数控技术伺服2课件

6.2.3步进电机细分驱动技术

步进电机对应于一个电脉冲，转子转动一步；即一个步距角θs。若每次输入脉冲切换时，只改变对应绕组额定电流的一部分那么转子相对应的每步转动也只会是原有θs的一部分。额定电流分成多少个级别进行切换，转子就以多少步来转完一个θs。即通过控制绕组中电流的数值调整步距角θs大小，这种控制方式为不进电机细分控制。如下图所示，在一个输入脉冲宽度内把电流按线性（或正弦规律）分成n分。数字信号D/A→VREF，VREF与VC比较，以保证电流值在要求的值上。1.恒流原理

通过A放大器之后为VREF。比较放大器和功放组成一个闭环调节系统。当绕组中电流因某种原因iL↓下降，则iL→VC→(VREF→VC)↑→Vb→iL↑使绕组电流仍稳定于iL。2.瞬间响应

如输入的Di↑Dk则Di→D/A→A输出为VREFK，则为（过程为）Di→Dk→VREF→VREFK→Vb→iL→iLk3.细分控制

1）从8位单片机送出的数据D~D,数值00H~0FFH，对应与十进制数是0～255.细分时，要求每个阶梯的电流差值相等，即要求细分步数必须能对255整除，显然细分只能为3，5，15，17，51，85几种。2）一般按正弦规律变化细分的多相电流，合成磁势幅值保持不变，转角细分精确；3）通过细分驱动可得到更小的脉冲当量，提高了定位精度；4）绕组电流均从小增到大，或从大降到小，避免了电流冲击，基本消除了步进电机低速振动，电机低速运转平稳，无噪声。

步进电机的细分控制得到了广泛应用。正弦阶梯波细分电流波形图正弦细分驱动电路D/A

功率步进电机用作开环进给系统的伺服驱动装置，组成开环进给系统，一般技术性能不能满足使用要求，其性能的提高受到限制。60年代出现了小惯量直流伺服电机，70年代初出现了大惯量宽调速伺服电机；目前，许多数控机床采用大惯量直流伺服电机。6.3直流伺服电动机调速系统

直流电机的原理和结构定子和转子直流电机电枢绕组结构直流电机电刷结构直流电机的物理模型6.3.1直流伺服电机调速控制直流伺服电机有电磁式、永磁式、杯形电枢式、无槽电枢式、无刷式等。直流伺服电机的结构与直流电机相同，由定子和转子两部分组成。在定子上装有磁极，电磁式伺服电机的定子磁极上有励磁绕组。转子由硅钢片迭积而成，转子上外圆有槽，槽内有中枢绕组，绕组通过换向器和电刷引出。直流伺服电机和普通电机最大区别：电枢长度与直径之比(L/D)比普通直流电机要大；气隙较小。伺服电机的工作原理和普通直流电机相同，当定子中的磁励磁通和转子中的电流相互作用时，会产生电磁转矩驱动电枢转动，恰当地控制转动电枢电流的大小和方向，就可以控制伺服电机转向及转速，当电枢电流“0”，伺服电机停滞不动。电磁转矩为：T＝CmφIa

式中：Cm——转矩常数(Cm＝PN/(2πa)p：磁极对数N：电枢绕组总导体数a：并联支路对数Φ——电机的主磁通Ia——电枢电流电压平衡方程为：

E＝Ud－IaRa

(Ud:电枢电压Ud=Uc=U控制电压)式中：E——电枢感应电动势E＝CeΦnCe＝PN/(60a)联立上三式得到

从上式知，电机调速有三种方法：1）改变电枢电压U（电枢法）2）改变励磁磁通Φ（弱磁调速）3）在电枢回路中接电阻Rt

改变端电压调速

保持电动机的不变且无外接电枢电阻，仅降低施加于电动机电枢两端电压U达到调速的目的，称为降压调速。TnU1U1>U2>U3U2U3PQ电压越低，转速越低，调速方向从基值往下调。

Tn改变励磁调速改变励磁电流调速，实际上是减少励磁电流的调速，所以又称弱磁调速。弱磁调速：保持U，Rt＝0，仅减小电动机的励磁电流If使主磁通减小，达到调速目的。If1PIf2QIf1>If2从两个稳定点P、Q对应转速说明减小励磁可以使转速升高。弱磁调速调速前后的量：（1）假定负载转矩不变，(2)假定磁路不饱和，不计电枢反应和IaRa的变化（3）恒转矩负载，，基本不变弱磁调速特点优点：设备简单，调节方便，能耗小。缺点：单方向调节，转速调得过高，励磁过弱，电枢电流变大，换向变坏，出现不稳定。串电枢电阻调速该调速的特点：（1）设备简单、操作方便。（2）低速时，机械特性很软，当负载变化时，转速波动很大。静态稳定性差调速范围不大。（3）由于电阻的不连续调节，因此速度调节不平滑，属有级调速。（4）电枢电流在Rt上消耗的能量大，调速时效率低。效率与转速成正比。

6.3.2直流伺服电机1.机械特性电枢法时，Φ=C，若控制电压U＝C，则n=n0－KT式中：n0=U/Ceφ理想空载转速

斜率分析两种情况，当T＝0时，n＝n0＝u/(Ceφ)当n＝0时,n0＝kT＝kTd堵转转矩所以，机械特性n=f(T)即，机械特性是一组斜率相同的直线簇。机械特性的斜率K也可用k＝Δn/ΔT表示；K↑，则对应于某一转矩△T变化，转速△n↑,说明机械特性软。反之K减小,则机械特性硬。（因为Ce、Cm中均为常数）所以Ra增大、K增大，反之亦然。

在过渡过程中，电磁转矩T除了要克服轴上的总的阻转矩T外，还要克服轴上的惯性力矩，故转矩平衡方程为：

式中：Ts---总阻转矩；J---电机及负载的等效转动惯量；ω---转子的角速度。但过渡过程中,T主要用来克服Jdω/dt,Ts所占比例很小,可忽略。所以，

则有∴等式两边同除以CeΦ

则令，则，式中：τj——机电时间常数，表示加上电枢电压后，转速达到额定值过程时间的过渡。

τd——电磁时间常数，表示加上电枢电压后，电枢电流达到额定值的过渡过程时间。由于τd<<τj，均可忽略，所以进行L变换，得直流伺服电机传递函数G(s)是输出转速与输入电枢电压拉氏变换之比，即式中：KG=I/Ceφ为静态放大系数，表示转子速度随U的变化程度。从上式看出，直流伺服电机是一个惯性环节。当给电枢加上阶跃电压U，电机转速n从0→n0的过渡过程为：所以，进行L反变换有，从式中知，当t=τj时，n=0.632n0，上升到n0的时间当t=3τj时，n=0.95n0，此时过渡过程基本结束，即t=3τj。

小结：机械特性的斜率K减小，特性硬，则电机时间常数τj降低，过渡过程短；反之，K增大，过渡过程长。若考虑电磁时间常数τd，则为二阶振荡环节，波形如下3.大惯量直流伺服电机大惯量直流伺服电机又称宽调速直流伺服电机，是上世纪60年代末70年代初在小惯量电机和力矩电机的基础上发展起来的，目前广泛应用于数控系统中。1）结构特点大惯量直流伺服电机结构如图，激励方式为永磁式。从电磁转矩公式T=CmΦIa。转矩常数Cm=PN/(2πa),为了得到大的输出力矩，采用以下措施：a.采用高性能磁性材料，以产生强磁场Φ；材料保磁性能的稳定性；当峰值转矩达到额定值10～15倍不退磁；磁性材料：铝镍钴、陶瓷缺氧体、稀土钴（性能最好）

b.增加总导体数N，增加磁极对数p使cm增加。大惯量电机提供大转矩还在于：低速输出转矩大，最大峰值转矩可达额定转矩的10倍以上，过载能力强，允许过载时间长。由于电机本身惯量大，输出力矩大，可直接驱动负载，无需机械减速传动链。这类电机调速范围较宽，一般可达1000～1500r.p.m，电机的热容量大，热时间常数大，可达120分钟左右，或在过载条件下工作。2）工作特性宽调速电机的工作特性由一些参数及特性曲线所限定。电机的容许转矩T转速n随加工及运行条件而改变Uk——最高运行电压；Tk——nmax时的转矩；Tr——连续工作转矩；Up——峰值电压；Tp——峰值转矩；ACB——换向限制曲线；CTr——发热限制曲线；Ⅰ区——连续工作区间；Ⅱ区——电机间歇工作区间；Ⅲ区——瞬时加速或正、反转短暂工作区；BTp——去磁限制线；DE——瞬时换向界限。

大惯量直流伺服电机技术性能较好，有成本低的可控硅调压器，与脉宽调压器，在数控机床得到广泛应用。4.直流伺服电机的PWM控制由电工学知识，在直流电机转子磁场不饱和时，改变电枢电压U，可以改变转子转速，从前述分析，转子有机械惯性，绕组有电磁惯性，机械时间常数、电磁时间常数都较大，故电枢电压可用周期远小于电机械时间常数的方波平均电压来代替。将直流电源电压转换成频率f＝2000HZ的方波电压→电机绕组，通过对开关闭合时间长短控制→控制电枢绕组两端的平均电压达到调速的目的。物理模型设闭合时间τ，打开时间为T－τ。因U为常数，则电枢上电压的波形是一个方波列，其高度U，宽度为τ，其平均值为：从上式可看出，电枢转速n∝脉冲宽度τ。目前应用的是PWM晶体管功率放大器，即由两部分组成：电压－脉宽变换器，开关式功率放大器；负载：伺服电机。式中δT－(τ/T)为导通率或占空比。为分析方便起见，若忽略电枢电阻Ra，则电枢电压方程为：1）脉宽调制器产生PWM脉冲的环节，所产生的PWM脉冲→驱动放大后→功率放大器断波放大器。即UA(或UB)≥0，满量程正电压输出UA(或UB)<0，满量程负电平输出。P1、P2、P3、P4四路PWM信号经延时处理→驱动放大后→功放。三角波发生器及PWM调制原理图倍频式脉宽调制器（所谓倍频式：电机电枢电压的频率是晶体管开关频率的两倍）。结论：控制电平Uc的大小与电动机电枢两端的脉冲电压宽度成正比，稳态时，Uc与n成正比。2）晶体管PWM放大器即把脉宽调制后的方波信号驱动后，变换为宽度可调的方波脉冲，加在电枢两端。图中：T1~T4；大功率晶体管D1~D4：续流二极管电机正转分析a)、t1<t<t2，T1、T3均处于高电位，T1(+)，但由于电枢电感作用T3处于“假导通”状态电枢两端电压为0(UA＝UB)b)、t2时刻T3(-)、T4(+)，Ud→T1→A→电枢→B→地；UAB>0c)、t3时刻T1(-)、T2(+)、T4(+)由于电枢电感作用，T2“假导通”：UAB=0d)、t4时刻T2(-)、T1(+)、T4(+)、UAB>0从上分析晶体管从导通→截止变化一次，电枢两端通电状态变化了两次，即电枢电压频率是晶体管开关频率的两倍频。反转状态与正转分析类似。a.开关频率高，频率可达2000HZ，比机械部件固