《电机驱动与调速》第54讲（交流位置随动系统）

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1、1 第第 5454 讲讲 项目项目7 7 典型调速系统典型调速系统 任务任务19 19 典型交流调速系统典型交流调速系统 情景情景5 5 小功率交流位置随动系统小功率交流位置随动系统 教学目标教学目标 1 1、熟悉位置随动系统的组成、熟悉位置随动系统的组成 2 2、掌握位置随动系统的部件及原理、掌握位置随动系统的部件及原理 教学重点教学重点 位置随动系统的组成位置随动系统的组成 教学难点教学难点 位置随动系统的部件及原理位置随动系统的部件及原理 教学方法教学方法 探究式、演示、情境交融、启发互动式教学法探究式、演示、情境交融、启发互动式教学法 教学手段教学手段 多媒体教学、动画演示教学多媒体教

2、学、动画演示教学 作业布置作业布置 作业题作业题7 7-8 8 2 教学过程：教学过程：项目项目7 7 典型调速系统典型调速系统 任务任务19 19 典型交流调速系统典型交流调速系统 情景情景5 5 小功率交流位置随动系统小功率交流位置随动系统 1 1、位置随动系统的组成、位置随动系统的组成 执行元件输出功率在执行元件输出功率在50W50W以下的随动系统称为小功率随动系统，以下的随动系统称为小功率随动系统，大功率随动系统执行元件输出功率在大功率随动系统执行元件输出功率在500W500W以上。以上。位置随动系统是伺服系统其中之一。位置随动系统是伺服系统其中之一。位置随动系统是控制被控对象的输出自

3、动连续精确跟踪输入信位置随动系统是控制被控对象的输出自动连续精确跟踪输入信 号的变化，实现要求机械位移。号的变化，实现要求机械位移。（1 1）组成）组成 位置随动系统的结构原理如图位置随动系统的结构原理如图7 7-4343所示。所示。3 图图7 7-43 43 位置随动系统的结构原理图位置随动系统的结构原理图 位置随动系统是闭环控制系统，包括检测装置、信号转换电位置随动系统是闭环控制系统，包括检测装置、信号转换电路、路、放大装置、补偿装置、执行机构、电源装置和被控对象等。放大装置、补偿装置、执行机构、电源装置和被控对象等。位置随动系统的位置随动系统的输入信号是位置信号、速度信号或运动轨迹输入信

4、号是位置信号、速度信号或运动轨迹，输出是机械位移输出是机械位移。4 如图如图7 7-4444所示是一个电位器式的小功率位置随动伺服系统，所示是一个电位器式的小功率位置随动伺服系统，它它 由以下五个部分组成。由以下五个部分组成。图图7 7-44 44 电位器式位置随动系统电位器式位置随动系统 （2 2）对照）对照 调速系统强调抗扰性调速系统强调抗扰性，位置随动系统强调快速跟随性位置随动系统强调快速跟随性。5 2 2、位置随动系统的部件及原理、位置随动系统的部件及原理 位置伺服系统包括被控对象、执行元件、放大元件、检测元位置伺服系统包括被控对象、执行元件、放大元件、检测元件、给定元件、反馈环节、比

5、较环节等。件、给定元件、反馈环节、比较环节等。（1 1）位置检测元件）位置检测元件 1 1）伺服电位器（）伺服电位器（RPRP）如图如图7 7-4545所示为伺服电位器示意图，其中所示为伺服电位器示意图，其中R RPsPs为给定电位器，为给定电位器，R RPdPd 为检测电位器。为检测电位器。其伺服电位器的输出电压（即偏差电压）其伺服电位器的输出电压（即偏差电压）U=KU=K（iioo）=K=K。式中式中为两电位器轴的角位移之差。为两电位器轴的角位移之差。6 图图7 7-45 45 伺服电位器伺服电位器 图图7 7-46 46 自整角机发接接线图自整角机发接接线图 7 2 2）自整角机（）自整

6、角机（CTCT）自整角机从结构上分为接触式和无接触式两类。自整角机从结构上分为接触式和无接触式两类。这里介绍接触式的结构和工作原理。这里介绍接触式的结构和工作原理。结构组成结构组成 自整角机的定子和转子铁芯均为硅钢冲片压叠而成。自整角机的定子和转子铁芯均为硅钢冲片压叠而成。定子绕组与交流电动机三相绕组相似，也是彼此在空间上相定子绕组与交流电动机三相绕组相似，也是彼此在空间上相隔隔 120120 U U、V V、W W三相分布绕组，常联接成三相分布绕组，常联接成Y Y形，定子绕组称为整步绕形，定子绕组称为整步绕组。组。转子绕组为单相两极绕组（通常做成转子绕组为单相两极绕组（通常做成隐极式隐极式，

7、图中为直观起，图中为直观起见见 常画成磁极式）。转子绕组称为励磁绕组，它通过两只滑环一电常画成磁极式）。转子绕组称为励磁绕组，它通过两只滑环一电刷刷 与外电路相连而通入交流励磁电流。与外电路相连而通入交流励磁电流。8 接线接线 控制式自整角机是作为转角电压变换器用的。使用时，总是控制式自整角机是作为转角电压变换器用的。使用时，总是用用 一对相同的自整角机来检测指令轴（输入量）与执行轴（输出量）一对相同的自整角机来检测指令轴（输入量）与执行轴（输出量）之间的角差。与指令轴相联的自整角机称为之间的角差。与指令轴相联的自整角机称为发送器发送器，与执行轴相，与执行轴相联联 的则称为的则称为接收器接收器

8、。在实际使用时，通常将发送器定子绕组的三个。在实际使用时，通常将发送器定子绕组的三个出出 线端线端U1U1、V1V1、W1W1与接收器定子绕组的三个对应的出线端与接收器定子绕组的三个对应的出线端U2U2、V2 V2、W2W2相联，如图相联，如图7 7-4646所示。所示。工作原理工作原理 发送器的转子绕组所加正弦交流励磁电压发送器的转子绕组所加正弦交流励磁电压U Uf f(t)=Ufmsin(t)=Ufmsin o ot t，式中式中 o o称为调制角频率，与称为调制角频率，与 o o对应的频率对应的频率f fo o称为调制频率。称为调制频率。f fo o通常通常 为为400Hz400Hz或或

9、50Hz50Hz。发送器转子绕组加上励磁电压便产生励磁电流，。发送器转子绕组加上励磁电压便产生励磁电流，其产生的交变脉动磁通在定子三相绕组上产生感应电动势，其产生的交变脉动磁通在定子三相绕组上产生感应电动势，感应感应电电 动势使接收器定子三相绕组产生感应电流动势使接收器定子三相绕组产生感应电流（i iu u、i iv v、i iw w）。）。这些电流的综合磁通将使接收器转子绕组感应产生一个频率这些电流的综合磁通将使接收器转子绕组感应产生一个频率与与 励磁电压的频率相同的正弦交流电压励磁电压的频率相同的正弦交流电压u uctct。其振幅与两个自整角机。其振幅与两个自整角机 间的角差间的角差的正弦

10、成正比，即的正弦成正比，即u uctct=Ksinsin=Ksinsin t t。9 3 3）光电编码盘）光电编码盘 光电编码盘（简称光电码盘）是按一定编码（如二进制编码、光电编码盘（简称光电码盘）是按一定编码（如二进制编码、循环码编码等）将圆盘分成若干等分，纵向分成若干圈，各圈对循环码编码等）将圆盘分成若干等分，纵向分成若干圈，各圈对应应 着编码的位数（称为码道）。着编码的位数（称为码道）。如图如图7 7-4747（a a）所示为）所示为1616个等分、四个码道的个等分、四个码道的4 4位二进制编码位二进制编码盘。盘。其中透明（白色）的部分为“其中透明（白色）的部分为“0 0”，不透明（黑色

11、）的部分为”，不透明（黑色）的部分为“1 1”。”。由不同的黑、白区域的排列组合即构成与角位移位置相对应的数由不同的黑、白区域的排列组合即构成与角位移位置相对应的数码，码，如“如“00000000”对应“”对应“0 0”号位，“”号位，“00110011”对应“”对应“3 3”号位等等。”号位等等。图图7 7-47 47 光电码盘及角位移测量示意图光电码盘及角位移测量示意图 10 应用编码盘进行角位移检测的示意图如图应用编码盘进行角位移检测的示意图如图7 7-4747（b b）所示。）所示。对应码盘的每一个码道，有一个光电检测元件（图中为四码对应码盘的每一个码道，有一个光电检测元件（图中为四码

12、道道 光电码盘）。当码盘处于不同的角度时，光电码盘）。当码盘处于不同的角度时，以透明与不透明区域组以透明与不透明区域组成成 的数码信号由光电元件的受光与否转换成电信号的数码信号由光电元件的受光与否转换成电信号送往数码寄存器，送往数码寄存器，由数码寄存器即可获得角位移的位置数值。由数码寄存器即可获得角位移的位置数值。4 4）差动变压器）差动变压器 差动变压器是电磁感应式位移传感器，其组成有一个可以移差动变压器是电磁感应式位移传感器，其组成有一个可以移动动 的铁芯和绕在它外面的一个一次绕组、两个二次绕组。的铁芯和绕在它外面的一个一次绕组、两个二次绕组。图图7 7-48 48 差动变压器差动变压器

13、11 一次绕组通以一次绕组通以50Hz50Hz10KHz10KHz的交流电，两个二次绕组反极性相的交流电，两个二次绕组反极性相 联，作为输出绕组。其输出电压联，作为输出绕组。其输出电压ucuc为两电动势之差，即为两电动势之差，即u uc c=e=e1 1e e2 2。若铁芯在中央，则两个二次绕组感生的电动势相等，即若铁芯在中央，则两个二次绕组感生的电动势相等，即e e1 1=e=e2 2，由于两个二次绕组反极性相联，此时输出电压由于两个二次绕组反极性相联，此时输出电压u uc ce e1 1e e2 20 0。（2 2）执行元件）执行元件 1 1）直流伺服电动机）直流伺服电动机 直流伺服电动机

14、是自动控制系统中常用的一种执行元件直流伺服电动机是自动控制系统中常用的一种执行元件.其作用是其作用是将控制电压信号转换成转轴上的角位移或角速度输将控制电压信号转换成转轴上的角位移或角速度输出出，通过改变控制电压的极性和大小能变更伺服电动机的转向和转速，通过改变控制电压的极性和大小能变更伺服电动机的转向和转速，而转速对时间的积累便是角位移。而转速对时间的积累便是角位移。12 2 2）交流伺服电动机）交流伺服电动机 交流伺服电动机也是自动控制系统中一种常用的执行元件。交流伺服电动机也是自动控制系统中一种常用的执行元件。它实质上是一个两相感应电动机。它实质上是一个两相感应电动机。它的它的定子装有两个

15、在空间上相差定子装有两个在空间上相差9090o o的绕组的绕组：励磁绕组：励磁绕组A A和控制和控制 绕组绕组B B。运行时，励磁绕组。运行时，励磁绕组A A始终加上一定的交流励磁电压（其频始终加上一定的交流励磁电压（其频率率 通常有通常有50Hz50Hz或或400Hz400Hz等几种）。控制绕组等几种）。控制绕组B B则接上交流控制电压。则接上交流控制电压。常用的一种控制方式是在励磁回路串接电容常用的一种控制方式是在励磁回路串接电容C C，这样控制电压，这样控制电压 在相位上（即在时间上）与励磁电压相差在相位上（即在时间上）与励磁电压相差9090o o。3 3）高性能伺服电动机）高性能伺服电

16、动机 交流伺服控制技术发展很快交流伺服控制技术发展很快,出现了无刷直流伺服电机出现了无刷直流伺服电机(BLDC)(BLDC)、交流伺服电机（交流伺服电机（PMSMPMSM）等多种新型电动机）等多种新型电动机,交流伺服系统的控制方交流伺服系统的控制方 式迅速式迅速向数字控制方向发展向数字控制方向发展，并由，并由硬件伺服转向软件伺服及智能硬件伺服转向软件伺服及智能化化 的软件伺服。的软件伺服。以永磁同步电动机为代表的交流伺服电动机的控制技术出现以永磁同步电动机为代表的交流伺服电动机的控制技术出现了了 转速开环恒压频比转速开环恒压频比（u/f=u/f=常数）控制、经典常数）控制、经典PIDPID控制、磁场定向矢控制、磁场定向矢 量控制、直接转矩控制、滑模变结构控制、自适应控制、非线性量控制、直接转矩控制、滑模变结构控制、自适应控制、非线性反反 馈线性化理论控制、模糊控制、神经网络控制等馈线性化理论控制、模糊控制、神经网络控制等智能控制智能控制。