《機(jī)電一體化》第3章伺服控制系統(tǒng)

1、第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)第第3章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng) 3.1 概述概述 3.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)執(zhí)行元件機(jī)電一體化系統(tǒng)執(zhí)行元件的選擇與設(shè)計(jì)的選擇與設(shè)計(jì)3.3 電力電子變流技術(shù)電力電子變流技術(shù)3.4 PWM型變頻電路型變頻電路思考題思考題 第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)3.1 概述概述3.1.1伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成機(jī)電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、類型繁多，但從自動(dòng)控制理論的角度來分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器、被控對(duì)象、執(zhí)行環(huán)節(jié)、檢測(cè)環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)等五部分。圖6-1給出了伺服系統(tǒng)組成原理框圖。第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)圖3-1 伺服系統(tǒng)組成原理框圖比較元件調(diào)節(jié)元

2、件執(zhí)行元件被控對(duì)象測(cè)量、反饋元件輸入指令輸出量第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)1.比較環(huán)節(jié);比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號(hào)與系統(tǒng)的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號(hào)的環(huán)節(jié)，通常由專門的電路或計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。2.控制器;控制器通常是計(jì)算機(jī)或PID控制電路，其主要任務(wù)是對(duì)比較元件輸出的偏差信號(hào)進(jìn)行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動(dòng)作。3.執(zhí)行環(huán)節(jié);執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號(hào)的要求，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象工作。機(jī)電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機(jī)或液壓、氣動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)等。第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)4.被控對(duì)象;5.檢測(cè)環(huán)節(jié);檢測(cè)環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測(cè)量

3、并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置，一般包括傳感器和轉(zhuǎn)換電路。6.1.2伺服系統(tǒng)的分類 伺服系統(tǒng)的分類方法很多，常見的分類方法有以下三種。(1)按被控量參數(shù)特性分類。 (2)按驅(qū)動(dòng)元件的類型分類。 (3)按控制原理分類。 第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)3.1.3伺服系統(tǒng)的技術(shù)要求1.系統(tǒng)精度伺服系統(tǒng)精度指的是輸出量復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)要求的精確程度，以誤差的形式表現(xiàn)，可概括為動(dòng)態(tài)誤差、穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差三個(gè)方面組成。2.穩(wěn)定性伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指當(dāng)作用在系統(tǒng)上的干擾消失以后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來穩(wěn)定狀態(tài)的能力；或者當(dāng)給系統(tǒng)一個(gè)新的輸入指令后，系統(tǒng)達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的能力。 第第6章章 伺服控制系

4、統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)3.響應(yīng)特性響應(yīng)特性指的是輸出量跟隨輸入指令變化的反應(yīng)速度，決定了系統(tǒng)的工作效率。響應(yīng)速度與許多因素有關(guān)，如計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的阻尼和質(zhì)量等。4.工作頻率工作頻率通常是指系統(tǒng)允許輸入信號(hào)的頻率范圍。當(dāng)工作頻率信號(hào)輸入時(shí)，系統(tǒng)能夠按技術(shù)要求正常工作；而其它頻率信號(hào)輸入時(shí)，系統(tǒng)不能正常工作。 第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)3.2 執(zhí)行元件執(zhí)行元件3.2.1執(zhí)行元件的分類及其特點(diǎn)執(zhí)行元件是能量變換元件，其目的是控制機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)要求執(zhí)行元件具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，輸出動(dòng)力大，便于控制，可靠性高和安裝維護(hù)簡便等特點(diǎn)。根據(jù)使用能量的不同，可以將執(zhí)行元件分為電磁式

5、、液壓式和氣壓式等幾種類型，如圖所示。 執(zhí)行元件處于機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械運(yùn)行機(jī)構(gòu)與微電子控制裝置的聯(lián)接部位的能量轉(zhuǎn)換元件,能在微電子裝置的控制下,將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換成為機(jī)械能。 如：電動(dòng)機(jī)、電磁鐵、繼電器、液動(dòng)機(jī)、氣缸、內(nèi)燃機(jī)等第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)圖6-2 執(zhí)行元件的種類交流(AC)伺服電動(dòng)機(jī)直流(DC)伺服電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電機(jī)其它電機(jī)雙金屬片形狀記憶合金壓電元件其它電磁鐵及其它與材料有關(guān)氣壓馬達(dá)氣 缸液壓馬達(dá)油 缸電動(dòng)機(jī)電磁式液壓式氣壓式執(zhí)行元件第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)(1)電磁式執(zhí)行元件能將電能轉(zhuǎn)化成電磁力，并用電磁力驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，如交流電機(jī)、直流電機(jī)、力

6、矩電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等。(2)液壓式執(zhí)行元件先將電能變化成液體壓力，并用電磁閥控制壓力油的流向，從而使液壓執(zhí)行元件驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。 (3)氣壓式執(zhí)行元件與液壓式執(zhí)行元件的原理相同，只是介質(zhì)由液體改為氣體。 第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)3.2.2機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行元件的要求1. 慣量小、動(dòng)力大2. 表征慣量的指標(biāo)是m和J。P=T, =T/J,T=J3. 表征動(dòng)力大小的指標(biāo)是比功率=P/=TT/J(1/)=T2/J4. 2.體積小、重量輕5. 功率密度=P/G，比功率密度=（T2/J）/G6. 3.便于維修、安裝7. 4.宜于微機(jī)控制8. 電氣式較宜于微機(jī)控制。第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服

7、控制系統(tǒng)3.3機(jī)電一體化系統(tǒng)常用的控制用電動(dòng)機(jī) 控制用電動(dòng)機(jī)是電氣伺服控制系統(tǒng)的動(dòng)力部件,是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。由于可在很寬的速度和負(fù)載范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)、精確地控制，因而在各種機(jī)電一體化系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 圖3.2列出了伺服電動(dòng)機(jī)控制方式的基本形式。第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)3.3.1機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)控制用電動(dòng)機(jī)的基本要求1. 性能密度大，即功率密度和比功率密度大。2. 快速性能好，即加速轉(zhuǎn)矩大，頻響特性好3. 位置控制精度高、調(diào)速范圍寬，低速運(yùn)行平穩(wěn)無爬行現(xiàn)象、分辨力高、振動(dòng)噪聲小；4. 適應(yīng)起、停頻繁的工作要求；5. 可靠

8、性高、壽命長。第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)3.3.2電動(dòng)機(jī)的種類、特點(diǎn)及選用1、動(dòng)力用電動(dòng)機(jī)2、控制用電動(dòng)機(jī)第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)6.2.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱為脈沖電動(dòng)機(jī),它是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移的執(zhí)行元件,其輸入一個(gè)電脈沖就轉(zhuǎn)動(dòng)一步(步距角)。轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比,并在時(shí)間上與輸入脈沖同步,只要控制輸入脈沖的數(shù)量頻率以及電動(dòng)機(jī)繞組的通電順序，電動(dòng)機(jī)即可獲得所需要的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，易于實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制。第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)：1. 步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素的

9、影響，只要在它們的大小未引起步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生“丟步”現(xiàn)象前，就不影響其正常工作；2. 步進(jìn)電機(jī)的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步數(shù)以后也會(huì)出現(xiàn)累積誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)以后，其累積誤差為0，因此不會(huì)長期積累；3. 控制性能好，在起停、反轉(zhuǎn)時(shí)不易“丟步”。 因此，步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用于開環(huán)控制的機(jī)電一體化系統(tǒng)，并可獲得較高的位置精度。第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)2、步進(jìn)電機(jī)的分類：旋轉(zhuǎn)式、直線式；三相、四相、五相等。旋轉(zhuǎn)式分為：可變磁阻式：無保持力永磁式：有保持力混合式： 步進(jìn)電機(jī)與DC和AC伺服電機(jī)相比其轉(zhuǎn)矩、效率、精度、高速性比較差，但步進(jìn)電機(jī)具有低速時(shí)轉(zhuǎn)矩大，速度控制比較簡單，外形尺寸小等優(yōu)點(diǎn)

10、，在打印機(jī)、繪圖機(jī)、復(fù)印機(jī)等機(jī)電一體化產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)3、步進(jìn)電機(jī)的工作原理 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)定子有六個(gè)均勻分布的磁極，每兩個(gè)相對(duì)磁極組成一相，磁極上繞有勵(lì)磁繞組，轉(zhuǎn)子具有均勻分布的四個(gè)齒，當(dāng)A、B、C三個(gè)磁極的繞組依次通電時(shí)，則A、B、C三對(duì)磁極依次產(chǎn)生磁場(chǎng)吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。磁力線力圖走磁阻最小的路線，使齒對(duì)齊。三相單三拍；30度三相雙三拍； 30度三相六拍：15度第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相單三拍運(yùn)動(dòng)原理圖 W相通電V相通電U相通電逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)30逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)30

11、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)30第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相單三拍運(yùn)動(dòng)原理圖 第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組每次通斷電使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱之為步距角。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角越小，意味著它所能達(dá)到的位置精度越高。 上述分析中的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角為30。對(duì)于一個(gè)真實(shí)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，為了減少每通電一次的轉(zhuǎn)角，在轉(zhuǎn)子和定子上開有很多定分的小齒。其中定子的三相繞組鐵心間有一定角度的齒差，當(dāng)U相定子小齒與轉(zhuǎn)子小齒對(duì)正時(shí)，V相和W相定子上的齒則處于錯(cuò)開狀態(tài)，如圖6-13所示。真實(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理與上同，只是步距角是小齒距夾角的1/3。第第6章章 伺服控制

12、系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)圖6-13 三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)通電方式不僅影響步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性，對(duì)步距角也有影響。一個(gè)m相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，如其轉(zhuǎn)子上有z個(gè)小齒，則其步距角可通過下式計(jì)算： (6-12)式中，k是通電方式系數(shù)。當(dāng)采用單相或雙相通電方式時(shí)，k1；當(dāng)采用單雙相輪流通電方式時(shí)，k2?？梢?，采用單雙相輪流通電方式還可使步距角減小一半。步進(jìn)電機(jī)的步距角決定了系統(tǒng)的最小位移，步距角越小，位移的控制精度越高。 kmz360第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)2.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電方式如果步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組的每一次通斷電操作稱為一拍，每拍中只有一相繞組通電，其余繞組斷電，則這種通

13、電方式稱為單相通電方式。三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的單相通電方式稱為三相單三拍通電方式。 如果步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通電循環(huán)的每拍中都有兩相繞組通電，則這種通電方式稱為雙相通電方式。三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用雙相通電方式時(shí)，稱為三相雙三拍通電方式。如果步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通電循環(huán)的各拍中交替出現(xiàn)單、雙相通電狀態(tài)，則這種通電方式稱為單雙相輪流通電方式。三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用單雙相輪流通電方式時(shí)，每個(gè)通電循環(huán)中共有六拍，因而又稱為三相六拍通電方式。 第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)一般情況下，m相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可采用單相通電、雙相通電或單雙相輪流通電方式工作，對(duì)應(yīng)的通電方式分別稱為m相單m拍、m相雙m拍或m相2m拍通電方式。由于采用單相通電方

14、式工作時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性（輸出轉(zhuǎn)矩與輸入脈沖頻率的關(guān)系）較差，在通電換相過程中，轉(zhuǎn)子狀態(tài)不穩(wěn)定，容易失步，因而實(shí)際應(yīng)用中較少采用。圖6-14是某三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在不同通電方式下工作時(shí)的矩頻特性曲線。顯然，采用單雙相輪流通電方式可使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在各種工作頻率下都具有較大的負(fù)載能力。第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)圖6-14 不同通電方式時(shí)的矩頻特性雙三拍六拍單三拍0500100015000.10.20.3f / HzT / Nm第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)3. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的使用特性 分辨力：在一個(gè)電脈沖作用下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移，即步距角。 靜態(tài)特性：靜轉(zhuǎn)矩、矩角特性及。

15、矩角特性：T=-Tmaxsin；C為由電流大小、氣隙磁阻情況和控制繞組匝數(shù)確定的。B相的情況與A相一樣，只是其矩角特性右移2/3，C相右移4/3。（依次錯(cuò)開2/m，m為拍數(shù)） 靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)：當(dāng)失調(diào)角隊(duì)在-到的范圍內(nèi)，若去掉負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，轉(zhuǎn)子仍能回到初始穩(wěn)定平衡位置，因此， - 的區(qū)域稱為步進(jìn)電機(jī)的A相靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。其它兩相向右移即可。 第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng) 動(dòng)態(tài)特性： 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、矩頻特性。 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)：步進(jìn)電機(jī)從A相切換到B相，不致引起丟步，此區(qū)域稱為動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)。 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq: A相與B相矩角特性

16、曲線之交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，它表示步進(jìn)電機(jī)單相勵(lì)磁時(shí)所能帶動(dòng)的極限負(fù)載轉(zhuǎn)矩。最高連續(xù)運(yùn)行頻率及矩頻特性：不同控制頻率下電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩?？蛰d起動(dòng)頻率和慣頻特性：不失步地起動(dòng)。 當(dāng)伺服系統(tǒng)要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率高于最大允許啟動(dòng)頻率時(shí)，可先按較低的頻率啟動(dòng)， 然后按一定規(guī)律逐漸加速到運(yùn)行頻率。圖6-15給出了90BF002型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)矩頻特性曲線。 由圖可見， 負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大， 所允許的最大啟動(dòng)頻率越小。第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)圖

17、6-15 啟動(dòng)矩頻特性3200f / Hz240016008001.9603.92T / Nm第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)圖6-16 運(yùn)行矩頻特性f / Hz20000400060008000T / Nm1.963.92第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)4. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制與驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電樞通斷電次數(shù)和各相通電順序決定了輸出角位移和運(yùn)動(dòng)方向，控制脈沖分配頻率可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制。 因此，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)一般采用開環(huán)控制方式。 圖6-17為開環(huán)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖， 系統(tǒng)主要由環(huán)形分配器、 功率驅(qū)動(dòng)器、 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等組成。 驅(qū)動(dòng)電源是將變頻信號(hào)源（幾到幾萬赫茲）送來的脈沖

18、信號(hào)及方向信號(hào)按要求的配電方式自動(dòng)地循環(huán)供給電動(dòng)機(jī)各相繞組，以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子正反向旋轉(zhuǎn)。第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)圖 6-17 開環(huán)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖環(huán)形分配器功率驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電動(dòng)機(jī)負(fù)載指令脈沖輸出第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)（1）環(huán)形分配器：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在一個(gè)脈沖的作用下， 轉(zhuǎn)過一個(gè)相應(yīng)的步距角， 因此只要控制一定的脈沖數(shù)， 即可精確控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過的相應(yīng)的角度。 但步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各繞組必須按一定的順序通電才能正確工作， 這種使電動(dòng)機(jī)繞組的通斷電順序按輸入脈沖的控制而循環(huán)變化的過程稱為環(huán)形脈沖分配。 實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配的方法有兩種。 一種是計(jì)算

19、機(jī)軟件分配， 采用查表或計(jì)算的方法使計(jì)算機(jī)的三個(gè)輸出引腳依次輸出滿足速度和方向要求的環(huán)形分配脈沖信號(hào)。 這種方法能充分利用計(jì)算機(jī)軟件資源，減少硬件成本， 尤其是多相電動(dòng)機(jī)的脈沖分配更能顯示出這種分配方法的優(yōu)點(diǎn)。 但由于軟件運(yùn)行會(huì)占用計(jì)算機(jī)的運(yùn)行時(shí)間， 因而會(huì)使插補(bǔ)運(yùn)算的總時(shí)間增加， 從而影響步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度。 第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)另一種是硬件環(huán)形分配， 采用數(shù)字電路搭建或?qū)Ｓ玫沫h(huán)形分配器件將連續(xù)的脈沖信號(hào)經(jīng)電路處理后輸出環(huán)形脈沖。 采用數(shù)字電路搭建的環(huán)形分配器通常由分立元件（如觸發(fā)器、 邏輯門等）構(gòu)成， 特點(diǎn)是體積大， 成本高， 可靠性差

20、。 專用的環(huán)形分配器目前市面上有很多種， 如CMOS電路CH250即為三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的專用環(huán)形分配器， 它的引腳功能及三相六拍線路圖如圖6-18所示。 第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng) 圖6-18 環(huán)形分配器CH250引腳圖(a) 引腳功能； (b) 三相六拍線路圖UDJ3LJ3rWVUR*RJ6rJ6LUsCPEN16151413121110912345678(a)第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng) 圖6-18 環(huán)形分配器CH250引腳圖(a) 引腳功能； (b) 三相六拍線路圖方向CP100 k1 F21791016612 V111213R*RCP

21、J6LJ6rJ3rJ3LUs14 158WVUENUD(b)第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)2） 功率驅(qū)動(dòng) （功率放大器）從計(jì)算機(jī)輸出口或從環(huán)形分配器輸出的信號(hào)脈沖電流一般只有幾個(gè)毫安,不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī),必須采用功率放大器將脈沖電流進(jìn)行放大,使其增大到幾至十幾安培,從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。 由于電動(dòng)機(jī)各相繞組都是繞在鐵心上的線圈，所以電感較大，繞組通電時(shí)，電流上升率受到限制，因而影響電動(dòng)機(jī)繞組電流的大小。繞組斷電時(shí)，電感中的磁場(chǎng)的儲(chǔ)能元件將維持繞組中已有的電流不能突變，在繞組斷電時(shí)會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，為使電流盡快衰減并釋放反電動(dòng)勢(shì)，必須增加適當(dāng)?shù)睦m(xù)流回

22、路。第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所使用的功率放大電路有電壓型和電流型，電壓型分單電壓型、雙電壓型（高低電壓型），電流型中有恒流驅(qū)動(dòng)、斬波驅(qū)動(dòng)。(1） 單電源驅(qū)動(dòng)電路。這種電路采用單一電源供電，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但有限流電阻，消耗能量，使放大器功率降低，另外，由于有繞組電感L較大，電路對(duì)脈沖電流反應(yīng)慢，使電流波形差，效率低，輸出力矩小，主要用于對(duì)速度要求不高的小型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。圖6-19所示為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一相繞組驅(qū)動(dòng)電路（每相繞組的電路相同）。 第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)圖6-19 單電源驅(qū)動(dòng)電路560 R1uU6 V3.6 V0.3 V680 R3470 R2

23、20 R45 VV1V2Ub3b3 E0步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組VDV3R0C1C210 R7390 R5第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)(2）雙電源驅(qū)動(dòng)電路。雙電源驅(qū)動(dòng)電路又稱高、低壓驅(qū)動(dòng)電路，采用高壓和低壓兩個(gè)電源供電，如圖6-20所示。 該電路由于采用高低電壓驅(qū)動(dòng)，電流增長速度加快，脈沖電流的前沿變陡，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和運(yùn)行頻率都得到了提高。另外，由于僅在脈沖開始的一瞬間接通高壓電源，其余的時(shí)間均由低壓供電，故效率高，又由于電流上升率高，故高速運(yùn)行性能好，但由于電流波型陡，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生過沖，故諧波成分豐富，致使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)振動(dòng)較大（低速時(shí)更甚）。第第6章章 伺服

24、控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)圖6-20 高、低壓驅(qū)動(dòng)電路低壓控制電路高壓控制電路uU控制信號(hào)低壓輸入信號(hào)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組高壓輸入信號(hào) Ug(高壓)VgVD1VD2VdRf1Rf2Ud(低壓)第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)（3）恒流源功率放大電路此電路的電流大小取決于恒流源的恒流值，當(dāng)發(fā)射極電阻減小時(shí)，恒流值增大，當(dāng)電阻增大時(shí)，恒流值減小。由于恒流源的動(dòng)態(tài)電阻很大，故繞組可在較低的電壓下取得電流上升率。其特點(diǎn)是，在較低的電壓上有一定的電流上升率，因而可用在較高頻率的驅(qū)動(dòng)上，由于電源電壓較低，功耗將減小，效率有所提高。但由于恒流源

25、管工作在放大區(qū)，管壓降較大，功耗很大，故必須注意對(duì)恒流源管采用較大的散熱片散熱。第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)(4）斬波限流驅(qū)動(dòng)電路。這種電路采用單一高壓電源供電，以加快電流上升速度，并通過對(duì)繞組電流的檢測(cè)，控制功放管（大功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管作為功放管）的開和關(guān)，使電流在控制脈沖持續(xù)期間始終保持在規(guī)定值上下，其波形如圖6-21所示。這種電路功率大，功耗小，效率高，目前應(yīng)用最廣。圖6-22所示為一種斬波限流驅(qū)動(dòng)電路原理圖。 這種電路去掉了限流電阻，效率顯著提高，并利用高壓給W儲(chǔ)能，波的前沿得到了改善，從而可使步進(jìn)電機(jī)的輸出加大，運(yùn)行頻率得以提高。第第6章章

26、 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)圖6-21 斬波限流驅(qū)動(dòng)電路波形圖ttOOiu第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)圖6-22 斬波限流驅(qū)動(dòng)電路 第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)（5）調(diào)頻調(diào)壓功放電路： 當(dāng)電源電壓一定時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組電流的上沖值是隨著工作頻率的升高而降低的，使輸出轉(zhuǎn)矩隨電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而下降。 要保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩，就需要提高供電電壓。以上幾種電路都是為保證繞組電流有較好的上長沿和幅值而設(shè)計(jì)，從而有效地提高了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作頻率，但在低頻時(shí)，會(huì)給繞組中注入過多能量而引起電動(dòng)機(jī)的低頻振蕩和噪聲。第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)所

27、以，調(diào)頻高壓電路基本原理是當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在低頻運(yùn)行時(shí)，供電電壓降低，當(dāng)運(yùn)行在高頻段時(shí)，供電電壓升高。即供電電壓隨著步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而升高，這樣解決了低頻時(shí)振蕩問題和高頻運(yùn)行機(jī)制時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩。第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)細(xì)分驅(qū)動(dòng)細(xì)分驅(qū)動(dòng)上述驅(qū)動(dòng)電路的步距角已由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)所確定，如要使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有更小的步距角或?yàn)闇p小步進(jìn)電機(jī)的振動(dòng)和噪聲，可在第次輸入脈沖切換時(shí)，不是將繞組電流全部通入或切除，而是只改變相應(yīng)繞組中額定電流的一部分，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過的每步運(yùn)動(dòng)也只有步距角的一部分，所以電流不是一個(gè)方波，而是階梯波，額定電流是臺(tái)階式的投入或切除，電流分成多少個(gè)臺(tái)

28、階，則轉(zhuǎn)子就以同樣的個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，這樣將一個(gè)步距角細(xì)分成若干步的驅(qū)動(dòng)方法被稱為細(xì)分驅(qū)動(dòng)。第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)在不改變電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，能使步距角減小，但細(xì)分后的步距角精度不高，功率驅(qū)動(dòng)放大電路也相應(yīng)的較復(fù)雜，能使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，提高勻速性，并能減弱或消除振蕩。要實(shí)現(xiàn)細(xì)分，需要將繞組中的矩形電流波改為階梯形波，即設(shè)法使繞組中的電流以若干個(gè)等幅等寬度階梯上升到額定值，并以同樣的階梯從額定值下降為0。第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)階梯波控制信號(hào)產(chǎn)生的方法之一階梯波控

29、制信號(hào)產(chǎn)生的方法之一恒頻脈寬調(diào)制細(xì)分驅(qū)動(dòng)電源: 這種細(xì)分電源既實(shí)現(xiàn)了細(xì)分，也能保證每一個(gè)階梯電流的恒定。第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)（4）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的微機(jī)控制）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的微機(jī)控制a) 串行控制（如下圖）b) 具有串行控制功能的單片機(jī)系統(tǒng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源之間，具有較少的連線將信號(hào)送入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的環(huán)行分配器，所以在這種系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電源中必須含有環(huán)形分配器。c) b)并行控制： （如下圖）d) 用微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)個(gè)端口直接去控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相驅(qū)動(dòng)電路的方法稱為并行控制。第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)系

30、統(tǒng)實(shí)現(xiàn)脈沖分配的方法：系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)脈沖分配的方法：1. 純軟件方法，即完全用軟件來實(shí)現(xiàn)相序的分配，直接輸出各相導(dǎo)通或截止的信號(hào)；2. 軟、硬件相結(jié)合的方法，用專門設(shè)計(jì)的一種編程器接口，計(jì)算機(jī)向接口輸入簡單形式的代碼數(shù)據(jù)，而接口輸出的是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相導(dǎo)通或截止的信號(hào)。第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)速度控制：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)速度控制：控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度，實(shí)際上就是控制系統(tǒng)發(fā)出步進(jìn)脈沖的頻率或者換相周期。一是用軟件延時(shí)，二是用定時(shí)器。其中軟件延時(shí)的方法是通過調(diào)用延時(shí)子程序的方法來實(shí)現(xiàn)的,它占有CPU時(shí)間,定時(shí)器方法是通過設(shè)置定時(shí)時(shí)間常數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)的。第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)

31、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減速控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減速控制1、如果要求運(yùn)行頻率（速度）小于系統(tǒng)的極限起動(dòng)頻率，則系統(tǒng)可以按要求的頻率直接起動(dòng)，運(yùn)行至終點(diǎn)后可立即停發(fā)脈沖串而令其停止。2、但在一般情況下，系統(tǒng)的極限起動(dòng)頻率是比較低的，而要求的運(yùn)行速度往往比較高，不能直接起動(dòng)。一般要有一個(gè)加速恒速減速（低恒速）停止的過程。系統(tǒng)在工作過程中要求加減速過程時(shí)間盡量短，而恒速時(shí)間盡量長。第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)升速規(guī)律的選擇：升速規(guī)律的選擇：1、直線規(guī)律加速：加速度為恒值，要求步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為恒值。2、指數(shù)規(guī)律加速：加速度是逐漸下降的，接近電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的

32、規(guī)律。 用微機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行加減速控制，實(shí)際上就是改變輸出脈沖的時(shí)間間隔，升速時(shí)使脈沖串逐漸加密，減速時(shí)使脈沖串逐漸稀松。第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)微機(jī)用定時(shí)器中斷的方式來控制電動(dòng)機(jī)變速時(shí)，實(shí)際上就是不斷改變定時(shí)器裝載值的大小。一般用離散的方法來逼近理想的升降速曲線。為了減少每步計(jì)算的時(shí)間，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就把各離散點(diǎn)的速度所需的裝載值固化在系統(tǒng)的EPROM中，系統(tǒng)運(yùn)行中用查表方法查出所需的裝載值，從而大大減少占用CPU時(shí)間，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。系統(tǒng)在執(zhí)行降速的控制過程中，對(duì)加減速的控制還需要下列數(shù)據(jù)：加減速的斜率，升速過程的總步數(shù)，恒速運(yùn)行總步數(shù)，減速運(yùn)行的總步數(shù)。第第6章章 伺服控制系統(tǒng)

33、伺服控制系統(tǒng)3.4 直流（直流（DC）伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)）伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)1、直流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及選用 直流電動(dòng)機(jī)通過電刷和換向器產(chǎn)生的整流作用，使磁場(chǎng)磁動(dòng)勢(shì)和電樞電流磁動(dòng)勢(shì)正交，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，其電樞大多為永久磁鐵。 直流伺服電動(dòng)機(jī)具有較高的響應(yīng)速度、精度和頻率，優(yōu)良的控制特性等到優(yōu)點(diǎn)，但由于使用電刷牙和換向器，故壽命較低，需要定期維修。第第6章章 伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)2、直流伺服電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng) 直流伺服電機(jī)為直流供電，為調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向，需要對(duì)其直流電壓的大小和方向進(jìn)行控制。目前常用品體管脈寬調(diào)逮驅(qū)動(dòng)和可控硅直流調(diào)速驅(qū)動(dòng)兩種方式。 可控硅直流(SCR)驅(qū)動(dòng)方式，主要通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置控制可控硅的開放角(控制電壓之大小)來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，從而改變整流電壓的大小使直流電機(jī)電樞電壓的變化易平滑調(diào)速。由于可控硅本身的工作原理和電源的特點(diǎn)，導(dǎo)通后是利用交流(50Hz)過零來關(guān)閉的，因此，在低整流電壓時(shí)，其輸出是很小的尖峰值(三相全波時(shí)每秒300個(gè))的平均值，從而造成電流的不連續(xù)