伺服系统设计(改)

1、机电一体化系统的运动控制往往都是伺服控制。机电一体化系统的运动控制往往都是伺服控制。 ( 步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段距离。距离。(1)(1)种类种类：励磁式励磁式和和两种。两种。1.反应式步进电机：定子上有若干对磁极，磁极上有反应式步进电机：定子上有若干对磁极，磁极上有多相励磁绕组；转子上有均匀分布的小齿；利用磁阻多相励磁绕组；转子上有均匀分布的小齿；利用磁阻的变化产生转

2、矩。的变化产生转矩。2.励磁式步进电机：转子有绕组励磁式步进电机：转子有绕组(或用永久磁钢或用永久磁钢) ；定子上有绕组；绕组轮流通电，建立的磁场与永磁体定子上有绕组；绕组轮流通电，建立的磁场与永磁体恒定的磁场相互作用，产生转矩。恒定的磁场相互作用，产生转矩。步进电机由转子和定子两部分组成，下图中三相步进电机由转子和定子两部分组成，下图中三相定子定子A A、B B、C C，三相，每相两极：三相，每相两极： AAAA,BB,BB,CC,CC，每极每极上五个齿。上五个齿。(2)(2)步进电动机步进电动机的结构的结构 定子上线圈的绕法定子上线圈的绕法 A相A相B相B相C相C相 转子转子 （4040齿

3、）齿） (2)(2)步进电动机步进电动机的结构的结构 下面以反应式步进电机为例说明步进电机的下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。结构和工作原理。如下：如下： 定子内圆周定子内圆周均匀分布着六个均匀分布着六个磁极，磁极上有磁极，磁极上有励磁绕组，每两励磁绕组，每两个相对的绕组组个相对的绕组组成一相。采用成一相。采用Y连接，转子有四连接，转子有四个齿。个齿。 由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻转因此会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻转矩，使转子转动。矩，使转子转动。 现以现以A B C A

4、的通电顺序，使三的通电顺序，使三相绕组相绕组 轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。 A相绕组通电，相绕组通电，B、C相相不通电。气隙产生以不通电。气隙产生以A-AA-A为轴线为轴线的磁场，而磁力线总是力图从的磁场，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，故电动磁阻最小的路径通过，故电动机转子受到一个反应转矩，在机转子受到一个反应转矩，在此转矩的作用下，转子必然转此转矩的作用下，转子必然转到左图所示位置：到左图所示位置：1、3齿与齿与A、A极对齐。极对齐。同理，同理，B相通电时，转子会转过相通电时，转子会转过30 角，角，2、4齿和齿和B、B 磁极轴线对齐；

5、当磁极轴线对齐；当C相通电时，转子相通电时，转子再转过再转过30 角，角，1、3齿和齿和C 、C磁极轴线对齐。磁极轴线对齐。这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。所以称为三相单三拍工作方式。 按按AB C A 的顺序给三相绕的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过转过30( (步距角步距角) )，每个通电循环周期，每个通电循环周期( (3拍拍) )磁磁场在空间旋转了场在空间旋转了3

6、60而转子而转子转过转过90( (一个齿一个齿距角距角) )。 按按AAB B BC C CA的顺序给三的顺序给三相绕组轮流通电。相绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控这种方式可以获得更精确的控制特性。制特性。 A相通电，相通电，转子转子1 1、3 3齿与齿与A、A 对齐。对齐。 A、B相同时通电，相同时通电，A、A 磁极拉住磁极拉住1、3齿，齿，B、B 磁极拉住磁极拉住2、4齿，齿，转子转转子转过过15 ，到达左图到达左图所示位置。所示位置。 B B 相通电，相通电，转子转子2、4齿与齿与B、B 对齐对齐, ,又转又转过过15 。 B、C相同时通电，相同时通电，C 、C 磁极拉住磁极拉住

7、1、3齿，齿，B、B 磁极拉住磁极拉住2、4齿，转子再转齿，转子再转过过15 。 三相反应式步进电动机的一个通电循环周三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：期如下：AAB B BC C CA，每个循每个循环周期分为六拍。每拍转子转过环周期分为六拍。每拍转子转过15 （步距角），（步距角），一一个通电循环周期个通电循环周期( (6拍拍) )转子转过转子转过90 ( (齿距角齿距角) )。 与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更小，更适用于需要精确定位的控制系统中。小，更适用于需要精确定位的控制系统中。 按按AB BC CA的顺序给三相绕组轮流通的顺序给三相

8、绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电电。每拍有两相绕组同时通电。 与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循循环周期也分为三拍。每拍转子转过环周期也分为三拍。每拍转子转过30 ( (步距角步距角) )，一一个通电循环周期个通电循环周期( (3拍拍) )转子转过转子转过90 ( (齿距角齿距角) )。A A相相 B B相相 C C相相 步进电机内部步进电机内部转子结构（转子结构（4040齿）齿）Zm0360Zm360hPiihP5. 步进电机驱动电源步进电机驱动电源脉冲分配器（环形分配器）脉冲分配器（环形分配器）功率放大器功率放大器步进电机及其驱动电源是一个整

9、体，通常每一种步进电机及其驱动电源是一个整体，通常每一种型号的步进电动机均对应有一个型号的驱动电源，型号的步进电动机均对应有一个型号的驱动电源，其组成：其组成： 环形分配器：环形分配器：是根据指令把脉冲信号按一是根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加到放大器上，使各相绕组按定的逻辑关系加到放大器上，使各相绕组按一定的顺序和时间导通和断开，并根据指令一定的顺序和时间导通和断开，并根据指令使电动机正转或反转，实现确定的运行方式使电动机正转或反转，实现确定的运行方式。环形分配器可以由硬件和软件两种方式实。环形分配器可以由硬件和软件两种方式实现。现。 步进电动机是绕组按一定方式轮流通电工作步进电动机是绕

10、组按一定方式轮流通电工作的。为了实现这种轮流通电，需要将控制脉冲按的。为了实现这种轮流通电，需要将控制脉冲按规定的方式分配给步进电动机。规定的方式分配给步进电动机。硬件环形分配器硬件环形分配器 硬件环形分配器由门电路和双稳态触发器组成硬件环形分配器由门电路和双稳态触发器组成，亦可采用专用的集成芯片等，亦可采用专用的集成芯片等（1）集成脉冲分配器）集成脉冲分配器 CH250是专为三相反应式步进电动机设计的环是专为三相反应式步进电动机设计的环形分配器。这种集成电路采用形分配器。这种集成电路采用CMOS工艺，集工艺，集成度高，可靠性好。它的管脚图及三相六拍工成度高，可靠性好。它的管脚图及三相六拍工作

11、时的接线图如图所示。作时的接线图如图所示。CH250管脚图管脚图 J3r、J3L两端子是三相双三拍的控制端，两端子是三相双三拍的控制端，J6r、J6L是三相六拍的控制端，三相双三拍工作时，若是三相六拍的控制端，三相双三拍工作时，若J3r“1”，而而J3L“0”，则电机正转；若，则电机正转；若J3r“0”，J3L“1”，则电机反转；三相六拍供电时，若则电机反转；三相六拍供电时，若J6r“1”，J6L“0”，则电机正转；若，则电机正转；若J6r“0”，J6L“1”，电机反，电机反转。转。 CH250环形脉冲分配器是三相步进电动机的理想脉环形脉冲分配器是三相步进电动机的理想脉冲分配器，通过其控制端的

12、不同接法可以组成三相双三冲分配器，通过其控制端的不同接法可以组成三相双三拍和三相六拍的不同工作方式拍和三相六拍的不同工作方式 。CH250各管脚功能各管脚功能CH250各管脚功能各管脚功能 脉冲分配器输出端脉冲分配器输出端A、B、C的输出电流很小，的输出电流很小，如如CH250脉冲分配器的输出电流大约为脉冲分配器的输出电流大约为200-400A，而步进电动机的驱动电流较大，如，而步进电动机的驱动电流较大，如75BF001型步进电动机每相静态电流为型步进电动机每相静态电流为3A，为，为了满足驱动要求，脉冲分配器输出的脉冲需经脉冲了满足驱动要求，脉冲分配器输出的脉冲需经脉冲放大器（即功率放大器）后

13、才能驱动步进电机。放大器（即功率放大器）后才能驱动步进电机。不足之处：不足之处：是在高低压衔接处是在高低压衔接处的电流波形在顶部有下凹，影的电流波形在顶部有下凹，影响电动机运行的平稳性。响电动机运行的平稳性。优点优点：改善频率响应：改善频率响应 步进电机驱动系统主要用于开环位置控制系统。优点：控制步进电机驱动系统主要用于开环位置控制系统。优点：控制较容易，维修也较方便，而且控制为全数字化。较容易，维修也较方便，而且控制为全数字化。单片机单片机(PLC)+步步进电机驱动器进电机驱动器+ 步进电机。步进电机。缺点：由于开环控制，所以精度不高。缺点：由于开环控制，所以精度不高。二、直流二、直流(DC

14、)伺服电动机伺服电动机 直流伺服电动机是将直流伺服电动机是将直流电能直流电能转换成转换成机械能机械能的的旋转电动机旋转电动机直流伺服电动机的工作原理主要基于：直流伺服电动机的工作原理主要基于：电磁感应定律：电磁感应定律：当导体在磁场中运动并切割磁力线时，当导体在磁场中运动并切割磁力线时，导体中要产生感应电动势导体中要产生感应电动势电磁力定律：电磁力定律：载流导体在磁场中要受到电磁力作用载流导体在磁场中要受到电磁力作用 直流伺服电动机精度高，具有良好的调速特性，直流伺服电动机精度高，具有良好的调速特性，对伺服电机的调速性能要求高的设备中，大都采用对伺服电机的调速性能要求高的设备中，大都采用DC伺

15、服电动机驱动。且都用在伺服电动机驱动。且都用在闭环闭环和和半闭环半闭环控制控制的伺服系统中。的伺服系统中。换向器换向器电刷电刷磁极磁极：采用：采用永久材料制成，永久材料制成，充磁后即可产充磁后即可产生恒定磁场生恒定磁场转子：转子：其上绕组通以直流电在定子磁场作用下产生带动负其上绕组通以直流电在定子磁场作用下产生带动负载旋转的电磁转矩载旋转的电磁转矩电刷、换向片：电刷、换向片：电刷与外加直流电源相接，换向片与转子线圈相接，使产生的电刷与外加直流电源相接，换向片与转子线圈相接，使产生的电磁转矩保持恒定方向，转子能沿固定方向均匀、连续旋转。电磁转矩保持恒定方向，转子能沿固定方向均匀、连续旋转。2、直

16、流伺服电动机的调速技术、直流伺服电动机的调速技术（1）原理）原理2TeaeCCTRCUnaaaRIEU电枢等效电路图电枢等效电路图直流伺服电动机调直流伺服电动机调速原理图速原理图aICTTnCEea电枢回路中的电压平衡方程为：转子在磁场中切割磁力线时，产生的反电动势为：（1）（2）（3）由以上三式得：转子切割磁力线产生的电磁转矩为：式中，U 一电枢控制电压；Ra 一电枢回路电阻； 磁通；Ce 、CT 分别电动势常数和转矩常数，仅与电动机的结构有关。 2TeaeCCTRCUn 改变磁通量的方法不能满足数控机床的要求，而改变电压的方法具有恒转矩的调速特性，机械特性好，即机械特性与调节特性都是直线，

17、转速与控制量U之间是线性关系，而后一种方法转速与控制量是非线性关系，控制及设计系统都不方便。因此永磁直流电机大都采用该调速方案。练习：练习：1、电机空载转速，启动转矩如何确定？、电机空载转速，启动转矩如何确定？2、上图中、上图中U1，U2，U3，U4大小顺序如何？大小顺序如何？T0， T1， T2， T3呢？呢？3、那种调速方式的机械特性好？为什么？、那种调速方式的机械特性好？为什么？ 优点：优点：调速方便（可无级调速），调速范围宽，低速性能好调速方便（可无级调速），调速范围宽，低速性能好（启动转矩大，启动电流小），运行平稳，转矩和转速容易控制。（启动转矩大，启动电流小），运行平稳，转矩和转速

18、容易控制。3. 直流电机的特点直流电机的特点书籍是进步的阶梯书籍是进步的阶梯 缺点缺点：换相器需经常维护，电刷极易磨损，必须经常更换，：换相器需经常维护，电刷极易磨损，必须经常更换，噪音比交流电机大。噪音比交流电机大。 双极双极PWM变换器的特征是在一个周期内，电变换器的特征是在一个周期内，电压从压从+US 变为变为-US。但这要控制正负脉冲的宽窄，。但这要控制正负脉冲的宽窄，就能控制电机的正反转。就能控制电机的正反转。 根据图根据图3-18，很容易导出双极式可逆，很容易导出双极式可逆PWM变化器电枢两端平均电压的表达式：变化器电枢两端平均电压的表达式：sonsonsondUTtUTtTUTt

19、U) 12(SdUU /12Tton若定义占空比若定义占空比则则 调速时，调速时， 的变化范围为的变化范围为-1 1 ，当，当为为正时，电动机正转；正时，电动机正转； 为负值时，电动机反转；为负值时，电动机反转；=0时，电动机停止。时，电动机停止。三、交流三、交流(AC)伺服电动机伺服电动机直流伺服电动机结构较复杂，电刷、换向器需经常维护，电机转速转速受限，AC克服此缺点，但比直流电机的驱动电路复杂，价格高。工作原理：定子绕组接上交流电，产生旋转磁场，旋转磁场吸引转子同步旋转。 交流伺服电机结构：定子、转子、检测元件 1、分类、分类 同步电机：同步电机：转子是永磁体，转子是永磁体，所谓同步是指转子速度与定所谓同步是指转子速度与定子磁场速度相同。子磁场速度相同。 异步电机：异步电机：转子和定子上都转子和定子上都有绕组，所谓异步是指转子有绕组，所谓异步是指转子磁场和定子间存在速磁场和定子间存在速 度差度差（不是角度差）。（不是角度差）。交流伺服电动机的结构主要可分为定子和转子两部分，在定子铁交流伺服电动机的结构主要可分为定子和转子两部分，在定子铁心中也安放着空间互成心中也安放着空间互成90度电角度的两相绕组。其中一组为激磁度电角度的两相绕组。其中一组为激磁绕组，另一组为控制绕组。转子是永磁铁。绕组，另一组为控制绕组。转子是