工程科技伺服电机及其驱动技术.pptx
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1、运动控制系统运动控制系统哈尔滨理工大学自动化学院哈尔滨理工大学自动化学院 主讲教师:许家忠主讲教师:许家忠交流伺服系统运动控制系统第九次课-404教研室302 四月 2024Position signal/位置信号Position signal/位置信号2005/1/1电机的种类及控制方法电机的种类及控制方法直流有刷电机直流无刷电机(带霍尔位置传感器)直流无刷电机(无位置传感器)交流电机MMMM功率驱动控制电路No position signal feedback/无位置信号反馈2001/6/14功率驱动功率驱动正弦波方波方波控制电路控制电路.控制电路功率驱动运动控制系统第九次课-404教研室
2、402 四月 2024伺服电机种类直流有刷电机直流有刷电机直流无刷电机直流无刷电机交流伺服电机交流伺服电机运动控制系统第九次课-404教研室502 四月 2024交流伺服电机n永磁无刷直流电机和永磁交流伺服电机永磁无刷直流电机和永磁交流伺服电机都属于交交流永磁同步电机流永磁同步电机。n按照反电动势波形和驱动电流的波形,可以将永磁同步电机分为方波驱动和正弦波方波驱动和正弦波驱动型。n前者就是我们常说的无刷直流电机无刷直流电机,后者又称为永磁同步交流伺服电机永磁同步交流伺服电机。n主要用于伺服控制的场合。运动控制系统第九次课-404教研室602 四月 2024永磁交流伺服电机n在交流伺服系统中,电
3、动机的类型有永磁同步交永磁同步交流伺服电机流伺服电机(PMSM)和感应异步交流伺服电机感应异步交流伺服电机(IM)。n永磁同步电机永磁同步电机具备十分优良的低速性能、可以实现弱磁高速控制,调速范围宽广、动态特性和效率都很高,已经成为伺服系统的主流之选。n异步伺服电机异步伺服电机虽然结构坚固、制造简单、价格低廉,但是在特性上和效率上存在差距,只在大 功率场合得到重视。本文讨论的重点将放在永磁同步交流伺服系统上。运动控制系统第九次课-404教研室702 四月 2024交流伺服的行业应用n现代交流伺服系统最早被应用到宇航和军事领域,比如火炮、雷达控制火炮、雷达控制。n逐渐进入到工业领域和民用领域。工
4、业应用主要包括高精度数控机床、机器人和其他广义的数控机械高精度数控机床、机器人和其他广义的数控机械,比如纺织机械、印刷机械、包装机械、医疗设备、半导体设备、邮政机械、冶金机械、自动化流水线、各种专用设备等。n其中伺服用量最大的行业依次是:机床、食品包装、纺织、电子半导体、塑料、印刷和橡胶机械,合计超过75。运动控制系统第九次课-404教研室802 四月 2024永磁无刷直流电机运动控制系统第九次课-404教研室1002 四月 2024永磁无刷直流电机n本质上,无刷直流电机是根据转子位置反馈信息采用电子换相电子换相运行的交流永磁同步电机,与有刷直流电机相比具有一系列优势,近年得到了迅速发展,在许
5、多领域的竞争中不断取代直流有刷电机和异步电动直流有刷电机和异步电动机机。运动控制系统第九次课-404教研室1102 四月 2024永磁无刷直流电机直流有刷电机直流有刷电机直流无刷电机直流无刷电机永磁直流无刷伺服电机Permanent MagnetBrushless DC Motors运动控制系统第九次课-404教研室1302 四月 2024一、问题的提出n 直流电动机虽然具有优良的调速和起动调速和起动特性特性,但由于存在电刷和换向器电刷和换向器,需要经常性维护,并且会产生火花和电磁干扰,限制了它的应用范围。n 近年发展起来的无刷直流电动机无刷直流电动机就是为了克服换向器和电刷的滑动接触而发展起
6、来的新型直流电动机。运动控制系统第九次课-404教研室1402 四月 2024二、无刷直流电动机的工作原理n磁极静止,电枢旋转磁极静止,电枢旋转n根据左手定则,线圈在电磁转矩根据左手定则,线圈在电磁转矩n作用下将按逆时针方向旋转作用下将按逆时针方向旋转n当载流导体转过当载流导体转过180度后,借助电刷度后,借助电刷-换向换向片改变导体中电流方向片改变导体中电流方向直流有刷电机直流有刷电机多极多极运动控制系统第九次课-404教研室1502 四月 2024二、无刷直流电动机的工作原理n 电枢静止,磁极旋电枢静止,磁极旋转,且磁极为永久磁转,且磁极为永久磁铁。铁。n 电枢绕组中电流电枢绕组中电流的换
7、向是借助于的换向是借助于转子转子位置传感器和电子开位置传感器和电子开关线路关线路来实现的。来实现的。n所以,无刷直流电机所以,无刷直流电机一般都是由电动机、位一般都是由电动机、位置传感器和电子开关线置传感器和电子开关线路三部分组成。路三部分组成。无刷直流电动机原理无刷直流电动机原理运动控制系统第九次课-404教研室1602 四月 2024二、无刷直流电动机的工作原理运动控制系统第九次课-404教研室1702 四月 2024三、驱动部分n 驱动电路:驱动电路:驱动电路输出电功率,驱动电动机的电枢绕组,并受控于控制电路。驱动电路由大功率开关器件组成。正是由于晶闸管的出现,直流电动机才从有刷实现到无
8、刷的飞跃。但由于晶闸管是只具备控制接通,而无自关断能力的半控性开关器件,其开关频率较低,不能满足无刷直流电动机性能的进一步提高。运动控制系统第九次课-404教研室1802 四月 2024三、驱动部分n随着电力电子技术的飞速发展,出现了全控型的功率开关器件,其中有可关断晶体管可关断晶体管(GTO)、电力场效应晶体管()、电力场效应晶体管(MOSFET)、)、金属栅双极性晶体管金属栅双极性晶体管IGBT模块、集成门极模块、集成门极换流晶闸管(换流晶闸管(IGCT)及近年新开发的电子)及近年新开发的电子注入增强栅晶体管(注入增强栅晶体管(IEGT)。随着这些功率器件性能的不断提高,相应的无刷电动机的
9、驱动电路也获得了飞速发展。运动控制系统第九次课-404教研室1902 四月 2024三、驱动部分运动控制系统第九次课-404教研室2002 四月 2024三、驱动部分运动控制系统第九次课-404教研室2102 四月 20242005/1/1abcabcY Y形连接形连接形连接形连接三、驱动部分运动控制系统第九次课-404教研室2202 四月 2024VDCA+A-B+B-C+C-NSAABBCC三、驱动部分运动控制系统第九次课-404教研室2302 四月 2024四.转子位置传感器n转子位置检测电路 n 永磁无刷电动机是一闭环的机电一体化系统,它是通过转子磁极位置信号作为电转子磁极位置信号作为
10、电子开关线路的换相信号子开关线路的换相信号,因此,准确检测转子位置,并根据转子位置及时对功率器件进行切换,是无刷直流电动机正常运行的关键。运动控制系统第九次课-404教研室2402 四月 2024四.转子位置传感器n 用位置传感器来作为转子的位置检测装置是最直接有效的方法。一般将位置传感器安装于转子的轴上,实现转子位置的实时检测。n最早的位置传感器是磁电式的,既笨重又复杂,已被淘汰。n目前磁敏式的霍尔位置传感器广泛应用于无刷直流电动机中,另外还有光电式的位置传感器。运动控制系统第九次课-404教研室2502 四月 2024四、转子位置传感器运动控制系统第九次课-404教研室2602 四月 20
11、24四、转子位置传感器运动控制系统第九次课-404教研室2702 四月 2024工作原理运动控制系统第九次课-404教研室2802 四月 2024工作原理运动控制系统第九次课-404教研室2902 四月 2024工作原理运动控制系统第九次课-404教研室3002 四月 2024工作原理运动控制系统第九次课-404教研室3102 四月 2024运动控制系统第九次课-404教研室3202 四月 2024控制方法运动控制系统第九次课-404教研室3302 四月 2024有刷控制器系统框图有刷控制器系统框图霍尔转把霍尔转把调速把手调速把手供电电供电电路路预驱动电路预驱动电路电流采样电流采样PWM生成生
12、成/调制电路调制电路M功率输出电路功率输出电路2E72GA2E72GSSAC2E72GSSAC直流有刷电机直流有刷电机电池组电池组2005/1/1运动控制系统第九次课-404教研室3402 四月 2024运动控制系统第九次课-404教研室3502 四月 2024PWM 电 压 电 机 直 流 供 电 电 压 dVTT调速的基本原理调速的基本原理22005/1/1调压调速模式调压调速模式运动控制系统第九次课-404教研室3602 四月 2024控制方式运动控制系统第九次课-404教研室3702 四月 2024运动控制系统第九次课-404教研室3802 四月 2024运动控制系统第九次课-404教
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