伺服子系統(tǒng)選型與設計

第一節(jié)控制電機概述

按伺服電動機使用電源性質(zhì)不同，可分為直流伺服電動機和交流伺服電動機。

在科學技術高速發(fā)展的今天，控制電機已是構成開環(huán)控制、閉環(huán)控制、同步聯(lián)結和機電模擬解算裝置等系統(tǒng)的基礎元件。

廣泛應用于各個部門，如化工、煉油、鋼鐵、造船、原子能反應堆、數(shù)控機床、自動化儀表和儀器、電影、電視、電子計算機外設等民用設備，或雷達天線自動定位、飛機自動駕駛儀、導航儀、激光和紅外線技術、導彈和火箭的制導、自動火炮射擊控制、艦艇駕駛盤和方向盤的控制等軍事設備。第一節(jié)控制電機概述

按伺服電動機使用電源性質(zhì)不同，可分為直流伺服電動機和交流伺服電動機。

控制電機的種類很多，若按電流分類，可分為直流和交流兩種；按用途分類，直流控制電機又可分為直流伺服電動機、直流測速發(fā)電機和直流力矩電動機等；交流控制電機可分為交流伺服電動機、交流測速發(fā)電機、步進電動機、微型同步電動機等。

各種控制電機的用途和功能盡管不同，但它們基本上可分為信號元件和功率元件兩大類。執(zhí)行元件(Actuator)的種類及其特點執(zhí)行元件是可以控制的能量變換元件第一節(jié)控制電機概述

種類特點優(yōu)點缺點電氣式可使用商用電源；信號與動力的傳送方向相同；有交流和直流之別，應注意電壓大小操作簡便；編程容易；能實現(xiàn)定位伺服；響應快、易與CPU相接；體積小、動力較大；無污染瞬時輸出功率大；過載差，特別是由于某種原因而卡住時，會引起燒毀事故，易受外部噪聲影響氣壓式空氣壓力源的壓力為（5~7）×105Pa；要求操作人員技術熟練氣源方便、成本低；無泄漏污染；速度快，操作比較簡單功率小，體積大，動作不夠平穩(wěn)；不宜小型化；遠距離傳輸困難；工作噪聲大，難于伺服液壓式要求操作人員技術熟練；液壓源壓力為（20~80）×105Pa輸出功率大，速度快，動作平穩(wěn)，可實現(xiàn)定位伺服；易與CPU相接；響應快設備難于小型化；液壓源或液壓油要求（雜質(zhì)、濕度、油量、質(zhì)量）嚴格；易泄漏且有污染執(zhí)行元件(Actuator)的種類及其特點第一節(jié)控制電機概述

系統(tǒng)精度指輸出量復現(xiàn)輸入信號要求的精確程度穩(wěn)定性指當給系統(tǒng)一個新的輸入指令后，系統(tǒng)達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力響應特性指輸出量跟隨輸入指令變化的反應速度工作頻率工作頻率通常是指系統(tǒng)允許輸入信號的頻率范圍伺服系統(tǒng)的技術要求第一節(jié)控制電機概述

一、直流伺服電動機

采用電樞控制時，其機械特性方程為n=第二節(jié)伺服電動機

二、交流伺服電動機（一）結構

第二節(jié)伺服電動機

（二）工作原理

交流伺服電動機的工作原理與具有起動繞組的單相異步電動機相似。第二節(jié)伺服電動機

當轉子電阻為不同值且控制電壓Uc=0時的正向轉矩、反向轉矩以及合成轉矩T的機械特性曲線。第二節(jié)伺服電動機

（三）控制方式

其控制方式有幅值控制、相位控制和幅值-相位控制三種。第二節(jié)伺服電動機

三、伺服電動機的應用第二節(jié)伺服電動機

1.交流伺服系統(tǒng)的基本構成第二節(jié)伺服電動機

上圖中包括：輸入部分：接口、鍵盤。輸出顯示部分：CRT、陰極射線管顯示器（在驅動模塊上）。強電部分：驅動電源?？刂撇糠郑何恢每刂瓢?、SPWM驅動器。執(zhí)行部分：交流伺服電機。反饋部分：位置編碼器。2.連接第二節(jié)伺服電動機

3.控制過程輸入速度信號產(chǎn)生控制信號（交）信號放大（交）信號調(diào)制（直）信號輸出（直）功率放大（交）一、直流測速發(fā)電機

測速發(fā)電機是一種測速元件，它將輸入的機械轉速轉換為電壓信號輸出。按照測速發(fā)電機輸出信號的不同，可分為直流和交流兩大類。第三節(jié)測速發(fā)電機

直流測速發(fā)電機的輸出特性第三節(jié)測速發(fā)電機

一、直流測速發(fā)電機二、交流測速發(fā)電機

交流測速發(fā)電機有異步式和同步式兩類，在自動控制系統(tǒng)中應用較廣的為交流異步測速發(fā)電機。交流異步測速發(fā)電機結構與杯形轉子伺服電動機相同。第三節(jié)測速發(fā)電機

交流測速發(fā)電機輸出特性第三節(jié)測速發(fā)電機

二、交流測速發(fā)電機三、測速發(fā)電機的應用第三節(jié)測速發(fā)電機

步進電動機是利用電磁鐵原理將電脈沖信號轉換成相應角位移的控制電機。每輸入一個脈沖，電動機就轉動一個角度或前進一步，其輸出的角位移或線位移與輸入脈沖數(shù)成正比，轉速與脈沖頻率成正比。因此，步進電動機又稱為脈沖電動機。在數(shù)字控制系統(tǒng)中步進電動機作為執(zhí)行元件，獲得廣泛應用。第四節(jié)步進電動機

步進電動機種類繁多，按運行方式可分為旋轉型和直線型，通常使用的多為旋轉型，旋轉型步進電動機又有反應式（磁阻式）、永磁式和感應式三種。一、三相反應式步進電動機的結構

第四節(jié)步進電動機

三相磁阻式步進電機

定子轉子一、三相反應式步進電動機的結構

第四節(jié)步進電動機

三相反應式步進電動機結構示意圖二、工作原理（一）單三拍控制步進電動機工作原理

單三拍控制中的“單”是指每次只有一相控制繞組通電，通電順序為U→V→W→U或按U→W→V→U順序?！叭摹笔侵附?jīng)過三次切換控制繞組的電脈沖為一個循環(huán)。第四節(jié)步進電動機

（二）六拍控制方式步進電動機工作原理

六拍控制方式中三相控制繞組通電順序按U→UV→V→VW→W→WU→U進行第四節(jié)步進電動機

（三）雙三拍控制步進電動機工作原理

雙三拍控制是指每次有兩相繞組同時通電，且按照UV→VW→WU→UV順序進行。按雙三拍通電方式運行時，它的步距角和單三拍控制方式相同，皆為30°。步進電動機的步距角θ與運行拍數(shù)m，轉子齒數(shù)Zr的關系為

當連續(xù)通入控制脈沖時電動機的轉速n為第四節(jié)步進電動機

三、步進電機的驅動與控制步進電機的驅動器組成第四節(jié)步進電動機

步進電動機的種類步進電機又稱脈沖電動機把電脈沖信號變換成精確的機械角位移的執(zhí)行元件第四節(jié)步進電動機

步進電機驅動器的外觀步進電機控制器的外觀第四節(jié)步進電動機

步進電機驅動器的外觀步進電機控制器的外觀第四節(jié)步進電動機

步進電機的驅動電源第四節(jié)步進電動機

步進電機供電電源的外觀步進電機的驅動電源第三節(jié)步進電動機

步進電機供電電源的外觀三、步進電動機的應用

步進電動機的轉速不受電壓和負載變化的影響，也不受環(huán)境條件溫度、壓力等的限制，僅與脈沖頻率成正比，所以應用于高精度的控制系統(tǒng)中。第四節(jié)步進電動機

常用的旋轉式步進電機按轉子結構：可變磁阻型(VariableReluctance)即VR型永磁型(PermanentMagnet)即PM型混合型(Hybrid)即HB型步進電動機繞組的每一次通斷電操作稱為一拍如果每拍中只有一相繞組通電，稱為單相通電方式如果每拍中都有兩相繞組通電，則稱雙相通電方式三相步進電機的三相雙三拍通電方式三相步進電機的三相單三拍通電方式如果各拍中交替出現(xiàn)單、雙相通電，稱為單雙相輪流通電方式三相步進電機的三相六拍通電方式1.步進電動機的通電方式一般情況下：

采用單相通電方式工作時，步進電動機的矩頻特性較差，且在通電換相的過程中，轉子狀態(tài)不穩(wěn)定，容易失步，因而實際應用中較少采用

m相步進電動機可采用單相通電、雙相通電或單雙相輪流通電方式工作，對應的通電方式分別稱為：m相單m拍、m相雙m拍和m相2m拍通電方式

三、步進電機的運行特性及性能指標

分辨力靜態(tài)特性動態(tài)特性失調(diào)角示意圖矩－角特性曲線步進電機技術指標×××××××××勵磁繞組相數(shù)或代號步進電機類型電動機外徑(mm)BF：反應式BYG：混合式BY：永磁式1、環(huán)形脈沖分配器計算機軟件分配硬件環(huán)形分配采用數(shù)字電路搭建或專用的環(huán)形分配器件使繞組的通斷電順序按輸入脈沖而循環(huán)變化的過程實現(xiàn)環(huán)形分配的方法有兩種：2、功率放大器3、細分驅動細分電流波形一個步距角細分成若干步的驅動方法驅動脈沖波形模塊2：進給驅動系統(tǒng)課題1步進電機進給驅動系統(tǒng)

一、步進電機的驅動1.單電壓驅動單電源串電阻驅動電路，脈沖分配器輸出脈沖到控制信號端后，通過脈沖放大器放大，加到晶體管的基極，使其導通，在穩(wěn)態(tài)時，串聯(lián)電阻R起限流作用。在換相時，晶體管截止，利用二極管VD的續(xù)流作用，防止繞組電感電流不能突變。這種電路適用于小型步進電動機，且性能要求不高的場合。5.2步進電機進給驅動系統(tǒng)2.高低壓切換驅動電路這種電路的特點是高壓充電，低壓維持。步進電機的繞組每次通電時，首先接通高壓，以保證電流以較快的速度上升；然后改由低壓供電，維持繞組中的電流為額定值。5.2步進電機進給驅動系統(tǒng)3.恒流斬波型驅動電路輸入信號為低電平時，V截止，電機繞組中無電流通過。輸入信號為高電平時，V導通，繞組中電流迅速上升；上升到預定值時，R反饋通過斬波電路使V截止，繞組中電流迅速下降；下降到預定值以下，R反饋通過斬波電路使V導通，繞組電流又上升。反復進行，形成一個在預定值上下波動的電流波形，近似恒流。功耗小，效率高，運行特性好。5.2步進電機進給驅動系統(tǒng)4.分頻段（調(diào)頻）調(diào)壓驅動電路由于在低頻時，節(jié)拍脈沖比較寬，有足夠的繞組電流上升時間，只需較小的限流電阻和較低的電源電壓，即可達到額定電流；在高頻時，節(jié)拍脈沖變窄，在限流電阻不變的情況下，需要較高的電源電壓，使繞組電流迅速上升，以提高高頻時步進電機的負載能力。通常，把輸入脈沖的頻率分為幾個頻段，每段工作電壓不同，高頻段采用較高的電壓，低頻段采用較低的電壓。5.2步進電機進給驅動系統(tǒng)5.細分控制驅動電路在實際應用中，為了進一步提高進給運動的分辨率，在不改變步進電機結構的前提下，要求對步距角進一步細分。為了達到這一目的，可將繞組電流以階梯波的方式輸入，這時，電流分成多少個階梯，則轉子就以同樣的步數(shù)轉過一個步距角。這樣將一個步距角細分成若干步的驅動方法稱為細分驅動電路。5.2步進電機進給驅動系統(tǒng)二、脈沖分配器1.基本工作原理脈沖分配器用來控制步進電動機的運行通電方式。將數(shù)控裝置送來的一串指令脈沖，按照運行通電方式所要求的順序和分配規(guī)律，分配到各相驅動電路輸入端，用以控制各相繞組中電流的開通和關斷。由于步進電機有正反轉要求，所以脈沖分配器的輸出既是周期性的，又是可逆的，因此又叫環(huán)形脈沖分配器。脈沖分配器有硬件和軟件兩種實現(xiàn)形式。5.2步進電機進給驅動系統(tǒng)2.硬件脈沖分配器硬件脈沖分配器由邏輯門電路和觸發(fā)器構成。左圖為3相六拍環(huán)形脈沖分配器原理圖，X=l時，每來一個脈沖則電動機正轉一步，分配順序：A→AB→B→BC→C→CA→A；當X＝0時，每來一個脈沖則電動機反轉一步，分配順序:A→AC→C→CB→B→BA→A。右圖為集成芯片實現(xiàn)的硬件環(huán)形脈沖分配器5.2步進