伺服驱动与控制-伺服驱动

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1、第三章伺服系统执行元件主要内容一、概述二、直流伺服电机与驱动控制三、交流伺服电机与驱动控制四、步进电机与驱动控制五、新型驱动机构六、本章实验一、概述1.定义：能够将非机械能转换为机械能动力元件。2.分类：电磁执行元件、液压执行元件、气动执行元件三大类。（1）电磁执行元件：通过电磁转换将电能转换成机械能的动力元件，应用最广泛，包括按照输出形式分为旋转电机、直线电机；按照电机类型包括交流电机、直流电机和步进电机。（2）液压执行元件：将液压能转换为机械能的动力元件，包括：液压马达（旋转运动）、液压缸（直线运动）。（3）气动执行

2、元件：将气压能转换为机械能的动力元件，包括：气马达（旋转运动）、气缸（直线运动）。一、概述3.执行元件的特性主要从以下几个方面来衡量执行机构的特性：（1）负载能力：执行机构所能承受的负荷或所能产生的驱动能力，如电机最大输出扭矩，液压缸最大输出力；（2）运动速度：指正常工作时，执行机构最小或最大稳定速度。如电机的转速、液压马达的转速；（3）功率密度：执行机构所产生的最大功率与其自身质量或体积的比值。一般液压执行机构的功率密度要比电动和气动执行机构的功率密度大。一、概述4.电机的选型与计算原则（1）确定电机的种类交流伺服电机

3、适用于具有较高控制精度要求的场合；直流电机适用于低速大扭矩而控制精度相对较高的控制场合；步进电机适用于控制精度较低的开环控制场合。（2）确定电机的最高转速与转矩根据负载要求，确定电机的最高转速，如果需要减速器，还应该减速机的减速比；综合考虑各种负载形式（惯性负载、摩擦负载、弹性负载、阻尼负载和不平衡负载等），将其折合到电机轴上，从而确定电机的转矩。（3）其它因素确定电机的反馈形式（全闭环、半闭环、开环；电流环、速度环、位置环）；确定电机的驱动电压。二、直流伺服电机与驱动控制直流电机的特点优点：直流电机具有转矩大，低速性能

4、好；在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速；调速范围宽，起动力矩大；成本较低。缺点：直流电机的最大缺点就是有电流的换向问题。2.应用场合各种机器人控制；火炮高低、方位随动系统。直流电机分为两部分：定子与转子。定子包括：主磁极，机座，换向极，电刷装置等。转子包括：电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和风扇等。二、直流伺服电机与驱动控制3.直流电机的分类永磁式直流电机电磁式直流电机直流它励电机：励磁绕组与电枢没有联系，由另外直流电源供给。因此励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响。直流并励电机：励磁绕组两端电压就是电枢两端电压，

5、励磁绕组具有较大的电阻，使得通过他的励磁电流较小。直流串励电机：励磁绕组和电枢串联，励磁磁场随着电枢电流的改变有显著的变化。直流复励电机：电动机的磁通由两个绕组内的励磁电流产生。二、直流伺服电机与驱动控制5.直流电机主要技术参数额定功率、额定电压、额定电流、额定转速、额定转矩、调速比4.直流电机主要技术参数直流电机的输出电磁转矩表达式为：式中：---电枢绕组并联支路数；---电枢绕组的有效导体数；---电动机的每极磁通；---电动机的极对数。---与电机结构有关的转矩常数。二、直流伺服电机与驱动控制6.直流伺服电机的基本

6、特性6.1机械特性输入电枢电压保持不变时，电机的转速随电磁转矩变化而变化的规律，称直流电机的机械特性。为与电动机结构有关的电势常数。为斜率，值大表示电磁转矩的变化引起电机转速的变化大，这种情况称直流电机的机械特性软；反之，斜率值小，电机的机械特性硬。二、直流伺服电机与驱动控制6.2调节特性直流电机在一定的电磁转矩下电机的稳态转速随电枢的控制电压变化而变化的规律，被称为调节特性。式中斜率反映了电机转速随控制电压的变化而变化快慢的关系，其值大小与负载大小无关，仅取决于电机本身的结构和技术参数。二、直流伺服电机与驱动控制6.3

7、动态特性直流电机的起动存在一个过渡过程，其工作状态称为动态，可用下面的式子进行描述：---稳态转速---机械时间常数，是影响过渡过程的主要参数，其表达式为：决定机械时间常数的主要因素有：系统转动惯量、电枢回路电阻。二、直流伺服电机与驱动控制7直流电机的驱动与控制电机扩大机控制方式H型桥式控制方式PWM脉宽调制控制方式二、直流伺服电机与驱动控制7.1电机扩大机控制方式电机扩大机的换向器上置有互成90°电角度的直轴和交轴两组电刷（顺着控制绕组轴线的是直轴，与其成90°电角度的轴线是交轴），利用其交轴的电枢反应磁场，实现两级放

8、大，其作用原理如图所示。二、直流伺服电机与驱动控制若交磁扩大机在电动机拖动下恒速旋转，则当控制绕组通有控制电流Ik时，交轴电刷q-q间就产生电动势Eq。由于q-q电刷短路，或者经串接交轴助磁绕组后短路，其电阻较小，所以交轴电流Iq较大。由Iq建立的磁通Φq比控制磁通Φk大得多。因此，旋转的转子切割Φq产生的并由直轴电