1、概述第一节步进电机及其控制第二节直流伺服电机及其控制第三节交流伺服电机及其控制第3章数控伺服系统伺服驱动系统概述伺服控制系统和伺服电机一起构成各种伺服系统（驱动装置），直接驱动各种机械执行机构完成预定的工作任务。伺服驱动系统包括(分类)：开环伺服系统和闭环伺服系统，伺服驱动系统包括：进给轴伺服驱动和主轴驱动。进给轴伺服驱动装置由位置控制单元、速度控制单元、电机和测量反馈单元等部分组成。主轴驱动装置主要由速度控制控制单元、电机和测量反馈单元等部分组成。控制用电动机分类：步进电动机直流伺服电动机交流伺服电动机旋转电机和直线电机开环伺服系统闭环和半闭环伺服系统对伺服系统的基本要求精度高响应快调速范围
2、宽步进电机常作为开环伺服系统的驱动元件，由于没有位置反馈和速度反馈控制回路，简化了线路，因此设备投资低，调试和维修都很方便，但进给速度和精度较低，被应用于中、低档数控机床及一般的机床改造。闭环控制采用直流或交流伺服电动机作为驱动元件。由于具有位置和速度信号的反馈调节作用，从而有效地提高了机床的系统精度，但也增加了系统的复杂程度。第一节步进电机及其控制步进电动机的工作原理步进电机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件，每当输入一个电脉冲时，它便转过一个固定的角度，这个角度称为步距角。P43图步进电机结构步进电动机分为定子和转子两大部分。定子由硅钢片叠成，装上一定相数的控制绕
3、组，由环行分配器送来的电脉冲对多相定子绕组轮流进行励磁；转子用硅钢片叠成或用软磁性材料做成凸极结构，转子本身没有励磁绕组的叫做“反应式步进电动机VR”，用永久磁铁做转子的叫做“永磁式步进电动机PM”，两者皆有叫混合式HB。VR通常步距角是0.9,1.8,3.6等；PM步距角是90或45；HB步距角和VR相同，可以很小。步进电机的位移和输入脉冲成比例，速度与脉冲频率成比例。步进电动机的工作原理以三相反应式步进电动机为例，定子有6个磁极，每两个相对的磁极上绕有一相控制绕组。转子上装有40个凸齿。步进电动机的工作原理，其实就是电磁铁的工作原理。定子励磁，转子感应。步进电动机的工作原理单三拍：由环形分
4、配器送来的脉冲信号，对定子绕组轮流通电，按ABCABC方式通电。磁通具有力图沿磁阻最小路径通过的特点。电流换接三次，磁场旋转一周，转子前进一个齿距角90度。单三拍，双三拍，三相六拍步进电动机的工作原理双三拍：由环形分配器送来的脉冲信号对定子绕组轮流通电，按ABBCCAAB方式通电。步进电动机的工作原理三相六拍：如果按照AABBBCCCAA的方式循环通电，就称为三相六拍通电。（a）A相通电（b）A、B相通电（c）B相通电（d）B、C相通电（e）C相通电（f）C、A相通电步进电动机的工作原理因为每通电一次，转子就走一步，故步距角为：式中，k状态系数（单三拍、双三拍时，k1；三相六拍时，k2），如三
5、相三拍，四个齿时：zkmz360360拍数拍数齿距30143360步进电动机的工作原理若按三相六拍运行时，四个齿时其步距角：由此可见，步进电动机的转子齿数z和定子相数m（或运行拍数k）愈多，则步距角愈小，控制越精确。15243360步进电动机的工作原理当定子控制绕组按着一定顺序通电时，步进电动机就持续旋转。当电脉冲的频率为f 时，步进电动机转速为：60360min/Hzrfn二相步进电机励磁方式五相步进电机励磁方式步进电动机转速例题例1：开环伺服系统采用步进电机，电机有40个齿，当采用三相六拍工作方式时，丝杠导程为5毫米。求：步进电机的步距角；当脉冲频率为50Hz时，步进电机的输出转速n；螺母
6、带动的工作台的平稳运行速度v。步进电动机转速例题解：(1)步距角(2)转速(3)速度5.14032360360kmzmin/5.1260360505.160360min/rfnHzrs/m1004.160105.62min/mm5.625.12533npv步进电动机的主要工作特性静态转矩：电机不改变通电状态时，转子不动。在电动机轴上加一负载转矩时转子按一定方向转动，此时的电磁转矩称为静态转矩，转角称为失调角。转矩和转角的关系叫矩角特性。步进电动机的主要工作特性启动频率空载时，步进电动机由静止状态突然启动，并进入不丢步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率。连续运行频率连续运行频率：步进电
7、机启动以后，其运行速度能跟踪指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。它远大于启动频率。矩频特性与动态转矩矩频特性是描述步进电动机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系。（教材图）动态转矩：矩频特征上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。它随频率的上升而下降。步进电动机驱动系统步进电动机的输入信号是一系列的电脉冲，通过环形分配器按一定的顺序加到电动机的各相绕组上。步进电机驱动系统图步进电动机驱动系统环形分配器、功率放大器以及其他控制线路的组合共同组成步进电机的驱动电源，即驱动装置。步进电机驱动装置的基本功能按一定顺序及频率接通和断开步进电动机的励磁绕组，按要求使电动机启
8、动、运转和停止。提供足够的电功率，实现机电能量的转换。提高步进电机运行的快速性和平稳性。步进电动机驱动系统对步进电动机驱动装置的基本要求包括：电源的相数、通电方式、电压、电流要与电动机的基本参数相适应；能满足步进电动机起动频率和运行频率的要求，并能按要求实现自动频率的升降；能最大限度地抑制步进电动机的振荡，工作可靠，抗干扰能力强；成本低、效率高，安装和维护方便。步进电动机驱动系统环形分配器又称为环形脉冲分配器，分为硬件环分器和软件环分器两种。用于控制步进电动机的通电方式，使步进电机绕组的通电按一定的规律变化，并根据指令使电动机正转、反转，实现确定的运行方式。硬件环分器常用的脉冲分配器集成模块有
9、PM03、PM04、PM05、PM06（数字代表相数）、PMM8713PMM8723PMM8714、CH224、CH250等。硬件环形分配器步进电动机驱动系统软件环分器就是利用软件实现硬件脉冲分配器的功能。将控制字（步进电机各相通断电顺序）从内存中读出，然后送到并行口中输出。用软件进行环形分配，采用不同的计算机及接口器件有不同的形式，如：MCS51系列单片微机8031。如步进电动机是采用三相六拍循环通电，如果用一个字节的低3位对应电机的A、B、C三相，则形成脉冲控制字。步进电动机驱动系统三相步进电动机的控制字格式如下。节拍CBA控制字节拍CBA控制字100101H411006H201103H5
10、10004H301002H610105H步进电动机驱动系统从表中可知，当电机正转时，取控制字为01H、03H、02H、06H、04H、05H；反转时的控制字正好相反。用微机实现软件环分，将控制字存放在ROM当中，通过查表来提取控制字。步进电动机驱动系统环行分配器CH250管脚及三相六拍接线驱动放大电路驱动放大电路又称功率驱动器或功率放大器，其实际上是一种脉冲放大电路。因为步进电动机的绕组是感性负载，如较大电感量影响快速性，感应电动势会带来功率管保护等问题。驱动电路的核心就是如何提高步进电动机的快速性和平稳性。目前国内步进电机的驱动电路主要有：单电压恒流功放电路、高低压功率放大电路、斩波功放电路
11、以及调频调压功放电路等。步进电机的驱动电路步进电机的驱动电路步进电动机特点优点不需要反馈控制，电路简单；容易与微机系统相连接；停止时有保持转矩；维护方便。缺点效率低；容易引起失步；步进电动机的选用选择要素确定负载转矩和负载惯量，加速过程所用时间和运行时间确定目标确认脉冲信号频率计算需要的运行转矩确定电动机的型号验证验算第二节直流伺服电机及其控制自动控制系统对伺服电动机的要求无自转现象，当控制电压为零时，能迅速自动停转。具有较大斜率的机械特性，在控制电压改变时，电动机能在较宽的转速范围内稳定运行。具有线性的机械特性和调节特性，以保证控制精度。快速响应性好，即电机的转动惯量小。直流电动机速度控制常
12、用的直流伺服电动机小惯量直流电动机宽调速直流电动机无刷直流电动机宽调速直流电机特点输出转矩高过载能力强动态响应好调速范围宽直流伺服电机根据结构可以分类：分为普通型直流伺服电动机、盘形电枢直流伺服电动机、空心杯直流伺服电动机和无槽直流伺服电动机等。普通型直流伺服电动机的结构普通型直流伺服电动机：由定子和转子两大部分组成，根据励磁方式又可分为电磁式和永磁式两种。定子：电磁式伺服电机的定子磁极上装有励磁绕组，励磁绕组接励磁控制电压产生磁通；永磁式伺服电机的磁极是永磁铁，其磁通是不可控的。转子：直流伺服电动机的转子一般由硅钢片叠压而成，转子外圆有槽，槽内装有电枢绕组，绕组通过换向器和电刷与外边电枢控制
13、电路相连接。盘形伺服电机的结构盘形电枢直流伺服电动机的定子由永久磁铁和前后铁轭共同组成，磁铁可以在圆盘电枢的一侧，也可在其两侧。盘形伺服电机转子电枢由线圈沿转轴的径向圆周排列，并用环氧树脂浇注成圆盘形。盘形绕组通过的电流是径向电流，而磁通为轴向的，径向电流与轴向磁通相互作用产生电磁转矩，使伺服电机旋转。盘形伺服电机的结构空心杯电枢直流伺服电动机空心杯电枢直流伺服电动机有两个定子，一个由软磁材料构成的内定子和一个由永磁材料构成的外定子，外定子产生磁通，内定子主要起导磁作用。空心杯伺服电机的转子由单个成型线圈沿轴向排列成空心杯形，并用环氧树脂浇注成型。空心杯电枢直接装在转轴上，在内外定子间的气隙中
14、旋转。空心杯电枢直流伺服电动机无槽直流伺服电动机无槽直流伺服电动机与普通伺服电机的区别是，无槽直流伺服电动机的转子铁心上不开元件槽，电枢绕组元件直接放置在铁心的外表面，然后用环氧树脂浇注成型。后三种伺服电机与普通伺服电机相比，由于转动惯量小，电枢等效电感小，因此其动态特性较好，适用于快速系统。无槽直流伺服电动机直流电动机的结构原理直流电动机速度控制直流伺服电动机的运行特性在忽略电枢反应的情况下，直流伺服电动机的电压平衡方程如下：当磁通恒定时，电枢反电动势为：aaaIREUnknCEeea直流伺服电动机的运行特性直流伺服电动机的电磁转矩为：将上述三式联立求解可得直流伺服电动机的转速关系式：根据上
15、式可得直流伺服电动机的机械特性和调节特性。ataTemIkICTemteaeTkkRkUn直流伺服电动机的机械特性机械特性是指在控制电枢电压保持不变控制电枢电压保持不变的情况下，直流伺服电动机的转速随转矩变化转速随转矩变化的关系。当电枢电压为常值时，上式可写成：式中，式中，ke为电动势常数；kt为转矩常数。emkTnn0ekUn 0teakkRk/直流伺服电动机的机械特性当转矩为零时，电机的转速仅与电枢电压有关，此时的转速为直流伺服电动机的理想空载转速，理想空载转速与电枢电压成正比，即：当转速为零时，电机的转矩仅与电枢电压有关，此时的转矩称为堵转转矩，堵转转矩与电枢电压成正比，即：ekUnn0
16、taDkRUT 直流伺服电动机机械特性 直流伺服电动机调节特性直流伺服电动机的调节特性是指负载转矩恒负载转矩恒定时定时，电机转速与电枢电压转速与电枢电压的关系。当转矩一定时，转速与电压的关系为一组平行线，其斜率为1ke。当转速为零时，对应不同的负载转矩可得到不同的起动电压U。当电枢电压小于起动电压时，伺服电机将不能起动。直流伺服电动机调节特性直流驱动系统电动机的调速是电动机驱动的主要问题，其中心问题是电动机转速的自动调节和稳定。直流电动机不仅具有良好的启动、调速、制动性能，而且直流调速系统的分析是理解交流调速系统的重要基础。直流伺服电动机用直流供电，要实现直流电机的转速要实现直流电机的转速控制
17、，大多只要灵活控制加在直流电机电枢上的电控制，大多只要灵活控制加在直流电机电枢上的电压压即可。在数控机床驱动装置中，直流电动机控制多采用晶闸管调速系统和晶体管脉宽调制（PWM）调速系统。晶闸管调速系统晶闸管又称可控硅（SemiconductorControlRectifier，简称SCR），是一种大功率半导体器件，由阳极A、阴极K和控制极G（又称门极）组成。当阳极与阴极间施加正电压且控制极出现触发脉冲时，可控硅导通。触发脉冲出现的时刻称为触发角。控控制触发角即可控制可控硅的导通时间，从而达到控制触发角即可控制可控硅的导通时间，从而达到控制电压的目的制电压的目的。只通过改变晶闸管触发角，电动机进
18、行调速的范围较小。为满足数控机床的调速范围需求，可采用带有速度反馈的闭环系统。为增加调速特性的硬度，需再加一个电流反馈环节，实现双环调速系统。双环调速系统框图直流脉宽调速系统脉宽调速是利用脉宽调制器对大功率晶体管开关放大器的开关时间进行控制，将直流电将直流电压转换成某一频率的矩形波电压压转换成某一频率的矩形波电压，加到直流电动机的电枢两端，通过对矩形波脉冲宽度的控制，改变电枢两端的平均电压，达到调节电动机转速的目的。直流脉宽调速系统主要采用了转速电流双闭环的系统结构，其主要优点是频带宽、电流脉动小、波形系数小、电源功率因数高等。直流脉宽调速系统结构框图第三节交流伺服电机及其控制交流伺服电动机一
19、般是两相交流电机，由定子和转子两部分组成。交流伺服电机的转子有笼形和杯形两种，无论哪一种转子，它的转子电阻都做得比较大，其目的是使转子在转动时产生制动转矩，使它在控制绕组不加电压时，能及时制动，防止自转。交流伺服电机的定子为两相绕组，并在空间相差90电角度。两个定子绕组结构完全相同，使用时一个绕组做励磁用，另一个绕组做控制用。交流伺服电动机的特点与普通两相异步电动机相比，伺服电动机有宽的调速范围；当励磁电压不为零，控制电压为零时，其转速也应为零；机械特性为线性并且动态特性好。为达到上述要求，伺服电机的转子电阻应当大，转动惯量应当小。交流伺服电动机的工作原理交流伺服电机的控制方式交流伺服电机的控
20、制方式有3种，它们分别是幅值控制、相位控制和幅相控制。幅值控制：控制电压和励磁电压保持相位差90，只改变控制电压幅值，这种控制方法称为幅值控制。相位控制：与幅值控制不同，相位控制时控制电压和励磁电压均为额定电压，通过改变控制电压和励磁电压相位差，实现对伺服电机的控制。幅相控制：是对幅值和相位差都进行控制，通过改变控制电压的幅值及控制电压与励磁电压的相位差控制伺服电机的转速。交流驱动系统发展直流电动机具有良好的控制特性，但缺点越来越突出，20世纪70年代出现了可控电力开关器件（如晶闸管、GTR、GTO等），为交流电动机的控制提供了高性能的功率变换器，从此交流变频驱动技术得到了飞速发展。1971年
21、德国科学家Blaschke等人提出了矢量控制理论。1985年德国科学家M.Depenbrok又提出直接转矩控制论理论，免去了矢量变换的复杂计算，控制结构更加简单化。各种交流电动机的驱动控制装置不断出现，交流调速也进入了同直流调速相媲美的时代。交流驱动系统发展对交流电动机实现变频调速的装置称为变频器，其功能是将电网提供的恒压恒频交流电CVCF（ConstantVoltageConstantFrequency）变换为变压变频VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）交流电，变频伴随变压，对交流电动机实现无级调速。变频器有：交直交与交交变频器两大类。交交变频器没有明
22、显的中间滤波环节，电网交流电被直接变成可调频调压的交流电，又称为直接变频器。交直交变频器先把电网交流电转换为直流电，经过中间滤波环节后，再进行逆变才能转换为变频变压的交流电，故称为间接变频器。在数控机床上，一般采用交-直-交型的正弦波脉宽调制（SPWM）变频器和矢量变换控制的SPWM调速系统。交流调速的基本概念由电机学基本原理可知，交流异步电动机（感应电机）的输出转速公式为：式中f 定子电源频率，Hz；s转差率；p极对数。)1(60spfn交流调速的基本概念根据电机学知识，异步电动机定子每相绕组的感应电动势为：式中N 定子绕组每相串联的匝数；K 基波绕组系数；m每极气隙磁通，Wb。mfNKE4
23、4.1交流调速的基本概念为了保持气隙磁通不变，则应满足常数。但实际上，感应电动势难以直接控制。如果忽略了定子漏阻抗压降，则可以近似认为定子相电压和感应电动势相等，即实现恒磁通调速，则应满足常数。在交流变频调速装置中，同时兼有调频调压功能。正弦波脉宽调制（SPWM）SPWM法是变频器中使用最为广泛的PWM调制方法，属于交直交型静止变频装置，可以用模拟电路和数字电路等硬件电路实现，也可以用微机软件以及软件和硬件结合的办法实现。用硬件电路实现SPWM法，就是用一个正弦波发生器产生可以调频调幅的正弦波信号（调制波），用三角波发生器生成幅值恒定的三角波信号（载波），将它们在电压比较器中进行比较，输出PWM调制电压脉冲。正弦波脉宽调制（SPWM）SPWM调制波双极型SPWM通用型主回路
