机电一体化技术第6章伺服控制系统

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1、第6章伺服控制系统6.1概述6.2执行元件6.3电力电子变流技术6.4PWM型变频电路思考题6.1概述6.1.1伺服系统的结构组成机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。图6-1给出了伺服系统组成原理框图。图6-1伺服系统组成原理框图1.比较环节;比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。2.控制器;控制器通常是计算机或PID控制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行

2、变换处理，以控制执行元件按要求动作。3.执行环节;执行环节的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。4.被控对象;5.检测环节;检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。6.1.2伺服系统的分类伺服系统的分类方法很多，常见的分类方法有以下三种。(1)按被控量参数特性分类。(2)按驱动元件的类型分类。(3)按控制原理分类。6.1.3伺服系统的技术要求1.系统精度伺服系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度

3、，以误差的形式表现，可概括为动态误差、稳态误差和静态误差三个方面组成。2.稳定性伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后，系统能够恢复到原来稳定状态的能力；或者当给系统一个新的输入指令后，系统达到新的稳定运行状态的能力。3.响应特性响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度，决定了系统的工作效率。响应速度与许多因素有关，如计算机的运行速度、运动系统的阻尼和质量等。4.工作频率工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围。当工作频率信号输入时，系统能够按技术要求正常工作；而其它频率信号输入时，系统不能正常工作。6.2执行元件6.2.1执行元件的分类及其特点

4、执行元件是能量变换元件，其目的是控制机械执行机构运动。机电一体化伺服系统要求执行元件具有转动惯量小，输出动力大，便于控制，可靠性高和安装维护简便等特点。根据使用能量的不同，可以将执行元件分为电磁式、液压式和气压式等几种类型，如图6-2所示。图6-2执行元件的种类(1)电磁式执行元件能将电能转化成电磁力，并用电磁力驱动执行机构运动，如交流电机、直流电机、力矩电机、步进电机等。(2)液压式执行元件先将电能变化成液体压力，并用电磁阀控制压力油的流向，从而使液压执行元件驱动执行机构运动。(3)气压式执行元件与液压式执行元件的原理相同，只是介质由液体改为气体。6.2.2直流伺服

5、电动机1.直流伺服电动机的分类直流伺服电动机按励磁方式可分为电磁式和永磁式两种。2.直流伺服电动机的基本结构及工作原理直流伺服电动机主要由磁极、电枢、电刷及换向片组成,如图6-3所示。图6-3直流伺服电动机基本结构3.直流伺服电动机的特性分析直流伺服电动机采用电枢电压控制时的电枢等效电路如图6-4所示。图6-4电枢等效电路当电动机处于稳态运行时，回路中的电流Ia保持不变，则电枢回路中的电压平衡方程式为Ea=Ua-IaRa(6-1)式中，Ea是电枢反电动势；Ua是电枢电压；Ia是电枢电流；Ra是电枢电阻。转子在磁场中以角速度ω切割磁力线时，电枢反电动势E

6、a与角速度ω之间存在如下关系：Ea=CeΦω(6-2)式中，Ce是电动势常数，仅与电动机结构有关；Φ是定子磁场中每极的气隙磁通量。由式（6-1）、式（6-2）得Ua-IaRa=CeΦω（6-3）此外，电枢电流切割磁场磁力线所产生的电磁转矩Tm可由下式表达:Tm=CmΦIa则Tm=CmΦIn式中，Cm是转矩常数，仅与电动机结构有关。(6-4)将式（6-4）代入式（6-3）并整理，可得到直流伺服电动机运行特性的一般表达式由此可以得出空载（Tm＝0，转子惯量忽略不计）和电机启动（ω＝0）时的电机特性:（1）当Tm＝0时，有(6-5)(6-6)（2）当ω

7、＝0时，有式中，Td称为启动瞬时转矩，其值也与电枢电压成正比。如果把角速度ω看作是电磁转矩Tm的函数，即ω=f(Tm)，则可得到直流伺服电动机的机械特性表达式为(6-8)式中,ω0是常数，。(6-7)如果把角速度ω看作是电枢电压Ua的函数，即ω=f(Ua)，则可得到直流伺服电动机的调节特性表达式式中,k是常数，。根据式(6-8)和式(6-9)，给定不同的Ua值和Tm值，可分别绘出直流伺服电动机的机械特性曲线和调节特性曲线如图6-5、图6-6所示。(6-9)图6-5直流伺服电动机的机械特性图6-6直流伺服