第五章 伺服驱动技术

1、第五章 伺服驱动技术机械装置所需的运动和动力，最终都来自于伺服驱动系统。 基本要求：运动输出量能迅速而精确地响应指令输入的变化。图图1 伺服系统的基本组成伺服系统的基本组成图图2 不同执行元件的伺服系统不同执行元件的伺服系统图图3 伺服驱动系统的基本控制方式伺服驱动系统的基本控制方式开环伺服系统没有检测环节，机械部件的运动误差不能反馈到控制系统中，其伺服没有检测环节，机械部件的运动误差不能反馈到控制系统中，其伺服精度主要取决于执行元件和传动部件的精度。精度主要取决于执行元件和传动部件的精度。半闭环伺服系统从电机轴上进行检测或者从传动链中间轴上进行检测，能有效地控制从电机轴上进行检测或者从传动链

2、中间轴上进行检测，能有效地控制电机的转速和角位移，机械系统的非线性因素对系统的稳定性影响较电机的转速和角位移，机械系统的非线性因素对系统的稳定性影响较小，位置增益可整定较高。小，位置增益可整定较高。闭环伺服系统直接从运行执行部件上进行位置检测，控制精度不受机械传动精度的直接从运行执行部件上进行位置检测，控制精度不受机械传动精度的影响，机械系统的动态参数给伺服系统的稳定性带来一定的困难。影响，机械系统的动态参数给伺服系统的稳定性带来一定的困难。稳定性高精度快速性抗干扰，稳定性判断定位精度、综合精度关键在于执行元件的快速性包含力矩电动机、脉冲（步进）电动机、变频调速电动机、开关磁阻电动机和各种AC

3、/DC电动机等。 一、对控制用电动机的基本要求 (1) 性能密度大功率密度GPPG/比功率mNNTTNJTTtTtTtpN/|d/dd/ )(dd/d2(2) 快速性好，即加速转矩大，频率响应特性好。 (3) 位置控制精度高、调速范围宽、低速运行平稳且无爬行现象、分辨率高、振动噪声小。 (4) 适应起、停频繁的工作要求。 (5) 可靠性高、寿命长。 二、控制用电动机的特点及选用表表1 常用电动机适用范围常用电动机适用范围表表2 伺服电动机的特点及应用伺服电动机的特点及应用一、步进电动机的特点与种类 1、步进电动机的特点 电脉冲信号机械角位移数量、频率以及电动机绕组的通电顺序 转角、转速及转向

4、(1) 工作状态不易受各种干扰因素的影响。(2) 步距角有误差，但不会长期积累。(3) 在起动、停止、反转时不易“丢步”。 2、步进电动机的种类 图图4 可变磁阻型步进电机可变磁阻型步进电机 定子1与转子2由铁心构成，没有永久磁铁 图图5 永磁型步进电机永磁型步进电机 转子2采用永久磁铁、定子1采用软磁钢制成，绕组3轮流通电。 图图6 混合型步进电机混合型步进电机 转子上嵌有永久磁铁，永久磁铁两端罩上两段帽式铁心。定子相数和绕组接线方面有其特殊的地方。二、步进电动机的工作原理 图图7 三相反应式步进电机的工作原理三相反应式步进电机的工作原理ABCA ABBCCAAB 图图8 三相六拍反应式步进

5、电机的工作原理三相六拍反应式步进电机的工作原理AABBBCCCAA 定子磁极上的小齿和转子磁极上的小齿大小相同，两种小齿的齿宽和齿距相等。当一相定子磁极的小齿与转子的小齿对齐时，其他两相磁极的小齿都与转子的小齿错过一个角度。 )/(360zmKNm 为转子齿数，z为电动机的相数， N为拍数/相数。K三、步进电动机的运行特性 1、分辨力 2、静态特性 图图9 失调角示意图失调角示意图转子齿的中心线与定子齿的中心线相重转子齿的中心线与定子齿的中心线相重合，转子上没有转矩输出，此时的位置合，转子上没有转矩输出，此时的位置为转子初始稳定平衡位置。如果在电动为转子初始稳定平衡位置。如果在电动机转子轴上加

6、一负载转矩机转子轴上加一负载转矩 ，则转子齿，则转子齿的中心线与定子齿的中心线将错过一个的中心线与定子齿的中心线将错过一个电角度电角度 才能重新稳定下来才能重新稳定下来，此时转子此时转子上的电磁转矩上的电磁转矩 与负载转矩与负载转矩 相等，该相等，该电磁转矩为静态转矩，电磁转矩为静态转矩， 为失调角。为失调角。 LTejTLTe图图10 矩矩角特性曲线角特性曲线 静态转矩越大，自锁力矩静态转矩越大，自锁力矩越大，静态误差就越小。越大，静态误差就越小。当失调角在当失调角在-到到的范围内，的范围内，若去掉负载转矩若去掉负载转矩 ，转子，转子仍能回到初始稳定平衡位仍能回到初始稳定平衡位置。因此，置。

7、因此， 的区的区域称为步进电动机的静态域称为步进电动机的静态稳定区。稳定区。 LTee3、动态特性图图11 矩矩角特性曲线族角特性曲线族步进电动机从步进电动机从A相通电状态切换到相通电状态切换到B相相(或或AB相相)通电状态时，不通电状态时，不致引起丢步，该区域被称为动态稳定区。致引起丢步，该区域被称为动态稳定区。矩矩角特性曲线中相邻两相曲线的交点所对应的转矩被称为起动转矩，角特性曲线中相邻两相曲线的交点所对应的转矩被称为起动转矩，它表示步进电动机单相励磁时所能带动的极限负载转矩。它表示步进电动机单相励磁时所能带动的极限负载转矩。 步进电动机在连续运行时所能接受的最高控制频率。步进电动机在连续

8、运行时所能接受的最高控制频率。 电动机在连续运行状态下，其电磁转矩随控制频率的升高而逐步下降，电动机在连续运行状态下，其电磁转矩随控制频率的升高而逐步下降，在不同控制频率下电动机所产生的转矩称为动态转矩在不同控制频率下电动机所产生的转矩称为动态转矩 。在空载状态下，转子从静止状态能够不失步地起动时的最大控制频率在空载状态下，转子从静止状态能够不失步地起动时的最大控制频率。步进电动机带动惯性负载时的起动频率与负载转动惯量之间的关系。步进电动机带动惯性负载时的起动频率与负载转动惯量之间的关系。 四、步进电动机的驱动 驱动器（驱动电源）是将变频信号源（微机或数控装置等）送来的脉冲信号及方向信号按要求

9、的配电方式自动循环地提供给步进电动机的各相绕组。1、环形脉冲分配器 使步进电动机绕组的通电顺序按一定规律变化的装置称为脉冲分配器。 三相六拍通电方式：AABBBCCCAA 状态代码：01H、03H、02H、06H、04H、05H 通过查表或计算方法来进行脉冲的环形分配。 三相六拍接线 图图12 专用环形分配器专用环形分配器CH250接线图接线图2、功率放大器脉冲信号电流（几个毫安）电机驱动电流（几至十几安培 ）绕组通电时，电流上升率受到限制；在绕组断电时会产生反电动势。电压型单电压型 双电压型（高低压型） 电流型 恒流驱动 斩波驱动 (1) 单电压功率放大电路 图图13 单电压功率放大电路单电

10、压功率放大电路 R串在大电流回路中要消耗能量，使放大器效率降低；且由于绕组电感L较大，电路对脉冲电流的反应较慢。 (2) 高低压功率放大电路（解决电路电流上升较慢的问题）图图14 高低压功率放大电路高低压功率放大电路(3) 斩波恒流功率放大器（解决限流电阻消耗功率的问题） 图图15 斩波恒流功率放大器斩波恒流功率放大器图图16 滞回比较器的电路与传输特性滞回比较器的电路与传输特性ZoUuZFURRRUu22ZoUuZFURRRUu22 图图17 斩波恒流功率放大器的波形图斩波恒流功率放大器的波形图在输入脉冲持续期间，VF1不断的开关，开启时，UDD加到W上，使IW上升；关断时，W经VF2、VD

11、4泄放能量，使IW下降，从而使电流平均值稳定在所要求的数值上。 该电路由于去掉了限流电阻，效率显著提高，并利用高压给W储能，波形的前沿得到了改善，从而可使步进电动机的输出转矩加大，运行频率得以提高。 3、细分驱动在每次输入脉冲切换时，不是将绕组电流全部通入或切除，而是将额定电流以阶梯式的投入或切除，电流分成多少个阶梯，则转子就以同样的个数转过一个步距角。图图18 细分电流波形细分电流波形使绕组中的电流以若干个等幅等宽度阶梯上升到额定值，并以同样的阶梯从额定值下降为零。图图19 功率开关细分驱动电路功率开关细分驱动电路在绕组电流上升过程中，VTd1VTd5按顺序导通。每导通一个，绕组中电流便上升

12、一个阶梯，步进电动机转动一小步。 五、步进电动机产品 图图20 86系列三相步进电机技术参数系列三相步进电机技术参数一、直流电机的特点 优点：良好的控制性能、较大的启动转矩、相对功率大和响应速度快。缺点：相对于交流电机，结构复杂，价格较高。二、直流电机的结构原理 通过电刷和换向器产生的整流作用，使磁场磁动势和电枢电流磁动势正交，从而产生转矩。电机结构是由磁极、电枢绕组、电刷和换向器组成的。 图图21 直流伺服电机工作原理直流伺服电机工作原理对直流伺服电机的要求是：从伺服电机所获得的转速n应当正比于所施加的电压u(t)，以便使得直流电机的速度可按照期望值来调节。 图图22 电枢电压控制时的电枢等

13、效电路电枢电压控制时的电枢等效电路 )(1AaaRiuK转子旋转速度与电枢电压、电流、定子磁场中的每极气隙磁通量有关，即当忽略电枢绕组上的压降auK1(1)(2)三、直流电机的数学模型电压平衡方程：)(d)(d)()(tEttiLtiRtuaaaaaa(3)感应电动势方程：eaKtE)(4)电磁转矩方程：)()(tiKtTat(5)转矩平衡方程：)()(d)(d)(tTtBttJtTd(6)进行拉普拉斯变换可得：(7)可得传递函数为teaaaataKKBRsJRBLJsLKsUs)()()(2(8)()()()()()()()()()()()(sTsBsJssTsIKsTsKsEsEssILs

14、IRsUdateaaaaaaa)()()()()()()()()()()()(sTsBsJssTsIKsTsKsEsEssILsIRsUdateaaaaaaa图图23 电枢控制式直流电机系统方框图电枢控制式直流电机系统方框图当忽略电枢电感和粘性阻尼系数时1/1)()(sKsUsmea(9)teamKKJR图图24 简化后的电机速度系统方框图简化后的电机速度系统方框图(10)直流伺服电机过渡过程的快慢，即响应时间的快慢，取决于电机的机电时间常数。)()(sTKRsUdtaTd四、直流电机的驱动技术伺服电机功率的驱动放大是伺服系统的心脏，它用来转换电功率并驱动伺服电机运动。 晶体管功率放大器 线性放大器 开关型放大器脉宽调制(PWM) 脉冲频率调制(PFM)可控硅整流(SCR)图图25 开关型放大器的电压波形开关型放大器的电压波形利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲序列。控制电压脉冲宽度或周期，以达到变压的目的。控制电压脉冲宽度和脉冲序列的周期，以达到变压变频目的。固定导通角而变化重复频率。PWMPFMSCR 采用整流交流电源电压的形式。图图26 PWM和和PFM原理原理表表3 功率放大器性能和应用比较功率放大器性能和应用比较 晶体管电路的