數(shù)控技術伺服2課件

6.2.3步進電機細分驅(qū)動技術

步進電機對應于一個電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一步；即一個步距角θs。若每次輸入脈沖切換時，只改變對應繞組額定電流的一部分那么轉(zhuǎn)子相對應的每步轉(zhuǎn)動也只會是原有θs的一部分。額定電流分成多少個級別進行切換，轉(zhuǎn)子就以多少步來轉(zhuǎn)完一個θs。即通過控制繞組中電流的數(shù)值調(diào)整步距角θs大小，這種控制方式為不進電機細分控制。如下圖所示，在一個輸入脈沖寬度內(nèi)把電流按線性（或正弦規(guī)律）分成n分。數(shù)字信號D/A→VREF，VREF與VC比較，以保證電流值在要求的值上。1.恒流原理

通過A放大器之后為VREF。比較放大器和功放組成一個閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。當繞組中電流因某種原因iL↓下降，則iL→VC→(VREF→VC)↑→Vb→iL↑使繞組電流仍穩(wěn)定于iL。2.瞬間響應

如輸入的Di↑Dk則Di→D/A→A輸出為VREFK，則為（過程為）Di→Dk→VREF→VREFK→Vb→iL→iLk3.細分控制

1）從8位單片機送出的數(shù)據(jù)D~D,數(shù)值00H~0FFH，對應與十進制數(shù)是0～255.細分時，要求每個階梯的電流差值相等，即要求細分步數(shù)必須能對255整除，顯然細分只能為3，5，15，17，51，85幾種。2）一般按正弦規(guī)律變化細分的多相電流，合成磁勢幅值保持不變，轉(zhuǎn)角細分精確；3）通過細分驅(qū)動可得到更小的脈沖當量，提高了定位精度；4）繞組電流均從小增到大，或從大降到小，避免了電流沖擊，基本消除了步進電機低速振動，電機低速運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無噪聲。

步進電機的細分控制得到了廣泛應用。正弦階梯波細分電流波形圖正弦細分驅(qū)動電路D/A

功率步進電機用作開環(huán)進給系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置，組成開環(huán)進給系統(tǒng)，一般技術性能不能滿足使用要求，其性能的提高受到限制。60年代出現(xiàn)了小慣量直流伺服電機，70年代初出現(xiàn)了大慣量寬調(diào)速伺服電機；目前，許多數(shù)控機床采用大慣量直流伺服電機。6.3直流伺服電動機調(diào)速系統(tǒng)

直流電機的原理和結(jié)構(gòu)定子和轉(zhuǎn)子直流電機電樞繞組結(jié)構(gòu)直流電機電刷結(jié)構(gòu)直流電機的物理模型6.3.1直流伺服電機調(diào)速控制直流伺服電機有電磁式、永磁式、杯形電樞式、無槽電樞式、無刷式等。直流伺服電機的結(jié)構(gòu)與直流電機相同，由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。在定子上裝有磁極，電磁式伺服電機的定子磁極上有勵磁繞組。轉(zhuǎn)子由硅鋼片迭積而成，轉(zhuǎn)子上外圓有槽，槽內(nèi)有中樞繞組，繞組通過換向器和電刷引出。直流伺服電機和普通電機最大區(qū)別：電樞長度與直徑之比(L/D)比普通直流電機要大；氣隙較小。伺服電機的工作原理和普通直流電機相同，當定子中的磁勵磁通和轉(zhuǎn)子中的電流相互作用時，會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動電樞轉(zhuǎn)動，恰當?shù)乜刂妻D(zhuǎn)動電樞電流的大小和方向，就可以控制伺服電機轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速，當電樞電流“0”，伺服電機停滯不動。電磁轉(zhuǎn)矩為：T＝CmφIa

式中：Cm——轉(zhuǎn)矩常數(shù)(Cm＝PN/(2πa)p：磁極對數(shù)N：電樞繞組總導體數(shù)a：并聯(lián)支路對數(shù)Φ——電機的主磁通Ia——電樞電流電壓平衡方程為：

E＝Ud－IaRa

(Ud:電樞電壓Ud=Uc=U控制電壓)式中：E——電樞感應電動勢E＝CeΦnCe＝PN/(60a)聯(lián)立上三式得到

從上式知，電機調(diào)速有三種方法：1）改變電樞電壓U（電樞法）2）改變勵磁磁通Φ（弱磁調(diào)速）3）在電樞回路中接電阻Rt

改變端電壓調(diào)速

保持電動機的不變且無外接電樞電阻，僅降低施加于電動機電樞兩端電壓U達到調(diào)速的目的，稱為降壓調(diào)速。TnU1U1>U2>U3U2U3PQ電壓越低，轉(zhuǎn)速越低，調(diào)速方向從基值往下調(diào)。

Tn改變勵磁調(diào)速改變勵磁電流調(diào)速，實際上是減少勵磁電流的調(diào)速，所以又稱弱磁調(diào)速。弱磁調(diào)速：保持U，Rt＝0，僅減小電動機的勵磁電流If使主磁通減小，達到調(diào)速目的。If1PIf2QIf1>If2從兩個穩(wěn)定點P、Q對應轉(zhuǎn)速說明減小勵磁可以使轉(zhuǎn)速升高。弱磁調(diào)速調(diào)速前后的量：（1）假定負載轉(zhuǎn)矩不變，(2)假定磁路不飽和，不計電樞反應和IaRa的變化（3）恒轉(zhuǎn)矩負載，，基本不變?nèi)醮耪{(diào)速特點優(yōu)點：設備簡單，調(diào)節(jié)方便，能耗小。缺點：單方向調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速調(diào)得過高，勵磁過弱，電樞電流變大，換向變壞，出現(xiàn)不穩(wěn)定。串電樞電阻調(diào)速該調(diào)速的特點：（1）設備簡單、操作方便。（2）低速時，機械特性很軟，當負載變化時，轉(zhuǎn)速波動很大。靜態(tài)穩(wěn)定性差調(diào)速范圍不大。（3）由于電阻的不連續(xù)調(diào)節(jié)，因此速度調(diào)節(jié)不平滑，屬有級調(diào)速。（4）電樞電流在Rt上消耗的能量大，調(diào)速時效率低。效率與轉(zhuǎn)速成正比。

6.3.2直流伺服電機1.機械特性電樞法時，Φ=C，若控制電壓U＝C，則n=n0－KT式中：n0=U/Ceφ理想空載轉(zhuǎn)速

斜率分析兩種情況，當T＝0時，n＝n0＝u/(Ceφ)當n＝0時,n0＝kT＝kTd堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩所以，機械特性n=f(T)即，機械特性是一組斜率相同的直線簇。機械特性的斜率K也可用k＝Δn/ΔT表示；K↑，則對應于某一轉(zhuǎn)矩△T變化，轉(zhuǎn)速△n↑,說明機械特性軟。反之K減小,則機械特性硬。（因為Ce、Cm中均為常數(shù)）所以Ra增大、K增大，反之亦然。

在過渡過程中，電磁轉(zhuǎn)矩T除了要克服軸上的總的阻轉(zhuǎn)矩T外，還要克服軸上的慣性力矩，故轉(zhuǎn)矩平衡方程為：

式中：Ts---總阻轉(zhuǎn)矩；J---電機及負載的等效轉(zhuǎn)動慣量；ω---轉(zhuǎn)子的角速度。但過渡過程中,T主要用來克服Jdω/dt,Ts所占比例很小,可忽略。所以，

則有∴等式兩邊同除以CeΦ

則令，則，式中：τj——機電時間常數(shù)，表示加上電樞電壓后，轉(zhuǎn)速達到額定值過程時間的過渡。

τd——電磁時間常數(shù)，表示加上電樞電壓后，電樞電流達到額定值的過渡過程時間。由于τd<<τj，均可忽略，所以進行L變換，得直流伺服電機傳遞函數(shù)G(s)是輸出轉(zhuǎn)速與輸入電樞電壓拉氏變換之比，即式中：KG=I/Ceφ為靜態(tài)放大系數(shù)，表示轉(zhuǎn)子速度隨U的變化程度。從上式看出，直流伺服電機是一個慣性環(huán)節(jié)。當給電樞加上階躍電壓U，電機轉(zhuǎn)速n從0→n0的過渡過程為：所以，進行L反變換有，從式中知，當t=τj時，n=0.632n0，上升到n0的時間當t=3τj時，n=0.95n0，此時過渡過程基本結(jié)束，即t=3τj。

小結(jié)：機械特性的斜率K減小，特性硬，則電機時間常數(shù)τj降低，過渡過程短；反之，K增大，過渡過程長。若考慮電磁時間常數(shù)τd，則為二階振蕩環(huán)節(jié)，波形如下3.大慣量直流伺服電機大慣量直流伺服電機又稱寬調(diào)速直流伺服電機，是上世紀60年代末70年代初在小慣量電機和力矩電機的基礎上發(fā)展起來的，目前廣泛應用于數(shù)控系統(tǒng)中。1）結(jié)構(gòu)特點大慣量直流伺服電機結(jié)構(gòu)如圖，激勵方式為永磁式。從電磁轉(zhuǎn)矩公式T=CmΦIa。轉(zhuǎn)矩常數(shù)Cm=PN/(2πa),為了得到大的輸出力矩，采用以下措施：a.采用高性能磁性材料，以產(chǎn)生強磁場Φ；材料保磁性能的穩(wěn)定性；當峰值轉(zhuǎn)矩達到額定值10～15倍不退磁；磁性材料：鋁鎳鈷、陶瓷缺氧體、稀土鈷（性能最好）

b.增加總導體數(shù)N，增加磁極對數(shù)p使cm增加。大慣量電機提供大轉(zhuǎn)矩還在于：低速輸出轉(zhuǎn)矩大，最大峰值轉(zhuǎn)矩可達額定轉(zhuǎn)矩的10倍以上，過載能力強，允許過載時間長。由于電機本身慣量大，輸出力矩大，可直接驅(qū)動負載，無需機械減速傳動鏈。這類電機調(diào)速范圍較寬，一般可達1000～1500r.p.m，電機的熱容量大，熱時間常數(shù)大，可達120分鐘左右，或在過載條件下工作。2）工作特性寬調(diào)速電機的工作特性由一些參數(shù)及特性曲線所限定。電機的容許轉(zhuǎn)矩T轉(zhuǎn)速n隨加工及運行條件而改變Uk——最高運行電壓；Tk——nmax時的轉(zhuǎn)矩；Tr——連續(xù)工作轉(zhuǎn)矩；Up——峰值電壓；Tp——峰值轉(zhuǎn)矩；ACB——換向限制曲線；CTr——發(fā)熱限制曲線；Ⅰ區(qū)——連續(xù)工作區(qū)間；Ⅱ區(qū)——電機間歇工作區(qū)間；Ⅲ區(qū)——瞬時加速或正、反轉(zhuǎn)短暫工作區(qū)；BTp——去磁限制線；DE——瞬時換向界限。

大慣量直流伺服電機技術性能較好，有成本低的可控硅調(diào)壓器，與脈寬調(diào)壓器，在數(shù)控機床得到廣泛應用。4.直流伺服電機的PWM控制由電工學知識，在直流電機轉(zhuǎn)子磁場不飽和時，改變電樞電壓U，可以改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，從前述分析，轉(zhuǎn)子有機械慣性，繞組有電磁慣性，機械時間常數(shù)、電磁時間常數(shù)都較大，故電樞電壓可用周期遠小于電機械時間常數(shù)的方波平均電壓來代替。將直流電源電壓轉(zhuǎn)換成頻率f＝2000HZ的方波電壓→電機繞組，通過對開關閉合時間長短控制→控制電樞繞組兩端的平均電壓達到調(diào)速的目的。物理模型設閉合時間τ，打開時間為T－τ。因U為常數(shù)，則電樞上電壓的波形是一個方波列，其高度U，寬度為τ，其平均值為：從上式可看出，電樞轉(zhuǎn)速n∝脈沖寬度τ。目前應用的是PWM晶體管功率放大器，即由兩部分組成：電壓－脈寬變換器，開關式功率放大器；負載：伺服電機。式中δT－(τ/T)為導通率或占空比。為分析方便起見，若忽略電樞電阻Ra，則電樞電壓方程為：1）脈寬調(diào)制器產(chǎn)生PWM脈沖的環(huán)節(jié)，所產(chǎn)生的PWM脈沖→驅(qū)動放大后→功率放大器斷波放大器。即UA(或UB)≥0，滿量程正電壓輸出UA(或UB)<0，滿量程負電平輸出。P1、P2、P3、P4四路PWM信號經(jīng)延時處理→驅(qū)動放大后→功放。三角波發(fā)生器及PWM調(diào)制原理圖倍頻式脈寬調(diào)制器（所謂倍頻式：電機電樞電壓的頻率是晶體管開關頻率的兩倍）。結(jié)論：控制電平Uc的大小與電動機電樞兩端的脈沖電壓寬度成正比，穩(wěn)態(tài)時，Uc與n成正比。2）晶體管PWM放大器即把脈寬調(diào)制后的方波信號驅(qū)動后，變換為寬度可調(diào)的方波脈沖，加在電樞兩端。圖中：T1~T4；大功率晶體管D1~D4：續(xù)流二極管電機正轉(zhuǎn)分析a)、t1<t<t2，T1、T3均處于高電位，T1(+)，但由于電樞電感作用T3處于“假導通”狀態(tài)電樞兩端電壓為0(UA＝UB)b)、t2時刻T3(-)、T4(+)，Ud→T1→A→電樞→B→地；UAB>0c)、t3時刻T1(-)、T2(+)、T4(+)由于電樞電感作用，T2“假導通”：UAB=0d)、t4時刻T2(-)、T1(+)、T4(+)、UAB>0從上分析晶體管從導通→截止變化一次，電樞兩端通電狀態(tài)變化了兩次，即電樞電壓頻率是晶體管開關頻率的兩倍頻。反轉(zhuǎn)狀態(tài)與正轉(zhuǎn)分析類似。a.開關頻率高，頻率可達2000HZ，比機械部件固