《机电一体化》伺服控制系统

伺服控制系统

3.1概述

3.2机电一体化系统执行元件的选择与设计3.3电力电子变流技术3.4PWM型变频电路思考题3.1概述

3.1.1伺服系统的结构组成 机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。图6-1给出了伺服系统组成原理框图。图3-1伺服系统组成原理框图

1.比较环节;

比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。

2.控制器;

控制器通常是计算机或PID控制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。

3.执行环节;

执行环节的作用是按控制信号的要求，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。机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。

4.被控对象; 5.检测环节;

检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。

6.1.2伺服系统的分类 伺服系统的分类方法很多，常见的分类方法有以下三种。

(1)按被控量参数特性分类。

(2)按驱动元件的类型分类。

(3)按控制原理分类。

3.1.3伺服系统的技术要求

1.系统精度 伺服系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度，以误差的形式表现，可概括为动态误差、稳态误差和静态误差三个方面组成。

2.稳定性 伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后，系统能够恢复到原来稳定状态的能力；或者当给系统一个新的输入指令后，系统达到新的稳定运行状态的能力。

3.响应特性 响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度，决定了系统的工作效率。响应速度与许多因素有关，如计算机的运行速度、运动系统的阻尼和质量等。

4.工作频率 工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围。当工作频率信号输入时，系统能够按技术要求正常工作；而其它频率信号输入时，系统不能正常工作。3.2执行元件

3.2.1执行元件的分类及其特点 执行元件是能量变换元件，其目的是控制机械执行机构运动。机电一体化伺服系统要求执行元件具有转动惯量小，输出动力大，便于控制，可靠性高和安装维护简便等特点。根据使用能量的不同，可以将执行元件分为电磁式、液压式和气压式等几种类型，如图所示。执行元件处于机电一体化系统的机械运行机构与微电子控制装置的联接部位的能量转换元件,能在微电子装置的控制下,将输入的各种形式的能量转换成为机械能。

如：电动机、电磁铁、继电器、液动机、气缸、内燃机等图6-2执行元件的种类

(1)电磁式执行元件能将电能转化成电磁力，并用电磁力驱动执行机构运动，如交流电机、直流电机、力矩电机、步进电机等。

(2)液压式执行元件先将电能变化成液体压力，并用电磁阀控制压力油的流向，从而使液压执行元件驱动执行机构运动。

(3)气压式执行元件与液压式执行元件的原理相同，只是介质由液体改为气体。

3.2.2机电一体化系统对执行元件的要求惯量小、动力大表征惯量的指标是m和J。P=ωT,ε=T/J,T=Jε

表征动力大小的指标是比功率=Pε/ω=ωTT/J(1/ω)=T2/J2.体积小、重量轻功率密度=P/G，比功率密度=（T2/J）/G3.便于维修、安装4.宜于微机控制电气式较宜于微机控制。

3.3机电一体化系统常用的控制用电动机控制用电动机是电气伺服控制系统的动力部件,是将电能转换为机械能的一种能量转换装置。由于可在很宽的速度和负载范围内进行连续、精确地控制，因而在各种机电一体化系统中得到了广泛的应用。图3.2列出了伺服电动机控制方式的基本形式。

3.3.1机电一体化系统对控制用电动机的基本要求性能密度大，即功率密度和比功率密度大。快速性能好，即加速转矩大，频响特性好位置控制精度高、调速范围宽，低速运行平稳无爬行现象、分辨力高、振动噪声小；适应起、停频繁的工作要求；可靠性高、寿命长。3.3.2电动机的种类、特点及选用1、动力用电动机2、控制用电动机

6.2.3步进电动机

1.步进电动机的结构与工作原理 步进电动机又称为脉冲电动机,它是将电脉冲信号转换成机械位移的执行元件,其输入一个电脉冲就转动一步(步距角)。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比,并在时间上与输入脉冲同步,只要控制输入脉冲的数量频率以及电动机绕组的通电顺序，电动机即可获得所需要的转角、转速及转向，易于实现微机控制。步进电机的特点：步进电机的工作状态不易受各种干扰因素的影响，只要在它们的大小未引起步进电机产生“丢步”现象前，就不影响其正常工作；步进电机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差为0，因此不会长期积累；控制性能好，在起停、反转时不易“丢步”。因此，步进电机被广泛应用于开环控制的机电一体化系统，并可获得较高的位置精度。2、步进电机的分类：旋转式、直线式；三相、四相、五相等。旋转式分为：可变磁阻式：无保持力永磁式：有保持力混合式：步进电机与DC和AC伺服电机相比其转矩、效率、精度、高速性比较差，但步进电机具有低速时转矩大，速度控制比较简单，外形尺寸小等优点，在打印机、绘图机、复印机等机电一体化产品中得到广泛应用。3、步进电机的工作原理三相反应式步进电机定子有六个均匀分布的磁极，每两个相对磁极组成一相，磁极上绕有励磁绕组，转子具有均匀分布的四个齿，当A、B、C三个磁极的绕组依次通电时，则A、B、C三对磁极依次产生磁场吸引转子转动。磁力线力图走磁阻最小的路线，使齿对齐。三相单三拍；30度三相双三拍；30度三相六拍：15度步进电动机三相单三拍运动原理图步进电动机三相单三拍运动原理图 步进电动机绕组每次通断电使转子转过的角度称之为步距角。步进电动机的步距角越小，意味着它所能达到的位置精度越高。上述分析中的步进电动机步距角为30°。对于一个真实的步进电动机，为了减少每通电一次的转角，在转子和定子上开有很多定分的小齿。其中定子的三相绕组铁心间有一定角度的齿差，当U相定子小齿与转子小齿对正时，V相和W相定子上的齿则处于错开状态，如图6-13所示。真实步进电动机的工作原理与上同，只是步距角是小齿距夹角的1/3。图6-13三相反应式步进电动机 通电方式不仅影响步进电动机的矩频特性，对步距角也有影响。一个m相步进电动机，如其转子上有z个小齿，则其步距角可通过下式计算：

(6-12)

式中，k是通电方式系数。当采用单相或双相通电方式时，k＝1；当采用单双相轮流通电方式时，k＝2。可见，采用单双相轮流通电方式还可使步距角减小一半。步进电机的步距角决定了系统的最小位移，步距角越小，位移的控制精度越高。

2.步进电动机的通电方式 如果步进电动机绕组的每一次通断电操作称为一拍，每拍中只有一相绕组通电，其余绕组断电，则这种通电方式称为单相通电方式。三相步进电动机的单相通电方式称为三相单三拍通电方式。 如果步进电动机通电循环的每拍中都有两相绕组通电，则这种通电方式称为双相通电方式。三相步进电动机采用双相通电方式时，称为三相双三拍通电方式。如果步进电动机通电循环的各拍中交替出现单、双相通电状态，则这种通电方式称为单双相轮流通电方式。三相步进电动机采用单双相轮流通电方式时，每个通电循环中共有六拍，因而又称为三相六拍通电方式。 一般情况下，m相步进电动机可采用单相通电、双相通电或单双相轮流通电方式工作，对应的通电方式分别称为m相单m拍、m相双m拍或m相2m拍通电方式。 由于采用单相通电方式工作时，步进电动机的矩频特性（输出转矩与输入脉冲频率的关系）较差，在通电换相过程中，转子状态不稳定，容易失步，因而实际应用中较少采用。图6-14是某三相反应式步进电动机在不同通电方式下工作时的矩频特性曲线。显然，采用单双相轮流通电方式可使步进电动机在各种工作频率下都具有较大的负载能力。图6-14不同通电方式时的矩频特性

3.步进电动机的使用特性分辨力：在一个电脉冲作用下，电动机转子转过的角位移，即步距角α。静态特性：静转矩、矩——角特性及。 矩——角特性：T=-Tmaxsinθ；C为由电流大小、气隙磁阻情况和控制绕组匝数确定的。B相的情况与A相一样，只是其矩角特性右移2π/3，C相右移4π/3。（依次错开2π/m，m为拍数）静态稳定区：当失调角队在-π到π的范围内，若去掉负载转矩TL，转子仍能回到初始稳定平衡位置，因此，-π

＜θ＜π的区域称为步进电机的A相静态稳定区。其它两相向右移即可。

③动态特性：动态稳定区、起动转矩、矩——频特性。

动态稳定区：步进电机从A相切换到B相，不致引起丢步，此区域称为动态稳定区。起动转矩Tq:A相与B相矩——角特性曲线之交点所对应的转矩，它表示步进电机单相励磁时所能带动的极限负载转矩。④最高连续运行频率及矩——频特性：不同控制频率下电动机产生的转矩称为动态转矩。⑤空载起动频率和惯——频特性：不失步地起动。 当伺服系统要求步进电动机的运行频率高于最大允许启动频率时，可先按较低的频率启动，然后按一定规律逐渐加速到运行频率。图6-15给出了90BF002型步进电动机的启动矩频特性曲线。

由图可见，

负载转矩越大，

所允许的最大启动频率越小。图6-15启动矩频特性图6-16运行矩频特性

4.步进电动机的控制与驱动 步进电动机的电枢通断电次数和各相通电顺序决定了输出角位移和运动方向，控制脉冲分配频率可实现步进电动机的速度控制。因此，步进电机控制系统一般采用开环控制方式。图6-17为开环步进电动机控制系统框图，系统主要由环形分配器、功率驱动器、步进电动机等组成。驱动电源是将变频信号源（几到几万赫兹）送来的脉冲信号及方向信号按要求的配电方式自动地循环供给电动机各相绕组，以驱动电动机转子正反向旋转。图6-17开环步进电动机控制系统框图 （1）环形分配器：步进电动机在一个脉冲的作用下，转过一个相应的步距角，因此只要控制一定的脉冲数，即可精确控制步进电动机转过的相应的角度。但步进电动机的各绕组必须按一定的顺序通电才能正确工作，这种使电动机绕组的通断电顺序按输入脉冲的控制而循环变化的过程称为环形脉冲分配。 实现环形分配的方法有两种。一种是计算机软件分配，采用查表或计算的方法使计算机的三个输出引脚依次输出满足速度和方向要求的环形分配脉冲信号。这种方法能充分利用计算机软件资源，减少硬件成本，尤其是多相电动机的脉冲分配更能显示出这种分配方法的优点。但由于软件运行会占用计算机的运行时间，因而会使插补运算的总时间增加，从而影响步进电动机的运行速度。 另一种是硬件环形分配，采用数字电路搭建或专用的环形分配器件将连续的脉冲信号经电路处理后输出环形脉冲。采用数字电路搭建的环形分配器通常由分立元件（如触发器、逻辑门等）构成，特点是体积大，成本高，可靠性差。专用的环形分配器目前市面上有很多种，如CMOS电路CH250即为三相步进电动机的专用环形分配器，它的引脚功能及三相六拍线路图如图6-18所示。图6-18环形分配器CH250引脚图(a)引脚功能；(b)三相六拍线路图图6-18环形分配器CH250引脚图(a)引脚功能；(b)三相六拍线路图

2）功率驱动（功率放大器）

从计算机输出口或从环形分配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安,不能直接驱动步进电动机,必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大,使其增大到几至十几安培,从而驱动步进电动机运转。

由于电动机各相绕组都是绕在铁心上的线圈，所以电感较大，绕组通电时，电流上升率受到限制，因而影响电动机绕组电流的大小。绕组断电时，电感中的磁场的储能元件将维持绕组中已有的电流不能突变，在绕组断电时会产生反电动势，为使电流尽快衰减并释放反电动势，必须增加适当的续流回路。步进电动机所使用的功率放大电路有电压型和电流型，电压型分单电压型、双电压型（高低电压型），电流型中有恒流驱动、斩波驱动。(1）单电源驱动电路。这种电路采用单一电源供电，结构简单，成本低，但有限流电阻，消耗能量，使放大器功率降低，另外，由于有绕组电感L较大，电路对脉冲电流反应慢，使电流波形差，效率低，输出力矩小，主要用于对速度要求不高的小型步进电动机的驱动。图6-19所示为步进电动机的一相绕组驱动电路（每相绕组的电路相同）。图6-19单电源驱动电路

(2）双电源驱动电路。双电源驱动电路又称高、低压驱动电路，采用高压和低压两个电源供电，如图6-20所示。该电路由于采用高低电压驱动，电流增长速度加快，脉冲电流的前沿变陡，电动机的转矩和运行频率都得到了提高。另外，由于仅在脉冲开始的一瞬间接通高压电源，其余的时间均由低压供电，故效率高，又由于电流上升率高，故高速运行性能好，但由于电流波型陡，有时还会产生过冲，故谐波成分丰富，致使电动机运行时振动较大（低速时更甚）。图6-20高、低压驱动电路（3）恒流源功率放大电路此电路的电流大小取决于恒流源的恒流值，当发射极电阻减小时，恒流值增大，当电阻增大时，恒流值减小。由于恒流源的动态电阻很大，故绕组可在较低的电压下取得电流上升率。其特点是，在较低的电压上有一定的电流上升率，因而可用在较高频率的驱动上，由于电源电压较低，功耗将减小，效率有所提高。但由于恒流源管工作在放大区，管压降较大，功耗很大，故必须注意对恒流源管采用较大的散热片散热。

(4）斩波限流驱动电路。这种电路采用单一高压电源供电，以加快电流上升速度，并通过对绕组电流的检测，控制功放管（大功率MOS场效应管作为功放管）的开和关，使电流在控制脉冲持续期间始终保持在规定值上下，其波形如图6-21所示。这种电路功率大，功耗小，效率高，目前应用最广。图6-22所示为一种斩波限流驱动电路原理图。这种电路去掉了限流电阻，效率显著提高，并利用高压给W储能，波的前沿得到了改善，从而可使步进电机的输出加大，运行频率得以提高。图6-21斩波限流驱动电路波形图图6-22斩波限流驱动电路（5）调频调压功放电路：当电源电压一定时，步进电动机绕组电流的上冲值是随着工作频率的升高而降低的，使输出转矩随电动机转速的提高而下降。

要保证步进电动机运行时的输出转矩，就需要提高供电电压。以上几种电路都是为保证绕组电流有较好的上长沿和幅值而设计，从而有效地提高了步进电动机的工作频率，但在低频时，会给绕组中注入过多能量而引起电动机的低频振荡和噪声。所以，调频高压电路基本原理是当步进电动机在低频运行时，供电电压降低，当运行在高频段时，供电电压升高。即供电电压随着步进电机转速的增加而升高，这样解决了低频时振荡问题和高频运行机制时的输出转矩。细分驱动上述驱动电路的步距角已由步进电动机结构所确定，如要使步进电动机有更小的步距角或为减小步进电机的振动和噪声，可在第次输入脉冲切换时，不是将绕组电流全部通入或切除，而是只改变相应绕组中额定电流的一部分，则电动机转过的每步运动也只有步距角的一部分，所以电流不是一个方波，而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除，电流分成多少个台阶，则转子就以同样的个数转过一个步距角，这样将一个步距角细分成若干步的驱动方法被称为细分驱动。细分驱动的特点在不改变电动机结构参数的情况下，能使步距角减小，但细分后的步距角精度不高，功率驱动放大电路也相应的较复杂，能使步进电机运行平稳，提高匀速性，并能减弱或消除振荡。要实现细分，需要将绕组中的矩形电流波改为阶梯形波，即设法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0。阶梯波控制信号产生的方法之一恒频脉宽调制细分驱动电源:

这种细分电源既实现了细分，也能保证每一个阶梯电流的恒定。（4）步进电动机的微机控制串行控制（如下图）具有串行控制功能的单片机系统与步进电动机驱动电源之间，具有较少的连线将信号送入步进电机驱动电源的环行分配器，所以在这种系统中，驱动电源中必须含有环形分配器。b)并行控制：（如下图）用微型计算机系统的数个端口直接去控制步进电动机各相驱动电路的方法称为并行控制。系统实现脉冲分配的方法：纯软件方法，即完全用软件来实现相序的分配，直接输出各相导通或截止的信号；软、硬件相结合的方法，用专门设计的一种编程器接口，计算机向接口输入简单形式的代码数据，而接口输出的是步进电动机各相导通或截止的信号。步进电动机速度控制：控制步进电动机的运行速度，实际上就是控制系统发出步进脉冲的频率或者换相周期。一是用软件延时，二是用定时器。其中软件延时的方法是通过调用延时子程序的方法来实现的,它占有CPU时间,定时器方法是通过设置定时时间常数的方法来实现的。步进电动机的加减速控制1、如果要求运行频率（速度）小于系统的极限起动频率，则系统可以按要求的频率直接起动，运行至终点后可立即停发脉冲串而令其停止。2、但在一般情况下，系统的极限起动频率是比较低的，而要求的运行速度往往比较高，不能直接起动。一般要有一个加速——恒速——减速——（低恒速）——停止的过程。系统在工作过程中要求加减速过程时间尽量短，而恒速时间尽量长。升速规律的选择：1、直线规律加速：加速度为恒值，要求步进电机产生的转矩为恒值。2、指数规律加速：加速度是逐渐下降的，接近电动机输出转矩随转速变化的规律。用微机对步进电机进行加减速控制，实际上就是改变输出脉冲的时间间隔，升速时使脉冲串逐渐加密，减速时使脉冲串逐渐稀松。微机用定时器中断的方式来控制电动机变速时，实际上就是不断改变定时器装载值的大小。一般用离散的方法来逼近理想的升降速曲线。为了减少每步计算的时间，系统设计时就把各离散点的速度所需的装载值固化在系统的EPROM中，系统运行中用查表方法查出所需的装载值，从而大大减少占用CPU时间，提高系统响应速度。系统在执行降速的控制过程中，对加减速的控制还需要下列数据：加减速的斜率，升速过程的总步数，恒速运行总步数，减速运行的总步数。3.4直流（DC）伺服电动机及其驱动1、直流伺服电动机的特点及选用直流电动机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，其电枢大多为永久磁铁。直流伺服电动机具有较高的响应速度、精度和频率，优良的控制特性等到优点，但由于使用电刷牙和换向器，故寿命较低，需要定期维修。2、直流伺服电动机与驱动直流伺服电机为直流供电，为调节电机转速和方向，需要对其直流电压的大小和方向进行控制。目前常用品体管脉宽调逮驱动和可控硅直流调速驱动两种方式。可控硅直流(SCR)驱动方式，主要通过调节触发装置控制可控硅的开放角(控制电压之大小)来移动触发脉冲的相位，从而改变整流电压的大小．使直流电机电枢电压的变化易平滑调速。由于可控硅本身的工作原理和电源的特点，导通后是利用交流(50Hz)过零来关闭的，因此，在低整流