一定的角度。方向转动一定的角度。方向转动一定的角度。方向转动一定的角度。二、步进电动机及其控制二、步进电动机及其控制n n 若通电脉冲的次序为若通电脉冲的次序为若通电脉冲的次序为若通电脉冲的次序为AA、C C、BB、AA，则不，则不，则不，则不难推出，转子将以顺时针方向一步步地旋转。这难推出，转子将以顺时针方向一步步地旋转。这难推出，转子将以顺时针方向一步步地旋转。这难推出，转子将以顺时针方向一步步地旋转。这样，用不同的脉冲通入次序方式就可以实观对步样，用不同的脉冲通入次序方式就可以实观对步样，用不同的脉冲通入次序方式就可以实观对步样，用不同的脉冲通入次序方式就可以实观对步进电动机的控制。进电动机的控制。进电动机的控制。进电动机的控制。n n 脉冲的数量控制电机的转角；脉冲的频率控制脉冲的数量控制电机的转角；脉冲的频率控制脉冲的数量控制电机的转角；脉冲的频率控制脉冲的数量控制电机的转角；脉冲的频率控制电机的转速；脉冲的通入次序控制电机的方向。电机的转速；脉冲的通入次序控制电机的方向。电机的转速；脉冲的通入次序控制电机的方向。电机的转速；脉冲的通入次序控制电机的方向。n n 定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上述的通电方式称为三相单三拍。所谓述的通电方式称为三相单三拍。所谓述的通电方式称为三相单三拍。所谓述的通电方式称为三相单三拍。所谓“单单单单”是指是指是指是指每次只有一相绕组通电；所谓每次只有一相绕组通电；所谓每次只有一相绕组通电；所谓每次只有一相绕组通电；所谓“三拍三拍三拍三拍”是指经过是指经过是指经过是指经过三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。三、步进电动机及其控制三、步进电动机及其控制n n2.2.性能参数性能参数性能参数性能参数n n (1)(1)步距角步距角步距角步距角n n 步进电动机走一步所转过的角度称为步距角，步进电动机走一步所转过的角度称为步距角，步进电动机走一步所转过的角度称为步距角，步进电动机走一步所转过的角度称为步距角，可按下面公式计算可按下面公式计算可按下面公式计算可按下面公式计算n n 式中式中式中式中 为步距角；为步距角；为步距角；为步距角；为转子上的齿数；为转子上的齿数；为转子上的齿数；为转子上的齿数；为为为为步进电动机运行的拍数。步进电动机运行的拍数。步进电动机运行的拍数。步进电动机运行的拍数。n n 同一台步进电动机，因通电方式不同，运行时同一台步进电动机，因通电方式不同，运行时同一台步进电动机，因通电方式不同，运行时同一台步进电动机，因通电方式不同，运行时步距角也是不同的步距角也是不同的步距角也是不同的步距角也是不同的 三、步进电动机及其控制三、步进电动机及其控制n n(2)(2)启动频率和运行频率启动频率和运行频率启动频率和运行频率启动频率和运行频率n n 我们把不失步启动的最高脉冲频率称为启动频我们把不失步启动的最高脉冲频率称为启动频我们把不失步启动的最高脉冲频率称为启动频我们把不失步启动的最高脉冲频率称为启动频率，也称突跳频率，是步进电动机的一项重要性率，也称突跳频率，是步进电动机的一项重要性率，也称突跳频率，是步进电动机的一项重要性率，也称突跳频率，是步进电动机的一项重要性能指标。能指标。能指标。能指标。n n 运行频率是指步进电动机起动后，当控制脉冲运行频率是指步进电动机起动后，当控制脉冲运行频率是指步进电动机起动后，当控制脉冲运行频率是指步进电动机起动后，当控制脉冲频率连续上升时，步进电动机能不失步的最高频频率连续上升时，步进电动机能不失步的最高频频率连续上升时，步进电动机能不失步的最高频频率连续上升时，步进电动机能不失步的最高频率率率率 三、步进电动机及其控制三、步进电动机及其控制n n(3)(3)最大静转矩和失调角最大静转矩和失调角最大静转矩和失调角最大静转矩和失调角n n 当转子带有负载力矩通电时，转子就不再能和当转子带有负载力矩通电时，转子就不再能和当转子带有负载力矩通电时，转子就不再能和当转子带有负载力矩通电时，转子就不再能和定子上的某极对齐，而是相差一定的角度，该角定子上的某极对齐，而是相差一定的角度，该角定子上的某极对齐，而是相差一定的角度，该角定子上的某极对齐，而是相差一定的角度，该角度所形成的电磁转矩正好和负载力矩相平衡。这度所形成的电磁转矩正好和负载力矩相平衡。这度所形成的电磁转矩正好和负载力矩相平衡。这度所形成的电磁转矩正好和负载力矩相平衡。这个角度称为失调角。个角度称为失调角。个角度称为失调角。个角度称为失调角。n n 步进电动机所能带的静转矩是受到限制的，最步进电动机所能带的静转矩是受到限制的，最步进电动机所能带的静转矩是受到限制的，最步进电动机所能带的静转矩是受到限制的，最大静转矩大静转矩大静转矩大静转矩表示步进电机的承受载荷的能力。表示步进电机的承受载荷的能力。表示步进电机的承受载荷的能力。表示步进电机的承受载荷的能力。三、步进电动机及其控制三、步进电动机及其控制二、伺服电机及其控制二、伺服电机及其控制n n1 直流伺服电动机直流伺服电动机n n基本原理基本原理是主磁极的励磁线圈在直流电源是主磁极的励磁线圈在直流电源下产生恒定磁场，当电枢绕组通入直流电，下产生恒定磁场，当电枢绕组通入直流电，在电枢线圈中有直流电流，因而电枢线圈在电枢线圈中有直流电流，因而电枢线圈在磁场的作用下受到电磁力矩而带动转子在磁场的作用下受到电磁力矩而带动转子旋转。旋转。n n加加加加于于于于直直直直流流流流电电电电机机机机的的的的直直直直流流流流电电电电源源源源，借借借借助助助助于于于于换换换换向向向向器器器器和和和和电电电电刷刷刷刷的的的的作作作作用用用用，使使使使直直直直流流流流电电电电机机机机电电电电枢枢枢枢线线线线圈圈圈圈流流流流过过过过的的的的电电电电流流流流，方方方方向向向向是是是是交交交交变变变变的的的的，从从从从而而而而使使使使电电电电枢枢枢枢产产产产生生生生的的的的电电电电磁磁磁磁转转转转矩矩矩矩的的的的方方方方向向向向恒恒恒恒定定定定不不不不变变变变，确保直流电机朝确定的方向连续旋转。确保直流电机朝确定的方向连续旋转。确保直流电机朝确定的方向连续旋转。确保直流电机朝确定的方向连续旋转。n n定子：磁场定子：磁场定子：磁场定子：磁场永磁体永磁体永磁体永磁体n n转子：电枢绕组转子：电枢绕组转子：电枢绕组转子：电枢绕组n n换向：换向器与电刷换向：换向器与电刷换向：换向器与电刷换向：换向器与电刷n n(2)(2)调速方式调速方式调速方式调速方式n n直流伺服电机的机械特性方程为（直流伺服电机的机械特性方程为（直流伺服电机的机械特性方程为（直流伺服电机的机械特性方程为（P101P101）：）：）：）：n n式中，式中，式中，式中，一电枢控制电压；一电枢控制电压；一电枢控制电压；一电枢控制电压；一电枢回路电一电枢回路电一电枢回路电一电枢回路电n n阻；阻；阻；阻；每极磁通；每极磁通；每极磁通；每极磁通；、分别为电动机分别为电动机分别为电动机分别为电动机的结构常数。的结构常数。的结构常数。的结构常数。二、伺服电机及其控制二、伺服电机及其控制n n由上式知，直流伺服电机的控制方式如下：由上式知，直流伺服电机的控制方式如下：由上式知，直流伺服电机的控制方式如下：由上式知，直流伺服电机的控制方式如下：二、伺服电机及其控制二、伺服电机及其控制（2 2）调磁调速（变励磁电流，恒功率调速）调磁调速（变励磁电流，恒功率调速）调磁调速（变励磁电流，恒功率调速）调磁调速（变励磁电流，恒功率调速）（1 1）调压调速（变电枢电压，恒转矩调速）调压调速（变电枢电压，恒转矩调速）调压调速（变电枢电压，恒转矩调速）调压调速（变电枢电压，恒转矩调速）常用的是前面常用的是前面常用的是前面常用的是前面2 2种调速方式。种调速方式。种调速方式。种调速方式。（3 3）改变电枢回路电阻调速）改变电枢回路电阻调速）改变电枢回路电阻调速）改变电枢回路电阻调速GG控制极控制极控制极控制极K K 阴极阴极阴极阴极G阳极阳极阳极阳极 A AP1P2N1N2四四四四 层层层层 半半半半 导导导导 体体体体 晶闸管是具有三个晶闸管是具有三个PNPN结的四层结构结的四层结构,其外形、其外形、结构及符号如图。结构及符号如图。(b)(b)结构结构结构结构K K GGA A(a)(a)符号符号符号符号三三 个个PNPN 结结晶闸管的结构与符号晶闸管的结构与符号晶闸管的结构与符号晶闸管的结构与符号晶闸管导通的条件：晶闸管导通的条件：晶闸管导通的条件：晶闸管导通的条件：1.1.1.1.晶闸管阳极电路晶闸管阳极电路晶闸管阳极电路晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间阳极与阴极之间阳极与阴极之间阳极与阴极之间)施加正向电压。施加正向电压。施加正向电压。施加正向电压。2.2.2.2.晶闸管控制电路晶闸管控制电路晶闸管控制电路晶闸管控制电路(控制极与阴极之间控制极与阴极之间控制极与阴极之间控制极与阴极之间)加正向电压或正向加正向电压或正向加正向电压或正向加正向电压或正向脉冲脉冲脉冲脉冲(正向触发电压正向触发电压正向触发电压正向触发电压)。晶闸管导通后，控制极便失去作用。晶闸管导通后，控制极便失去作用。晶闸管导通后，控制极便失去作用。晶闸管导通后，控制极便失去作用。依靠正反馈，晶依靠正反馈，晶依靠正反馈，晶依靠正反馈，晶闸管仍可维持导通状态。闸管仍可维持导通状态。闸管仍可维持导通状态。闸管仍可维持导通状态。晶闸管关断的条件：晶闸管关断的条件：晶闸管关断的条件：晶闸管关断的条件：1.1.1.1.必须使可控硅阳极电流减小必须使可控硅阳极电流减小,直到直到正反馈正反馈效应不能维持。效应不能维持。2.2.2.2.将阳极电源断开或者在晶闸管的将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极间加反相电压。阳极和阴极间加反相电压。阳极和阴极间加反相电压。阳极和阴极间加反相电压。晶闸管的特性小结晶闸管的特性小结晶闸管的特性小结晶闸管的特性小结n n将交流电转换成直流电的变换称为整流。所谓可将交流电转换成直流电的变换称为整流。所谓可控整流是指整流输出的直流电压是可控制的控整流是指整流输出的直流电压是可控制的。n n将直流电转换成交流电，这种对应于整流的逆向将直流电转换成交流电，这种对应于整流的逆向过程称为过程称为逆变逆变。n n由此产生整流器、逆变器以及既能实现整流又能由此产生整流器、逆变器以及既能实现整流又能实现逆变的变换器。实现逆变的变换器。二、二、晶闸管可控整流电路晶闸管可控整流电路晶闸管可控整流电路晶闸管可控整流电路单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路u u2 2为变压器二次侧电压。为变压器二次侧电压。u ug g为触发脉冲。为触发脉冲。u ud d为输出给负载的电压，由于是阻为输出给负载的电压，由于是阻性负载，电流与电压波形一致。性负载，电流与电压波形一致。u uVTVT为晶闸管两端电压。为晶闸管两端电压。从晶闸管承受正压起到触发导通之间从晶闸管承受正压起到触发导通之间的电角度称为触发角的电角度称为触发角a a而晶闸管在一个周期内导通的电角度而晶闸管在一个周期内导通的电角度称为导通角称为导通角。改变改变a a的大小，即改变触发脉冲到来的大小，即改变触发脉冲到来时刻称为移相。时刻称为移相。单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路单相桥式整流电路与单相半波整流电路相比，桥式整流把电源电压的负半波也利用起来了，使输出电压在一个电源周期中由原来的只有一个脉波变成了有二个脉波，改善了波形，提高了输出。思考提问：单相桥式整流电路的输出电压、电流波形？晶体管直流脉宽调速控制系统晶体管直流脉宽调速控制系统l 自从全控型电力电子器件问世以后，自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制（就出现了采用脉冲宽度调制（PWM）的高频开关控制方式的高频开关控制方式;l 将将PWMPWM应用于直流调速，形成直流应用于直流调速，形成直流PWMPWM调速系统。调速系统。l PWM变换器的作用是：变换器的作用是：用用PWM调制的方法，把恒定的直流电源电压，调制的方法，把恒定的直流电源电压，调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压系列，调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压系列，从而可以改变平均输出电压的大小，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。以调节电机转速。概述概述为全控型器件为全控型器件 若为晶闸管，若为晶闸管，须有辅助关断电路。须有辅助关断电路。续流二极管续流二极管1.PWM变换器变换器tttOOOTEuGEtontoffi0i1i2I10I20t1u0t2降压斩波电路的原理图及波形降压斩波电路的原理图及波形lt=0时刻驱动时刻驱动V导通导通，电源电源E向负载供电，向负载供电，负载电压负载电压uo=E，负载电流负载电流io 按指数曲线上升。按指数曲线上升。lt=t1时控制时控制V关断，关断，二极管二极管VD续流，续流，负载电压负载电压uo近似为零，近似为零，负载电流负载电流 呈指数曲线下降。呈指数曲线下降。l串大电感串大电感L使负载使负载 电流连续且脉动小。电流连续且脉动小。tttOOOTEuGEtontoffi0i1i2I10I20t1u0t2降压斩波电路的原理图及波形降压斩波电路的原理图及波形负载电压平均值负载电压平均值ton V通的时间通的时间toff V断的时间断的时间 导通占空比导通占空比负载电流平均值负载电流平均值tttOOOTEuGEtontoffi0i1i2I10I20t1u0t2降压斩波电路的原理图及波形降压斩波电路的原理图及波形斩波电路改变占空比的斩波电路改变占空比的方方式式三种方式三种方式 T不变，变不变，变ton 脉冲宽度调制脉冲宽度调制(PWM)ton不变，变不变，变T 频率调制频率调制 ton和和T都可调都可调混合型混合型2.桥式桥式可逆可逆PWM变换器变换器H形主电路结构形主电路结构1324+UsVD1VD2VD3VD4ABM+MVT1VT2Ug1Ug2Ug4VT4VT3Ug3正向正向电动状态电动状态“1”VT1、VT4 导通导通“2”VD2、VD3 续流续流反向反向电动状态电动状态“3”VT2、VT3 导通导通“4”VD1、VD4 续流续流反向反向电动状态的电动状态的电压和电流波形电压和电流波形正向正向电动状态的电动状态的电压和电流波形电压和电流波形U,iUdEid+UsttonT0-Us12121212VT1 VT4VD2 VD3U,iUdEid+UsttonT0-Us34343434VT2 VT3VD1 VD4H形主电路波形形主电路波形n n2.2.交流伺服电动机交流伺服电动机交流伺服电动机交流伺服电动机二、伺服电机及其控制二、伺服电机及其控制 杯形转子伺服电动机的结构图杯形转子伺服电动机的结构图1 1励磁绕组励磁绕组 2 2控制绕组控制绕组 3 3内定子内定子 4 4外定子外定子 5 5转子转子交流伺服电动机的接线图交流伺服电动机的接线图9.1.1 交流伺服电动机交流伺服电动机 交流伺服电动机就是一台交流伺服电动机就是一台两相交流异步电机。两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差它的定子上装有空间互差9090 的的两个绕组：励磁绕两个绕组：励磁绕组和控制绕组，其结构如图所示。组和控制绕组，其结构如图所示。励磁绕组励磁绕组控制绕组控制绕组杯形转子杯形转子内定子内定子交流伺服电动机结构图交流伺服电动机结构图交流伺服电动机结构图交流伺服电动机结构图n n(1)(1)原理原理原理原理:n n 励磁绕组励磁绕组励磁绕组励磁绕组WFWF接到电压为的交流电网上，控制接到电压为的交流电网上，控制接到电压为的交流电网上，控制接到电压为的交流电网上，控制绕组接到控制电压上，当有控制信号输入时，两绕组接到控制电压上，当有控制信号输入时，两绕组接到控制电压上，当有控制信号输入时，两绕组接到控制电压上，当有控制信号输入时，两相绕组便产生旋转磁场。该磁场与转子中的感应相绕组便产生旋转磁场。该磁场与转子中的感应相绕组便产生旋转磁场。该磁场与转子中的感应相绕组便产生旋转磁场。该磁场与转子中的感应电流相互作用产生转矩，使转子跟着旋转磁场以电流相互作用产生转矩，使转子跟着旋转磁场以电流相互作用产生转矩，使转子跟着旋转磁场以电流相互作用产生转矩，使转子跟着旋转磁场以一定的转差率转动起来，其旋转速度为一定的转差率转动起来，其旋转速度为一定的转差率转动起来，其旋转速度为一定的转差率转动起来，其旋转速度为n n式中，式中，式中，式中，f f为交流电源频率为交流电源频率为交流电源频率为交流电源频率(Hz)(Hz)；p p为磁极对数；为磁极对数；为磁极对数；为磁极对数；n n0 0为电动机旋转磁场转速为电动机旋转磁场转速为电动机旋转磁场转速为电动机旋转磁场转速(r/min)(r/min)；s s为转差率为转差率为转差率为转差率 。二、伺服电机及其控制二、伺服电机及其控制n n(2)(2)控制控制控制控制:二、伺服电机及其控制二、伺服电机及其控制幅值控制原理图幅值控制原理图 不同控制电压下的不同控制电压下的 机械特性曲线机械特性曲线 由右图可知，在一定负载转矩下，控制电压越高，转差率由右图可知，在一定负载转矩下，控制电压越高，转差率越小，电动机的转速就越高，不同的控制电压对应着不同的转越小，电动机的转速就越高，不同的控制电压对应着不同的转速。这种维持与相位差为速。这种维持与相位差为90，利用改变控制电压幅值大小来，利用改变控制电压幅值大小来改变转速的方法，称为幅值控制方法。改变转速的方法，称为幅值控制方法。n n在进行系统方案设计时，需要考虑以下方面的问题：在进行系统方案设计时，需要考虑以下方面的问题：在进行系统方案设计时，需要考虑以下方面的问题：在进行系统方案设计时，需要考虑以下方面的问题：n n1 1系统闭环与否的确定系统闭环与否的确定系统闭环与否的确定系统闭环与否的确定 n n 当系统负载不大，精度要求不高时，可考虑开环当系统负载不大，精度要求不高时，可考虑开环当系统负载不大，精度要求不高时，可考虑开环当系统负载不大，精度要求不高时，可考虑开环控制；反之，当系统精度要求较高或负载较大时，控制；反之，当系统精度要求较高或负载较大时，控制；反之，当系统精度要求较高或负载较大时，控制；反之，当系统精度要求较高或负载较大时，开环系统往往满足不了要求，这时要采用闭环或半开环系统往往满足不了要求，这时要采用闭环或半开环系统往往满足不了要求，这时要采用闭环或半开环系统往往满足不了要求，这时要采用闭环或半闭环控制系统。一般情况下，开环系统的稳定性不闭环控制系统。一般情况下，开环系统的稳定性不闭环控制系统。一般情况下，开环系统的稳定性不闭环控制系统。一般情况下，开环系统的稳定性不会有问题，设计时仅考虑满足精度方面的要求即可，会有问题，设计时仅考虑满足精度方面的要求即可，会有问题，设计时仅考虑满足精度方面的要求即可，会有问题，设计时仅考虑满足精度方面的要求即可，并通过合理的结构参数匹配，使系统具有尽可能好并通过合理的结构参数匹配，使系统具有尽可能好并通过合理的结构参数匹配，使系统具有尽可能好并通过合理的结构参数匹配，使系统具有尽可能好的动态响应特性。的动态响应特性。的动态响应特性。的动态响应特性。一、方案设计一、方案设计n n2 2执行元件的选择执行元件的选择执行元件的选择执行元件的选择 n n 选择执行元件时应综合考虑负载能力、调速选择执行元件时应综合考虑负载能力、调速选择执行元件时应综合考虑负载能力、调速选择执行元件时应综合考虑负载能力、调速范围、运行精度、可控性、可靠性以及体积、成范围、运行精度、可控性、可靠性以及体积、成范围、运行精度、可控性、可靠性以及体积、成范围、运行精度、可控性、可靠性以及体积、成本等多方面的要求。一般来讲，对于开环系统可本等多方面的要求。一般来讲，对于开环系统可本等多方面的要求。一般来讲，对于开环系统可本等多方面的要求。一般来讲，对于开环系统可考虑采用步进电动机、电液脉冲马达和伺服阀控考虑采用步进电动机、电液脉冲马达和伺服阀控考虑采用步进电动机、电液脉冲马达和伺服阀控考虑采用步进电动机、电液脉冲马达和伺服阀控制的液压缸和液压马达等，应优先选用步进电动制的液压缸和液压马达等，应优先选用步进电动制的液压缸和液压马达等，应优先选用步进电动制的液压缸和液压马达等，应优先选用步进电动机。机。机。机。对于中小型的闭环系统可考虑采用直流伺服对于中小型的闭环系统可考虑采用直流伺服对于中小型的闭环系统可考虑采用直流伺服对于中小型的闭环系统可考虑采用直流伺服电动机、交流伺服电动机，对于负载较大的闭环电动机、交流伺服电动机，对于负载较大的闭环电动机、交流伺服电动机，对于负载较大的闭环电动机、交流伺服电动机，对于负载较大的闭环伺服系统可考虑选用伺服阀控制的液压马达等。伺服系统可考虑选用伺服阀控制的液压马达等。伺服系统可考虑选用伺服阀控制的液压马达等。伺服系统可考虑选用伺服阀控制的液压马达等。一、方案设计一、方案设计n n3 3传动机构方案的选择传动机构方案的选择传动机构方案的选择传动机构方案的选择 n n 传动机构是执行元件与执行机构之间的一个连传动机构是执行元件与执行机构之间的一个连传动机构是执行元件与执行机构之间的一个连传动机构是执行元件与执行机构之间的一个连接装置，用来进行运动和力的变换与传递。在伺接装置，用来进行运动和力的变换与传递。在伺接装置，用来进行运动和力的变换与传递。在伺接装置，用来进行运动和力的变换与传递。在伺服系统中，执行元件以输出旋转运动和转矩为主，服系统中，执行元件以输出旋转运动和转矩为主，服系统中，执行元件以输出旋转运动和转矩为主，服系统中，执行元件以输出旋转运动和转矩为主，而执行机构则多为直线运动。用于将旋转运动转而执行机构则多为直线运动。用于将旋转运动转而执行机构则多为直线运动。用于将旋转运动转而执行机构则多为直线运动。用于将旋转运动转换成直线运动的传动机构主要有齿轮齿条和丝杠换成直线运动的传动机构主要有齿轮齿条和丝杠换成直线运动的传动机构主要有齿轮齿条和丝杠换成直线运动的传动机构主要有齿轮齿条和丝杠螺母等。前者可获得较大的传动比和较高的传动螺母等。前者可获得较大的传动比和较高的传动螺母等。前者可获得较大的传动比和较高的传动螺母等。前者可获得较大的传动比和较高的传动效率，所能传递的力也较大，但高精度的齿轮齿效率，所能传递的力也较大，但高精度的齿轮齿效率，所能传递的力也较大，但高精度的齿轮齿效率，所能传递的力也较大，但高精度的齿轮齿条制造困难，且为消除传动间隙而结构复杂；后条制造困难，且为消除传动间隙而结构复杂；后条制造困难，且为消除传动间隙而结构复杂；后条制造困难，且为消除传动间隙而结构复杂；后者因结构简单、制造容易而应用广泛。者因结构简单、制造容易而应用广泛。者因结构简单、制造容易而应用广泛。者因结构简单、制造容易而应用广泛。一、方案设计一、方案设计n n4 4控制系统方案的选择控制系统方案的选择控制系统方案的选择控制系统方案的选择 n n 控制系统方案的选择包括微型机、步进电动机控制系统方案的选择包括微型机、步进电动机控制系统方案的选择包括微型机、步进电动机控制系统方案的选择包括微型机、步进电动机控制方式、驱动电路等的选择。常用的微型机有控制方式、驱动电路等的选择。常用的微型机有控制方式、驱动电路等的选择。常用的微型机有控制方式、驱动电路等的选择。常用的微型机有单片机、单板机、工业控制微型机等，其中单片单片机、单板机、工业控制微型机等，其中单片单片机、单板机、工业控制微型机等，其中单片单片机、单板机、工业控制微型机等，其中单片机由于在体积、成本、可靠性和控制指令功能等机由于在体积、成本、可靠性和控制指令功能等机由于在体积、成本、可靠性和控制指令功能等机由于在体积、成本、可靠性和控制指令功能等许多方面的优越性，在伺服系统的控制中得到了许多方面的优越性，在伺服系统的控制中得到了许多方面的优越性，在伺服系统的控制中得到了许多方面的优越性，在伺服系统的控制中得到了广泛的应用。广泛的应用。广泛的应用。广泛的应用。一、方案设计一、方案设计n n 系统方案确定后，应进行方案实施的具体化设系统方案确定后，应进行方案实施的具体化设系统方案确定后，应进行方案实施的具体化设系统方案确定后，应进行方案实施的具体化设计，即各环节设计，通常称为稳态设计。其内容计，即各环节设计，通常称为稳态设计。其内容计，即各环节设计，通常称为稳态设计。其内容计，即各环节设计，通常称为稳态设计。其内容主要包括执行元件规格的确定、系统结构的设计、主要包括执行元件规格的确定、系统结构的设计、主要包括执行元件规格的确定、系统结构的设计、主要包括执行元件规格的确定、系统结构的设计、系统惯量参数的计算以及信号检测、转换、放大系统惯量参数的计算以及信号检测、转换、放大系