《伺服驱动技术》PPT课件

n 伺服系统的结构组成及分类n 典型驱动元件及其控制n 功率驱动接口第一节第一节 伺服系统的结构组成及分类伺服驱动技术伺服驱动技术C P 伺服驱动技术伺服驱动技术 根据控制指令信息，控制驱动元件，使机械系统的运动部件按照指令要求运动的一种控制技术。主要用于：机械设备位置、速度的动态控制。伺服系统的结构组成及分类伺服系统的结构组成及分类伺服系统的结构组成：控制器驱动元件被控对象检测装置输入输出伺服系统的组成 伺服系统的结构组成及分类伺服系统的结构组成及分类l控制器l驱动元件l被控对象l检测装置根据输入信号和反馈信号决定控制策略。将输入能量转化为机械能，驱动被控对象完成指令规定的动作。检测指令的执行情况，并报告给控制器。稳定、快速、准确 伺服系统的结构组成及分类伺服系统的结构组成及分类伺服系统的分类：按驱动元件的性质分为液压（气动）伺服系统电气伺服系统按控制方式分为开环伺服系统闭环伺服系统直流伺服系统交流伺服系统步进伺服系统 半闭环控制系统？伺服系统的结构组成及分类伺服系统的结构组成及分类开环、闭环伺服系统的优缺点：开环伺服系统：无反馈控制 优点：结构较简单、技术易掌握、成本低；缺点：精度低，抗干扰能力差。闭环伺服系统：采用反馈控制 优点：精度高、调速范围宽、动态性能好；缺点：系统结构复杂、成本高。一般用于精度、速度要求不高，低成本的机电一体化系统中。一般用于要求高精度、高速度的机电一体化系统中。应用应用驱动元件是处于机电一体化系统的机械运行机构与微电子控制装置的接点（联接）部位的能量转换元件。它能在微电子装置的控制下，将输入的各种形式的能量转换为机械能，例如电动机、电磁铁、继电器、液动机、油（气缸）、内燃机等分别把输入的电能、液压能、气压能和化学能转换为机械能。驱动元件 输出接口装置输出接口装置驱动元件与负载连接：一、与负载固连，直接驱动二、通过机械传动装置与负载连接驱动元件的基本要求 1.1.惯量小、动力大惯量小、动力大2.体积小、重量轻 既要缩小执行元件的体积、减轻重量，同时又要增大其动力，故通常用执行元件的单位重量所能达到的输出功率或比功率，即用功率密度 或比功率密度来评价这项指标。设执行元件的重量为G，则功率密度 为 P/G。比功率密度为 (T2/J)/G。3.便于维修、安装 执行元件最好不需要维修。无刷DC及AC伺服电动机就是走向无维修的一例。4.宜于微机控制 根据这个要求，用微机控制最方便的是电气式执行元件。因此机电一体化系统所用执行元件的主流是电气式，其次是液压式和气压式(在驱动接口中需要增加电-液或电-气变换环节)。内燃机定位运动的微机控制较难，故通常仅被用于交通运输机械。关于伺服电动机关于伺服电动机电气伺服系统的执行元件，把电信号转换为机械运动。电气伺服系统的执行元件，把电信号转换为机械运动。对伺服电动机的要求：l具有较宽而平滑的调速范围；l具有较硬的机械特性和良好的调节特性；l具有快速响应特性；l空载启动电压小。常见的几种伺服电动机u步进电动机u直流伺服电动机u交流伺服电动机第二节第二节 典型伺服系统p 步进电动机控制系统步进电动机控制系统p 直流伺服系统直流伺服系统p 交流伺服系统交流伺服系统伺服驱动技术伺服驱动技术 步进电动机步进电动机一种将脉冲信号转换为角位移的执行元件。步进电动机是一种纯粹的数字控制电动机。其角位移与输入脉冲数严格成正比，旋转一周没有累计误差。需要脉冲电源（产生旋转磁场、提供功率驱动）。三种常见的步进电动机：l反应式步进电动机l永磁式步进电动机l混合式步进电动机步进电动机又称脉冲电动机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。其输入一个电脉冲就转动一步，即每当电动机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电动机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向、很容易用微机实现数字控制。步进电动机步进电动机该类电动机由定子绕组产生的反应电磁力吸引用软磁钢制成的齿形转子作步进驱动，其定子1与转子2由铁心构成，没有永久磁铁，定子上嵌有线圈，转子朝定子与转子之间磁阻最小方向转动，并由此而得名可变磁型。此类电动机的转子结构简单、转子直径小，有利于高速响应。由于VR型步进电动机的铁心无极性，故不需改变电流极性，为此，多为单极性励磁。1 1）可变磁阻）可变磁阻(VR-Variable Reluctance)(VR-Variable Reluctance)型型 2)2)永磁永磁(PM-Permanent Magnet)(PM-Permanent Magnet)型型 PMPM型步进电动机的转子型步进电动机的转子2 2采用永久采用永久磁铁、定子磁铁、定子1 1采用软磁钢制成，绕组采用软磁钢制成，绕组3 3轮轮流通电，建立的磁场与永久磁铁的恒定流通电，建立的磁场与永久磁铁的恒定磁场相互吸引与排斥产生转矩。这种电磁场相互吸引与排斥产生转矩。这种电动机由于采用了永久磁铁，即使定子绕动机由于采用了永久磁铁，即使定子绕组断电也能保持一定转矩，故具有记忆组断电也能保持一定转矩，故具有记忆能力，可用做定位驱动。能力，可用做定位驱动。PMPM型电动机的特点是励磁功率小、效型电动机的特点是励磁功率小、效率高、造价低，因此需要量也大。由于率高、造价低，因此需要量也大。由于转子磁铁的磁化间距受到限制，难于制转子磁铁的磁化间距受到限制，难于制造，故步距角较大。与造，故步距角较大。与VRVR型相比转矩大，型相比转矩大，但转子惯量也较大。但转子惯量也较大。3)3)混合混合(HB-Hybrid)(HB-Hybrid)型型 该型步进电机不仅具有该型步进电机不仅具有VR型步进电动机步距角小、响应频型步进电动机步距角小、响应频率高的优点，而且还具有率高的优点，而且还具有PM型步进电动机励磁功率小、效率高的型步进电动机励磁功率小、效率高的优点。它的定子与优点。它的定子与VR型没有多大差别，只是在相数和绕组接线方型没有多大差别，只是在相数和绕组接线方面有其特殊的地方，例如，面有其特殊的地方，例如，VR型一般都做成集中绕组的形式，每型一般都做成集中绕组的形式，每极上放有一套绕组，相对的两极为一相，而极上放有一套绕组，相对的两极为一相，而HB型步进电动机的定型步进电动机的定子绕组大多数为四相，而且每极同时绕两相绕组或采用桥式电路子绕组大多数为四相，而且每极同时绕两相绕组或采用桥式电路绕一相绕组，按正反脉冲供电。绕一相绕组，按正反脉冲供电。这种类型的电动机由转子铁心的凸极数和定子的副凸极数决这种类型的电动机由转子铁心的凸极数和定子的副凸极数决定步距角的大小，可制造出步距角较小定步距角的大小，可制造出步距角较小(0.93.6)的电动机。的电动机。永久磁铁也可磁化轴向的两极，可使用轴向各向异性磁铁制成高永久磁铁也可磁化轴向的两极，可使用轴向各向异性磁铁制成高效电动机。效电动机。混合型与永磁型多为双极性励磁。由于都采用了永久磁铁，混合型与永磁型多为双极性励磁。由于都采用了永久磁铁，所以，无励磁时具有保持力。另外，励磁时的静止转矩都比所以，无励磁时具有保持力。另外，励磁时的静止转矩都比VR型步型步进电动机的大。进电动机的大。HB和和PM型步进电动机能够用做超低速同步电动机，型步进电动机能够用做超低速同步电动机，如用如用60Hz驱动每步驱动每步1.8的电动机可作为的电动机可作为72rmin的同步电动机使的同步电动机使用。用。步进电动机与步进电动机与DC和和AC伺服电动机相比其转矩、效率、精度、伺服电动机相比其转矩、效率、精度、高速性比较差，但步进电动机具有低速时转矩大、速度控制高速性比较差，但步进电动机具有低速时转矩大、速度控制比较简单、外形尺寸小等优点，所以在办公室自动化方面的比较简单、外形尺寸小等优点，所以在办公室自动化方面的打印机、绘图机、复印机等机电一体化产品中得到广泛使用，打印机、绘图机、复印机等机电一体化产品中得到广泛使用，在工厂自动化方面也可代替低档的在工厂自动化方面也可代替低档的DC伺服电动机。伺服电动机。脉冲电源 步进电动机控制系统步进电动机控制系统环形分配器功率驱动器步进电动机负载指令脉冲输出开环步进电动机控制系统框图步进电机控制系统开环控制系统闭环控制系统速度环、位置环脉冲电源环形分配器功率驱动器步进电动机负载指令脉冲输出开环步进电动机控制系统框图 步进电动机控制系统步进电动机控制系统步进电动机反应式步进电机的结构与工作原理三相反应式步进电动机原理图AABCCBA对齿B错齿C错齿 步进电动机控制系统步进电动机控制系统步进电动机步进电动机的结构与工作原理步进电动机按其工作原理分磁电式反应式小知识：磁阻最小原理 磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，因磁场扭曲而产生切向拉力。步进电动机控制系统步进电动机控制系统步进电动机步进电动机的结构与工作原理小知识：磁阻最小原理 磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，因磁场扭曲而产生切向拉力。切向拉力变化过程错齿状态对齿状态产生了磁阻性质的转矩 当某相处于对齿状态时，其它相处于错齿状态。步进电动机控制系统步进电动机控制系统步进电动机反应式步进电机的结构与工作原理CACABB定子1423转子三相步进电动机简化图三相：A-AB-BC-C 步进电动机控制系统步进电动机控制系统小知识：拍 通常把由一种通电状态转换到另一种通电状态叫做一拍。步距角 每一拍转子转过的角度。三相单三拍 三相是指定子为三个绕组，单是指每拍只有一相通电，三拍是指经过三次切换绕组的通电状态为一个循环。三拍一个循环，转子旋转了一个齿极，空间角度为9090。步距角为3030。通电顺序为：ABCA 步进电动机控制系统步进电动机控制系统三相三拍或单三拍工作方式CACABB1423三相三拍工作方式CACABB1423CACABB1423逆时针旋转303030表示该相通电1423 步进电动机控制系统步进电动机控制系统三相六拍工作方式CACABB1423三相六拍工作方式1423142314231423142314231423通电顺序为：AABBBCCCAA六拍一个循环，转子旋转了一个齿极，空间角度为9090。步距角为1515。步进电动机控制系统步进电动机控制系统双三拍工作方式CACABB1423双三拍工作方式142314231423通电顺序为：ABBCCAAB1423三拍一个循环，转子旋转了一个齿极，空间角度为9090。步距角为3030。步进电动机控制系统步进电动机控制系统三种工作方式比较三相三拍工作方式：三相六拍工作方式：双三拍工作方式：每次只有一相绕组通电，切换瞬间会失去自锁转矩，易产生失步。且一相绕组产生的力矩相对较小，在平衡位置易产生振荡。电动机运转中总有一相绕组通电，运转比较平稳。步距角是三相三拍工作方式步距角的一半。电动机运转中总有一相绕组通电，运转比较平稳。有两相绕组产生力矩。步进电动机控制系统步进电动机控制系统步进电动机的运行特性dT1、步距角aEs定子相数；aE转子齿数；通电拍数；m3 6 0m Z1K aE通电系数，通电系数，三相六拍三相三拍；。K步进电机运行一拍，其转子转过的转角度。对应一个转角当量：转角/脉冲。步进电动机控制系统步进电动机控制系统步进电动机的运行特性3.步进电动机定子绕组的通电状态的变化频率越高，转子的转速越高，但脉冲频率变化过快，会引起失步或过冲2.改变步进电动机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变4.输出转角精度比较高，一般只有相邻误差，但无累积误差。一圈不累积n=(a/360)*60f=af/6 步进电动机控制系统步进电动机控制系统功率驱动器伺服控制 执行部件的位移量控制t位移量 总行程N丝杠螺距3 6 0fvtv步进电机转角执行部件的位移量与输入脉冲数成正比。步进电动机控制系统步进电动机控制系统功率驱动器伺服控制 执行部件移动速度的控制执行部件位移的速度f丝杠螺距3 6 0fvtaE输入脉冲频率步距角aE执行部件的移动速度与输入脉冲频率成正比。步进电动机控制系统步进电动机控制系统功率驱动器伺服控制 执行部件移动方向的控制正向反向方向控制位移量控制只要控制步进电机正反转，就可以控制执行部件的移动方向。正向反向正转反转步进电动机的性能指标1.分辨力 在一个电脉冲作用下(即一拍)，电动机转子转过的角位移，即步距角越小，分辨力越高。最常用的有0.61.2、0.751.5、0.91.8、12、1.53等。2、静态特性（稳定状态时的特性）3.3.动态特性动态特性A A 相与相与B B 相矩相矩-角特性曲线之交点所对应的转矩称为起动转矩，它表角特性曲线之交点所对应的转矩称为起动转矩，它表示步进电动机单相励磁时所能带动的极限负载转矩。起动转矩通常示步进电动机单相励磁时所能带动的极限负载转矩。起动转矩通常与步进电动机相数和通电方式有关，如下表所示。与步进电动机相数和通电方式有关，如下表所示。最高连续运行频率及矩最高连续运行频率及矩-频特性频特性 空载起动频率与惯空载起动频率与惯-频特性频特性 4.4.步进电动机技术指标步进电动机技术指标 步进电动机控制系统步进电动机控制系统步进电动机的运行特性最高启动频率和最高工作频率最高启动频率：空载时，步进电机由静止突然启动，并不失步地进入稳速运行，所允许的启动频率。最高工作频率：步进电机连续运行时，所能接受的最高频率。10002000zzHH国产小功率步进电机的最高启动频率一般为：国产大功率步进电机的最高启动频率一般为：参考值：步进电动机控制系统步进电动机控制系统步进电动机的运行特性输出的转矩频率特性 定子绕组为感性负载，输入频率越高，励磁电流越小；频率越高，磁通量变化加剧，铁芯的涡流损失加大；工作频率越高，其输出转矩要降低。f2f1f1111i i i i iA X B X C X B X C 步进电动机控制系统步进电动机控制系统环形分配器步进电动机驱动电源环形分配器功率放大器环形分配器硬件环形分配器软件环形分配器环形分配器：将脉冲指令按步进电动机的工作规律转换成各相绕组通断信号，经功率放大器，驱动各相绕组产生旋转磁场。步进电动机的驱动电源组成步进电动机的驱动电源组成 步进电动机控制系统步进电动机控制系统环形分配器X向步进电动机 软件环形分配器PA1PA2PA4PA0PA5PA3PIO光电耦合器光电耦合器功率驱动器功率驱动器X向步进电机Y向步进电机ABCabc序号节拍035241PA0A001HCBPA2 PA1存储单元地址内容06H02H05H04H03H2A00H2A01H2A03H2A05H2A04H2A02H00000001111111110方向方向反转反转正转正转序号节拍035241PA3a008HcbPA5 PA4存储单元地址内容30H10H28H20H18H2A10H2A11H2A13H2A15H2A14H2A12H00000001111111110方向方向反转反转正转正转Y向步进电动机 步进电动机控制系统步进电动机控制系统环形分配器 硬件环形分配器由D触发器实现的三相六拍环形分配器：XCD1D2D3sRRBEaECAA预置（100）BC 步进电动机控制系统步进电动机控制系统环形分配器D触发器真值表：硬件环形分配器输入输入输出输出清除清除预置预置时钟时钟DQQLHLHLHLHHLHHLHHLXXXXXHXHXLLHHHLHQ0Q0正沿触发D触发器：DCKQQPRCLR（带预置端和清除端）步进电动机控制系统步进电动机控制系统环形分配器 硬件环形分配器由时序逻辑电路组成。1111iiiiiCXAXBXAXB1X三相六拍正反相环形分配器逻辑表达式：100101001011010110三相六拍状态转换图：pfnnsr160 步进电动机控制系统步进电动机控制系统环形分配器专用集成电路介绍：硬件环形分配器国产PM系列：PM03PM06对三相、四相、五相、六相步进电机控制进口PM系列：PM8713、PM8714可编程对二相、四相、五相步进电机控制CH250专用环形分配器仅对三相步进电机控制可编程专用步进电机控制芯片PM101B对四相（二相）、五相步进电机控制 步进电动机控制系统步进电动机控制系统环形分配器 硬件环形分配器3 6 0P Z K由逻辑门电路和触发器组成，提供符合步进电机控制指令所需要的顺序脉冲通过其控制端的不同接法可以组成三相双三拍和三相单双六拍的工作方式。若采用CL脉冲输入端，是上升沿触发，同时EN为使能端，EN=1工作，EN=0时禁止，反之，若采用EN为时钟端，是下降沿触发，此时CL为使能端，CL=0工作，CL=1禁止。R和R*是双三拍和六拍运行的复位端，当R加上正脉冲时，ABC的状态为110，而R*加上正脉冲时，ABC的状态为100 步进电动机控制系统步进电动机控制系统环形分配器 硬件环形分配器工作方式：当各个引脚连接号之后，主要通过一个脉冲输入端控制步进的速度；一个输入端控制电动机的转向，并有与步进电动机相数同数目的输出多分别控制电动机的各相。如图所示为三相六拍的接线图。当进给脉冲CP的上升沿有效，并且方向信号为“1”则正转，为“0”则反转。2sin(/2)WWB 步进电动机控制系统步进电动机控制系统功率驱动器功率放大驱动电路完成由弱电到强电信号的转换和放大，也就是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需的具有一定功率的电流脉冲信号。由于各相绕组都是绕在铁心上的线圈，所以电感较大，绕组通电时，电流上升率受到限制，因而影响电动机绕组电流的大小。绕组断电时，电感中磁场的储能元件将维持绕组中已有的电流不能突变，会产生反电动势，为使电流尽快衰减并释放反电动势，必须增加适当地续流回路 步进电动机控制系统步进电动机控制系统功率驱动器单电压驱动电路R2R1R4R3R7R5VT1VT2VT3VDR6C2C1+5V+EouU-6V功率放大续流Ub31V/0V3.6V射极跟随器（电流放大）步进电动机绕组 步进电动机控制系统步进电动机控制系统功率驱动器高低压双电压驱动电路（改善频率特性）Rf1VTdVD1Ug（高压）（高压）uU高压控制电路低压控制电路Ud（低压）（低压）VTgVD2控制信号Rf2步进电动机绕组 步进电动机控制系统步进电动机控制系统功率驱动器 步进电动机控制系统步进电动机控制系统功率驱动器单电压驱动电路简单，但R串在大电流回路中药消耗能量，使放大器功率降低。同时由于绕组电感L较大，电路对脉冲电流的反应较慢，因此，输出脉冲波形差，输出功率低高低压驱动电路采用高压驱动，电流增长速度快，脉冲电流的前沿变抖，电动机的转矩和运行频率都等到了提高。高低压功率放大电路由于仅在脉冲开始的一瞬间接通高压电源，其余的时间均有低压供电，效率很高，电流上升效率高，故告诉性能好，但由于电流波形陡，有时会产生过冲恒流源功率放大电路恒流源的动态电阻大，故绕组可在较低的电压下取得较大的电流上升率，魏反相驱动。在较低的电压下取得较高的电流上升率，可用在较高频率的驱动，电源电压较低，功耗减小，效率有所提高斩波恒流功率放大电路该电路去掉了限流电阻，效率显著提高，并利用高压给W储能，波的前沿得到改善，从而使步进电动机的输出加大，运行频率得到提高。调压调频功放电路调压调频功放的电路是当步进电动机在低频运行时，供电电压降低，当运行在高频段，供电电压也提高，供电电压随着转速的提高而升高在电源电压一定时，输出转矩随电动机的转速的提高而降低，要保证步进电动机高频运行时的输出转矩，要提高供电电压，但在低频时，会给绕组中注入过多的能量而引起起电动机的低频振荡和噪声。细分驱动细分驱动 步进电动机控制系统步进电动机控制系统功率驱动器如果要求步进电动机有更小的步距角或者为减小电动机振动、如果要求步进电动机有更小的步距角或者为减小电动机振动、噪声等原因，可以在每次输入脉冲切换时，不是将绕组电流噪声等原因，可以在每次输入脉冲切换时，不是将绕组电流全部通入或切除，而是只改变相应绕组中额定电流的一部分，全部通入或切除，而是只改变相应绕组中额定电流的一部分，则电动机转过的每步运动也只有步距角的一部分。则电动机转过的每步运动也只有步距角的一部分。这里绕组这里绕组电流不是一个方波，而是电流不是一个方波，而是阶梯波阶梯波，额定电流是台阶式的投入，额定电流是台阶式的投入或切除，电流分成多少个台阶，则转子就以同样的个数转过或切除，电流分成多少个台阶，则转子就以同样的个数转过一个步距角。这样将一个步距角细分成若干步的驱动方法被一个步距角。这样将一个步距角细分成若干步的驱动方法被称为细分驱动。称为细分驱动。细分驱动的特点是：细分驱动的特点是：在不改动电动机结构参数的情况下，在不改动电动机结构参数的情况下，能使步距角减小。能使步距角减小。但细分后的步距角精度不高，功率放大但细分后的步距角精度不高，功率放大驱动电路也相应复杂；能使步进电动机运行平稳、提高匀驱动电路也相应复杂；能使步进电动机运行平稳、提高匀速性，并能减弱或消除振荡。速性，并能减弱或消除振荡。功率开关细分驱动电源功率开关细分驱动电源在绕组电流上升过程中，VT1-VT5按顺序导通，每导通一个，绕组中电流就上升一个台阶，步进电动机也跟着转动一小步。在绕组电流下降过程中，VT1-VT5按顺序关断，每关断一个，绕组中电流就下降一个台阶。特点：功率晶体管工作在开关状态，功耗低，但是器件多，体积大 叠加细分驱动原理叠加细分驱动原理将各开关的控制脉冲信号进行叠加，用叠加后的阶梯信号控制接在绕组中得功率晶体管，并使晶体管工作在放大状态。加在基极的事阶梯型变化的信号，通过绕组中的电流也是阶梯型变化，实现了细分。特点:晶体管工作在放大状态，功耗大，但器件少阶梯法供电方法阶梯法供电方法1、先放大后叠加将通过细分环形分配器所形成的各个等幅等宽的脉冲，分别放大，然后在电动机组中叠加起来形成阶梯波2、先叠加后放大用运算放大器来叠加，或采用公共负载的方法把方波合成阶梯波，然后再对阶梯波进行放大再去驱动步进电动机4、步进电动机的微机控制、步进电动机的微机控制（串行、并行控制示意）（串行、并行控制示意）串行控制具有串行控制功能的单片机系统与步进电机驱动电源之间用较少的连线将控制信号送入步进电机驱动电源的环形分配器，并行控制用微型计算机系统的数个端口直接去控制步进电机各相驱动电路 步进电动机控制系统步进电动机控制系统速度控制通过控制步进电动机相邻两种励磁状态之间的时间间隔即可实现步进电动机速度的控制对于硬件环形分配器，只要控制CP的频率就可以控制步进电动机的速度对于软件环形分配器，只要控制相邻两次输出状态之间的时间间隔即控制相邻两节拍之间延时时间的长短，可用软件延时或定时器实现点点-位控制的加减速过程位控制的加减速过程加减速控制（点加减速控制（点位控制系统）位控制系统）系统过程中要求加减速过程时间最短，恒速时间尽量长若运行频率小于极限启动频率，可以直接启动，若极限启动频率低，而要求运行速度高，若直接启动，不能正常启动，运行后，达到位置突然停发脉冲，由于系统惯性，会发生过冲，影响控制精度。升速规律一般可有两种选择：一是按照直线规律升速，二升速规律一般可有两种选择：一是按照直线规律升速，二是按指数规律升速。是按指数规律升速。按直线规律升速时加速度为恒值，因此要求步进电动机按直线规律升速时加速度为恒值，因此要求步进电动机产生的转矩为恒值。从电动机本身的矩产生的转矩为恒值。从电动机本身的矩-频特性来看，在转频特性来看，在转速不是很高的范围内，输出的转矩可基本认为恒定。但实速不是很高的范围内，输出的转矩可基本认为恒定。但实际上电动机转速升高时，输出转矩将有所下降际上电动机转速升高时，输出转矩将有所下降 如按指数规律升速，加速度是逐渐下降的，接近电动如按指数规律升速，加速度是逐渐下降的，接近电动机输出转矩随转速变化的规律机输出转矩随转速变化的规律用微机对步进电动机进行加减速控制，用微机对步进电动机进行加减速控制，实际上就是改变输出实际上就是改变输出步进脉冲的时间间隔。升速时使脉冲串逐渐加密，减速时使步进脉冲的时间间隔。升速时使脉冲串逐渐加密，减速时使脉冲串逐渐稀疏。脉冲串逐渐稀疏。微机用定时器中断的方式来控制电动机变速时微机用定时器中断的方式来控制电动机变速时,实际上就是不实际上就是不断改变定时器装载值的大小。断改变定时器装载值的大小。一般用一般用离散办法来逼近理想的升降速曲线。离散办法来逼近理想的升降速曲线。为了减少每步计算装载值的时间，系统设计时就把各离散点为了减少每步计算装载值的时间，系统设计时就把各离散点的速度所需的装载值固化在系统的的速度所需的装载值固化在系统的EPROM中，系统运行中用中，系统运行中用查表方法查出所需的装载值，从而大大减少占用查表方法查出所需的装载值，从而大大减少占用CPU时间，时间，提高系统响应速度。提高系统响应速度。系统在执行升降速的控制过程中，对加减速的控制还需准系统在执行升降速的控制过程中，对加减速的控制还需准备下列数据：备下列数据：加减速的斜率；加减速的斜率；升速过程的总步数；升速过程的总步数；恒速运行总步数；恒速运行总步数；减速运行的总步数。减速运行的总步数。步进电动机的闭环控制步进电动机的闭环控制闭环控制是直接或间接检测转子的位置和速度，然后通过反馈及适当的处理，自动给出驱动的脉冲串，采用闭环控制，不仅可以获得更高精确的位置控制和高得多、平稳的多的转速，通用性更好开环控制的步进电动机驱动系统，其输入的脉冲不依赖于转子的位置，而是事先按一定的规律给定的。对于电动机的输出转矩和加速度很大程度上取决于驱动电源和控制方式，对于不同电动机或不同负载，难以找到通用的加减速规律，电机性能指标受到限制步进电动机的闭环控制步进电动机的闭环控制采用光电编码器作为位置检测元件的闭环控制系统步进电动机有微机发出的一个初始脉冲后，光电脉冲编码器与伺服电机的转轴连接，随着电动机的转动产生脉冲序列，其脉冲的频率随着转速的快慢而升降。编码器相对与电机的位移是固定，切换角也是固定的，采用时间延迟的方法可获得不同的切换角，从而可使电动机产生不同的平均转矩，得到不同的转速通常在加速时插入脉冲，减速时删除脉冲，实现加减速控制在固定切换角时，如负载增加，电机转速降低，要实现匀速控制可用编码器测出电动机的实际转速作为反馈不断调节切换角，从而补偿有负载引起的转速变化增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。编码器（感应同步器、光栅尺）数字式位移传感器数字式位移传感器 原理：利用自身的原理：利用自身的物理特征物理特征，制成直线形和圆形结构的位移，制成直线形和圆形结构的位移传感器，输出信号都是脉冲信号，每一个脉冲代表输入的位传感器，输出信号都是脉冲信号，每一个脉冲代表输入的位移当量，通过计数脉冲就可以统计位移的尺寸移当量，通过计数脉冲就可以统计位移的尺寸 (1)光栅位移传感器（直线、圆光栅）光栅位移传感器（直线、圆光栅）特点：测量精确高特点：测量精确高(可达可达1m)、响应速度快和量程范围大、响应速度快和量程范围大(一般为一般为12 m，连接使用可达到，连接使用可达到10m)等等构成：主光栅-标尺光栅，定光栅 指示光栅-动光栅长度-测量范围；刻线密度-测量精度(10、25、50、100、125线/mm)上一页 下一页 返回光源透镜主光栅指示光栅光电元件光栅副光 路光栅传感器的结构光栅传感器的工作原理+-位移正弦波均匀刻线主光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动 光栅u 透射光栅u 反射光栅放大性：夹角很小 BW 光学放大 提高灵敏度故 被测物体位移栅距脉冲数被测物体位移莫尔条纹移动正弦波方波脉冲通过光栅 转 换通过光电 元件转换整 形 转 换逻辑电压 转 换光栅传感器的工作原理 感应同步器感应同步器 直线感应同步器直线感应同步器 结构结构:由定尺和滑尺两部分组成由定尺和滑尺两部分组成 定尺定尺较长较长(200 mm以上，可根据测量行程的长度选择不同规格长度以上，可根据测量行程的长度选择不同规格长度)，上面刻有上面刻有均匀节距的绕组均匀节距的绕组 滑尺滑尺表面刻有两个绕组，即表面刻有两个绕组，即正弦绕组和余弦绕组正弦绕组和余弦绕组。当余弦绕组与定。当余弦绕组与定子绕组相位相同时，正弦绕组与定子绕组错开子绕组相位相同时，正弦绕组与定子绕组错开1/4节距节距 滑尺在通有电流的定尺表面相对运动，产生感应电势滑尺在通有电流的定尺表面相对运动，产生感应电势 圆盘式感应同步器其转子相当于直线感应同步器的滑尺，定子相当圆盘式感应同步器其转子相当于直线感应同步器的滑尺，定子相当于定尺，而且定子绕组中的两个绕组也错开于定尺，而且定子绕组中的两个绕组也错开1/4节距节距上一页 下一页 返回利用电磁感应原理将平面型绕组之间的相对位移转化成电信号的测量元件aE直流伺服系统直流伺服系统采用直流伺服电动机作为执行元件的伺服系统，称为直流伺服系统。1 1 1 1i ii i iB X C X A X C X A (1)直流伺服电机的工作原理直流伺服电机的工作原理在定子上有永久磁铁或有励磁绕组所形成的磁极，转子绕组在定子上有永久磁铁或有励磁绕组所形成的磁极，转子绕组(即电枢绕组即电枢绕组)通过电刷供电。工作时转子绕组是载流导体，通过电刷供电。工作时转子绕组是载流导体，在定子磁场中受到在定子磁场中受到电磁力电磁力的作用而形成的作用而形成电磁力矩电磁力矩使转子转动使转子转动进而带动负载进而带动负载直流伺服系统直流伺服系统直流伺服系统原理直流伺服系统原理直流电动机的机械特性和调速指标他励式直流电动机工作原理aEaLaRaU等效电路工作原理fIaIaUfUa a aaUEIRaaaaUEI R他励式直流电动机工作原理aEaLaRaU等效电路工作原理fIaIaUfUa aaaU EIRaRV电枢回路总电阻aU aE 电枢回路端电压aU A电枢绕组的感应电动势aI a EEECnK n 电枢回路电流他励式直流电动机工作原理aEaLaRaU等效电路工作原理fIaIaUfUa aaaU EIRECm inr电动势常数n ETK C 电动机转速EKTC单位转速时所产生的电动势m inV r为转矩常数当磁通 恒定时，电枢绕组的感应电动势与转速成正比，则有：mTa T aTC IK I 他励式直流电动机工作原理aEaLaRaU等效电路工作原理fIaIaUfUa aaaU EIRTK,T TKCN m ANm单位电流所产生的转矩mT02aamTmE ETU RnTnK TCC C 电动机的电磁转矩电动机的电磁转矩为：他励式直流电动机工作原理aEaLaRaU等效电路工作原理fIaIaUfUa aaaU EIR0aEnUK上几式联立求解，可得直流伺服电动机的转速公式：0mTaaR U 式中 时的转速 称为理想空载转速。直流电动机的调速公式02aammEE TadTURnTnTCCCRK 他励式直流电动机工作原理aEaLaRaU等效电路工作原理fIaIaUfUa aaaU EIRaR调节电枢回路的电阻 ，则调速方程为：0n改变电枢电阻时的机械特性n0mTadR0adR 02amTmEETaRnTK TC C CUn 电动机的理想空载转速不变机械特性变软外加负载增加转速线性下降该方法不经济他励式直流电动机工作原理aEaLaRaU等效电路工作原理fIaIaUfUa aaaU EIRaU调节电枢回路的电压 ，则调速方程为：aU只改变电动机的理想空载转速，机械特性曲线的斜率不变，保持了原有较硬的机械特性。是较理想的调速方法。改变电枢电压时的机械特性n0mTadR01n02n0 3n 02aammE ETTU RnT K TCnCC 他励式直流电动机工作原理aEaLaRaU等效电路工作原理fIaIaUfUa aaaU EIR调节磁通 ，则调速方程为：电动机的理想空载转速改变机械特性变软电动机抗负载变化的能力低磁通调节困难故较少使用。改变磁通时的机械特性n0mTadR01TdU U d t UUTT 02n0 3n 02aammE ETTU RnT K TCnCC 直流伺服系统原理直流伺服系统原理脉宽调制型（PWM）功率放大PWM技术基本原理：基本原理：利用脉宽调制器对大功率器件的开关时间进行控制，将直流电压转化成一定频率的方波电压，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢两端电压的平均值和极性，从而调节电机转速和转向PWM 脉冲宽度调节脉宽调制控制的核心由两部分组成：1.脉宽调制器（控制回路）2.脉宽调制的开关放大器（主回路）直流伺服系统原理直流伺服系统原理脉宽调制型（PWM）功率放大1、PWM调制器dIMdUSSU0Ut2dU1dUTdT U U(01)A式中 称为导通率，或称为占空比 。只要改变导通时间就可改变电枢两端的平均电压直流伺服系统原理直流伺服系统原理脉宽调制型（PWM）功率放大2、PWM的控制电路：脉冲调制器脉冲调制器是将模拟电压转化成脉冲宽度由控制信号调节的脉冲电压结构上有调制脉冲发生器和比较放大器组成，调制脉冲发生器分为三角波发生器和锯齿波发生器直流伺服系统原理直流伺服系统原理脉宽调制型（PWM）功率放大MB4bU3bU2bU1bUaU4VD3VD2VD1VD4VT3VT2VT1VTabU双极式H型功率变换电路：t2 3b bU U14bbUU2 3b bU UA2 3b bU U双极式H型可逆PWM变换器电路直流伺服系统原理直流伺服系统原理脉宽调制型（PWM）功率放大双极PWM变换器的特征就是在一个周期内，电压从+U变为-U 如何控制电机的正反转？只要控制正负脉冲的宽窄当正脉冲较宽时，tT/2时，电枢两端的平均电压为正，电机正转，平均值越大，转速越高当正脉冲较窄时，tT/2时，电枢两端的平均电压为负，电机反转，平均的绝对值越大，反转转速越高直流伺服系统原理直流伺服系统原理直流电动机晶闸管调速单向晶闸管SCR：可控硅整流器特点：有阻断和导通两种稳定状态小知识：导通条件：从阻断到导通所需的条件关断条件：从导通到阻断所需的条件晶闸管的阳极上加上正电压，同时在门极上加上正电压。晶闸管一旦导通，门极对晶闸管就不起控制作用，关断需使流过晶闸管的电流小于维持电流。可将阳极电源断开，或加反向电压阳极A阴极K门极GSCR符号直流电动机晶闸管调速直流伺服系统原理直流伺服系统原理当阳极与阴极间施加正电压时，控制极出现出发脉冲时，晶闸管导通，触发脉冲出现的位置为触发角，控制触发角即可控制晶闸管导通的时间，从而达到控制电动机的目的。直流伺服系统原理直流伺服系统原理晶闸管直流驱动方式，主要通过调节触发装置控制晶闸管的触发延迟角(控制电压的大小)来移动触发脉冲的相位，从而改变整流电压的大小，使直流电动机电枢电压的变化易于平滑调速。由于晶闸管本身的工作原理和电源的特点，导通后是利用交流(50Hz)过零来关闭的，因此，在低整流电压时，其输出是很小的尖峰值(三相全波时每秒300个)的平均值，从而造成电流的不连续性。而采用脉宽调速驱动系统，其开关频率高(通常达20003000Hz)，伺服机构能够响应的频带范围也较宽，与晶闸管相比，其输出电流脉动非常小，接近于纯直流。伺服电动机与驱动器伺服电动机与驱动器驱动器电动机 交流伺服系统交流伺服系统常见的交流伺服电动机：l永磁式同步伺服电动机l两相异步交流伺服电动机一种把交流电能转换为机械能的执行元件。交流伺服电动机交流伺服电动机 采用交流伺服电动机作为执行元件的伺服系统，称为交流伺服系统。交流伺服系统选用的 电动机同步交流伺服电动机异步交流伺服电动机多用于机床进给传动控制、工业机器人关节传动等需要运动、位置控制的场合。多用于机床主轴转速等调速系统。交流伺服系统交流伺服系统 交流伺服系统交流伺服系统(1)交流伺服电动机工作原理：工作原理：当定子绕组通上交流电源后，产生一个旋转磁场，转子在旋转磁场的作用下转动。1160(1)(1)fnsnsp同步电动机的转速方程为：P 定子供电频率；极对数 交流伺服系统交流伺服系统异步电动机的转速方程为：n1n式中：电动机转速；1f定子磁场的转速；P 定子供电频率；p转差率；极对数显然，交流电动机的转速与其供电频率成正比。只要改变其供电频率，就可实现调速运行，故称变频调速。交流伺服系统交流伺服系统改变交流异步电动机的转速有三种方法：变频调速，调速范围宽，平滑性好，效率高变极调速，调速范围窄，有级调速变转差调速，损耗大 交流伺服系统交流伺服系统在异步电动机的变频调速中，希望磁通保持不变，磁通量减弱，铁心材料利用不充分，电动机输出转矩下降，导致负载能力减弱，磁通量增强，引起铁心饱和、励磁电流增加，电机绕组发热，可能烧毁电机。异步电机定子每相绕组的感应电动势为：N定子绕组每相串联的匝数f 定子频率，为每极气隙磁通 k 为绕组系数保持磁通不变，E/f 为常数，E难以控制，如果忽略定子阻抗因素，可近似认为定子相电压等于E在交流变频调速装置，同时兼有调频调压功能 交流伺服系统交流伺服系统(2)交流伺服电机的调速调速方法主要是改变供电频率来实现 变频器功能：将电网电压提供的恒压恒频交流电变换为变压变频交流电 按 变换方式交交变频交直交变频 交流伺服系统交流伺服系统r cu (a)交一交变频交一交变频;(b)交一直一交变频交一直一交变频直流伺服系统原理直流伺服系统原理PWM技术基本原理：小知识：基本原理：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在惯性环节上时，其效果基本相同。PWM 脉冲宽度调节 当脉冲宽度按正弦规律变化而形成和正弦信号等效的PWM波形，也称SPWM波形。交流伺服系统交流伺服系统在交流SPWM中，输出电压是由三角载波调制正弦电压，SPWM的输出电压是幅值相等、宽度不等的方波信号。其各脉冲的面积与正弦波下的面积成比例，其脉宽基本上按正弦分布，其基波是等效正弦波。用这个输出脉冲信号经功率放大后作为交流伺服电动机的相电压(电流)，改变正弦基波的频率就可以改变电机相电压(电流)的频率，实现调频调速_调制波（正弦波）载波（三角波）正弦波三角波时，输出为正；正弦波三角波时，输出为负。电压比较器 SPWM变频器 交流伺服系统交流伺服系统 SPWM变频器脉冲宽度调制技术中，以所期望的波形作为调制波，而受它调制的波称为载波。tu1t1trbuAOuBOuAOuCOuAOurau图332 双极式逆变器三相输出波形调制波？载波？交流伺服系统交流伺服系统三相三相SPWM变频器的控制回路变频器的控制回路 交流伺服系统交流伺服系统一组三相对称的正弦参考信号一组三相对称的正弦参考信号Ua、Ub、Uc由基准信号发由基准信号发生器提供，生器提供，频率和幅值可调频率和幅值可调，三角波发生器的载波信号，三角波发生器的载波信号 是是共用的，分别与每相参考电压比较后，共用的，分别与每相参考电压比较后，产生产生SPWM脉冲序脉冲序列波作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号列波作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号三相三相SPWM变频器的主回路变频器的主回路 交流伺服系统交流伺服系统SPWM调制波经功率放大后才可驱动电机调制波经功率放大后才可驱动电机0X 交流伺服系统交流伺服系统将将50HZ交流电经三相整流变压器变到所需电压，经二极交流电经三相整流变压器变到所需电压，经二极管整流和电容滤波，形成定直流电压管整流和电容滤波，形成定直流电压U，再送入，再送入6个大功率个大功率晶体管构成的逆变器主电路，晶体管构成的逆变器主电路，输出三相频率和电压可调的输出三相频率和电压可调的等效正弦波的脉宽调制波等效正弦波的脉宽调制波