伺服子系统选型与设计

第一节控制电机概述

按伺服电动机使用电源性质不同，可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机。

在科学技术高速发展的今天，控制电机已是构成开环控制、闭环控制、同步联结和机电模拟解算装置等系统的基础元件。

广泛应用于各个部门，如化工、炼油、钢铁、造船、原子能反应堆、数控机床、自动化仪表和仪器、电影、电视、电子计算机外设等民用设备，或雷达天线自动定位、飞机自动驾驶仪、导航仪、激光和红外线技术、导弹和火箭的制导、自动火炮射击控制、舰艇驾驶盘和方向盘的控制等军事设备。第一节控制电机概述

按伺服电动机使用电源性质不同，可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机。

控制电机的种类很多，若按电流分类，可分为直流和交流两种；按用途分类，直流控制电机又可分为直流伺服电动机、直流测速发电机和直流力矩电动机等；交流控制电机可分为交流伺服电动机、交流测速发电机、步进电动机、微型同步电动机等。

各种控制电机的用途和功能尽管不同，但它们基本上可分为信号元件和功率元件两大类。执行元件(Actuator)的种类及其特点执行元件是可以控制的能量变换元件第一节控制电机概述

种类特点优点缺点电气式可使用商用电源；信号与动力的传送方向相同；有交流和直流之别，应注意电压大小操作简便；编程容易；能实现定位伺服；响应快、易与CPU相接；体积小、动力较大；无污染瞬时输出功率大；过载差，特别是由于某种原因而卡住时，会引起烧毁事故，易受外部噪声影响气压式空气压力源的压力为（5~7）×105Pa；要求操作人员技术熟练气源方便、成本低；无泄漏污染；速度快，操作比较简单功率小，体积大，动作不够平稳；不宜小型化；远距离传输困难；工作噪声大，难于伺服液压式要求操作人员技术熟练；液压源压力为（20~80）×105Pa输出功率大，速度快，动作平稳，可实现定位伺服；易与CPU相接；响应快设备难于小型化；液压源或液压油要求（杂质、湿度、油量、质量）严格；易泄漏且有污染执行元件(Actuator)的种类及其特点第一节控制电机概述

系统精度指输出量复现输入信号要求的精确程度稳定性指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响应特性指输出量跟随输入指令变化的反应速度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伺服系统的技术要求第一节控制电机概述

一、直流伺服电动机

采用电枢控制时，其机械特性方程为n=第二节伺服电动机

二、交流伺服电动机（一）结构

第二节伺服电动机

（二）工作原理

交流伺服电动机的工作原理与具有起动绕组的单相异步电动机相似。第二节伺服电动机

当转子电阻为不同值且控制电压Uc=0时的正向转矩、反向转矩以及合成转矩T的机械特性曲线。第二节伺服电动机

（三）控制方式

其控制方式有幅值控制、相位控制和幅值-相位控制三种。第二节伺服电动机

三、伺服电动机的应用第二节伺服电动机

1.交流伺服系统的基本构成第二节伺服电动机

上图中包括：输入部分：接口、键盘。输出显示部分：CRT、阴极射线管显示器（在驱动模块上）。强电部分：驱动电源。控制部分：位置控制板、SPWM驱动器。执行部分：交流伺服电机。反馈部分：位置编码器。2.连接第二节伺服电动机

3.控制过程输入速度信号产生控制信号（交）信号放大（交）信号调制（直）信号输出（直）功率放大（交）一、直流测速发电机

测速发电机是一种测速元件，它将输入的机械转速转换为电压信号输出。按照测速发电机输出信号的不同，可分为直流和交流两大类。第三节测速发电机

直流测速发电机的输出特性第三节测速发电机

一、直流测速发电机二、交流测速发电机

交流测速发电机有异步式和同步式两类，在自动控制系统中应用较广的为交流异步测速发电机。交流异步测速发电机结构与杯形转子伺服电动机相同。第三节测速发电机

交流测速发电机输出特性第三节测速发电机

二、交流测速发电机三、测速发电机的应用第三节测速发电机

步进电动机是利用电磁铁原理将电脉冲信号转换成相应角位移的控制电机。每输入一个脉冲，电动机就转动一个角度或前进一步，其输出的角位移或线位移与输入脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。因此，步进电动机又称为脉冲电动机。在数字控制系统中步进电动机作为执行元件，获得广泛应用。第四节步进电动机

步进电动机种类繁多，按运行方式可分为旋转型和直线型，通常使用的多为旋转型，旋转型步进电动机又有反应式（磁阻式）、永磁式和感应式三种。一、三相反应式步进电动机的结构

第四节步进电动机

三相磁阻式步进电机

定子转子一、三相反应式步进电动机的结构

第四节步进电动机

三相反应式步进电动机结构示意图二、工作原理（一）单三拍控制步进电动机工作原理

单三拍控制中的“单”是指每次只有一相控制绕组通电，通电顺序为U→V→W→U或按U→W→V→U顺序。“三拍”是指经过三次切换控制绕组的电脉冲为一个循环。第四节步进电动机

（二）六拍控制方式步进电动机工作原理

六拍控制方式中三相控制绕组通电顺序按U→UV→V→VW→W→WU→U进行第四节步进电动机

（三）双三拍控制步进电动机工作原理

双三拍控制是指每次有两相绕组同时通电，且按照UV→VW→WU→UV顺序进行。按双三拍通电方式运行时，它的步距角和单三拍控制方式相同，皆为30°。步进电动机的步距角θ与运行拍数m，转子齿数Zr的关系为

当连续通入控制脉冲时电动机的转速n为第四节步进电动机

三、步进电机的驱动与控制步进电机的驱动器组成第四节步进电动机

步进电动机的种类步进电机又称脉冲电动机把电脉冲信号变换成精确的机械角位移的执行元件第四节步进电动机

步进电机驱动器的外观步进电机控制器的外观第四节步进电动机

步进电机驱动器的外观步进电机控制器的外观第四节步进电动机

步进电机的驱动电源第四节步进电动机

步进电机供电电源的外观步进电机的驱动电源第三节步进电动机

步进电机供电电源的外观三、步进电动机的应用

步进电动机的转速不受电压和负载变化的影响，也不受环境条件温度、压力等的限制，仅与脉冲频率成正比，所以应用于高精度的控制系统中。第四节步进电动机

常用的旋转式步进电机按转子结构：可变磁阻型(VariableReluctance)即VR型永磁型(PermanentMagnet)即PM型混合型(Hybrid)即HB型步进电动机绕组的每一次通断电操作称为一拍如果每拍中只有一相绕组通电，称为单相通电方式如果每拍中都有两相绕组通电，则称双相通电方式三相步进电机的三相双三拍通电方式三相步进电机的三相单三拍通电方式如果各拍中交替出现单、双相通电，称为单双相轮流通电方式三相步进电机的三相六拍通电方式1.步进电动机的通电方式一般情况下：

采用单相通电方式工作时，步进电动机的矩频特性较差，且在通电换相的过程中，转子状态不稳定，容易失步，因而实际应用中较少采用

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拍和m相2m拍通电方式

三、步进电机的运行特性及性能指标

分辨力静态特性动态特性失调角示意图矩－角特性曲线步进电机技术指标×××××××××励磁绕组相数或代号步进电机类型电动机外径(mm)BF：反应式BYG：混合式BY：永磁式1、环形脉冲分配器计算机软件分配硬件环形分配采用数字电路搭建或专用的环形分配器件使绕组的通断电顺序按输入脉冲而循环变化的过程实现环形分配的方法有两种：2、功率放大器3、细分驱动细分电流波形一个步距角细分成若干步的驱动方法驱动脉冲波形模块2：进给驱动系统课题1步进电机进给驱动系统

一、步进电机的驱动1.单电压驱动单电源串电阻驱动电路，脉冲分配器输出脉冲到控制信号端后，通过脉冲放大器放大，加到晶体管的基极，使其导通，在稳态时，串联电阻R起限流作用。在换相时，晶体管截止，利用二极管VD的续流作用，防止绕组电感电流不能突变。这种电路适用于小型步进电动机，且性能要求不高的场合。5.2步进电机进给驱动系统2.高低压切换驱动电路这种电路的特点是高压充电，低压维持。步进电机的绕组每次通电时，首先接通高压，以保证电流以较快的速度上升；然后改由低压供电，维持绕组中的电流为额定值。5.2步进电机进给驱动系统3.恒流斩波型驱动电路输入信号为低电平时，V截止，电机绕组中无电流通过。输入信号为高电平时，V导通，绕组中电流迅速上升；上升到预定值时，R反馈通过斩波电路使V截止，绕组中电流迅速下降；下降到预定值以下，R反馈通过斩波电路使V导通，绕组电流又上升。反复进行，形成一个在预定值上下波动的电流波形，近似恒流。功耗小，效率高，运行特性好。5.2步进电机进给驱动系统4.分频段（调频）调压驱动电路由于在低频时，节拍脉冲比较宽，有足够的绕组电流上升时间，只需较小的限流电阻和较低的电源电压，即可达到额定电流；在高频时，节拍脉冲变窄，在限流电阻不变的情况下，需要较高的电源电压，使绕组电流迅速上升，以提高高频时步进电机的负载能力。通常，把输入脉冲的频率分为几个频段，每段工作电压不同，高频段采用较高的电压，低频段采用较低的电压。5.2步进电机进给驱动系统5.细分控制驱动电路在实际应用中，为了进一步提高进给运动的分辨率，在不改变步进电机结构的前提下，要求对步距角进一步细分。为了达到这一目的，可将绕组电流以阶梯波的方式输入，这时，电流分成多少个阶梯，则转子就以同样的步数转过一个步距角。这样将一个步距角细分成若干步的驱动方法称为细分驱动电路。5.2步进电机进给驱动系统二、脉冲分配器1.基本工作原理脉冲分配器用来控制步进电动机的运行通电方式。将数控装置送来的一串指令脉冲，按照运行通电方式所要求的顺序和分配规律，分配到各相驱动电路输入端，用以控制各相绕组中电流的开通和关断。由于步进电机有正反转要求，所以脉冲分配器的输出既是周期性的，又是可逆的，因此又叫环形脉冲分配器。脉冲分配器有硬件和软件两种实现形式。5.2步进电机进给驱动系统2.硬件脉冲分配器硬件脉冲分配器由逻辑门电路和触发器构成。左图为3相六拍环形脉冲分配器原理图，X=l时，每来一个脉冲则电动机正转一步，分配顺序：A→AB→B→BC→C→CA→A；当X＝0时，每来一个脉冲则电动机反转一步，分配顺序:A→AC→C→CB→B→BA→A。右图为集成芯片实现的硬件环形脉冲分配器5.2步进