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  伺服电机_中职中专_职业教育_教育专区。 伺服控制系统 伺服控制系统,也称为随动系统,是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作,从 而获得精确的位置、速度及转矩输出的自动控制系统,它用来控制被控对象的转角或 位移,使其自动、连续、精确地复现输入

  伺服控制系统 伺服控制系统,也称为随动系统,是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作,从 而获得精确的位置、速度及转矩输出的自动控制系统,它用来控制被控对象的转角或 位移,使其自动、连续、精确地复现输入指令的变化。 1.伺服控制系统的构成 “以物体的位置、方位、姿势等作为控制量,为跟踪目标的任何变化而建构的控制系统”。伺服机 构大致由下列各部分组成。 指令部 控制部 驱动、检测部 发出动作的指令信号 使电机能按照指令运行 驱动控制对象,对其运行状态进行检测 伺服控制系统 伺服控制系统一般包括伺服控制器、伺服驱动器、执行机构(伺服电机)、被控对象(工作 台)、测量/反馈环节等五部分组成。 伺服系统主要由三种控制模式,分别是位置控制模式、速度控制模式、转矩控制模式。 图6-1 伺服控制系统组成原理图 伺服控制系统 2.伺服的作用 伺服控制系统 3、伺服系统的应用(在搬运控制中的应用) 在工业高度发达、自动化不断进步的 今天,搬运设备已成为不可或缺的项目 搬运机(垂直) 由于导入了伺服机构,可提高机械速度,从而提高生产效率。可在 指定位置正确停止,采用带电磁制动器的伺服电机,可防止停车时货物 下降。 自动仓库· 分拣系统 自动仓库· 分拣系统在自动仓库中,分拣部和行走部都已越来越多 地采用AC伺服电机,可实现高速运行以及平稳的及加减速。 与SCM(供应链管理)相结合的自动仓库· 分拣系统从原料采购到商 品发送等各个环节,可大大提高物流库存管理的效率。 伺服控制系统 3、伺服系统的应用(在卷材设备中的应用) 伺服控制系统 3、伺服系统的应用(在食品设备中的应用) 伺服控制系统 3、伺服系统的应用(在服装设备中的应用) 多 头 电 脑 绣 花 机 伺服控制系统 3、伺服系统的应用(在机床设备中的应用) 一 伺服电机 伺服电动机又称为执行电动机,其功能是把输入的电压信号变换成电机转轴的角位移或角速度 输出。输入的电压信号又称为控制信号或控制电压,改变控制电压的大小和电源的极性,就可以改变 伺服电动机的转速和转向。其主要特点是,当信号电压为零时无自转现象,转速随着转矩的增加而匀 速下降。 1.伺服电机的铭牌和外部结构 SFS表示中等容量、 中等惯性时间常数、 高转速 2表示输出转速 为2 000r/min 20代表额定输出功 率为2 000W 一 伺服电机主要包括3部分 伺服电机 编码器 编码器电缆 (1)编码器:位于伺服电动机的背面,主要测 量电动机的实际速度,并将转速信号转化为脉冲 信号。 (2)编码器电缆:从伺服电动机背面的编码器 引出一组电缆,主要传输测得的转速信号,并反 馈给控制器进行比较。 (3)输入电源线电缆:与电动机内部绕组U、 V、W连接,还包括一根接地线。 输入电源线电缆 一 伺服电机 伺服电动机的分类 普通直流伺服电动机 直流伺服电动机 低惯量直流伺服电动机 直流力矩电动机 两相感应伺服电动机 交流伺服电动机 三相感应伺服电动机 无刷永磁伺服电动机 直线伺服电动机 电机为直线)伺服电机的发展史 伺服电机 自从德国MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年汉诺威贸易博览会上正式 推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统,这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化 阶段。 到20世纪80年代中后期,各公司都已有完整的系列产品。整个伺服装置市场都转向了交 流系统。 到目前为止,高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机,控制驱动器多 采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和 日本三菱、松下及安川等公司。 一 伺服电机 知识链接——伺服电机生产商 1、日本安川电机制作所推出的小型交流伺服电动机和驱动器,20世纪90年代先后推出了新的D系列 和R系列,之后又推出M、F、S、H、C、G 六个系列。。其中D系列适用于数控机床(最高转速为 1000r/min,力矩为0.25~2.8N.m),R系列适用于机器人(最高转速为3000r/min,力矩为0.016~ 0.16N.m)。这样,只用了几年时间形成了八个系列(功率范围为0.05~6kW)较完整的体系,满足 了工作机械、搬运机构、焊接机械人、装配机器人、电子部件、加工机械、印刷机、高速卷绕机、绕 线机等的不同需要。 一 伺服电机 2、日本其他厂商,例如:三菱电动机(HC-KFS、HC-MFS、HC-SFS、HC-RFS和HC-UFS系列)、东 芝精机(SM系列)、大隈铁工所(BL系列)、三洋电气(BL系列)、立石电机(S系列)等众多厂商 也进入了永磁交流伺服系统的竞争行列。 一 伺服电机 知识链接——伺服电机生产商 3、德国力士乐公司(Rexroth)的Indramat分部的MAC系列交流伺服电动机共有7个机座号92个规格。 4、德国西门子(Siemens)公司的IFT5系列三相永磁交流伺服电动机分为标准型和短型两大类,共8个 机座号98种规格。据称该系列交流伺服电动机与相同输出力矩的直流伺服电动机IHU系列相比,重量 只有后者的1/2,配套的晶体管脉宽调制驱动器6SC61系列,最多的可供6个轴的电动机控制。 5、德国博世(BOSCH)公司生产铁氧体永磁的SD系列(17个规格)和稀土永磁的SE系列(8个规格) 交流伺服电动机和Servodyn SM系列的驱动控制器。 。 一 伺服电机 知识链接——伺服电机生产商 6、美国A-B(ALLEN-BRADLEY)公司驱动分部生产1326型铁氧体永磁交流伺服电动机和1391型交流PWM 伺服控制器。电动机包括3个机座号共30个规格。 7、 I.D.(Industrial Drives)是美国著名的科尔摩根(Kollmorgen)的工业驱动分部,自1989年起推出了 全新系列设计的Goldline永磁交流伺服电动机,包括B(小惯量)、M(中惯量)和EB(防爆型)三大类, 有10、20、40、60、80五种机座号,每大类有42个规格,全部采用钕铁硼永磁材料,力矩范围为0.84~ 111.2N.m,功率范围为0.54~15.7kW。配套的驱动器有BDS4(模拟型)、BDS5(数字型、含位置控制) 和Smart Drive(数字型)三个系列,最大连续电流55A。Goldline系列代表了当代永磁交流伺服技术最新 水平。 一 伺服电机 (3) 控制系统对伺服电动机的基本要求 宽广的调速范围; 机械特性和调节特性均为线性; 无“自转”现象; 快速响应。 此外,还要求伺服电动机的控制功率小、重量轻、 体积小等。 二 直流伺服电机 直流伺服进给电动机的结构和工作原理 1.结构 永磁式宽调速直流伺服电动机的结构与普通直流电 动机基本相同,如图4-27所示。 它由定子和转子两大部分组成,定子包括磁极 (永磁体)、电刷装置、机座、机盖等部件;转子通常 称为电枢,包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴 等部件。此外在转子的尾部装有测速机和旋转变压器 (或光电编码器)等检测元件。 图4-27 永磁式宽调速直流伺服电动 机的结构示意图 二 直流伺服电机 与普通直流电机区别 1、转子是光滑无槽的铁芯,用绝缘粘合剂直接把 线、转子长而且直径小,为了减少运动惯量。 3、定子结构采用图示方形,提高励磁线圈放置的 有效面积,但由于无槽结构,手动打钉机图片气隙较大,励磁和 线圈匝数较大,故损耗较大,发热厉害,为此采 取措施是在极间安放船型挡风板,增加风压,使 之带走较多热量,而线圈外不包扎形成赤裸线圈。 直流伺服进给电动机的结构和工作原理 二 直流伺服电机 4.4.1 直流伺服进给电动机的结构和工作原理 2.工作原理 当转子转动时,由于电刷和换向器的作用,使得N极和S极下的导体电流 方向不变,即原来在N极下的导体只要一转过中性面进入S极下的范围,电流 就反向;反之,原来在S极下的导体只要一过中性面进入N极下,电流也马上 反向。根据电流在磁场中受到的电磁力方向可知,手动打钉机图片图中转子受到顺时针方向 力矩的作用,转子作顺时针转动。如果要使转子反转,只需改变电枢绕组的 电流方向,即电枢电压的方向。 根据直流电动机的机械特性可以知道,电动机的调速方法有三种: (1)改变电动机的电枢电压 (2)改变电动机的磁场大小; (3)改变电动机电枢的串联电阻阻值。 对于直流伺服进给电动机,只能采用改变电枢电压的方式来调速,这种 调速方式称为恒转矩调速。在这种调速方式下,电动机的最高工作转速不能 超过其额定转速。 图4-28 永磁式宽调速直流伺 服电动机工作原理示意图 当电刷通以图示方向的直流 电,则电枢绕组中的任一导体的 电流方向如图所示。 二 直流伺服电机 直流伺服进给驱动控制基础 数控机床直流进给伺服系统多采用永磁式直流伺服电动机作为执行元件,为了与伺服系统所要求 的负载特性相吻合,常采用控制电动机电枢电压的方法来控制输出转矩和转速。目前使用最广泛的方 法是晶体管脉宽调制器—直流电动机调速(PWM—M),简称PWM变换器。它具有响应快、效率高、 调整范围宽、噪声污染低、结构简单、可靠等优点。 脉宽调速(PWM)的基本原理是利用大功率晶体管的开关作用,将恒定的直流电源电压斩成一 定频率的方波电压,并加在直流电动机的电枢上,通过对方波脉冲宽度的控制,改变电枢的平均电压 来控制电动机的转速。图4-29所示为PWM降压斩波器原理及输出波形。图4-29(a)中的晶体管V工 作在“开”和“关”状态,假定V先导通一段时间t1,此时全部电压加在电动机的电枢上(忽略管压 降),然后使V关断,时间为t2,此时电压全部加在V上,电枢回路的电压为0。反复导通和关闭晶体 管V,得到如图4-29(b)所示的电压波形。在t=t1 +t2 时间内,加在电动机电枢回路上的平均电压 为 二 t1 Ua = U ? ?U t1 ? t2 直流伺服电机 ?? 式中, t1 t1 ? t2 为占空比,0≤α≤1;Ua的变化范围在0~U之间, 均为正值,即电动机只能在某一个方向调速, 称为不可逆调速。 图4-29 PWM降压斩波器原理及输出波形 二 直流伺服电机 当需要电动机在正、反两个方向上都能调速 时,需要使用桥式(H型)降压斩波电路,如图 4-30所示。桥式电路中,V1 、V4同时导通同时 关断,V2、V3同时导通同时关断,但同一桥臂 上的晶体管(如V1和V3、V2和V4)不允许同时 导通,否则将使直流电源短路。设先使V1、V4 图4-30 桥式降压斩波器原理及输出波形 电动机上的平均电压为 同时导通t1时间后关断,间隔一定的时间后,再 使V2、V3同时导通一段时间t2后关断,如此反 复,得到输出电压波形如图4-30(b)所示。 Ua = t1 ? t2 U d ? (2? ? 1)U d t1 ? t2 当0≤α≤1,Ua值的范围是-Ud~Ud。因此电动机 可以在正、反两个方向上调速。 三 交流伺服电机 1.伺服电机的内部结构及工作原理 永磁式交流伺服电机由定子、转子和编码器构成,如图 6-3 所示。 图6-3 伺服电机的结构 三 (1)工作原理 交流伺服电机 当定子三相绕组通上交流电源后,就产生一个旋转磁场,小型压路机该旋转磁场将以同步转速n0旋转。由于磁极同性相 斥,异性相吸与转子的永磁磁极互相吸引,并带着转子一起旋转,因此,转子也将以同步转速n0与旋转磁场一起 旋转。当转子加上负载转矩之后,转子磁极轴线将落后定子磁场轴线一个θ角,随着负载增加,θ也随之增大;负 载减少时,θ角也减少;只要不超过一定限度,转子始终跟着定子的旋转磁场以恒定的同步转速n0旋转。 A ⊕ r 永磁同步伺服电机的转速可用下式表示: Z ⊙ g b ⊙ g Y n=60f/p 改变转子的磁极对数或定子绕组的电源频率,均 可改变电动机的转速。永磁同步伺服电动机是通过改 变定子绕组的电源频率来调节转速的。 B ⊕ r b ⊕C ⊙X 三 交流伺服电机 (2)交流伺服电机的结构 交流伺服电动机由定子与转子组成。它的定子分为外定子和内定子两部分,内外定子铁心通常均 由硅钢片叠成。外定子铁心槽中放置空间互差90°的两个绕组:励磁绕组和控制绕组。内定子铁心中 一般不放绕组,仅作为磁路的一部分,以减少主磁通磁路的磁阻,其结构如图所示。转子通常做成细 长型的鼠笼式。 控制绕组 外定子 内定子 Uf~ 励磁绕组 杯形转子 Uc~ 三 交流伺服电动机的结构: 交流伺服电机 交流伺服电动机的转子结构形式有两种:高电阻率导条的笼型转子和非磁性空心杯转子。 高电阻率导条的笼型转子 与普通笼型感应电动机的转子相似,只是为了减少转子的转动惯量,需做的细而长。转子笼的导 条和端环可以采用高电阻率的导电材料(如黄铜、青铜等)制造,也可采用铸铝转子。 高电阻率导条的笼形转子 三 非磁性空心杯转子 交流伺服电机 采用铝合金制成的空心杯形转子,杯壁很薄,仅0.2-0.3mm,为了减小磁路的磁阻,要在空心杯形 转子内放置固定的内定子。杯形转子和笼型转子虽然外表形状看起来不一样,但实质上是一样的,因 为杯形转子可以看作是导条数目非常多、条与条之间紧靠在一起、而两端自行短路的笼型转子。空心 杯形转子的转动惯量很小,反应迅速,而且运转平稳,因此被广泛采用。 杯形转子图 三 (3) 编码器 交流伺服电机 编码器 伺服电动机的编码器是用来检测转速和位置。编码器主要分为增量编码器和 绝对值编码器。 5V 5V 0V 0V 安装在电机后端,其转盘(光栅)与电机同轴。 三 交流伺服电机 永磁交流同步伺服电动机的同步转速与电源的频率存在严 格的对应关系,即在电源电压和频率固定不变时,它的转速是 稳定不变的。当采用变频电源供电时,可方便地获得同频率成 正比的可变转速。SPWM变频控制器,即正弦波PWM变频控 制器,它是PWM型变频控制器调制方法的一种。图4-33是 n=60f/p 永磁同步伺服电机的转速可用下式表示: SPWM型交—直—交变频器,由不可控整流器经滤波后形成 恒定幅值的直流电压加在逆变器上,控制逆变器功率开关器件 的通和断,使其输出端获得不同宽度的矩形脉冲波形。通过改 变矩形脉冲波的宽度可控制逆变器输出交流基波电压的幅值; 改变调制周期可控制其输出频率,从而在逆变器上同时进行输 出电压与频率的控制,满足变频调速对U/f协调控制的要求。 图4-33 交—直—交变频器 三 SPWM波形与等效的正弦波 交流伺服电机 对于负半周,同样可以这样处理。如果负载正 弦波的幅值改变,则与其等效的各等高矩形脉 把一个正弦波分成n等份,例如n=12, 如图4-34(a)所示。然后把每一等份的正 弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面 积相等的等高矩形脉冲波代替,这样可得到 n个等高不等宽的脉冲序列,它对应于一个 正弦波的正半周,如图4-34(b)所示。 冲的宽度也相应改变,这就是与正弦波等效的 正弦脉宽调制波(SPWM)。 图4-34 等效的SPWM波形 三 三相SPWM电路 交流伺服电机 图4-35 三 相SPWM 变频控制 器电路 和控制波形为直流电压的PWM相比,SPWM调 制的控制信号为幅值和频率均可调的正弦波参考信 号,载波信号为三角波。正弦波和三角波相交可得 到一组矩形脉冲,其幅值不变,而脉冲宽度是按正 弦规律变化的SPWM波形。 对于三相SPWM,逆变器必须产生互差120° 的三相正弦波脉宽调制波。为了得到这些三相调制 图4-35所示是三相SPWM变频控制器电路。图4-35 (a)为主电路,V1~V6是逆变器的六个功率开关器件, 各与一个续流二极管反并联,由三相整流桥提供恒值直 流电压Ud 供电。图4-35(b)是控制电路,一组三相对 称的正弦参考电压信号urU 、urV 、urW 由参考信号发生 器提供,其频率决定逆变器输出的基波频率,应在所要 求的输出频率范围内可调。 波,三角波载波信号可以共用,但是必须有一个三 相正弦波发生器产生可变频、可变幅且互差120° 的三相正弦波参考信号,然后将它们分别与三角波 载波信号相比较后,产生三相脉宽调制波。 三 交流伺服电机 参考信号幅值也可在一定范围内变化,决定输出电压的 大小。三角波载波信号(uT )是共用的,分别与每相参考电 压比较后产生逆变器功率开关器件的驱动控制信号。 四 伺服驱动器的控制模式 伺服驱动 位置控制模式是伺服中最常用的控制方式,它一般是通过外部输入脉冲的频率来确定伺服电机转 动的速度,通过脉冲数来确定伺服电机转动的角度,所以一般用于定位装置。 图6-4 位置控制模式的组成结构图 伺服驱动器 四 2.速度控制模式 伺服驱动 当伺服驱动器工作在速度控制模式时,通过控制输出电源的频率来对电动机进行调速。伺服驱动 器无需输入脉冲信号也可以正常工作,故可取消伺服控制器,此时的伺服驱动器类似于变频器。 伺服驱动器的输入 开关、电位器等输 入的控制信号,也 可以用PLC等控制 设备来产生。 图6-5 速度控制模式的组成结构图 四 3.转矩控制模式 伺服驱动 当伺服驱动器工作在转矩控制模式时,通过外部模拟量输入控制电动机的输出转矩大小。伺服驱 动器无需输入脉冲信号也可以正常工作,故可取消伺服控制器,通过操作伺服驱动器的输入电位器, 可以调节伺服电动机的输出转矩。 伺服驱动器的输 入信号可以是开 关,也可以由 PLC产生 图6-6 转矩控制模式的组成结构图 四 三菱伺服驱动器的内部结构 伺服驱动 四 1.铭牌说明 (1)型号名称。 伺服驱动 图6-7 三菱MR-JE系列伺服驱动器的型号 四 (2)铭牌。小型压路机 伺服驱动 图6-8 三菱MR-JE系列伺服驱动器铭牌 四 2.内部结构认识 伺服驱动 主电路 动态制动电路使伺服 电机迅速停转 控制电路 四 三菱伺服驱动器的外部结构 USB通信用连接器 伺服驱动 输入输出连接器 编码器连接器 主电路接头 四 三菱伺服驱动器 的外围接线 伺服驱动 断路器 接触器 交流电抗器 噪声滤波器 四 三菱伺服驱动器的电源 及启停保护电路 伺服驱动 紧急停止按钮在接 触器电路和EM2输入 端子上采用同一个 按钮,目的是防止 伺服驱动器的意外 重启 KA故障保护,一旦故 障,切断伺服的电源 五 伺服系统的组成 数控机床伺服系统 闭环伺服系统一般由位置环和速度环组成。内环 是速度环,由伺服电动机、伺服驱动装置、测速装置 及速度反馈组成;外环是位置环,由数控系统中的位置 控制、位置检测装置及位置反馈组成。 在位置控制中,根据插补运算得到的位置指令 闭环或半闭环伺服系统由位置检测装置、位置控制 模块、伺服驱动装置、伺服电动机及机床进给传动链组 成,如图4-36所示。 (即一串脉冲或二进制数据),与位置检测装置反馈 来的机床坐标轴的实际位置相比较,形成位置偏差, 经变换得到速度给定电压。在速度控制中,伺服驱动 装置根据速度给定电压和速度检测装置反馈的实际转 图4-36 闭环伺服系统组成 速对伺服电动机进行控制,以驱动机床传动部件。 五 数控机床伺服系统 位置控制是伺服系统的重要组成部分,是保证位置控制精度的重要环节。由闭环、半闭环伺服系统组成,我们知道位置控制 环和速度控制环是紧密相连的。速度控制环的给定值,是来自位置控制环。而位置控制环的输入一方面来自轮廓插补运算指令; 另一方面来自位置检测反馈装置,即将机床移动部件的实际位移量的信号输给位置环。 插补得到的指令位移和位置检测得到的机床移动部件的实际位移在位置控制单元进行比较,得到位置偏差,位置控制环再 根据速度指令的要求及各环节的放大倍数对位置数据进行处理。再把处理的结果作为速度环的给定值。其控制原理可用图4-37 表示。就闭环和半闭环伺服系统而言,位置控制的实质是位置随动控制。 图4-37 位置控制原理 五 数控机床伺服系统 根据位置环比较的方式不同,可将闭环、半闭环系统分为脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统和幅值比较伺服系统。 脉冲比较伺服系统结构比较简单,常采用光电编码器和光栅作为位置检测装置,以半闭环的控制结构形式构成的脉冲比较 伺服系统用的较为普遍。 指令位置信号与位置检测装置的反馈信号在位置控制单元中,是以脉冲数字的形式进行比较的。比较后得到的位置偏差经 D.A转换,发送给速度控制单元。 图4-38 半闭环脉冲比较伺服系 统结构方框图 组成 脉冲比较环节(器)的基本组成有两个部分:一是可逆计数器,二是脉冲分 离电路,如图4-39所示。脉冲比较是将Pc(指令脉冲)脉冲信号与Pf(实际位置 信号)的脉冲信号相比较,得到脉冲偏差信号Pe(位置偏差信号) 图4-39 脉冲比较器 五 相位比较伺服系统的特点 相位比较伺服系统 (1)系统结构方框图 数控机床伺服系统 它是指指令脉冲信号和位置检测反馈信号都转换为相应的同频率的某一 载波的不同相位的脉冲信号,在位置控制单元进行相位的比较。它们的相位 差反映了指令位置与实际位置的偏差。 图4-40 半闭环相位比较伺服系 统结构方框图 (2)组成 此系统位置检测装置采用感应同步器,该装置工作在相位工作状态,即位置控制为相位比较法。感应 同步器工作台在相位工作方式时,,其中。相位比较不是脉冲数量上的比较,是脉冲相位之间的比较,如超前或 滞后多少。实现相位比较的比较器为鉴相器。 五 幅值比较伺服系统的特点 数控机床伺服系统 幅值比较伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值,并以此作为位置 反馈信号与指令信号进行比较构成的闭环控制系统。该系统的特点之一是所用的位置检测元件应 工作在幅值工作方式。位置检测可用感应同步器或旋转变压器。 (2)组成 鉴幅器是将位置检测器测得的实际位移信号的交变 电势(表示工作台作正向或反向进给),经鉴幅器输出 信号的极性来表示其工作台进给的方向。 V/F(电压-频率变换器)是把鉴幅后的输出模拟电压 变换成相应的脉冲序列。 励磁电路的作用是:工作在鉴幅方式的位置检测 器的两路励磁信号应为 幅值比较伺服系统 (1)系统结构方框图 us =Umsinφsinωt uc =Umcosφsinωt 图4-42 幅值比较伺服系统结构方框图 这是一组同频率同相位而幅值随正余弦函数变化的 正弦交变信号。要实现幅值可变,就必须控制角的变化, 可用脉冲调宽方式来控制矩形波脉冲宽等效地实现正弦 励磁的方法实现调幅的要求。

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