学习情境⑤伺服系统设计

学习情境⑤伺服系统设计【学习目标】能力目标：①能从机电一体化性能角度深入理解伺服系统的重要性；②能根据现场情况选择和设计简单的伺服系统；③具有良好的团队协作能力。知识要求：①熟悉伺服系统的构成及基本要求；②熟悉伺服系统中的执行元件及控制；③熟悉开环控制的伺服系统设计；④熟悉闭环控制的伺服系统设计；技能要求：①能通过查阅资料完成信息的收集及综合归纳；②能正确分析机电一体化系统中的伺服系统原理及构成；③能正确理解伺服系统的设计方法。任务5.1伺服系统的分类及设计要求【任务描述】伺服系统是机电一体化产品的一个重要组成部分，而且往往是实现某些产品目的功能的主体。许多机电一体化产品(如数控机床、工业机器人等)，都通过它对输出量进行跟踪控制，伺服系统其功能是通过机电结合才得以实现的，因此，某种意义上说伺服系统本身就是一个典型的机电一体化系统。通过对伺服系统理论与实践相结合的分析，了解和掌握它的工作原理，技术特点及应用范围，对伺服系统的选择和设计具有重要的意义。【任务分析】工程实际中，伺服系统的形式复杂多变，掌握其相关概念、构成、分类、要求和典型设计步骤，会有利于促进伺服系统具体原理和结构的学习及其实际应用。【知识准备】1.伺服系统的概念伺服系统（随动系统），是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度或力输出的自动控制系统。大多数伺服系统具有检测反馈回路，按照反馈控制理论，伺服系统需不断检测在各种扰动作用下被控对象输出量的变化，与指令值进行比较，并用两者的偏差值对系统进行自动调节，以消除偏差，使被控对象输出量始终跟踪输入的指令值。伺服控制的实例随处可见，如工人操作机床进行加工时，必须用眼睛始终观察加工过程的进行情况，通过大脑对来自眼睛的反馈信息进行处理，决定下一步如何操作，然后通过手摇动手轮，驱动工作台上的工件或刀具来执行大脑的决策，消除加工过程中出现的偏差，最终加工出符合要求的工件。在这个例子中，检测、反馈与控制等功能是通过人来实现的，而在伺服系统中，这些功能都要通过传感器、控制及信息处理装置等来加以实现。如数控机床的伺服系统中，位置检测传感器、数控装置和伺服电动机分别取代了人的眼睛、大脑和手的功能。2.伺服系统的分类伺服系统的种类很多，采用不同的分类方法，可得到不同类型的伺服系统。按被控量性质的不同可将伺服系统分成位置、速度、力等伺服系统，其中最常见的是位置伺服系统，如数控机床的伺服进给系统等。按驱动方式的不同可将伺服系统分成电气、液压、气动等伺服系统。电气伺服系统采用伺服电动机作为执行元件，在机电一体化产品中应用比较广泛。按信息传递的不同分为连续控制和采样控制。按控制原理的不同可将伺服系统分成开环、闭环、半闭环等伺服系统。开环伺服系统中无检测反馈元件，结构简单，但精度低；闭环伺服系统直接对输出量进行检测和反馈，并根据输出量对输入量的实际偏差进行控制，因而精度高，但结构复杂、成本高；半闭环伺服系统的检测反馈元件位于机械执行装置的中间某个部位，将大部分机械构件封闭在反馈控制环之外，性能介于开环和闭环伺服系统之间。3.伺服系统的构成无论多么复杂的伺服系统，都是由一些功能单元组成的。图5-1是由各功能元件组成的伺服系统基本结构方框图，下面对各功能元件的作用加以说明，来介绍伺服系统的构成。①比较元件是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得控制系统动作的偏差信号的环节，通常可通过电子电路或计算机软件来实现。②调节元件又称控制器，是伺服系统的一个重要组成部分，其作用是对比较元件输出的偏差信号进行变换、放大，以控制执行元件按要求动作。调节元件的质量对伺服系统的性能有着重要的影响，其功能一般由软件算法加硬件电路实现，或单独由硬件电路实现。③执行元件伺服系统中执行元件是机械部件和电子装置的接口，其功能是在控制信号的作用下，将输入的各种形式的能量转换成机械能，驱动被控对象工作。机电一体化产品中多采用步进电机或伺服电机作为执行元件。④被控对象是伺服系统中被控制的设备或装置，是直接实现目的功能或主功能的主体，其行为质量反映着整个伺服系统的性能。被控对象一般都是机械装置，包括传动机构和执行机构。⑤测量和反馈元件是指传感器及其信号检测装置，用于实时检测被控对象的输出量并将其反馈到比较元件。如测量和反馈单元直接测量工作台等最终移动部件，此系统即为闭环系统，如图5-1测量反馈环节的实线部分。反之从中间环节取得反馈信号，即为半闭环系统，对应着图5-1中虚线部分。4.伺服系统的基本要求(1)稳定性伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的扰动信号消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下运行，或者在输入的指令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态的能力。伺服系统的稳定性是系统本身的一种特性，取决于系统的结构及组成元件的参数(如惯性、刚度、阻尼、增益等)，与外界作用信号(包括指令信号和扰动信号)的性质或形式无关。一个伺服系统是否稳定，可根据系统的传递函数，采用自动控制理论所提供的各种方法来判别。对于位置伺服系统，当运动速度很低时，往往会出现一种由摩擦特性所引起的、被称为“爬行”的现象，这也是伺服系统不稳定的一种表现。爬行会严重影响伺服系统的定位精度和位置跟踪精度。(2)精度伺服系统的精度是指其输出量复现输入指令信号的精确程度。伺服系统工作过程中通常存在着三种误差，即动态误差、稳态误差和静态误差。稳定的伺服系统对变化的输入信号的动态响应过程往往是一个振荡衰减的过程，在动态响应过程中输出量与输入量之间的偏差称为系统的动态误差。在动态响应过程结束后，即在振荡完全衰减掉之后，输出量对输入量的偏差可能会继续存在，这个偏差称为系统的稳态误差。系统的静态误差则是指由系统组成元件本身的误差及干扰信号所引起的系统输出量对输入量的偏差。精度是对伺服系统的一项重要的性能要求。人们总是希望所设计的伺服系统在任何情况下其输出量的误差都为零，但实际上这是不可能的。在实际设计伺服系统时，只要保证系统的误差满足精度指标要求就可以了。影响伺服系统精度的因素很多，就系统组成元件本身的误差来讲，有传感器的灵敏度和精度、伺服放大器的零点漂移和死区误差、机械装置中的反向间隙和传动误差、各元器件的非线性因素等。此外，伺服系统本身的结构形式和输入指令信号的形式对伺服系统精度都有重要影响。从构成原理上讲，有些系统无论采用多么精密的元器件，也总是存在稳态误差的，这类系统称为有差系统，而有些系统却是无差系统。系统的稳态误差还与输入指令信号的形式有关，当输入信号形式不同时，有时存在误差，有时却误差为零。(3)快速响应性快速响应性是衡量伺服系统动态性能的一项重要指标。快速响应性有两方面含义，一是指动态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的迅速程度，二是指动态响应过程结束的迅速程度。伺服系统对输入指令信号的响应速度常由系统的上升时间(输出响应从零上升到稳态值所需要的时间)来表征，它主要取决于系统的阻尼比。阻尼比小则响应快，但阻尼比太小会导致最大超调量(系统输出响应的最大值与稳态值之间的偏差)增大和调整时间(系统的输出响应达到并保持在其稳态值的一个允许的误差范围内所需要的时间)加长，使系统相对稳定性降低。伺服系统动态响应过程结束的迅速程度用系统的调整时间来描述，并取决于系统的阻尼比和无阻尼固有频率。当阻尼一定时，提高固有频率值可以缩短响应过程的持续时间。伺服系统的快速响应性、稳定性和精度三项基本性能要求是相互关联的，在进行伺服系统设计时，必须首先满足稳定性要求，然后在满足精度要求的前提下尽量提高系统的快速响应性。上述三项是对一般伺服系统的基本性能要求，除此之外，对机电一体化产品中常用的位置伺服系统，还有调速范围、负载能力、可靠性、体积、质量以及成本等方面的要求，这些要求都应在设计时给以综合考虑。5.伺服系统的执行元件执行元件亦称为驱动元件，是机电一体化系统或产品必不可少的驱动部件，如数控机床的主轴转动、工作台的进给运动以及工业机器人手臂升降、回转和伸缩运动等都用到驱动部件。该元件是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接点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为机械能。根据使用能量的不同，可以将驱动元件分为电气式、液压式和气压式等几种类型。电气是将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动运行机构运动。液压式是先将电能变换为液压能，并用电磁阀改变压力油的流向，从而使液压执行元件驱动运行机构运动。气压式与液压式的原理相同，只是将介质由油改为气体而已。(1)电气执行元件电气执行元件包括控制用电机(步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机)、静电电动机、磁致伸缩器件、压电元件、超声波电动机以及电磁铁等。控制用电机驱动系统一般由电源供给电力，经电力变换后输送给电机，使电机作回转(或直线)运动，驱动负载机械(运行机械)运动，并在指令器给定的指令位置定位停止。另外，其他电气式执行元件中还有微量位移的器件，例如：电磁铁是由线圈和衔铁两部分组成，用于实现两固定点间的快速驱动；压电驱动器是利用压电晶体的压电效应来驱动运行机构作微量位移的；电热驱动器是利用物体(如金属棒)的热变形来驱动运行机构的直线位移，可用于微量进给。

(2)液压执行元件在同样输出功率下，液压驱动装置具有重量轻、惯量小、快速性好等优点。它通常不用减速器便可以直接驱动机构得到平滑的运动，且无死区。它适用于驱动中大规模的机器，如采用液压驱动，由于它功率的增加和价格不成正比，则可以得到尺寸小、造价低的大功率驱动装置。液压系统主要由高压油泵、伺服阀、液压马达和其他辅助元件组成。其主要部件如下。①高压油泵高压油泵是液压系统的心脏，它由三相电机带动，产生高压油供给整个系统。为保证整个油路的清洁，在高压油泵的进出口油路上都有过滤器，以防止油液受污染。②伺服阀伺服阀用于控制高压油流过伺服阀的速度。电液伺服阀由电信号控制，即伺服阀流出的高压油流速与伺服阀输入的信号成正比。伺服的时间常数约在5ms数量级，与其他各油路部分的滞后相比是很小的，可以忽略。③液压马达液压马达有旋转和直线运动两种类型。它的运动速度和伺服阀给出的高压油的流动速度成正比。行程小的直线运行(约在800mm以下，因为油缸的长宽比不能过大，一般长宽比应在20以下，否则会产生机械变形，特别是在高压油流动下更为严重，所以如果行程再大，油缸体积就太大了)，可以用油缸直接带动。旋转式液压马达用在大功率的液压伺服系统中，它能以较高速度运动，通过齿轮减速驱动机构运行，直线行程大的机构也可用旋转式液压马达配上齿条一起工作。有齿轮工作的伺服系统会产生死区。④单向阀(溢流阀)单向阀防止高压油直接回流到油泵去。因为如果有了这种回流，将破坏高压油的压力，影响整个系统性能。溢流阀的作用是当高压油超过规定的压力时，泄漏一部分高压油直接回到储油箱，以保持油压的恒定。⑤其他辅助元件储油箱回收用过的高压油，并通过回流回路回到高压油泵，形成整个油泵的闭路循环。其他还有一些必要的液压阻尼器，过滤器，各种阀门、管道等。液压系统也有它固有的一些缺点，如对管道的安装、调整，整个油路的防止污染及维护等性能都要求较高。管路中不可避免的泄漏、油液黏度随温度变化的特性以及各个输油管引起的动态延迟等都将使控制特性变坏。因此，在中小规模的机电系统中更多地使用电动驱动装置。(3)气压执行元件气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液压式执行元件无什么区别，其驱动功率在液压和电动之间。具有代表性的气压执行元件有汽缸、气压马达等，具有结构简单、可靠性高、价格低等优点。气动的驱动装置由于它的控制特性不好，一般只用在点到点的简单固定动作，且对其中间位置无要求的机器中。气压驱动虽可得到较大的驱动力、行程和速度，但由于空气黏性差，具有可压缩性，故不能在定位精度较高的场合使用。(4)常用的控制电机控制电机一般是指用于自动控制、自动调节、远距离测量、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，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。控制电机是在一般旋转电机的基础上发展起来的小功率电机，就电磁过程及所遵循的基本规律而言，它与一般电机没有本质区别，只是所起的作用不同。传动电机主要用来完成能量的转换，具有较高的力能指标(如功率和功率因数等)；而控制电机则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。控制电机的主要任务是转换和传递控制信号，能量的转换是次要的。①步进电机步进电机又称电脉冲马达，是伺服电机的一种。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。步进电机按照产生转矩的方式可分为永磁式(PM，permanentmagnet)、可变磁阻式(VR，variableresistance)和混合式(HB，hybridtype)3种。步进电机有如下特点。1）输出角与输入脉冲严格成比例，且在时间上同步。步进电机的步距角不受各种干扰因素，如电压的大小、电流的强弱、波形等的影响，转子的速度主要取决于脉冲信号的频率，总的位移量则取决于总脉冲的个数。2）转子惯量小，启、停时间短。3）输出转角的精度高，无积累误差。步进电机实际步距角与理论步距角总有一定的误差，且误差可以累加，但是当步进电机转过一周后，总的误差又回到零。4）易于计算机控制，维修方便，寿命长。步进电机本身就是一个数／模转换器，能够直接接受计算机输出的数字量。5）容易实现正、反转和启、停控制。6）能量效率低，存在失步现象。②直流伺服电机直流伺服电机具有响应迅速、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运动性质的电刷和换向器，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。直流伺服电机按定子磁场产生方式可分为永磁式和他励式两类，它们的性能相近。直流伺服电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等。直流伺服电机的特点和应用范围见表5-1．图5-2异步电机的结构图5-3平板型直线异步电机图5-4直线电机的工作原理图5-6变磁阻式步进电机原理图5-7永磁式步进电机原理图③交流伺服电机两相交流伺服电机的结构与普通异步电机的结构差不多，其定绕组则与单相电容式异步电机的结构相类似。两相交流伺服电机转子一般分为笼式转子和杯形转子两种结构形式。目前用得最多的是笼式转子的交流伺服电机。交流伺服电机的特点和应用范围见表5-2。④直线电机直线电机是一种能直接将电能转换为直线运动的伺服驱动元件。在交通运输、机械工业和仪器工业中，直线电机已得到推广和应用。它为实现高精度、响应快和高稳定的机电传动和控制开辟了新的领域。一般按工作原理来区分，可分为直线异步电机、直线直流电机和直线同步电机三种。下面只简单介绍一下直线异步电机。直线异步电机与笼式异步电机工作原理完全相同，两者只是在结构形式上有所差别。图5-2所示是直线异步电机的结构示意图，它相当于把旋转异步电机[如图5-2(a)所示]沿径向剖开，并将定、转子圆周展开成平面。直线异步电机的定子一般是初级，而它的转子(动子)则是次级。在实际应用中，初级和次级不能做成完全相等长度，而应该做成初、次级长短不等的结构，如图5-3所示。下面以短初级直线异步电机为例来说明直线电机的工作原理。直线电机是由旋转电机演变而来，因而当初级的多相绕组通入多相电流后，也会产生一个气隙磁场，这个磁场的磁感应强度按通电的相序作直线移动(见图5-4)，该磁场称为行波磁场。显然行波的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面的线速度是一样的，这个速度称为同步线速，用表示，且式中—极距，cm—电源频率，Hz在行波磁场切割下，次级导条将产生感应电势和电流，所有导条的电流和气隙磁场相互作用，产生切向电磁力。如果初级是固定不动的，那么，次级就顺着行波磁场运动的方向做直线运动。直线异步电机的推力公式与三相异步电机转矩公式相似，即：式中—电机结构常数；—初级磁极对数；—次级电流；—初级一对磁极的磁通量的幅值；—次级功率因数。在推力作用下，次级运动速度应小于同步速度，则滑差率为：故次级的移动速度：上式表明直线异步电机的速度与电机极距及电源频率成正比，因此，改变极距或电源频率都可以改变电机的速度。与旋转电机一样，改变直线异步电机初级绕组的通电相序。就可以改变电机运动的方向，从而可使直线电机做往复运动。直线异步电机的机械特性、调速特性等都与交流伺服电机相似，因此，直线异步电机的启动和调速以及制动方法与旋转电机也相同。直线电机较之旋转电机有下列优点。1）直线电机无需中间传动机构，因而使整个机构得到简化，提高了精度，减少了振动和噪声。2）响应速度快。用直线电机拖动时，由于不存在中间传动机构的惯量和阻力矩的影响，因而加速和减速时间短，可实现快速启动和正反向运行。3）散热良好，额定值高，电流密度可取很大，对启动的限制小。4）装配灵活性大，往往可将电机的定子和动力分别与其他机体合成一体。直线电机和旋转电机相比较，它存在着效率低、电源功率大及低速性能差等缺点。直线电机主要用于吊车传动、金属传送带、冲压锻压机床以及高速电力机车等方面。此外，它还可以用在悬挂式车辆传动、工件传送系统、机床导轨、门阀的开闭驱动装置等处。如将直线电机作为机床工作台进给驱动装置，则可将初级(定子)固定在被驱动体(滑板)上，也可以将它固定在基座或床身上。国外已有数控绘图机上应用的实例。【任务实施】伺服系统设计方法①地点：实训基地。②设备：多媒体设备。③任务实施过程：a.学生分组接受学习工作任务，组长组织实际调研，综合相关信息并通报交流；b.进入实训基地，学生实训安全规程；c.教师通过多媒体课件辅导讲授，帮助学生完成工作任务。伺服系统结构上的复杂性，决定了其设计过程的复杂性，不同要求的伺服系统，可采用不同的方法来设计，没有一成不变的设计方法。但是设计之前一定要按照用户所提出的具体要求，确立伺服系统的基本性能指标，同时要充分了解市场上元器件的供应、价格、性能、售后服务等情况。然后可以根据以下的一般步骤和方法进行伺服系统设计。(1)设计要求分析，系统方案设计首先对伺服系统的设计要求进行分析，明确其应用场合和目的、基本性能指标及其他性能指标，然后根据现有技术条件拟定几种技术方案，经过评价、对比，选定一种比较合理的方案。方案设计应包括下述一些内容：控制方式选择；执行元件选择；传感器及其检测装置选择；机械传动及执行机构选择等。方案设计是系统设计的第一步，各构成环节的选择只是初步的，还要在详细设计阶段进一步修改确定。(2)系统性能分析方案设计出来后，尽管各具体结构参数还没有确定，也应先根据基本结构形式对其基本性能进行初步分析。首先画出系统方框图，列出系统近似传递函数，并对传递函数及方框图进行化简(一般应简化成二阶以下系统)，然后在此基础上对系统稳定性、精度及快速响应性进行初步分析，其中最主要的是稳定性分析，如不能满足设计要求，应考虑修改方案或增加校正环节。(3)执行元件及传感器的选择方案设计中只是对执行元件及传感器进行了初步选型，这一步应根据具体速度、负载及精度要求来具体确定执行元件及传感器的参数和型号。(4)机械系统设计机械系统设计包括机械传动机构及执行机构的具体结构及参数的设计，设计中应注意消除各种传动间隙，尽量提高系统刚度、减小惯量及摩擦，尤其在设计执行机构的导轨时要防止产生“爬行”现象。(5)控制系统设计控制系统设计包括信号处理及放大电路、校正装置、伺服电机驱动电路等的详细设计，如果采用计算机数字控制，还应包括接口电路及控制器算法软件的设计。控制系统设计中应注意各环节参数的选择及与机械系统参数的匹配，以使系统具有足够的稳定裕度和快速响应性，并满足精度要求。(6)系统性能复查所有结构参数确定之后，可重新列出系统精确的传递函数，但实际的伺服系统一般都是高阶系统，因而还应进行适当的化简，才可进行性能复查。经过复查如果发现性能不够理想，则可调整控制系统的参数或修改算法，甚至重新设计，直到满意为止。(7)系统测试实验上述设计与分析都还处于理论阶段，实际系统的性能，还需通过测试实验来确定。测试实验可在模型实验系统上进行，也可以在试制的样机上进行。通过测试实验，往往还会发现一些问题，必须采取措施加以解决。(8)系统设计定案经过上述7个步骤及其中多次反复而得到满意的结果后，可以将设计方案确定下来，然后整理设计图样及设计说明书等技术文件，准备投入正式生产。【知识拓展】数控机床的主轴与进给伺服系统1主轴伺服系统随着数控技术的发展，现代数控机床对主传动提出了越来越高的要求。如要求很宽的范围内转速连续可调，恒功率的范围要宽，要有四象限的驱动能力。为满足加工中心自动换刀以及某些加工工艺的需要，要求主轴具有高精度的准停控制等。主轴驱动变速目前主要采用两种形式一是主轴电动机带齿轮分段无级变速；二是主轴电动机通过同步齿形带或皮带驱动主轴，该类主轴电动机又称宽域电动机或强切削电动机，具有恒功率宽的特点。主轴的准停控制分机械准停与电气准停，目前国内外中高档数控系统均采用电气准停控制。⑴直流主轴驱动系统直流主轴驱动多采用晶闸管调速方式，直流进给伺服系统是由速度环和电流环构成的双环控制系统来控制直流主轴电动机的电枢电压，主轴电动机采用他励式电动机，励磁绕组与电枢绕组相互独立。电动机转速从最小值到额定值，保持励磁电流不变，实现调压调速，属于恒转矩控制；从额定值到最大值，励磁电流减小，实现调磁调速，属恒功率控制。⑵交流主轴驱动系统随着交流调速技术的发展，目前数控机床的主轴驱动多采用主轴电动机配变频器的控制方式。电网端逆变器由六只晶闸管组成的三相桥式全控整流电路组成，该电路可工作在整流状态，向中间电路直接供电，也可工作在逆变状态，完成能量反馈电网的任务。负载端逆变器由带反并联续流二极管的六只功率晶体管组成。通过磁场计算机的控制，负载端逆变器输出三相正弦脉宽调制（PWM）电压，使电动机获得所需的转矩电流和励磁电流。输出的三相PWM电压幅值范围为0～430v，频率调节范围为0～300Hz。在反馈制动时，电动机能量通过变流器的六只续流二极管向电容器充电，当电容器上的电压超过600V时，通过控制调节器和电网端逆变器把电容器上的能量返回电网。2进给伺服系统⑴脉宽调制方式进给伺服系统脉宽调制方式（PWM）调速是利用脉宽调制器对大功率晶体管的开关时间进行控制。将速度控制信号转换成一定频率的方波电压，加到直流伺服电动机的电枢两端，通过方波宽度的控制，改变电枢两端的平均电压，达到控制伺服电动机转速的目的。数控系统的CPU发出信号经插补器输出一系列脉冲信号，这些脉冲经过指令倍率器CMR后，与位置反馈脉冲相比较所得的差值，送到误差寄存器，然后与位置增益和偏移量补偿运算后送PWM进行脉宽调制，随后经D/A转换或模拟电压，作为速度控制信号VCMD送到速度控制单元。脉冲编码器发出的脉冲经断线检查器确认无信号断线后，送到鉴相器，对两组脉冲PA、PB进行鉴相，确定电动机的旋转方向。从鉴相器出来的一路信号经F/V变换，作为速度反馈信号TSA；另一路输出经检测倍频器DMR，作为位置反馈信号。参考点计数器及一转信号PC用于栅格法回参考点的操作。⑵交流进给驱动伺服系统直流进给伺服系统虽有优良的调速功能，但由于所用电动机有电刷和换向器，易磨损，且换向器换向时会产生火花，从而使电动机的最高转速受到限制。另外，直流电动机结构复杂，制造困难，所用铜铁材料消耗大，制造成本高，而交流电动机却没有这些缺点。近20年来，随着新型大功率电力器件的出现，新型变频技术、现代控制理论以及微型计算机数字控制技术等在实际应用中取得了突破胜的进展，促进了交流进给伺服技术的飞速发展，交流进给伺服系统已全面取代了直流进给伺服系统。由于交流伺服电动机采用交流永磁式同步电动机，因此，交流进给驱动装置从本质上说是一个电子换向的直流电动机驱动装置。任务5.2步进电机伺服系统【任务描述】步进电机又称脉冲电机，能将数字脉冲输入转换成相应的旋转或直线增量运动，是伺服电动机的一种。步进电动机的发明至今已有半个多世纪了，早期的步进电机性能差、效率低，但它具有低转子惯量、无漂移和无积累定位误差的优点。在计算机快速发展的今天，步进电机全数字化的控制性能得到了充分展现，它已被广泛应用于众多领域。【任务分析】步进电机在现今工程实际中应用的比较广泛，了解它的结构特点、类型、工作原理和设计计算，使学生在伺服系统设计过程中，对步进电机能做到正确选型和应用具有重要的意义。【知识准备】1.步进电机的工作原理及特点(1)工作原理步进电机也是由定子和转子构成的。定子上每个凸极均绕制有控制绕组，如图5-5所示，其定子有六个均匀分布的磁极，每两个相对磁极组成一相，即A-A、B-B、C-C，因此这是一台三相步进电机，一般步进电机的定子相数为2～6。以图5-5为例，步进电机工作原理如下：开始时，A相通电，其他两相断电，在电磁力作用下，转子1、3的两齿被磁极A吸住并与之对齐，转子遂在此位置停住；然后A相断电，同时B相通电，由于电磁力作用，磁极B把离它最近的2、4两齿吸引过去，于是转子逆时针转过30°(称为一个步距角)；接着C相再通电，B相断开，磁极C将1、3两齿吸住，转子又逆时针回转30°；每通断电一次，步进电动机转过30°，周而复始，不断改变A、B、C三相的通电顺序，步进电机将逆时针连续回转。(2)步进电机的特点步进电机是一个非常有特色的执行元件，它流行于20世纪70年代，由它构成的系统最简单，控制最容易，维修也最方便，其特点鲜明。①全数字化控制：采用数字脉冲信号控制，每一个脉冲对应着一个步距，即数字化的输入指令对应着数字化的位置输出，不需要数模转换，便于和计算机连接；②步距角误差较大，但无积累误差。虽然步进电机的步距角误差较大，但其位移量取决于输入脉冲数，在不失步的条件下，步进电机转一周的积累误差为零，因而具有较高的精度；③控制系统简单，成本低。除功率放大电路以外，其他硬件电路均可由软件实现，控制灵活，而且电机结构简单，无滑环和电刷，维修方便，成本低；④调速方便。步进电机的转速与控制脉冲的频率成正比，改变控制脉冲的频率，电机转速即可在较宽的范围内调节，另外，启动、反转、定位都十分方便；⑤分辨率固定。步距角或运动增量固定，分辨率无法改变，主要应用于开环控制系统，不利于向数字控制的高精度方向发展；⑥效率低。这是步进电机的一个主要缺点，输入功率的大部分转为热能耗散，电机发热严重；⑦不适合带动大惯量负载；⑧低速时易产生震荡，需要附加阻尼。2.步进电机的结构类型步进电机的种类较多，目前，市场上的绝大多数产品都采用按力矩产生的原理分类方法，即变磁阻式、永磁式和混合式。其它分类方法包括：按运动方式分有旋转式步进电机和直线步进电机；从励磁相数来分主要有两相、三相、四相、五相、六相等步进电机；按输出力矩的大小可分为伺服式和功率式；按各相绕组的排列方式分，有绕组按圆周依次排列的径向分相式和绕组按轴向依次排列的轴向分相式。(1)变磁阻式步进电机(VR)该种步进电机的转子为齿轮状的铁心，周围的定子上缠有绕组，绕组产生的反应电磁力吸引用软磁钢制的转子作步进运动，故又称作反应式步进电机(BF)。其结构如图5-6所示，定子与转子由铁芯构成，没有永久磁铁，定子上均匀分布六个大磁极(极靴)，极靴及中间转子上都分布着众多小齿。在定子磁场中，转子总是朝着磁阻最小的位置转动，适当选择定子和转子的齿数差可以减小步距角，使转子旋转更加平稳。图5-6变磁阻式步进电机原理图5-7永磁式步进电机原理图图5-8失调角示意图图5-9矩角特性图5-10单相励磁时的矩角特性曲线簇图5-111-2相励磁时的矩角特性曲线簇(2)永磁式步进电机(PM)转子或定子任何一方是永磁材料的步进电机叫永磁式步进电机，其结构如图5-7所示。它的转子为永磁材料，定子上由绕组励磁，定子和转子上面均无小齿，由定子磁场与转子的恒定磁场相互作用产生转子转矩。以图5-7为例，当A、B两相控制绕组轮流通电时，转子将产生步距角为45°的转动。(3)混合式步进电机(HB)混合式步进电机是磁阻式和永磁式的复合形式，电机转子上装有永久磁铁，定子、转子上均开有小齿，形状与磁阻式基本相同，它兼有了磁阻式和永磁式的优点，是一种目前发展较快的步进电机。三种步进电机的特点列于表5-3。3.步进电机的运行特性及参数(1)步距角及步距误差步距角是指步进电机每次换相时转过的角度。其计算公式如下式中：为步进电机的相数；为步进电机转子的齿数；为步进电机通电方式系数。单相或双相励磁，；单双相轮流励磁。由于制造中的因素，电机实际的步距角与理论值有偏差，从而产生步距角误差。一般步进电机的步距角误差较大，但步进电机的步距角误差不整周累积，即转子转过一周后，又回到了开始的位置。影响步距误差的主要因素有齿与磁极的分度精度、铁心叠压及装配精度、各相矩角特性之间的差异以及气隙的不均匀程度等。(2)静态矩角特性静态矩角特性是步进电机最本质的特性。这里的静态是指电机不改变励磁状态、转子静止的工作状态。空载时，步进电机某相通电，相应的转子齿与定子齿对齐，转子无力矩输出，处于平衡状态，如果在电机轴上加一负载转矩，则转子将转过一个小角度并重新稳定，如图5-8所示，这时转子的电磁转矩和负载转矩平衡，称其为静态转矩，而转子齿与定子齿错过的电角度称为失调角，与之间的关系的曲线称为矩角特性。它的物理含义是步进电机的转子在离开平衡位置后产生的恢复转矩，随着失调而变化。变化规律近似为正弦曲线，即式中：为最大静转矩。静态转矩越大，恢复力矩越大，静态误差越小。图5-9为步进电机一相的矩角特性。由图可知，在电磁转矩的作用下，转子有一定的稳定平衡点，其含义是转子受外载偏离平衡点后，若未超出稳定区，则当外载消失后，转子在电磁转矩的作用下，仍能回到原来的稳定平衡点。而不稳定平衡点在外载消失后不会回到原位。步进电机每相隔一转子齿距就有一个稳定平衡点，两个不稳定平衡点之间的区域为静态稳定区。电机在处有最大静转矩，最大静转矩与励磁方式及绕组电流有关，总的趋势是随着绕组电流的增加而增加，二者的关系称为最大静转矩特性。步进电机的每一相都具有图5-9所示的矩角特性，图5-10给出了三相电机的矩角特性曲线簇，采用单相励磁时，曲线间错开120°电角度，图中曲线的交点对应于步进电机的起动转矩。步进电机各相的矩角特性差异不能过大，否则会引起精度下降和低频振荡。通过调整绕组电流可使各相的矩角特性趋于一致。若采用1-2相励磁方式，如图5-11所示，起动转矩将有很大提高，同时，由于各相错开的角度减小，换相时前后两相的稳定区域重合加大，则运行更平稳，更不容易丢步。所以，步进电机应尽量避免单相励磁。图5-12启动矩频特性图5-13连续运行矩频特性图5-16步进电机恒速控制流程图图5-17恒加速控制图图5-21工作台进给传动链简图(3)启动矩频特性和惯频特性步进电机启动时有一个暂态过程，输入的脉冲频率不能太高，否则不能正常启动。电机正常启动所能接受的最高输入脉冲频率就称为启动频率，它是能不丢步地启动的极限频率，也称作突跳频率或牵入频率。启动频率的值与负载的大小有关，负载包含负载转矩和负载转动惯量两个方面。启动频率与负载转矩之间的关系称为启动矩频特性。若负载为纯惯性负载，则称之为启动惯频特性，图5-12为130BF001型步进电机的启动矩频特性，由图中可见，随着负载转矩的增加，启动频率迅速下降。这是因为电机刚启动时转速为零，若输入脉冲频率过高，在负载转矩的作用下，转子转速跟不上定子磁场的转速，每一步位置都落后于相应的平衡位置，而定子磁场转速仍正比于输入脉冲频率，这就使转子与平衡位置的偏差越来越大，当转子位置落到动稳定区以外时出现失步，使电机不能正常启动。只有当输入脉冲频率较低时，使转子每一步有较长的加速时间，跟上磁场的转速，电机才能正常启动。步进电机的惯频特性具有与矩频特性相似的特性。(4)连续运行矩频特性步进电机启动后，输人脉冲频率即可大幅度增加，此时电机能不失步运行的极限频率称为运行频率，它与电机输出转矩的关系称为连续运行矩频特性或动态矩频特性。连续运行频率都高出启动频率很多倍，这是因为稳定运行时摆脱了对惯量进行加速的负担。图5-13所示为美国SM024-0045-AB型步进电机的动态矩频特性，由图中可以看到，输出转矩随着脉冲频率的大幅增加而快速下降。原因是步进电机的绕组为电感型，绕组中的电流不可能像输入脉冲那样为矩形，而是存在过渡过程，当脉冲频率过高时，绕组内电流甚至会成为尖脉冲，有效电流大大下降，输出转矩自然降低。步进电机的矩频特性还与电机的驱动方式有关，步进电机的驱动方式不同，其表现出来的矩频特性也有所不同，在图5-13中，a、b、c三条曲线分别对应单相励磁、单电压驱动；单相励磁、双电压驱动；双相励磁、双电压驱动的矩频特性。在图中的三种情况下，单相励磁、单电压驱动的矩频特性最差，双相励磁、双电压驱动的矩频特性的整体性能最好。(5)步进电机的控制与驱动步进电动机的特性与配套使用的驱动电源(驱动器)有密切关系。驱动电源由脉冲分配器、功率放大器等组成，如图5-14所示。驱动电源是将变频信号源(微机或数控装置等)送来的脉冲信号及方向信号按要求的配电方式自动循环供给电机各相绕组，以驱动电机转子正反向旋转。变频信号源是可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发生器。因此，只要控制输入电脉冲的数量及频率就可精确控制步进电机的转角及转速。步进电机的各相绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作。这种电机绕组的通电顺序按一定规律变化的部分称为脉冲分配器(又称为环形脉冲分配器)。实现环形分配的方法有2种。一种是采用计算机软件，利用查表或计算方法来进行脉冲的环形分配，简称软环分。表5-4为三相六拍分配状态，可将表中状态代码01H、03H、02H、06H、04H、05H列入程序数据表中，通过软件可顺次在数据表中提取数据并通过输出即可，通过正向顺序读取和反向顺序读取可控制电机进行正反转。通过控制读取一次数据的时间间隔可控制电机的转速。该方法能充分利用计算机软件资源以降低硬件成本，尤其是对多相的脉冲分配具有更大的优点。但由于软环分占用计算机的运行时间，故会使插补一次的时间增加，易影响步进电机的运行速度。另一种是采用大规模集成电路搭接而成的三相六拍脉冲分配器，即硬环分。它根据脉冲信号按一定的逻辑关系加到功率放大器上，使各相绕组按一定的顺序和时间导通和切断，并根据指令使电机正转、反转，实现确切的运动方式。这种方式灵活性很大，同时在工作时不占计算机的工作时间。4.步进电机的微机开环控制随着微机技术的发展，越来越多的系统采用微机对步进电机进行控制。微机对步进电机的控制主要有两种方案，一种是所谓的串行法，即环行分配器部分由逻辑电路组成，微机只提供频率可调的脉冲信号、方向信号和励磁方式信号；另一种是并行法，即由微机软件来完成脉冲分配的任务。本书着重讲述并行法。(1)步进电机微机控制系统的组成微机控制的步进电机系统主要利用微机的I／0口进行脉冲的环形分配，并配备相应的驱动及隔离电路，图5-15为三相步进电机的微机控制系统组成原理图，当相应的端口出现高电平时，驱动电路的输入端产生步进脉冲。由图中可以看到，步进电机微机控制系统由以下几部分构成：1)主控器。采用单片机8031作为主控器。2)I／O端口。利用8031的P1口的低三位控制步进电机的三相绕组。3)驱动门电路。7404为TTL非门电路，用于提高8031I／O口的驱动能力。4)光电隔离。步进电机控制系统应采用光电隔离电路(光电耦合器)，其作用是电压隔离。微机系统一般工作在5V的弱电条件下，而步进电机的驱动电源为几十伏至几百伏的强电，若不采取措施，强电会通过电气连接耦合到弱电，造成微机系统的损坏，采用光耦器件，可以断绝二者的电气联系。5)驱动电路。可以采用前面讲述的各种驱动电路对脉冲信号进行放大。(2)步进电机的恒速控制①软件环形分配器的实现若图5-15中的三相步进电机采用六拍工作方式，则其A、B、C三相的通电顺序为要实现这样的分配方案，只需向P1口顺序输出二进制控制字001、011、010、110、100、101即可；电机反向旋转时，输出顺序相反。②脉冲频率的实现如上所述，每输出一个控制字就相当于发送一个步进脉冲，脉冲与脉冲之间应有时间间隔，即脉冲周期，它反映了步进电机的步进频率，即速度。实现脉冲周期的方法很简单，主要有两种：利用程序循环延时和利用定时器中断。前者占用计算机机时较严重，计算机延时阶段将不能处理其他事务，且延时不很精确，但实现简单，不占用计算机硬件资源，主要用于CPU较空闲的场合；后者可以精确定时，不占用CPU时间，但有时需要系统另行扩展定时器。③软件的编写在实际编写控制程序时，对环形分配器的实现常常采用脉冲分配表的办法，即把各相通电的控制字存放在一串连续的存储单元中，形成所谓的脉冲分配表，输出时采用查表的方法将控制字顺序取出。图5-16给出了采用程序延时的方法，步进电机单向旋转的程序原理框图。实际编写程序时还应加上正反转的判断，反转时反向查表，另外，运行总步数至少应放在两个字节内。(3)步进电机的变速控制如果步进电机稳定运行的速度很高，那么在控制系统中应该加入变速控制的内容，这主要是受步进电机启动频率的限制。前面已经讲过，步进电机适应速度突变的能力比较差，其极限启动频率一般比连续运行频率低十几倍，如果实际启动频率高于电机的极限启动频率，电机将发生失步现象或根本不能启动，所以必须以低于极限启动频率的频率启动。如果连续运行频率很高的话，则会有一个加速过程；反之，电机从一个较高的运行频率到静止，也必须有一个减速的过程，否则会出现过冲现象。步进电机的升降速过程可以按直线规律或指数规律变化，前者属于恒加速过程，平稳性好，速度变化范围大，适于快速定位等过程；后者加减速时间短，跟踪能力强。在实际应用中，完全可以用多段的直线变化去逼近指数变化，所以这里以恒加速过程为例进行介绍。①软件自动升降速控制在前面讲述的步进电机控制当中，有两个参数值得注意：运行步数和延时参数。前者是步进脉冲数，是步进电机是否运行到终点的判别条件；后者是控制脉冲的时间间隔，称作步进周期。电机恒速时，步进周期为常数，变速时，步进周期要发生变化：周期变小，电机加速，周期变大，电机减速。所以，对步进电机的变速控制就是合理地改变其步进周期，即合理地确定每个脉冲之间的延时时间，使步进电机按规定的速度运行。图5-17是步进电机作恒加速运动的情况。图中横坐标是步数，反映距离；纵坐标为频率，反映速度。该图表达的含义是：步进电机以的频率启动，经过步运行加速到，以恒速运行步，经过步把速度降到，最后停止。1)加速阶段。由恒加速的速度、距离公式可得（为加速度，为加速时间）有以上两式可求得于是步进周期式中：。2)恒速阶段。恒速时步进频率为，所以步进周期为3)减速阶段。参照加速阶段可得加速度步进周期知道了各段的步进周期，实际相当于已知了步进脉冲之间的延迟时间，这为编制程序扫清了最后的障碍。由于步进周期的计算很复杂，若采用单片机在线实时计算十分困难，因此一般先做好步进周期表，预先存放在存储单元中，采用查表的方法实现步进电机的变速控制。图5-18给出了步进电机加速控制的原理框图，通过改变8031定时器T0的时间常数来获得不同的步进周期，即对电机进行加速控制。程序中一步一变速，在实际应用中当然可以若干步一变速，并加入恒速及减速控制。②硬件自动升降速控制步进电机的升降速控制也可以通过硬件来完成，如图5-19所示。图中为输人脉冲，在可逆计数器中作加法运算，为输出脉冲，作减法运算。当步进电机从静止开始启动时，，可逆计数器增加，振荡器加快，电机升速；之后，逐渐趋近于，当二者相等时，振荡器输出频率不变，电机恒速运动；若电机运行到终点，则为零，此时反馈的逐渐使计数器存数减小，振荡器亦逐渐停止输出。可见输出脉冲滞后于输入脉冲，将自动形成加减速的过程。实际应用中，输入和反馈脉冲在时间上可能发生重叠，因此引入同步器使二者同步。5.步进电机的微机闭环控制步进电机开环控制不检测电机转子位置，使系统的位置精度和转速受到限制，采用闭环控制则可以获得较大改善。图5-20中由编码器检测电机转子位置，经整形后送计算机计数，由计数值判定步进电机是否运行到终点，这种方法称为核步法。步进电机大多采用开环控制，只在要求很高的条件下才使用闭环控制，具体的闭环控制方法还有很多种，这里不作进一步介绍。图5-20步进电机闭环控制原理框图【任务实施】步进电机伺服系统的典型计算①地点：实训基地。②设备：步进电机和多媒体设备。③任务实施过程：a.学生分组接受学习工作任务，组长组织实际调研，综合相关信息并通报交流；b.进入实训基地，学生实训安全规程；c.教师通过实物或多媒体课件辅导讲授，帮助学生完成工作任务。1.系统的脉冲当量所谓脉冲当量是指对应于系统输入端的一个进给脉冲，系统输出端产生的转角或位移。由此可见，脉冲当量的大小与系统的结构有关。图5-21所示的步进电机-齿轮-丝杆螺母-工作台系统的脉冲当量为(mm/脉冲)（5-1）式中：为步进电机步距角(度)；为丝杆螺距(mm)；为传动比。如果脉冲当量是设计条件，则可据此综合考虑、、。2.惯量匹配折算到电机轴上的总当量负载转动惯量应与电机转子惯量相匹配，二者的比值应在一个适当的范围，若相差太大，则系统的动态特性将主要取决于负载特性，综合性能变差；若比值太小，则说明设计不合理，经济性差。若发现比值不合理，应重新选择传动比、丝杆导程甚至电机。该合理的比值范围是（5-2）圆柱体转动惯量的计算公式为（5-3）式中：为材料密度(kg／m3)；为等效直径(m)；z为圆柱体高度。齿轮、丝杆等传动件在忽略轴孔的情况下可以按式(5-3)计算。丝杆进给的等效转动惯量为（5-4）若要把传动件的转动惯量折算到电机轴上，还应除以相应传动比的平方。3.转矩的匹配步进电机的转矩应满足负载转矩及惯量的加速转矩的要求，下面以图5-21为例加以说明。①步进电机转子承受的总的负载转矩为(5-5)式中：为加速惯性转矩，为步进电机的角加速度(rad／s2)；为转子上总的惯量(kg·m2)。为负载转矩，式中：为轴向负载最大值(N)，为传动链总效率。为工作台当量摩擦转矩，式中：为工作台质量(kg)；为摩擦系数。为丝杆预紧后的附加摩擦转矩，式中：为预紧力，可取1／3最大轴向负载；为丝杆预紧前的传动效率，可取为0.9。②步进电机启动时总的负载转矩为：若空载启动，则(5-6)若负载启动，则(5-7)③步进电机连续运行时的总的负载转矩为(5-8)④步进电机的最大静转矩为：若以连续运行时的负载转矩为依据，则(5-9)若以启动时的负载转矩为依据，则(5-10)式中：C为常数，它与步进电机的相数和励磁规律有关，详见表5-5。4.速度的匹配应根据实际需要，对照步进电机性能说明书中的启动矩频特性和连续运行矩频特性来确定应该选择的步进电机。例5-1如图5-21所示的工作台步进系统，已知三相步进电机最大静转矩为，转子惯量为，步距角，采用六拍方式工作，丝杆直径为30mm，导程为3mm，长度1000mm，工作台质量100kg，导轨摩擦系数为0.2，最大轴向负载1000N。要求系统脉冲当量0.005mm／脉冲，空载启动时间不大于25ms，最大移动速度1.2m／min。根据以上参数对系统进行设计并对电机负载能力进行校核。解：(1)确定传动比由式(5-1)得取齿轮齿数=20，=40；模数取为2mm，齿宽=20mm。(2)惯量匹配验算由式(5-3)计算齿轮及丝杆的转动惯量为

折算到电机轴上的当量负载惯量为则满足惯量匹配的要求。(3)步进电机负载能力校核电机轴上总的惯量为则则空载启动时连续运行时所以可见，、均满足所选步进电机最大静转矩8N·m的要求，步进电机可以按要求工作。【知识拓展】步进电机伺服系统设计的主要内容1.机械传动方案的确定。传动机构是电机与系统最终执行件的接口，这部分的设计包括确定传动级数、选择传动件等，传动级数的一般设计原则是尽可能缩短传动链，相关的指导有最小等效惯量原则、质量最轻原则等。当然，目前已有直接驱动系统，消除了中间传动机构，但往往需要专用的直接驱动电机，这是未来的发展趋势。传动件的选择主要取决于运动类型及一些具体情况，旋转运动有齿轮、同步带等，直线运动包括齿轮齿条、丝杆螺母等，其中丝杆螺母应用最为广泛。传动机构是机电匹配的关键，涉及惯量匹配、转矩匹配等内容。2.步进电机型号的确定。确定步进电机的型号主要应考虑脉冲当量、转矩、惯量匹配、启动及运行频率等方面的因素，这往往需要与机械部分进行综合设计。3.传动系统刚度及固有频率的计算。进行刚度计算时主要针对那些对系统最终执行件刚度影响最大的环节，这常常是传动链的末段，如直线进给运动中的丝杆螺母。另外，为了避免出现谐振，对一些敏感部件还应进行固有频率的计算，如丝杆螺母等。4.控制系统的选择与设计。5.结构化设计。6.样机的试制及测试。任务5.3直流伺服系统【任务描述】直流伺服系统具有很长的发展历史，是最成熟的伺服系统。直流伺服电机具有响应迅速、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运动性质的电刷和换向器，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。【任务分析】直流伺服系统在工业上的应用比较广，所以掌握它的工作原理和特性，对于伺服系统的设计具有很重要的意义。本文首先从直流伺服电机的工作原理、稳态特性、调速等方面进行了展开，然后结合滚珠丝杠螺旋传动为例介绍了直流伺服系统中机械传动内容的典型计算。【知识准备】1.直流伺服电机的原理、结构、控制方式及分类与普通直流电动机一样，直流伺服电动机也主要由磁极、电枢、电刷及换向片等三部分组成，如图5-22所示。其中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。电枢是直流伺服电动机中的转动部分，故又称转子，它由硅钢片叠成，表面嵌有线圈，通过电刷和换向片与外加电枢电源相连。当电枢绕组中通过直流电时，在定子磁场的作用下就会产生带动负载旋转的电磁转矩，驱动转子旋转。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。直流伺服电动机的控制方式主要有两种：一种是电枢电压控制，即在定子磁场不变的情况下，通过控制施加在电枢绕组两端的电压信号来控制电动机的转速和输出转矩；另一种是励磁磁场控制，即通过改变励磁电流的大小来改变定子磁场强度，从而控制电动机的转速和输出转矩。直流伺服电动机有多种类型，各有特点及相应的适用场合，设计伺服系统时，应根据具体条件和要求来合理选用。按定子磁场产生方式可分为永磁式和他励式两类；按电枢的结构与形状可分成平滑电枢型、空心电枢型和有槽电枢型等；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。2.直流伺服电机的静态和动态特性(1)静态特性直流伺服电动机采用电枢电压控制时的电枢等效回路如图5-23所示。根据图中所示参数可以推导出电枢控制时，直流伺服电动机的静态特性方程为(5-11)式中，是电枢反电动势；是电枢电压；是电枢电流；是电枢电阻。是电动势常数，仅与电动机结构有关；是定子磁场中每极气隙磁通量。是转矩常数，仅与电动机结构有关。在静态特性方程中，如果把角速度叫看作是电磁转矩的函数，即，则可得到直流伺服电动机的机械特性表达式（5-12）如果把角速度看作是电枢电压的函数，即，则可得到直流伺服电动机的调节特性表达式（5-13）根据式(5-12)和式(5-13)，给定不同的值和值，可分别绘出直流伺服电动机的机械特性曲线和调节特性曲线，如图5-24、5-25所示。表5-5常数C值图5-22直流伺服电动机基本结构图5-23电枢等效回路图5-24直流伺服电动机机械特性图5-25直流伺服电动机调节特性图5-26PWM驱动控制结构框图由图5-24可见，直流伺服电动机的机械特性是一组斜率相同的直线簇。每条机械特性和一种电枢电压相对应，与轴的交点是该电枢电压下的理想空载角速度，与轴的交点则是该电枢电压下的启动转矩。由图5-25可见，直流伺服电动机的调节特性也是一组斜率相同的直线簇。每条调节特性和一种电磁转矩相对应，与轴的交点是启动时的电枢电压。此外从图中还可看出，调节特性的斜率为正，说明在一定负载下，电动机转速随电枢电压的增加而增加；而机械特性的斜率为负，说明在电枢电压不变时，电动机转速随负载转矩增加而降低。(2)动态特性直流伺服电动机主要用于闭环或半闭环控制的伺服系统中，其动态性能对整个伺服系统的性能有着重要影响。直流伺服电动机的动态特性是指当给电动机电枢加上阶跃电压时，转子转速随时间的变化规律。这一规律可用表达式来描述。动态特性的本质是由对输入信号响应的过渡过程来描述的。直流伺服电动机产生过渡过程的原因在于电动机中存在着两种惯性，即机械惯性和电磁惯性。机械惯性是由直流伺服电动机和负载的转动惯量引起的，是造成机械过渡过程的原因；电磁惯性是由电枢回路中的电感引起的，是造成电磁过渡过程的原因。一般而言，电磁过渡过程比机械过渡过程要短得多。因此为简化分析，通常只考虑机械过渡过程，而忽略电磁过渡过程。在直流伺服电动机的过渡过程中，电枢绕组中的电流是变化的。根据图5-23所示的电枢等效回路，并考虑过渡过程中电枢电感的影响，可列出电枢回路中的动态电压平衡方程为（5-14）式中，、和分别是电枢电流、电枢反电动势和电枢绕组两端的控制电压在过渡过程中的瞬时值。在过渡过程中，直流伺服电动机的电磁转矩除了要克服负载转矩外，还要克服轴上的惯性转矩，因而直流伺服电动机的动态转矩平衡方程为（5-15）式中，是转子轴上的总转动惯量。经推导可以得到直流伺服电动机带有负载转矩时的过渡过程微分方程式为：（5-16）

方程式右边第一项是理想空载角速度，第二项是负载转矩引起的速降，第三项是负载转矩变化时引起的速降。和分别称为直流伺服电动机的机电时间常数和电磁时间常数，是反映两种过渡过程时间长短的参数，称为直流伺服电动机的静态放大系数。当直流伺服电动机带有恒定负载时，则，于是式(5-16)可简化成（5-17）在空载条件下，即时，上式还可进一步简化成（5-18）如果已知各参数及初始条件，求解上述各微分方程即可得到在各种负载条件下直流伺服电动机角速度随时间变化的规律。3.直流伺服电机的调速调速即速度调节或速度控制，通过自动地改变电动机的转速来满足工作机械对不同转速的要求。（1）直流伺服电动机调速方法选择根据式（5-11）可知，直流伺服电动机调速方法有三种：即调压、调阻和调磁，具体如下：①改变电枢回路电阻通过在电枢回路内串联或并联电阻的方法实现，虽简单易行，但由式(5-12)知电机的转速增加了，机械特性变软，使电机转速受负载影响加大，且这种办法是通过增加电阻损耗来实现的，经济性差，应用受到限制。②改变磁场磁通为充分利用电机，一般采用弱磁调速的方式，且只能在电磁式电机上进行，通过控制励磁电压来实现。弱磁增速时由式(5-12)知，机械特性的斜率与磁通平方成反比，机械特性迅速恶化，因此调速范围不能太大，为2～4，主要应用于恒功率负载场合。③改变电枢电压改变电枢电压后，电机的机械特性曲线为一簇以为参数的平行线，因而在整个调速范围内均有较大的硬度，可以获得稳定的运转速度，所以调速范围较宽，属于恒转矩调速，被广泛采用。这里将主要介绍这种调速方法。（2）直流伺服电动机的PWM调速图5-26为PWM控制结构框图，它由电压一脉宽变换器和开关功率放大器两部分组成。①PWM电路原理PWM(pulsewidthmodulation)即脉冲宽度调制，是通过输出占空比可变的脉冲信号来改变电枢电压的平均值，达到控制电动机转速的目的。在图5-26中，三角波发生器产生的三角波与控制信号相加后进人比较器，当时，输出为满幅度正电平，当时，为满幅度负电平。对于不同的控制电压，PWM波形如图5-27所示。当时，为幅度、宽度就均相同的矩形波，所以其直流分量为0，电机微振、停转。当时，输出的直流分量为正，电机正转，且越大，正脉冲越宽，电机旋转越快。当时，输出的直流分量为负，电机反转，且负值越大，电机反向旋转越快。可见，PWM波的脉冲宽度受输入电压的控制，其频率则由三角波决定。对电机转速的控制一般由占空比加以说明

所以电枢电压平均值为（5-19）可见：1)当时，，电机停转；2)当时，，电机正转，且越大，电机转速越高；3)当时，，电机反转，且越小，电机反转越快；4)当或时，电机具有最高的正转或反转速度。②开关功率放大器PWM信号需连接功率放大器才能驱动直流伺服电动机。图5-28所示的为典型的双极性输出的H型桥式晶体管功率放大器。图中功率管分为两组：T1、T4和T2、T3，分别接反向开关信号，D1～D4为续流二极管。当T1、T4导通时，T2、T3截止，电机中电流方向为由A到B；当T1、T4截止时，T2、T3导通，电流方向为由B到A。当然，由于续流电流的存在，电枢中的电流要更为复杂一些。在实际应用中，为防止上下桥臂同时导通而短路，上下桥臂之间应有延时环节。③PWM控制的特点1)应用的大功率开关器件少、线路简单。2)调速范围宽。若与宽调速直流伺服电动机配合，调速范围可达6000～10000，而一般晶闸管驱动装置的调速比仅能达到100～150。3)频带宽，快速性好。晶体管的开关频率大大高于可控硅，因而调制频率高，失控时间少，系统的线性度好，响应速度和稳速精度高。4)电流脉动小，接近直流，使电机运行更平稳。4.直流位置伺服系统的结构及数学模型（1）直流位置伺服系统的结构直流位置伺服系统一般采用闭环控制，其典型结构见图5-29。由图可见，该系统采用了电流环、速度环、位置环等多层反馈结构。①电流环电流值由电流传感器取自伺服电机的电枢回路，主要用于对电枢回路的滞后进行补偿，使动态电流按要求的规律变化。采用电流环后，反电势对电枢电流的影响将变得很小，这样在电机负载突变时，电流负反馈的引入起到了过载保护的作用。②速度环伺服电动机的转速可由测速发电机或光电编码器获得。速度反馈用于对电动机的速度误差进行调节，以实现要求的动态特性，同时，速度环的引入还会增加系统的动态阻尼比，减小系统的超调，使电机运行更加平稳。③位置环可采用脉冲编码器或光栅尺等对转角或直线位移进行测量。将系统的实际位置转换成具有一定精度的电信号，与指令信号比较产生偏差控制信号，控制电机向消除误差的方向旋转，直到达到一定的位置精度。图5-27PWM波形图图5-28H型桥式刚功率放大器原理图（2）直流位置伺服系统的数