學(xué)習(xí)情境⑤伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

學(xué)習(xí)情境⑤伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】能力目標(biāo)：①能從機(jī)電一體化性能角度深入理解伺服系統(tǒng)的重要性；②能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選擇和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的伺服系統(tǒng)；③具有良好的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。知識(shí)要求：①熟悉伺服系統(tǒng)的構(gòu)成及基本要求；②熟悉伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行元件及控制；③熟悉開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)；④熟悉閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)；技能要求：①能通過查閱資料完成信息的收集及綜合歸納；②能正確分析機(jī)電一體化系統(tǒng)中的伺服系統(tǒng)原理及構(gòu)成；③能正確理解伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。任務(wù)5.1伺服系統(tǒng)的分類及設(shè)計(jì)要求【任務(wù)描述】伺服系統(tǒng)是機(jī)電一體化產(chǎn)品的一個(gè)重要組成部分，而且往往是實(shí)現(xiàn)某些產(chǎn)品目的功能的主體。許多機(jī)電一體化產(chǎn)品(如數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等)，都通過它對(duì)輸出量進(jìn)行跟蹤控制，伺服系統(tǒng)其功能是通過機(jī)電結(jié)合才得以實(shí)現(xiàn)的，因此，某種意義上說伺服系統(tǒng)本身就是一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)。通過對(duì)伺服系統(tǒng)理論與實(shí)踐相結(jié)合的分析，了解和掌握它的工作原理，技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用范圍，對(duì)伺服系統(tǒng)的選擇和設(shè)計(jì)具有重要的意義。【任務(wù)分析】工程實(shí)際中，伺服系統(tǒng)的形式復(fù)雜多變，掌握其相關(guān)概念、構(gòu)成、分類、要求和典型設(shè)計(jì)步驟，會(huì)有利于促進(jìn)伺服系統(tǒng)具體原理和結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)及其實(shí)際應(yīng)用。【知識(shí)準(zhǔn)備】1.伺服系統(tǒng)的概念伺服系統(tǒng)（隨動(dòng)系統(tǒng)），是一種能夠跟蹤輸入的指令信號(hào)進(jìn)行動(dòng)作，從而獲得精確的位置、速度或力輸出的自動(dòng)控制系統(tǒng)。大多數(shù)伺服系統(tǒng)具有檢測(cè)反饋回路，按照反饋控制理論，伺服系統(tǒng)需不斷檢測(cè)在各種擾動(dòng)作用下被控對(duì)象輸出量的變化，與指令值進(jìn)行比較，并用兩者的偏差值對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以消除偏差，使被控對(duì)象輸出量始終跟蹤輸入的指令值。伺服控制的實(shí)例隨處可見，如工人操作機(jī)床進(jìn)行加工時(shí)，必須用眼睛始終觀察加工過程的進(jìn)行情況，通過大腦對(duì)來自眼睛的反饋信息進(jìn)行處理，決定下一步如何操作，然后通過手搖動(dòng)手輪，驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)上的工件或刀具來執(zhí)行大腦的決策，消除加工過程中出現(xiàn)的偏差，最終加工出符合要求的工件。在這個(gè)例子中，檢測(cè)、反饋與控制等功能是通過人來實(shí)現(xiàn)的，而在伺服系統(tǒng)中，這些功能都要通過傳感器、控制及信息處理裝置等來加以實(shí)現(xiàn)。如數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)中，位置檢測(cè)傳感器、數(shù)控裝置和伺服電動(dòng)機(jī)分別取代了人的眼睛、大腦和手的功能。2.伺服系統(tǒng)的分類伺服系統(tǒng)的種類很多，采用不同的分類方法，可得到不同類型的伺服系統(tǒng)。按被控量性質(zhì)的不同可將伺服系統(tǒng)分成位置、速度、力等伺服系統(tǒng)，其中最常見的是位置伺服系統(tǒng)，如數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)等。按驅(qū)動(dòng)方式的不同可將伺服系統(tǒng)分成電氣、液壓、氣動(dòng)等伺服系統(tǒng)。電氣伺服系統(tǒng)采用伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件，在機(jī)電一體化產(chǎn)品中應(yīng)用比較廣泛。按信息傳遞的不同分為連續(xù)控制和采樣控制。按控制原理的不同可將伺服系統(tǒng)分成開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)等伺服系統(tǒng)。開環(huán)伺服系統(tǒng)中無檢測(cè)反饋元件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但精度低；閉環(huán)伺服系統(tǒng)直接對(duì)輸出量進(jìn)行檢測(cè)和反饋，并根據(jù)輸出量對(duì)輸入量的實(shí)際偏差進(jìn)行控制，因而精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高；半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的檢測(cè)反饋元件位于機(jī)械執(zhí)行裝置的中間某個(gè)部位，將大部分機(jī)械構(gòu)件封閉在反饋控制環(huán)之外，性能介于開環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)之間。3.伺服系統(tǒng)的構(gòu)成無論多么復(fù)雜的伺服系統(tǒng)，都是由一些功能單元組成的。圖5-1是由各功能元件組成的伺服系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)方框圖，下面對(duì)各功能元件的作用加以說明，來介紹伺服系統(tǒng)的構(gòu)成。①比較元件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，以獲得控制系統(tǒng)動(dòng)作的偏差信號(hào)的環(huán)節(jié)，通常可通過電子電路或計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)。②調(diào)節(jié)元件又稱控制器，是伺服系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，其作用是對(duì)比較元件輸出的偏差信號(hào)進(jìn)行變換、放大，以控制執(zhí)行元件按要求動(dòng)作。調(diào)節(jié)元件的質(zhì)量對(duì)伺服系統(tǒng)的性能有著重要的影響，其功能一般由軟件算法加硬件電路實(shí)現(xiàn)，或單獨(dú)由硬件電路實(shí)現(xiàn)。③執(zhí)行元件伺服系統(tǒng)中執(zhí)行元件是機(jī)械部件和電子裝置的接口，其功能是在控制信號(hào)的作用下，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象工作。機(jī)電一體化產(chǎn)品中多采用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)作為執(zhí)行元件。④被控對(duì)象是伺服系統(tǒng)中被控制的設(shè)備或裝置，是直接實(shí)現(xiàn)目的功能或主功能的主體，其行為質(zhì)量反映著整個(gè)伺服系統(tǒng)的性能。被控對(duì)象一般都是機(jī)械裝置，包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。⑤測(cè)量和反饋元件是指?jìng)鞲衅骷捌湫盘?hào)檢測(cè)裝置，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)被控對(duì)象的輸出量并將其反饋到比較元件。如測(cè)量和反饋單元直接測(cè)量工作臺(tái)等最終移動(dòng)部件，此系統(tǒng)即為閉環(huán)系統(tǒng)，如圖5-1測(cè)量反饋環(huán)節(jié)的實(shí)線部分。反之從中間環(huán)節(jié)取得反饋信號(hào)，即為半閉環(huán)系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)著圖5-1中虛線部分。4.伺服系統(tǒng)的基本要求(1)穩(wěn)定性伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指當(dāng)作用在系統(tǒng)上的擾動(dòng)信號(hào)消失后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行，或者在輸入的指令信號(hào)作用下，系統(tǒng)能夠達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的能力。伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是系統(tǒng)本身的一種特性，取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成元件的參數(shù)(如慣性、剛度、阻尼、增益等)，與外界作用信號(hào)(包括指令信號(hào)和擾動(dòng)信號(hào))的性質(zhì)或形式無關(guān)。一個(gè)伺服系統(tǒng)是否穩(wěn)定，可根據(jù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，采用自動(dòng)控制理論所提供的各種方法來判別。對(duì)于位置伺服系統(tǒng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度很低時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)一種由摩擦特性所引起的、被稱為“爬行”的現(xiàn)象，這也是伺服系統(tǒng)不穩(wěn)定的一種表現(xiàn)。爬行會(huì)嚴(yán)重影響伺服系統(tǒng)的定位精度和位置跟蹤精度。(2)精度伺服系統(tǒng)的精度是指其輸出量復(fù)現(xiàn)輸入指令信號(hào)的精確程度。伺服系統(tǒng)工作過程中通常存在著三種誤差，即動(dòng)態(tài)誤差、穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差。穩(wěn)定的伺服系統(tǒng)對(duì)變化的輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程往往是一個(gè)振蕩衰減的過程，在動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程中輸出量與輸入量之間的偏差稱為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差。在動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程結(jié)束后，即在振蕩完全衰減掉之后，輸出量對(duì)輸入量的偏差可能會(huì)繼續(xù)存在，這個(gè)偏差稱為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。系統(tǒng)的靜態(tài)誤差則是指由系統(tǒng)組成元件本身的誤差及干擾信號(hào)所引起的系統(tǒng)輸出量對(duì)輸入量的偏差。精度是對(duì)伺服系統(tǒng)的一項(xiàng)重要的性能要求。人們總是希望所設(shè)計(jì)的伺服系統(tǒng)在任何情況下其輸出量的誤差都為零，但實(shí)際上這是不可能的。在實(shí)際設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)時(shí)，只要保證系統(tǒng)的誤差滿足精度指標(biāo)要求就可以了。影響伺服系統(tǒng)精度的因素很多，就系統(tǒng)組成元件本身的誤差來講，有傳感器的靈敏度和精度、伺服放大器的零點(diǎn)漂移和死區(qū)誤差、機(jī)械裝置中的反向間隙和傳動(dòng)誤差、各元器件的非線性因素等。此外，伺服系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)形式和輸入指令信號(hào)的形式對(duì)伺服系統(tǒng)精度都有重要影響。從構(gòu)成原理上講，有些系統(tǒng)無論采用多么精密的元器件，也總是存在穩(wěn)態(tài)誤差的，這類系統(tǒng)稱為有差系統(tǒng)，而有些系統(tǒng)卻是無差系統(tǒng)。系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差還與輸入指令信號(hào)的形式有關(guān)，當(dāng)輸入信號(hào)形式不同時(shí)，有時(shí)存在誤差，有時(shí)卻誤差為零。(3)快速響應(yīng)性快速響應(yīng)性是衡量伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)?？焖夙憫?yīng)性有兩方面含義，一是指動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程中，輸出量跟隨輸入指令信號(hào)變化的迅速程度，二是指動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程結(jié)束的迅速程度。伺服系統(tǒng)對(duì)輸入指令信號(hào)的響應(yīng)速度常由系統(tǒng)的上升時(shí)間(輸出響應(yīng)從零上升到穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間)來表征，它主要取決于系統(tǒng)的阻尼比。阻尼比小則響應(yīng)快，但阻尼比太小會(huì)導(dǎo)致最大超調(diào)量(系統(tǒng)輸出響應(yīng)的最大值與穩(wěn)態(tài)值之間的偏差)增大和調(diào)整時(shí)間(系統(tǒng)的輸出響應(yīng)達(dá)到并保持在其穩(wěn)態(tài)值的一個(gè)允許的誤差范圍內(nèi)所需要的時(shí)間)加長，使系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定性降低。伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程結(jié)束的迅速程度用系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間來描述，并取決于系統(tǒng)的阻尼比和無阻尼固有頻率。當(dāng)阻尼一定時(shí)，提高固有頻率值可以縮短響應(yīng)過程的持續(xù)時(shí)間。伺服系統(tǒng)的快速響應(yīng)性、穩(wěn)定性和精度三項(xiàng)基本性能要求是相互關(guān)聯(lián)的，在進(jìn)行伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須首先滿足穩(wěn)定性要求，然后在滿足精度要求的前提下盡量提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)性。上述三項(xiàng)是對(duì)一般伺服系統(tǒng)的基本性能要求，除此之外，對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品中常用的位置伺服系統(tǒng)，還有調(diào)速范圍、負(fù)載能力、可靠性、體積、質(zhì)量以及成本等方面的要求，這些要求都應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)給以綜合考慮。5.伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件執(zhí)行元件亦稱為驅(qū)動(dòng)元件，是機(jī)電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品必不可少的驅(qū)動(dòng)部件，如數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)、工作臺(tái)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)以及工業(yè)機(jī)器人手臂升降、回轉(zhuǎn)和伸縮運(yùn)動(dòng)等都用到驅(qū)動(dòng)部件。該元件是處于機(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接點(diǎn)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)換為機(jī)械能。根據(jù)使用能量的不同，可以將驅(qū)動(dòng)元件分為電氣式、液壓式和氣壓式等幾種類型。電氣是將電能變成電磁力，并用該電磁力驅(qū)動(dòng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。液壓式是先將電能變換為液壓能，并用電磁閥改變壓力油的流向，從而使液壓執(zhí)行元件驅(qū)動(dòng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。氣壓式與液壓式的原理相同，只是將介質(zhì)由油改為氣體而已。(1)電氣執(zhí)行元件電氣執(zhí)行元件包括控制用電機(jī)(步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī))、靜電電動(dòng)機(jī)、磁致伸縮器件、壓電元件、超聲波電動(dòng)機(jī)以及電磁鐵等?？刂朴秒姍C(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般由電源供給電力，經(jīng)電力變換后輸送給電機(jī)，使電機(jī)作回轉(zhuǎn)(或直線)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)負(fù)載機(jī)械(運(yùn)行機(jī)械)運(yùn)動(dòng)，并在指令器給定的指令位置定位停止。另外，其他電氣式執(zhí)行元件中還有微量位移的器件，例如：電磁鐵是由線圈和銜鐵兩部分組成，用于實(shí)現(xiàn)兩固定點(diǎn)間的快速驅(qū)動(dòng)；壓電驅(qū)動(dòng)器是利用壓電晶體的壓電效應(yīng)來驅(qū)動(dòng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)作微量位移的；電熱驅(qū)動(dòng)器是利用物體(如金屬棒)的熱變形來驅(qū)動(dòng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的直線位移，可用于微量進(jìn)給。

(2)液壓執(zhí)行元件在同樣輸出功率下，液壓驅(qū)動(dòng)裝置具有重量輕、慣量小、快速性好等優(yōu)點(diǎn)。它通常不用減速器便可以直接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)得到平滑的運(yùn)動(dòng)，且無死區(qū)。它適用于驅(qū)動(dòng)中大規(guī)模的機(jī)器，如采用液壓驅(qū)動(dòng)，由于它功率的增加和價(jià)格不成正比，則可以得到尺寸小、造價(jià)低的大功率驅(qū)動(dòng)裝置。液壓系統(tǒng)主要由高壓油泵、伺服閥、液壓馬達(dá)和其他輔助元件組成。其主要部件如下。①高壓油泵高壓油泵是液壓系統(tǒng)的心臟，它由三相電機(jī)帶動(dòng)，產(chǎn)生高壓油供給整個(gè)系統(tǒng)。為保證整個(gè)油路的清潔，在高壓油泵的進(jìn)出口油路上都有過濾器，以防止油液受污染。②伺服閥伺服閥用于控制高壓油流過伺服閥的速度。電液伺服閥由電信號(hào)控制，即伺服閥流出的高壓油流速與伺服閥輸入的信號(hào)成正比。伺服的時(shí)間常數(shù)約在5ms數(shù)量級(jí)，與其他各油路部分的滯后相比是很小的，可以忽略。③液壓馬達(dá)液壓馬達(dá)有旋轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)兩種類型。它的運(yùn)動(dòng)速度和伺服閥給出的高壓油的流動(dòng)速度成正比。行程小的直線運(yùn)行(約在800mm以下，因?yàn)橛透椎拈L寬比不能過大，一般長寬比應(yīng)在20以下，否則會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，特別是在高壓油流動(dòng)下更為嚴(yán)重，所以如果行程再大，油缸體積就太大了)，可以用油缸直接帶動(dòng)。旋轉(zhuǎn)式液壓馬達(dá)用在大功率的液壓伺服系統(tǒng)中，它能以較高速度運(yùn)動(dòng)，通過齒輪減速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行，直線行程大的機(jī)構(gòu)也可用旋轉(zhuǎn)式液壓馬達(dá)配上齒條一起工作。有齒輪工作的伺服系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生死區(qū)。④單向閥(溢流閥)單向閥防止高壓油直接回流到油泵去。因?yàn)槿绻辛诉@種回流，將破壞高壓油的壓力，影響整個(gè)系統(tǒng)性能。溢流閥的作用是當(dāng)高壓油超過規(guī)定的壓力時(shí)，泄漏一部分高壓油直接回到儲(chǔ)油箱，以保持油壓的恒定。⑤其他輔助元件儲(chǔ)油箱回收用過的高壓油，并通過回流回路回到高壓油泵，形成整個(gè)油泵的閉路循環(huán)。其他還有一些必要的液壓阻尼器，過濾器，各種閥門、管道等。液壓系統(tǒng)也有它固有的一些缺點(diǎn)，如對(duì)管道的安裝、調(diào)整，整個(gè)油路的防止污染及維護(hù)等性能都要求較高。管路中不可避免的泄漏、油液黏度隨溫度變化的特性以及各個(gè)輸油管引起的動(dòng)態(tài)延遲等都將使控制特性變壞。因此，在中小規(guī)模的機(jī)電系統(tǒng)中更多地使用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置。(3)氣壓執(zhí)行元件氣壓式執(zhí)行元件除了用壓縮空氣作工作介質(zhì)外，與液壓式執(zhí)行元件無什么區(qū)別，其驅(qū)動(dòng)功率在液壓和電動(dòng)之間。具有代表性的氣壓執(zhí)行元件有汽缸、氣壓馬達(dá)等，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。氣動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置由于它的控制特性不好，一般只用在點(diǎn)到點(diǎn)的簡(jiǎn)單固定動(dòng)作，且對(duì)其中間位置無要求的機(jī)器中。氣壓驅(qū)動(dòng)雖可得到較大的驅(qū)動(dòng)力、行程和速度，但由于空氣黏性差，具有可壓縮性，故不能在定位精度較高的場(chǎng)合使用。(4)常用的控制電機(jī)控制電機(jī)一般是指用于自動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)距離測(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)成開環(huán)控制、閉環(huán)控制、同步連接等系統(tǒng)的基礎(chǔ)元件，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。控制電機(jī)是在一般旋轉(zhuǎn)電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的小功率電機(jī)，就電磁過程及所遵循的基本規(guī)律而言，它與一般電機(jī)沒有本質(zhì)區(qū)別，只是所起的作用不同。傳動(dòng)電機(jī)主要用來完成能量的轉(zhuǎn)換，具有較高的力能指標(biāo)(如功率和功率因數(shù)等)；而控制電機(jī)則主要用來完成控制信號(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?？刂齐姍C(jī)的主要任務(wù)是轉(zhuǎn)換和傳遞控制信號(hào)，能量的轉(zhuǎn)換是次要的。①步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)又稱電脈沖馬達(dá)，是伺服電機(jī)的一種。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)用于開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)中。步進(jìn)電機(jī)按照產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的方式可分為永磁式(PM，permanentmagnet)、可變磁阻式(VR，variableresistance)和混合式(HB，hybridtype)3種。步進(jìn)電機(jī)有如下特點(diǎn)。1）輸出角與輸入脈沖嚴(yán)格成比例，且在時(shí)間上同步。步進(jìn)電機(jī)的步距角不受各種干擾因素，如電壓的大小、電流的強(qiáng)弱、波形等的影響，轉(zhuǎn)子的速度主要取決于脈沖信號(hào)的頻率，總的位移量則取決于總脈沖的個(gè)數(shù)。2）轉(zhuǎn)子慣量小，啟、停時(shí)間短。3）輸出轉(zhuǎn)角的精度高，無積累誤差。步進(jìn)電機(jī)實(shí)際步距角與理論步距角總有一定的誤差，且誤差可以累加，但是當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過一周后，總的誤差又回到零。4）易于計(jì)算機(jī)控制，維修方便，壽命長。步進(jìn)電機(jī)本身就是一個(gè)數(shù)／模轉(zhuǎn)換器，能夠直接接受計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量。5）容易實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)和啟、停控制。6）能量效率低，存在失步現(xiàn)象。②直流伺服電機(jī)直流伺服電機(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、控制特性優(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)械運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的電刷和換向器，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。直流伺服電機(jī)按定子磁場(chǎng)產(chǎn)生方式可分為永磁式和他勵(lì)式兩類，它們的性能相近。直流伺服電機(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等。直流伺服電機(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍見表5-1．圖5-2異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖5-3平板型直線異步電機(jī)圖5-4直線電機(jī)的工作原理圖5-6變磁阻式步進(jìn)電機(jī)原理圖5-7永磁式步進(jìn)電機(jī)原理圖③交流伺服電機(jī)兩相交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)與普通異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)差不多，其定繞組則與單相電容式異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)相類似。兩相交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子一般分為籠式轉(zhuǎn)子和杯形轉(zhuǎn)子兩種結(jié)構(gòu)形式。目前用得最多的是籠式轉(zhuǎn)子的交流伺服電機(jī)。交流伺服電機(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍見表5-2。④直線電機(jī)直線電機(jī)是一種能直接將電能轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的伺服驅(qū)動(dòng)元件。在交通運(yùn)輸、機(jī)械工業(yè)和儀器工業(yè)中，直線電機(jī)已得到推廣和應(yīng)用。它為實(shí)現(xiàn)高精度、響應(yīng)快和高穩(wěn)定的機(jī)電傳動(dòng)和控制開辟了新的領(lǐng)域。一般按工作原理來區(qū)分，可分為直線異步電機(jī)、直線直流電機(jī)和直線同步電機(jī)三種。下面只簡(jiǎn)單介紹一下直線異步電機(jī)。直線異步電機(jī)與籠式異步電機(jī)工作原理完全相同，兩者只是在結(jié)構(gòu)形式上有所差別。圖5-2所示是直線異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，它相當(dāng)于把旋轉(zhuǎn)異步電機(jī)[如圖5-2(a)所示]沿徑向剖開，并將定、轉(zhuǎn)子圓周展開成平面。直線異步電機(jī)的定子一般是初級(jí)，而它的轉(zhuǎn)子(動(dòng)子)則是次級(jí)。在實(shí)際應(yīng)用中，初級(jí)和次級(jí)不能做成完全相等長度，而應(yīng)該做成初、次級(jí)長短不等的結(jié)構(gòu)，如圖5-3所示。下面以短初級(jí)直線異步電機(jī)為例來說明直線電機(jī)的工作原理。直線電機(jī)是由旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變而來，因而當(dāng)初級(jí)的多相繞組通入多相電流后，也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)氣隙磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度按通電的相序作直線移動(dòng)(見圖5-4)，該磁場(chǎng)稱為行波磁場(chǎng)。顯然行波的移動(dòng)速度與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在定子內(nèi)圓表面的線速度是一樣的，這個(gè)速度稱為同步線速，用表示，且式中—極距，cm—電源頻率，Hz在行波磁場(chǎng)切割下，次級(jí)導(dǎo)條將產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)和電流，所有導(dǎo)條的電流和氣隙磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生切向電磁力。如果初級(jí)是固定不動(dòng)的，那么，次級(jí)就順著行波磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的方向做直線運(yùn)動(dòng)。直線異步電機(jī)的推力公式與三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩公式相似，即：式中—電機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù)；—初級(jí)磁極對(duì)數(shù)；—次級(jí)電流；—初級(jí)一對(duì)磁極的磁通量的幅值；—次級(jí)功率因數(shù)。在推力作用下，次級(jí)運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)小于同步速度，則滑差率為：故次級(jí)的移動(dòng)速度：上式表明直線異步電機(jī)的速度與電機(jī)極距及電源頻率成正比，因此，改變極距或電源頻率都可以改變電機(jī)的速度。與旋轉(zhuǎn)電機(jī)一樣，改變直線異步電機(jī)初級(jí)繞組的通電相序。就可以改變電機(jī)運(yùn)動(dòng)的方向，從而可使直線電機(jī)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。直線異步電機(jī)的機(jī)械特性、調(diào)速特性等都與交流伺服電機(jī)相似，因此，直線異步電機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速以及制動(dòng)方法與旋轉(zhuǎn)電機(jī)也相同。直線電機(jī)較之旋轉(zhuǎn)電機(jī)有下列優(yōu)點(diǎn)。1）直線電機(jī)無需中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因而使整個(gè)機(jī)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，提高了精度，減少了振動(dòng)和噪聲。2）響應(yīng)速度快。用直線電機(jī)拖動(dòng)時(shí)，由于不存在中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的慣量和阻力矩的影響，因而加速和減速時(shí)間短，可實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)和正反向運(yùn)行。3）散熱良好，額定值高，電流密度可取很大，對(duì)啟動(dòng)的限制小。4）裝配靈活性大，往往可將電機(jī)的定子和動(dòng)力分別與其他機(jī)體合成一體。直線電機(jī)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比較，它存在著效率低、電源功率大及低速性能差等缺點(diǎn)。直線電機(jī)主要用于吊車傳動(dòng)、金屬傳送帶、沖壓鍛壓機(jī)床以及高速電力機(jī)車等方面。此外，它還可以用在懸掛式車輛傳動(dòng)、工件傳送系統(tǒng)、機(jī)床導(dǎo)軌、門閥的開閉驅(qū)動(dòng)裝置等處。如將直線電機(jī)作為機(jī)床工作臺(tái)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置，則可將初級(jí)(定子)固定在被驅(qū)動(dòng)體(滑板)上，也可以將它固定在基座或床身上。國外已有數(shù)控繪圖機(jī)上應(yīng)用的實(shí)例?！救蝿?wù)實(shí)施】伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法①地點(diǎn)：實(shí)訓(xùn)基地。②設(shè)備：多媒體設(shè)備。③任務(wù)實(shí)施過程：a.學(xué)生分組接受學(xué)習(xí)工作任務(wù)，組長組織實(shí)際調(diào)研，綜合相關(guān)信息并通報(bào)交流；b.進(jìn)入實(shí)訓(xùn)基地，學(xué)生實(shí)訓(xùn)安全規(guī)程；c.教師通過多媒體課件輔導(dǎo)講授，幫助學(xué)生完成工作任務(wù)。伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性，決定了其設(shè)計(jì)過程的復(fù)雜性，不同要求的伺服系統(tǒng)，可采用不同的方法來設(shè)計(jì)，沒有一成不變的設(shè)計(jì)方法。但是設(shè)計(jì)之前一定要按照用戶所提出的具體要求，確立伺服系統(tǒng)的基本性能指標(biāo)，同時(shí)要充分了解市場(chǎng)上元器件的供應(yīng)、價(jià)格、性能、售后服務(wù)等情況。然后可以根據(jù)以下的一般步驟和方法進(jìn)行伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)。(1)設(shè)計(jì)要求分析，系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)首先對(duì)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行分析，明確其應(yīng)用場(chǎng)合和目的、基本性能指標(biāo)及其他性能指標(biāo)，然后根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)條件擬定幾種技術(shù)方案，經(jīng)過評(píng)價(jià)、對(duì)比，選定一種比較合理的方案。方案設(shè)計(jì)應(yīng)包括下述一些內(nèi)容：控制方式選擇；執(zhí)行元件選擇；傳感器及其檢測(cè)裝置選擇；機(jī)械傳動(dòng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇等。方案設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步，各構(gòu)成環(huán)節(jié)的選擇只是初步的，還要在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段進(jìn)一步修改確定。(2)系統(tǒng)性能分析方案設(shè)計(jì)出來后，盡管各具體結(jié)構(gòu)參數(shù)還沒有確定，也應(yīng)先根據(jù)基本結(jié)構(gòu)形式對(duì)其基本性能進(jìn)行初步分析。首先畫出系統(tǒng)方框圖，列出系統(tǒng)近似傳遞函數(shù)，并對(duì)傳遞函數(shù)及方框圖進(jìn)行化簡(jiǎn)(一般應(yīng)簡(jiǎn)化成二階以下系統(tǒng))，然后在此基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性、精度及快速響應(yīng)性進(jìn)行初步分析，其中最主要的是穩(wěn)定性分析，如不能滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)考慮修改方案或增加校正環(huán)節(jié)。(3)執(zhí)行元件及傳感器的選擇方案設(shè)計(jì)中只是對(duì)執(zhí)行元件及傳感器進(jìn)行了初步選型，這一步應(yīng)根據(jù)具體速度、負(fù)載及精度要求來具體確定執(zhí)行元件及傳感器的參數(shù)和型號(hào)。(4)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)及參數(shù)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中應(yīng)注意消除各種傳動(dòng)間隙，盡量提高系統(tǒng)剛度、減小慣量及摩擦，尤其在設(shè)計(jì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的導(dǎo)軌時(shí)要防止產(chǎn)生“爬行”現(xiàn)象。(5)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括信號(hào)處理及放大電路、校正裝置、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等的詳細(xì)設(shè)計(jì)，如果采用計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，還應(yīng)包括接口電路及控制器算法軟件的設(shè)計(jì)。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意各環(huán)節(jié)參數(shù)的選擇及與機(jī)械系統(tǒng)參數(shù)的匹配，以使系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定裕度和快速響應(yīng)性，并滿足精度要求。(6)系統(tǒng)性能復(fù)查所有結(jié)構(gòu)參數(shù)確定之后，可重新列出系統(tǒng)精確的傳遞函數(shù)，但實(shí)際的伺服系統(tǒng)一般都是高階系統(tǒng)，因而還應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕?jiǎn)，才可進(jìn)行性能復(fù)查。經(jīng)過復(fù)查如果發(fā)現(xiàn)性能不夠理想，則可調(diào)整控制系統(tǒng)的參數(shù)或修改算法，甚至重新設(shè)計(jì)，直到滿意為止。(7)系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)上述設(shè)計(jì)與分析都還處于理論階段，實(shí)際系統(tǒng)的性能，還需通過測(cè)試實(shí)驗(yàn)來確定。測(cè)試實(shí)驗(yàn)可在模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行，也可以在試制的樣機(jī)上進(jìn)行。通過測(cè)試實(shí)驗(yàn)，往往還會(huì)發(fā)現(xiàn)一些問題，必須采取措施加以解決。(8)系統(tǒng)設(shè)計(jì)定案經(jīng)過上述7個(gè)步驟及其中多次反復(fù)而得到滿意的結(jié)果后，可以將設(shè)計(jì)方案確定下來，然后整理設(shè)計(jì)圖樣及設(shè)計(jì)說明書等技術(shù)文件，準(zhǔn)備投入正式生產(chǎn)?！局R(shí)拓展】數(shù)控機(jī)床的主軸與進(jìn)給伺服系統(tǒng)1主軸伺服系統(tǒng)隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床對(duì)主傳動(dòng)提出了越來越高的要求。如要求很寬的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)，恒功率的范圍要寬，要有四象限的驅(qū)動(dòng)能力。為滿足加工中心自動(dòng)換刀以及某些加工工藝的需要，要求主軸具有高精度的準(zhǔn)?？刂频?。主軸驅(qū)動(dòng)變速目前主要采用兩種形式一是主軸電動(dòng)機(jī)帶齒輪分段無級(jí)變速；二是主軸電動(dòng)機(jī)通過同步齒形帶或皮帶驅(qū)動(dòng)主軸，該類主軸電動(dòng)機(jī)又稱寬域電動(dòng)機(jī)或強(qiáng)切削電動(dòng)機(jī)，具有恒功率寬的特點(diǎn)。主軸的準(zhǔn)?？刂品謾C(jī)械準(zhǔn)停與電氣準(zhǔn)停，目前國內(nèi)外中高檔數(shù)控系統(tǒng)均采用電氣準(zhǔn)?？刂啤＂胖绷髦鬏S驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直流主軸驅(qū)動(dòng)多采用晶閘管調(diào)速方式，直流進(jìn)給伺服系統(tǒng)是由速度環(huán)和電流環(huán)構(gòu)成的雙環(huán)控制系統(tǒng)來控制直流主軸電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，主軸電動(dòng)機(jī)采用他勵(lì)式電動(dòng)機(jī)，勵(lì)磁繞組與電樞繞組相互獨(dú)立。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從最小值到額定值，保持勵(lì)磁電流不變，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速，屬于恒轉(zhuǎn)矩控制；從額定值到最大值，勵(lì)磁電流減小，實(shí)現(xiàn)調(diào)磁調(diào)速，屬恒功率控制。⑵交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)隨著交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，目前數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)多采用主軸電動(dòng)機(jī)配變頻器的控制方式。電網(wǎng)端逆變器由六只晶閘管組成的三相橋式全控整流電路組成，該電路可工作在整流狀態(tài)，向中間電路直接供電，也可工作在逆變狀態(tài)，完成能量反饋電網(wǎng)的任務(wù)。負(fù)載端逆變器由帶反并聯(lián)續(xù)流二極管的六只功率晶體管組成。通過磁場(chǎng)計(jì)算機(jī)的控制，負(fù)載端逆變器輸出三相正弦脈寬調(diào)制（PWM）電壓，使電動(dòng)機(jī)獲得所需的轉(zhuǎn)矩電流和勵(lì)磁電流。輸出的三相PWM電壓幅值范圍為0～430v，頻率調(diào)節(jié)范圍為0～300Hz。在反饋制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)能量通過變流器的六只續(xù)流二極管向電容器充電，當(dāng)電容器上的電壓超過600V時(shí)，通過控制調(diào)節(jié)器和電網(wǎng)端逆變器把電容器上的能量返回電網(wǎng)。2進(jìn)給伺服系統(tǒng)⑴脈寬調(diào)制方式進(jìn)給伺服系統(tǒng)脈寬調(diào)制方式（PWM）調(diào)速是利用脈寬調(diào)制器對(duì)大功率晶體管的開關(guān)時(shí)間進(jìn)行控制。將速度控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓，加到直流伺服電動(dòng)機(jī)的電樞兩端，通過方波寬度的控制，改變電樞兩端的平均電壓，達(dá)到控制伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。數(shù)控系統(tǒng)的CPU發(fā)出信號(hào)經(jīng)插補(bǔ)器輸出一系列脈沖信號(hào)，這些脈沖經(jīng)過指令倍率器CMR后，與位置反饋脈沖相比較所得的差值，送到誤差寄存器，然后與位置增益和偏移量補(bǔ)償運(yùn)算后送PWM進(jìn)行脈寬調(diào)制，隨后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換或模擬電壓，作為速度控制信號(hào)VCMD送到速度控制單元。脈沖編碼器發(fā)出的脈沖經(jīng)斷線檢查器確認(rèn)無信號(hào)斷線后，送到鑒相器，對(duì)兩組脈沖PA、PB進(jìn)行鑒相，確定電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。從鑒相器出來的一路信號(hào)經(jīng)F/V變換，作為速度反饋信號(hào)TSA；另一路輸出經(jīng)檢測(cè)倍頻器DMR，作為位置反饋信號(hào)。參考點(diǎn)計(jì)數(shù)器及一轉(zhuǎn)信號(hào)PC用于柵格法回參考點(diǎn)的操作。⑵交流進(jìn)給驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)直流進(jìn)給伺服系統(tǒng)雖有優(yōu)良的調(diào)速功能，但由于所用電動(dòng)機(jī)有電刷和換向器，易磨損，且換向器換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花，從而使電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速受到限制。另外，直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，所用銅鐵材料消耗大，制造成本高，而交流電動(dòng)機(jī)卻沒有這些缺點(diǎn)。近20年來，隨著新型大功率電力器件的出現(xiàn)，新型變頻技術(shù)、現(xiàn)代控制理論以及微型計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)等在實(shí)際應(yīng)用中取得了突破勝的進(jìn)展，促進(jìn)了交流進(jìn)給伺服技術(shù)的飛速發(fā)展，交流進(jìn)給伺服系統(tǒng)已全面取代了直流進(jìn)給伺服系統(tǒng)。由于交流伺服電動(dòng)機(jī)采用交流永磁式同步電動(dòng)機(jī)，因此，交流進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置從本質(zhì)上說是一個(gè)電子換向的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置。任務(wù)5.2步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)【任務(wù)描述】步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電機(jī)，能將數(shù)字脈沖輸入轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動(dòng)，是伺服電動(dòng)機(jī)的一種。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)明至今已有半個(gè)多世紀(jì)了，早期的步進(jìn)電機(jī)性能差、效率低，但它具有低轉(zhuǎn)子慣量、無漂移和無積累定位誤差的優(yōu)點(diǎn)。在計(jì)算機(jī)快速發(fā)展的今天，步進(jìn)電機(jī)全數(shù)字化的控制性能得到了充分展現(xiàn)，它已被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域?！救蝿?wù)分析】步進(jìn)電機(jī)在現(xiàn)今工程實(shí)際中應(yīng)用的比較廣泛，了解它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、類型、工作原理和設(shè)計(jì)計(jì)算，使學(xué)生在伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，對(duì)步進(jìn)電機(jī)能做到正確選型和應(yīng)用具有重要的意義?！局R(shí)準(zhǔn)備】1.步進(jìn)電機(jī)的工作原理及特點(diǎn)(1)工作原理步進(jìn)電機(jī)也是由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成的。定子上每個(gè)凸極均繞制有控制繞組，如圖5-5所示，其定子有六個(gè)均勻分布的磁極，每?jī)蓚€(gè)相對(duì)磁極組成一相，即A-A、B-B、C-C，因此這是一臺(tái)三相步進(jìn)電機(jī)，一般步進(jìn)電機(jī)的定子相數(shù)為2～6。以圖5-5為例，步進(jìn)電機(jī)工作原理如下：開始時(shí)，A相通電，其他兩相斷電，在電磁力作用下，轉(zhuǎn)子1、3的兩齒被磁極A吸住并與之對(duì)齊，轉(zhuǎn)子遂在此位置停住；然后A相斷電，同時(shí)B相通電，由于電磁力作用，磁極B把離它最近的2、4兩齒吸引過去，于是轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)過30°(稱為一個(gè)步距角)；接著C相再通電，B相斷開，磁極C將1、3兩齒吸住，轉(zhuǎn)子又逆時(shí)針回轉(zhuǎn)30°；每通斷電一次，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過30°，周而復(fù)始，不斷改變A、B、C三相的通電順序，步進(jìn)電機(jī)將逆時(shí)針連續(xù)回轉(zhuǎn)。(2)步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)非常有特色的執(zhí)行元件，它流行于20世紀(jì)70年代，由它構(gòu)成的系統(tǒng)最簡(jiǎn)單，控制最容易，維修也最方便，其特點(diǎn)鮮明。①全數(shù)字化控制：采用數(shù)字脈沖信號(hào)控制，每一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)著一個(gè)步距，即數(shù)字化的輸入指令對(duì)應(yīng)著數(shù)字化的位置輸出，不需要數(shù)模轉(zhuǎn)換，便于和計(jì)算機(jī)連接；②步距角誤差較大，但無積累誤差。雖然步進(jìn)電機(jī)的步距角誤差較大，但其位移量取決于輸入脈沖數(shù)，在不失步的條件下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一周的積累誤差為零，因而具有較高的精度；③控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，成本低。除功率放大電路以外，其他硬件電路均可由軟件實(shí)現(xiàn)，控制靈活，而且電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無滑環(huán)和電刷，維修方便，成本低；④調(diào)速方便。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與控制脈沖的頻率成正比，改變控制脈沖的頻率，電機(jī)轉(zhuǎn)速即可在較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，另外，啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)、定位都十分方便；⑤分辨率固定。步距角或運(yùn)動(dòng)增量固定，分辨率無法改變，主要應(yīng)用于開環(huán)控制系統(tǒng)，不利于向數(shù)字控制的高精度方向發(fā)展；⑥效率低。這是步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)主要缺點(diǎn)，輸入功率的大部分轉(zhuǎn)為熱能耗散，電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重；⑦不適合帶動(dòng)大慣量負(fù)載；⑧低速時(shí)易產(chǎn)生震蕩，需要附加阻尼。2.步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)類型步進(jìn)電機(jī)的種類較多，目前，市場(chǎng)上的絕大多數(shù)產(chǎn)品都采用按力矩產(chǎn)生的原理分類方法，即變磁阻式、永磁式和混合式。其它分類方法包括：按運(yùn)動(dòng)方式分有旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機(jī)和直線步進(jìn)電機(jī)；從勵(lì)磁相數(shù)來分主要有兩相、三相、四相、五相、六相等步進(jìn)電機(jī)；按輸出力矩的大小可分為伺服式和功率式；按各相繞組的排列方式分，有繞組按圓周依次排列的徑向分相式和繞組按軸向依次排列的軸向分相式。(1)變磁阻式步進(jìn)電機(jī)(VR)該種步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子為齒輪狀的鐵心，周圍的定子上纏有繞組，繞組產(chǎn)生的反應(yīng)電磁力吸引用軟磁鋼制的轉(zhuǎn)子作步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，故又稱作反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(BF)。其結(jié)構(gòu)如圖5-6所示，定子與轉(zhuǎn)子由鐵芯構(gòu)成，沒有永久磁鐵，定子上均勻分布六個(gè)大磁極(極靴)，極靴及中間轉(zhuǎn)子上都分布著眾多小齒。在定子磁場(chǎng)中，轉(zhuǎn)子總是朝著磁阻最小的位置轉(zhuǎn)動(dòng)，適當(dāng)選擇定子和轉(zhuǎn)子的齒數(shù)差可以減小步距角，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)。圖5-6變磁阻式步進(jìn)電機(jī)原理圖5-7永磁式步進(jìn)電機(jī)原理圖圖5-8失調(diào)角示意圖圖5-9矩角特性圖5-10單相勵(lì)磁時(shí)的矩角特性曲線簇圖5-111-2相勵(lì)磁時(shí)的矩角特性曲線簇(2)永磁式步進(jìn)電機(jī)(PM)轉(zhuǎn)子或定子任何一方是永磁材料的步進(jìn)電機(jī)叫永磁式步進(jìn)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖5-7所示。它的轉(zhuǎn)子為永磁材料，定子上由繞組勵(lì)磁，定子和轉(zhuǎn)子上面均無小齒，由定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子的恒定磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩。以圖5-7為例，當(dāng)A、B兩相控制繞組輪流通電時(shí)，轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生步距角為45°的轉(zhuǎn)動(dòng)。(3)混合式步進(jìn)電機(jī)(HB)混合式步進(jìn)電機(jī)是磁阻式和永磁式的復(fù)合形式，電機(jī)轉(zhuǎn)子上裝有永久磁鐵，定子、轉(zhuǎn)子上均開有小齒，形狀與磁阻式基本相同，它兼有了磁阻式和永磁式的優(yōu)點(diǎn)，是一種目前發(fā)展較快的步進(jìn)電機(jī)。三種步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)列于表5-3。3.步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性及參數(shù)(1)步距角及步距誤差步距角是指步進(jìn)電機(jī)每次換相時(shí)轉(zhuǎn)過的角度。其計(jì)算公式如下式中：為步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)；為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)；為步進(jìn)電機(jī)通電方式系數(shù)。單相或雙相勵(lì)磁，；單雙相輪流勵(lì)磁。由于制造中的因素，電機(jī)實(shí)際的步距角與理論值有偏差，從而產(chǎn)生步距角誤差。一般步進(jìn)電機(jī)的步距角誤差較大，但步進(jìn)電機(jī)的步距角誤差不整周累積，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一周后，又回到了開始的位置。影響步距誤差的主要因素有齒與磁極的分度精度、鐵心疊壓及裝配精度、各相矩角特性之間的差異以及氣隙的不均勻程度等。(2)靜態(tài)矩角特性靜態(tài)矩角特性是步進(jìn)電機(jī)最本質(zhì)的特性。這里的靜態(tài)是指電機(jī)不改變勵(lì)磁狀態(tài)、轉(zhuǎn)子靜止的工作狀態(tài)?？蛰d時(shí)，步進(jìn)電機(jī)某相通電，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子齒與定子齒對(duì)齊，轉(zhuǎn)子無力矩輸出，處于平衡狀態(tài)，如果在電機(jī)軸上加一負(fù)載轉(zhuǎn)矩，則轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)過一個(gè)小角度并重新穩(wěn)定，如圖5-8所示，這時(shí)轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，稱其為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，而轉(zhuǎn)子齒與定子齒錯(cuò)過的電角度稱為失調(diào)角，與之間的關(guān)系的曲線稱為矩角特性。它的物理含義是步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子在離開平衡位置后產(chǎn)生的恢復(fù)轉(zhuǎn)矩，隨著失調(diào)而變化。變化規(guī)律近似為正弦曲線，即式中：為最大靜轉(zhuǎn)矩。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩越大，恢復(fù)力矩越大，靜態(tài)誤差越小。圖5-9為步進(jìn)電機(jī)一相的矩角特性。由圖可知，在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子有一定的穩(wěn)定平衡點(diǎn)，其含義是轉(zhuǎn)子受外載偏離平衡點(diǎn)后，若未超出穩(wěn)定區(qū)，則當(dāng)外載消失后，轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，仍能回到原來的穩(wěn)定平衡點(diǎn)。而不穩(wěn)定平衡點(diǎn)在外載消失后不會(huì)回到原位。步進(jìn)電機(jī)每相隔一轉(zhuǎn)子齒距就有一個(gè)穩(wěn)定平衡點(diǎn)，兩個(gè)不穩(wěn)定平衡點(diǎn)之間的區(qū)域?yàn)殪o態(tài)穩(wěn)定區(qū)。電機(jī)在處有最大靜轉(zhuǎn)矩，最大靜轉(zhuǎn)矩與勵(lì)磁方式及繞組電流有關(guān)，總的趨勢(shì)是隨著繞組電流的增加而增加，二者的關(guān)系稱為最大靜轉(zhuǎn)矩特性。步進(jìn)電機(jī)的每一相都具有圖5-9所示的矩角特性，圖5-10給出了三相電機(jī)的矩角特性曲線簇，采用單相勵(lì)磁時(shí)，曲線間錯(cuò)開120°電角度，圖中曲線的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)于步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電機(jī)各相的矩角特性差異不能過大，否則會(huì)引起精度下降和低頻振蕩。通過調(diào)整繞組電流可使各相的矩角特性趨于一致。若采用1-2相勵(lì)磁方式，如圖5-11所示，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩將有很大提高，同時(shí)，由于各相錯(cuò)開的角度減小，換相時(shí)前后兩相的穩(wěn)定區(qū)域重合加大，則運(yùn)行更平穩(wěn)，更不容易丟步。所以，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)盡量避免單相勵(lì)磁。圖5-12啟動(dòng)矩頻特性圖5-13連續(xù)運(yùn)行矩頻特性圖5-16步進(jìn)電機(jī)恒速控制流程圖圖5-17恒加速控制圖圖5-21工作臺(tái)進(jìn)給傳動(dòng)鏈簡(jiǎn)圖(3)啟動(dòng)矩頻特性和慣頻特性步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)有一個(gè)暫態(tài)過程，輸入的脈沖頻率不能太高，否則不能正常啟動(dòng)。電機(jī)正常啟動(dòng)所能接受的最高輸入脈沖頻率就稱為啟動(dòng)頻率，它是能不丟步地啟動(dòng)的極限頻率，也稱作突跳頻率或牽入頻率。啟動(dòng)頻率的值與負(fù)載的大小有關(guān)，負(fù)載包含負(fù)載轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量?jī)蓚€(gè)方面。啟動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系稱為啟動(dòng)矩頻特性。若負(fù)載為純慣性負(fù)載，則稱之為啟動(dòng)慣頻特性，圖5-12為130BF001型步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)矩頻特性，由圖中可見，隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增加，啟動(dòng)頻率迅速下降。這是因?yàn)殡姍C(jī)剛啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速為零，若輸入脈沖頻率過高，在負(fù)載轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速跟不上定子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，每一步位置都落后于相應(yīng)的平衡位置，而定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速仍正比于輸入脈沖頻率，這就使轉(zhuǎn)子與平衡位置的偏差越來越大，當(dāng)轉(zhuǎn)子位置落到動(dòng)穩(wěn)定區(qū)以外時(shí)出現(xiàn)失步，使電機(jī)不能正常啟動(dòng)。只有當(dāng)輸入脈沖頻率較低時(shí)，使轉(zhuǎn)子每一步有較長的加速時(shí)間，跟上磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，電機(jī)才能正常啟動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的慣頻特性具有與矩頻特性相似的特性。(4)連續(xù)運(yùn)行矩頻特性步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)后，輸人脈沖頻率即可大幅度增加，此時(shí)電機(jī)能不失步運(yùn)行的極限頻率稱為運(yùn)行頻率，它與電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系稱為連續(xù)運(yùn)行矩頻特性或動(dòng)態(tài)矩頻特性。連續(xù)運(yùn)行頻率都高出啟動(dòng)頻率很多倍，這是因?yàn)榉€(wěn)定運(yùn)行時(shí)擺脫了對(duì)慣量進(jìn)行加速的負(fù)擔(dān)。圖5-13所示為美國SM024-0045-AB型步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)矩頻特性，由圖中可以看到，輸出轉(zhuǎn)矩隨著脈沖頻率的大幅增加而快速下降。原因是步進(jìn)電機(jī)的繞組為電感型，繞組中的電流不可能像輸入脈沖那樣為矩形，而是存在過渡過程，當(dāng)脈沖頻率過高時(shí)，繞組內(nèi)電流甚至?xí)蔀榧饷}沖，有效電流大大下降，輸出轉(zhuǎn)矩自然降低。步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性還與電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式有關(guān)，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式不同，其表現(xiàn)出來的矩頻特性也有所不同，在圖5-13中，a、b、c三條曲線分別對(duì)應(yīng)單相勵(lì)磁、單電壓驅(qū)動(dòng)；單相勵(lì)磁、雙電壓驅(qū)動(dòng)；雙相勵(lì)磁、雙電壓驅(qū)動(dòng)的矩頻特性。在圖中的三種情況下，單相勵(lì)磁、單電壓驅(qū)動(dòng)的矩頻特性最差，雙相勵(lì)磁、雙電壓驅(qū)動(dòng)的矩頻特性的整體性能最好。(5)步進(jìn)電機(jī)的控制與驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特性與配套使用的驅(qū)動(dòng)電源(驅(qū)動(dòng)器)有密切關(guān)系。驅(qū)動(dòng)電源由脈沖分配器、功率放大器等組成，如圖5-14所示。驅(qū)動(dòng)電源是將變頻信號(hào)源(微機(jī)或數(shù)控裝置等)送來的脈沖信號(hào)及方向信號(hào)按要求的配電方式自動(dòng)循環(huán)供給電機(jī)各相繞組，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子正反向旋轉(zhuǎn)。變頻信號(hào)源是可提供從幾赫茲到幾萬赫茲的頻率信號(hào)連續(xù)可調(diào)的脈沖信號(hào)發(fā)生器。因此，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量及頻率就可精確控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速。步進(jìn)電機(jī)的各相繞組必須按一定的順序通電才能正常工作。這種電機(jī)繞組的通電順序按一定規(guī)律變化的部分稱為脈沖分配器(又稱為環(huán)形脈沖分配器)。實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配的方法有2種。一種是采用計(jì)算機(jī)軟件，利用查表或計(jì)算方法來進(jìn)行脈沖的環(huán)形分配，簡(jiǎn)稱軟環(huán)分。表5-4為三相六拍分配狀態(tài)，可將表中狀態(tài)代碼01H、03H、02H、06H、04H、05H列入程序數(shù)據(jù)表中，通過軟件可順次在數(shù)據(jù)表中提取數(shù)據(jù)并通過輸出即可，通過正向順序讀取和反向順序讀取可控制電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)。通過控制讀取一次數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。該方法能充分利用計(jì)算機(jī)軟件資源以降低硬件成本，尤其是對(duì)多相的脈沖分配具有更大的優(yōu)點(diǎn)。但由于軟環(huán)分占用計(jì)算機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，故會(huì)使插補(bǔ)一次的時(shí)間增加，易影響步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度。另一種是采用大規(guī)模集成電路搭接而成的三相六拍脈沖分配器，即硬環(huán)分。它根據(jù)脈沖信號(hào)按一定的邏輯關(guān)系加到功率放大器上，使各相繞組按一定的順序和時(shí)間導(dǎo)通和切斷，并根據(jù)指令使電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)確切的運(yùn)動(dòng)方式。這種方式靈活性很大，同時(shí)在工作時(shí)不占計(jì)算機(jī)的工作時(shí)間。4.步進(jìn)電機(jī)的微機(jī)開環(huán)控制隨著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的系統(tǒng)采用微機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。微機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制主要有兩種方案，一種是所謂的串行法，即環(huán)行分配器部分由邏輯電路組成，微機(jī)只提供頻率可調(diào)的脈沖信號(hào)、方向信號(hào)和勵(lì)磁方式信號(hào)；另一種是并行法，即由微機(jī)軟件來完成脈沖分配的任務(wù)。本書著重講述并行法。(1)步進(jìn)電機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)的組成微機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)主要利用微機(jī)的I／0口進(jìn)行脈沖的環(huán)形分配，并配備相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)及隔離電路，圖5-15為三相步進(jìn)電機(jī)的微機(jī)控制系統(tǒng)組成原理圖，當(dāng)相應(yīng)的端口出現(xiàn)高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路的輸入端產(chǎn)生步進(jìn)脈沖。由圖中可以看到，步進(jìn)電機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)由以下幾部分構(gòu)成：1)主控器。采用單片機(jī)8031作為主控器。2)I／O端口。利用8031的P1口的低三位控制步進(jìn)電機(jī)的三相繞組。3)驅(qū)動(dòng)門電路。7404為TTL非門電路，用于提高8031I／O口的驅(qū)動(dòng)能力。4)光電隔離。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)采用光電隔離電路(光電耦合器)，其作用是電壓隔離。微機(jī)系統(tǒng)一般工作在5V的弱電條件下，而步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源為幾十伏至幾百伏的強(qiáng)電，若不采取措施，強(qiáng)電會(huì)通過電氣連接耦合到弱電，造成微機(jī)系統(tǒng)的損壞，采用光耦器件，可以斷絕二者的電氣聯(lián)系。5)驅(qū)動(dòng)電路?？梢圆捎们懊嬷v述的各種驅(qū)動(dòng)電路對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行放大。(2)步進(jìn)電機(jī)的恒速控制①軟件環(huán)形分配器的實(shí)現(xiàn)若圖5-15中的三相步進(jìn)電機(jī)采用六拍工作方式，則其A、B、C三相的通電順序?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)這樣的分配方案，只需向P1口順序輸出二進(jìn)制控制字001、011、010、110、100、101即可；電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，輸出順序相反。②脈沖頻率的實(shí)現(xiàn)如上所述，每輸出一個(gè)控制字就相當(dāng)于發(fā)送一個(gè)步進(jìn)脈沖，脈沖與脈沖之間應(yīng)有時(shí)間間隔，即脈沖周期，它反映了步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)頻率，即速度。實(shí)現(xiàn)脈沖周期的方法很簡(jiǎn)單，主要有兩種：利用程序循環(huán)延時(shí)和利用定時(shí)器中斷。前者占用計(jì)算機(jī)機(jī)時(shí)較嚴(yán)重，計(jì)算機(jī)延時(shí)階段將不能處理其他事務(wù)，且延時(shí)不很精確，但實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不占用計(jì)算機(jī)硬件資源，主要用于CPU較空閑的場(chǎng)合；后者可以精確定時(shí)，不占用CPU時(shí)間，但有時(shí)需要系統(tǒng)另行擴(kuò)展定時(shí)器。③軟件的編寫在實(shí)際編寫控制程序時(shí)，對(duì)環(huán)形分配器的實(shí)現(xiàn)常常采用脈沖分配表的辦法，即把各相通電的控制字存放在一串連續(xù)的存儲(chǔ)單元中，形成所謂的脈沖分配表，輸出時(shí)采用查表的方法將控制字順序取出。圖5-16給出了采用程序延時(shí)的方法，步進(jìn)電機(jī)單向旋轉(zhuǎn)的程序原理框圖。實(shí)際編寫程序時(shí)還應(yīng)加上正反轉(zhuǎn)的判斷，反轉(zhuǎn)時(shí)反向查表，另外，運(yùn)行總步數(shù)至少應(yīng)放在兩個(gè)字節(jié)內(nèi)。(3)步進(jìn)電機(jī)的變速控制如果步進(jìn)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的速度很高，那么在控制系統(tǒng)中應(yīng)該加入變速控制的內(nèi)容，這主要是受步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)頻率的限制。前面已經(jīng)講過，步進(jìn)電機(jī)適應(yīng)速度突變的能力比較差，其極限啟動(dòng)頻率一般比連續(xù)運(yùn)行頻率低十幾倍，如果實(shí)際啟動(dòng)頻率高于電機(jī)的極限啟動(dòng)頻率，電機(jī)將發(fā)生失步現(xiàn)象或根本不能啟動(dòng)，所以必須以低于極限啟動(dòng)頻率的頻率啟動(dòng)。如果連續(xù)運(yùn)行頻率很高的話，則會(huì)有一個(gè)加速過程；反之，電機(jī)從一個(gè)較高的運(yùn)行頻率到靜止，也必須有一個(gè)減速的過程，否則會(huì)出現(xiàn)過沖現(xiàn)象。步進(jìn)電機(jī)的升降速過程可以按直線規(guī)律或指數(shù)規(guī)律變化，前者屬于恒加速過程，平穩(wěn)性好，速度變化范圍大，適于快速定位等過程；后者加減速時(shí)間短，跟蹤能力強(qiáng)。在實(shí)際應(yīng)用中，完全可以用多段的直線變化去逼近指數(shù)變化，所以這里以恒加速過程為例進(jìn)行介紹。①軟件自動(dòng)升降速控制在前面講述的步進(jìn)電機(jī)控制當(dāng)中，有兩個(gè)參數(shù)值得注意：運(yùn)行步數(shù)和延時(shí)參數(shù)。前者是步進(jìn)脈沖數(shù)，是步進(jìn)電機(jī)是否運(yùn)行到終點(diǎn)的判別條件；后者是控制脈沖的時(shí)間間隔，稱作步進(jìn)周期。電機(jī)恒速時(shí)，步進(jìn)周期為常數(shù)，變速時(shí)，步進(jìn)周期要發(fā)生變化：周期變小，電機(jī)加速，周期變大，電機(jī)減速。所以，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的變速控制就是合理地改變其步進(jìn)周期，即合理地確定每個(gè)脈沖之間的延時(shí)時(shí)間，使步進(jìn)電機(jī)按規(guī)定的速度運(yùn)行。圖5-17是步進(jìn)電機(jī)作恒加速運(yùn)動(dòng)的情況。圖中橫坐標(biāo)是步數(shù)，反映距離；縱坐標(biāo)為頻率，反映速度。該圖表達(dá)的含義是：步進(jìn)電機(jī)以的頻率啟動(dòng)，經(jīng)過步運(yùn)行加速到，以恒速運(yùn)行步，經(jīng)過步把速度降到，最后停止。1)加速階段。由恒加速的速度、距離公式可得（為加速度，為加速時(shí)間）有以上兩式可求得于是步進(jìn)周期式中：。2)恒速階段。恒速時(shí)步進(jìn)頻率為，所以步進(jìn)周期為3)減速階段。參照加速階段可得加速度步進(jìn)周期知道了各段的步進(jìn)周期，實(shí)際相當(dāng)于已知了步進(jìn)脈沖之間的延遲時(shí)間，這為編制程序掃清了最后的障礙。由于步進(jìn)周期的計(jì)算很復(fù)雜，若采用單片機(jī)在線實(shí)時(shí)計(jì)算十分困難，因此一般先做好步進(jìn)周期表，預(yù)先存放在存儲(chǔ)單元中，采用查表的方法實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的變速控制。圖5-18給出了步進(jìn)電機(jī)加速控制的原理框圖，通過改變8031定時(shí)器T0的時(shí)間常數(shù)來獲得不同的步進(jìn)周期，即對(duì)電機(jī)進(jìn)行加速控制。程序中一步一變速，在實(shí)際應(yīng)用中當(dāng)然可以若干步一變速，并加入恒速及減速控制。②硬件自動(dòng)升降速控制步進(jìn)電機(jī)的升降速控制也可以通過硬件來完成，如圖5-19所示。圖中為輸人脈沖，在可逆計(jì)數(shù)器中作加法運(yùn)算，為輸出脈沖，作減法運(yùn)算。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)從靜止開始啟動(dòng)時(shí)，，可逆計(jì)數(shù)器增加，振蕩器加快，電機(jī)升速；之后，逐漸趨近于，當(dāng)二者相等時(shí)，振蕩器輸出頻率不變，電機(jī)恒速運(yùn)動(dòng)；若電機(jī)運(yùn)行到終點(diǎn)，則為零，此時(shí)反饋的逐漸使計(jì)數(shù)器存數(shù)減小，振蕩器亦逐漸停止輸出。可見輸出脈沖滯后于輸入脈沖，將自動(dòng)形成加減速的過程。實(shí)際應(yīng)用中，輸入和反饋脈沖在時(shí)間上可能發(fā)生重疊，因此引入同步器使二者同步。5.步進(jìn)電機(jī)的微機(jī)閉環(huán)控制步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制不檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，使系統(tǒng)的位置精度和轉(zhuǎn)速受到限制，采用閉環(huán)控制則可以獲得較大改善。圖5-20中由編碼器檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，經(jīng)整形后送計(jì)算機(jī)計(jì)數(shù)，由計(jì)數(shù)值判定步進(jìn)電機(jī)是否運(yùn)行到終點(diǎn)，這種方法稱為核步法。步進(jìn)電機(jī)大多采用開環(huán)控制，只在要求很高的條件下才使用閉環(huán)控制，具體的閉環(huán)控制方法還有很多種，這里不作進(jìn)一步介紹。圖5-20步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制原理框圖【任務(wù)實(shí)施】步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)的典型計(jì)算①地點(diǎn)：實(shí)訓(xùn)基地。②設(shè)備：步進(jìn)電機(jī)和多媒體設(shè)備。③任務(wù)實(shí)施過程：a.學(xué)生分組接受學(xué)習(xí)工作任務(wù)，組長組織實(shí)際調(diào)研，綜合相關(guān)信息并通報(bào)交流；b.進(jìn)入實(shí)訓(xùn)基地，學(xué)生實(shí)訓(xùn)安全規(guī)程；c.教師通過實(shí)物或多媒體課件輔導(dǎo)講授，幫助學(xué)生完成工作任務(wù)。1.系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量所謂脈沖當(dāng)量是指對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)輸入端的一個(gè)進(jìn)給脈沖，系統(tǒng)輸出端產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角或位移。由此可見，脈沖當(dāng)量的大小與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有關(guān)。圖5-21所示的步進(jìn)電機(jī)-齒輪-絲桿螺母-工作臺(tái)系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量為(mm/脈沖)（5-1）式中：為步進(jìn)電機(jī)步距角(度)；為絲桿螺距(mm)；為傳動(dòng)比。如果脈沖當(dāng)量是設(shè)計(jì)條件，則可據(jù)此綜合考慮、、。2.慣量匹配折算到電機(jī)軸上的總當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)與電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量相匹配，二者的比值應(yīng)在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶粝嗖钐?，則系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性將主要取決于負(fù)載特性，綜合性能變差；若比值太小，則說明設(shè)計(jì)不合理，經(jīng)濟(jì)性差。若發(fā)現(xiàn)比值不合理，應(yīng)重新選擇傳動(dòng)比、絲桿導(dǎo)程甚至電機(jī)。該合理的比值范圍是（5-2）圓柱體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式為（5-3）式中：為材料密度(kg／m3)；為等效直徑(m)；z為圓柱體高度。齒輪、絲桿等傳動(dòng)件在忽略軸孔的情況下可以按式(5-3)計(jì)算。絲桿進(jìn)給的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為（5-4）若要把傳動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電機(jī)軸上，還應(yīng)除以相應(yīng)傳動(dòng)比的平方。3.轉(zhuǎn)矩的匹配步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足負(fù)載轉(zhuǎn)矩及慣量的加速轉(zhuǎn)矩的要求，下面以圖5-21為例加以說明。①步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子承受的總的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為(5-5)式中：為加速慣性轉(zhuǎn)矩，為步進(jìn)電機(jī)的角加速度(rad／s2)；為轉(zhuǎn)子上總的慣量(kg·m2)。為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，式中：為軸向負(fù)載最大值(N)，為傳動(dòng)鏈總效率。為工作臺(tái)當(dāng)量摩擦轉(zhuǎn)矩，式中：為工作臺(tái)質(zhì)量(kg)；為摩擦系數(shù)。為絲桿預(yù)緊后的附加摩擦轉(zhuǎn)矩，式中：為預(yù)緊力，可取1／3最大軸向負(fù)載；為絲桿預(yù)緊前的傳動(dòng)效率，可取為0.9。②步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)總的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：若空載啟動(dòng)，則(5-6)若負(fù)載啟動(dòng)，則(5-7)③步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)的總的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為(5-8)④步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩為：若以連續(xù)運(yùn)行時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為依據(jù)，則(5-9)若以啟動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為依據(jù)，則(5-10)式中：C為常數(shù)，它與步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)和勵(lì)磁規(guī)律有關(guān)，詳見表5-5。4.速度的匹配應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要，對(duì)照步進(jìn)電機(jī)性能說明書中的啟動(dòng)矩頻特性和連續(xù)運(yùn)行矩頻特性來確定應(yīng)該選擇的步進(jìn)電機(jī)。例5-1如圖5-21所示的工作臺(tái)步進(jìn)系統(tǒng)，已知三相步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為，轉(zhuǎn)子慣量為，步距角，采用六拍方式工作，絲桿直徑為30mm，導(dǎo)程為3mm，長度1000mm，工作臺(tái)質(zhì)量100kg，導(dǎo)軌摩擦系數(shù)為0.2，最大軸向負(fù)載1000N。要求系統(tǒng)脈沖當(dāng)量0.005mm／脈沖，空載啟動(dòng)時(shí)間不大于25ms，最大移動(dòng)速度1.2m／min。根據(jù)以上參數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)并對(duì)電機(jī)負(fù)載能力進(jìn)行校核。解：(1)確定傳動(dòng)比由式(5-1)得取齒輪齒數(shù)=20，=40；模數(shù)取為2mm，齒寬=20mm。(2)慣量匹配驗(yàn)算由式(5-3)計(jì)算齒輪及絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為

折算到電機(jī)軸上的當(dāng)量負(fù)載慣量為則滿足慣量匹配的要求。(3)步進(jìn)電機(jī)負(fù)載能力校核電機(jī)軸上總的慣量為則則空載啟動(dòng)時(shí)連續(xù)運(yùn)行時(shí)所以可見，、均滿足所選步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩8N·m的要求，步進(jìn)電機(jī)可以按要求工作。【知識(shí)拓展】步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容1.機(jī)械傳動(dòng)方案的確定。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是電機(jī)與系統(tǒng)最終執(zhí)行件的接口，這部分的設(shè)計(jì)包括確定傳動(dòng)級(jí)數(shù)、選擇傳動(dòng)件等，傳動(dòng)級(jí)數(shù)的一般設(shè)計(jì)原則是盡可能縮短傳動(dòng)鏈，相關(guān)的指導(dǎo)有最小等效慣量原則、質(zhì)量最輕原則等。當(dāng)然，目前已有直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，消除了中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，但往往需要專用的直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這是未來的發(fā)展趨勢(shì)。傳動(dòng)件的選擇主要取決于運(yùn)動(dòng)類型及一些具體情況，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)有齒輪、同步帶等，直線運(yùn)動(dòng)包括齒輪齒條、絲桿螺母等，其中絲桿螺母應(yīng)用最為廣泛。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是機(jī)電匹配的關(guān)鍵，涉及慣量匹配、轉(zhuǎn)矩匹配等內(nèi)容。2.步進(jìn)電機(jī)型號(hào)的確定。確定步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)主要應(yīng)考慮脈沖當(dāng)量、轉(zhuǎn)矩、慣量匹配、啟動(dòng)及運(yùn)行頻率等方面的因素，這往往需要與機(jī)械部分進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。3.傳動(dòng)系統(tǒng)剛度及固有頻率的計(jì)算。進(jìn)行剛度計(jì)算時(shí)主要針對(duì)那些對(duì)系統(tǒng)最終執(zhí)行件剛度影響最大的環(huán)節(jié)，這常常是傳動(dòng)鏈的末段，如直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中的絲桿螺母。另外，為了避免出現(xiàn)諧振，對(duì)一些敏感部件還應(yīng)進(jìn)行固有頻率的計(jì)算，如絲桿螺母等。4.控制系統(tǒng)的選擇與設(shè)計(jì)。5.結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)。6.樣機(jī)的試制及測(cè)試。任務(wù)5.3直流伺服系統(tǒng)【任務(wù)描述】直流伺服系統(tǒng)具有很長的發(fā)展歷史，是最成熟的伺服系統(tǒng)。直流伺服電機(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、控制特性優(yōu)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)械運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的電刷和換向器，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?！救蝿?wù)分析】直流伺服系統(tǒng)在工業(yè)上的應(yīng)用比較廣，所以掌握它的工作原理和特性，對(duì)于伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有很重要的意義。本文首先從直流伺服電機(jī)的工作原理、穩(wěn)態(tài)特性、調(diào)速等方面進(jìn)行了展開，然后結(jié)合滾珠絲杠螺旋傳動(dòng)為例介紹了直流伺服系統(tǒng)中機(jī)械傳動(dòng)內(nèi)容的典型計(jì)算?！局R(shí)準(zhǔn)備】1.直流伺服電機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)、控制方式及分類與普通直流電動(dòng)機(jī)一樣，直流伺服電動(dòng)機(jī)也主要由磁極、電樞、電刷及換向片等三部分組成，如圖5-22所示。其中磁極在工作中固定不動(dòng)，故又稱定子。定子磁極用于產(chǎn)生磁場(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，外繞線圈，靠外加勵(lì)磁電流才能產(chǎn)生磁場(chǎng)。電樞是直流伺服電動(dòng)機(jī)中的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，故又稱轉(zhuǎn)子，它由硅鋼片疊成，表面嵌有線圈，通過電刷和換向片與外加電樞電源相連。當(dāng)電樞繞組中通過直流電時(shí)，在定子磁場(chǎng)的作用下就會(huì)產(chǎn)生帶動(dòng)負(fù)載旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。通過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)。直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方式主要有兩種：一種是電樞電壓控制，即在定子磁場(chǎng)不變的情況下，通過控制施加在電樞繞組兩端的電壓信號(hào)來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩；另一種是勵(lì)磁磁場(chǎng)控制，即通過改變勵(lì)磁電流的大小來改變定子磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩。直流伺服電動(dòng)機(jī)有多種類型，各有特點(diǎn)及相應(yīng)的適用場(chǎng)合，設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體條件和要求來合理選用。按定子磁場(chǎng)產(chǎn)生方式可分為永磁式和他勵(lì)式兩類；按電樞的結(jié)構(gòu)與形狀可分成平滑電樞型、空心電樞型和有槽電樞型等；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。2.直流伺服電機(jī)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性(1)靜態(tài)特性直流伺服電動(dòng)機(jī)采用電樞電壓控制時(shí)的電樞等效回路如圖5-23所示。根據(jù)圖中所示參數(shù)可以推導(dǎo)出電樞控制時(shí)，直流伺服電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)特性方程為(5-11)式中，是電樞反電動(dòng)勢(shì)；是電樞電壓；是電樞電流；是電樞電阻。是電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，僅與電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)；是定子磁場(chǎng)中每極氣隙磁通量。是轉(zhuǎn)矩常數(shù)，僅與電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)。在靜態(tài)特性方程中，如果把角速度叫看作是電磁轉(zhuǎn)矩的函數(shù)，即，則可得到直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式（5-12）如果把角速度看作是電樞電壓的函數(shù)，即，則可得到直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性表達(dá)式（5-13）根據(jù)式(5-12)和式(5-13)，給定不同的值和值，可分別繪出直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線和調(diào)節(jié)特性曲線，如圖5-24、5-25所示。表5-5常數(shù)C值圖5-22直流伺服電動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)圖5-23電樞等效回路圖5-24直流伺服電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性圖5-25直流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)特性圖5-26PWM驅(qū)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)框圖由圖5-24可見，直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是一組斜率相同的直線簇。每條機(jī)械特性和一種電樞電壓相對(duì)應(yīng)，與軸的交點(diǎn)是該電樞電壓下的理想空載角速度，與軸的交點(diǎn)則是該電樞電壓下的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。由圖5-25可見，直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性也是一組斜率相同的直線簇。每條調(diào)節(jié)特性和一種電磁轉(zhuǎn)矩相對(duì)應(yīng)，與軸的交點(diǎn)是啟動(dòng)時(shí)的電樞電壓。此外從圖中還可看出，調(diào)節(jié)特性的斜率為正，說明在一定負(fù)載下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨電樞電壓的增加而增加；而機(jī)械特性的斜率為負(fù)，說明在電樞電壓不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加而降低。(2)動(dòng)態(tài)特性直流伺服電動(dòng)機(jī)主要用于閉環(huán)或半閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)中，其動(dòng)態(tài)性能對(duì)整個(gè)伺服系統(tǒng)的性能有著重要影響。直流伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性是指當(dāng)給電動(dòng)機(jī)電樞加上階躍電壓時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化規(guī)律。這一規(guī)律可用表達(dá)式來描述。動(dòng)態(tài)特性的本質(zhì)是由對(duì)輸入信號(hào)響應(yīng)的過渡過程來描述的。直流伺服電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生過渡過程的原因在于電動(dòng)機(jī)中存在著兩種慣性，即機(jī)械慣性和電磁慣性。機(jī)械慣性是由直流伺服電動(dòng)機(jī)和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量引起的，是造成機(jī)械過渡過程的原因；電磁慣性是由電樞回路中的電感引起的，是造成電磁過渡過程的原因。一般而言，電磁過渡過程比機(jī)械過渡過程要短得多。因此為簡(jiǎn)化分析，通常只考慮機(jī)械過渡過程，而忽略電磁過渡過程。在直流伺服電動(dòng)機(jī)的過渡過程中，電樞繞組中的電流是變化的。根據(jù)圖5-23所示的電樞等效回路，并考慮過渡過程中電樞電感的影響，可列出電樞回路中的動(dòng)態(tài)電壓平衡方程為（5-14）式中，、和分別是電樞電流、電樞反電動(dòng)勢(shì)和電樞繞組兩端的控制電壓在過渡過程中的瞬時(shí)值。在過渡過程中，直流伺服電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩除了要克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩外，還要克服軸上的慣性轉(zhuǎn)矩，因而直流伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩平衡方程為（5-15）式中，是轉(zhuǎn)子軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。經(jīng)推導(dǎo)可以得到直流伺服電動(dòng)機(jī)帶有負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)的過渡過程微分方程式為：（5-16）

方程式右邊第一項(xiàng)是理想空載角速度，第二項(xiàng)是負(fù)載轉(zhuǎn)矩引起的速降，第三項(xiàng)是負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)引起的速降。和分別稱為直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)和電磁時(shí)間常數(shù)，是反映兩種過渡過程時(shí)間長短的參數(shù)，稱為直流伺服電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)放大系數(shù)。當(dāng)直流伺服電動(dòng)機(jī)帶有恒定負(fù)載時(shí)，則，于是式(5-16)可簡(jiǎn)化成（5-17）在空載條件下，即時(shí)，上式還可進(jìn)一步簡(jiǎn)化成（5-18）如果已知各參數(shù)及初始條件，求解上述各微分方程即可得到在各種負(fù)載條件下直流伺服電動(dòng)機(jī)角速度隨時(shí)間變化的規(guī)律。3.直流伺服電機(jī)的調(diào)速調(diào)速即速度調(diào)節(jié)或速度控制，通過自動(dòng)地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來滿足工作機(jī)械對(duì)不同轉(zhuǎn)速的要求。（1）直流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法選擇根據(jù)式（5-11）可知，直流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法有三種：即調(diào)壓、調(diào)阻和調(diào)磁，具體如下：①改變電樞回路電阻通過在電樞回路內(nèi)串聯(lián)或并聯(lián)電阻的方法實(shí)現(xiàn)，雖簡(jiǎn)單易行，但由式(5-12)知電機(jī)的轉(zhuǎn)速增加了，機(jī)械特性變軟，使電機(jī)轉(zhuǎn)速受負(fù)載影響加大，且這種辦法是通過增加電阻損耗來實(shí)現(xiàn)的，經(jīng)濟(jì)性差，應(yīng)用受到限制。②改變磁場(chǎng)磁通為充分利用電機(jī)，一般采用弱磁調(diào)速的方式，且只能在電磁式電機(jī)上進(jìn)行，通過控制勵(lì)磁電壓來實(shí)現(xiàn)。弱磁增速時(shí)由式(5-12)知，機(jī)械特性的斜率與磁通平方成反比，機(jī)械特性迅速惡化，因此調(diào)速范圍不能太大，為2～4，主要應(yīng)用于恒功率負(fù)載場(chǎng)合。③改變電樞電壓改變電樞電壓后，電機(jī)的機(jī)械特性曲線為一簇以為參數(shù)的平行線，因而在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)均有較大的硬度，可以獲得穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，所以調(diào)速范圍較寬，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，被廣泛采用。這里將主要介紹這種調(diào)速方法。（2）直流伺服電動(dòng)機(jī)的PWM調(diào)速圖5-26為PWM控制結(jié)構(gòu)框圖，它由電壓一脈寬變換器和開關(guān)功率放大器兩部分組成。①PWM電路原理PWM(pulsewidthmodulation)即脈沖寬度調(diào)制，是通過輸出占空比可變的脈沖信號(hào)來改變電樞電壓的平均值，達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。在圖5-26中，三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波與控制信號(hào)相加后進(jìn)人比較器，當(dāng)時(shí)，輸出為滿幅度正電平，當(dāng)時(shí)，為滿幅度負(fù)電平。對(duì)于不同的控制電壓，PWM波形如圖5-27所示。當(dāng)時(shí)，為幅度、寬度就均相同的矩形波，所以其直流分量為0，電機(jī)微振、停轉(zhuǎn)。當(dāng)時(shí)，輸出的直流分量為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)，且越大，正脈沖越寬，電機(jī)旋轉(zhuǎn)越快。當(dāng)時(shí)，輸出的直流分量為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，且負(fù)值越大，電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)越快。可見，PWM波的脈沖寬度受輸入電壓的控制，其頻率則由三角波決定。對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制一般由占空比加以說明

所以電樞電壓平均值為（5-19）可見：1)當(dāng)時(shí)，，電機(jī)停轉(zhuǎn)；2)當(dāng)時(shí)，，電機(jī)正轉(zhuǎn)，且越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高；3)當(dāng)時(shí)，，電機(jī)反轉(zhuǎn)，且越小，電機(jī)反轉(zhuǎn)越快；4)當(dāng)或時(shí)，電機(jī)具有最高的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)速度。②開關(guān)功率放大器PWM信號(hào)需連接功率放大器才能驅(qū)動(dòng)直流伺服電動(dòng)機(jī)。圖5-28所示的為典型的雙極性輸出的H型橋式晶體管功率放大器。圖中功率管分為兩組：T1、T4和T2、T3，分別接反向開關(guān)信號(hào)，D1～D4為續(xù)流二極管。當(dāng)T1、T4導(dǎo)通時(shí)，T2、T3截止，電機(jī)中電流方向?yàn)橛葾到B；當(dāng)T1、T4截止時(shí)，T2、T3導(dǎo)通，電流方向?yàn)橛葿到A。當(dāng)然，由于續(xù)流電流的存在，電樞中的電流要更為復(fù)雜一些。在實(shí)際應(yīng)用中，為防止上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通而短路，上下橋臂之間應(yīng)有延時(shí)環(huán)節(jié)。③PWM控制的特點(diǎn)1)應(yīng)用的大功率開關(guān)器件少、線路簡(jiǎn)單。2)調(diào)速范圍寬。若與寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)配合，調(diào)速范圍可達(dá)6000～10000，而一般晶閘管驅(qū)動(dòng)裝置的調(diào)速比僅能達(dá)到100～150。3)頻帶寬，快速性好。晶體管的開關(guān)頻率大大高于可控硅，因而調(diào)制頻率高，失控時(shí)間少，系統(tǒng)的線性度好，響應(yīng)速度和穩(wěn)速精度高。4)電流脈動(dòng)小，接近直流，使電機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)。4.直流位置伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型（1）直流位置伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)直流位置伺服系統(tǒng)一般采用閉環(huán)控制，其典型結(jié)構(gòu)見圖5-29。由圖可見，該系統(tǒng)采用了電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)等多層反饋結(jié)構(gòu)。①電流環(huán)電流值由電流傳感器取自伺服電機(jī)的電樞回路，主要用于對(duì)電樞回路的滯后進(jìn)行補(bǔ)償，使動(dòng)態(tài)電流按要求的規(guī)律變化。采用電流環(huán)后，反電勢(shì)對(duì)電樞電流的影響將變得很小，這樣在電機(jī)負(fù)載突變時(shí)，電流負(fù)反饋的引入起到了過載保護(hù)的作用。②速度環(huán)伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可由測(cè)速發(fā)電機(jī)或光電編碼器獲得。速度反饋用于對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)要求的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)，速度環(huán)的引入還會(huì)增加系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)阻尼比，減小系統(tǒng)的超調(diào)，使電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)。③位置環(huán)可采用脈沖編碼器或光柵尺等對(duì)轉(zhuǎn)角或直線位移進(jìn)行測(cè)量。將系統(tǒng)的實(shí)際位置轉(zhuǎn)換成具有一定精度的電信號(hào)，與指令信號(hào)比較產(chǎn)生偏差控制信號(hào)，控制電機(jī)向消除誤差的方向旋轉(zhuǎn)，直到達(dá)到一定的位置精度。圖5-27PWM波形圖圖5-28H型橋式剛功率放大器原理圖（2）直流位置伺服系統(tǒng)的數(shù)