《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》第四章課件

高職高專(zhuān)機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)系列教材

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主編

楊俊偉參編

王

莉

機(jī)械工業(yè)出版社目錄第一部分基礎(chǔ)篇第1章機(jī)電一體化認(rèn)知第2章機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)認(rèn)知習(xí)題與思考題第二部分技術(shù)篇第3章機(jī)械傳動(dòng)與導(dǎo)向支撐技術(shù)第4章伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)習(xí)題與思考題第5章計(jì)算機(jī)控制及接口技術(shù)習(xí)題與思考題第三部分應(yīng)用篇第6章典型機(jī)電一體化系統(tǒng)第四部分實(shí)踐篇第7章工業(yè)機(jī)器人的機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)第五部分

拓展篇第8章柔性制造系統(tǒng)（FMS）與計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)肆第4章伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)4.1伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)認(rèn)知4.2控制電機(jī)4.3步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)4.4直流伺服系統(tǒng)4.5交流伺服系統(tǒng)4.6服系統(tǒng)的動(dòng)力設(shè)計(jì)方法習(xí)題與思考題主要內(nèi)容及重點(diǎn)知識(shí)肆主要內(nèi)容本章明確了伺服系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)，著重闡述伺服電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、控制與驅(qū)動(dòng)及系統(tǒng)選型與設(shè)計(jì)。重點(diǎn)知識(shí)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成、分類(lèi)、技術(shù)要求及發(fā)展。步進(jìn)電機(jī)、直流、交流伺服電機(jī)認(rèn)知。步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制。伺服系統(tǒng)的動(dòng)力方法設(shè)計(jì)。返回主頁(yè)4.1.1伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成4.1.2伺服系統(tǒng)的分類(lèi)4.1.3伺服系統(tǒng)的技術(shù)要求4.1.4伺服系統(tǒng)的發(fā)展4.1伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)認(rèn)知4.1伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)認(rèn)知伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)是機(jī)電一體化的一種關(guān)鍵技術(shù)，在機(jī)電設(shè)備中具有重要的地位，高性能的伺服系統(tǒng)可以提供靈活、方便、準(zhǔn)確、快速的驅(qū)動(dòng)。隨著技術(shù)的進(jìn)步和整個(gè)工業(yè)的不斷發(fā)展，伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)也取得了極大的進(jìn)步，伺服系統(tǒng)已進(jìn)入全數(shù)字化和交流化的時(shí)代。

近幾年，國(guó)內(nèi)的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域呈現(xiàn)出飛速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)迅速得到引入和普及化地推廣，其中作為驅(qū)動(dòng)方面的重要代表產(chǎn)品已被廣大用戶(hù)所接受，在機(jī)器革新中起到了至關(guān)重要的作用。精準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)效果和智能化的運(yùn)動(dòng)控制通過(guò)伺服產(chǎn)品可以完美地實(shí)現(xiàn)機(jī)器的高效自動(dòng)化，這兩方面也成為伺服發(fā)展的重要指標(biāo)?！八欧币辉~源于希臘語(yǔ)“奴隸”，英語(yǔ)“Servo”。在伺服驅(qū)動(dòng)方面，我們可以理解為電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)和停止完全根據(jù)信號(hào)的大小、方向，即在信號(hào)來(lái)到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)；信號(hào)來(lái)到之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)信號(hào)消失，轉(zhuǎn)子能即時(shí)自行停轉(zhuǎn)。由于它的“伺服”性能，因此而得名——伺服系統(tǒng)。返回主頁(yè)如圖4-1所示，開(kāi)平機(jī)是通過(guò)開(kāi)卷、引料、縱剪及碼垛的方式,將卷板加工成所需要的定長(zhǎng)尺寸的自動(dòng)化加工設(shè)備，中間配合上料小車(chē)、導(dǎo)向裝置、油壓式活套等軸柱設(shè)備。傳統(tǒng)開(kāi)平機(jī)使用變頻器控制加工板材的定長(zhǎng)，往往是在位置到達(dá)前讓電機(jī)減速停車(chē)，這樣易造成定位不準(zhǔn)，板材加工精度不高等問(wèn)題，而且加工效率由于變頻器加減速時(shí)間長(zhǎng)而導(dǎo)致效率較低。采用伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)，再配合PLC和觸摸屏集中控制，具有自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)效率高、加工精度高三大特點(diǎn)，卷材一次上料可實(shí)現(xiàn)各工序的順利完成，有效的減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度提高效率、具有很高的性?xún)r(jià)比。4.1伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)認(rèn)知圖4-1交流伺服系統(tǒng)在開(kāi)平機(jī)上的應(yīng)用4.1.1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(lèi)型繁多，但從自動(dòng)控制理論的角度來(lái)分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括比較環(huán)節(jié)、控制器、功率放大裝置、伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測(cè)環(huán)節(jié)等五部分。如圖4-2所示。圖4-2伺服系統(tǒng)的組成1.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(zhuān)門(mén)的電路或計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.控制器

控制器的主要任務(wù)是根據(jù)輸入信導(dǎo)和反饋信導(dǎo)決定控制策略，常用的控制算法有PID(化例、積分、服分)控制和最優(yōu)控制等?？刂破魍ǔＳ呻娮泳€(xiàn)路或計(jì)算機(jī)組成。3.功率放大器

伺服系統(tǒng)中的功率放大器的作用是將信號(hào)進(jìn)行放大,并用來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成某種操作。在現(xiàn)代機(jī)電一體化系統(tǒng)中的功率放大裝置，主要采用各種電力電子器件組成。4.伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由伺服電動(dòng)機(jī)或液壓伺服機(jī)構(gòu)和機(jī)械傳動(dòng)裝置等組成。目前，采用電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件的執(zhí)行機(jī)構(gòu)占據(jù)較大的比例。伺服電動(dòng)機(jī)包括步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)等。5.檢測(cè)裝置

檢測(cè)裝置的任務(wù)是測(cè)量被控制量（即輸出量），實(shí)現(xiàn)反饋控制。伺服傳動(dòng)系統(tǒng)中，用來(lái)檢測(cè)位置量的檢測(cè)裝置有：自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、光電碼盤(pán)等;用來(lái)檢測(cè)速度信號(hào)的檢測(cè)裝置有測(cè)速發(fā)電機(jī)、光電碼盤(pán)等。4.1.1伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成應(yīng)當(dāng)指出，檢測(cè)裝置的精度是至關(guān)重要的，無(wú)論采用何種控制方案，系統(tǒng)的控制精度總是低于檢測(cè)裝置的精度。對(duì)檢測(cè)裝置的要求除了精度高之外，還要求線(xiàn)性度好、可靠性高、響應(yīng)快等。在實(shí)際的伺服控制系統(tǒng)中，上述的每個(gè)環(huán)節(jié)在硬件特征上并不獨(dú)立，可能幾個(gè)環(huán)節(jié)在一個(gè)硬件中，如測(cè)速直流電機(jī)即是執(zhí)行元件又是檢測(cè)元件。4.1.1伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成4.1.2伺服系統(tǒng)的分類(lèi)伺服系統(tǒng)的分類(lèi)方法很多，常見(jiàn)的分類(lèi)方法有：1.按被控量參數(shù)特性分類(lèi)

按被控量不同，機(jī)電一體化系統(tǒng)可分為位移、速度、力矩等各種伺服系統(tǒng)。其它系統(tǒng)還有溫度、濕度、磁場(chǎng)、光等各種參數(shù)的伺服系統(tǒng)。2.按驅(qū)動(dòng)元件的類(lèi)型分類(lèi)

按驅(qū)動(dòng)元件的不同可分為電氣伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)、氣動(dòng)伺服系統(tǒng)。特性如表4-1所示。電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)類(lèi)型的不同又可分為步進(jìn)電機(jī)控制伺服系統(tǒng)、直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)。表4-1伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)3.按控制原理分類(lèi)

按自動(dòng)控制原理，伺服系統(tǒng)又可分為開(kāi)環(huán)控制伺服系統(tǒng)、閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)。開(kāi)環(huán)控制伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、易于維護(hù)，但由于沒(méi)有檢測(cè)環(huán)節(jié)，系統(tǒng)精度低、抗干擾能力差,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4-3所示。4.1.2伺服系統(tǒng)的分類(lèi)圖4-3開(kāi)環(huán)控制伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)能及時(shí)對(duì)輸出進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)輸出與輸入的偏差，實(shí)時(shí)調(diào)整執(zhí)行過(guò)程，因此系統(tǒng)精度高，但成本也大幅提高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4-4所示。4.1.2伺服系統(tǒng)的分類(lèi)圖4-4閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)的檢測(cè)反饋環(huán)節(jié)位于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的中間輸出上，因此一定程度上提高了系統(tǒng)的性能。如位移控制伺服系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，增設(shè)的電機(jī)速度檢測(cè)和控制就屬于半閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4-5所示。4.1.2伺服系統(tǒng)的分類(lèi)圖4-5半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖4.1.3伺服系統(tǒng)的技術(shù)要求由于伺服系統(tǒng)所服務(wù)的對(duì)象千差萬(wàn)別，因而對(duì)伺服系統(tǒng)的要求也有差別。工程上對(duì)伺服系統(tǒng)的技術(shù)要求很具體，歸納為以下幾個(gè)方面。1.對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的要求。伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)包括系統(tǒng)靜態(tài)誤差、系統(tǒng)速度誤差、系統(tǒng)加速度誤差。對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)控制的伺服系統(tǒng)而言，理論上應(yīng)是無(wú)靜態(tài)誤差系統(tǒng)，但實(shí)際系統(tǒng)由于檢測(cè)裝置分辨率有限以及干摩擦等影響，都存在靜誤差。系統(tǒng)速度誤差是指系統(tǒng)處于等速跟蹤狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)輸出軸與其輸入軸作相等的勻速運(yùn)動(dòng)，在同一時(shí)刻，輸出軸與輸入軸之間的轉(zhuǎn)速差。系統(tǒng)加速度誤差是指系統(tǒng)輸出軸在一定的速度和加速度范圍內(nèi)跟蹤輸入軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，在同一時(shí)刻兩軸之間最大的加速度差值。以上介紹穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)，均提到系統(tǒng)輸出軸跟蹤輸入軸運(yùn)動(dòng)，并以?xún)奢S之間的瞬時(shí)轉(zhuǎn)角差作為系統(tǒng)的誤差值。實(shí)際上有些伺服系統(tǒng)并沒(méi)有實(shí)際的輸入軸存在，輸入信號(hào)不是依靠轉(zhuǎn)動(dòng)輸入軸來(lái)產(chǎn)生，而是代表輸入轉(zhuǎn)角的信號(hào)電壓或具體的數(shù)字代碼。2.對(duì)伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的要求。伺服系統(tǒng)應(yīng)是漸近穩(wěn)定并留有一定的穩(wěn)定裕量。在典型信號(hào)輸入下，系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)特性要滿(mǎn)足規(guī)定的要求。一般用最大超調(diào)量、過(guò)渡過(guò)程時(shí)間、振蕩次數(shù)等特征作為衡量指標(biāo)。頻域響應(yīng)特性則用最大振蕩指標(biāo)、系統(tǒng)的頻帶寬度特征量作評(píng)價(jià)指標(biāo)。3.對(duì)系統(tǒng)工作環(huán)境的要求。如溫度、濕度、防潮、防化、防輻射、抗振動(dòng)等方面的要求。4.對(duì)系統(tǒng)制造成本、運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、標(biāo)準(zhǔn)化程度、能源條件等方面的要求。4.1.3伺服系統(tǒng)的技術(shù)要求4.1.4伺服系統(tǒng)的發(fā)展伺服系統(tǒng)方便、快速、靈活、準(zhǔn)確的驅(qū)動(dòng)在機(jī)電設(shè)備中發(fā)揮了重要的作用，其發(fā)展與伺服電機(jī)的發(fā)展相輔相成。以前，伺服驅(qū)動(dòng)不是液壓的就是直接以驅(qū)動(dòng)為主要特征的伺服電機(jī)，采取開(kāi)環(huán)控制的方法來(lái)進(jìn)行位置控制。20世紀(jì)60年代至70年代，直流伺服電機(jī)出現(xiàn)并迅速發(fā)展起來(lái)的，其在工業(yè)等相關(guān)的領(lǐng)域有了空前的發(fā)展和推廣，其采用的開(kāi)環(huán)控制方法也被閉環(huán)控制所取代。永磁式直流電機(jī)一直以來(lái)都在數(shù)控機(jī)床應(yīng)用中占主導(dǎo)作用，它沒(méi)有勵(lì)磁的耗損，很容易就能使電路得到控制，有較好的低速性能。20世紀(jì)80年代開(kāi)始，交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)得到迅猛發(fā)展，與此同時(shí)，交流伺服系統(tǒng)的性能也在不斷地提高，相應(yīng)的伺服傳動(dòng)裝置也在不斷的發(fā)展，經(jīng)歷了模擬式、數(shù)?；旌鲜胶腿珨?shù)字化過(guò)程。20世紀(jì)90年代交流伺服在得到了迅猛的發(fā)展，到了21世紀(jì)，交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)成為工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)技術(shù)之一，并將逐漸取代直流伺服系統(tǒng)。4.1.4伺服系統(tǒng)的發(fā)展返回主頁(yè)4.2.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)4.2.2伺服電動(dòng)機(jī)4.2控制電機(jī)4.2控制電機(jī)控制電機(jī)是電氣伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件，通常指用于自動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)距高測(cè)量、隨動(dòng)系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)裝置中的微特電機(jī)。它是構(gòu)成開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制、同步連接等系統(tǒng)的基礎(chǔ)元件?？刂齐姍C(jī)主要用來(lái)完成控制信號(hào)的傳遞和變換，要求它們技術(shù)性能穩(wěn)定可靠、動(dòng)作靈敏、精度高、體積小、重量輕、耗電少。其主要任務(wù)是轉(zhuǎn)換和傳遞控制信號(hào)，能量的轉(zhuǎn)換是次要的。根據(jù)它在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的職能可分為測(cè)量元件、放大元件、執(zhí)行元件和校正元件四類(lèi)。

各種控制電機(jī)，各有其特點(diǎn)，適用于不同性能的伺服系統(tǒng)。電氣伺服系統(tǒng)的調(diào)速性能，動(dòng)態(tài)特性、運(yùn)動(dòng)精度等均為與該系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)的性能有著直接的關(guān)系。通常應(yīng)符合如下基本要求：返回主頁(yè)1.具有寬廣而平滑的調(diào)速范圍。2.具有較硬的機(jī)械特性和良好的調(diào)節(jié)特性。3.具有快速響應(yīng)特性。4.空載始動(dòng)電壓小?？刂齐姍C(jī)的類(lèi)型很多，在本章中只討論與步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)。4.2控制電機(jī)4.2.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電機(jī)又稱(chēng)電脈沖馬達(dá)，是伺服電機(jī)的一種，實(shí)物如圖4-6所示。步進(jìn)電機(jī)可按照輸入的脈沖指令一步步地旋轉(zhuǎn)，即可將輸入的數(shù)字指令信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移。因此它實(shí)質(zhì)上是一種數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置，。由于步進(jìn)電機(jī)成本較低，易于控制，因而被廣泛應(yīng)用于開(kāi)環(huán)控制的伺服系統(tǒng)中。步進(jìn)電機(jī)分類(lèi)與特點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)按照電機(jī)結(jié)構(gòu)有三種主要類(lèi)型：永磁式（PermanentMagnet,PM）、反應(yīng)式（VariableReluctance，VR）和混合式（HybridStepping,HB）三種。圖4-6步進(jìn)電電動(dòng)機(jī)實(shí)物圖1.永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(PM)永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是轉(zhuǎn)子或定子的某一方為永磁體，另一方由軟磁材料和勵(lì)磁繞組制成，繞組輪流通電，建立的磁場(chǎng)與永磁體的恒定磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。勵(lì)磁繞組一般做成兩相或四相控制繞組，其轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)與實(shí)物如圖4-7所示。永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是：（1）步距角大

一般為15°、22.5°、30°、45°、90°等。這是因?yàn)樵谝粋€(gè)圓周上受到極弧尺寸的限制，磁極數(shù)不能太多。（2）控制功率較小，效率高。

（3）電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部阻尼較大

單步運(yùn)行振蕩時(shí)間短。（4）斷電時(shí)有一定的定位轉(zhuǎn)矩。4.2.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)圖4-7永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)2.反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(VR)反應(yīng)式亦稱(chēng)可變磁阻式，其基本結(jié)構(gòu)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。其定子和轉(zhuǎn)子磁路均由軟磁制成，定子有若干對(duì)磁極，磁極上有多相勵(lì)磁繞組，在轉(zhuǎn)子的圓柱面上有均勻分布的小齒。利用磁阻的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。勵(lì)磁繞組的相數(shù)一般為三、四、五、六相等，其轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)與實(shí)物如圖4-8所示。4.2.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)圖4-8反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有如下特點(diǎn)：（1）氣隙小。為了提高反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，氣隙都取得很小。（2）步距角小。固反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子是采用軟磁材料制成的，依靠磁阻變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，在機(jī)械加工所能允許的最小齒距情況下，轉(zhuǎn)子的齒距數(shù)可以做得很多。

（3）勵(lì)磁電流較大。要求驅(qū)動(dòng)電源功率較大。（4）電機(jī)的內(nèi)部阻尼較小。當(dāng)相數(shù)較小時(shí)，單步運(yùn)行振蕩時(shí)間較長(zhǎng)。（5）斷電時(shí)沒(méi)有定位轉(zhuǎn)矩。4.2.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)3.混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（HB）混合式亦稱(chēng)永磁感應(yīng)式。這種電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子上有永磁體，可以看作是永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，但從定子的導(dǎo)磁體來(lái)看，又和反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相似，因而它具有反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角小、響應(yīng)頻率高的優(yōu)點(diǎn)，又具有永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁功率小，效率高的優(yōu)點(diǎn)。它是反應(yīng)式和永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)合，因此又稱(chēng)為混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)與實(shí)物如圖4-9所示。此外，按照電機(jī)驅(qū)動(dòng)架構(gòu)又可分為單極性(unipolar)和雙極性(bipolar)步進(jìn)電機(jī)。4.2.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)圖4-9混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)4.2.2伺服電動(dòng)機(jī)伺服電機(jī)在控制系統(tǒng)中常被用來(lái)做執(zhí)行元件，將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反應(yīng)，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線(xiàn)性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。伺服電機(jī)分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類(lèi)，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。1.直流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)是自動(dòng)控制系統(tǒng)中具有特殊用途的直流電動(dòng)機(jī)，又稱(chēng)執(zhí)行電機(jī)，它能夠把輸入的電壓信號(hào)變換成軸上的角位移和角速度等機(jī)械信號(hào)。電機(jī)實(shí)物如圖4-10所示。直流伺服電動(dòng)機(jī)具有響應(yīng)迅速。精度和效率高、高速范圍寬。負(fù)載能力大。控制特性?xún)?yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。被廣泛應(yīng)用在閉環(huán)或半閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)中。其缺點(diǎn)就是轉(zhuǎn)子上安裝了具有機(jī)械正現(xiàn)性質(zhì)的電極和換向器。需要定期維修和更換電刷，使用壽命短、噪聲大，電機(jī)功率不能太大等。4.2.2伺服電動(dòng)機(jī)圖4-10直流伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)物圖直流伺服電動(dòng)機(jī)分類(lèi)與特點(diǎn)（1）直流伺服電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式可分為電磁式和永磁式兩種。電磁式的磁場(chǎng)由勵(lì)磁繞組產(chǎn)生，電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)是一種普遍使用的伺服電動(dòng)機(jī)，特別是大功率電機(jī)（100W以上）。如我國(guó)的SZ系列直流伺服電動(dòng)機(jī)。

永磁式的磁場(chǎng)由永磁體產(chǎn)生，永磁式伺服電動(dòng)機(jī)具有體積小、轉(zhuǎn)矩大、力矩和電流成正比、伺服性能好、響應(yīng)快功率體積比大、功率重量比大、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。由于功率的限制，如如我國(guó)的SY系列直流伺服電動(dòng)機(jī)。目前主要應(yīng)用在辦公自動(dòng)化、家用電氣、儀器儀表等領(lǐng)域。由于永磁式直流伺服電機(jī)不需要外加助磁電源，因而在機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)中應(yīng)用較多。4.2.2伺服電動(dòng)機(jī)（2）直流伺服電動(dòng)機(jī)按電樞的結(jié)構(gòu)與形狀可分為平滑電樞型、空心電樞型和有槽電樞型、印刷繞組等,其電樞類(lèi)型如圖4-11所示。平滑電樞型的電樞無(wú)槽，其繞組用環(huán)氧樹(shù)脂粘固在電樞鐵芯上，因而轉(zhuǎn)子形狀細(xì)長(zhǎng)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，如圖4-11(a)?？招碾姌行偷碾姌袩o(wú)鐵芯，且常做成杯形，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，如圖4-11(b)。有槽電樞型的電樞與普通直流電動(dòng)機(jī)的電樞相同，因而，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，如圖4-11(c)。印刷繞組與傳統(tǒng)電機(jī)的線(xiàn)圈型繞組不同，是用腐蝕法、電化學(xué)沉積法、電化學(xué)轉(zhuǎn)移法在復(fù)銅箔板上印制而成,也有用銅箔沖制成形后疊裝膠合而成,整個(gè)電樞成盤(pán)狀，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小如圖4-11(d)。4.2.2伺服電動(dòng)機(jī)圖4-11直流伺服電動(dòng)機(jī)電樞類(lèi)型（3）直流伺服電動(dòng)機(jī)還可按轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小而分成大慣量、中慣量和小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)。大慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)（又稱(chēng)直流力矩伺服電動(dòng)機(jī)）負(fù)載能力強(qiáng)，易于與機(jī)械系統(tǒng)匹配，而小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)的加減速能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)特性好。直流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍見(jiàn)表4-2。4.2.2伺服電動(dòng)機(jī)表4-2直流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍2.交流伺服電動(dòng)機(jī)

二十世紀(jì)后期，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于伺服控制越來(lái)越普遍。與直流伺服電動(dòng)機(jī)比較，交流伺服電動(dòng)機(jī)不需要電刷和換向器，因而維護(hù)方便和對(duì)環(huán)境無(wú)要求；此外，交流電動(dòng)機(jī)還具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、體積和重量較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)；尤其是交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)的快速發(fā)展，使它得到了更廣泛的應(yīng)用。交流電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩特性和調(diào)節(jié)特性的線(xiàn)性度不及直流伺服電動(dòng)機(jī)好；其效率也比直流伺服電動(dòng)機(jī)低。因此，在伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除某些操作特別頻繁或交流伺服電動(dòng)機(jī)在發(fā)熱和起、制動(dòng)特性不能滿(mǎn)足要求時(shí)，選擇直流伺服電動(dòng)機(jī)外，一般盡量考慮選擇交流伺服電動(dòng)機(jī)。電機(jī)實(shí)物如圖4-12所示。4.2.2伺服電動(dòng)機(jī)圖4-12交流伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)物圖交流伺服電動(dòng)機(jī)分類(lèi)與特點(diǎn)：用于伺服控制的交流電動(dòng)機(jī)主要有同步型交流電動(dòng)機(jī)和異步型交流電動(dòng)機(jī)。（1）同步型交流伺服電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子由永磁材料制成，轉(zhuǎn)動(dòng)后，隨著定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的變化，轉(zhuǎn)子也做相應(yīng)頻率的速度變化，而且轉(zhuǎn)子速度等于定子速度，所以稱(chēng)“同步”，同步型交流伺服電動(dòng)機(jī)。同步型交流伺服電動(dòng)機(jī)雖較異步型（感應(yīng)）電動(dòng)機(jī)復(fù)雜，但比直流電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單。它的定子與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)一樣，都在定子上裝有對(duì)稱(chēng)三相繞組。而轉(zhuǎn)子卻不同，按不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又分電磁式及非電磁式兩大類(lèi)，如圖4-13所示。非電磁式又分為磁滯式、永磁式和反應(yīng)式多種。其中磁滯式和反應(yīng)式同步電動(dòng)機(jī)存在效率低、功率因數(shù)較差、制造容量不大等缺點(diǎn)。數(shù)控機(jī)床中多用永磁式同步電動(dòng)機(jī)。4.2.2伺服電動(dòng)機(jī)圖4-13同步型交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子永磁式與電磁式相比，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、效率較高；缺點(diǎn)是體積大、啟動(dòng)特性欠佳。但永磁式同步電動(dòng)機(jī)采用高剩磁感應(yīng)，高矯頑力的稀土類(lèi)磁鐵后，可比直流電動(dòng)外形尺寸約小1/2，質(zhì)量減輕60%，轉(zhuǎn)子慣量減到直流電動(dòng)機(jī)的1/5。它與異步電動(dòng)機(jī)相比，由于采用了永磁鐵勵(lì)磁，消除了勵(lì)磁損耗及有關(guān)的雜散損耗，所以效率高。又因?yàn)闆](méi)有電磁式同步電動(dòng)機(jī)所需的集電環(huán)和電刷等，其機(jī)械可靠性與感應(yīng)（異步）電動(dòng)機(jī)相同，而功率因數(shù)卻大大高于異步電動(dòng)機(jī)，從而使永磁同步電動(dòng)機(jī)的體積比異步電動(dòng)機(jī)小些。4.2.2伺服電動(dòng)機(jī)（2）異步型交流伺服電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子由感應(yīng)線(xiàn)圈和鐵心材料構(gòu)成。轉(zhuǎn)動(dòng)后，定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子的感應(yīng)線(xiàn)圈，轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈產(chǎn)生感應(yīng)電流，進(jìn)而轉(zhuǎn)子產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，感應(yīng)磁場(chǎng)追隨定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的變化，但轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)變化永遠(yuǎn)小于定子磁場(chǎng)的變化。所以稱(chēng)“異步”。異步型交流伺服電動(dòng)機(jī)指的是交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。它有三相和單相之分，也有鼠籠式和線(xiàn)繞式，如圖4-14所示。通常多用鼠籠式三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。鼠籠式與線(xiàn)繞式相比，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與同容量的直流電動(dòng)機(jī)相比，質(zhì)量輕1/2，價(jià)格僅為直流電動(dòng)機(jī)的1/3。缺點(diǎn)是不能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)范圍很廣的平滑調(diào)速，必須從電網(wǎng)吸收滯后的勵(lì)磁電流。因而令電網(wǎng)功率因數(shù)變壞。這種鼠籠轉(zhuǎn)子的異步型交流伺服電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)為異步型交流伺服電動(dòng)機(jī)，用IM表示。4.2.2伺服電動(dòng)機(jī)圖4-14交流異步伺服電動(dòng)機(jī)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)原理上就是一臺(tái)兩相交流異步電動(dòng)機(jī)。它的定子上正交放置兩相繞組，這兩相繞組一個(gè)叫勵(lì)磁繞組，另一相為控制繞組。轉(zhuǎn)子一般有兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是籠型轉(zhuǎn)子，這種轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)與普通籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子相同；另一種是非磁性空心杯型轉(zhuǎn)子，如圖4-15所示?；\型轉(zhuǎn)子與空心杯轉(zhuǎn)子比較。前者輸出力矩大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、勵(lì)磁電流小、效率高，唯一不足是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，因而動(dòng)態(tài)響應(yīng)不如空心杯轉(zhuǎn)子快。空心杯轉(zhuǎn)子具有慣性小，反應(yīng)靈敏，調(diào)速范圍大、但這種電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流較大，因而功率因素和效率較低。4.2.2伺服電動(dòng)機(jī)圖4-15兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)表4-3兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍兩相異步交流伺服電動(dòng)機(jī)主要用于小功率控制系統(tǒng)中。目前用得最多的是鼠籠轉(zhuǎn)子的交流伺服電動(dòng)機(jī)。兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍見(jiàn)表4-3。相異步交流伺服電動(dòng)機(jī)主要用于小功率控制系統(tǒng)中。目前用得最多的是鼠籠轉(zhuǎn)子的交流伺服電動(dòng)機(jī)。兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍見(jiàn)表4-3。返回主頁(yè)4.3.1步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)認(rèn)知4.3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)4.3步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)4.3步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)能將脈沖信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成角位移（或直線(xiàn)位移），這在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中特別方便，使用它可省去數(shù)模轉(zhuǎn)換接口。步進(jìn)電機(jī)的角位移是一個(gè)步距一個(gè)步距（對(duì)應(yīng)個(gè)脈沖）移動(dòng)的，所以稱(chēng)為步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)已確定，控制方式選定后，步距角的大小是固定的。所以可以對(duì)它進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4-16所示。三相六極反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子有六個(gè)磁極，每個(gè)磁極上均裝有集中繞組作為控制繞組。相對(duì)的定子磁極繞組串聯(lián)構(gòu)成一相繞組，由專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)電源供電.轉(zhuǎn)子鐵心是由軟磁材料構(gòu)成，其上均勻分布了四個(gè)齒，齒上無(wú)任何轉(zhuǎn)子繞組。返回主頁(yè)圖4-16步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)2.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理如圖4-16（b）步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖所示，設(shè)啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子的1、3齒在A(yíng)相繞組極的附近，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖通往A相，則磁通企圖沿著磁阻最小的路徑閉合，在此磁場(chǎng)力的作用下，轉(zhuǎn)子的1、3齒要和A極對(duì)齊,圖4-17（a）所示。下一個(gè)脈沖通入B相，則磁通要按磁阻最小的路徑閉合，即2、4齒要和B極對(duì)齊，圖4-17（b）所示。也即轉(zhuǎn)子順時(shí)針?lè)较蜃吡艘徊?。再下一個(gè)脈沖通入C相，根據(jù)磁通沿磁阻最小的路徑閉合原理，1、3齒要和C極對(duì)齊，圖4-17（c）所示。也即轉(zhuǎn)子又順時(shí)針走了一步。依次不斷地給A、B、C相以脈沖，則步進(jìn)電機(jī)就一步一步地按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。若通電脈沖的次序?yàn)锳、C、B、.....不難推出，轉(zhuǎn)子將以逆時(shí)針?lè)较蛞徊讲叫D(zhuǎn)。這樣，用不同的分配脈沖次序的方式就可以方便地實(shí)現(xiàn)控制步進(jìn)電機(jī)。4.3.1步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)認(rèn)知圖4-17反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的通電方式（三相單三拍）3.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子通電狀態(tài)每改變一次稱(chēng)為一拍；每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的機(jī)械角度稱(chēng)為步距角θ。（1）三相單三拍通電方式如圖4-17所示的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，A、B、C三相繞組輪流通電方式，稱(chēng)為三相單三拍通電方式。其中，“單”是指任何時(shí)刻只有一相繞組通電，三拍意味著一個(gè)周期內(nèi)通電狀態(tài)共改變?nèi)?，?duì)應(yīng)其步距角θ=30°。.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子通電狀態(tài)每改變一次稱(chēng)為一拍；每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的機(jī)械角度稱(chēng)為步距角θ。4.3.1步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)認(rèn)知（1）三相單三拍通電方式如圖4-17所示的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，A、B、C三相繞組輪流通電方式，稱(chēng)為三相單三拍通電方式。其中，“單”是指任何時(shí)刻只有一相繞組通電，三拍意味著一個(gè)周期內(nèi)通電狀態(tài)共改變?nèi)?，?duì)應(yīng)其步距角θ=30°。4.3.1步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)認(rèn)知（2）三相雙三拍運(yùn)行方式三相雙三拍通電方式是指：任何時(shí)刻均有兩相定子繞組通電，其通電順序?yàn)锳B→BC→CA→AB,此時(shí)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針運(yùn)行；若希望轉(zhuǎn)子順時(shí)針運(yùn)行，則通電順序變?yōu)锳C→CB→BA→AC。三相雙三拍通電方式下，轉(zhuǎn)子的步距角與單三拍相同。即如圖4-18所示的三相六極步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，步距角仍為θ=30o。三相雙三拍通電方式因轉(zhuǎn)子受到兩個(gè)相反方向上的轉(zhuǎn)矩而平衡，故轉(zhuǎn)子振動(dòng)小、運(yùn)行穩(wěn)定。4.3.1步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)認(rèn)知圖4-18反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的通電方式（三相雙三拍）（3）三相單、雙六拍通電方式如果步進(jìn)電機(jī)通電方式的各拍交替出現(xiàn)單、雙相通電狀態(tài)，這種通電方式稱(chēng)為單雙相輪流通電方式。三相步進(jìn)電機(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(chēng)為三相六拍通電方式，即A→AB→B→BC→C→CA→A。由于六拍為一通電循環(huán)周期，因此，每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的步距角變?yōu)閱稳牡囊话耄处?15°如圖4-19所示的。4.3.1步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)認(rèn)知圖4-19反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的通電方式（三相單、雙六拍）步進(jìn)電機(jī)除了做成三相的外，還可做成四相、五相、六相的。一般情況下，m相步進(jìn)電機(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)的通電方式可分別稱(chēng)為m相單m拍、m相雙m拍或2m拍通電方式。由于上述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角較大，如用于精度要求很高的數(shù)控機(jī)床等控制系統(tǒng)，會(huì)嚴(yán)重影響到加工工件的精度。這種結(jié)構(gòu)只在分析原理時(shí)采用，實(shí)際使用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)都是小步距角的。4.3.1步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)認(rèn)知（4）小步距角的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為了減小步距角，在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定、轉(zhuǎn)子均采用多齒結(jié)構(gòu)如圖4-20（a）所示為最常見(jiàn)的一種小步距角的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,圖4-20（b）為五相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，各磁極前端采用多齒結(jié)構(gòu)。4.3.1步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)認(rèn)知圖4-20小步距角反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)在圖4-20（a）中，三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子上有六個(gè)磁極，極上有定子繞組，沿直徑相對(duì)的兩個(gè)極的線(xiàn)圈串聯(lián)，構(gòu)成一相控制的繞組，共有A、B、C三相。轉(zhuǎn)子圓周上均勻分布若干個(gè)小齒，定子每個(gè)磁極端面上也有若干個(gè)小齒。根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作的要求，定子、轉(zhuǎn)子的齒寬、齒距必須相等，定子、轉(zhuǎn)子齒數(shù)要適當(dāng)配合，即要求在A(yíng)相一對(duì)磁極下，定子、轉(zhuǎn)子齒一一對(duì)齊時(shí)，下一相（B相）所在一對(duì)極下的定子、轉(zhuǎn)子齒錯(cuò)開(kāi)一齒距（t）的1/m（m為相數(shù)），即為t/m;再下一相（C相）的一對(duì)極下定子、轉(zhuǎn)子齒錯(cuò)開(kāi)2t/m，依次類(lèi)推，如圖4-21所示。4.3.1步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)認(rèn)知圖4-21小步距角的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)4.3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)1.步進(jìn)電機(jī)的控制與驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行要求足夠功率的電脈沖信號(hào)按一定的順序分配到各相繞組。所以，與其它旋轉(zhuǎn)電機(jī)不同的是步進(jìn)電機(jī)的工作需要專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)物如圖4-22所示。驅(qū)動(dòng)器的作用是對(duì)控制脈沖進(jìn)行環(huán)形分配、功率放大，使步進(jìn)電機(jī)繞組按一定順序通電以驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子正反向旋轉(zhuǎn)。因此，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量及頻率，就可以精確控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速。驅(qū)動(dòng)器由環(huán)形脈沖分配器和功率放大器組成，其結(jié)構(gòu)如圖圖4-23所示。圖4-22步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器圖4-23步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（1）環(huán)形分配器

環(huán)形分配器的功能是將控制器送來(lái)的一串指令脈沖,按步進(jìn)電機(jī)所要求的通電順序分配給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的各相輸入端,以控制勵(lì)磁繞組的通斷,實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行及換向。環(huán)形分配的功能可由硬件或軟件的方法來(lái)實(shí)現(xiàn),分別稱(chēng)為軟件環(huán)形分配器和硬件環(huán)形分配器。4.3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)1）軟件環(huán)形分配器

是計(jì)算機(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(mǎn)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，以減少硬件成本，尤其是多相電動(dòng)機(jī)的脈沖分配更顯示出它的優(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。4.3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)2）硬件環(huán)形分配器

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(mén)等）構(gòu)成，特點(diǎn)是體積大、成本高、可靠性差。專(zhuān)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)電機(jī)的專(zhuān)用環(huán)形分配器，它的引腳功能圖及三相六拍線(xiàn)路圖如圖4-24所示。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是使用方便，接口簡(jiǎn)單。4.3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)圖4-24環(huán)形分配器CH250引腳圖及三相六拍線(xiàn)路（2）功率放大器

功率放大器的功能是將環(huán)形分配器送來(lái)的弱電信號(hào)變?yōu)閺?qiáng)電信號(hào)，以得到步進(jìn)電機(jī)控制繞組所需要的脈沖電流及所需要的脈沖波形。功率放大器種類(lèi)：按采用的功率放大器件可分為大功率晶體管、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管或可關(guān)斷晶閘管等；按工作原理可分為單電壓驅(qū)動(dòng)、高低電壓驅(qū)動(dòng)、恒流斬波、調(diào)頻調(diào)壓、細(xì)分電路等。本節(jié)重點(diǎn)介紹細(xì)分電路。4.3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)（3）步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，特別是單片計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，為步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)帶來(lái)了便利。目前，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路大多數(shù)都采用單片微機(jī)控制，它們的構(gòu)成圖如圖4-25所示。單片機(jī)根據(jù)要求的步距角計(jì)算出各項(xiàng)繞組中通過(guò)的電流值,并輸出到數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A）中，由D/A把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電壓，經(jīng)過(guò)環(huán)形分配器加到各相的功放電路上，控制功放電路給各相繞組通以相應(yīng)的電流，來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分。4.3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)圖4-25單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)框圖單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)末級(jí)功放管的工作狀態(tài)可分為放大型和開(kāi)關(guān)型兩種。放大型步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路中末級(jí)功放管的輸出電流直接受單片機(jī)輸出的控制電壓控制，電路較簡(jiǎn)單，電流的控制精度也較高，但是由于末級(jí)功放管工作在放大狀態(tài)，使功放管上的功耗較大，發(fā)熱嚴(yán)重，容易引起晶體管的溫漂，影響驅(qū)動(dòng)電路的性能。甚至還可能由于晶體管的熱擊穿，使電路不能正常工作。因此該驅(qū)動(dòng)電路一般應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)電流較小、控制精度較高、散熱情況較好的場(chǎng)合。4.3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)開(kāi)關(guān)型步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路中的末級(jí)功放管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而使得晶體管上的功耗大大降低，克服了放大型細(xì)分電路中晶體管發(fā)熱嚴(yán)重的問(wèn)題。但電路較復(fù)雜，輸出的電流有一定的波紋。因此該驅(qū)動(dòng)電路一般用于輸出力矩較大的步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。隨著大輸出力矩步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展，開(kāi)關(guān)型細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路近年來(lái)得到長(zhǎng)足的發(fā)展。目前，最常用的開(kāi)關(guān)型步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路有斬波式和脈寬調(diào)制（PWM）式兩種。4.3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)如圖4-26所示的斬波式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路。其基本工作原理是對(duì)電機(jī)繞組中的電流進(jìn)行檢測(cè)，和D/A輸出的控制電壓進(jìn)行比較，若檢測(cè)出的電流值大于控制電壓，電路將使功放管截止，反之，使功放管導(dǎo)通。這樣，D/A輸出不同的控制電壓，繞組中將流過(guò)不同的電流值。4.3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)圖4-26斬波式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路如圖4-27所示的脈寬調(diào)制式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路。其基本工作原理是把D/A輸出的控制電壓加在脈寬調(diào)制電路的輸入端，脈寬調(diào)制電路將輸入的控制電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)脈沖寬度的矩形波，通過(guò)對(duì)功放管通斷時(shí)間的控制，改變輸出到電機(jī)繞組上的平均電流。由于電機(jī)繞組是一個(gè)感性負(fù)載，對(duì)電流有一定的濾波作用，而且脈寬調(diào)制電路的調(diào)制頻率較高，一般大于20kHz，因此，雖然是斷續(xù)通電，但電機(jī)繞組中的電流還是較平穩(wěn)的。4.3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)圖4-27脈寬調(diào)制式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路脈寬調(diào)制式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路和斬波式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路相比，脈寬調(diào)制式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的控制精度高、工作頻率穩(wěn)定，但線(xiàn)路較復(fù)雜。因此，脈寬調(diào)制式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路多用于綜合驅(qū)動(dòng)性能要求較高的場(chǎng)合。脈寬調(diào)制式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)鍵是脈寬調(diào)制，它的作用是將給定的電壓信號(hào)調(diào)制成具有相應(yīng)脈沖寬度的矩形波。4.3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)（4）構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的專(zhuān)用集成電路1）脈沖分配器集成電路：如三洋公司的PMM8713、PMM8723、PMM8714等。

2）包含脈沖分配器和電流斬波的控制器集成電路：如SGS公司的L297、L6506等。3）只含功率驅(qū)動(dòng)（或包含電流控制、保護(hù)電路）的驅(qū)動(dòng)器集成電路：如日本新電元工業(yè)公司的MTD1110（四相斬波驅(qū)動(dòng)）和MTD2001（兩相、H橋、斬波驅(qū)動(dòng)）。4）將脈沖分配器、功率驅(qū)動(dòng)、電流控制和保護(hù)電路都包括在內(nèi)的驅(qū)動(dòng)控制器集成電路，如東芝公司的TB6560AHQ、MOTOROLA公司的SAA1042（四相）和ALLEGRO公司的UCN5804（四相）等。4.3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)2.步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)是典型的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，指令信號(hào)是單向流動(dòng)的。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)沒(méi)有位置和速度反饋回路，省去了檢測(cè)裝置，其精度主要由步進(jìn)電機(jī)來(lái)決定，速度也受到步進(jìn)電機(jī)性能的限制，系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，不需要像閉環(huán)伺服系統(tǒng)那樣進(jìn)行復(fù)雜的設(shè)計(jì)計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用維護(hù)方便、可靠性高、制造成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)，在中小型機(jī)床和速度、精度要求不十分高的場(chǎng)合，得到了廣泛的應(yīng)用。4.3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)（1）步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)的組成如圖4-28所示的步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)由控制器、驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)組成?？刂破骺刂破饔纸忻}沖發(fā)生器，提供從幾赫茲到幾萬(wàn)赫茲的頻率信號(hào)連續(xù)可調(diào)的脈沖信號(hào)。目前主要有PLC、單片機(jī)、運(yùn)動(dòng)板卡等等。驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的作用是把脈沖源發(fā)出的進(jìn)給脈沖進(jìn)行重新分配，并把此信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各定于繞組依次通、斷電的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（如絲杠）與執(zhí)行部件連接在一起，將轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成執(zhí)行部件的移動(dòng)。4.3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)（2）步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)的控制原理下面從步進(jìn)電機(jī)的位移量、速度和移動(dòng)方向等三個(gè)方面對(duì)伺服系統(tǒng)的控制原理進(jìn)行介紹。1）執(zhí)行部件的位移量控制

控制器發(fā)出n個(gè)進(jìn)給脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器后,變成控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組通、斷電的電平信號(hào)的變化次數(shù)N，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)變化N次，從而決定了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)角位移Φ：4.3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)Φ=N×θ(4-1)式中：Φ——步進(jìn)電動(dòng)機(jī)角位移；N——電平信號(hào)的變化次數(shù)；θ——步距角。該角位移經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行部件的位移量L：(4-2)式中：L——執(zhí)行部件的位移量；t——絲杠螺距。

顯然，L、Φ和N三者之間成正比關(guān)系。4.3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)2）執(zhí)行部件移動(dòng)速度的控制

控制器發(fā)出頻率為的連續(xù)電脈沖信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器后，最后表現(xiàn)為定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率f，并決定了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的角速度ω，經(jīng)絲杠等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)后，ω體現(xiàn)為執(zhí)行部件的移動(dòng)速度v，即進(jìn)給脈沖頻率f→定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率f→步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角速度ω→執(zhí)行部件的移動(dòng)速度

。4.3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)

3）執(zhí)行部件移動(dòng)方向的控制

當(dāng)控制器發(fā)出的進(jìn)給脈沖是正向時(shí)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器后，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。帶動(dòng)執(zhí)行部件正向移動(dòng)。當(dāng)進(jìn)給脈沖是反向時(shí)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器之后，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，從而使執(zhí)行部件反向移動(dòng)。

綜上所述，在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)中，用輸入脈沖的數(shù)量、頻率和方向控制執(zhí)行部件的位移量、移動(dòng)速度和移的方向，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)位移控制的要求。4.3.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)返回主頁(yè)4.4.1直流伺服系統(tǒng)認(rèn)知4.4.2直流伺服系統(tǒng)4.4直流伺服系統(tǒng)4.4直流伺服系統(tǒng)采用直流伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件的伺服系統(tǒng)，稱(chēng)為直流伺服系統(tǒng)。直流伺服系統(tǒng)種類(lèi)繁多，按伺服電動(dòng)機(jī)、功率放大器、檢測(cè)元件、控制器的種類(lèi)以及反饋信號(hào)與指令比較方式等可分為不同類(lèi)型的直流伺服系統(tǒng)。返回主頁(yè)4.4.1直流伺服系統(tǒng)認(rèn)知1.直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流伺服電動(dòng)機(jī)主要由由定子磁極、轉(zhuǎn)子電樞和換向機(jī)構(gòu)組成，如圖4-29所示。其中定子磁極在工作中固定不動(dòng)，故又稱(chēng)定子。定子磁極用于產(chǎn)生磁場(chǎng)。在永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)中，磁極采用永磁材料制成，充磁后即可產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)。在他勵(lì)式直流伺服電動(dòng)機(jī)中，磁極由沖壓硅鋼片疊成，外繞線(xiàn)圈，靠外加勵(lì)磁電流才能產(chǎn)生磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子電樞是直流伺服電動(dòng)機(jī)中的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，故又稱(chēng)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)有多種形式，最常見(jiàn)的是在有槽鐵心內(nèi)鋪設(shè)繞組的結(jié)構(gòu)。鐵芯由沖壓成的硅鋼片一類(lèi)材料迭壓而成；換向機(jī)構(gòu)由換向環(huán)和電刷構(gòu)成。繞組導(dǎo)線(xiàn)連接到換向片上，電流通過(guò)電刷及換向片引入到繞組中。圖4-29直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)2.直流伺服電機(jī)的工作原理直流伺服電動(dòng)機(jī)是在定子磁場(chǎng)的作用下，使通有直流電的電樞（轉(zhuǎn)子）受到電磁轉(zhuǎn)矩的驅(qū)使，帶動(dòng)負(fù)載旋轉(zhuǎn)。通過(guò)控制電樞繞組中電流的方向和大小，就可以控制直流伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和速度。當(dāng)電樞繞組中電流為零時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)則靜止不動(dòng)。如圖4-34（a）所示，N和S是一對(duì)固定的磁極，可以是電磁鐵,也可以是永久磁鐵。磁極之間有一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵質(zhì)圓柱體，稱(chēng)為電樞鐵心。鐵心表面固定一個(gè)用絕緣導(dǎo)體構(gòu)成的電樞線(xiàn)圈，線(xiàn)圈的兩端分別接到相互絕緣的兩個(gè)半圓形銅片（換向片）上，它們的組合在一起稱(chēng)為換向器，在每個(gè)半圓銅片上又分別放置一個(gè)固定不動(dòng)而與之滑動(dòng)接觸的電刷A和B，線(xiàn)圈通過(guò)換向器和電刷接通外電路。4.4.1直流伺服系統(tǒng)認(rèn)知圖4-30直流伺服電機(jī)工作原理示意圖將外部直流電源加于電刷A（正極）和B（負(fù)極）上，則線(xiàn)圈abcd中流過(guò)電流,在導(dǎo)體ab中，電流由a指向b，在導(dǎo)體cd中，電流由c指向d。導(dǎo)體ab和cd分別處于N-S極磁場(chǎng)中，受到電磁力的作用，用左手定則可知導(dǎo)體ab和cd均受到電磁力的作用，且形成的轉(zhuǎn)矩方向一致，這個(gè)轉(zhuǎn)矩稱(chēng)為電磁轉(zhuǎn)矩，為逆時(shí)針?lè)较?。這樣，電樞就順著逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，如圖4-30（b）所示。當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)180°，導(dǎo)體cd轉(zhuǎn)到N極下，ab轉(zhuǎn)到S極下，如圖4-30（c）所示，由于電流仍從電刷A流入，使cd中的電流變?yōu)橛蒬流向c，而ab中的電流由b流向a，從電刷B流出，用左手定則判別可知，電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍是逆時(shí)針?lè)酵?.4.1直流伺服系統(tǒng)認(rèn)知由此可見(jiàn)，加于直流電動(dòng)機(jī)的直流電源，借助于換向器和電刷的作用，使直流電動(dòng)機(jī)電樞線(xiàn)圈中流過(guò)的電流，方向是交變的，從而使電樞產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變，確保直流電動(dòng)機(jī)朝確定的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。實(shí)際的直流電動(dòng)機(jī)，電樞圓周上均勻地嵌放許多線(xiàn)圈，相應(yīng)地?fù)Q向器由許多換向片組成，使電樞線(xiàn)圈所產(chǎn)生的總的電磁轉(zhuǎn)矩足夠大并且比較均勻，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也就比較均勻。4.4.1直流伺服系統(tǒng)認(rèn)知3.直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制與驅(qū)動(dòng)（1）直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方式主要有兩種：電樞電壓控制和勵(lì)磁磁場(chǎng)控制。1）電樞電壓控制

勵(lì)磁磁通保持不變，改變電樞繞組的控制電壓。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，升高電樞電壓，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就升高；反之轉(zhuǎn)速就降低。電樞電壓等于零時(shí)，電機(jī)不轉(zhuǎn)。電樞電壓改變極性時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。4.4.1直流伺服系統(tǒng)認(rèn)知2）勵(lì)磁磁場(chǎng)控制

電樞繞組電壓保持不變，改變勵(lì)磁回路的電壓。若電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，當(dāng)升高勵(lì)磁電壓時(shí)，勵(lì)磁電流增加，主磁通增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速就降低；反之，轉(zhuǎn)速升高。改變勵(lì)磁電壓的極性，電機(jī)轉(zhuǎn)向隨之改變。盡管磁場(chǎng)控制也可達(dá)到控制轉(zhuǎn)速大小和旋轉(zhuǎn)方向的目的，但勵(lì)磁電流和主磁通之間是非線(xiàn)性關(guān)系，且隨著勵(lì)磁電壓的減小其機(jī)械特性變軟，調(diào)節(jié)特性也是非線(xiàn)性的，故少用。直流伺服電動(dòng)機(jī)主要采用電樞電壓控制方式。4.4.1直流伺服系統(tǒng)認(rèn)知（2）直流伺服電動(dòng)機(jī)的驅(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。因此直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上是一個(gè)可控的大功率整流電路。直流伺服電動(dòng)機(jī)目前常用晶閘管驅(qū)動(dòng)（SCR驅(qū)動(dòng)）和脈寬調(diào)制放大器（PWM驅(qū)動(dòng)）。這里重點(diǎn)討論P(yáng)WM驅(qū)動(dòng)。直流電機(jī)通常需要工作在正反轉(zhuǎn)的場(chǎng)合，因此需要可逆PWM系統(tǒng)?？赡鍼WM系統(tǒng)又分為單極性可逆PWM和雙極性可逆PWM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。目前常用的是雙極性可逆PWM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。4.4.1直流伺服系統(tǒng)認(rèn)知1）雙極性可逆PWM系統(tǒng)雙極性可逆PWM驅(qū)動(dòng)是指在一個(gè)控制周期內(nèi)，電機(jī)電樞承受正負(fù)變化的電壓。圖4-31(a)是常用的H橋式雙極性可逆PWM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電路圖。在每個(gè)PWM周期內(nèi)的0≤t<ton時(shí)間，Ui是高電平，VT1、TV4導(dǎo)通，此時(shí)VT2、VT3截止，這時(shí)電樞電壓方向?yàn)锳到B，UAB=US，電樞電流id沿回路1流通，電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)；在ton≤t<T時(shí)間內(nèi)，電樞電壓方向?yàn)锽到A，如果電機(jī)帶的是較大負(fù)載，則電機(jī)的電樞電流不能立即變向，電機(jī)仍然保持正轉(zhuǎn)，但是電樞電流的幅值會(huì)有所下降。正轉(zhuǎn)的電流波形如圖4-39(b)所示。反轉(zhuǎn)的情形正好相反。從分析也可以看出，在一個(gè)PWM的周期內(nèi)，電樞兩端的電壓經(jīng)歷了正反兩次變化，稱(chēng)之為“雙極性”。4.4.1直流伺服系統(tǒng)認(rèn)知圖4-31雙極性H型PWM驅(qū)動(dòng)電路圖及波形圖電機(jī)如果帶輕載運(yùn)行，此時(shí)由于負(fù)載的作用，電機(jī)的電流很小，電流波形基本在橫軸上下波動(dòng)。如圖4-19(b)所示。在0≤t<ton時(shí)間內(nèi)，VT2、VT3截止，在自感電動(dòng)勢(shì)的作用下，電樞電流經(jīng)續(xù)流二極管VD1和VD4保持原流向由B到A，電動(dòng)機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)，并且由于VD1和VD4的鉗位作用，VT1、VT4同樣截止；當(dāng)電流減至0時(shí)，電樞電流在電源的作用下由A流向B，此時(shí)VT1、VT4開(kāi)始導(dǎo)通，電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)；在ton≤t<T時(shí)間內(nèi)，VT1、VT4截止，與之前一樣，電樞電流由于自感的作用通過(guò)二極管VD2和VD3的續(xù)流作用先保持流向A到B，當(dāng)減至0后，VT2、VT3開(kāi)始導(dǎo)通，此時(shí)電機(jī)又處于能耗制動(dòng)狀態(tài)。因此，在輕載運(yùn)行期間，電機(jī)的狀態(tài)呈電動(dòng)制動(dòng)變化。4.4.1直流伺服系統(tǒng)認(rèn)知在一個(gè)周期內(nèi)電樞兩端電壓的平均值為:

（4-3）由式（4-3）可見(jiàn)，Ud的大小取決于占空比的大小。顯然，當(dāng)=0時(shí)，=-,電機(jī)反轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)速最大；當(dāng)=1時(shí)，=，電機(jī)正轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)速最大；當(dāng)=1/2時(shí)，=0，電機(jī)不轉(zhuǎn)。4.4.1直流伺服系統(tǒng)認(rèn)知2）直流伺服電機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)裝置根據(jù)PWM的工作原理，必須有一種電路或裝置將控制轉(zhuǎn)速的指令轉(zhuǎn)換成脈沖的寬度，其中元件工作在高速開(kāi)關(guān)狀態(tài)，這種裝置叫直流PWM驅(qū)動(dòng)裝置。驅(qū)動(dòng)裝置組成的原理如圖4-40所示。4.4.1直流伺服系統(tǒng)認(rèn)知圖4-32PWM脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路原理圖①頻率脈沖發(fā)生器可以是三角波發(fā)生器或者鋸齒波發(fā)生器，它的作用是產(chǎn)生一個(gè)頻率固定的調(diào)制信號(hào)Uo。②電壓－脈沖變換器的作用是將外加直流控制電平信號(hào)Ue與脈沖頻率發(fā)生器送來(lái)的三角波電壓Uo在其中混合后，產(chǎn)生一個(gè)寬度被調(diào)制了的開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)。③分配器的作用是將電壓-脈沖變換器輸出的脈沖信號(hào)按一定的邏輯關(guān)系分配到功率放大器的各個(gè)晶體管基極，以保證各晶體管協(xié)調(diào)工作。④基極驅(qū)動(dòng)電路工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，它對(duì)寬度被調(diào)制了的脈沖信號(hào)進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動(dòng)主電路的功率晶體管。⑤開(kāi)關(guān)功率放大器的作用是對(duì)電壓-脈寬變換器輸出的信號(hào)Us進(jìn)行放大，輸出具有足夠功率的信號(hào)Up

，以驅(qū)動(dòng)直流伺服電動(dòng)機(jī)。4.4.1直流伺服系統(tǒng)認(rèn)知圖4-33所示是一個(gè)電壓-脈沖變換器電路及調(diào)制原理的波形圖。當(dāng)控制電壓Ue為零時(shí)，輸出電壓UA和UB的脈沖寬度相同，且等于T/2（T為三角波的周期）。當(dāng)控制電壓Ue為正時(shí)，UA的寬度大于T/2，UB的寬度小于T/2；Ue為負(fù)時(shí)，情況則相反。由此得到兩種不同的被調(diào)制直流電壓。圖4-34PWM脈寬調(diào)制器的外型及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。4.4.1直流伺服系統(tǒng)認(rèn)知圖4-33PWM脈寬調(diào)制電路及波形圖圖4-34PWM脈寬調(diào)制器的外型及內(nèi)部結(jié)構(gòu)3）常用的PWM驅(qū)動(dòng)控制的芯片上面都是有分立元件構(gòu)成的電路，實(shí)際使用中制作麻煩，故障率高。通常采用集成的H橋驅(qū)動(dòng)芯片，集成度高，使用方便，可靠性高。如L9110,L298N，LMD18200,TA7257P、IN8510/IN8520,IN8530等。①L9110是為控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)的兩通道推挽式功率放大專(zhuān)用集成電路器件，在驅(qū)動(dòng)繼電器、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或開(kāi)關(guān)功率管的使用上安全可靠。被廣泛應(yīng)用于玩具汽車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和開(kāi)關(guān)功率管等電路上。②L298N是SGS公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線(xiàn)圈等感性負(fù)載。使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。

4.4.1直流伺服系統(tǒng)認(rèn)知③LMD18200是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司（NS）推出的專(zhuān)用于運(yùn)動(dòng)控制的H橋組件。同一芯片上集成有CMOS控制電路和DMOS功率器件，利用它可以與主處理器、電機(jī)和增量型編碼器構(gòu)成一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。LMD18200廣泛應(yīng)用于打印機(jī)、機(jī)器人和各種自動(dòng)化控制領(lǐng)域。

④TL494和TL495是美國(guó)德克薩斯儀器公司的產(chǎn)品，原是為開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的脈沖寬度調(diào)節(jié)器作為雙端輸出類(lèi)型的脈沖寬度調(diào)制器。國(guó)標(biāo)規(guī)定為CW494。⑤IN8510、IN8520,IN8530是由INTERSL公司生產(chǎn)的單片功率運(yùn)算放大器集成電路，它們是專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)直流伺服電動(dòng)機(jī)、直線(xiàn)或旋轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電控閥門(mén)、X-Y打印機(jī)電動(dòng)機(jī)。4.4.1直流伺服系統(tǒng)認(rèn)知4.4.2直流伺服系統(tǒng)由于伺服控制系統(tǒng)的速度和位移都有較高的精度要求，因而直流伺服電動(dòng)機(jī)通常以閉環(huán)或半閉環(huán)控制方式應(yīng)用于伺服系統(tǒng)中。1.速度伺服系統(tǒng)速度控制是伺服系統(tǒng)中的一個(gè)重要內(nèi)容。它由速度控制單元、伺服電機(jī)、速度檢測(cè)裝置等構(gòu)成，速度控制單元用于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，是速度控制系統(tǒng)的核心.在可控硅構(gòu)成的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，只要改變可控硅的觸發(fā)角，就可以調(diào)節(jié)電樞電壓，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的；在PWM構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路中，只要改變脈沖的寬度，即可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。但這樣的調(diào)速系統(tǒng)是開(kāi)環(huán)的，由于直流電機(jī)本身的機(jī)械特性比較軟，直流開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)不能滿(mǎn)足機(jī)電體化系統(tǒng)的要求，在實(shí)際應(yīng)用中一般都采用閉環(huán)伺服系統(tǒng)。閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，目前用得最多的是晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)和PWM直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。這兩種調(diào)速系統(tǒng)般都是用永磁直流伺服電機(jī)調(diào)速的控制電路，調(diào)速方法是根據(jù)速度給定值與速度反饋值的差值來(lái)改變電機(jī)的電樞電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)速度的目的。如圖4-35所示，采用雙閉環(huán)原理組成的晶體管PWM調(diào)速系統(tǒng)，圖中TA是電流互感器。TG作為速度檢測(cè)的直流測(cè)速電機(jī)。圖4-35PWM速度伺服系統(tǒng)2.位置伺服系統(tǒng)

位置控制伺服系統(tǒng)是應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛的一類(lèi)系統(tǒng)，如數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、雷達(dá)天線(xiàn)和電子望遠(yuǎn)鏡的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等。在速度伺服系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加位置反饋環(huán)節(jié)就可構(gòu)成直流位置控制伺服系統(tǒng)。在位置伺服系統(tǒng)中，位置環(huán)有模擬式和數(shù)字式，前者如仿形機(jī)床伺服系統(tǒng)，采用自整角機(jī)的角度跟蹤系統(tǒng)等。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，在位置控制伺服系統(tǒng)中，越來(lái)越多采用數(shù)字式，而速度環(huán)常采用模擬式，構(gòu)成混合式的伺服系統(tǒng)。在這里只討論數(shù)字式的位置控制伺服系統(tǒng)。4.4.2直流伺服系統(tǒng)數(shù)字式位置控制系統(tǒng)根據(jù)其位置信號(hào)和比較方式可分為數(shù)字脈沖控制的伺服系統(tǒng)；數(shù)字式編碼控制的伺服系統(tǒng)；數(shù)字式相位控制的伺服系統(tǒng)；數(shù)字式幅值控制伺服系統(tǒng)四種控制方案。這里只介紹檢測(cè)反饋與比較電路比較簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛的數(shù)字脈沖控制伺服系統(tǒng)。這種控制方案是采用光柵、脈沖編碼器等位置檢測(cè)器，其比較方式是數(shù)字控制器中的可逆計(jì)數(shù)器，其原理如圖4-36所示。4.4.2直流伺服系統(tǒng)圖4-36數(shù)字式脈沖控制的伺服系統(tǒng)在數(shù)字式脈沖控制的伺服系統(tǒng)中，數(shù)控裝置的位移指令以指令脈沖數(shù)Pp給出，反饋信號(hào)由位置檢測(cè)器給出反饋脈沖Pf，它們分別進(jìn)入數(shù)字控制器中的加法器和減法器端，經(jīng)運(yùn)算輸出位置偏差量，該偏差量經(jīng)位置控制器、并通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后，輸出作為速度環(huán)的速度指令電壓信號(hào)，從而控制直流伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。4.4.2直流伺服系統(tǒng)返回主頁(yè)4.5.1交流伺服系統(tǒng)認(rèn)知4.5.2交流伺服系統(tǒng)4.5交流伺服系統(tǒng)4.5交流伺服系統(tǒng)20世紀(jì)80年代以來(lái),隨著集成電路、電力電子技術(shù)和交流可變速驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展,永磁同步交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)有了突出的發(fā)展,各國(guó)著名電氣廠(chǎng)商相繼推出各自的交流伺服電動(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器系列產(chǎn)品并不斷完善和更新。交流伺服系統(tǒng)已成為當(dāng)代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向,使原來(lái)的直流伺服面臨被淘汰的危機(jī)。永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)同直流伺服電動(dòng)機(jī)比較,主要優(yōu)點(diǎn)有：無(wú)電刷和換向器,因此工作可靠,對(duì)維護(hù)和保養(yǎng)要求低；定子繞組散熱比較方便；慣量小,易于提高系統(tǒng)的快速性；適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)；同功率下有較小的體積和重量。返回主頁(yè)4.5.1交流伺服系統(tǒng)認(rèn)知90年代以后,世界各國(guó)已經(jīng)商品化了的交流伺服系統(tǒng)是采用全數(shù)字控制的正弦波電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)。交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置在傳動(dòng)領(lǐng)域的發(fā)展日新月異。到目前為止，高性能的電伺服系統(tǒng)大多采用永磁同步型交流伺服電動(dòng)機(jī),控制驅(qū)動(dòng)器多采用快速、準(zhǔn)確定位的全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)。典型生產(chǎn)廠(chǎng)家如德國(guó)西門(mén)子、美國(guó)科爾摩根和日本松下及安川等公司。本節(jié)主要介紹永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)，永磁同步交流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器如圖4-37所示。圖4-37永磁同步交流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器1.永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)永磁同步交流伺服電機(jī)（PermanentMagnetSynchronousMotor，簡(jiǎn)稱(chēng)PMSM）用作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖4-38所示。電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和檢測(cè)元件組成。定子由沖片疊成，其外形呈多邊形,沒(méi)有機(jī)座,這樣有利于散熱。在定子齒槽內(nèi)嵌入某一極對(duì)數(shù)的三相繞組。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4-39所示。4.5.1交流伺服系統(tǒng)認(rèn)知圖4-38永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)物結(jié)構(gòu)圖圖4-39永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖永磁同步交流伺服電機(jī)的磁場(chǎng)來(lái)自電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上的永久磁鐵，永久磁鐵的特性在很大程度上決定了電機(jī)的特性。永久磁鐵有：鋁鎳鈷合金、鐵淦氧合金和釹鐵硼合金即稀士永磁臺(tái)金等，以稀士永磁合金的性能最好。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的位置不同，永磁同步交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可分為表面式、內(nèi)插式、內(nèi)埋式，如圖4-48所示。永久磁鐵的形狀可分為扇形和矩形兩種。4.5.1交流伺服系統(tǒng)認(rèn)知圖4-40永磁同步交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)永磁同步交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不同，則電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能、控制方法、制造工藝和適用場(chǎng)合也不同。檢測(cè)元件一般光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器加測(cè)速發(fā)電機(jī)，用以檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)角位置、位移和旋轉(zhuǎn)速度，以便提供永磁交流同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的絕對(duì)位置信息、位置反饋量和速度反饋量。永磁交流同步伺服電動(dòng)機(jī)目前在數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等小功率場(chǎng)合，獲得了較為廣泛的應(yīng)用。4.5.1交流伺服系統(tǒng)認(rèn)知2.永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)工作原理永磁同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和運(yùn)行是由定子繞組、轉(zhuǎn)子鼠籠繞組和永磁體這三者產(chǎn)生的磁場(chǎng)的相互作用而形成。如圖4-41所示，一個(gè)二極永磁轉(zhuǎn)子（也可以是多極），電動(dòng)機(jī)靜止時(shí)，給定子繞組通入三相對(duì)稱(chēng)電流，產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，圖中用另一對(duì)旋轉(zhuǎn)磁極表示，該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將以同步轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)。由于磁極同性相斥、異性相吸，與轉(zhuǎn)子的永磁磁極互相吸引，并帶著轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，使轉(zhuǎn)子由靜止開(kāi)始加速轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子加上負(fù)載轉(zhuǎn)矩之后，轉(zhuǎn)子磁極軸線(xiàn)將落后定子磁場(chǎng)軸線(xiàn)θ角，隨著負(fù)載增加，θ角也隨之增大；負(fù)載減少時(shí)，θ角也減少；只要不超過(guò)一定限度，轉(zhuǎn)子始終跟著定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以恒定的同步轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)。4.5.1交流伺服系統(tǒng)認(rèn)知轉(zhuǎn)子速度為：(4-4)式中：——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

——定子轉(zhuǎn)速磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速f——交流電源頻率（定子供電頻率）P——定子線(xiàn)圈的磁極對(duì)數(shù)

4.5.1交流伺服系統(tǒng)認(rèn)知由于這種同步電動(dòng)機(jī)不能自動(dòng)啟動(dòng)，所以在轉(zhuǎn)子上還裝有鼠籠式繞組而作為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)之用。鼠籠繞組放在轉(zhuǎn)子的周?chē)?。在同步運(yùn)行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)不再產(chǎn)生電流。此時(shí)轉(zhuǎn)子上只有永磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)，它與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。由此可知，永磁同步電動(dòng)機(jī)是靠轉(zhuǎn)子繞組的異步轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)的。啟動(dòng)完成后，轉(zhuǎn)子繞組不再起作用，由永磁體和定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。4.5.1交流伺服系統(tǒng)認(rèn)知圖4-41永磁交流伺服電機(jī)的工作原理旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向與繞組中電流的相序有關(guān)。假設(shè)三相繞組A、B、C中的電流相序按順時(shí)針流動(dòng)，則磁場(chǎng)按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，若把三根電源線(xiàn)中的任意兩根對(duì)調(diào)，則磁場(chǎng)按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。利用這一特性我們可很方便地改變?nèi)嚯妱?dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。這種反電動(dòng)勢(shì)波形和供電電流波形都是正弦波的電動(dòng)機(jī)稱(chēng)為“正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)”（PMSM），有時(shí)也簡(jiǎn)稱(chēng)“永磁同步電動(dòng)機(jī)”。4.5.1交流伺服系統(tǒng)認(rèn)知由式永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式4-3可以得出，電機(jī)的轉(zhuǎn)速n由電源頻率f和磁極對(duì)數(shù)p決定。我們把改變電動(dòng)機(jī)的供電頻率f實(shí)現(xiàn)調(diào)速的方法稱(chēng)為變頻調(diào)速；而改變磁極對(duì)數(shù)P進(jìn)行調(diào)速的方法叫變極調(diào)速。變頻調(diào)速一般是無(wú)級(jí)調(diào)速，變極調(diào)速是有級(jí)調(diào)速。通常采用變頻調(diào)速。4.5.1交流伺服系統(tǒng)認(rèn)知4.5.2交流伺服系統(tǒng)1.永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)控制與驅(qū)動(dòng)（1）永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)控制永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)普遍采用PWM的控制技術(shù)產(chǎn)生繞組電壓和電流。常用的方法有正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）、空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）、電流跟蹤控制三種。本節(jié)重點(diǎn)介紹正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）控制技術(shù)。1）SPWM控制技術(shù)(SPWM)用正弦波信號(hào)去調(diào)制三角波信號(hào)，會(huì)得到一個(gè)相當(dāng)于正弦函數(shù)值的相位角和面積等效于正弦波的脈沖序列，脈沖序列的占空比按正弦規(guī)律變化，占空比的比值由電壓幅值決定；脈沖的頻率由三角波頻率決定，脈沖序列可能包含各次諧波的頻譜成份，但其基波由調(diào)制波決定。等效的原則就是每一區(qū)間的面積相等。如果把正弦半波n等分，然后把一等分的正弦曲線(xiàn)與橫軸所包圍的面積用一個(gè)與此面積相等的矩形脈沖來(lái)代替，并且矩形脈沖的幅值保持不變，各脈沖的中點(diǎn)與正弦波的每一等分中點(diǎn)重合。這樣由n個(gè)等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波的半波周期等效，稱(chēng)為SPWM波形。同樣正弦波的負(fù)半周也可以采用同樣的方法與一系列負(fù)脈沖波等效。這種正弦波正，負(fù)半周分別用正，負(fù)脈沖等效的SPWM波形稱(chēng)為單極SPWM。產(chǎn)生單極SPWM電路如圖4-42,波形如圖4-43所示。4.5.2交流伺服系統(tǒng)圖4-42單極SPWM調(diào)制電路4.5.2交流伺服系統(tǒng)圖4-43單極SPWM輸出的波形（a）正弦調(diào)制波與三角載波（b）輸出的SPWM波圖中由三角波ut與正弦波uref一并送入電壓比較器,輸出即為SPWM調(diào)制波。如果輸出脈沖在“正”，和“負(fù)”之間變化，這就得到雙極式SPWM波形。雙極式SPWM波形的調(diào)制方式和單極式SPWM波形調(diào)制方式相似，只是輸出脈沖電壓的極性不同。三相正弦脈寬調(diào)制波調(diào)制電路及輸出的SPWM波形如圖4-44所示。4.5.2交流伺服系統(tǒng)圖4-44三相雙級(jí)性SPWM調(diào)制電路及輸出波形SPWM技術(shù)是為克服直流脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)的缺點(diǎn)（其輸出電壓中含較大的諧波分量）而發(fā)展起來(lái)的。它從電動(dòng)機(jī)的供電電源的角度出發(fā)，著眼于如何產(chǎn)生一個(gè)可調(diào)頻、調(diào)壓的三相正弦波電源。2)專(zhuān)用SPWM集成電路目前SPWM波形的生成和控制多用微機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用微機(jī)產(chǎn)生SPWM波形，其效果受到微機(jī)字長(zhǎng)、指令功能、運(yùn)算速度、存儲(chǔ)容量等條件的限制，有時(shí)難以有很好的實(shí)時(shí)性，特別是在高頻電力電子器件被廣泛應(yīng)用后，完全依靠軟件生成SPWM波形的方法實(shí)際，上很難適應(yīng)高開(kāi)關(guān)頻率的要求。4.5.2交流伺服系統(tǒng)隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)發(fā)出一些專(zhuān)門(mén)用來(lái)產(chǎn)生SPWM控制信號(hào)的集成電路芯片，應(yīng)用這些芯片比用微機(jī)生成SPWM信號(hào)要方便的多。目前已投入市場(chǎng)的專(zhuān)用SPWM芯片有Mullard公司的HEF4752、Siemens公司的SLE4520、Sanken公司的MB63H110，以及我國(guó)自行研制的ZPS-101、THP-4752等。其中，THP-4752與HEF4752的功能完全兼容。另外，現(xiàn)在有些單片機(jī)本身就具有直接輸出SPWM信號(hào)的功能，如8XC196MC、TMS320F2812等。TMS320F2812DSP芯片如圖4-45所示。4.5.2交流伺服系統(tǒng)圖4-45TMS320F2812DSP芯片

圖4-46TMS320F2812DSP功能組成框圖TMS320F2812DSP芯片基于高性能的32位CPU，指令執(zhí)行速率高達(dá)150MIPS，具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力和控制功能，其功能組成功能組成如圖4-46所示。片內(nèi)集成了大容量Flash存儲(chǔ)器、高速SRAM存儲(chǔ)器、功能強(qiáng)大的事件管理器(EV)、高速A/D轉(zhuǎn)換模塊、增強(qiáng)型CAN總線(xiàn)通信模塊、SCI串行通信接口、SPI串行外設(shè)接口、多通道緩沖串口、PLL時(shí)鐘模塊、看門(mén)狗、定時(shí)器以及多達(dá)56個(gè)多路復(fù)用通用IO等豐富、易用的高性能外設(shè)單元，適用于自動(dòng)化設(shè)備控制、電動(dòng)機(jī)數(shù)字控制、數(shù)字伺服系統(tǒng)控制等場(chǎng)合。4.5.2交流伺服系統(tǒng)（2）永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)在永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)中，為產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，一般采用SPWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)功率電路，在電動(dòng)機(jī)三相繞組中產(chǎn)生正弦波的電流，從而形成連續(xù)旋轉(zhuǎn)的定子圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。1)將三相雙極SPWM電路輸出雙極性的信號(hào)uaPWM、ubPWM、ucPWM加到逆變器的六個(gè)功放管上，就可在其輸出端得到與此波形類(lèi)似的三相脈沖電壓信號(hào)。uapwM輸出高電平，apwM輸出低電平，則T1導(dǎo)通，T2截止，逆變器橋臂A端輸出的電壓。T1關(guān)斷，T2導(dǎo)通，A端輸出的電壓。隨著uapwM

的交替變化，a端就會(huì)輸出正負(fù)交替變化的脈沖序列。同理在ubpwM和ucpwM的作用下，在逆變器b端和c端會(huì)輸出基波電壓相位與A端相差120o和240o的脈沖序列。這三個(gè)脈沖序列將在定子繞組中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)使電機(jī)旋轉(zhuǎn)起來(lái)。驅(qū)動(dòng)電路如圖4-47所示。4.5.2交流伺服系統(tǒng)圖4-47永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路2）專(zhuān)用的智能功率模塊IPM智能功率模塊(IntelligentPowerModule，IPM)不僅把功率器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，而且內(nèi)部還集成了過(guò)壓、過(guò)熱、欠壓等故障監(jiān)測(cè)電路，并可將監(jiān)測(cè)信號(hào)送給控制電路。既使發(fā)生過(guò)載或是使用不當(dāng)，也可保證IPM自身不受損壞。目前的IPM一般采用IGBT作為功率開(kāi)關(guān)元件，并且還集成有各種傳感器。IPM正以其可靠性高、使用方便的特點(diǎn)贏(yíng)得越來(lái)越大的市場(chǎng)，尤其適合制作驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的變頻器，是一種較為理想的電力電子器件。其外形封裝如圖4-48(a)所示。常用的有日本三菱公司生產(chǎn)IPM模塊系列，三菱PM100CVA120實(shí)物；如圖4-48(b)所示，富士R系列IGBT-IPM是應(yīng)用較廣泛的產(chǎn)品之一。4.5.2交流伺服系統(tǒng)圖4-48IPM實(shí)物圖（3）交流永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)采用的是自控式交直交電壓型電機(jī)控制方式，由整流、濾波、能耗、逆變、控制電路、三相交流永磁電機(jī)和位置傳感器BQ構(gòu)成。其系統(tǒng)原理圖如圖4-49所示。圖中，50HZ的市電經(jīng)整流后，由三相逆變器給電機(jī)的三相繞組供電，三相對(duì)稱(chēng)電流合成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永久磁鋼所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，拖動(dòng)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，通過(guò)位置傳感器實(shí)時(shí)讀取轉(zhuǎn)子磁鋼位置，變換成電信號(hào)控制逆變器功率器件開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)電流頻率和相位，使定子和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)保持穩(wěn)定的位置關(guān)系，才能產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩，定子繞組中的電流大小是由負(fù)載決定的。定子繞組中三相電流的頻率和相位隨轉(zhuǎn)子位置的變化而變化的，使三相電流合成一個(gè)與轉(zhuǎn)子同步的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，通過(guò)電力電子器件構(gòu)成的逆變電路的開(kāi)關(guān)變化實(shí)現(xiàn)三相電流的換相，代替了機(jī)械換向器。4.5.2交流伺服系統(tǒng)圖4-49永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)2.全數(shù)字交流永磁同步伺服系統(tǒng)交流伺服系統(tǒng)由交流伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器組成，驅(qū)動(dòng)器是系統(tǒng)核心部件，它直接決定到整個(gè)交流伺服系統(tǒng)的功能和性能。相應(yīng)的在永磁交流伺服系統(tǒng)中，伺服電機(jī)為正弦波永磁交流電機(jī)。（1）交流伺服驅(qū)動(dòng)器一個(gè)好的驅(qū)動(dòng)器應(yīng)該要有以下幾個(gè)方面的功能和作用。能夠很好地實(shí)現(xiàn)交流伺服系統(tǒng)位置、速度和轉(zhuǎn)矩三種控制方式，并達(dá)到達(dá)預(yù)定的輸出效果，以保證系統(tǒng)具有較好的動(dòng)、靜態(tài)性能。驅(qū)動(dòng)器工作原理示意圖如圖4-50所示。4.5.2交流伺服系統(tǒng)圖4-50伺服驅(qū)動(dòng)器工作原理示意圖速度指令和速度反饋信號(hào)在速度控制器的輸入端進(jìn)行比較，速度控制器輸出電流指令信號(hào)，這是一個(gè)表征電流幅值的直流量，但電動(dòng)機(jī)是交流電機(jī)，要求在其定子繞組中通入交流電。因此，必須將速度控制器輸出的直流電流指令交流化，使該交流電流指令的相位由轉(zhuǎn)子磁極位置決定，電流指令的頻率由轉(zhuǎn)子磁極的旋轉(zhuǎn)速度來(lái)決定，并且把電流指令矢量控制在與磁極所產(chǎn)生的磁通相正交的空間位置上，這樣就可以達(dá)到與直流伺服電動(dòng)機(jī)相似的轉(zhuǎn)矩控制。為此，將位置檢測(cè)器輸出的磁極位置信號(hào)，在乘法器中與直流電流指令值相乘，從而在乘法器的輸出端就獲得了交流電流指令。交流電流指令值與電流反饋信號(hào)相比較后，差值送入電流控制器。依靠電流控制回路的高速跟蹤能力，使在電機(jī)定子電樞繞組中產(chǎn)生出波形與交流電流指令相似但幅值要高得多的正弦電流，該電流與永磁體相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，推動(dòng)交流伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)。4.5.2交流伺服系統(tǒng)功率變換器主要由整流器和逆變器兩部分組成。整流器將輸入的三相交流電整流成直流電，經(jīng)過(guò)電容器濾波平滑后提供給逆變器作為它的直流輸入電壓，逆變器的作用似在脈寬調(diào)制控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，將輸入的直流電變成電壓與頻率可調(diào)的交流電，輸入到伺服電機(jī)的電樞繞組中。脈寬調(diào)制回路以一定的頻率產(chǎn)生出觸發(fā)功率器件的控制信號(hào)，使功率逆變器的輸出頻率和電壓保持協(xié)調(diào)關(guān)系，并使流入電樞繞組中的交流電流保持良好的正弦性。4.5.2交流伺服系統(tǒng)（2）全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器

全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器不僅克服了模擬式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等缺點(diǎn)，還充分發(fā)揮了數(shù)字控制在控制精度上的優(yōu)勢(shì)和控制方法的靈活性。能方便地調(diào)整和修改內(nèi)部參數(shù)，改變其工作方式以期能在不同的工作環(huán)境下保持良好的工作狀態(tài)；具有豐富的接口，能和其他設(shè)備或是上位機(jī)實(shí)行通信，能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)試和人機(jī)交互操作；保護(hù)設(shè)施齊全，要實(shí)現(xiàn)雙重和對(duì)重要部件的多重保護(hù)，最好有自我診斷和保護(hù)環(huán)節(jié)，一旦出現(xiàn)故障便能報(bào)警、停機(jī)并顯示故障報(bào)告，保證系統(tǒng)有很高的穩(wěn)定性,全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器原理如圖4-51所示。4.5.2交流伺服系統(tǒng)圖4-51全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)