机电一体化技术——伺服系统

1、机电一体化技术伺服系统 伺服控制系统是一种能够跟踪输入的指令信号动作，从伺服控制系统是一种能够跟踪输入的指令信号动作，从 而获得精确的位置、速度及动力输出的自动控制系统。而获得精确的位置、速度及动力输出的自动控制系统。 机电一体化系统都具有伺服功能，机电一体化系统中的机电一体化系统都具有伺服功能，机电一体化系统中的 伺服控制是为执行机构按设计要求实现运动而提供控制和动伺服控制是为执行机构按设计要求实现运动而提供控制和动 力的重要环节。力的重要环节。 机电一体化技术伺服系统 一、伺服系统的结构组成一、伺服系统的结构组成 第一节第一节 概述概述 控制器控制器执行元件执行元件 检测装置检测装置 输入

2、输入 输出输出 被控对象被控对象 1、比较环节：将输入与反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号。、比较环节：将输入与反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号。 3、执行元件：按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱、执行元件：按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱 动被控对象工作。动被控对象工作。 4、被控对象：被控制的机构或装置，是直接完成系统目的的主体。、被控对象：被控制的机构或装置，是直接完成系统目的的主体。 5、检测装置：测量被控量，实现反馈控制。、检测装置：测量被控量，实现反馈控制。 2、控制器：对偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按

3、要求动作。、控制器：对偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。 机电一体化技术伺服系统 电气伺服系统电气伺服系统 液压伺服系统液压伺服系统 气动伺服系统气动伺服系统 1、根据执行元件性质分类、根据执行元件性质分类 2、根据控制方式分类、根据控制方式分类 开环伺服系统开环伺服系统闭环伺服系统闭环伺服系统 二、伺服系统的分类二、伺服系统的分类 机电一体化技术伺服系统 三、伺服系统的基本要求三、伺服系统的基本要求 1、高可靠性。、高可靠性。 2、良好的动态性。、良好的动态性。 3、动作准确性高、系统精度高。、动作准确性高、系统精度高。 4、高效率。、高效率。 机电一体化技术伺服系统 第二节第

4、二节 伺服系统执行元件及其驱动与控制伺服系统执行元件及其驱动与控制 一、执行元件概况一、执行元件概况 执行 元件 电磁式液压式气压式其 它 电动机 电磁铁 及其它 油 缸 液压 马达 气 缸 气压 马达 与材料 有关 机电一体化技术伺服系统 1、电动执行元件：、电动执行元件： 以电能作为动力，并把电能转换为位移或转角形式的机以电能作为动力，并把电能转换为位移或转角形式的机 械能，实现对被控对象的调整和控制。械能，实现对被控对象的调整和控制。 精度高、速度高、可靠性高、控制容易。精度高、速度高、可靠性高、控制容易。 2、液压执行元件：、液压执行元件： 以高压液体能量为动力，并把之转换为机械能，拖

5、动负载以高压液体能量为动力，并把之转换为机械能，拖动负载 实现直线或回转运动。实现直线或回转运动。 工作平稳、冲击振动小、无级调速范围大、输出力及扭矩工作平稳、冲击振动小、无级调速范围大、输出力及扭矩 大、过载能力强。大、过载能力强。 3、气动执行元件：、气动执行元件： 以压缩空气的能量为动力，并把之转换为机械能，拖动负载以压缩空气的能量为动力，并把之转换为机械能，拖动负载 工作。工作。 结构简单、工作可靠、维护方便。结构简单、工作可靠、维护方便。 机电一体化技术伺服系统 其它电动机其它电动机 电 动 机 交流(AC)伺服电动机 直流(DC)伺服电动机 步进电动机 其它电动机其它电动机 伺服电

6、动机的技术要求伺服电动机的技术要求 机电一体化技术伺服系统 （1）具有较硬的机械特性和良好的调节特性。）具有较硬的机械特性和良好的调节特性。 机械特性是指在一定的电枢电压条件下，转速和转矩的关系。机械特性是指在一定的电枢电压条件下，转速和转矩的关系。 调节特性是指在一定的转矩条件下转速和电枢电压的关系。调节特性是指在一定的转矩条件下转速和电枢电压的关系。 Ua1 Ua2 Ua1 Ua2 ML=0 ML0 0 a）机械特性）机械特性 n M n 0 Ua b）调节特性）调节特性 机电一体化技术伺服系统 （2）具有宽广而平滑的调速范围）具有宽广而平滑的调速范围 伺服系统要完成多种不同的复杂的动作，

7、需要伺服电动机在控制指令伺服系统要完成多种不同的复杂的动作，需要伺服电动机在控制指令 的作用下，转速能够在很广的范围内调节。的作用下，转速能够在很广的范围内调节。 （3）具有快速响应特性）具有快速响应特性 所谓快速响应特性是指伺服电动机从获得控制指令到按指令要求完所谓快速响应特性是指伺服电动机从获得控制指令到按指令要求完 成动作的时间要短。响应时间越短，说明伺服系统的灵敏性越高。成动作的时间要短。响应时间越短，说明伺服系统的灵敏性越高。 （4）具有小的空载始动电压）具有小的空载始动电压 伺服电动机空载时，控制伺服电动机空载时，控制 电压从零开始逐渐增加，电动电压从零开始逐渐增加，电动 机开始连

8、续运转时的电压。机开始连续运转时的电压。 空载始动电压：空载始动电压：ML=0 n 0 Ua UB0 机电一体化技术伺服系统 二、伺服电动机的控制与驱动形式二、伺服电动机的控制与驱动形式 1、开环控制、开环控制 结构简单，要综合考虑带载能力、调速范围、运行精度、结构简单，要综合考虑带载能力、调速范围、运行精度、 可靠性、可控性等因素。可靠性、可控性等因素。 用于负载不大，精度要求不高的场合。用于负载不大，精度要求不高的场合。 机电一体化技术伺服系统 2、半闭环控制、半闭环控制 有反馈环节，系统结构相对简单，控制易于实现，精度高。有反馈环节，系统结构相对简单，控制易于实现，精度高。 广泛使用。广

9、泛使用。 机电一体化技术伺服系统 3、闭环控制、闭环控制 将全部环节都封闭在反馈环内，可以达到很高的控制精度。将全部环节都封闭在反馈环内，可以达到很高的控制精度。 但系统结构复杂，设计难度大，成本高。但系统结构复杂，设计难度大，成本高。 机电一体化技术伺服系统 三、直流伺服电动机及其控制三、直流伺服电动机及其控制 机电一体化技术伺服系统 机电一体化技术伺服系统 1、直流伺服电动机特性分析、直流伺服电动机特性分析 机电一体化技术伺服系统 励磁绕组励磁绕组 电枢电枢 机电一体化技术伺服系统 电磁转矩为：电磁转矩为： M=GIa G为取决于直流电机结构的转矩系数为取决于直流电机结构的转矩系数为主磁极

10、每极磁通量为主磁极每极磁通量Ia为电枢电流为电枢电流 电枢电动势电枢电动势Ea为：为： Ea=Ce n Ce为电动势系数为电动势系数n为电枢转速为电枢转速 机电一体化技术伺服系统 Ua=Ea+IaRa e aaa e a C RIU C E n G M I a 机电一体化技术伺服系统 2 GC MR C U C R G M U n e a e a e aa e a C U n 0 2 GC R k e a 令令: n=n0-kM N0-电动机的理想空载转速电动机的理想空载转速 机电一体化技术伺服系统 n=n0-kM (a) 机械特性机械特性 n0 Ua1Ua2Ua3 Ua1 Ua2 Ua3 n

11、 M 0 电动机的机械特性是一条随电动机的机械特性是一条随 M的增大而略有下降的直线，属的增大而略有下降的直线，属 于硬特性。于硬特性。 随着控制电压增加，机械特随着控制电压增加，机械特 性曲线平行地向转速和转矩增加性曲线平行地向转速和转矩增加 的方向移动，但斜率不变。机械的方向移动，但斜率不变。机械 特性是线性的，线性度越高，系特性是线性的，线性度越高，系 统的动态误差越小。统的动态误差越小。 机电一体化技术伺服系统 (b) 调节特性调节特性 M2M10 M=0 M1 M2 U1 U2 n Ua 0 M一定时，控制电压一定时，控制电压Ua 高时，转速高时，转速n也高，二者成正也高，二者成正

12、比关系。比关系。 当当n=0时，不同转矩时，不同转矩M需需 要的控制制电压要的控制制电压Ua也不同。也不同。 U1为始动电压为始动电压M不同，始动电压不同。不同，始动电压不同。 2 GC MR C U n e a e a 机电一体化技术伺服系统 2、直流伺服电动机的控制与驱动、直流伺服电动机的控制与驱动 直流伺服电动机为直流供电，为调直流伺服电动机为直流供电，为调 节电动机转速和转向，需要对其直流电节电动机转速和转向，需要对其直流电 压的大小和方向进行控制。压的大小和方向进行控制。 脉宽调制（脉宽调制（PWM）直流调速驱动）直流调速驱动 （1）基本原理）基本原理 机电一体化技术伺服系统 T T

13、-周期周期-闭合时间闭合时间 UU T Udt T Ud 0 1 则：则： -导通率、占空比导通率、占空比 机电一体化技术伺服系统 （2）锯齿波脉宽调制器）锯齿波脉宽调制器 锯齿波信号锯齿波信号 负偏移电压负偏移电压 控制信号控制信号 机电一体化技术伺服系统 Uc=0 机电一体化技术伺服系统 Uc0 机电一体化技术伺服系统 Uc0 机电一体化技术伺服系统 桥式功率驱动电路桥式功率驱动电路 机电一体化技术伺服系统 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位 移的控制电机。因为它的运动形式是步进式的，故称为步进电动移的控制电机。因为它的

14、运动形式是步进式的，故称为步进电动 机。其特点是没有积累误差机。其特点是没有积累误差, 广泛应用于各种开环控制。广泛应用于各种开环控制。 四、步进电动机及其控制与驱动四、步进电动机及其控制与驱动 机电一体化技术伺服系统 定子为三对磁极，磁定子为三对磁极，磁 极对数称做极对数称做“相相”，相对，相对 的极属一相。的极属一相。 1、结构特点、结构特点 磁极个数是定子相数磁极个数是定子相数 m的的2倍即倍即2 m,每个磁极上每个磁极上 套有该相的控制绕组套有该相的控制绕组,在磁在磁 极的极靴上制有小齿，转极的极靴上制有小齿，转 子由软磁材料制成齿状。子由软磁材料制成齿状。 （1）定、转子齿距要相同。

15、）定、转子齿距要相同。 （2）在同相的磁极下，定、转）在同相的磁极下，定、转 子齿应同时对齐或同时错开子齿应同时对齐或同时错开 ，以保证产生最大转矩。，以保证产生最大转矩。 （3）在不同相的磁极下，定、转子齿的相对位置应依次错开）在不同相的磁极下，定、转子齿的相对位置应依次错开1/m 齿距。当连续改变通电状态时，可以获得连续不断的步进运动。齿距。当连续改变通电状态时，可以获得连续不断的步进运动。 定子定子 控制绕组控制绕组 转子转子 机电一体化技术伺服系统 主要参数：主要参数： 齿距齿距-zz=2/ZR转子齿数转子齿数-ZR 规格：规格： 机电一体化技术伺服系统 2、三相反应式步进电动机工作原

16、理、三相反应式步进电动机工作原理 刚开始，开关接通刚开始，开关接通A相绕组，则定、转子间的气隙磁场与相绕组，则定、转子间的气隙磁场与A相绕组轴线重合，相绕组轴线重合， 转子受磁场作用便产生了转矩。由于定、转子的相对位置力图取最大磁导位置，转子受磁场作用便产生了转矩。由于定、转子的相对位置力图取最大磁导位置， 在此位置上，转子有自锁能力，所以当转子旋转到其轴线与在此位置上，转子有自锁能力，所以当转子旋转到其轴线与A相绕组轴线一致时，相绕组轴线一致时， 转子上只受径向力而不受切向力，转矩为零，转子停转。即转子上只受径向力而不受切向力，转矩为零，转子停转。即A相磁极和转子相磁极和转子1、3 号齿对齐

17、。同时，转子的号齿对齐。同时，转子的2、4号齿和号齿和B、C相磁极成错齿状态。相磁极成错齿状态。 当当A相绕组断电相绕组断电B相绕组通电时，将使相绕组通电时，将使B相磁极与转子的相磁极与转子的2、4号齿对齐。转号齿对齐。转 子的子的1、3号齿和号齿和A、C相磁极成错齿状态。相磁极成错齿状态。 当当B相绕组断电，相绕组断电，C相绕组通电时，使得相绕组通电时，使得C相磁极与转子相磁极与转子1、3号齿对号齿对 齐，而转子的齐，而转子的2、4号齿与号齿与A、B相磁极形成错齿状态。相磁极形成错齿状态。 当当C相绕组断电，相绕组断电，A相绕组通电时，使得相绕组通电时，使得A相磁极与转子相磁极与转子2、4号

18、齿对齐号齿对齐, 而转子的而转子的1、3号齿与号齿与B、C相磁极产生错齿。相磁极产生错齿。 显然显然,当对当对A、B、C绕组按绕组按A-B-C-A顺序轮流通电时，磁场沿顺序轮流通电时，磁场沿 A-B-C方向转动方向转动 了了360，而转子转动了一个齿距位置。，而转子转动了一个齿距位置。 机电一体化技术伺服系统 对每一相绕组通电的操作称为一拍，则对每一相绕组通电的操作称为一拍，则A、B、C三相绕三相绕 组轮流通电需要三拍，从上面分析可知，电机转子转动一个组轮流通电需要三拍，从上面分析可知，电机转子转动一个 齿距需要三拍操作。实际上，电机每一拍都转一个角度，也齿距需要三拍操作。实际上，电机每一拍都

19、转一个角度，也 称前进了一步，这个转过的角度叫做步距角称前进了一步，这个转过的角度叫做步距角b。 R b NZ 2 R b NZ 360 或或 N转子转过一个齿距的运行拍数转子转过一个齿距的运行拍数 ZR转子齿数转子齿数 机电一体化技术伺服系统 3、步进电动机工作方式、步进电动机工作方式 三相单三拍三相单三拍 三相双三拍三相双三拍 三相六拍三相六拍 ABCA A BCA ABBCCAAB AABBBCCCAA 机电一体化技术伺服系统 4、步进电动机工作特性、步进电动机工作特性 失调角失调角 转子中心线与定子中心线偏离的角度转子中心线与定子中心线偏离的角度 矩角特性矩角特性 最大静转矩最大静转矩

20、 稳定平衡点稳定平衡点 失调角失调角: （1）静态特性）静态特性 机电一体化技术伺服系统 e t 静态稳定过程静态稳定过程 机电一体化技术伺服系统 （2）动态特性）动态特性 Tq J3J2J1 f 0 在规定电源条件下，从静止态突然起动在规定电源条件下，从静止态突然起动 而不失步运行所带动的最大负载转矩。而不失步运行所带动的最大负载转矩。 矩频特性矩频特性 起动转矩（起动转矩（ Tq ）：）： 机电一体化技术伺服系统 5、步进电动机控制与驱动、步进电动机控制与驱动 1）步进电动机驱动电源的基本功能）步进电动机驱动电源的基本功能 a）按一定顺序及频率接通和断开步进电动机的励磁绕组，按要）按一定顺

21、序及频率接通和断开步进电动机的励磁绕组，按要 求使电动机起动、运转和停止。求使电动机起动、运转和停止。 b）提供足够的功率，实现机电能量转换。）提供足够的功率，实现机电能量转换。 c）提高步进电动机运行的快速性和平稳性。）提高步进电动机运行的快速性和平稳性。 2）对驱动电源的基本要求）对驱动电源的基本要求 a）电源的相数、通电方式、电压、电流与电动机的基本参数相）电源的相数、通电方式、电压、电流与电动机的基本参数相 适应。适应。 b）能满足步进电动机起动频率和运行频率的要求，并能实现按）能满足步进电动机起动频率和运行频率的要求，并能实现按 要求的自动频率升降。要求的自动频率升降。 c）能最大限

22、度地抑制步进电动机的振荡，工作可靠，抗干扰）能最大限度地抑制步进电动机的振荡，工作可靠，抗干扰 能力强。能力强。 d）成本低，效率高，安装和维护方便。）成本低，效率高，安装和维护方便。 机电一体化技术伺服系统 3）驱动电源的组成）驱动电源的组成 变频信号源：提供控制脉冲的信号发生器。变频信号源：提供控制脉冲的信号发生器。脉冲分配器：根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加到放大器上，使各相绕脉冲分配器：根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加到放大器上，使各相绕 组按一定顺序和时间导通与切断，并根据指令使电动机正转或反转，实现既定组按一定顺序和时间导通与切断，并根据指令使电动机正转或反转，实现既定 的

23、运行方式。的运行方式。 功率放大器：提供足够的驱动功率。功率放大器：提供足够的驱动功率。 机电一体化技术伺服系统 （1）脉冲分配器）脉冲分配器 专门为步进电机而设计的三相三拍、三相六拍专用集成电路。专门为步进电机而设计的三相三拍、三相六拍专用集成电路。 工作稳定，抗干扰能力强。工作稳定，抗干扰能力强。 CH250环形脉冲分配器环形脉冲分配器 机电一体化技术伺服系统 J3r、J3L- 三相双三拍的控制端三相双三拍的控制端 J6r、J6L- 三相六拍的控制端三相六拍的控制端 三相双三拍工作时，若三相双三拍工作时，若J3r“1”，J3L“0”，则电机正转；，则电机正转； 若若J3r“0”，J3L“1

24、”，则电机反转；，则电机反转； 三相六拍供电时，若三相六拍供电时，若J6r“1”，J6L“0”，则电机正转；，则电机正转； 若若J6r“0”，J6L“1”，电机反转。，电机反转。 机电一体化技术伺服系统 使用时，首先将其对应复位端接入高电平，使其进入工使用时，首先将其对应复位端接入高电平，使其进入工 作状态，然后换接到工作位置。作状态，然后换接到工作位置。 R- 双三拍复位端双三拍复位端 R*- 六拍复位端六拍复位端 机电一体化技术伺服系统 EN用以控制时钟脉冲的允许与否。当脉冲由用以控制时钟脉冲的允许与否。当脉冲由CP端输入时，端输入时， 只有只有EN端为高电平时，时钟脉冲的上升沿才起作用。

25、端为高电平时，时钟脉冲的上升沿才起作用。 CP- 时钟脉冲输入端时钟脉冲输入端 EN- 时钟脉冲允许端时钟脉冲允许端 CH250也允许以也允许以EN端作脉冲端作脉冲CP的输入端，此时，只有的输入端，此时，只有CP为为 低电平时，时钟脉冲的下降沿才起作用。低电平时，时钟脉冲的下降沿才起作用。 机电一体化技术伺服系统 U、V、W输出经过脉冲放大器（功率放大器）后分别接到输出经过脉冲放大器（功率放大器）后分别接到 步进电动机的三相线上步进电动机的三相线上,驱动电机动作。驱动电机动作。 U、V、W- 输出端输出端 机电一体化技术伺服系统 CH250三相六拍接法三相六拍接法 机电一体化技术伺服系统 a、

26、单电压功率放大电路、单电压功率放大电路 结构简单，结构简单，R要消耗能量，使放大器功率降低。用于对要消耗能量，使放大器功率降低。用于对 速度要求不高的小型步进电动机中。速度要求不高的小型步进电动机中。 （2）驱动方法）驱动方法 机电一体化技术伺服系统 b、双电压驱动、双电压驱动 功耗小，效率高，能增加电机的起动和运行频率，改功耗小，效率高，能增加电机的起动和运行频率，改 善矩频特性。善矩频特性。 机电一体化技术伺服系统 C、细分驱动、细分驱动 把一个步矩角细分成若干个步的驱动方法。把一个步矩角细分成若干个步的驱动方法。 其三，其三， 提高了电机的分辨率。在不改变电机结构的情况下，提高了电机的分

27、辨率。在不改变电机结构的情况下， 减小了步距角，提高了步距的均匀度，即提高了电机运行的减小了步距角，提高了步距的均匀度，即提高了电机运行的 平稳性和匀速性。平稳性和匀速性。 特点：特点： 其一，可以减弱或其一，可以减弱或 完全消除电机的低频振荡。完全消除电机的低频振荡。 其二，其二， 可以提高电机的输出转矩。可以提高电机的输出转矩。 机电一体化技术伺服系统 方法一：先放大后叠加方法一：先放大后叠加 细分细分 环形环形 分配器分配器 放大放大 放大放大 放大放大 将通过细分环形分将通过细分环形分 配器所形成的各个等幅配器所形成的各个等幅 等宽的脉冲分别进行放等宽的脉冲分别进行放 大，然后在电机绕

28、组中大，然后在电机绕组中 叠加起来形成阶梯波。叠加起来形成阶梯波。 细分的方法细分的方法 方法二：先叠加后放大方法二：先叠加后放大 细分细分 环形环形 分配器分配器 加加 法法 器器 放大放大 机电一体化技术伺服系统 6、步进电机驱动器实例、步进电机驱动器实例 步进电机驱动器型号步进电机驱动器型号 机电一体化技术伺服系统 机电一体化技术伺服系统 VR310B三相反应式步进电机驱动器三相反应式步进电机驱动器 例例 1 机电一体化技术伺服系统 端子标记端子标记功能功能说明说明 CP步进脉冲信号输入端步进脉冲信号输入端光耦开通沿有效，最小脉宽光耦开通沿有效，最小脉宽10us CW/CCW方向控制信号

29、输入端方向控制信号输入端光耦关断时为正转，关断时为反转光耦关断时为正转，关断时为反转 F/H步距控制信号输入端步距控制信号输入端光耦关断时为光耦关断时为6拍，开通时为拍，开通时为3拍拍 FRE脱机控制信号输入端脱机控制信号输入端光耦开通时输出电流为光耦开通时输出电流为0，电机无锁定转矩，电机无锁定转矩 POW电源指示输出电源指示输出 光耦副边集电极开路输出（光耦副边集电极开路输出（50V/20mA）。电源正常）。电源正常 时时POW脚和脚和COM脚之间三极管开通脚之间三极管开通 TIM相原点指示输出相原点指示输出 光耦副边集电极开路输出（光耦副边集电极开路输出（50V/20mA）。相原点时）。

30、相原点时 TIM脚和脚和COM脚之间三极管开通脚之间三极管开通 COM信号公共端信号公共端 CP、CW/CCW、F/H、FRE、POW、TIM内部光耦内部光耦 的公共地的公共地 POWER电源指示电源指示电源正常时发光管亮（红色）电源正常时发光管亮（红色） TIMING相原点指示相原点指示相原点时发光管亮（绿色）相原点时发光管亮（绿色） AA相头输出相头输出 A-A相尾输出相尾输出 BB相头输出相头输出 B-B相尾输出相尾输出 CC相头输出相头输出 C-C相尾输出相尾输出 AC220V电源输入电源输入额定电压额定电压AC220V（AC110220V），），10A 机电一体化技术伺服系统 硬件连

31、接硬件连接 机电一体化技术伺服系统 1、三相正弦电流驱动输出，使三相混合式电机低速无爬行，、三相正弦电流驱动输出，使三相混合式电机低速无爬行， 无共振区，噪音小。无共振区，噪音小。 DX-BQM308B混合式步进电机驱动器特点：混合式步进电机驱动器特点： 2、驱动器功放级的电压达到、驱动器功放级的电压达到DC325伏，步进电机高速运转仍伏，步进电机高速运转仍 然有高转矩输出。然有高转矩输出。 3、具备短路、过压、欠压、过热等完善保护功能，可靠性高。、具备短路、过压、欠压、过热等完善保护功能，可靠性高。 4、具有多种细分选择，可控制电机在任意细分状态下精确定、具有多种细分选择，可控制电机在任意细分状态下精确定 位，最小步距角可设为位，最小步距角可设为0.036（10000步步/转）。适用面广，转）。适用面广， 通过设置不同相电流可配置各种电机。通过设置不同相电流可配置各种电机。 机电一体化技术伺服系统 输入电源输入电源AC220VAC220V -15%