1、第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統1第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統 6.1 概述概述 6.2 執行元件執行元件6.3 電力電子變流技術電力電子變流技術6.4 PWM型變頻電路型變頻電路思考題思考題 第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統26.1 概述概述 伺服控制系統是一種能夠跟蹤輸入的指令信號進行動作，從而獲得精確的位置、速度及動力輸出的自動控制系統。如防空雷達控制就是一個典型的伺服控制過程，它是以空中的目標為輸入指令要求，雷達天線要一直跟蹤目標，為地面炮臺提供目標方位；加工中心的機械制造過程也是伺服控制過程，位移傳感器不斷地將刀具進給的位移傳送給計算機，通過與加工位置目標比較，計算機

2、輸出繼續加工或停止加工的控制信號。絕大部分機電一體化系統都具有伺服功能，機電一體化系統中的伺服控制是為執行機構按設計要求實現運動而提供控制和動力的重要環節。第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統31.伺服控制系統的結構組成機電一體化的伺服控制系統的結構、類型繁多，但從自動控制理論的角度來分析，伺服控制系統一般包括：比較環節、控制器、執行環節、被控對象、檢測環節等五部分圖1 伺服系統組成原理框圖比較元件調節元件執行元件被控對象測量、反饋元件輸入指令輸出量第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統4 1、比較環節 是將輸入的指令信號與系統的反饋信號進行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號的環節，通常由專門的

3、電路或計算機來實現。 2、控制器 通常是計算機或PID控制電路，主要任務是對比較元件輸出的偏差信號進行變換處理，以控制執行元件按要求動作。 3、執行元件 作用是按控制信號的要求，將輸入的各種形式的能量轉化成機械能，驅動被控對象工作。機電一體化系統中的執行元件一般指各種電機或液壓、氣動伺服機構等。比較元件調節元件執行元件被控對象測量、反饋元件輸入指令輸出量第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統5 4、被控對象 是指被控制的機構或裝置，是直接完成系統目的的主體。一般包括傳動系統、執行裝置和負載。 5、檢測環節 是指能夠對輸出進行測量，并轉換成比較環節所需要的量綱的裝置。一般包括傳感器和轉換電路。 在

4、實際的伺服控制系統中，上述的每個環節在硬件特征上并不獨立，可能幾個環節在一個硬件中，如測速直流電機既是執行元件又是檢測元件。比較元件調節元件執行元件被控對象測量、反饋元件輸入指令輸出量第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統6 2. 2. 伺服控制系統的分類伺服控制系統的分類伺服系統的分類方法很多，常見的分類方法有以下三種。 (1)按被控量參數特性分類： 位移、 速度、加速度、力 、力矩等伺服系統； (2)按驅動元件的類型分類。 電氣、液壓、氣動等伺服系統。 (3)按控制原理分類。 開環 、閉環 、半閉環等伺服系統。 第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統7 開環伺服系統開環伺服系統 開環伺服系統采

5、用步進電機作為驅動元件，它沒有位置反饋回路和速度反饋回路，因此設備投資低，調試維修方便，但精度差，高速扭矩小，被用于中、低檔數控機床及普通機床改造。 工作臺工作臺驅動控驅動控制線路制線路步進電機步進電機齒輪箱指令脈沖開環伺服系統簡圖第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統8位置控制模塊速度控制單元 伺服控 制電機 工作臺工作臺 位置檢測測量反饋 速度環速度檢測位置環閉環進給伺服系統閉環進給伺服系統 閉環伺服控制系統能及時對輸出進行檢測，并根據輸出與輸入的偏差，實時調整執行過程，因此系統精度高，但成本也大幅提高。 第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統9位置比較速度控制 工作臺伺服電機指令 + 速度反

6、饋速度反饋位置反饋半閉環伺服系統半閉環伺服系統 半閉環控制伺服系統的檢測反饋環節位于執行機構的中間輸出上，因此一定程度上提高了系統的性能。 第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統103. 3. 伺服系統的技術要求伺服系統的技術要求（1 1）穩定性）穩定性 穩定輸出響應的振幅隨時間的增加而衰減; 不穩定其輸出響應振幅隨時間的增加而增加, 或表現為等幅振。 取決于系統的結構及參數(如慣性、剛度、阻尼、增益等),與外界作用信號的性質或形式無關。（2）系統精度）系統精度 伺服系統的精度是指輸出量跟輸入量的近似程度。（3）響應特性）響應特性 響應特性指的是輸出量跟隨輸入指令變化的反應速度，決定了系統的工作

7、效率。（4）工作頻率）工作頻率工作頻率通常是指系統允許輸入信號的頻率頻范圍。在機電一體化系統中，工作頻率一般指的是執行機構的運行速度。 相互關聯的，是系統動態特性的表現特征。系統設計時，在滿足系統工作要求的前提下，首先要保證系統的穩定性和精度，并盡量提高系統的響應速度。 第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統116.2 6.2 執行元件執行元件一、執行元件的分類及其特點執行元件的分類及其特點執行元件能量變換元件，其目的是控制執行機構運動。 1.分類分類（根據使用能量的不同）（根據使用能量的不同） （1）電氣式（電能轉化成電磁力，并用電磁力驅動執行機構運動）：步進電機 、直流伺服電機、交流伺服電機

8、（2）液壓式（電能變化成液體壓力 ）：液壓缸、液壓馬達等，（3）氣壓式（電能變化成氣體壓力 ）：氣缸、氣馬達等，較難伺服控制。 2. 要求（要求（機電一體化伺服系統機電一體化伺服系統 ） 慣性小，動力大；體積小，質量輕； 好控制，成本低；可靠性好和安裝維護簡便等。第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統12執行元件的分類交流(AC)伺服電動機直流(DC)伺服電動機步進電機其它電機雙金屬片形狀記憶合金壓電元件其它電磁鐵及其它與材料有關氣壓馬達氣 缸液壓馬達油 缸電動機電磁式液壓式氣壓式執行元件根據使用能量的不同根據使用能量的不同電氣式第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統13 二、直流伺服電動機二、直

9、流伺服電動機 直流伺服電機具有良好的調速特性，較大的啟動轉矩和直流伺服電機具有良好的調速特性，較大的啟動轉矩和相對功率，易于控制及響應快等優點。盡管其結構復雜，成相對功率，易于控制及響應快等優點。盡管其結構復雜，成本較高，在機電一體化控制系統中還是具有較廣泛的應用。本較高，在機電一體化控制系統中還是具有較廣泛的應用。1.直流伺服電動機的分類直流伺服電動機的分類按勵磁方式可分為：按勵磁方式可分為： 電磁式（他勵式）：磁場由勵磁繞組產生。電磁式（他勵式）：磁場由勵磁繞組產生。 永磁式：磁場由永磁體產生永磁式：磁場由永磁體產生 2.直流伺服電動機的基本結構及工作原理直流伺服電動機的基本結構及工作原理

10、直流伺服電動機主要由磁極、電樞、電刷及換向片組成。直流伺服電動機主要由磁極、電樞、電刷及換向片組成。第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統14 直流伺服電動機基本結構直流伺服電動機基本結構磁極電樞導體磁極NSnA電刷換向片B定子轉子電樞電源 硅鋼片疊成 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機的旋轉方向和速度。當電樞繞組中電流為零時，伺服電動機則靜止不動。直流伺服電動機是在定子磁場的作用下，使通有直流電的電樞（轉子）受到電磁轉矩的驅使，帶動負載旋轉。第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統15式中: U外加電樞電壓（V）；Ea電樞反電動勢（V）； Ia 電樞電流（A）；Ra 電樞

11、回路內阻（）電樞回路電樞回路勵磁回路勵磁回路直流他勵電動機的原理電路圖直流他勵電動機的原理電路圖 aaRIEUa（6-1）3、直流伺服電動機的特性分析 當電動機處于穩態運行時，電樞回路中的電流Ia保持不變，則電樞回路中的電壓平衡方程式為：第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統16 轉子在磁場中以轉速n切割磁力線時，電樞反電動勢Ea與轉速n之間存在如下關系：式中，Ke電動勢常數，僅與電動機結構有關； 定子磁場中每極氣隙磁通量。將（6-2）代入 （6-1） 得：此外，電樞電流切割磁場磁力線所產生的電磁轉矩T，可由下式表達（Km轉矩常數）：am IKT aae RInKU 即：即： aeaeIKRKU

12、n 轉速特性轉速特性TKKRKUn2meae 機械特性機械特性nKEa e（6-2）（6-4）（6-3）（6-5）aaRIEUa第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統17直流伺服電動機的調速方法直流伺服電動機的調速方法直流伺服電動機的控制方式主要有兩種： 電樞電壓控制：在定子磁場不變定子磁場不變，控制施加在電樞繞組兩端的電壓來控制電機的轉速（恒轉矩調速方式 ）。Ia可達額定值，可達額定值，勵磁磁場控制：通過改變勵磁電流的大小勵磁電流的大小來改變定子磁場強度，從而控制電動機的轉速和輸出轉矩（恒功率調速方式 ）。電機額定值條件工作，額定值條件工作，飽和，只能弱磁調速，飽和，只能弱磁調速， Ia不能超

13、過額定值（保持不變），不能超過額定值（保持不變），TKKRKUn2meae am IKTam IKTUINa 恒定恒定TKKRKUn2meae 第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統183.直流他勵電動機的機械特性直流他勵電動機的機械特性 電動機的機械特性指的是電動機的機械特性指的是轉速與電磁轉矩轉速與電磁轉矩之間的關系。之間的關系。 機械特性曲線機械特性曲線kTKUnTKKRKUne2meae第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統191. 理想空載轉速：理想空載轉速： T=0時的轉速稱為理想空載轉時的轉速稱為理想空載轉速，用速，用n0表示。表示。 根據機械特性可知：根據機械特性可知： e0KUn

14、 2. 轉速降落轉速降落 TKKRnn2mea0 3. 機械特性硬度機械特性硬度 為了衡量機械特性的平直程度，引進一個機械特性硬為了衡量機械特性的平直程度，引進一個機械特性硬度的概念，其定義為：度的概念，其定義為： %100dd nTnT 理想空載點理想空載點TKKRKUn2meae 第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統20 即轉矩變化與所引起的轉速變化即轉矩變化與所引起的轉速變化的比值，稱為機械特性的硬度。的比值，稱為機械特性的硬度。 根據根據 值的不同，可將電值的不同，可將電動機機械特性分為三類。動機機械特性分為三類。（1）絕對硬特性）絕對硬特性 （水平線）（水平線）（2）硬特性）硬特性

15、10（3）軟特性）軟特性 10 %100dd nTnT 第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統21二、固有機械特性二、固有機械特性 直流他勵電動機的固有機械特性指的是在額定條件直流他勵電動機的固有機械特性指的是在額定條件（額定電壓（額定電壓UN和額定磁通和額定磁通 N )下和電樞電路內不外接任下和電樞電路內不外接任何電阻時的何電阻時的 n=f(T) 即即: TKKRKUn2NmeaNeN 是一條直線。是一條直線。 直流他勵電動機固有機械特性曲線可根據電動機的銘直流他勵電動機固有機械特性曲線可根據電動機的銘牌數據求出牌數據求出(0,n0 )和和(TN, nN)即可繪出固有的機械特性。即可繪出固有的

16、機械特性。 通常直流電動機銘牌上給出額定功率通常直流電動機銘牌上給出額定功率PN 、額定電壓、額定電壓 UN 、額定電流、額定電流IN和額定轉速和額定轉速 nN。第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統22二、人為機械特性二、人為機械特性人為地改變電動機電樞外加電壓人為地改變電動機電樞外加電壓U和勵磁和勵磁磁通磁通的大小以及電樞回路串接附加電阻的大小以及電樞回路串接附加電阻Rad所得到的機械特性。所得到的機械特性。 1. NN, UU電壓平衡方程式為：電壓平衡方程式為： )(adaaNRRIEUa 得到的人為機械特性方程式為：得到的人為機械特性方程式為： TKKRRKUn2NmeadaNeN TK

17、KRKUn2meae 第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統23TKKRKUn2NmeaNeN 把把TKKRRKUn2NmeadaNeN 與與 特性變軟特性變軟空載速度空載速度 不變；不變；隨著電阻的增加，轉速降隨著電阻的增加，轉速降 落增加；落增加；0nnn0n第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統24 0,adN R 由于電動機電樞繞組絕緣由于電動機電樞繞組絕緣耐壓強度的限制，電樞電壓只耐壓強度的限制，電樞電壓只允許在其額定值以下調節，所允許在其額定值以下調節，所以，不同值的人為特性曲線均以，不同值的人為特性曲線均在固有特性曲線之下。在固有特性曲線之下。TKKRKUn2NmeaNeN 把把TK

18、KRKUn2NmeaNe 與與空載速度空載速度 隨著隨著U的減小而減小；的減小而減小；轉速降落轉速降落 不變；不變； 特性硬度不變特性硬度不變am IKT 0nnn0n第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統253 0,adN RUU轉速降轉速降 隨磁通的改變而變化。隨磁通的改變而變化。理想空載轉速理想空載轉速 隨磁通的改變而變化；隨磁通的改變而變化；TKKRKUn2NmeaNeN 把把TKKRKUn2meaeN 與與特性變軟特性變軟斜率增大斜率增大空載轉速增大空載轉速增大0nnn0n第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統26由于勵磁線圈發熱和電動機磁飽和的限制，電動機的勵磁電流和它對應的磁通只能在

19、低于其額定值的范圍內調節； 當磁通過分削弱后：當磁通過分削弱后：（1）如果負載轉矩不變，將使電動機電流大大增加而嚴重過載過載；（2）當0時，從理論上說，空載時電動機速度趨近 ，通常稱為“飛車飛車”； 當電動機軸上的負載轉矩大于電磁轉矩時，電動機不能啟動，電樞電流為Ist ，長時間的大電流會燒壞電樞繞組。 因此，直流他勵電動機啟動前必須先加勵磁電流，在運轉過程中，決不允許勵磁電路斷開或勵磁電流為零，為此，直流他勵電動機在使用中，一般都設有“失磁失磁”保護。保護。e0KUn第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統274. 直流他勵電動機的調速特性直流他勵電動機的調速特性 （一）速度調節和速度變化（一）

20、速度調節和速度變化 調速調速（又稱速度調節）與（又稱速度調節）與速度變化速度變化是兩個完全不同的概念是兩個完全不同的概念 電動機的電動機的調速調速是在一定的負載條件下，人為地改變電動機是在一定的負載條件下，人為地改變電動機的電路參數，以改變電動機的穩定轉速，如圖所示。的電路參數，以改變電動機的穩定轉速，如圖所示。 這里轉速的變化是這里轉速的變化是人為改人為改變變（或調節）電樞回路的（或調節）電樞回路的電阻大小所造成的，故稱電阻大小所造成的，故稱調速或速度調節調速或速度調節。TKKRRKUn2NmeadaNeN 與與第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統28 速度變化速度變化是指由于電動機的負載轉

21、矩發生變化（增大與是指由于電動機的負載轉矩發生變化（增大與減小）或其它不可預見因數引起電動機轉速的變化（下降或減小）或其它不可預見因數引起電動機轉速的變化（下降或上升），如圖所示。上升），如圖所示。 總之，速度變化是在某總之，速度變化是在某條機械特性上，由于負載改條機械特性上，由于負載改變而引起的；而速度調節則變而引起的；而速度調節則是在某一特定的負載下，靠是在某一特定的負載下，靠人為改變機械特性而得到的。人為改變機械特性而得到的。第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統29 (二二)調速方法調速方法下面僅就他勵直流電動機的調速方法作一般性的介紹。下面僅就他勵直流電動機的調速方法作一般性的介紹。

22、從直流他勵電動機機械特性方程式：從直流他勵電動機機械特性方程式： TKKRRKUn2meadae 可知：可知：改變串入電樞回路的電阻改變串入電樞回路的電阻Rad ；改變；改變電樞供電電電樞供電電壓壓U或或主磁通主磁通 ，都可以得到不同的人為機械特性，從而在負，都可以得到不同的人為機械特性，從而在負載不變時可以改變電動機的轉速，以達到速度調節的要求，載不變時可以改變電動機的轉速，以達到速度調節的要求，故直流電動機調速的方法有以下三種。故直流電動機調速的方法有以下三種。 第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統301 1、改變電樞電路串接電阻、改變電樞電路串接電阻 adR 直流電動機電樞回路串接電阻后

23、，可以得到如圖所示的一簇機械特性。 從特性曲線可看出，在一定的負載轉矩TL下，串入不同的電阻可以得到不同的轉速。如在電阻分別為 Ra、R1、R2、R3、的情況下，可以分別得到穩定工作點A、C、D和E，對應的轉速為nA、 nB、 nC、 nD。TKKRRKUn2meadae 第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統31 改變電樞回路串接電阻的大小調速存在如下問題：改變電樞回路串接電阻的大小調速存在如下問題： 機械特性較軟，電阻愈大則特性愈軟，穩定度愈低； 在空載或輕載時，電樞電流較小，調速范圍不大； 實現無級調速困難； 在調速電阻上消耗大量電能等。 正因為缺點不少，目前已很少采用，僅在有些起重機、卷

24、揚機等低速運轉時間不長的傳動系統中采用。TKKRRKUn2meadae aeaeIKRRKUnad第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統322 2改變電動機電樞供電電壓改變電動機電樞供電電壓U U 如圖所示特性曲線為改變電樞供電電壓U調速的特性： 從特性曲線可看出，在一定的負載轉矩TL下，電樞外加不同電壓可以得到不同的轉速。如在電壓分別為 UN、 U1、 U2、 U3的情況下，可以分別得到穩定工作點a、b、c和d，對應的轉速為na、 nb、 nc、 nd。即改變電樞電壓可以達到調速的目的。TKKRKUn2meae第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統33 改變電樞外加電壓調速有如下特點：改變電樞外

25、加電壓調速有如下特點： 1）當電源電壓連續變化時，轉速可以平滑無級調節，一般只能在額定轉速以下調節； 2）調速特性與固有特性互相平行，機械特性硬度不變，調速的穩定度較高，調速范圍較大； 3）調速時，因電樞電流與電壓U無關，且= N，轉矩T=Km N Ia不變。 調速過程中，電動機輸出轉矩不變的調速特性稱為恒轉矩調速。具有恒轉矩調速特性的調速方法適合于對恒轉矩型負載進行調速； 4）可以靠調節電樞電壓來啟動電機，而不用其他啟動設備。第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統343改變電動機主磁通改變電動機主磁通 如圖所示曲線為改變電動機主磁通 調速的特性： 從特性曲線可看出，在一定的負載功率PL下，不同

26、的主磁通 N、 1、 2、 ，可以得到不同的轉速na、 nb、 nc。即改變主磁通即改變主磁通 可以達到調可以達到調速的目的。速的目的。TKKRKUn2meae21N第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統35 改變電動機主磁通特點：改變電動機主磁通特點： 1）可以平滑無級調速，但只能弱磁調速，即在額定轉速以上調節； 2）調速特性較軟，且受電動機換向條件等的限制。 普通他勵電動機的最高轉速不得超過額定轉速的1.2倍，所以，調速范圍不大，若使用特殊制造的“調速電動機”，調速范圍可以增加，但這種調速電動機的體積和所消耗的材料都比普通電動機大得多； 3）調速時維持電樞電壓U和電樞電流Ia不變時，電動機的

27、輸出功率P=UIa，電動機的輸出功率不變。 在在調速過程中，輸出功率不變的這種特性稱為恒功率調速過程中，輸出功率不變的這種特性稱為恒功率調速，調速，這種調速適合于對恒功率型負載進行調速。這種調速適合于對恒功率型負載進行調速。第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統36 由于伺服控制系統的速度和位移都有較高的精度要求，因而直流伺服電動機通常以閉環或半閉環控制方式應用于伺服系統中。它們都對系統輸出進行實時檢測和反饋，并根據偏差對系統實施控制。兩者的區別僅在于傳感器檢測信號的位置不同。 因此，設計、制造的難易程度不同,工作性能不同，但兩者的設計與分析方法基本上是一致的。4.4.直流伺服系統直流伺服系統第

28、第6章章 伺服控制系統伺服控制系統37閉環伺服系統結構原理圖閉環伺服系統結構原理圖 對伺服系統的最后輸出結果進行檢測和修正的伺服控對伺服系統的最后輸出結果進行檢測和修正的伺服控制方法。制方法。伺服驅動器伺服電動機減速器位移傳感器輸入指令速度傳感器工作臺第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統38半閉環伺服系統結構原理圖半閉環伺服系統結構原理圖 對伺服系統的中間環節（如電動機的輸出速度或角位對伺服系統的中間環節（如電動機的輸出速度或角位移等）進行監控和調節的控制方法。移等）進行監控和調節的控制方法。工 作 臺伺 服驅 動 器伺 服電 動 機減 速 器轉 角 傳 感 器輸 入 指 令速 度傳 感 器第

29、第6章章 伺服控制系統伺服控制系統39 設計閉環伺服系統必須首先保證系統的穩定性，然后在此基礎上采取各種措施滿足精度及快速響應性等方面的要求。 當系統精度要求很高時，應采用閉環控制方案。它將全部機械傳動及執行機構都封閉在反饋控制環內，其誤差都可以通過控制系統得到補償，因而可達到很高的精度。但是閉環伺服系統結構復雜，設計難度大，成本高，尤其是機械系統的動態性能難于提高，系統穩定性難于保證。 因而除非精度要求很高時，一般應采用半閉環控制方案。 第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統40 影響伺服精度的主要因素是檢測環節，常用的檢測傳感器有旋轉變壓器、感應同步器、編碼盤、光電脈沖編碼器、光柵尺、磁尺及

30、測速發電機等。 如被測量為直線位移，則應選尺狀的直線位移傳感器，如光柵尺、磁尺、直線感應同步器等。 如被測量為角位移，則應選圓形的角位移傳感器，如光電脈沖編碼器、圓感應同步器、旋轉變壓器、碼盤等。 一般來講，半閉環控制的伺服系統主要采用角位移傳感器，閉環控制的伺服系統主要采用直線位移傳感器。 在位置伺服系統中，為了獲得良好的性能，往往還要對執行元件的速度進行反饋控制，因而還要選用速度傳感器。速度控制也常采用光電脈沖編碼器，既測量電動機的角位移，又通過計時而獲得速度。第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統416.2.3步進電動機步進電動機 第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統42 步進電動機又稱電

31、脈沖馬達，是通過脈沖數量決定轉角位移的一種伺服電動機。 由于步進電動機成本較低，易于采用計算機控制，因而被廣泛應用于開環控制的伺服系統中。 步進電動機比直流電動機或交流電動機組成的開環控制系統精度高，適用于精度要求不太高的機電一體化伺服傳動系統。 目前，一般數控機械和普通機床的微機改造中大多數均采用開環步進電動機控制系統。第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統43一、功能、用途和分類 功能 將電脈沖信號轉換成轉角或轉速信號。 轉角 脈沖信號的個數； 轉速 n 脈沖信號的頻率。 用途 高精度的角度控制。如光驅、繪圖機、經濟型數控系統。 分類 按定子相數不同：三相、四相、五相、六相等； 按轉子材料不

32、同：永磁式、磁阻式（反應式） 和混合式。第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統44二、基本結構二、基本結構（三相磁阻式步進電動機）三相磁阻式步進電動機）(1) 定子：有6個齒，纏有WA、WB、WC三相繞組，構成三對磁極。 (2) 轉子：轉子上則均勻分布著4個齒。 14 23U1U2V1V2W2W1三相磁阻式步進三相磁阻式步進電動機原理圖電動機原理圖第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統45 步進電動機的典型結構步進電動機的典型結構 為了減少每通電一次的轉角，在轉子和定子上開有很多定分的小齒。 其中定子的三相繞組鐵心間有一定角度的齒差。U 2U1W2W1V1V2定子定子轉子轉子（單定子、徑向分相、反

33、應式（單定子、徑向分相、反應式伺服步進電機的典型結構）伺服步進電機的典型結構）定子與轉子齒錯開1/3齒距角第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統46三三 步進電動機的結構與工作原理步進電動機的結構與工作原理14 23U1U2V1V2W2W1圖6-12 三相反應式步進電動機的工作原理步進電動機按其工作原理主要可分為磁電式磁電式和反應式反應式兩大類 這里只介紹常用的反應式步進電動機的工作原理。如圖6-12所示： 定子上有6個齒，分別纏有U、V、W三相繞組，構成三對磁極； 轉子上則均勻分布著4個齒。 步進電動機采用直流電源供電。 當U、V、W三相繞組輪流通電時，通過電磁力的吸引，步進電動機轉子一步一步

34、地旋轉。第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統47一拍：一拍： 從一次通電到另一次通電。從一次通電到另一次通電。步距角：每一拍轉子轉過的角度。步距角：每一拍轉子轉過的角度。單相通電方式：每一拍只有一相繞組通電。單相通電方式：每一拍只有一相繞組通電。雙相通電方式：每一拍都有兩相繞組通電。雙相通電方式：每一拍都有兩相繞組通電。單、雙相通電方式：單、雙相通電方式：步進電動機通電循環的各拍步進電動機通電循環的各拍中交替出現單、雙相通電狀態。中交替出現單、雙相通電狀態。 m 相單相單 m 拍運行（三相單三拍運行拍運行（三相單三拍運行 U -V-W）m 相雙相雙 m 拍運行（三相雙三拍運行拍運行（三相雙三拍

35、運行UV -VW-VW）m 相單雙相單雙 2m 拍運行（三相單雙六拍運行拍運行（三相單雙六拍運行 U-UV -V - VW-W-VW ） 第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統4814 2314 2314 2314 23U1U2V1V2W2W1(1) m 相單相單 m 拍運行（三相單三拍運行）拍運行（三相單三拍運行） 通電順序：通電順序： U 相相V 相相W 相相U 相。相。 U 相通電相通電 14 23U1U2V1V2W2W114 23 V 相通電相通電 U1U2V1V2W2W1 W 相通電相通電 14 2314 23一步一步兩步兩步三步三步 步距角：步距角： = 30第第6章章 伺服控制系統

36、伺服控制系統49(2) m 相雙相雙 m 拍運行（三相雙三拍運行）拍運行（三相雙三拍運行） 通電順序：通電順序： UV 相相VW 相相WU 相相。 14 23U1U2V1V2W2W1 UV 相通電相通電 14 2314 23U1U2V1V2W2W1 VW 相通電相通電 14 2314 23U1U2V1V2W2W1 WU 相通電相通電 14 23 步距角：步距角： = 3014 2314 23第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統50(3) m 相單雙相單雙 2m 拍運行拍運行 (三相單雙六拍運行）三相單雙六拍運行）通電順序：通電順序：UUV VVW W WU U。14 23U1U2V1V2W2W

37、1114 23U1U2V1V2W2W1214 23U1U2V1V2W2W1314 23U1U2V1V2W2W1414 23U1U2V1V2W2W1514 23U1U2V1V2W2W1614 23步距角：步距角： = 15 第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統51一般情況下，m相步進電動機可采用單相通電、雙相通電或單雙相輪流通電方式工作，對應的通電方式分別稱為m相單m拍、m相雙m拍或m相2m拍通電方式。由于采用單相通電方式工作時，步進電動機的矩頻特性（輸出轉矩與輸入脈沖頻率的關系）較差，在通電換相過程中，轉子狀態不穩定，容易失步，因而實際應用中較少采用。圖6-14是某三相反應式步進電動機在不同通

38、電方式下工作時的矩頻特性曲線。顯然，采用單雙相輪流通電方式可使步進電動機在各種工作頻率下都具有較大的負載能力。第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統52圖圖6-14 不同通電方式時的矩頻特性不同通電方式時的矩頻特性雙三拍六拍單三拍0500100015000.10.20.3f / HzT / Nm顯然，采用單雙相輪流通電方式可使步進電動機在各種工作頻率下都具有較大的負載能力。采用單相通電方式工作時，步進電動機的矩頻特性較差，在通電換相過程中，轉子狀態不穩定，容易失步，因而實際應用中較少采用。輸出轉矩輸入脈沖頻率第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統53 步距角步距角P367 =360z Nz ：轉子

39、齒數：轉子齒數N ：拍數：拍數 轉速轉速 一個一個 轉轉 (1 / zN ) 圈，圈， 脈沖頻率為脈沖頻率為 f 每秒轉每秒轉 ( f / zN ) 圈。圈。n =60 fz N例如：例如：三相步進電動機三相步進電動機 z = 40，則，則采用單采用單/雙三拍雙三拍時：時：采用三相六拍采用三相六拍時：時：=360z N 360403= = 3=360z N 360406= = 1.5第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統54四. 步進電動機的使用特性 （1） 步距誤差。步距誤差直接影響執行部件的定位精度。 （2） 最大靜轉矩。是指步進電動機在某相始終通電而處于靜止不動狀態時，所能承受的最大外加轉

40、矩。它反映了制動能力和低速步進運行時的負載能力。 （3） 啟動矩頻特性。空載時步進電動機由靜止突然啟動，并不失步地進入穩速運行所允許的最高頻率稱為最高啟動頻率。啟動頻率與負載轉矩有關。第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統55圖6-15 90BF002型步進電動機的啟動矩頻特性3200f / Hz240016008001.9603.92T / Nm負載轉矩負載轉矩越大， 所允許的最大啟動頻率越小。當伺服系統要求步進電動機的運行頻率高于最大允許啟動頻率時，可先按較低的頻率啟動， 然后按一定規律逐漸加速到運行頻率。允許的最大啟動頻率第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統56圖6-16 運行矩頻特性f

41、/ Hz20000400060008000T / Nm1.963.92（4）運行矩頻特性。步進電動機連續運行時所能接受的最高頻率稱為最高工作頻率，它與步距角一起決定執行部件的最大運行速度。最高工作頻率決定于負載慣量J，還與定子相數、通電方式、控制電路的功率驅動器等因素有關。 輸出轉矩隨運行頻率的增加而減小，即高速時其負載能力變差。這是步進電動機應用范圍受限的主要原因之一。輸出轉矩運行頻率第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統57（5） 最大相電壓和最大相電流。 分別是指步進電動機每相繞組所允許施加的最大電源電壓和流過的最大電流。 實際應用的相電壓或相電流如果大于允許值，可能會導致步進電動機繞組被

42、擊穿或因過熱而燒毀； 如果比允許值小得太多，步進電動機的性能又不能充分發揮出來。 因而設計或選擇步進電動機的驅動電源時，應充分考慮這兩個電氣參數。 第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統58圖 6-17 開環步進電動機控制系統框圖環 形分 配 器功 率驅 動 器步 進電 動 機負 載指 令 脈 沖輸 出 步進電動機的電樞通斷電次數和各相通電順序決定了輸出角位移和運動方向，控制脈沖分配頻率可實現步進電動機的速度控制。 因此，步進電機控制系統一般采用開環控制方式。 圖6-17為開環步進電動機控制系統框圖， 系統主要由環形分配器、 功率驅動器、 步進電動機等組成。 五. 步進電動機的控制與驅動第第6章

43、章 伺服控制系統伺服控制系統59 1）環形分配 步進電動機在一個脈沖的作用下，轉過一個相應的步距角， 因此只要控制一定的脈沖數，即可精確控制步進電動機轉過的相應的角度。但步進電動機的各繞組必須按一定的順序通電才能正確工作，這種使電動機繞組的通斷電順序按輸入脈沖的控制而循環變化的過程稱為環形脈沖分配。 實現環形分配的方法有兩種。 一種是計算機軟件分配 另一種是硬件環形分配第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統60 計算機軟件分配計算機軟件分配 計算機軟件分配， 采用查表或計算的方法使計算機的三個輸出引腳依次輸出滿足速度和方向要求的環形分配脈沖信號。優點：能充分利用計算機軟件資源，減少硬件成本，尤其

44、是多相電動機的脈沖分配更能顯示出這種分配方法的優點。優點：由于軟件運行會占用計算機的運行時間，因而會使插補運算的總時間增加，從而影響步進電動機的運行速度。第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統61硬件環形分配是采用數字電路搭建或專用的環形分配器件將連續的脈沖信號經電路處理后輸出環形脈沖。 采用數字電路搭建的環形分配器通常由分立元件（如觸發器、 邏輯門等）構成，特點是體積大， 成本高， 可靠性差。 專用的環形分配器目前市面上有很多種， 如CMOS電路CH250即為三相步進電動機的專用環形分配器。 它的引腳功能及三相六拍線路圖如圖6-18所示。 硬件環形分配硬件環形分配第第6章章 伺服控制系統伺服控

45、制系統62 圖6-18 環形分配器CH250引腳圖(a) 引腳功能； (b) 三相六拍線路圖UDJ3LJ3rWVUR*RJ6rJ6LUsCPEN16151413121110912345678(a)置“1”復位 CH250具有控制步進電機三相雙三拍和三相單雙六拍的功能。 J3r、J3L三相雙三拍的控制端， J6r、J6L三相六拍的控制端， R*是雙三拍的復位端， R是六拍的復位端， CP(CL)端是時鐘脈沖輸入端， EN是時鐘脈沖允許端，CH250也允許以EN端作脈沖CP的輸入端。 U、V、W 為環形分配器的三個輸出端，經過脈沖放大器（功率放大器）后分別接到步進電動機的三相線上。雙三拍控制六拍控

46、制時鐘允許輸出端時鐘輸入第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統63 圖6-18 環形分配器CH250引腳圖(a) 引腳功能； (b) 三相六拍線路圖方 向CP100 k1 F217910166 12 V111213R*RCPJ6LJ6rJ3rJ3LUs14 158WVUENUD(b)第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統642） 功率驅動功率驅動 要使步進電動機能輸出足夠的轉矩以驅動負載工作，必須為步進電機提供足夠功率的控制信號，實現這一功能的電路稱為步進電動機驅動電路。驅動電路實際上是一個功率開關電路，其功能是將計算機或環形分配器的輸出信號進行功率放大，得到步進電機控制繞組所需要的脈沖電流及所需

47、要的脈沖波形。步進電機的工作特性在很大程度上取決于功率驅動器的性能，對每一相繞組來說，理想的功率驅動器應使通過繞組的電流脈沖盡量接近矩形波。但由于步進電動機繞組有很大的電感，要做到這一點是有困難的。第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統65常見的步進電動機驅動電路有三種： 單電源驅動電路。 雙電源驅動電路。 斬波限流驅動電路。(1） 單電源驅動電路。 優點：采用單一電源供電，結構簡單，成本低； 缺點：電流波形差，效率低，輸出力矩小； 主要用于對速度要求不高的小型步進電動機的驅動。圖6-19所示為步進電動機的一相繞組驅動電路（每相繞組的電路相同）。第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統66 當環形分

48、配器的脈沖輸出信號 為低電平（邏輯0）時，雖然VT1、VT2管都導通，但只要適當選擇Rl、R3、R5的阻值，使Ub30（約為0.7V），VT3管飽和導通，該相繞組通電。圖6-19 單電源驅動電路560 R1uU6 V3.6 V0.3 V680 R3470 R220 R45 VV1V2Ub3b3 E0步進電動機繞組VDV3R0C1C210 R7390 R5uUuU續流二極管續流二極管限流電阻限流電阻第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統67(2）雙電源驅動電路。 雙電源驅動電路又稱高、低壓驅動電路，采用高壓和低壓兩個電源供電。在步進電動機繞組剛接通時，通過高壓電源供電，以加快電流上升速度，延遲一段

49、時間后，切換到低壓電源供電。采用這種高低壓切換型電源，電動機繞組上不需要串聯電阻或者只需要串聯一個很小的電阻Rf 1（為平衡各相的電流），所以電源的功耗比較小。由于這種供壓方式使電流波形得到很大改善，所以步進電動機的轉矩一頻率特性好，啟動和運行頻率得到很大的提高。但在低頻運行時，會使繞組中注入過多的能量而引起電機的低頻振蕩和噪聲。第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統68圖6-20 高、低壓驅動電路低 壓 控 制 電 路高 壓 控 制 電 路uU控 制 信號低 壓 輸 入 信 號步 進 電 動 機 繞 組高 壓 輸 入 信 號 Ug(高 壓 )VgVD 1VD 2VdRf1Rf2Ud(低 壓 )

50、在高壓電源作用下繞組電流迅速上升，電流前沿很陡。當電流達到或稍微超過額定穩態電流時，利用定時電路或電流檢測器等措施切斷VTg基極上的信號電壓，于是VTg截止。此時VTd仍然是導通的，因此繞組電流即轉而由低壓電源經過二極管VD1供給。繞組中的電流限定在額定值。環形分配器的脈沖輸出信號Uu為高電平這時VD1承受反向電壓而截止，低壓電源不對繞組作用基極都有信號電壓輸入而導通（要求該相繞組通電）UbgUbd第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統69圖6-20 高、低壓驅動電路低 壓 控 制 電 路高 壓 控 制 電 路uU控 制 信號低 壓 輸 入 信 號步 進 電 動 機 繞 組高 壓 輸 入 信 號

51、 Ug(高 壓 )VgVD 1VD 2VdRf1Rf2Ud(低 壓 )環形分配器的脈沖輸出信號Uu為低電平繞組中的電流經二極管VD2及電阻Rf2向高壓電源放電，電流便迅速下降。 Vd基極信號電壓消失而截止（要求該相繞組斷電）斷電第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統70 (3）斬波限流驅動電路。 這種電路采用單一高壓電源供電，以加快電流上升速度，并通過對繞組電流的檢測，控制功放管的開和關，使電流在控制脈沖持續期間始終保持在規定值上下，其波形如圖6-21所示。 這種電路功率大，功耗小，效率高，目前應用最廣。圖6-22所示為一種斬波限流驅動電路原理圖。ttOOiu圖6-21 斬波限流驅動電路波形圖第

52、第6章章 伺服控制系統伺服控制系統71圖6-22 斬波限流驅動電路 OTV1U115 V3 kR11 kR2510 R48 R5V20.01FC1VD2TVD3V4VD4VD6U3100 VWV5U25 V1 kR3VD1V38 R63 kR7R951 R81 kUrefR100.27 VD5VD7OP（要求該相繞組通電） 當環形分配器的脈沖輸出高電平 導通 在VT2導通（截止）瞬間，脈沖變壓器TI在其二次線圈中感應出一個正（負）脈沖，使大功率晶體管VT4導通 （截止）。同時由于VT3的導通，大功率晶體管VT5也導通。 于是繞組W中有電流流過，步進電動機旋轉。 因W是感性負載，其中電流逐漸增加

53、，當增加到一定值時，在檢測電阻R10上的壓降將超過設定的Vref，使OP翻轉，輸出低電平使VT2截止。W W中儲存的能量釋放，中儲存的能量釋放，電流逐漸減小。電流逐漸減小。當減減小小到一定值時，在檢測電阻R10上的壓降將小于設定的Vref，使OP翻轉，輸出高電平使VT2導通。 V Vrefref由分壓電由分壓電阻阻R7R7和和R8R8所設所設定定使導通 使導通 步進電機繞組在控制脈沖持續期間，上述過程不斷重復。 第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統72圖6-22 斬波限流驅動電路 OTV1U115 V3 kR11 kR2510 R48 R5V20.01FC1VD2TVD3V4VD4VD6U31

54、00 VWV5U25 V1 kR3VD1V38 R63 kR7R951 R81 kUrefR100.27 VD5VD7OP（要求該相繞組斷電） 環形分配器的脈沖輸入低電平 截止W W中的能量則通中的能量則通過過VD6VD6、電源、電源、地和地和VD7VD7釋放。釋放。 V Vrefref由分壓電由分壓電阻阻R7R7和和R8R8所設所設定定步進電機繞組使截止使截止截止截止該電路限流值可達6A左右，改變電阻R10或R8的值，可改變限流值的大小。第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統736.2.4 交流伺服電動機交流伺服電動機第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統74 二十世紀后期，隨著電力電子技術的發

55、展，交流電動機應用于伺服控制越來越普遍。與直流伺服電動機比較： 優點：交流伺服電動機不需要電刷和換向器，因而維護方便和對環境無要求；此外，交流電動機還具有轉動慣量、體積和重量較小，結構簡單、價格便宜；尤其是交流電動機調速技術的快速發展，使它得到了更廣泛的應用。 缺點：轉矩特性和調節特性的線性度不及直流伺服電動機好；其效率也比直流伺服電動機低。由于現代變頻技術的發展，交流電機轉矩特性和調節特性已接近直流電機。 因此，在伺服系統設計時，除某些操作特別頻繁或交流伺服電動機在發熱和起、制動特性不能滿足要求時，選擇直流伺服電動機外，一般盡量考慮選擇交流伺服電動機。第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統75

56、 用于伺服控制的交流電動機主要有兩類： 同步型交流伺服電機（SM）：其特點：無接觸換向部件；需磁極位置檢測（如編碼器）。 異步型交流伺服電機（IM）：其特點：對定子電流的激勵分量和轉矩分量分別控制。 采用同步型交流電動機的伺服系統，多用于機床進給傳動控制、工業機人關節傳動和其它需要運動和位置控制的場合。異步型交流電動機的伺服系統，多用于機床主軸轉速和其它調速系統。第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統761.異步型交流伺服電機異步型交流伺服電機 三相異步電動機定子中的三個繞組在空間方位上也互差120，三相交流電源的相與相之間的電壓在相位上也相差120。 當在定子繞組中通入三相電源時，定子繞組就會

57、產生一個旋轉磁場，旋轉磁場的轉速為（6-13）式中：f1為定子供電頻率；p為定子線圈的磁極對數；n1為定子旋轉磁場的同步轉速。 pfn1160第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統77異步電動機的轉速方程為： （6-14） 式中：n為電機轉子的轉速；s為轉差率 。 由此式可知，交流電機的轉速轉速與磁極對數磁極對數和供電電源的供電電源的頻率頻率有關。我們把改變異步電機的供電頻率f1實現實現調速的方法稱為變頻調速變頻調速；而改變磁極對數P進行調速的方法叫變極調速。變頻調速一般是無級調速，變極調速是有級調速。當然，改變轉差率S也可以實現無級調速，但該辦法會降低交流電動機的機械特性，一般不使用。 )1

58、()1 (6011snspfn11nnns第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統782. 同步型交流電動機同步型交流電動機 同步交流電動機的轉速用下式表達： (6-15) 式中,f1為定子供電頻率；p為定子線圈的磁極對數；n為轉子轉速。3.交流伺服電機的性能由電機理論知道，三相異步電動機定子每相電動勢的有效值E1為E1=4.44f1 N1m (6-16) pfn160第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統79式中, m為每極氣隙磁通；N1為定子相繞組的有效匝數。異步電機變頻調速時，希望變頻調速時，希望m 不變。不變。 由上式可見，m的值是由E1和f1共同決定的，對E1和f1進行適當的控制，就可以使

59、氣隙磁通m保持額定值不變。下面分兩種情況說明。P418（1）基頻以下的恒磁通變頻調速。 就是考慮基頻（電機額定頻率f ）向下調速的情況。為了保持電機的負載能力，應保持氣隙磁通不變。這就要求降低供電頻率的同時降低感應電動勢，保持E1/f1常數，即保持電動勢與頻率之比為常數進行控制恒定電動勢頻率比控制。E1=4.44f1 N1m第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統80圖6-23 恒壓頻比控制特性U1U1nbaOf1nf1a不帶定子壓降補償 b帶定子壓降補償 由于E1難于直接檢測和控制。 當E1 和f1的值較高時，定子的漏阻抗壓降相對比較小，如忽略，即認為U1E1，保持U1/f1常常數數即可。這就是

60、恒壓頻比控制方式，是近似的恒磁通控制。 當頻率較低時，U1和E1都變小，定子漏阻抗壓降不能忽略。可以適當提高定子電壓以補償定子電阻壓降的影響，使氣隙磁通基本保持不變。 定子電壓定子電壓U1氣隙磁通m基本保持不變E1/ f 1=4.44N1m第第6章章 伺服控制系統伺服控制系統81圖6-24 異步電動機變頻調速控制特性U1U1nOf1nf1 m恒轉矩調速 mU1恒功率調速(2）基頻以上的弱磁通變頻調速。 由基頻開始向上調速的情況。頻率由額定值fIN向上增大，但電壓U受額定電壓U1n的限制不能再升高，只能保持保持U1=U1n不變不變。必然會使磁通隨著f1的上升而減小，這屬于近似的恒功率調速方式。