伺服系统设计(改)课件

第第3章章 伺服驱动技术伺服驱动技术n n3.1概述概述n n3.2伺服系统的执行元件及控制伺服系统的执行元件及控制n n3.3伺服系统设计伺服系统设计3.1 概述概述n n一、伺服系统概念一、伺服系统概念n n二、伺服系统的类型二、伺服系统的类型n n三、伺服系统的基本要求三、伺服系统的基本要求n n伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统是自动控制系统的一类（输出量能够是自动控制系统的一类（输出量能够是自动控制系统的一类（输出量能够是自动控制系统的一类（输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为伺服系统），它的根本任务是实现执行机构对为伺服系统），它的根本任务是实现执行机构对为伺服系统），它的根本任务是实现执行机构对为伺服系统），它的根本任务是实现执行机构对给定指令的准确跟踪，即实现输出变量的转角给定指令的准确跟踪，即实现输出变量的转角给定指令的准确跟踪，即实现输出变量的转角给定指令的准确跟踪，即实现输出变量的转角（或位移等）能够自动、连续、精确地复现输入（或位移等）能够自动、连续、精确地复现输入（或位移等）能够自动、连续、精确地复现输入（或位移等）能够自动、连续、精确地复现输入指令信号的变化规律。指令信号的变化规律。指令信号的变化规律。指令信号的变化规律。一、伺服系统概念一、伺服系统概念机电一体化系统的运动控制往往都是伺服控制。机电一体化系统的运动控制往往都是伺服控制。n n例：数控机床伺服系统例：数控机床伺服系统例：数控机床伺服系统例：数控机床伺服系统n n由图可以看出，它与一般的反馈控制系统一样，由图可以看出，它与一般的反馈控制系统一样，由图可以看出，它与一般的反馈控制系统一样，由图可以看出，它与一般的反馈控制系统一样，也是由控制器、功率放大器、执行机构、反馈测也是由控制器、功率放大器、执行机构、反馈测也是由控制器、功率放大器、执行机构、反馈测也是由控制器、功率放大器、执行机构、反馈测量装置等部分组成。量装置等部分组成。量装置等部分组成。量装置等部分组成。二、伺服系统组成二、伺服系统组成控制器控制器控制器控制器：主要任务是根据输入的信号和反馈的信号：主要任务是根据输入的信号和反馈的信号：主要任务是根据输入的信号和反馈的信号：主要任务是根据输入的信号和反馈的信号决定控制策略。决定控制策略。决定控制策略。决定控制策略。功率放大器功率放大器功率放大器功率放大器：将信号放大，并驱动执行机构完成某：将信号放大，并驱动执行机构完成某：将信号放大，并驱动执行机构完成某：将信号放大，并驱动执行机构完成某种操作。种操作。种操作。种操作。执行机构：执行机构：执行机构：执行机构：把电信号转化为机械输出量，如速度、把电信号转化为机械输出量，如速度、把电信号转化为机械输出量，如速度、把电信号转化为机械输出量，如速度、位移、转角等。执行机构主要由伺服电动机或液压位移、转角等。执行机构主要由伺服电动机或液压位移、转角等。执行机构主要由伺服电动机或液压位移、转角等。执行机构主要由伺服电动机或液压伺服装置和机械传动装置等组成。通常采用电动机伺服装置和机械传动装置等组成。通常采用电动机伺服装置和机械传动装置等组成。通常采用电动机伺服装置和机械传动装置等组成。通常采用电动机作为驱动元件的执行机构。作为驱动元件的执行机构。作为驱动元件的执行机构。作为驱动元件的执行机构。测量装置：测量装置：测量装置：测量装置：测量被控制量（即输出量），实现反馈测量被控制量（即输出量），实现反馈测量被控制量（即输出量），实现反馈测量被控制量（即输出量），实现反馈控制。控制。控制。控制。二、伺服系统组成二、伺服系统组成n n 从系统组成元件的性质来看，有从系统组成元件的性质来看，有从系统组成元件的性质来看，有从系统组成元件的性质来看，有电气伺服系统电气伺服系统电气伺服系统电气伺服系统、液压伺服系统液压伺服系统液压伺服系统液压伺服系统和和和和电气电气电气电气液压伺服系统液压伺服系统液压伺服系统液压伺服系统、电气电气电气电气气气气气动伺服系统动伺服系统动伺服系统动伺服系统等；等；等；等；n n从系统输出量的物理性质来看，有从系统输出量的物理性质来看，有从系统输出量的物理性质来看，有从系统输出量的物理性质来看，有速度速度速度速度或或或或加速加速加速加速度度度度伺服系统和伺服系统和伺服系统和伺服系统和位置位置位置位置伺服系统等；伺服系统等；伺服系统等；伺服系统等；n n从系统中所包含的元件特性和信号作用特点来从系统中所包含的元件特性和信号作用特点来从系统中所包含的元件特性和信号作用特点来从系统中所包含的元件特性和信号作用特点来看，有看，有看，有看，有模拟式模拟式模拟式模拟式伺服系统和伺服系统和伺服系统和伺服系统和数字式数字式数字式数字式伺服系统；伺服系统；伺服系统；伺服系统；n n从系统结构特点来看，有从系统结构特点来看，有从系统结构特点来看，有从系统结构特点来看，有开环开环开环开环伺服系统、伺服系统、伺服系统、伺服系统、半开半开半开半开环环环环伺服系统、伺服系统、伺服系统、伺服系统、闭环闭环闭环闭环伺服系统。伺服系统。伺服系统。伺服系统。二、伺服系统类型二、伺服系统类型n n对伺服系统的基本要求有对伺服系统的基本要求有对伺服系统的基本要求有对伺服系统的基本要求有稳定性稳定性稳定性稳定性、精度精度精度精度和和和和快速快速快速快速响应性响应性响应性响应性。n n 稳定性：稳定性：稳定性：稳定性：是指作用在系统上的扰动消失后，系是指作用在系统上的扰动消失后，系是指作用在系统上的扰动消失后，系是指作用在系统上的扰动消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入统能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入统能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入统能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状指令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状指令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状指令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态的能力。态的能力。态的能力。态的能力。n n精度：精度：精度：精度：是伺服系统的一项重要的性能要求。它是伺服系统的一项重要的性能要求。它是伺服系统的一项重要的性能要求。它是伺服系统的一项重要的性能要求。它是指其输出量复现输入指令信号的精确程度。是指其输出量复现输入指令信号的精确程度。是指其输出量复现输入指令信号的精确程度。是指其输出量复现输入指令信号的精确程度。n n快速响应性：快速响应性：快速响应性：快速响应性：是衡量伺服系统动态性能的另一是衡量伺服系统动态性能的另一是衡量伺服系统动态性能的另一是衡量伺服系统动态性能的另一项重要指标。快速响应性有两方面含义，一是指项重要指标。快速响应性有两方面含义，一是指项重要指标。快速响应性有两方面含义，一是指项重要指标。快速响应性有两方面含义，一是指动态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化动态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化动态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化动态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的迅速程度，二是指动态响应过程结束的迅速程的迅速程度，二是指动态响应过程结束的迅速程的迅速程度，二是指动态响应过程结束的迅速程的迅速程度，二是指动态响应过程结束的迅速程度。度。度。度。三、伺服系统的基本要求三、伺服系统的基本要求5.2 伺服系统的执行元件及控制伺服系统的执行元件及控制n n一、执行元件类型及特点一、执行元件类型及特点n n二、伺服电机及其控制二、伺服电机及其控制n n三、步进电机及其控制三、步进电机及其控制 1.1.电气执行元件电气执行元件电气执行元件电气执行元件电气执行元件包括直流电气执行元件包括直流电气执行元件包括直流电气执行元件包括直流(DC)(DC)伺服电机、交流（伺服电机、交流（伺服电机、交流（伺服电机、交流（ACAC）伺服电机、步进电机以及电磁铁等，是最常用的执行元伺服电机、步进电机以及电磁铁等，是最常用的执行元伺服电机、步进电机以及电磁铁等，是最常用的执行元伺服电机、步进电机以及电磁铁等，是最常用的执行元件。对伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态件。对伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态件。对伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态件。对伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态性能好，适合于频繁使用，便于维修等性能好，适合于频繁使用，便于维修等性能好，适合于频繁使用，便于维修等性能好，适合于频繁使用，便于维修等n n2 2液压式执行元件液压式执行元件液压式执行元件液压式执行元件液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点n n3 3气压式执行元件气压式执行元件气压式执行元件气压式执行元件气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。一、执行元件类型及特点一、执行元件类型及特点执行执行元件分类元件分类应用应用应用应用：液压系统用于需大的功率重型设备：液压系统用于需大的功率重型设备：液压系统用于需大的功率重型设备：液压系统用于需大的功率重型设备气动用于工件夹紧、输送等自动化生产线气动用于工件夹紧、输送等自动化生产线气动用于工件夹紧、输送等自动化生产线气动用于工件夹紧、输送等自动化生产线电动应用最广泛电动应用最广泛电动应用最广泛电动应用最广泛伺服电机控制方式伺服电机控制方式一、步进电动机及其控制一、步进电动机及其控制特点特点特点特点:(1)1)来一个脉冲，转一个步距角。来一个脉冲，转一个步距角。来一个脉冲，转一个步距角。来一个脉冲，转一个步距角。(2)(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。控制脉冲频率，可控制电机转速。控制脉冲频率，可控制电机转速。控制脉冲频率，可控制电机转速。(3)(3)改变脉冲顺序，可改变转动方向。改变脉冲顺序，可改变转动方向。改变脉冲顺序，可改变转动方向。改变脉冲顺序，可改变转动方向。步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段距离。距离。由于步进电动机的这一工作职能正好符合由于步进电动机的这一工作职能正好符合由于步进电动机的这一工作职能正好符合由于步进电动机的这一工作职能正好符合数字控制系统要求，因此它在数控机床、钟表工数字控制系统要求，因此它在数控机床、钟表工数字控制系统要求，因此它在数控机床、钟表工数字控制系统要求，因此它在数控机床、钟表工业及自动记录仪等方面都有很广泛的应用。业及自动记录仪等方面都有很广泛的应用。业及自动记录仪等方面都有很广泛的应用。业及自动记录仪等方面都有很广泛的应用。数控机床原理与系统数控机床原理与系统西工大机电学院西工大机电学院步进电机的种类、结构及工作原理步进电机的种类、结构及工作原理步进电动机步进电动机反应式步进电机的应用最广泛，它有两相、三相、多相之分。反应式步进电机的应用最广泛，它有两相、三相、多相之分。反应式步进电机的应用最广泛，它有两相、三相、多相之分。反应式步进电机的应用最广泛，它有两相、三相、多相之分。这里主要讨论三相反应式步进电动机的结构和工作原理。这里主要讨论三相反应式步进电动机的结构和工作原理。这里主要讨论三相反应式步进电动机的结构和工作原理。这里主要讨论三相反应式步进电动机的结构和工作原理。(1)(1)种类种类：励磁式励磁式和和反应式反应式反应式反应式两种。两种。1.反应式步进电机：定子上有若干对磁极，磁极上有反应式步进电机：定子上有若干对磁极，磁极上有多相励磁绕组；转子上有均匀分布的小齿；利用磁阻多相励磁绕组；转子上有均匀分布的小齿；利用磁阻的变化产生转矩。的变化产生转矩。2.励磁式步进电机：转子有绕组励磁式步进电机：转子有绕组(或用永久磁钢或用永久磁钢)；定子上有绕组；绕组轮流通电，建立的磁场与永磁体定子上有绕组；绕组轮流通电，建立的磁场与永磁体恒定的磁场相互作用，产生转矩。恒定的磁场相互作用，产生转矩。步进电机由转子和定子两部分组成，下图中三相步进电机由转子和定子两部分组成，下图中三相定子定子A A、B B、C C，三相，每相两极：三相，每相两极：AAAA,BB,BB,CC,CC，每极每极上五个齿。上五个齿。(2)(2)步进电动机步进电动机的结构的结构定子上线圈的绕法定子上线圈的绕法 转子转子 （4040齿）齿）(2)(2)步进电动机步进电动机的结构的结构 下面以反应式步进电机为例说明步进电机的下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。结构和工作原理。三相反应式步进电动机的原理结构图三相反应式步进电动机的原理结构图三相反应式步进电动机的原理结构图三相反应式步进电动机的原理结构图如下：如下：定子内圆周定子内圆周均匀分布着六个均匀分布着六个磁极，磁极上有磁极，磁极上有励磁绕组，每两励磁绕组，每两个相对的绕组组个相对的绕组组成一相。采用成一相。采用Y连接，转子有四连接，转子有四个齿。个齿。(3).(3).(3).(3).步进电机工作原理步进电机工作原理步进电机工作原理步进电机工作原理由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻转矩，因此会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻转矩，使转子转动。使转子转动。现以现以ABCA的通电顺序，使三的通电顺序，使三相绕组相绕组 轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。.三相单三拍三相单三拍三相单三拍三相单三拍-单相通电方式单相通电方式单相通电方式单相通电方式A相绕组通电，相绕组通电，B、C相相不通电。气隙产生以不通电。气隙产生以A-AA-A为轴线为轴线的磁场，而磁力线总是力图从的磁场，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，故电动磁阻最小的路径通过，故电动机转子受到一个反应转矩，在机转子受到一个反应转矩，在此转矩的作用下，转子必然转此转矩的作用下，转子必然转到左图所示位置：到左图所示位置：1、3齿与齿与A、A极对齐。极对齐。“三相三相三相三相”指三相步进电机；指三相步进电机；指三相步进电机；指三相步进电机；“单单单单”指每次只能一相绕指每次只能一相绕指每次只能一相绕指每次只能一相绕组通电；组通电；组通电；组通电；“三拍三拍三拍三拍”指通电三次完成一个通电循环。指通电三次完成一个通电循环。指通电三次完成一个通电循环。指通电三次完成一个通电循环。同理，同理，B相通电时，转子会转过相通电时，转子会转过30 角，角，2、4齿和齿和B、B 磁极轴线对齐；当磁极轴线对齐；当C相通电时，转子相通电时，转子再转过再转过30 角，角，1、3齿和齿和C、C磁极轴线对齐。磁极轴线对齐。这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。以称为三相单三拍工作方式。按按ABCA 的顺序给三相绕的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过转过30(步距角步距角)，每个通电循环周期，每个通电循环周期(3拍拍)磁磁场在空间旋转了场在空间旋转了360而转子而转子转过转过90(一个齿距一个齿距角角)。.三相六拍三相六拍三相六拍三相六拍-单双相轮流通电方式单双相轮流通电方式单双相轮流通电方式单双相轮流通电方式 按按AABBBCC CA的顺序给三的顺序给三相绕组轮流通电。相绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控这种方式可以获得更精确的控制特性。制特性。A相通电，相通电，转子转子1 1、3 3齿与齿与A、A 对齐。对齐。A、B相同时通电，相同时通电，A、A 磁极拉住磁极拉住1、3齿，齿，B、B 磁极拉住磁极拉住2、4齿，齿，转子转转子转过过15，到达左到达左图所示位置。图所示位置。B B 相通电，相通电，转子转子2、4齿与齿与B、B 对齐对齐,又转又转过过15。B、C相同时通电，相同时通电，C、C 磁极拉住磁极拉住1、3齿，齿，B、B 磁极拉住磁极拉住2、4齿，转子再转齿，转子再转过过15。三相反应式步进电动机的一个通电循环周三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：期如下：AABBBCC CA，每个循每个循环周期分为六拍。每拍转子转过环周期分为六拍。每拍转子转过15（步距角），（步距角），一一个通电循环周期个通电循环周期(6拍拍)转子转过转子转过90 (齿距角齿距角)。与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更小，更适用于需要精确定位的控制系统中。小，更适用于需要精确定位的控制系统中。.三相双三拍三相双三拍三相双三拍三相双三拍-双相通电方式双相通电方式双相通电方式双相通电方式 按按ABBC CA的顺序给三相绕组轮流通的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电电。每拍有两相绕组同时通电。与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循循环周期也分为三拍。每拍转子转过环周期也分为三拍。每拍转子转过30 (步距角步距角)，一一个通电循环周期个通电循环周期(3拍拍)转子转过转子转过90(齿距角齿距角)。A A相相 B B相相 C C相相 步进电机内部步进电机内部转子结构（转子结构（4040齿）齿）n n（4 4）.性能参数性能参数性能参数性能参数n n 步距角步距角步距角步距角n n步进电动机走一步所转过的角度称为步距角，步进电动机走一步所转过的角度称为步距角，步进电动机走一步所转过的角度称为步距角，步进电动机走一步所转过的角度称为步距角，可按下面公式计算可按下面公式计算可按下面公式计算可按下面公式计算n n 式中式中式中式中为步距角；为步距角；为步距角；为步距角；为转子上的齿数；为转子上的齿数；为转子上的齿数；为转子上的齿数；为为为为步进电动机运行的拍数。步进电动机运行的拍数。步进电动机运行的拍数。步进电动机运行的拍数。n n同一台步进电动机，因通电方式不同，运行时同一台步进电动机，因通电方式不同，运行时同一台步进电动机，因通电方式不同，运行时同一台步进电动机，因通电方式不同，运行时步距角也是不同的。步距角也是不同的。步距角也是不同的。步距角也是不同的。实用步进电机的步距角多为实用步进电机的步距角多为实用步进电机的步距角多为实用步进电机的步距角多为3 3 和和和和1.51.5 。为了获得小步距角，电机的定子、。为了获得小步距角，电机的定子、。为了获得小步距角，电机的定子、。为了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的。转子都做成多齿的。转子都做成多齿的。转子都做成多齿的。三、步进电动机及其控制三、步进电动机及其控制脉冲当量脉冲当量脉冲当量脉冲当量：伺服系统接受一个指令脉冲驱动：伺服系统接受一个指令脉冲驱动：伺服系统接受一个指令脉冲驱动：伺服系统接受一个指令脉冲驱动工作台移动的距离。工作台移动的距离。工作台移动的距离。工作台移动的距离。在开环系统中，步进电机至丝杠间有齿轮副传动，在开环系统中，步进电机至丝杠间有齿轮副传动，在开环系统中，步进电机至丝杠间有齿轮副传动，在开环系统中，步进电机至丝杠间有齿轮副传动，传动比为传动比为传动比为传动比为，步进电机的步距角为，步进电机的步距角为，步进电机的步距角为，步进电机的步距角为，丝杠导程，丝杠导程，丝杠导程，丝杠导程为为为为，则它们之间的关系为：，则它们之间的关系为：，则它们之间的关系为：，则它们之间的关系为：n n 三、步进电动机及其控制三、步进电动机及其控制复习复习1、步进电机的工作原理；、步进电机的工作原理；2、步进电机的步距角和脉冲当量的计算；、步进电机的步距角和脉冲当量的计算；3、步进电机通电方式中的、步进电机通电方式中的“相相”和和“拍拍”有有何意义？何意义？5、步进电机驱动电源5.步进电机驱动电源步进电机驱动电源脉冲分配器（环形分配器）脉冲分配器（环形分配器）功率放大器功率放大器步进电机及其驱动电源是一个整体，通常每一种步进电机及其驱动电源是一个整体，通常每一种型号的步进电动机均对应有一个型号的驱动电源，型号的步进电动机均对应有一个型号的驱动电源，其组成：其组成：环形分配器：环形分配器：是根据指令把脉冲信号按一是根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加到放大器上，使各相绕组按定的逻辑关系加到放大器上，使各相绕组按一定的顺序和时间导通和断开，并根据指令一定的顺序和时间导通和断开，并根据指令使电动机正转或反转，实现确定的运行方式。使电动机正转或反转，实现确定的运行方式。环形分配器可以由硬件和软件两种方式实现。环形分配器可以由硬件和软件两种方式实现。步进电动机是绕组按一定方式轮流通电工作的。步进电动机是绕组按一定方式轮流通电工作的。为了实现这种轮流通电，需要将控制脉冲按规定为了实现这种轮流通电，需要将控制脉冲按规定的方式分配给步进电动机。的方式分配给步进电动机。硬件环形分配器硬件环形分配器硬件环形分配器由门电路和双稳态触发器组成，硬件环形分配器由门电路和双稳态触发器组成，亦可采用专用的集成芯片等亦可采用专用的集成芯片等（1）集成脉冲分配器）集成脉冲分配器CH250是专为三相反应式步进电动机设计的环是专为三相反应式步进电动机设计的环形分配器。这种集成电路采用形分配器。这种集成电路采用CMOS工艺，集工艺，集成度高，可靠性好。它的管脚图及三相六拍工作成度高，可靠性好。它的管脚图及三相六拍工作时的接线图如图所示。时的接线图如图所示。CH250管脚图管脚图J3r、J3L两端子是三相双三拍的控制端，两端子是三相双三拍的控制端，J6r、J6L是三相六拍的控制端，三相双三拍工作时，若是三相六拍的控制端，三相双三拍工作时，若J3r“1”，而，而J3L“0”，则电机正转；若，则电机正转；若J3r“0”，J3L“1”，则电机反转；三相六拍供电时，若，则电机反转；三相六拍供电时，若J6r“1”，J6L“0”，则电机正转；若，则电机正转；若J6r“0”，J6L“1”，电机反转。，电机反转。CH250环形脉冲分配器是三相步进电动机的理想脉环形脉冲分配器是三相步进电动机的理想脉冲分配器，通过其控制端的不同接法可以组成三相双三冲分配器，通过其控制端的不同接法可以组成三相双三拍和三相六拍的不同工作方式拍和三相六拍的不同工作方式。CH250各管脚功能各管脚功能 CH250CH250有有有有AA、BB、C C三个输出端，当输入端三个输出端，当输入端三个输出端，当输入端三个输出端，当输入端CLCL或或或或ENEN加上时加上时加上时加上时钟脉冲后，输出波形将符合三相反应式步进电动机的要求。钟脉冲后，输出波形将符合三相反应式步进电动机的要求。钟脉冲后，输出波形将符合三相反应式步进电动机的要求。钟脉冲后，输出波形将符合三相反应式步进电动机的要求。若采用若采用若采用若采用CLCL脉冲输入端时，是上升沿触发，同时脉冲输入端时，是上升沿触发，同时脉冲输入端时，是上升沿触发，同时脉冲输入端时，是上升沿触发，同时ENEN为使能为使能为使能为使能端，端，端，端，ENEN1 1时工作，时工作，时工作，时工作，ENEN0 0时禁止。反之，采用时禁止。反之，采用时禁止。反之，采用时禁止。反之，采用ENEN作时作时作时作时钟端，则下降沿触发，此时钟端，则下降沿触发，此时钟端，则下降沿触发，此时钟端，则下降沿触发，此时CLCL为使能端，为使能端，为使能端，为使能端，CLCL0 0时工作，时工作，时工作，时工作，CLCL1 1时禁止。时禁止。时禁止。时禁止。RR和和和和R*R*分别为双三拍运行和六拍运行的复位端分别为双三拍运行和六拍运行的复位端分别为双三拍运行和六拍运行的复位端分别为双三拍运行和六拍运行的复位端。使用时，。使用时，。使用时，。使用时，首先将其对应复位端接入高电平，使其进入工作状态，然首先将其对应复位端接入高电平，使其进入工作状态，然首先将其对应复位端接入高电平，使其进入工作状态，然首先将其对应复位端接入高电平，使其进入工作状态，然后换接到工作位置。当后换接到工作位置。当后换接到工作位置。当后换接到工作位置。当RR加上正脉冲，加上正脉冲，加上正脉冲，加上正脉冲，ABCABC的状态为的状态为的状态为的状态为110110，而，而，而，而R*R*加上正脉冲后，加上正脉冲后，加上正脉冲后，加上正脉冲后，ABCABC的状态为的状态为的状态为的状态为100100，以避免，以避免，以避免，以避免ABCABC出现出现出现出现000000或或或或111111非法状态。非法状态。非法状态。非法状态。CH250各管脚功能各管脚功能脉冲分配脉冲分配器输出端脉冲分配器输出端A、B、C的输出电流很小，的输出电流很小，如如CH250脉冲分配器的输出电流大约为脉冲分配器的输出电流大约为200-400A，而步进电动机的驱动电流较大，如，而步进电动机的驱动电流较大，如75BF001型步进电动机每相静态电流为型步进电动机每相静态电流为3A，为，为了满足驱动要求，脉冲分配器输出的脉冲需经脉冲了满足驱动要求，脉冲分配器输出的脉冲需经脉冲放大器（即功率放大器）后才能驱动步进电机。放大器（即功率放大器）后才能驱动步进电机。6、步进电动机的功率放大、步进电动机的功率放大 6、步进电动机、步进电动机的功率放大的功率放大 单电压功率放大电路单电压功率放大电路单电压功率放大电路单电压功率放大电路 此此此此电电电电路路路路的的的的优优优优点点点点是是是是电电电电路路路路结结结结构构构构简简简简单单单单，不不不不足足足足之之之之处处处处是是是是RcRc消消消消耗耗耗耗能能能能量量量量大大大大，电电电电流流流流脉脉脉脉冲冲冲冲前前前前后后后后沿沿沿沿不不不不够够够够陡陡陡陡，在在在在改改改改善善善善了了了了高高高高频频频频性性性性能能能能后后后后，低低低低频频频频工工工工作作作作时时时时会会会会使使使使振振振振荡荡荡荡有有有有所所所所增增增增加加加加，使使使使低低低低频频频频特性变坏。特性变坏。特性变坏。特性变坏。高高低电压功率放大电路低电压功率放大电路 电源电源电源电源UU1 1为高电压，电源大约为为高电压，电源大约为为高电压，电源大约为为高电压，电源大约为8080150V150V，UU2 2为低电压电源，为低电压电源，为低电压电源，为低电压电源，大约为大约为大约为大约为5 520V20V。在绕组指令脉冲到来时，脉冲的上升沿同时使。在绕组指令脉冲到来时，脉冲的上升沿同时使。在绕组指令脉冲到来时，脉冲的上升沿同时使。在绕组指令脉冲到来时，脉冲的上升沿同时使VTVT1 1和和和和VTVT2 2导通。由于二极管导通。由于二极管导通。由于二极管导通。由于二极管VDVD1 1的作用，使绕组只加上高电压的作用，使绕组只加上高电压的作用，使绕组只加上高电压的作用，使绕组只加上高电压UU1 1，绕组的电流很快达到规定值。到达规定值后，绕组的电流很快达到规定值。到达规定值后，绕组的电流很快达到规定值。到达规定值后，绕组的电流很快达到规定值。到达规定值后，VTVT1 1的输入脉的输入脉的输入脉的输入脉冲先变成下降沿，使冲先变成下降沿，使冲先变成下降沿，使冲先变成下降沿，使VTVT1 1截止，电动机由低电压截止，电动机由低电压截止，电动机由低电压截止，电动机由低电压UU2 2供电，维持规供电，维持规供电，维持规供电，维持规定电流值，直到定电流值，直到定电流值，直到定电流值，直到VTVT2 2输入脉冲下降沿到来输入脉冲下降沿到来输入脉冲下降沿到来输入脉冲下降沿到来VTVT2 2截止。截止。截止。截止。不不足足之之处处：是是在在高高低低压压衔衔接接处处的的电电流流波波形形在在顶顶部部有有下下凹凹，影影响电动机运行的平稳性。响电动机运行的平稳性。优点优点：改善频率响应：改善频率响应 该该该该电路的特点是工作时电路的特点是工作时电路的特点是工作时电路的特点是工作时VinVin端输入方波步进信号：当端输入方波步进信号：当端输入方波步进信号：当端输入方波步进信号：当VinVin为为为为“0 0”电平，由与门电平，由与门电平，由与门电平，由与门AA2 2输出输出输出输出VVb b为为为为“0 0”电平，功率管（达林顿管）电平，功率管（达林顿管）电平，功率管（达林顿管）电平，功率管（达林顿管）VTVT截止，绕组截止，绕组截止，绕组截止，绕组WW上无电流通过，采样电阻上上无电流通过，采样电阻上上无电流通过，采样电阻上上无电流通过，采样电阻上RR3 3上无反馈电压，上无反馈电压，上无反馈电压，上无反馈电压，AA1 1放大器输出高电平；而当放大器输出高电平；而当放大器输出高电平；而当放大器输出高电平；而当VVinin为高电平时，由与门为高电平时，由与门为高电平时，由与门为高电平时，由与门AA2 2输出的输出的输出的输出的VVb b也是高电平，功率管也是高电平，功率管也是高电平，功率管也是高电平，功率管VTVT导通，绕组导通，绕组导通，绕组导通，绕组WW上有电流，采样电阻上上有电流，采样电阻上上有电流，采样电阻上上有电流，采样电阻上RR3 3上出现反馈电压上出现反馈电压上出现反馈电压上出现反馈电压VVf f，由分压电阻，由分压电阻，由分压电阻，由分压电阻RR1 1、RR2 2得到设定电压与反馈得到设定电压与反馈得到设定电压与反馈得到设定电压与反馈电压相减，来决定电压相减，来决定电压相减，来决定电压相减，来决定AA1 1输出电平的高低，来决定输出电平的高低，来决定输出电平的高低，来决定输出电平的高低，来决定VVinin 信号能否通过信号能否通过信号能否通过信号能否通过与门与门与门与门AA2 2。若。若。若。若VVrefref VVf f时时时时VVinin信号通过与门，形成信号通过与门，形成信号通过与门，形成信号通过与门，形成VVb b正脉冲，打开正脉冲，打开正脉冲，打开正脉冲，打开功率管功率管功率管功率管VTVT；反之，；反之，；反之，；反之，VVrefref Vu ut t时，时，时，时，u uA0A0=UUd d/2/2，VTVT1 1导通，导通，导通，导通，VTVT4 4关断关断关断关断vv当当当当u urarau ut t时，时，时，时，uuA0A0=-=-UUd d/2/2，VTVT4 4导通，导通，导通，导通，VTVT1 1关断关断关断关断n n所以改变正弦调制信号的幅值和频率，就能改变输出所以改变正弦调制信号的幅值和频率，就能改变输出所以改变正弦调制信号的幅值和频率，就能改变输出所以改变正弦调制信号的幅值和频率，就能改变输出电压的电压的电压的电压的 大小和频率，得到一组等幅而脉冲宽度随时间按正大小和频率，得到一组等幅而脉冲宽度随时间按正大小和频率，得到一组等幅而脉冲宽度随时间按正大小和频率，得到一组等幅而脉冲宽度随时间按正弦规律变化的矩形脉冲。弦规律变化的矩形脉冲。弦规律变化的矩形脉冲。弦规律变化的矩形脉冲。SPWMSPWM工作原理工作原理本章总结本章总结1、步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机的结构和工作原理。的结构和工作原理。2、步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机的调速方式如何？的调速方式如何？3、何谓、何谓PWM，SPWM，试论述各自的工，试论述各自的工作原理。作原理。4、步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机基本控制驱动电路。基本控制驱动电路。复习1、某、某4极交流感应电机，电源频率为极交流感应电机，电源频率为50Hz，转速为，转速为1470r/min，则转差率为则转差率为_。3、在、在SPWM变频调速系统中，通常载波是变频调速系统中，通常载波是，而调制，而调制波是波是。4、右、右图称称()A.直流伺服直流伺服电动机机调节特性特性B.直流伺服直流伺服电动机机械特性机机械特性C.直流伺服直流伺服电动机机动态特性特性5、伺服控制系、伺服控制系统一般包括控制器、功率放大、一般包括控制器、功率放大、执行行环节、比、比较环节和和（）等个五部分。等个五部分。A 换向向结构构B 转换电路路C 存存储电路路D检测环节2、某反应式步进电动机的转子齿数为、某反应式步进电动机的转子齿数为40，以三相六拍的通电方式运，以三相六拍的通电方式运行，则步距角为行，则步距角为度。度。1、0.022、1.53、等腰三角波 正弦波4、B5、Dn n1、如图所示伺服电机驱动系统，齿轮减速比、如图所示伺服电机驱动系统，齿轮减速比为为i=2，滚珠丝杠的导程，滚珠丝杠的导程L0=4mm，丝杠直，丝杠直径径d=16mm，驱动负载质量，驱动负载质量m=100Kg，工作台的最大线速度为工作台的最大线速度为v=0.05m/s，最大，最大加速度为加速度为，工作台与导轨之间的，工作台与导轨之间的摩擦系数摩擦系数f=0.1，试选择直流电动机。，试选择直流电动机。n n2、己知：拖板重量己知：拖板重量己知：拖板重量己知：拖板重量W=2000NW=2000N，拖板与贴塑导轨之，拖板与贴塑导轨之，拖板与贴塑导轨之，拖板与贴塑导轨之间的摩擦因数间的摩擦因数间的摩擦因数间的摩擦因数u=0.06u=0.06车削时最大切削负载车削时最大切削负载车削时最大切削负载车削时最大切削负载F Fs s=2150N(=2150N(与运动方向相反与运动方向相反与运动方向相反与运动方向相反)，滚珠丝杠名义直径，滚珠丝杠名义直径，滚珠丝杠名义直径，滚珠丝杠名义直径DD0 0=32mm,=32mm,导程：导程：导程：导程：p=6mmp=6mm，丝杠总长，丝杠总长，丝杠总长，丝杠总长l=1400mml=1400mm拖板最大行程拖板最大行程拖板最大行程拖板最大行程1150mm1150mm，定位精度，定位精度，定位精度，定位精度0.01mm0.01mm，试选择合适的步进电机，计算减速比。，试选择合适的步进电机，计算减速比。，试选择合适的步进电机，计算减速比。，试选择合适的步进电机，计算减速比。(1)(1)脉冲当量的选择脉冲当量的选择脉冲当量的选择脉冲当量的选择:初步选择三相步进电机的步距角为初步选择三相步进电机的步距角为初步选择三相步进电机的步距角为初步选择三相步进电机的步距角为0.750.750 0/1.5/1.50 0，三相，三相，三相，三相六拍控制时步距角为六拍控制时步距角为六拍控制时步距角为六拍控制时步距角为0.750.750 0，每转其脉冲数为，每转其脉冲数为，每转其脉冲数为，每转其脉冲数为根据脉冲当量根据脉冲当量根据脉冲当量根据脉冲当量 的定义，的定义，的定义，的定义，可以得到中间齿轮传动比可以得到中间齿轮传动比可以得到中间齿轮传动比可以得到中间齿轮传动比i i为：为：为：为：当当当当时，由公式：时，由公式：时，由公式：时，由公式：设计大小齿轮为：设计大小齿轮为：Z1=20 Z2=25 m=2mm总结总结1、什么是、什么是PWM？简述直流？简述直流PWM调压原理。调压原理。2、交流伺服电机的结构与工作原理。、交流伺服电机的结构与工作原理。3、交流伺服电机的调速方式；、交流伺服电机的调速方式；例例：某某步步进电机机有有8080个个齿,采采用用3 3相相6 6拍拍方方式式驱动,经丝杠杠螺螺母母副副驱动工工作作台台做做直直线运运动,丝杠的杠的导程程为6mm6mm。求。求:1 1、步、步进电机的步矩角。机的步矩角。2 2、当脉冲当量要求为、当脉冲当量要求为0.01mm0.01mm时时,试设计此传动试设计此传动系统系统解解：1、k=6/3=2=360/mzk=360/（3802）=0.75。2、I=Z2/Z1=L/360=0.756/（3600.01）=1.25可选Z1=20，Z2=25，模数=1.5的齿轮传动副3、有一脉冲电源，通过环形分配器将脉冲分有一脉冲电源，通过环形分配器将脉冲分配给五相十拍通电的步进电机定子励磁绕组，配给五相十拍通电的步进电机定子励磁绕组，测得步进电机的转速为测得步进电机的转速为100r/min，已知，已知转子有转子有24个齿，求：个齿，求：1）步进电机的步距角；）步进电机的步距角；2）脉冲电源的频率。）脉冲电源的频率。复习复习1、步进电机的控制电路分几个部分？各部分、步进电机的控制电路分几个部分？各部分的作用和工作原理。的作用和工作原理。2、直流伺服电机的结构与工作原理。、直流伺服电机的结构与工作原理。3、直流伺服电机的调速方式；、直流伺服电机的调速方式；