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第四章 伺服驱动技术 一、伺服执行机构概述 二、步进电机的原理及驱动 三、直流伺服电机的原理及驱动 四、交流伺服电机的原理及驱动 伺服执行元件的特点及类型 第一节 伺服执行机构概述 机电控制系统对执行元件的要求 一般来说，工作机的执行机构要对外界做 功，因此必须实现一定的运动和传递必要的 动力。通常对执行机构提出如下基本要求： （1）能够实现系统所需的运动； （2）传递必要的动力； （3）保证系统具有良好的动态品质。 机电一体化系统执行元件应满足的性能要求： （1）惯量小、动力大； （2）体积小、重量轻； （3）快速性好，加减速扭矩大，频率特性好； （4）位置控制精度高。 伺服电机控制方式 伺服电机比较 第二节 步进电动机 一、步进电动机的结构和工作原理 与普通电动机一样，也是由定子和转子构成，其中定子 又分为定子铁心和定子绕组。定子铁心由电工钢片叠压而成 ，定子绕组是绕置在定子铁心6个均匀分布的齿上的线圈，在 直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控 制绕组。图示的步进电动机可构成A、B、C三相控制绕组，故 称三相步进电动机。 1-绕组 2-定子铁心 3-转子铁心 反应式步进电动机结构原理图 一、步进电动机的工作原理 步进电动机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。 当A相绕组通电时，转子的齿与定子AA上的齿对齐。若A相 断电，B相通电，由于磁力的作用，转子的齿与定子BB上的齿 对齐，转子沿逆时针方向转过，如果控制线路不停地按 ABCA的顺序控制步进电动机绕组的通断电，步进电 动机的转子便不停地逆时针转动。 若通电顺序改为ACBA ，步进电动机的转子将顺时针转动 30。这种通电方式称为三相三拍， 而通常的通电方式为三相六拍，其 通电顺序为 AABBBCCCAA 或 AACCCBBBAA，相应 地，定子绕组的通电状态每改变一 次，转子转过15。 三相三拍工作方式 三相六拍工作方式 二、步进电机特点 （1）步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一 个 确定的角度，即步距角； （2）改变步进电动机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变 ； （3）步进电动机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速 度 越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高； （4）步进电动机步距角与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k 有 关，可用下式表示： = 360/(mzk) 式中m相m拍时，k=1； m相2m拍时，k=2。 对于上图所示的单定子、径向分相、反应式步进电动机，当它以三相三拍 通电方式工作时，其步距角为：=360/(341)=30 若按三相六拍通电方式工作，则步距角为：=360/(342)=15 步距角：常见的步距角0.60/1.20 , 0.750/1.50 , 0.90/1.80 ,10/20, 1.50/30 等。 例：某步进电进电 机有80个齿齿, 采用3相6拍方式驱动驱动 ， 经丝经丝 杠螺母副驱动驱动 工作台做直线线运动动, 丝丝杠的导导程 L=6mm。求： (1) 步进电进电 机的步矩角 。 (2) 当脉冲当量为0.01mm时,试设计此传动系统 。 i=Z2/Z1=L/360 =L/360i (1) k=6/3=2 = 360/(mzk) =360/(3802)=0.75。 (2) I=Z2/Z1=L/360=0.756/3600.01=2/1 可选Z1=20，Z2=40，模数=1.5的齿轮传动副。 例 将改造一台C620车床，其纵向丝杠的螺距t=12mm，采用 110BF003型步进电动机，步距=0.75，系统规定的纵向 步进当量=0.01mm，计算步进电动机与纵向丝杠之间的联 接传动比。 解： 可选 ，模数m=1.5的齿轮传动副。当i为小数时 ，则可采用挂轮。 思考题：三相变磁阻式步进电动机，转子80个齿。 (1)如果电动机转速为60r/min,单双拍制通电，输入 脉冲频率为多少? (2)如果电动机转速为100r/min，单拍制通电，输入 脉冲频率为多少? 三、步进电机分类 （1）反应式步进电机：定子转子均有铁心组成，转子无绕组， 步进运行由定子绕组通电历磁产生的反应力矩作用实现。 特点：结构简单，工作可靠，运行频率高，步距角小。 应用：数控设备，机器人。 （2）永磁式步进电机：转子用永磁铁，靠与定子产生电磁力 特点：控制功率小，效率高，造价低，但步距角大。 应用：记录仪，空调机。 （3）混合式步进电机：转子有齿，带固定极性。 特点：步距角小，工作频率高，控制功率小。但结构复杂 ，成本高。 磁阻式步进电机 永磁式步进电机 四、步进电机的驱动与控制 步进电机的驱动方法 步进电动机的运行特性与配套使用的驱动 电源有密切关系。 驱动电源由脉冲分配器、功率放大器组成 。 步进电机驱动组成框图 步进电机的加减速过程 步进电机驱动电源 脉冲分配器 （环形分配器） 软件脉冲分配 软件环形分配器的设计方法有很多，如查表法、比较法、移位寄存 器法等，它们各有特点，其中常用的是查表法。 步序导电相工作状态数值（16进制）程序的数据表 正转 反转 C B A TAB A0 0 101HTAB0 DB 01H AB0 1 103HTAB1 DB 03H B0 1 002HTAB2 DB 02H BC1 1 006HTAB3 DB 06H C1 0 004HTAB4 DB 04H CA1 0 105HTAB5 DB 05H 五、步进电动机的功率驱动电路 1单电压功率放大电路 此电路的特点是电路结 构简单，不足之处是Rc消耗 能量大，电流脉冲前后沿不 够陡，在改善了高频性能后 ，低频工作时会使振荡有所 增加，使低频特性变坏。 2高低电压功率放大电路 电源U1为高电压，电源大约 为80150V，U2为低电压电源， 大约为520V。在绕组指令脉冲 到来时，脉冲的上升沿同时使VT1 和VT2导通。由于二极管VD1的作 用，使绕组只加上高电压U1，绕 组的电流很快达到规定值。到达 规定值后，VT1的输入脉冲先变成 下降沿，使VT1截止，电动机由低 电压U2供电，维持规定电流值， 直到VT2输入脉冲下降沿到来VT2 截止。 不足之处是在高低压衔接处的 电流波形在顶部有下凹，影响电 动机运行的平稳性。 3斩波恒流功放电路 该电路的特点是工作时Vin端 输入方波步进信号：当Vin为 “0”电平，由与门A2输出Vb为 “0”电平，功率管（达林顿管） VT截止，绕组W上无电流通过，采 样电阻上R3上无反馈电压，A1放大 器输出高电平；而当Vin为高电平 时，由与门A2输出的Vb也是高电平 ，功率管VT导通，绕组W上有电流 ，采样电阻上R3上出现反馈电压Vf ，由分压电阻R1、R2得到设定电压 与反馈电压相减，来决定A1输出电 平的高低，来决定Vin信号能否通 过与门A2。若VrefVf时Vin信号通过 与门，形成Vb正脉冲，打开功率管 VT；反之，VrefVf时Vin信号被截 止，无Vb正脉冲，功率管VT截止。 这样在一个Vin脉冲内，功率管VT 会多次通断，使绕组电流在设定 值上下波动。 步进电机驱动电源总结 作用：对控制脉冲进行功率放大，以使步进电机 获得足够大的功率驱动负载运行。 1、步进电机是用脉冲供电，且按一定工作方式 轮流作用于各相励磁线圈上。 2、步进电机正反转是靠给各相励磁线圈通电顺 序变化来实现的。 3、速度控制是靠改变控制脉冲的频率实现的。 4、在通电脉冲内使励磁线圈的电流能快速建立 ，而在断电时电流能快速消失。 步进电机驱动控制方法 起动曲线 运行曲线 在这个输出转 矩区间，步进电 机启动时的输入 脉冲频率必须缓 慢增加。 六、步进电机的选择 1、步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率 （当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速 ）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步 距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相 电机）、1.5度/3度 （三相电机）等。 2、静力矩的选择 （1）根据机械结构草图计算机械传动装置及负载折算到电动机 轴上的等效负载转动惯量。 （2）计算各种工况下所需的等效力矩。 （3）根据步进电机最大静转矩和起动、运行矩频特性。 TL/TMax0.5 JL/Jm4 3、电流的选择 静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大 ，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱 动电压）。 第三节 直流伺服电动机 直流伺服电动机具有良好的调速特性，较大的起动转矩，相对功率大 及快速响应等优点。尽管其结构复杂，成本较高，在机电控制系统中作 为执行元件还是获得了广泛的应用。 直流伺服电动机按激磁方式可分为电磁式和永磁式两种。电磁式的 磁场由激磁绕组产生；永磁式的磁场由永磁体(永久磁铁)产生。电磁式 直流伺服电动机是一种目前巳普遍使用的伺服电动机，特别是在大功率 范围内(100w以上)。永磁式直流伺服电动机由于尺寸小、重量轻、效率 高、出力大、结构简单，无需激磁等一系列优点而被越来越重视。 主要特点： 1、稳定性好； 2、可控性好； 3、响应迅速； 4、控制功率低，损耗小； 5、转矩大。 直流伺服电动机的结构与一般的直流电机结构相似，也是由 定子、转子和电刷等部分组成，在定子上有励磁绕组和补偿绕组 ，转子绕组通过电刷供电。由于转子磁场和定子磁场始终正交， 因而产生转矩使转子转动。 直流伺服电机的基本结构与工作原理与一般直流电 动机相类似。 （a）宽调速直流电动机结构 （b）带制动器的直流伺服电动机 直流伺服电动机 直流伺服电机的机械特性方程为： 式中， 电枢控制电压； 电枢回路电阻； 每极磁通； 、 分别为电动机的结构常数。 直流伺服电机的特性 由上式知，直流伺服电机的控制方式如下： （2 2）调磁调速（变励磁电流，恒功率调速）调磁调速（变励磁电流，恒功率调速） （1 1）调压调速（变电枢电压，恒转矩调速）调压调速（变电枢电压，恒转矩调速） 常用的是前面常用的是前面2 2种调速方式。种调速方式。 （3 3）改变电枢回路电阻调速）改变电枢回路电阻调速 直流伺服电机的特性 （a）机械特性 （b）电枢控制时的调速特性 直流伺服电动机特性 为了实现直流伺服电动机的转速与方向调节，需 要对其直流电压的大小和方向进行控制。 目前常用晶体管脉宽调速驱动和晶闸管直流调速 驱动两种方式。 直流伺服电机的驱动与控制 直流伺服电机的驱动与控制 一个驱动系统性能的好坏，不仅取决于电机本身的特性 ，而且还取决于驱动电路的性能以及两者之间的相互配合。 对驱动电路一般要求频带宽、效率高、能量能回授等。目前 常用晶体管驱动和晶闸管直流调速驱动。 直流伺服电机的晶体管驱动电路有线性直流伺服 放大器和脉宽调制放大器(Pulse-Width Modulatorr ，简称 PWM)。 一般，宽频带低功率系统选用线性放大器(小于 几百瓦)，而脉宽调制放大器常用在较大的系统中， 尤其是那些要求在低速和大转矩下连续运行的场合 。 晶闸管直流调速驱动 晶闸管直流调速驱动 直流伺服电机控制 脉宽调制放大器(PWM) PWM放大器的优点是功率管工作在开关状态，功耗小，电 源效率高；电机处于微振状态，有利于获得良好的动态性能 。 PWM基本原理是：利用大功率晶体管的开关作用，将直流 电源电压转换成一定频率(例如2000HZ)的方波电压，加在直 流电动机的电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢 的平均电压，从而调节电机的转速。 桥式桥式(H(H形形)PWM)PWM变换器主电路变换器主电路 晶体管脉宽调速（PWM）驱动 止口 直流伺服电机及驱动器 第四节 交流伺服电动机 与普通直流伺服电动机相比较，普通交流伺服电 动机的特点是：它不需要电刷和换向器，因而避免 了由于存在电刷和换向器而引起的一系列弊病。此 外，它的转动惯量、体积和重量一般来说也较小。 缺点是：输出功率和转矩较小；转矩特性和调节 特性的线性度不及直流伺服电动机好；其效率也较 直流伺服电动机为低。 一、交流伺服电动机的种类 1、同步型（SM）：采用永磁结构的同步电动机，又称无刷 直流伺服电动机。 特点：无接触换向部件； 需要磁极位置检测器（如编码器）； 具有直流伺服电动机的全部优点。 2、感应型（IM）：笼型感应电动机 特点：对定子电流的激励分量和转矩分量分别控制，具 有直流伺服电动机的全部优点； 结构坚固，容易制造，价格低廉。 永磁式伺服电机 二、 交流伺服电动机的选择 1、交流伺服电动机的初选择 (1)首先考虑电动机能够提供负载所需的转矩和 转速。就是能够提供克服峰值负载所需的功率。 Pm=(1.52.5)TLPnLP/159 其次，当电动机的工作周期可以与其发热时间 常数相比较时，必须考虑电机的热额定问题，通常 用负载的均方根功率作为确定电机发热功率的基础 。 Pm=(1.52.5)TLrnLr/159 (2)发热校核 TNTLr (3)转矩过载校核 (TL)max(Tm)max过载转矩 (Tm)max=Tn额定力矩 2.伺服系统惯量匹配原则 （1）惯量较小的系统 1Jl/Jm3 （2）惯量较大的系统 0.25Jl/Jm1 交流伺服电机的控制方式有以下几种。 （1）幅值控制 （2）相位控制 （3）幅相控制 （4）双相控制 三、 交流伺服电机的控制与驱动 伺服电动机就是两相异步电动机，定子侧绕组再 空间相差90度摆放，转子是鼠笼式的。 伺服电机的机械特性 （1）自转现象：如果电机参数与一般的单相异步电动机一样， 那么当控制信号消失时，电机转速虽会下降些，但仍会继续 不停地转动。伺服电动机在控制信号消失后仍继续旋转的失 控现象称为“自转”。 （2）如何克服：显然,我们需要的是当控制信号为零时,转子的 转速也为零,从机械特性图上我们可以看出,只要转子旋转的 方向和电磁转矩的方向相反,就可以实现此目的。 （3）改变控制电压的方法： a.幅值控制： 如图所示，幅值控制通过改变控制电压的大小来控 制电机转速，此时控制 电压与励磁电压之间的相位差始终保持90电角度。 若控制绕组的额定电压 那么控制信号的大小可表示ccN , 称为 有效信号系数，那么以cn为基值，控制电压 的标 么值为： 当有效信号系数时，控制电压 与 的幅 值相等，相位相差90电角度