1、第六章电动机的微机控制 直流伺服电机分电磁式、永磁式、杯型电枢式、无槽电枢式、圆盘电枢式、无刷式等。直流伺服电机的结构和直流电机相同。它由定子和转子两大部分组成。在定子上装有磁极，电磁式伺服电机的定子磁极上绕有励磁绕组。直流伺服电机可采用电枢控制或磁场控制。图 6-12 PW M 晶 体 管 功 率 放 大 器 结 构 框 图 比 较 器 n UI+Us UI+UT功 率 放 大 器 伺 服 电 机 三 角 波 发 生 器 UP 电 压-脉 宽 变 换 器 开 关 功 率 放 大 器 PW M 功 率 放 大 器 PWM晶体管功率放大器，即脉冲宽度调制晶体管功率放大器，它由两部分组成：一部分是
2、电压脉宽变换器，另一部分是开关式功率放大器。图 6-13 PWM 脉宽调制波形 t UTPP T UI UT 0 t t UI+UT t UT(UP)t UI UT 0 t t UI+UT t UT(UP)t UI UT 0 t t UI+UT t UT(UP)(a)(b)(c)（1）伺服电机在PWM功率放大器驱动下可以处于停止、正转和反转三种状态。（2）控制信号UI的特性决定了伺服电机的工作状态。UI=0电机停止；UI0电机正转，|UI|越大正转越快；UI0电机正转，|UI|越大正转越快；图 6-16 标准型 PWM 功率放大器 R1 20k U1 U1 R2 20k R3 6.8k 三角波
3、 UT R4 5.1k C1 0.01F R6 15k R5 15k U2 W1 10k U3 R9 20k R10 3.9k 22DW7B R11 3.9k R12 8.2k C2 F R13 68k R15 6.2k 15V R14 8.2k R15 6.2k R17 5.1k R18 680 R19 1.3k 3DG12 T1 T2 3AX25 3055 T5 3DD101A 3AD30C 3055 T3 T4 T6 T7 R20 0.47 R21 0.47 2CZ12B D3 D4 2CZ12B M SY1-1.5 D5 D6 2CZ12B 2CZ12B 3DD101A 3AD30C
4、T8 T9 T10 3055 3AX25 T12 T11 3055 R26 680 R25 5.1k R19 1.3k R24 R23 0.47 R22 0.47 15V 24V 控制信号 R7 10k R8 6.8k 3DG12 图 6-17 计算机和 PWM 功放器的接口 IOW+15V AD0 AD9 AEN 译码器 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 VSS 2 18 17 DI7 DI6 DI5 DI4 DI3 DI2 DI1 DI0 DGND AGND 计算机 CS WR1 WR1 XFER U2 VCC RFD ILE VREF 9 20 R1 5.1k 19 I1
5、I2 DW1 2V VDC 11 12 0832 U1 R2 10k R3 5.1k DW2 2V 20k R4 15V 4 8 2 3 1 7 8 6 10k W1+15V ADOP-07 三角波发生器 开关功率放大器 比较器 UI+UT UI UT 伺服电机 PWM 功率放大器+十进制数二进制数循环码000000000100010001200100011300110010401000110501010111601100101701110100810001100910011101101010111111101111101211001010131101101114111010011511111
6、000伺服系统应用：船舶驾驶、火炮控制、雷达控制、导航和制导、数控机床、机器人等。标准型的PWM功率放大器在定子上装有磁极，电磁式伺服电机的定子磁极上绕有励磁绕组。它由定子和转子两大部分组成。通过运动指令对机械设备实施精确控制。如果转子有40个齿，那么，转子的齿距角Z为：在定子上装有磁极，电磁式伺服电机的定子磁极上绕有励磁绕组。如果转子有40个齿，那么，转子的齿距角Z为：是步进电机的一相绕组电感；UI0电机反转，|UI|越大反转越快。（一）单电压功率放大电路UI0电机正转，|UI|越大正转越快；（1）伺服电机在PWM功率放大器驱动下可以处于停止、正转和反转三种状态。（1）伺服电机在PWM功率放
7、大器驱动下可以处于停止、正转和反转三种状态。图 6-15 典型伺服系统框图 放大 给定输入+输入变换+速度校正+电压放大 PWM功放 伺服电机 电压反馈 速度反馈 速度检测 位置检测 位置反馈 伺服系统是一个闭环的自动控制系统。在伺服控制系统中，计算机除了要控制系统的功率主回路外，同时还要实时检测伺服系统的状态。典型的伺服系统中，除了PWM功率放大器之外，还有电压负反馈、速度负反馈、位置负反馈等环节。转速检测接口电路 START ALE OE ADDA ADDB ADDC D0 D1 D2 D7 CLK IN0 IN1 C11 R12 W1 R11+R13 A0 A9 IOW IOR 5V C
8、21 C31 R32 R31+R33 给定环节 R34 R35 TG+VREF+VREF 5V D0 D1 D2 D7 时钟 500Hz ADC0809 测速发电机 e V UPU U R K1 +K2 G2(S)K3 G4(S)G5(S)HV(S)H(S)5,2.1,15.0321KKKssGssG1)(,19.010)(54ssSG5.15.0)(261)(,1)(sHsHV 图6-21 三相反应步进电动机结构 定子 A A B B C C B B A A C C 转子 三相反应式步进电动机的定子为三对磁极，每相一对，相对的极属一相，不过每一个定子磁极的磁靴上有许多小齿，转子圆周上也有许多
9、小齿，根据工作要求，定、转子齿宽距必须相等。（1）在同相的几个磁极下，定、转）在同相的几个磁极下，定、转子齿应同时对齐或同时错开，这样才子齿应同时对齐或同时错开，这样才能使几个磁极的作用相加，产生最大能使几个磁极的作用相加，产生最大转矩。转矩。（2）在不同相的磁极下，定、转）在不同相的磁极下，定、转子齿的相对位置应依次错开子齿的相对位置应依次错开1/m齿距齿距（m为相数），这样才能在连续改变为相数），这样才能在连续改变通电状态下，获得连续不变的步进运通电状态下，获得连续不变的步进运动。动。步进电机的齿距角ZZ=2/N如果转子有40个齿，那么，转子的齿距角Z为：Z=360/40=9 图 6-22
10、 三相步进电动机的步进过程示意图 A B C A B C 1 2 3 4 A B C A B C A B C A B C 1 2 3 4 1 2 3 4 a)b)c)步进电机的齿距角ZUI0电机反转，|UI|越大反转越快。由于这两种电源电压分别是高压和低压电源，故也称高低压功率放大电路。伺服系统是一个闭环的自动控制系统。（1）伺服电机在PWM功率放大器驱动下可以处于停止、正转和反转三种状态。（1）伺服电机在PWM功率放大器驱动下可以处于停止、正转和反转三种状态。（1）伺服电机在PWM功率放大器驱动下可以处于停止、正转和反转三种状态。直流伺服电机的结构和直流电机相同。直流伺服电机系统的设计伺服系
11、统是一个闭环的自动控制系统。伺服系统（servomechanism）：由伺服电机组成的控制系统。步进电机的功率放大电路UI0电机正转，|UI|越大正转越快；步距角S可以表示如下：S=2/（NK）或S=360/（NK）式中 K-是步进电机工作拍数；N-是转子齿数。对于图 6-21 所示的三相反应式步进电机，由于它采用三拍方式工作，故它的步距角S是：S=360/（43）=30 对于转子有 40 齿而采用三拍方式的步进电机而言，其步距角S为：S=360/（403）=3 （一）步进电机的单三拍工作方式 三相反应式步进电机各相分别为 A、B、C 相。如果换相方式为(A)-B-C-A，则电流切换三次，即换
12、相三次时，磁场就会旋转一周，同时转子转动一个齿距。对某相通电时，转子齿就会该相定子齿对齐，这种通电方式称为单三拍方式。所谓“单”是指每次对单相通电；所谓“三拍”，是指换相三次磁场旋转一周，转子移动一个齿距。为了使步进电机能反向旋转，对于图6-22而言就是逆时针步进，对各相的通电顺序采用如下方式：单 三 拍工 作时，各 相通 电的 波 形入图 6-23 所 示。其中 虚 线用 于表 示 磁极 绕组 中的 电流 波形，可 见磁 极的 驱动 电压时 方 波，而 电流并 不 是 方 波。从 式 6-18 可 知，步 进 电 机 每 步 进 一 步 的 步 距 角 S为：S=2/(NK)其 中：K 是
13、工 作 方 式 的 拍 数，N是 转 子 齿 数。图 6-23 单 三 拍 工 作 的 电 压 电 流 波 形 步 进 时钟 A 相 B 相 C 相 图 6-25 AB 相通电时的差角 C A A B C B 1.5 1.5 双三拍工作方式时的电压电流波形如图 6-24 所示。图 6-24 双三拍工作的电压电流波形 步进时钟 A 相 B 相 C 相 六拍工作方式时的电压电流波形如图 图 6-26 六拍工作的电压电流波形 步进时钟 B 相 C 相 A 相 步进电机的功率放大电路 图 6-27 步进机控制系统框图 脉冲信号 脉冲分配 功率放大 A B C 在实际应用中，脉冲分配回路有各种构成的办法
14、。最常用的是环行分配器电路，现在已渐渐采用微型计算机代替旧式的环行分配器；而在控制系统中，大量采用的是单片微型机。功率放大电路的结构对步进电机的性能有着十分重要的作用。功率放大电路有单电压、双电压、斩波形、调频调压型和细分型等型式的电路。（一）单电压功率放大电路 图 6-28 单电压功放电路 C VP RL L D Rd U T Rc 单电压功率放大电路是步进电机控制中最简单的一种驱动电路。是步进电机的一相绕组电感；是绕组电阻；是外接电阻，也是限流电阻；d是续流电阻；是续流二极管。Tj=L/(RL+RC)回路的时间常数dcLdRRRLT（二）双电压功率放大电路 图 6-2 9 双 电 压 功
15、放 电 路 RL L D1 U2 D2 Vh V1 T2 Vh t V1 iL t t t1 t2 t3 RC 双电压功率放大电路就是采用两种工作电源电压的功放电路。由于这两种电源电压分别是高压和低压电源，故也称高低压功率放大电路。最小运动增量和分辨率；如果转子有40个齿，那么，转子的齿距角Z为：它由定子和转子两大部分组成。步进电机的功率放大电路（1）伺服电机在PWM功率放大器驱动下可以处于停止、正转和反转三种状态。它由定子和转子两大部分组成。三相反应式步进电动机的定子为三对磁极，每相一对，相对的极属一相，不过每一个定子磁极的磁靴上有许多小齿，转子圆周上也有许多小齿，根据工作要求，定、转子齿宽
16、距必须相等。标准型的PWM功率放大器（1）伺服电机在PWM功率放大器驱动下可以处于停止、正转和反转三种状态。Z=360/40=9Tj=L/(RL+RC)回路的时间常数伺服系统是一个闭环的自动控制系统。在伺服控制系统中，计算机除了要控制系统的功率主回路外，同时还要实时检测伺服系统的状态。为了使步进电机能反向旋转，对于图6-22而言就是逆时针步进，对各相的通电顺序采用如下方式：最常用的是环行分配器电路，现在已渐渐采用微型计算机代替旧式的环行分配器；在定子上装有磁极，电磁式伺服电机的定子磁极上绕有励磁绕组。在定子上装有磁极，电磁式伺服电机的定子磁极上绕有励磁绕组。最常用的是环行分配器电路，现在已渐渐采用微型计算机代替旧式的环行分配器；
