《机电一体化系统设计》第四章课件

高职高专机电类专业系列教材

机电一体化系统设计

主编

杨俊伟参编

王

莉

机械工业出版社目录第一部分基础篇第1章机电一体化认知第2章机电一体化系统设计认知习题与思考题第二部分技术篇第3章机械传动与导向支撑技术第4章伺服驱动技术习题与思考题第5章计算机控制及接口技术习题与思考题第三部分应用篇第6章典型机电一体化系统第四部分实践篇第7章工业机器人的机电一体化系统设计第五部分

拓展篇第8章柔性制造系统（FMS）与计算机集成制造系统（CIMS）机电一体化系统设计肆第4章伺服驱动技术4.1伺服驱动技术认知4.2控制电机4.3步进电机伺服系统4.4直流伺服系统4.5交流伺服系统4.6服系统的动力设计方法习题与思考题主要内容及重点知识肆主要内容本章明确了伺服系统相关技术，着重阐述伺服电机的基本结构、工作原理、控制与驱动及系统选型与设计。重点知识伺服系统结构组成、分类、技术要求及发展。步进电机、直流、交流伺服电机认知。步进电机与伺服电机的驱动与控制。伺服系统的动力方法设计。返回主页4.1.1伺服系统的结构组成4.1.2伺服系统的分类4.1.3伺服系统的技术要求4.1.4伺服系统的发展4.1伺服驱动技术认知4.1伺服驱动技术认知伺服驱动技术是机电一体化的一种关键技术，在机电设备中具有重要的地位，高性能的伺服系统可以提供灵活、方便、准确、快速的驱动。随着技术的进步和整个工业的不断发展，伺服驱动技术也取得了极大的进步，伺服系统已进入全数字化和交流化的时代。

近几年，国内的工业自动化领域呈现出飞速发展的态势，国外的先进技术迅速得到引入和普及化地推广，其中作为驱动方面的重要代表产品已被广大用户所接受，在机器革新中起到了至关重要的作用。精准的驱动效果和智能化的运动控制通过伺服产品可以完美地实现机器的高效自动化，这两方面也成为伺服发展的重要指标。“伺服”一词源于希腊语“奴隶”，英语“Servo”。在伺服驱动方面，我们可以理解为电机转子的转动和停止完全根据信号的大小、方向，即在信号来到之前，转子静止不动；信号来到之后，转子立即转动；当信号消失，转子能即时自行停转。由于它的“伺服”性能，因此而得名——伺服系统。返回主页如图4-1所示，开平机是通过开卷、引料、纵剪及码垛的方式,将卷板加工成所需要的定长尺寸的自动化加工设备，中间配合上料小车、导向装置、油压式活套等轴柱设备。传统开平机使用变频器控制加工板材的定长，往往是在位置到达前让电机减速停车，这样易造成定位不准，板材加工精度不高等问题，而且加工效率由于变频器加减速时间长而导致效率较低。采用伺服驱动技术，再配合PLC和触摸屏集中控制，具有自动化程度高、生产效率高、加工精度高三大特点，卷材一次上料可实现各工序的顺利完成，有效的减轻了工人的劳动强度提高效率、具有很高的性价比。4.1伺服驱动技术认知图4-1交流伺服系统在开平机上的应用4.1.1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比较环节、控制器、功率放大装置、伺服执行机构、检测环节等五部分。如图4-2所示。图4-2伺服系统的组成1.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

控制器的主要任务是根据输入信导和反馈信导决定控制策略，常用的控制算法有PID(化例、积分、服分)控制和最优控制等。控制器通常由电子线路或计算机组成。3.功率放大器

伺服系统中的功率放大器的作用是将信号进行放大,并用来驱动执行机构完成某种操作。在现代机电一体化系统中的功率放大装置，主要采用各种电力电子器件组成。4.伺服执行机构

执行机构主要由伺服电动机或液压伺服机构和机械传动装置等组成。目前，采用电动机作为驱动元件的执行机构占据较大的比例。伺服电动机包括步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机等。5.检测装置

检测装置的任务是测量被控制量（即输出量），实现反馈控制。伺服传动系统中，用来检测位置量的检测装置有：自整角机、旋转变压器、光电码盘等;用来检测速度信号的检测装置有测速发电机、光电码盘等。4.1.1伺服系统的结构组成应当指出，检测装置的精度是至关重要的，无论采用何种控制方案，系统的控制精度总是低于检测装置的精度。对检测装置的要求除了精度高之外，还要求线性度好、可靠性高、响应快等。在实际的伺服控制系统中，上述的每个环节在硬件特征上并不独立，可能几个环节在一个硬件中，如测速直流电机即是执行元件又是检测元件。4.1.1伺服系统的结构组成4.1.2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：1.按被控量参数特性分类

按被控量不同，机电一体化系统可分为位移、速度、力矩等各种伺服系统。其它系统还有温度、湿度、磁场、光等各种参数的伺服系统。2.按驱动元件的类型分类

按驱动元件的不同可分为电气伺服系统、液压伺服系统、气动伺服系统。特性如表4-1所示。电气伺服系统根据电机类型的不同又可分为步进电机控制伺服系统、直流伺服系统和交流伺服系统。表4-1伺服驱动系统的特点及优缺点3.按控制原理分类

按自动控制原理，伺服系统又可分为开环控制伺服系统、闭环控制伺服系统和半闭环控制伺服系统。开环控制伺服系统结构简单、成本低廉、易于维护，但由于没有检测环节，系统精度低、抗干扰能力差,系统结构如图4-3所示。4.1.2伺服系统的分类图4-3开环控制伺服系统结构方框图闭环控制伺服系统能及时对输出进行检测，并根据输出与输入的偏差，实时调整执行过程，因此系统精度高，但成本也大幅提高，系统结构如图4-4所示。4.1.2伺服系统的分类图4-4闭环控制伺服系统结构方框图半闭环控制伺服系统的检测反馈环节位于执行机构的中间输出上，因此一定程度上提高了系统的性能。如位移控制伺服系统中，为了提高系统的动态性能，增设的电机速度检测和控制就属于半闭环控制环节，系统结构如图4-5所示。4.1.2伺服系统的分类图4-5半闭环控制伺服系统结构方框图4.1.3伺服系统的技术要求由于伺服系统所服务的对象千差万别，因而对伺服系统的要求也有差别。工程上对伺服系统的技术要求很具体，归纳为以下几个方面。1.对系统稳态性能的要求。伺服系统的稳态性能指标包括系统静态误差、系统速度误差、系统加速度误差。对闭环系统控制的伺服系统而言，理论上应是无静态误差系统，但实际系统由于检测装置分辨率有限以及干摩擦等影响，都存在静误差。系统速度误差是指系统处于等速跟踪状态时，系统输出轴与其输入轴作相等的匀速运动，在同一时刻，输出轴与输入轴之间的转速差。系统加速度误差是指系统输出轴在一定的速度和加速度范围内跟踪输入轴运动时，在同一时刻两轴之间最大的加速度差值。以上介绍稳态误差时，均提到系统输出轴跟踪输入轴运动，并以两轴之间的瞬时转角差作为系统的误差值。实际上有些伺服系统并没有实际的输入轴存在，输入信号不是依靠转动输入轴来产生，而是代表输入转角的信号电压或具体的数字代码。2.对伺服系统动态性能的要求。伺服系统应是渐近稳定并留有一定的稳定裕量。在典型信号输入下，系统的时域响应特性要满足规定的要求。一般用最大超调量、过渡过程时间、振荡次数等特征作为衡量指标。频域响应特性则用最大振荡指标、系统的频带宽度特征量作评价指标。3.对系统工作环境的要求。如温度、湿度、防潮、防化、防辐射、抗振动等方面的要求。4.对系统制造成本、运行的经济性、标准化程度、能源条件等方面的要求。4.1.3伺服系统的技术要求4.1.4伺服系统的发展伺服系统方便、快速、灵活、准确的驱动在机电设备中发挥了重要的作用，其发展与伺服电机的发展相辅相成。以前，伺服驱动不是液压的就是直接以驱动为主要特征的伺服电机，采取开环控制的方法来进行位置控制。20世纪60年代至70年代，直流伺服电机出现并迅速发展起来的，其在工业等相关的领域有了空前的发展和推广，其采用的开环控制方法也被闭环控制所取代。永磁式直流电机一直以来都在数控机床应用中占主导作用，它没有励磁的耗损，很容易就能使电路得到控制，有较好的低速性能。20世纪80年代开始，交流伺服驱动技术得到迅猛发展，与此同时，交流伺服系统的性能也在不断地提高，相应的伺服传动装置也在不断的发展，经历了模拟式、数模混合式和全数字化过程。20世纪90年代交流伺服在得到了迅猛的发展，到了21世纪，交流伺服驱动技术成为工业领域实现自动化的基础技术之一，并将逐渐取代直流伺服系统。4.1.4伺服系统的发展返回主页4.2.1步进电动机4.2.2伺服电动机4.2控制电机4.2控制电机控制电机是电气伺服系统的执行元件，通常指用于自动控制、自动调节、远距高测量、随动系统以及计算机装置中的微特电机。它是构成开环控制、闭环控制、同步连接等系统的基础元件。控制电机主要用来完成控制信号的传递和变换，要求它们技术性能稳定可靠、动作灵敏、精度高、体积小、重量轻、耗电少。其主要任务是转换和传递控制信号，能量的转换是次要的。根据它在自动控制系统中的职能可分为测量元件、放大元件、执行元件和校正元件四类。

各种控制电机，各有其特点，适用于不同性能的伺服系统。电气伺服系统的调速性能，动态特性、运动精度等均为与该系统的电动机的性能有着直接的关系。通常应符合如下基本要求：返回主页1.具有宽广而平滑的调速范围。2.具有较硬的机械特性和良好的调节特性。3.具有快速响应特性。4.空载始动电压小。控制电机的类型很多，在本章中只讨论与步进电机和伺服电机。4.2控制电机4.2.1步进电动机步进电机又称电脉冲马达，是伺服电机的一种，实物如图4-6所示。步进电机可按照输入的脉冲指令一步步地旋转，即可将输入的数字指令信号转换成相应的角位移。因此它实质上是一种数模转换装置，。由于步进电机成本较低，易于控制，因而被广泛应用于开环控制的伺服系统中。步进电机分类与特点：步进电机按照电机结构有三种主要类型：永磁式（PermanentMagnet,PM）、反应式（VariableReluctance，VR）和混合式（HybridStepping,HB）三种。图4-6步进电电动机实物图1.永磁式步进电动机(PM)永磁式步进电动机是转子或定子的某一方为永磁体，另一方由软磁材料和励磁绕组制成，绕组轮流通电，建立的磁场与永磁体的恒定磁场相互作用，产生转矩。励磁绕组一般做成两相或四相控制绕组，其转子的结构与实物如图4-7所示。永磁式步进电动机的特点是：（1）步距角大

一般为15°、22.5°、30°、45°、90°等。这是因为在一个圆周上受到极弧尺寸的限制，磁极数不能太多。（2）控制功率较小，效率高。

（3）电动机的内部阻尼较大

单步运行振荡时间短。（4）断电时有一定的定位转矩。4.2.1步进电动机图4-7永磁式步进电动机2.反应式步进电动机(VR)反应式亦称可变磁阻式，其基本结构主要由定子和转子两部分组成。其定子和转子磁路均由软磁制成，定子有若干对磁极，磁极上有多相励磁绕组，在转子的圆柱面上有均匀分布的小齿。利用磁阻的变化产生转矩。励磁绕组的相数一般为三、四、五、六相等，其转子的结构与实物如图4-8所示。4.2.1步进电动机图4-8反应式步进电动机反应式步进电动机有如下特点：（1）气隙小。为了提高反应式步进电机输出转矩，气隙都取得很小。（2）步距角小。固反应式步进电动机定、转子是采用软磁材料制成的，依靠磁阻变化产生转矩，在机械加工所能允许的最小齿距情况下，转子的齿距数可以做得很多。

（3）励磁电流较大。要求驱动电源功率较大。（4）电机的内部阻尼较小。当相数较小时，单步运行振荡时间较长。（5）断电时没有定位转矩。4.2.1步进电动机3.混合式步进电动机（HB）混合式亦称永磁感应式。这种电动机在转子上有永磁体，可以看作是永磁式步进电动机，但从定子的导磁体来看，又和反应式步进电动机相似，因而它具有反应式步进电动机步距角小、响应频率高的优点，又具有永磁式步进电动机励磁功率小，效率高的优点。它是反应式和永磁式步进电动机的结合，因此又称为混合式步进电动机，其转子的结构与实物如图4-9所示。此外，按照电机驱动架构又可分为单极性(unipolar)和双极性(bipolar)步进电机。4.2.1步进电动机图4-9混合式步进电动机4.2.2伺服电动机伺服电机在控制系统中常被用来做执行元件，将输入的电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。伺服电机分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。1.直流伺服电动机直流伺服电动机是自动控制系统中具有特殊用途的直流电动机，又称执行电机，它能够把输入的电压信号变换成轴上的角位移和角速度等机械信号。电机实物如图4-10所示。直流伺服电动机具有响应迅速。精度和效率高、高速范围宽。负载能力大。控制特性优良等优点。被广泛应用在闭环或半闭环控制的伺服系统中。其缺点就是转子上安装了具有机械正现性质的电极和换向器。需要定期维修和更换电刷，使用寿命短、噪声大，电机功率不能太大等。4.2.2伺服电动机图4-10直流伺服电动机实物图直流伺服电动机分类与特点（1）直流伺服电动机按励磁方式可分为电磁式和永磁式两种。电磁式的磁场由励磁绕组产生，电磁式直流伺服电动机是一种普遍使用的伺服电动机，特别是大功率电机（100W以上）。如我国的SZ系列直流伺服电动机。

永磁式的磁场由永磁体产生，永磁式伺服电动机具有体积小、转矩大、力矩和电流成正比、伺服性能好、响应快功率体积比大、功率重量比大、稳定性好等优点。由于功率的限制，如如我国的SY系列直流伺服电动机。目前主要应用在办公自动化、家用电气、仪器仪表等领域。由于永磁式直流伺服电机不需要外加助磁电源，因而在机电一体化伺服系统中应用较多。4.2.2伺服电动机（2）直流伺服电动机按电枢的结构与形状可分为平滑电枢型、空心电枢型和有槽电枢型、印刷绕组等,其电枢类型如图4-11所示。平滑电枢型的电枢无槽，其绕组用环氧树脂粘固在电枢铁芯上，因而转子形状细长，转动惯量小，如图4-11(a)。空心电枢型的电枢无铁芯，且常做成杯形，其转子转动惯量小，如图4-11(b)。有槽电枢型的电枢与普通直流电动机的电枢相同，因而，转子转动惯量较大，如图4-11(c)。印刷绕组与传统电机的线圈型绕组不同，是用腐蚀法、电化学沉积法、电化学转移法在复铜箔板上印制而成,也有用铜箔冲制成形后叠装胶合而成,整个电枢成盘状，转动惯量小如图4-11(d)。4.2.2伺服电动机图4-11直流伺服电动机电枢类型（3）直流伺服电动机还可按转子转动惯量的大小而分成大惯量、中惯量和小惯量直流伺服电动机。大惯量直流伺服电动机（又称直流力矩伺服电动机）负载能力强，易于与机械系统匹配，而小惯量直流伺服电动机的加减速能力强、响应速度快、动态特性好。直流伺服电动机的特点和应用范围见表4-2。4.2.2伺服电动机表4-2直流伺服电动机的特点和应用范围2.交流伺服电动机

二十世纪后期，随着电力电子技术的发展，交流电动机应用于伺服控制越来越普遍。与直流伺服电动机比较，交流伺服电动机不需要电刷和换向器，因而维护方便和对环境无要求；此外，交流电动机还具有转动惯量、体积和重量较小，结构简单、价格便宜等优点；尤其是交流电动机调速技术的快速发展，使它得到了更广泛的应用。交流电动机的缺点是转矩特性和调节特性的线性度不及直流伺服电动机好；其效率也比直流伺服电动机低。因此，在伺服系统设计时，除某些操作特别频繁或交流伺服电动机在发热和起、制动特性不能满足要求时，选择直流伺服电动机外，一般尽量考虑选择交流伺服电动机。电机实物如图4-12所示。4.2.2伺服电动机图4-12交流伺服电动机实物图交流伺服电动机分类与特点：用于伺服控制的交流电动机主要有同步型交流电动机和异步型交流电动机。（1）同步型交流伺服电动机

电动机转子由永磁材料制成，转动后，随着定子旋转磁场的变化，转子也做相应频率的速度变化，而且转子速度等于定子速度，所以称“同步”，同步型交流伺服电动机。同步型交流伺服电动机虽较异步型（感应）电动机复杂，但比直流电动机简单。它的定子与感应电动机一样，都在定子上装有对称三相绕组。而转子却不同，按不同的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类，如图4-13所示。非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。其中磁滞式和反应式同步电动机存在效率低、功率因数较差、制造容量不大等缺点。数控机床中多用永磁式同步电动机。4.2.2伺服电动机图4-13同步型交流伺服电动机转子永磁式与电磁式相比，其优点是结构简单、运行可靠、效率较高；缺点是体积大、启动特性欠佳。但永磁式同步电动机采用高剩磁感应，高矫顽力的稀土类磁铁后，可比直流电动外形尺寸约小1/2，质量减轻60%，转子惯量减到直流电动机的1/5。它与异步电动机相比，由于采用了永磁铁励磁，消除了励磁损耗及有关的杂散损耗，所以效率高。又因为没有电磁式同步电动机所需的集电环和电刷等，其机械可靠性与感应（异步）电动机相同，而功率因数却大大高于异步电动机，从而使永磁同步电动机的体积比异步电动机小些。4.2.2伺服电动机（2）异步型交流伺服电动机电动机转子由感应线圈和铁心材料构成。转动后，定子产生旋转磁场，磁场切割转子的感应线圈，转子线圈产生感应电流，进而转子产生感应磁场，感应磁场追随定子旋转磁场的变化，但转子的磁场变化永远小于定子磁场的变化。所以称“异步”。异步型交流伺服电动机指的是交流感应电动机。它有三相和单相之分，也有鼠笼式和线绕式，如图4-14所示。通常多用鼠笼式三相感应电动机。鼠笼式与线绕式相比，其结构简单，与同容量的直流电动机相比，质量轻1/2，价格仅为直流电动机的1/3。缺点是不能经济地实现范围很广的平滑调速，必须从电网吸收滞后的励磁电流。因而令电网功率因数变坏。这种鼠笼转子的异步型交流伺服电动机简称为异步型交流伺服电动机，用IM表示。4.2.2伺服电动机图4-14交流异步伺服电动机两相交流伺服电动机原理上就是一台两相交流异步电动机。它的定子上正交放置两相绕组，这两相绕组一个叫励磁绕组，另一相为控制绕组。转子一般有两种结构形式，一种是笼型转子，这种转子的结构与普通笼型感应电动机的转子相同；另一种是非磁性空心杯型转子，如图4-15所示。笼型转子与空心杯转子比较。前者输出力矩大、结构简单、励磁电流小、效率高，唯一不足是转子转动惯量大，因而动态响应不如空心杯转子快。空心杯转子具有惯性小，反应灵敏，调速范围大、但这种电动机的励磁电流较大，因而功率因素和效率较低。4.2.2伺服电动机图4-15两相交流伺服电动机转子结构表4-3两相交流伺服电动机的特点和应用范围两相异步交流伺服电动机主要用于小功率控制系统中。目前用得最多的是鼠笼转子的交流伺服电动机。两相交流伺服电动机的特点和应用范围见表4-3。相异步交流伺服电动机主要用于小功率控制系统中。目前用得最多的是鼠笼转子的交流伺服电动机。两相交流伺服电动机的特点和应用范围见表4-3。返回主页4.3.1步进电机伺服系统认知4.3.2步进电机伺服系统4.3步进电机伺服系统4.3步进电机伺服系统1.步进电动机的结构步进电机能将脉冲信号直接转换成角位移（或直线位移），这在计算机控制系统中特别方便，使用它可省去数模转换接口。步进电机的角位移是一个步距一个步距（对应个脉冲）移动的，所以称为步进电机。步进电机的当步进电机的结构已确定，控制方式选定后，步距角的大小是固定的。所以可以对它进行开环控制。步进电机的内部结构及结构简图如图4-16所示。三相六极反应式步进电动机的定子有六个磁极，每个磁极上均装有集中绕组作为控制绕组。相对的定子磁极绕组串联构成一相绕组，由专门的驱动电源供电.转子铁心是由软磁材料构成，其上均匀分布了四个齿，齿上无任何转子绕组。返回主页图4-16步进电动机结构2.步进电动机的工作原理如图4-16（b）步进电机的结构简图所示，设启动时转子的1、3齿在A相绕组极的附近，当第一个脉冲通往A相，则磁通企图沿着磁阻最小的路径闭合，在此磁场力的作用下，转子的1、3齿要和A极对齐,图4-17（a）所示。下一个脉冲通入B相，则磁通要按磁阻最小的路径闭合，即2、4齿要和B极对齐，图4-17（b）所示。也即转子顺时针方向走了一步。再下一个脉冲通入C相，根据磁通沿磁阻最小的路径闭合原理，1、3齿要和C极对齐，图4-17（c）所示。也即转子又顺时针走了一步。依次不断地给A、B、C相以脉冲，则步进电机就一步一步地按顺时针方向旋转。若通电脉冲的次序为A、C、B、.....不难推出，转子将以逆时针方向一步步旋转。这样，用不同的分配脉冲次序的方式就可以方便地实现控制步进电机。4.3.1步进电机伺服系统认知图4-17反应式步进电机的通电方式（三相单三拍）3.步进电动机的运行方式步进电动机定子通电状态每改变一次称为一拍；每一拍转子转过的机械角度称为步距角θ。（1）三相单三拍通电方式如图4-17所示的反应式步进电机，A、B、C三相绕组轮流通电方式，称为三相单三拍通电方式。其中，“单”是指任何时刻只有一相绕组通电，三拍意味着一个周期内通电状态共改变三次，对应其步距角θ=30°。.步进电动机的运行方式步进电动机定子通电状态每改变一次称为一拍；每一拍转子转过的机械角度称为步距角θ。4.3.1步进电机伺服系统认知（1）三相单三拍通电方式如图4-17所示的反应式步进电机，A、B、C三相绕组轮流通电方式，称为三相单三拍通电方式。其中，“单”是指任何时刻只有一相绕组通电，三拍意味着一个周期内通电状态共改变三次，对应其步距角θ=30°。4.3.1步进电机伺服系统认知（2）三相双三拍运行方式三相双三拍通电方式是指：任何时刻均有两相定子绕组通电，其通电顺序为AB→BC→CA→AB,此时转子逆时针运行；若希望转子顺时针运行，则通电顺序变为AC→CB→BA→AC。三相双三拍通电方式下，转子的步距角与单三拍相同。即如图4-18所示的三相六极步进电动机，步距角仍为θ=30º。三相双三拍通电方式因转子受到两个相反方向上的转矩而平衡，故转子振动小、运行稳定。4.3.1步进电机伺服系统认知图4-18反应式步进电机的通电方式（三相双三拍）（3）三相单、双六拍通电方式如果步进电机通电方式的各拍交替出现单、双相通电状态，这种通电方式称为单双相轮流通电方式。三相步进电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，即A→AB→B→BC→C→CA→A。由于六拍为一通电循环周期，因此，每一拍转子转过的步距角变为单三拍的一半，即θ=15°如图4-19所示的。4.3.1步进电机伺服系统认知图4-19反应式步进电机的通电方式（三相单、双六拍）步进电机除了做成三相的外，还可做成四相、五相、六相的。一般情况下，m相步进电机可采用单相通电、双相通电或单双相轮流通电方式工作，对应的通电方式可分别称为m相单m拍、m相双m拍或2m拍通电方式。由于上述步进电动机的步距角较大，如用于精度要求很高的数控机床等控制系统，会严重影响到加工工件的精度。这种结构只在分析原理时采用，实际使用的步进电动机都是小步距角的。4.3.1步进电机伺服系统认知（4）小步距角的三相反应式步进电动机为了减小步距角，在步进电动机的定、转子均采用多齿结构如图4-20（a）所示为最常见的一种小步距角的三相反应式步进电动机的结构简图,图4-20（b）为五相反应式步进电动机内部结构图，各磁极前端采用多齿结构。4.3.1步进电机伺服系统认知图4-20小步距角反应式步进电动机结构在图4-20（a）中，三相反应式步进电动机定子上有六个磁极，极上有定子绕组，沿直径相对的两个极的线圈串联，构成一相控制的绕组，共有A、B、C三相。转子圆周上均匀分布若干个小齿，定子每个磁极端面上也有若干个小齿。根据步进电动机工作的要求，定子、转子的齿宽、齿距必须相等，定子、转子齿数要适当配合，即要求在A相一对磁极下，定子、转子齿一一对齐时，下一相（B相）所在一对极下的定子、转子齿错开一齿距（t）的1/m（m为相数），即为t/m;再下一相（C相）的一对极下定子、转子齿错开2t/m，依次类推，如图4-21所示。4.3.1步进电机伺服系统认知图4-21小步距角的三相反应式步进电动机4.3.2步进电机伺服系统1.步进电机的控制与驱动步进电机的运行要求足够功率的电脉冲信号按一定的顺序分配到各相绕组。所以，与其它旋转电机不同的是步进电机的工作需要专门的驱动器。步进电机驱动器实物如图4-22所示。驱动器的作用是对控制脉冲进行环形分配、功率放大，使步进电机绕组按一定顺序通电以驱动电机转子正反向旋转。因此，只要控制输入电脉冲的数量及频率，就可以精确控制步进电机的转角及转速。驱动器由环形脉冲分配器和功率放大器组成，其结构如图图4-23所示。图4-22步进电机及驱动器图4-23步进电机驱动器（1）环形分配器

环形分配器的功能是将控制器送来的一串指令脉冲,按步进电机所要求的通电顺序分配给步进电机驱动电源的各相输入端,以控制励磁绕组的通断,实现步进电机的运行及换向。环形分配的功能可由硬件或软件的方法来实现,分别称为软件环形分配器和硬件环形分配器。4.3.2步进电机伺服系统1）软件环形分配器

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，以减少硬件成本，尤其是多相电动机的脉冲分配更显示出它的优点。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。4.3.2步进电机伺服系统2）硬件环形分配器

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即为三相步进电机的专用环形分配器，它的引脚功能图及三相六拍线路图如图4-24所示。这种方法的优点是使用方便，接口简单。4.3.2步进电机伺服系统图4-24环形分配器CH250引脚图及三相六拍线路（2）功率放大器

功率放大器的功能是将环形分配器送来的弱电信号变为强电信号，以得到步进电机控制绕组所需要的脉冲电流及所需要的脉冲波形。功率放大器种类：按采用的功率放大器件可分为大功率晶体管、功率场效应晶体管或可关断晶闸管等；按工作原理可分为单电压驱动、高低电压驱动、恒流斩波、调频调压、细分电路等。本节重点介绍细分电路。4.3.2步进电机伺服系统（3）步进电机细分驱动电路随着微型计算机的发展，特别是单片计算机的出现，为步进电机的细分驱动带来了便利。目前，步进电机细分驱动电路大多数都采用单片微机控制，它们的构成图如图4-25所示。单片机根据要求的步距角计算出各项绕组中通过的电流值,并输出到数模转换器（D/A）中，由D/A把数字量转换为相应的模拟电压，经过环形分配器加到各相的功放电路上，控制功放电路给各相绕组通以相应的电流，来实现步进电机的细分。4.3.2步进电机伺服系统图4-25单片机控制的步进电机细分驱动电路的结构框图单片机控制的步进电机细分驱动电路根据末级功放管的工作状态可分为放大型和开关型两种。放大型步进电机细分驱动电路中末级功放管的输出电流直接受单片机输出的控制电压控制，电路较简单，电流的控制精度也较高，但是由于末级功放管工作在放大状态，使功放管上的功耗较大，发热严重，容易引起晶体管的温漂，影响驱动电路的性能。甚至还可能由于晶体管的热击穿，使电路不能正常工作。因此该驱动电路一般应用于驱动电流较小、控制精度较高、散热情况较好的场合。4.3.2步进电机伺服系统开关型步进电机细分驱动电路中的末级功放管工作在开关状态，从而使得晶体管上的功耗大大降低，克服了放大型细分电路中晶体管发热严重的问题。但电路较复杂，输出的电流有一定的波纹。因此该驱动电路一般用于输出力矩较大的步进电机的驱动。随着大输出力矩步进电机的发展，开关型细分驱动电路近年来得到长足的发展。目前，最常用的开关型步进电机细分驱动电路有斩波式和脉宽调制（PWM）式两种。4.3.2步进电机伺服系统如图4-26所示的斩波式细分驱动电路。其基本工作原理是对电机绕组中的电流进行检测，和D/A输出的控制电压进行比较，若检测出的电流值大于控制电压，电路将使功放管截止，反之，使功放管导通。这样，D/A输出不同的控制电压，绕组中将流过不同的电流值。4.3.2步进电机伺服系统图4-26斩波式细分驱动电路如图4-27所示的脉宽调制式细分驱动电路。其基本工作原理是把D/A输出的控制电压加在脉宽调制电路的输入端，脉宽调制电路将输入的控制电压转换成相应脉冲宽度的矩形波，通过对功放管通断时间的控制，改变输出到电机绕组上的平均电流。由于电机绕组是一个感性负载，对电流有一定的滤波作用，而且脉宽调制电路的调制频率较高，一般大于20kHz，因此，虽然是断续通电，但电机绕组中的电流还是较平稳的。4.3.2步进电机伺服系统图4-27脉宽调制式细分驱动电路脉宽调制式细分驱动电路和斩波式细分驱动电路相比，脉宽调制式细分驱动电路的控制精度高、工作频率稳定，但线路较复杂。因此，脉宽调制式细分驱动电路多用于综合驱动性能要求较高的场合。脉宽调制式细分驱动电路的关键是脉宽调制，它的作用是将给定的电压信号调制成具有相应脉冲宽度的矩形波。4.3.2步进电机伺服系统（4）构成步进电机驱动器系统的专用集成电路1）脉冲分配器集成电路：如三洋公司的PMM8713、PMM8723、PMM8714等。

2）包含脉冲分配器和电流斩波的控制器集成电路：如SGS公司的L297、L6506等。3）只含功率驱动（或包含电流控制、保护电路）的驱动器集成电路：如日本新电元工业公司的MTD1110（四相斩波驱动）和MTD2001（两相、H桥、斩波驱动）。4）将脉冲分配器、功率驱动、电流控制和保护电路都包括在内的驱动控制器集成电路，如东芝公司的TB6560AHQ、MOTOROLA公司的SAA1042（四相）和ALLEGRO公司的UCN5804（四相）等。4.3.2步进电机伺服系统2.步进电机伺服系统步进电机伺服系统是典型的开环控制系统，指令信号是单向流动的。开环系统没有位置和速度反馈回路，省去了检测装置，其精度主要由步进电机来决定，速度也受到步进电机性能的限制，系统简单可靠，不需要像闭环伺服系统那样进行复杂的设计计算与试验验证。步进电动机开环伺服系统由于具有结构简单、使用维护方便、可靠性高、制造成本低等一系列优点，在中小型机床和速度、精度要求不十分高的场合，得到了广泛的应用。4.3.2步进电机伺服系统（1）步进电机伺服系统的组成如图4-28所示的步进电机开环控制系统由控制器、驱动器和步进电机组成。控制器控制器又叫脉冲发生器，提供从几赫兹到几万赫兹的频率信号连续可调的脉冲信号。目前主要有PLC、单片机、运动板卡等等。驱动器系统的作用是把脉冲源发出的进给脉冲进行重新分配，并把此信号转换为控制步进电动机各定于绕组依次通、断电的驱动信号，使步进电动机运转。步进电动机的转子通过传动机构（如丝杠）与执行部件连接在一起，将转子的转动转换成执行部件的移动。4.3.2步进电机伺服系统（2）步进电机伺服系统的控制原理下面从步进电机的位移量、速度和移动方向等三个方面对伺服系统的控制原理进行介绍。1）执行部件的位移量控制

控制器发出n个进给脉冲，经驱动器后,变成控制步进电动机定子绕组通、断电的电平信号的变化次数N，使步进电动机定子绕组的通电状态变化N次，从而决定了步进电动机角位移Φ：4.3.2步进电机伺服系统Φ=N×θ(4-1)式中：Φ——步进电动机角位移；N——电平信号的变化次数；θ——步距角。该角位移经传动机构转变为执行部件的位移量L：(4-2)式中：L——执行部件的位移量；t——丝杠螺距。

显然，L、Φ和N三者之间成正比关系。4.3.2步进电机伺服系统2）执行部件移动速度的控制

控制器发出频率为的连续电脉冲信号，经驱动器后，最后表现为定子绕组通电状态的变化频率f，并决定了步进电动机转子的角速度ω，经丝杠等传动机构后，ω体现为执行部件的移动速度v，即进给脉冲频率f→定子绕组通电状态的变化频率f→步进电动机的角速度ω→执行部件的移动速度

。4.3.2步进电机伺服系统

3）执行部件移动方向的控制

当控制器发出的进给脉冲是正向时，经驱动器后，使步进电动机正转。带动执行部件正向移动。当进给脉冲是反向时，经驱动器之后，使步进电动机反转，从而使执行部件反向移动。

综上所述，在步进电动机伺服系统中，用输入脉冲的数量、频率和方向控制执行部件的位移量、移动速度和移的方向，从而实现对位移控制的要求。4.3.2步进电机伺服系统返回主页4.4.1直流伺服系统认知4.4.2直流伺服系统4.4直流伺服系统4.4直流伺服系统采用直流伺服电动机作为执行元件的伺服系统，称为直流伺服系统。直流伺服系统种类繁多，按伺服电动机、功率放大器、检测元件、控制器的种类以及反馈信号与指令比较方式等可分为不同类型的直流伺服系统。返回主页4.4.1直流伺服系统认知1.直流伺服电机的结构直流伺服电动机主要由由定子磁极、转子电枢和换向机构组成，如图4-29所示。其中定子磁极在工作中固定不动，故又称定子。定子磁极用于产生磁场。在永磁式直流伺服电动机中，磁极采用永磁材料制成，充磁后即可产生恒定磁场。在他励式直流伺服电动机中，磁极由冲压硅钢片叠成，外绕线圈，靠外加励磁电流才能产生磁场。转子电枢是直流伺服电动机中的转动部分，故又称转子，转子的结构有多种形式，最常见的是在有槽铁心内铺设绕组的结构。铁芯由冲压成的硅钢片一类材料迭压而成；换向机构由换向环和电刷构成。绕组导线连接到换向片上，电流通过电刷及换向片引入到绕组中。图4-29直流伺服电机的结构2.直流伺服电机的工作原理直流伺服电动机是在定子磁场的作用下，使通有直流电的电枢（转子）受到电磁转矩的驱使，带动负载旋转。通过控制电枢绕组中电流的方向和大小，就可以控制直流伺服电动机的旋转方向和速度。当电枢绕组中电流为零时，伺服电动机则静止不动。如图4-34（a）所示，N和S是一对固定的磁极，可以是电磁铁,也可以是永久磁铁。磁极之间有一个可以转动的铁质圆柱体，称为电枢铁心。铁心表面固定一个用绝缘导体构成的电枢线圈，线圈的两端分别接到相互绝缘的两个半圆形铜片（换向片）上，它们的组合在一起称为换向器，在每个半圆铜片上又分别放置一个固定不动而与之滑动接触的电刷A和B，线圈通过换向器和电刷接通外电路。4.4.1直流伺服系统认知图4-30直流伺服电机工作原理示意图将外部直流电源加于电刷A（正极）和B（负极）上，则线圈abcd中流过电流,在导体ab中，电流由a指向b，在导体cd中，电流由c指向d。导体ab和cd分别处于N-S极磁场中，受到电磁力的作用，用左手定则可知导体ab和cd均受到电磁力的作用，且形成的转矩方向一致，这个转矩称为电磁转矩，为逆时针方向。这样，电枢就顺着逆时针方向旋转，如图4-30（b）所示。当电枢旋转180°，导体cd转到N极下，ab转到S极下，如图4-30（c）所示，由于电流仍从电刷A流入，使cd中的电流变为由d流向c，而ab中的电流由b流向a，从电刷B流出，用左手定则判别可知，电磁转矩的方向仍是逆时针方同。4.4.1直流伺服系统认知由此可见，加于直流电动机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用，使直流电动机电枢线圈中流过的电流，方向是交变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变，确保直流电动机朝确定的方向连续旋转。实际的直流电动机，电枢圆周上均匀地嵌放许多线圈，相应地换向器由许多换向片组成，使电枢线圈所产生的总的电磁转矩足够大并且比较均匀，电动机的转速也就比较均匀。4.4.1直流伺服系统认知3.直流伺服电动机的控制与驱动（1）直流伺服电动机的控制直流伺服电动机的控制方式主要有两种：电枢电压控制和励磁磁场控制。1）电枢电压控制

励磁磁通保持不变，改变电枢绕组的控制电压。当电动机的负载转矩不变时，升高电枢电压，电机的转速就升高；反之转速就降低。电枢电压等于零时，电机不转。电枢电压改变极性时，电机反转。4.4.1直流伺服系统认知2）励磁磁场控制

电枢绕组电压保持不变，改变励磁回路的电压。若电动机的负载转矩不变，当升高励磁电压时，励磁电流增加，主磁通增加，电机转速就降低；反之，转速升高。改变励磁电压的极性，电机转向随之改变。尽管磁场控制也可达到控制转速大小和旋转方向的目的，但励磁电流和主磁通之间是非线性关系，且随着励磁电压的减小其机械特性变软，调节特性也是非线性的，故少用。直流伺服电动机主要采用电枢电压控制方式。4.4.1直流伺服系统认知（2）直流伺服电动机的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。因此直流电动机的驱动电路实际上是一个可控的大功率整流电路。直流伺服电动机目前常用晶闸管驱动（SCR驱动）和脉宽调制放大器（PWM驱动）。这里重点讨论PWM驱动。直流电机通常需要工作在正反转的场合，因此需要可逆PWM系统。可逆PWM系统又分为单极性可逆PWM和双极性可逆PWM驱动系统。目前常用的是双极性可逆PWM驱动系统。4.4.1直流伺服系统认知1）双极性可逆PWM系统双极性可逆PWM驱动是指在一个控制周期内，电机电枢承受正负变化的电压。图4-31(a)是常用的H桥式双极性可逆PWM驱动系统的电路图。在每个PWM周期内的0≤t<ton时间，Ui是高电平，VT1、TV4导通，此时VT2、VT3截止，这时电枢电压方向为A到B，UAB=US，电枢电流id沿回路1流通，电机进行正转；在ton≤t<T时间内，电枢电压方向为B到A，如果电机带的是较大负载，则电机的电枢电流不能立即变向，电机仍然保持正转，但是电枢电流的幅值会有所下降。正转的电流波形如图4-39(b)所示。反转的情形正好相反。从分析也可以看出，在一个PWM的周期内，电枢两端的电压经历了正反两次变化，称之为“双极性”。4.4.1直流伺服系统认知图4-31双极性H型PWM驱动电路图及波形图电机如果带轻载运行，此时由于负载的作用，电机的电流很小，电流波形基本在横轴上下波动。如图4-19(b)所示。在0≤t<ton时间内，VT2、VT3截止，在自感电动势的作用下，电枢电流经续流二极管VD1和VD4保持原流向由B到A，电动机处于再生制动状态，并且由于VD1和VD4的钳位作用，VT1、VT4同样截止；当电流减至0时，电枢电流在电源的作用下由A流向B，此时VT1、VT4开始导通，电机处于电动状态；在ton≤t<T时间内，VT1、VT4截止，与之前一样，电枢电流由于自感的作用通过二极管VD2和VD3的续流作用先保持流向A到B，当减至0后，VT2、VT3开始导通，此时电机又处于能耗制动状态。因此，在轻载运行期间，电机的状态呈电动制动变化。4.4.1直流伺服系统认知在一个周期内电枢两端电压的平均值为:

（4-3）由式（4-3）可见，Ud的大小取决于占空比的大小。显然，当=0时，=-,电机反转且转速最大；当=1时，=，电机正转且转速最大；当=1/2时，=0，电机不转。4.4.1直流伺服系统认知2）直流伺服电机PWM驱动装置根据PWM的工作原理，必须有一种电路或装置将控制转速的指令转换成脉冲的宽度，其中元件工作在高速开关状态，这种装置叫直流PWM驱动装置。驱动装置组成的原理如图4-40所示。4.4.1直流伺服系统认知图4-32PWM脉宽调制驱动电路原理图①频率脉冲发生器可以是三角波发生器或者锯齿波发生器，它的作用是产生一个频率固定的调制信号Uo。②电压－脉冲变换器的作用是将外加直流控制电平信号Ue与脉冲频率发生器送来的三角波电压Uo在其中混合后，产生一个宽度被调制了的开关脉冲信号。③分配器的作用是将电压-脉冲变换器输出的脉冲信号按一定的逻辑关系分配到功率放大器的各个晶体管基极，以保证各晶体管协调工作。④基极驱动电路工作在开关状态，它对宽度被调制了的脉冲信号进行功率放大，以驱动主电路的功率晶体管。⑤开关功率放大器的作用是对电压-脉宽变换器输出的信号Us进行放大，输出具有足够功率的信号Up

，以驱动直流伺服电动机。4.4.1直流伺服系统认知图4-33所示是一个电压-脉冲变换器电路及调制原理的波形图。当控制电压Ue为零时，输出电压UA和UB的脉冲宽度相同，且等于T/2（T为三角波的周期）。当控制电压Ue为正时，UA的宽度大于T/2，UB的宽度小于T/2；Ue为负时，情况则相反。由此得到两种不同的被调制直流电压。图4-34PWM脉宽调制器的外型及内部结构。4.4.1直流伺服系统认知图4-33PWM脉宽调制电路及波形图图4-34PWM脉宽调制器的外型及内部结构3）常用的PWM驱动控制的芯片上面都是有分立元件构成的电路，实际使用中制作麻烦，故障率高。通常采用集成的H桥驱动芯片，集成度高，使用方便，可靠性高。如L9110,L298N，LMD18200,TA7257P、IN8510/IN8520,IN8530等。①L9110是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，在驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管的使用上安全可靠。被广泛应用于玩具汽车电机驱动、步进电机驱动和开关功率管等电路上。②L298N是SGS公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可驱动两台直流电机。

4.4.1直流伺服系统认知③LMD18200是美国国家半导体公司（NS）推出的专用于运动控制的H桥组件。同一芯片上集成有CMOS控制电路和DMOS功率器件，利用它可以与主处理器、电机和增量型编码器构成一个完整的运动控制系统。LMD18200广泛应用于打印机、机器人和各种自动化控制领域。

④TL494和TL495是美国德克萨斯仪器公司的产品，原是为开关电源设计的脉冲宽度调节器作为双端输出类型的脉冲宽度调制器。国标规定为CW494。⑤IN8510、IN8520,IN8530是由INTERSL公司生产的单片功率运算放大器集成电路，它们是专门设计用于驱动直流伺服电动机、直线或旋转执行机构、电控阀门、X-Y打印机电动机。4.4.1直流伺服系统认知4.4.2直流伺服系统由于伺服控制系统的速度和位移都有较高的精度要求，因而直流伺服电动机通常以闭环或半闭环控制方式应用于伺服系统中。1.速度伺服系统速度控制是伺服系统中的一个重要内容。它由速度控制单元、伺服电机、速度检测装置等构成，速度控制单元用于控制电机的转速，是速度控制系统的核心.在可控硅构成的直流电机驱动电路中，只要改变可控硅的触发角，就可以调节电枢电压，从而达到调节电机转速的目的；在PWM构成的驱动电路中，只要改变脉冲的宽度，即可以调节电机的转速。但这样的调速系统是开环的，由于直流电机本身的机械特性比较软，直流开环伺服系统不能满足机电体化系统的要求，在实际应用中一般都采用闭环伺服系统。闭环直流调速系统中，目前用得最多的是晶闸管直流调速系统和PWM直流脉宽调速系统。这两种调速系统般都是用永磁直流伺服电机调速的控制电路，调速方法是根据速度给定值与速度反馈值的差值来改变电机的电枢电压，达到调节速度的目的。如图4-35所示，采用双闭环原理组成的晶体管PWM调速系统，图中TA是电流互感器。TG作为速度检测的直流测速电机。图4-35PWM速度伺服系统2.位置伺服系统

位置控制伺服系统是应用领域非常广泛的一类系统，如数控机床、工业机器人、雷达天线和电子望远镜的瞄准系统等。在速度伺服系统的基础上增加位置反馈环节就可构成直流位置控制伺服系统。在位置伺服系统中，位置环有模拟式和数字式，前者如仿形机床伺服系统，采用自整角机的角度跟踪系统等。随着计算机控制技术的发展，在位置控制伺服系统中，越来越多采用数字式，而速度环常采用模拟式，构成混合式的伺服系统。在这里只讨论数字式的位置控制伺服系统。4.4.2直流伺服系统数字式位置控制系统根据其位置信号和比较方式可分为数字脉冲控制的伺服系统；数字式编码控制的伺服系统；数字式相位控制的伺服系统；数字式幅值控制伺服系统四种控制方案。这里只介绍检测反馈与比较电路比较简单，应用广泛的数字脉冲控制伺服系统。这种控制方案是采用光栅、脉冲编码器等位置检测器，其比较方式是数字控制器中的可逆计数器，其原理如图4-36所示。4.4.2直流伺服系统图4-36数字式脉冲控制的伺服系统在数字式脉冲控制的伺服系统中，数控装置的位移指令以指令脉冲数Pp给出，反馈信号由位置检测器给出反馈脉冲Pf，它们分别进入数字控制器中的加法器和减法器端，经运算输出位置偏差量，该偏差量经位置控制器、并通过D/A转换后，输出作为速度环的速度指令电压信号，从而控制直流伺服电机的运动。4.4.2直流伺服系统返回主页4.5.1交流伺服系统认知4.5.2交流伺服系统4.5交流伺服系统4.5交流伺服系统20世纪80年代以来,随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展,永磁同步交流伺服驱动技术有了突出的发展,各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向,使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较,主要优点有：无电刷和换向器,因此工作可靠,对维护和保养要求低；定子绕组散热比较方便；惯量小,易于提高系统的快速性；适应于高速大力矩工作状态；同功率下有较小的体积和重量。返回主页4.5.1交流伺服系统认知90年代以后,世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机,控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。本节主要介绍永磁同步交流伺服电动机伺服系统，永磁同步交流伺服电机及驱动器如图4-37所示。图4-37永磁同步交流伺服电机及驱动器1.永磁同步交流伺服电动机结构永磁同步交流伺服电机（PermanentMagnetSynchronousMotor，简称PMSM）用作进给运动的驱动电机，其实物结构如图4-38所示。电机由定子、转子和检测元件组成。定子由冲片叠成，其外形呈多边形,没有机座,这样有利于散热。在定子齿槽内嵌入某一极对数的三相绕组。其结构简图如图4-39所示。4.5.1交流伺服系统认知图4-38永磁同步交流伺服电动机实物结构图图4-39永磁同步交流伺服电动机结构示意图永磁同步交流伺服电机的磁场来自电动机的转子上的永久磁铁，永久磁铁的特性在很大程度上决定了电机的特性。永久磁铁有：铝镍钴合金、铁淦氧合金和钕铁硼合金即稀士永磁台金等，以稀士永磁合金的性能最好。根据永磁体在转子上的位置不同，永磁同步交流伺服电机的转子结构可分为表面式、内插式、内埋式，如图4-48所示。永久磁铁的形状可分为扇形和矩形两种。4.5.1交流伺服系统认知图4-40永磁同步交流伺服电机转子磁路结构永磁同步交流伺服电机转子磁路结构不同，则电动机的运行性能、控制方法、制造工艺和适用场合也不同。检测元件一般光电编码器或旋转变压器加测速发电机，用以检测电机的转角位置、位移和旋转速度，以便提供永磁交流同步电机转子的绝对位置信息、位置反馈量和速度反馈量。永磁交流同步伺服电动机目前在数控机床、工业机器人等小功率场合，获得了较为广泛的应用。4.5.1交流伺服系统认知2.永磁同步交流伺服电动机工作原理永磁同步电动机的启动和运行是由定子绕组、转子鼠笼绕组和永磁体这三者产生的磁场的相互作用而形成。如图4-41所示，一个二极永磁转子（也可以是多极），电动机静止时，给定子绕组通入三相对称电流，产生定子旋转磁场，图中用另一对旋转磁极表示，该旋转磁场将以同步转速ns旋转。由于磁极同性相斥、异性相吸，与转子的永磁磁极互相吸引，并带着转子一起旋转，使转子由静止开始加速转动。当转子加上负载转矩之后，转子磁极轴线将落后定子磁场轴线θ角，随着负载增加，θ角也随之增大；负载减少时，θ角也减少；只要不超过一定限度，转子始终跟着定子的旋转磁场以恒定的同步转速ns旋转。4.5.1交流伺服系统认知转子速度为：(4-4)式中：——电动机转速

——定子转速磁场的同步转速f——交流电源频率（定子供电频率）P——定子线圈的磁极对数

4.5.1交流伺服系统认知由于这种同步电动机不能自动启动，所以在转子上还装有鼠笼式绕组而作为电动机启动之用。鼠笼绕组放在转子的周围。在同步运行状态下，转子绕组内不再产生电流。此时转子上只有永磁体产生磁场，它与定子旋转磁场相互作用，产生驱动转矩。由此可知，永磁同步电动机是靠转子绕组的异步转矩实现启动的。启动完成后，转子绕组不再起作用，由永磁体和定子绕组产生的磁场相互作用产生驱动转矩。4.5.1交流伺服系统认知图4-41永磁交流伺服电机的工作原理旋转磁场的旋转方向与绕组中电流的相序有关。假设三相绕组A、B、C中的电流相序按顺时针流动，则磁场按顺时针方向旋转，若把三根电源线中的任意两根对调，则磁场按逆时针方向旋转。利用这一特性我们可很方便地改变三相电动机的旋转方向。这种反电动势波形和供电电流波形都是正弦波的电动机称为“正弦波永磁同步电动机”（PMSM），有时也简称“永磁同步电动机”。4.5.1交流伺服系统认知由式永磁同步交流伺服电动机转速公式4-3可以得出，电机的转速n由电源频率f和磁极对数p决定。我们把改变电动机的供电频率f实现调速的方法称为变频调速；而改变磁极对数P进行调速的方法叫变极调速。变频调速一般是无级调速，变极调速是有级调速。通常采用变频调速。4.5.1交流伺服系统认知4.5.2交流伺服系统1.永磁同步交流伺服电动机控制与驱动（1）永磁同步交流伺服电动机控制永磁同步交流伺服电动机普遍采用PWM的控制技术产生绕组电压和电流。常用的方法有正弦波脉宽调制（SPWM）、空间矢量脉宽调制（SVPWM）、电流跟踪控制三种。本节重点介绍正弦波脉宽调制（SPWM）控制技术。1）SPWM控制技术(SPWM)用正弦波信号去调制三角波信号，会得到一个相当于正弦函数值的相位角和面积等效于正弦波的脉冲序列，脉冲序列的占空比按正弦规律变化，占空比的比值由电压幅值决定；脉冲的频率由三角波频率决定，脉冲序列可能包含各次谐波的频谱成份，但其基波由调制波决定。等效的原则就是每一区间的面积相等。如果把正弦半波n等分，然后把一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，并且矩形脉冲的幅值保持不变，各脉冲的中点与正弦波的每一等分中点重合。这样由n个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半波周期等效，称为SPWM波形。同样正弦波的负半周也可以采用同样的方法与一系列负脉冲波等效。这种正弦波正，负半周分别用正，负脉冲等效的SPWM波形称为单极SPWM。产生单极SPWM电路如图4-42,波形如图4-43所示。4.5.2交流伺服系统图4-42单极SPWM调制电路4.5.2交流伺服系统图4-43单极SPWM输出的波形（a）正弦调制波与三角载波（b）输出的SPWM波图中由三角波ut与正弦波uref一并送入电压比较器,输出即为SPWM调制波。如果输出脉冲在“正”，和“负”之间变化，这就得到双极式SPWM波形。双极式SPWM波形的调制方式和单极式SPWM波形调制方式相似，只是输出脉冲电压的极性不同。三相正弦脉宽调制波调制电路及输出的SPWM波形如图4-44所示。4.5.2交流伺服系统图4-44三相双级性SPWM调制电路及输出波形SPWM技术是为克服直流脉宽调制（PWM）技术的缺点（其输出电压中含较大的谐波分量）而发展起来的。它从电动机的供电电源的角度出发，着眼于如何产生一个可调频、调压的三相正弦波电源。2)专用SPWM集成电路目前SPWM波形的生成和控制多用微机来实现，应用微机产生SPWM波形，其效果受到微机字长、指令功能、运算速度、存储容量等条件的限制，有时难以有很好的实时性，特别是在高频电力电子器件被广泛应用后，完全依靠软件生成SPWM波形的方法实际，上很难适应高开关频率的要求。4.5.2交流伺服系统随着微电子技术的发展，开发出一些专门用来产生SPWM控制信号的集成电路芯片，应用这些芯片比用微机生成SPWM信号要方便的多。目前已投入市场的专用SPWM芯片有Mullard公司的HEF4752、Siemens公司的SLE4520、Sanken公司的MB63H110，以及我国自行研制的ZPS-101、THP-4752等。其中，THP-4752与HEF4752的功能完全兼容。另外，现在有些单片机本身就具有直接输出SPWM信号的功能，如8XC196MC、TMS320F2812等。TMS320F2812DSP芯片如图4-45所示。4.5.2交流伺服系统图4-45TMS320F2812DSP芯片

图4-46TMS320F2812DSP功能组成框图TMS320F2812DSP芯片基于高性能的32位CPU，指令执行速率高达150MIPS，具有强大的运算能力和控制功能，其功能组成功能组成如图4-46所示。片内集成了大容量Flash存储器、高速SRAM存储器、功能强大的事件管理器(EV)、高速A/D转换模块、增强型CAN总线通信模块、SCI串行通信接口、SPI串行外设接口、多通道缓冲串口、PLL时钟模块、看门狗、定时器以及多达56个多路复用通用IO等丰富、易用的高性能外设单元，适用于自动化设备控制、电动机数字控制、数字伺服系统控制等场合。4.5.2交流伺服系统（2）永磁同步交流伺服电动机驱动在永磁同步交流伺服电动机中，为产生恒定的电磁转矩，一般采用SPWM信号驱动功率电路，在电动机三相绕组中产生正弦波的电流，从而形成连续旋转的定子圆形旋转磁场。1)将三相双极SPWM电路输出双极性的信号uaPWM、ubPWM、ucPWM加到逆变器的六个功放管上，就可在其输出端得到与此波形类似的三相脉冲电压信号。uapwM输出高电平，apwM输出低电平，则T1导通，T2截止，逆变器桥臂A端输出的电压。T1关断，T2导通，A端输出的电压。随着uapwM

的交替变化，a端就会输出正负交替变化的脉冲序列。同理在ubpwM和ucpwM的作用下，在逆变器b端和c端会输出基波电压相位与A端相差120º和240º的脉冲序列。这三个脉冲序列将在定子绕组中产生旋转磁场使电机旋转起来。驱动电路如图4-47所示。4.5.2交流伺服系统图4-47永磁同步交流伺服电动机驱动电路2）专用的智能功率模块IPM智能功率模块(IntelligentPowerModule，IPM)不仅把功率器件和驱动电路集成在一起，而且内部还集成了过压、过热、欠压等故障监测电路，并可将监测信号送给控制电路。既使发生过载或是使用不当，也可保证IPM自身不受损坏。目前的IPM一般采用IGBT作为功率开关元件，并且还集成有各种传感器。IPM正以其可靠性高、使用方便的特点赢得越来越大的市场，尤其适合制作驱动电动机的变频器，是一种较为理想的电力电子器件。其外形封装如图4-48(a)所示。常用的有日本三菱公司生产IPM模块系列，三菱PM100CVA120实物；如图4-48(b)所示，富士R系列IGBT-IPM是应用较广泛的产品之一。4.5.2交流伺服系统图4-48IPM实物图（3）交流永磁同步伺服电动机变频调速系统系统采用的是自控式交直交电压型电机控制方式，由整流、滤波、能耗、逆变、控制电路、三相交流永磁电机和位置传感器BQ构成。其系统原理图如图4-49所示。图中，50HZ的市电经整流后，由三相逆变器给电机的三相绕组供电，三相对称电流合成的旋转磁场与转子永久磁钢所产生的磁场相互作用产生转矩，拖动转子同步旋转，通过位置传感器实时读取转子磁钢位置，变换成电信号控制逆变器功率器件开关，调节电流频率和相位，使定子和转子磁势保持稳定的位置关系，才能产生恒定的转矩，定子绕组中的电流大小是由负载决定的。定子绕组中三相电流的频率和相位随转子位置的变化而变化的，使三相电流合成一个与转子同步的旋转磁场，通过电力电子器件构成的逆变电路的开关变化实现三相电流的换相，代替了机械换向器。4.5.2交流伺服系统图4-49永磁同步交流伺服电动机变频调速系统2.全数字交流永磁同步伺服系统交流伺服系统由交流伺服电机及其驱动器组成，驱动器是系统核心部件，它直接决定到整个交流伺服系统的功能和性能。相应的在永磁交流伺服系统中，伺服电机为正弦波永磁交流电机。（1）交流伺服驱动器一个好的驱动器应该要有以下几个方面的功能和作用。能够很好地实现交流伺服系统位置、速度和转矩三种控制方式，并达到达预定的输出效果，以保证系统具有较好的动、静态性能。驱动器工作原理示意图如图4-50所示。4.5.2交流伺服系统图4-50伺服驱动器工作原理示意图速度指令和速度反馈信号在速度控制器的输入端进行比较，速度控制器输出电流指令信号，这是一个表征电流幅值的直流量，但电动机是交流电机，要求在其定子绕组中通入交流电。因此，必须将速度控制器输出的直流电流指令交流化，使该交流电流指令的相位由转子磁极位置决定，电流指令的频率由转子磁极的旋转速度来决定，并且把电流指令矢量控制在与磁极所产生的磁通相正交的空间位置上，这样就可以达到与直流伺服电动机相似的转矩控制。为此，将位置检测器输出的磁极位置信号，在乘法器中与直流电流指令值相乘，从而在乘法器的输出端就获得了交流电流指令。交流电流指令值与电流反馈信号相比较后，差值送入电流控制器。依靠电流控制回路的高速跟踪能力，使在电机定子电枢绕组中产生出波形与交流电流指令相似但幅值要高得多的正弦电流，该电流与永磁体相互作用产生电磁转矩，推动交流伺服电机运动。4.5.2交流伺服系统功率变换器主要由整流器和逆变器两部分组成。整流器将输入的三相交流电整流成直流电，经过电容器滤波平滑后提供给逆变器作为它的直流输入电压，逆变器的作用似在脉宽调制控制信号的驱动下，将输入的直流电变成电压与频率可调的交流电，输入到伺服电机的电枢绕组中。脉宽调制回路以一定的频率产生出触发功率器件的控制信号，使功率逆变器的输出频率和电压保持协调关系，并使流入电枢绕组中的交流电流保持良好的正弦性。4.5.2交流伺服系统（2）全数字交流伺服驱动器

全数字交流伺服驱动器不仅克服了模拟式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等缺点，还充分发挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方法的灵活性。能方便地调整和修改内部参数，改变其工作方式以期能在不同的工作环境下保持良好的工作状态；具有丰富的接口，能和其他设备或是上位机实行通信，能在现场进行调试和人机交互操作；保护设施齐全，要实现双重和对重要部件的多重保护，最好有自我诊断和保护环节，一旦出现故障便能报警、停机并显示故障报告，保证系统有很高的稳定性,全数字交流伺服驱动器原理如图4-51所示。4.5.2交流伺服系统图4-51全数字交流伺服驱动