伺服系统PPT课件.pptx

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1、第五章第五章 伺服系统伺服系统5.1 5.1 概述概述5.2 5.2 伺服系统的执行元件及控制伺服系统的执行元件及控制5.3 5.3 伺服系统设计伺服系统设计5.1 5.1 概述概述 一、伺服系统概念一、伺服系统概念 二、伺服系统的类型二、伺服系统的类型 三、伺服系统的基本要求三、伺服系统的基本要求 伺服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，它的械或位置的运动，它的根本任务根本任务是是实现执行机构对给定指令的准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能够自动、连续、精确地复确跟踪，即实现输出变量的某种状

2、态能够自动、连续、精确地复现输入指令信号的变化规律现输入指令信号的变化规律。伺服系统是机电一体化系统及产品中的重要组成部分。伺服系统是机电一体化系统及产品中的重要组成部分。一、伺服系统概念一、伺服系统概念 按系统结构特点划分按系统结构特点划分：单回路伺服系统单回路伺服系统、多回路伺服系多回路伺服系 统统 和和 开环伺服系统开环伺服系统、半闭环伺服系统半闭环伺服系统、闭环伺服系统闭环伺服系统。二、伺服系统类型二、伺服系统类型伺服系统的分类伺服系统的分类 按系统组成元件划分：按系统组成元件划分：电气伺服系统电气伺服系统、液压伺服系统液压伺服系统电气电气液压伺服系统液压伺服系统、电气电气气动伺服系统

3、气动伺服系统等。等。按系统输出量的物理性质划分按系统输出量的物理性质划分：速度伺服系统速度伺服系统、加速加速 度伺服系统度伺服系统 和和 位置伺服系统位置伺服系统等。等。按系统中所包含的元件特性和信号作用特点划分：按系统中所包含的元件特性和信号作用特点划分：模拟式伺服系统模拟式伺服系统 和和 数字式伺服系统数字式伺服系统。二、伺服系统类型二、伺服系统类型开环伺服系统开环伺服系统半闭环伺服系统半闭环伺服系统闭环伺服系统闭环伺服系统例例 数控机床工作台进给伺服系统数控机床工作台进给伺服系统二、伺服系统类型二、伺服系统类型 尽管伺服系统的结构类型很多，但它与一般的反馈控制系统一样，也是由控制器、被控

4、对象、反馈测量装置等部分组成。控制器是按预定的控制规律调节能量的输入，以使系统产生所希望的输出。被控对象一般指机器的运动部分，如工业机器人的手臂、数控机床的工作台以及自动导引车的驱动轮等。通常，被控对象还包括功率放大器、执行机构、减速器以及内反馈回路等。三、伺服系统的基本要求三、伺服系统的基本要求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、精度精度和和快速响应性快速响应性。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令信号作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令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态的能力。用下

5、系统能够达到新的稳定运行状态的能力。稳定性稳定性 稳定的伺服系统在受到输入信号（包括扰动）作用时，其输出量的响应随时间而衰减，并最终达到与期望值一致或相近；不稳定的伺服系统其输出量的响应随时间而增加，或者表现为等幅振荡。因此对伺服系统的稳定性要求是一项最基本的要求，它是保证伺服系统正常运行的最基本条件。三、伺服系统的基本要求三、伺服系统的基本要求 伺服系统的稳定性是由系统本身特性决定的，即取决于系统的结构及组成元件的参数(如惯性、刚度、阻尼、增益等)，与外界作用信号(包括指令信号和扰动信号)的性质或形式无关。对于位置伺服系统，当运动速度很低时，往往会出现一种由摩擦特性所引起的、被称为“爬行”

6、的现象，这也是伺服系统不稳定的一种表现。爬行会严重影响伺服系统的定位精度和位置跟踪精度。精度精度三、伺服系统的基本要求三、伺服系统的基本要求 指输出量复现输入指令信号的精确程度，它是伺服系统的一项重要的性能要求。影响精度的因素指输出量复现输入指令信号的精确程度，它是伺服系统的一项重要的性能要求。影响精度的因素很多，主要来自以下三个方面。很多，主要来自以下三个方面。系统组成元件本身的误差。有传感器的灵敏度和精度，伺服放大器的零点漂移和死区误差、机械装置中的反向间隙和传动误差、各元器件的非线性因素等。伺服系统本身的结构形式对伺服系统精度有重要影响。从构成原理上讲，有些系统无论采用多么精密的元器件，

7、也总是存在稳态误差的，这类系统称为有差系统，而有些系统却是无差系统。系统的稳态误差还与输入指令信号的形式有关，当输入信号形式不同时，有时存在误差，有时误差却为零。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两方面含义，一是指动态一是指动态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的迅速程度响应过程中，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二是指动态响应过程结束的迅速程度。快速响应性快速响应性三、伺服系统的基本要求三、伺服系统的基本要求 伺服系统对输入指令信号的响应速度常由系统的

8、上升时间(输出响应从零上升到稳态值所需要的时间)来表征，它主要取决于系统的阻尼比。阻尼比小则响应快，但阻尼比太小会导致最大超调量增大和调整时间加长，使系统相对稳定性降低。伺服系统动态响应过程结束的迅速程度用系统的调整时间来描述，并取决于系统的阻尼比和无阻尼固有频率。当阻尼比一定时，提高固有频率值可以缩短响应过程的持续时间。三、伺服系统的基本要求三、伺服系统的基本要求伺服系统的快速响应性、稳定性和精度三项基本性能要求是相互关联的，在进行伺服系统设计时的原则是：必须首先满足稳定性要求，然后在满足精度要求的前提下尽量提高系统的快速响应性。除以上对一般伺服系统的基本性能要求之外，对机电一体化产品中常用

9、的位置伺服系统，还有调速范围、负载能力、可靠性、体积、质量以及成本等方面的要求，这些要求都应在设计时给予综合考虑。5.2 5.2 伺服系统的执行元件及控制伺服系统的执行元件及控制一、执行元件类型及特点一、执行元件类型及特点二、伺服电机及其控制二、伺服电机及其控制三、步进电机及其控制三、步进电机及其控制四、数控步进液压马达及其控制四、数控步进液压马达及其控制一、执行元件类型及特点一、执行元件类型及特点 伺服系统的执行元件主要有电动机、电磁铁、油缸和液压马达等，是伺服控制系统的动力部件，它是将电能转换为机械能的一种能量转换装置。根据使用能量的不同，可以将执行元件分为电气式、液压式、气压式以及它们之

10、间组合等类型。电气式将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动执行机构运动。液压式先将电能变换为液压能并用电磁阀改变压力油的流向，从而使液压执行元件驱动执行机构运动。气压式与液压式的原理相同，只是将介质由油改为气体而已。一、执行元件类型及特点一、执行元件类型及特点1 1 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(DC)(DC)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，调速范围

11、宽，适合于频繁使用，便于维修等。性能好，调速范围宽，适合于频繁使用，便于维修等。2 2 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。一、执行元件类型及特点一、执行元件类型及特点 目前，世界上已开发了各种数字式液压执行元件，其定位性能好。例如电一液伺服马达和电一液步进马达，这些马达与电动机相比有转矩大的优点，可以直接驱动执行机构，适合于重载的

12、高加、减速驱动。对一般的电一液伺服系统，可采用电一液伺服阀控制油缸的往复运动。3 3 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，与液压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到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较大的驱动力、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。使用。二、伺服电机及其控制二、伺服电机及其控制 电力是国民生产中最主要的能源，电动机则是将电能转化为机械能的主要设备，对电动机的起停、

13、调速控制是伺服控制系统主要的研究内容之一。电动机调速系统分为两大类：直流调速系统直流调速系统 交流调速系统交流调速系统直流调速系统直流调速系统（1 1）有刷直流电机调速原理）有刷直流电机调速原理结构特点：结构特点：1 1、由定子产生励磁，有永磁和它、由定子产生励磁，有永磁和它励方式，磁场稳定。励方式，磁场稳定。2 2、电枢在转子上，电枢通电后在、电枢在转子上，电枢通电后在磁场中转动。磁场中转动。3 3、有电刷和换向器。、有电刷和换向器。直流电机电刷间的电动势直流电机电刷间的电动势 ，其中其中 为一对磁极的磁通，为一对磁极的磁通，是与电机结构有关的常数，是与电机结构有关的常数，n n 为电枢的转

14、速。为电枢的转速。直流电机电枢绕组中的电流与磁通直流电机电枢绕组中的电流与磁通 相互作用产生电磁力和电磁力矩相互作用产生电磁力和电磁力矩 其中其中 是与电机结构有关的常数，是与电机结构有关的常数，IaIa为电枢电流。为电枢电流。直流调速系统直流调速系统（a)a)它励式它励式（b)b)永磁式永磁式直流调速系统直流调速系统 电枢回路的平衡为电枢回路的平衡为 ，将上，将上2 2式代入，整理后即得到直流电机的机械特性式代入，整理后即得到直流电机的机械特性 由上式可知，直流电机的转速控制可以有两种方式：对励磁磁通进行控制的励磁控制法（它励由上式可知，直流电机的转速控制可以有两种方式：对励磁磁通进行控制的

15、励磁控制法（它励式）和对电枢电压进行控制的电枢控制法。式）和对电枢电压进行控制的电枢控制法。励磁控制法在低速时受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁控制法在低速时受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，故励磁控制法应用较少。大多数的场合是通过调节电枢电压来励磁线圈电感较大，动态响应较差，故励磁控制法应用较少。大多数的场合是通过调节电枢电压来实现调速，其中实现调速，其中脉冲宽度调制脉冲宽度调制PWMPWM来控制电机电枢电压是最常用的调速方法。来控制电机电枢电压是最常用的调速方法。直流调速系统直流调速系统 采用采

16、用MOSFETMOSFET作为开关器件实现作为开关器件实现PWMPWM调速时，栅极输入高电平时开关导通，输入低电平时开关截止。调速时，栅极输入高电平时开关导通，输入低电平时开关截止。式中式中 为占空比为占空比直流调速系统直流调速系统电动机电枢绕组两端的平均电压为电动机电枢绕组两端的平均电压为 占空比表示了在一个周期占空比表示了在一个周期T T里里,开关管导通的时间与周期开关管导通的时间与周期T T的比值的比值,其变化范围为其变化范围为0 10 1。由上式可知，。由上式可知，当电源电压当电源电压UsUs不变的情况下，电枢的端电压的平均值不变的情况下，电枢的端电压的平均值U Uo o取决于占空比的

17、大小，改变取决于占空比的大小，改变 的值就可以改变端电的值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWMPWM调速原理。调速原理。直流调速系统直流调速系统 在在PWMPWM调速时，占空比调速时，占空比 是一个重要参数，以下是一个重要参数，以下3 3种方法可以改变占空比的值。种方法可以改变占空比的值。一、定宽调频法一、定宽调频法 这种方法是保持这种方法是保持t t1 1不变，只改变不变，只改变t t2 2，这样使周期，这样使周期T T（或频率）也随之改变。（或频率）也随之改变。二、调宽调频法二、调宽调频法 这种方法是保持这种方法是保持t t2 2

18、不变，而改变不变，而改变t t1 1，这样使周期，这样使周期T(T(或频率）也随之改变。或频率）也随之改变。三、定频调宽法三、定频调宽法 这种方法是使周期这种方法是使周期T T（或频率）保持不变，而同时改变（或频率）保持不变，而同时改变t t1 1和和t t2 2。前前2 2种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲频率与系统的固有频率接种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。近时，将会引起振荡，因此在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。直流调速系统直流调速系统PW

19、MPWM控制信号的产生有控制信号的产生有4 4种：种：（1 1）分立电子元件组成的）分立电子元件组成的PWMPWM信号发生器信号发生器 这种方法是用分立的逻辑电子元件组成这种方法是用分立的逻辑电子元件组成PWMPWM信号电路，它是早期的方式，现在已被淘汰。信号电路，它是早期的方式，现在已被淘汰。（2 2）软件模拟法）软件模拟法 利用单片机的一个利用单片机的一个I/OI/O引脚，通过软件对该引脚不断地输出高低电平来实现引脚，通过软件对该引脚不断地输出高低电平来实现PWMPWM波输出，这波输出，这种方法要占用种方法要占用CPUCPU大量时间。大量时间。（3 3）专用）专用PWMPWM集成电路集成电

20、路 从从PWMPWM控制技术出现起，就有芯片制造商生产专用的控制技术出现起，就有芯片制造商生产专用的PWMPWM集成电路芯片，现在市场上已有许集成电路芯片，现在市场上已有许多种。这些芯片除了具有多种。这些芯片除了具有PWMPWM信号发生功能外，还有信号发生功能外，还有“死区死区”调节功能、保护功能等。在单片机调节功能、保护功能等。在单片机控制直流电动机中，使用专用控制直流电动机中，使用专用PWMPWM集成电路可以减轻单片机负担，工作更可靠。集成电路可以减轻单片机负担，工作更可靠。（4 4）单片机的）单片机的PWMPWM口口 新一代的单片机增加了许多功能，其中包括新一代的单片机增加了许多功能，其

21、中包括PWMPWM功能。单片机通过初始化设置，使其能自动功能。单片机通过初始化设置，使其能自动地发出地发出PWMPWM脉冲波，只有在改变占空比时脉冲波，只有在改变占空比时CPUCPU才进行干预。才进行干预。直流调速系统直流调速系统 直流电动机的直流电动机的PMWPMW控制系统有控制系统有可逆可逆和和不可逆系统不可逆系统之分。可逆系统是指电动机可以正反两个方向旋转；之分。可逆系统是指电动机可以正反两个方向旋转；不可逆系统是指电动机只能单向旋转。不可逆系统是指电动机只能单向旋转。对于可逆系统，又可以分为对于可逆系统，又可以分为单极性驱动单极性驱动和和双极性驱动双极性驱动两种方式。单极性驱动是指在一

22、个两种方式。单极性驱动是指在一个PWMPWM周期里周期里面，作用在电枢两端的脉冲电压是单一极性的；双极性驱动则是指在一个面，作用在电枢两端的脉冲电压是单一极性的；双极性驱动则是指在一个PWMPWM周期里，作用在电枢两端周期里，作用在电枢两端的脉冲电压是正负交替的。的脉冲电压是正负交替的。双极性驱动电路有两种，一种称为双极性驱动电路有两种，一种称为T T型型，它由，它由2 2个开关管个开关管组成，采用组成，采用正负电源正负电源，相当于，相当于2 2个不可逆系个不可逆系统的组合，由于形状象倒放的统的组合，由于形状象倒放的“T T”字而得名。字而得名。T T型双极性驱动由于开关管要承受较高的反向电压

23、因型双极性驱动由于开关管要承受较高的反向电压，因此只用在低压小功率直流电机驱动。另一种常用的此只用在低压小功率直流电机驱动。另一种常用的H H型型，它有，它有4 4个开关管个开关管，采用一个单极性电源，其应，采用一个单极性电源，其应用性能优于用性能优于T T型。型。直流调速系统直流调速系统直流调速系统直流调速系统直流调速系统直流调速系统有刷直流电机调速的优缺点有刷直流电机调速的优缺点 优点优点 直流电动机的电压、电流、磁通之间的耦合较弱，具有良好的线性调速特性，控制简单，具有较高的效率以及具有优异的动态特性。缺点缺点电刷和换向器易磨损，换向时产生火花，限制转速；结构复杂，制造维修困难，成本高

24、2 2）无刷直流电机工作原理简介）无刷直流电机工作原理简介直流调速系统直流调速系统 无刷直流电机是电子技术、新型电力电子器件和高性能永磁材料技术发展带来的新成果，它无刷直流电机是电子技术、新型电力电子器件和高性能永磁材料技术发展带来的新成果，它采用电子换向器代替了直流电机上的机械换向器和电刷采用电子换向器代替了直流电机上的机械换向器和电刷，避免了因换向器和电刷接触不良所造成，避免了因换向器和电刷接触不良所造成的一系列直流电动机的致命弱点。的一系列直流电动机的致命弱点。无刷直流电机由无刷直流电机由电动机本体电动机本体、转子位置传感器转子位置传感器和和电子开关线路电子开关线路3 3部分组成。部

25、分组成。电机电机转子由永磁材料转子由永磁材料制成，是具有一定磁极对数的永磁体；制成，是具有一定磁极对数的永磁体；电枢电枢不在在转子上，而是不在在转子上，而是在定子在定子上上，直流电源通过电子开关向定子绕组通电，为了实现转子的连续转动，必须，直流电源通过电子开关向定子绕组通电，为了实现转子的连续转动，必须实时检测转子所处实时检测转子所处的位置的位置，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止，从而控制了哪些绕组通电，哪些绕，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止，从而控制了哪些绕组通电，哪些绕组断电，实现了电子转向。组断电，实现了电子转向。直流调速系统直流调速系统（3 3）直流伺服系统模

26、型）直流伺服系统模型1)1)校正环节：一般速度环调节器为比例环节校正环节：一般速度环调节器为比例环节 位置环为位置环为PIPI调节调节2)2)检测环节：速度检测：检测环节：速度检测：位置检测：位置检测：3)3)整流装置整流装置（惯性环节）（惯性环节）各种整流装置的时间常数见下表各种整流装置的时间常数见下表直流调速系统直流调速系统整流电路形式整流电路形式时间常数时间常数T T（msms）单相半波单相半波1010单相桥式单向全波单相桥式单向全波5 5三相半波三相半波3.333.33三相桥式三相桥式 六相半波六相半波1.671.67直流调速系统直流调速系统5)5)根据直流电机原理求其传递函数根据直流

27、电机原理求其传递函数直流调速系统直流调速系统设输入信号为设输入信号为Ud,Ud,输出为电机转角输出为电机转角 则：则：拉式变换，消去拉式变换，消去i id d（s s）后可得电机的传递函数）后可得电机的传递函数G G6 6(S)(S)直流调速系统直流调速系统式中：式中：电磁时间常数和机电时间常数电磁时间常数和机电时间常数电枢绕组的电感和电阻电枢绕组的电感和电阻反电动势常数和力矩常数反电动势常数和力矩常数阻尼和电机轴转动惯量阻尼和电机轴转动惯量画出系统的传递函数框图，可得到系统的开环传递函数。画出系统的传递函数框图，可得到系统的开环传递函数。直流调速系统直流调速系统直流调速系统直流调速系统利用利

28、用MATLABMATLAB软件的软件的SIMULINKSIMULINK工具进行系统仿真研究工具进行系统仿真研究交流调速系统交流调速系统 在调速系统发展过程中，由于有刷直流电机结构复杂，电刷换向器结构导致寿命较短，制造维护成在调速系统发展过程中，由于有刷直流电机结构复杂，电刷换向器结构导致寿命较短，制造维护成本较高，因此人们开始寻求交流调速技术的发展。本较高，因此人们开始寻求交流调速技术的发展。根据电机种类的不同，交流调速系统分为根据电机种类的不同，交流调速系统分为交流永磁同步电机的调速系统交流永磁同步电机的调速系统和和交流异步电机的调速系统交流异步电机的调速系统两大类。两大类。交流异步电机（感

29、应式）因为结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、维护方便等特点，在生产和交流异步电机（感应式）因为结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、维护方便等特点，在生产和生活中得到广泛的应用，始终稳居市场占有量的第一位。生活中得到广泛的应用，始终稳居市场占有量的第一位。长期以来，交流异步电动机的调速始终是一个不好解决的难题，直到长期以来，交流异步电动机的调速始终是一个不好解决的难题，直到2020世纪世纪7070年代，由于计算机的年代，由于计算机的推广应用，以及近推广应用，以及近2020年来新型快速的电力电子元件的出现，才使得交流异步电机的调速称为可能。年来新型快速的电力电子元件的出现，才使得交流异步电机的调

30、速称为可能。（1 1）交流调速系统的发展）交流调速系统的发展交流调速系统交流调速系统 近年来，随着电力电子学、微电子学、传感技术、永磁材料技术、DSP技术和控制理论与技术的飞速发展，尤其是各种先进控制策略的成功应用，交流调速伺服系统的研究和应用取得了举世瞩目的发展，已具备了宽调速范围、高稳态精度、快速动态响应等良好的技术性能，其动、静态特性几乎可以和直流伺服系统相媲美。永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速性能，并且可以实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。随着永磁材料性能的大幅提高和价格的降低，其在工业自动化领域的应用将会越来越广

31、泛。交流调速系统交流调速系统 感应式异步电动机交流伺服系统由于交流异步电动机具有结构简单、坚固耐用、成本低、寿命长等优点，因而具有较好的发展前景，代表了将来伺服系统的发展方向。近年来，随着DSP、嵌入式计算机技术的发展，特别是变频和矢量控制技术的不断完善，感应式异步电动机交流伺服系统也逐渐进入了实用阶段。交流伺服系统硬件设备的发展趋势 全数字化 采用新型电力电子半导体器件 集成化 智能化 模块化和网络化 交流调速系统交流调速系统 全数字化 采用高速微处理器和运动控制专用DSP芯片的伺服控制单元将全面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现伺服系统的完全数字化。20世纪90年代末，已经出现

32、了电流环、速度环、位置环全部采用数字控制的伺服控制系统产品。全数字化的实现将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，从而在伺服系统中应用最先进的控制理论与算法成为可能，如将最优控制理论、模糊控制技术、神经网络控制技术等应用到伺服系统算法设计中。交流调速系统交流调速系统 采用新型电力电子半导体器件 伺服控制系统的控制、输出器件越来越多地采用具有较高开关频率的新型功率半导体器件，如大功率晶体管、功率场效应管和绝缘门极晶体管等，这些新型电子半导体器件的应用显著地降低了伺服单元输出回路的功耗，提高了系统的响应速度，降低了运行噪声。近来，一种将控制电路功能和大功率电子开关器件集成在一起的智能控制功率模块逐

33、渐被应用于伺服控制系统中，该模块将输入隔离、能耗制动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能集成在一块不大的硬件模块中，其输入逻辑电平与TTL信号兼容，与微处理器的输出可以直接相连。智能控制功率模块的应用简化了伺服单元的设计，并实现了伺服系统的小型化。交流调速系统交流调速系统 集成化 最新伺服控制系统产品改变了将伺服系统划分为速度伺服单元与位置伺服单元两个模块的做法，代之以单一的、高度集成化、多功能的控制单元。同一控制单元，通过软件配置系统参数，就可以改变其实现的功能和性能指标，既可以使用伺服电机本身配置的传感器构成半闭环调节系统，又可以通过接口与外部的位置、速度或力矩传感器构成高精度的全闭环调

34、节系统。集成化的控制单元显著地缩小了整个运动控制系统的体积，使得伺服系统的安装与调试工作得到了简化。交流调速系统交流调速系统 智能化 最新数字化的伺服控制单元具有许多智能化特点：系统具有参数记忆功能，系统所有的运行参数都可以通过人机对话的方式由软件来设置，并可以保存在伺服单元内部，通过通信接口，一些参数甚至可以在运行过程中由上位计算机进行修改；具有故障自诊断与分析功能，一旦系统出现故障，就可以将故障类型以及可能引起故障的原因通过通信接口反馈给人机接口显示界面，简化了系统维护和调试的复杂性；具有参数自整定功能，闭环调节系统的参数整定是保证系统性能指标的重要环节，利用控制单元提供的参数自整定功能，

35、将会使得系统调试更加容易。交流调速系统交流调速系统 模块化和网络化 为配合现场设备的组网工作，最新的伺服控制单元配置有标准的串口通信(如RS-232/422/485等)和局域网通信接口。通信接口的设置显著地增强了伺服控制单元与其它控制设备之间的互联能力，从而可以利用一条通信电缆将数台甚至数十台伺服控制单元与上位控制计算机一起构成现场总线控制网络。交流调速系统交流调速系统 在伺服控制硬件技术发展的同时，先进控制策略的成功应用也是提高交流伺服系统性能的重要因素。在交流伺服系统控制策略的发展中，比较有代表性的有：转速开环恒压频比控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制、非线性控制、自适应控制、滑模

36、变结构控制以及各种智能控制技术等。随着伺服控制单元全数字化的实现，先进控制策略在各调节环路的应用将更容易实现，与先进的硬件单元一起共同提高伺服控制系统的各项性能。（2 2）交流异步电机调速）交流异步电机调速交流调速系统交流调速系统 三相交流异步电机由定子和转子两部分组成，定子绕组产生旋转磁场，转子绕组的导体切割磁力线产三相交流异步电机由定子和转子两部分组成，定子绕组产生旋转磁场，转子绕组的导体切割磁力线产生生感生电动势感生电动势，从而在转子绕组中产生，从而在转子绕组中产生感生电流感生电流，转子电流与旋转磁场相互作用产生电磁转矩。由于转子，转子电流与旋转磁场相互作用产生电磁转矩。由于转子电流是感

37、生电流，故也称为电流是感生电流，故也称为感应感应电动机。（电动机。（对比直流电机的转子电枢电流对比直流电机的转子电枢电流）交流调速系统交流调速系统异步的由来异步的由来 由交变电流产生的旋转磁场的旋转速度称为同步转速由交变电流产生的旋转磁场的旋转速度称为同步转速n n0 0,交流异步电机的转子速度总是比同步速度交流异步电机的转子速度总是比同步速度小，因为如果两种速度相等，那么转子导体则与旋转磁场没有相对运动，那么将不再切割磁通，产生不小，因为如果两种速度相等，那么转子导体则与旋转磁场没有相对运动，那么将不再切割磁通，产生不了感生电势和感生电流，也就没有电磁转矩，转子不再继续旋转。因转子转速不等于

38、同步转速，因此称了感生电势和感生电流，也就没有电磁转矩，转子不再继续旋转。因转子转速不等于同步转速，因此称为异步电动机。为异步电动机。交流调速系统交流调速系统异步电机的同步转速遵从电机学的基本关系式式中：异步电机的同步转速，转/分 电源交变频率，Hz 电机定子磁极对数 式中为转差率，其定义为异步电机的实际转速为 由异步电机转速公式可知，改变电机交变电源的频率便可实现电机速度的调节。但是在异步电机调速时，除了改变电机的转速外，还希望保持每极磁通 为额定值不变。磁通太弱，没有充分利用电动机的铁芯，是一种浪费，磁通太强，又会使铁芯饱和，导致励磁电流过大，严重时会因绕组过热而损坏电机。另外，保持 为额

39、定值不变，可保持电动机的输出转矩基本不变，使电动机在调速范围内有较好的机械特性。交流调速系统交流调速系统交流调速系统交流调速系统异步电动机稳态等效电路如图 定子全磁通的感应电动势，V；气隙（互感）磁通在定子每相绕组中的感应电动势，V；转子全磁通的感应电动势（折合到定子边），V；定子漏感，H（亨利）转子漏感，H；励磁电感，H；定子和转子电阻，；定子频率，Hz；电源角频率，rad/s。电源电压，V；转差率；交流调速系统交流调速系统三相交流异步电机的定子每相感应电动势的有效值为 定子每相绕组串联的匝数；基波绕组系数；每极气隙磁通量，Wb。由上式知，改变进行调速时，只要同比例控制可保持基本不变。交流调

40、速系统交流调速系统交流调速系统交流调速系统交流调速系统交流调速系统交流调速系统交流调速系统交流调速系统交流调速系统 在生产机械对调速系统的动、静态性能要求不高的工业应用中（如风机、水泵的节能等），异步电机的调速控制可以采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案（恒 控制）。对于在对调速系统动、静态性能有中等要求的应用场合，可以在调速控制系统中引入测速电机，构成转速闭环转差频率控制的变频调速系统（恒 控制）。对于那些对调速性能的动、静态特性要求较高的应用场合，一般采用矢量控制变频调速系统（恒 控制）。交流调速系统交流调速系统交流调速系统交流调速系统 为满足电机变频调速的要求，必须同时改变电机供

41、电源的电压和频率，而电网的供电电压和频率是恒定的，需要专门的变频变压装置（Variable Voltage Variable Frequency,VVVF）来实现对电机供电源的控制。VVVF有两种类型，一种为直接变频变压，而另一种为间接变频变压。间接变频变压是使用最广泛的一种VVVF（变频器），其组成结构如图。交流调速系统交流调速系统（a)a)逆变器的基本原理逆变器的基本原理RYB电源PWM变频器的主电路原理图 由由担担任任交交-直直变变换换的的二二极极管管整整流流器器和和担担任任直直-交交变变换换、同同时时完完成成调调频频和和调调压压任任务务的的脉脉冲冲宽宽度度调调制制逆逆变变器器组组成成。

42、图图中中续续流流二二极极管管D D1 1-D-D6 6，为为负负载载的的滞滞后后电电流流提提供供一一条条反反馈馈到到电电源源的的通通路路，逆逆变变管管（全全控控式式功功率率开开关关器器件件）T T1 1-T-T6 6组组成成逆逆变变桥桥，R R、Y Y、B B为为逆逆变变桥桥的的输输出出端端。电电容容器器C Cd d的的功功能能是是：滤滤平全波整流后的电压波纹；当负载变化时，使直流电压保持平稳。平全波整流后的电压波纹；当负载变化时，使直流电压保持平稳。交交流流电电机机变变频频调调速速系系统统中中的的关关键键部部件件之之一一就就是是逆逆变变器器，由由于于调调速速的的要要求求，逆逆变变器器必必须须

43、具具有有频频率连续可调、以及输出电压连续可调，并与频率保持一定比例关系等功能。率连续可调、以及输出电压连续可调，并与频率保持一定比例关系等功能。T1T1T2T2T3T3T4T4T5T5T6T6交流调速系统交流调速系统图中阴影部分为各逆变管的导通时间，其余为关断状态。在0-t1时间内，T1、T3、T5同时导通，电机线圈电流方向为从R到Y和从B到Y，得到线电压为URY和-UYB。在t1-t2时间内，T1、T5、T6同时导通，电机线圈电流方向为从R到Y和从R到B，得到线电压为URY和-UBR。在t2-t3时间内，T1、T2、T6同时导通，电机线圈电流方向为从R到B和从Y到B，得到线电压为-UBR和U

44、YB。在t3-t4时间内，T2、T4、T6同时导通，电机线圈电流方向为从Y到R和从Y到B，得到线电压为-URY和UYB。在t4-t5时间内，T2、T3、T4同时导通，电机线圈电流方向为从Y到R和从B到R，得到线电压为-URY和UBR 。在t5-t6时间内，T3、T4、T5同时导通，电机线圈电流方向为从B到R和从B到Y，得到线电压为UBR和-UYB。交流调速系统交流调速系统三相逆变桥的输出电压逆逆变变桥桥输输出出的的线线电电压压波波形形如如图图所所示示，由由图图可可见见，各各相相之之间间的的相相位位互互差差1201200 0，它它们们的的幅幅值值都都与与直流电压直流电压U U相等。相等。只只要要

45、按按照照一一定定的的规规律律来来控控制制逆逆变变管管的的导导通通与与截截止止，就就可可以以把把直直流流电电逆逆变变成成矩矩形形波波三三相相交交流流电电，并并且且矩矩形形波波频频率率可可控控（改改变变逆逆变变管管导导通通和和关关断断时时间间，即即可可得得到到不不同的输出频率）。同的输出频率）。交流调速系统交流调速系统变频的同时进行变压变频的同时进行变压 将上图中的一个周期的输出波形用一组等宽脉冲将上图中的一个周期的输出波形用一组等宽脉冲波代替，调节脉冲波的占空比，则可以调节输出的平波代替，调节脉冲波的占空比，则可以调节输出的平均电压；调节均电压；调节PWMPWM波的频率波的频率1/T1/Tt t

46、就可以改变输出电压频就可以改变输出电压频率。率。但是，上面采用但是，上面采用PWMPWM脉宽调制方法产生的是矩形波，而不是正弦波，将使交流异步电机产生发热、力脉宽调制方法产生的是矩形波，而不是正弦波，将使交流异步电机产生发热、力矩下降、振动噪声等不利结果，为了使输出的波形接近正弦波，可以采用正弦脉宽调制波矩下降、振动噪声等不利结果，为了使输出的波形接近正弦波，可以采用正弦脉宽调制波SPWMSPWM来实现。来实现。交流调速系统交流调速系统（b)SPWMb)SPWM调压调频原理调压调频原理 SPWM SPWM调制波的调制波的思路思路是将是将PWMPWM中的等宽脉冲波变成宽度渐变的脉冲波，其宽度变化

47、规律应符合正中的等宽脉冲波变成宽度渐变的脉冲波，其宽度变化规律应符合正弦变化规律，其波形如图。弦变化规律，其波形如图。交流调速系统交流调速系统 产生产生SPWMSPWM的方法是用一组等腰三角形波与一个正弦波进行比较，其相等的时刻作为开、关的时刻。三角波的方法是用一组等腰三角形波与一个正弦波进行比较，其相等的时刻作为开、关的时刻。三角波成为载波，正弦波成为调制波。正弦波的频率和幅值可以控制，改变正弦波的频率就可以改变输出电源的频率，成为载波，正弦波成为调制波。正弦波的频率和幅值可以控制，改变正弦波的频率就可以改变输出电源的频率，从而改变电动机的转速；改变正弦波的幅值，就可以改变正弦波与载波的交点

48、使输出脉冲序列的宽度改变，从而改变电动机的转速；改变正弦波的幅值，就可以改变正弦波与载波的交点，使输出脉冲序列的宽度改变，从而改变输出电压平均值。从而改变输出电压平均值。交流调速系统交流调速系统 对三相逆变开关管生成对三相逆变开关管生成SPWMSPWM波的控制可以有两种方式：单极性控制和双极性控制。波的控制可以有两种方式：单极性控制和双极性控制。单极性控制单极性控制时，每半个周期内，逆变桥的同一桥臂的上下两只开关管中只有一只开关管按照上图时，每半个周期内，逆变桥的同一桥臂的上下两只开关管中只有一只开关管按照上图规律反复通断，而另一只开关管关断；在另外半个周期内，两个开关管的工作状态正好相反。

49、规律反复通断，而另一只开关管关断；在另外半个周期内，两个开关管的工作状态正好相反。3 3个桥个桥臂的工作规律相同，只是在相位上相差了臂的工作规律相同，只是在相位上相差了120120度。度。双极性控制双极性控制时（输入电源有时（输入电源有2 2个，个，U/2U/2和和-U/2-U/2），在全部周期内，同一桥臂的上、下两只开关管交），在全部周期内，同一桥臂的上、下两只开关管交替接通与关断，形成互补的工作方式，其波形如图。替接通与关断，形成互补的工作方式，其波形如图。SPWM SPWM输出的脉冲波输入逆变器开关管的控制端输出的脉冲波输入逆变器开关管的控制端，从而使逆变器输出，从而使逆变器输出频率、幅

50、值可调的类似正频率、幅值可调的类似正弦波电源弦波电源。交流调速系统交流调速系统SPWMSPWM载波频率的选择载波频率的选择 SPWMSPWM是含有谐波的近似正弦波，左图给出了载波是含有谐波的近似正弦波，左图给出了载波在不同频率时在不同频率时SPWMSPWM电流波形，可见载波频率越高，谐电流波形，可见载波频率越高，谐波波幅越小，波波幅越小，SPWMSPWM电流波形越好。电流波形越好。提高载波的频率受到逆变开关管的最高开关频率提高载波的频率受到逆变开关管的最高开关频率限制。第三代限制。第三代IGBTIGBT的工作频率可以达到的工作频率可以达到30KHz30KHz，采用，采用其作为逆变开关可以得到平