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第 4 章：机电一体化技术 伺服驱动技术. 陕西国防学院机电工程系机电教研室. 4.1 概述. 4.1.1 伺服系统的结构组成 机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。. 伺服系统组成原理框图. 1. 比较环节 ; 比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。 2. 控制器 ;
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第4章：机电一体化技术 伺服驱动技术 陕西国防学院机电工程系机电教研室
4.1 概述 • 4.1.1伺服系统的结构组成 • 机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。
1.比较环节; • 比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。 • 2.控制器; • 控制器通常是计算机或PID控制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。 • 3.执行环节; • 执行环节的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。
4.被控对象; • 5.检测环节; • 检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。 • 4.1.2伺服系统的分类 • 伺服系统的分类方法很多，常见的分类方法有以下三种。 • (1)按被控量参数特性分类。 • (2)按驱动元件的类型分类。 • (3)按控制原理分类。
4.1.3伺服系统的技术要求 • 1.系统精度 • 伺服系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度，以误差的形式表现，可概括为动态误差、稳态误差和静态误差三个方面组成。 • 2.稳定性 • 伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后，系统能够恢复到原来稳定状态的能力；或者当给系统一个新的输入指令后，系统达到新的稳定运行状态的能力。
3.响应特性 • 响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度，决定了系统的工作效率。响应速度与许多因素有关，如计算机的运行速度、运动系统的阻尼和质量等。 • 4.工作频率 • 工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围。当工作频率信号输入时，系统能够按技术要求正常工作；而其它频率信号输入时，系统不能正常工作。
4.2 执行元件 • 4.2.1执行元件的分类及其特点 • 执行元件是能量变换元件，其目的是控制机械执行机构运动。机电一体化伺服系统要求执行元件具有转动惯量小，输出动力大，便于控制，可靠性高和安装维护简便等特点。根据使用能量的不同，可以将执行元件分为电磁式、液压式和气压式等几种类型。
(1)电磁式执行元件能将电能转化成电磁力，并用电磁力驱动执行机构运动，如交流电机、直流电机、力矩电机、步进电机等。 (1)电磁式执行元件能将电能转化成电磁力，并用电磁力驱动执行机构运动，如交流电机、直流电机、力矩电机、步进电机等。 • (2)液压式执行元件先将电能变化成液体压力，并用电磁阀控制压力油的流向，从而使液压执行元件驱动执行机构运动。 • (3)气压式执行元件与液压式执行元件的原理相同，只是介质由液体改为气体。
4.2.2直流伺服电动机 • 1.直流伺服电动机的分类 • 直流伺服电动机按励磁方式可分为电磁式和永磁式两种。 • 2.直流伺服电动机的基本结构及工作原理 • 直流伺服电动机主要由磁极、电枢、电刷及换向片组成。
3.直流伺服电动机的特性分析 • 直流伺服电动机采用电枢电压控制时的电枢等效电路。
当电动机处于稳态运行时，回路中的电流Ia保持不变，则电枢回路中的电压平衡方程式为当电动机处于稳态运行时，回路中的电流Ia保持不变，则电枢回路中的电压平衡方程式为 • Ea=Ua-IaRa (4-1) • 式中，Ea是电枢反电动势； Ua是电枢电压；Ia是电枢电流；Ra是电枢电阻。 • 转子在磁场中以角速度ω切割磁力线时，电枢反电动势Ea与角速度ω之间存在如下关系： • Ea=CeΦω (4-2) • 式中，Ce是电动势常数，仅与电动机结构有关；Φ是定子磁场中每极的气隙磁通量。
由式（4-1）、式（4-2）得 • Ua-IaRa=CeΦω （4-3） • 此外，电枢电流切割磁场磁力线所产生的电磁转矩Tm可由下式表达: • Tm=CmΦIa • 则 Tm=CmΦIn • 式中，Cm是转矩常数，仅与电动机结构有关。 • (4-4)
将式（4-4）代入式（4-3）并整理，可得到直流伺服电动机运行特性的一般表达式将式（4-4）代入式（4-3）并整理，可得到直流伺服电动机运行特性的一般表达式 • 由此可以得出空载（ Tm＝0，转子惯量忽略不计）和电机启动（ω＝0）时的电机特性: • （1）当Tm＝0时，有 • (4-5) (4-6)
(4-7) • （2）当ω＝0时，有 • • 式中，Td称为启动瞬时转矩，其值也与电枢电压成正比。 • 如果把角速度ω看作是电磁转矩Tm的函数，即ω=f(Tm)，则可得到直流伺服电动机的机械特性表达式为 • (4-8) • 式中,ω0是常数， 。
如果把角速度ω看作是电枢电压Ua的函数，即ω=f(Ua)，则可得到直流伺服电动机的调节特性表达式如果把角速度ω看作是电枢电压Ua的函数，即ω=f(Ua)，则可得到直流伺服电动机的调节特性表达式 • 式中,k是常数， 。 • 根据式(4-8)和式(4-9)，给定不同的Ua值和Tm值，可分别绘出直流伺服电动机的机械特性曲线和调节特性曲线。 (4-9)
由图可见，直流伺服电动机的机械特性是一组斜率相同的直线簇。每条机械特性和一种电枢电压相对应，与ω轴的交点是该电枢电压下的理想空载角速度，与Tm轴的交点则是该电枢电压下的启动转矩。由图可见，直流伺服电动机的机械特性是一组斜率相同的直线簇。每条机械特性和一种电枢电压相对应，与ω轴的交点是该电枢电压下的理想空载角速度，与Tm轴的交点则是该电枢电压下的启动转矩。 • 由图可见，直流伺服电动机的调节特性也是一组斜率相同的直线簇。每条调节特性和一种电磁转矩相对应，与Ua轴的交点是启动时的电枢电压。 • 从图中还可看出，调节特性的斜率为正，说明在一定的负载下，电动机转速随电枢电压的增加而增加；而机械特性的斜率为负，说明在电枢电压不变时，电动机转速随负载转矩增加而降低。
4.影响直流伺服电动机特性的因素 • 上述对直流伺服电动机特性的分析是在理想条件下进行的，实际上电动机的驱动电路、电动机内部的摩擦及负载的变动等因素都对直流伺服电动机的特性有着不容忽略的影响。 • 1）驱动电路对机械特性的影响; • 直流伺服电动机是由驱动电路供电的，假设驱动电路的内阻是Ri，加在电枢绕组两端的控制电压是Uc，则可画出如图6-7所示的电枢等效回路。在这个电枢等效回路中，电压平衡方程式为 • Ea=Uc-Ia (Ra+Ri) (4-10)
于是在考虑了驱动电路的影响后，直流伺服电动机的机械特性表达式变成于是在考虑了驱动电路的影响后，直流伺服电动机的机械特性表达式变成 • (4-11) • 将式(6-11)与式(6-8)比较可以发现，由于驱动电路内阻Ri的存在而使机械特性曲线变陡了。
如果直流伺服电动机的机械特性较平缓，则当负载转矩变化时，相应的转速变化较小，这时称直流伺服电动机的机械特性较硬。反之，如果机械特性较陡，当负载转矩变化时，相应的转速变化就较大，则称其机械特性较软。显然，机械特性越硬，电动机的负载能力越强；机械特性越软，负载能力越低。毫无疑问，对直流伺服电动机应用来说，其机械特性越硬越好。由于功放电路内阻的存在而使电动机的机械特性变软了，这种影响是不利的，因而在设计直流伺服电动机功放电路时，应设法减小其内阻。如果直流伺服电动机的机械特性较平缓，则当负载转矩变化时，相应的转速变化较小，这时称直流伺服电动机的机械特性较硬。反之，如果机械特性较陡，当负载转矩变化时，相应的转速变化就较大，则称其机械特性较软。显然，机械特性越硬，电动机的负载能力越强；机械特性越软，负载能力越低。毫无疑问，对直流伺服电动机应用来说，其机械特性越硬越好。由于功放电路内阻的存在而使电动机的机械特性变软了，这种影响是不利的，因而在设计直流伺服电动机功放电路时，应设法减小其内阻。
3）负载变化对调节特性的影响 • 在负载转矩TL不变的条件下，直流伺服电动机角速度与电枢电压成线性关系。但在实际伺服系统中，经常会遇到负载随转速变动的情况，如粘性摩擦阻力是随转速增加而增加的，数控机床切削加工过程中的切削力也是随进给速度变化而变化的。这时由于负载的变动将导致调节特性的非线性。可见，由于负载变动的影响，当电枢电压Ua增加时，直流伺服电动机角速度ω的变化率越来越小，这一点在变负载控制时应格外注意。
5.直流伺服系统 • 由于伺服控制系统的速度和位移都有较高的精度要求，因而直流伺服电动机通常以闭环或半闭环控制方式应用于伺服系统中。直流伺服系统的闭环控制是针对伺服系统的最后输出结果进行检测和修正的伺服控制方法，而半闭环控制是针对伺服系统的中间环节（如电动机的输出速度或角位移等）进行监控和调节的控制方法。它们都对系统输出进行实时检测和反馈，并根据偏差对系统实施控制。两者的区别仅在于传感器检测信号的位置不同，由此导致设计、制造的难易程度不同,工作性能不同，但两者的设计与分析方法基本上是一致的。
4.2.3步进电动机 • 1.步进电动机的结构与工作原理 • 步进电动机按其工作原理主要可分为磁电式和反应式两大类，这里只介绍常用的反应式步进电动机的工作原理。三相反应式步进电动机的工作原理，其中步进电动机的定子上有6个齿，其上分别缠有U、V、W三相绕组，构成三对磁极；转子上则均匀分布着4个齿。步进电动机采用直流电源供电。当U、V、W三相绕组轮流通电时，通过电磁力的吸引，步进电动机转子一步一步地旋转。
假设U相绕组首先通电，则转子上、下两齿被磁场吸住，转子就停留在U相通电的位置上。然后U相断电，V相通电，则磁极U的磁场消失，磁极V产生了磁场，磁极V的磁场把离它最近的另外两齿吸引过去，停止在V相通电的位置上，这时转子逆时针转了30°。随后V相断电，W相通电，根据同样的道理，转子又逆时针转了30°，停止在W相通电的位置上。若再U相通电，W相断电，那么转子再逆转30°。定子各相轮流通电一次，转子转一个齿。步进电动机绕组按U→V→W→U→V→W→U…依次轮流通电，步进电动机转子就一步步地按逆时针方向旋转。反之，如果步进电动机按倒序依次使绕组通电，即U→W→V→U→W→V→U…则步进电动机将按顺时针方向旋转。假设U相绕组首先通电，则转子上、下两齿被磁场吸住，转子就停留在U相通电的位置上。然后U相断电，V相通电，则磁极U的磁场消失，磁极V产生了磁场，磁极V的磁场把离它最近的另外两齿吸引过去，停止在V相通电的位置上，这时转子逆时针转了30°。随后V相断电，W相通电，根据同样的道理，转子又逆时针转了30°，停止在W相通电的位置上。若再U相通电，W相断电，那么转子再逆转30°。定子各相轮流通电一次，转子转一个齿。步进电动机绕组按U→V→W→U→V→W→U…依次轮流通电，步进电动机转子就一步步地按逆时针方向旋转。反之，如果步进电动机按倒序依次使绕组通电，即U→W→V→U→W→V→U…则步进电动机将按顺时针方向旋转。
步进电动机绕组每次通断电使转子转过的角度称之为步距角。上述分析中的步进电动机步距角为30°。对于一个真实的步进电动机，为了减少每通电一次的转角，在转子和定子上开有很多定分的小齿。其中定子的三相绕组铁心间有一定角度的齿差，当U相定子小齿与转子小齿对正时，V相和W相定子上的齿则处于错开状态。真实步进电动机的工作原理与上同，只是步距角是小齿距夹角的1/3。步进电动机绕组每次通断电使转子转过的角度称之为步距角。上述分析中的步进电动机步距角为30°。对于一个真实的步进电动机，为了减少每通电一次的转角，在转子和定子上开有很多定分的小齿。其中定子的三相绕组铁心间有一定角度的齿差，当U相定子小齿与转子小齿对正时，V相和W相定子上的齿则处于错开状态。真实步进电动机的工作原理与上同，只是步距角是小齿距夹角的1/3。
2.步进电动机的通电方式 • 如果步进电动机绕组的每一次通断电操作称为一拍，每拍中只有一相绕组通电，其余绕组断电，则这种通电方式称为单相通电方式。三相步进电动机的单相通电方式称为三相单三拍通电方式。 • 如果步进电动机通电循环的每拍中都有两相绕组通电，则这种通电方式称为双相通电方式。三相步进电动机采用双相通电方式时，称为三相双三拍通电方式。如果步进电动机通电循环的各拍中交替出现单、双相通电状态，则这种通电方式称为单双相轮流通电方式。三相步进电动机采用单双相轮流通电方式时，每个通电循环中共有六拍，因而又称为三相六拍通电方式。
一般情况下，m相步进电动机可采用单相通电、双相通电或单双相轮流通电方式工作，对应的通电方式分别称为m相单m拍、m相双m拍或m相2m拍通电方式。一般情况下，m相步进电动机可采用单相通电、双相通电或单双相轮流通电方式工作，对应的通电方式分别称为m相单m拍、m相双m拍或m相2m拍通电方式。 • 由于采用单相通电方式工作时，步进电动机的矩频特性（输出转矩与输入脉冲频率的关系）较差，在通电换相过程中，转子状态不稳定，容易失步，因而实际应用中较少采用。某三相反应式步进电动机在不同通电方式下工作时的矩频特性曲线。显然，采用单双相轮流通电方式可使步进电动机在各种工作频率下都具有较大的负载能力。
通电方式不仅影响步进电动机的矩频特性，对步距角也有影响。一个m相步进电动机，如其转子上有z个小齿，则其步距角可通过下式计算：通电方式不仅影响步进电动机的矩频特性，对步距角也有影响。一个m相步进电动机，如其转子上有z个小齿，则其步距角可通过下式计算： • 式中，k是通电方式系数。当采用单相或双相通电方式时，k＝1；当采用单双相轮流通电方式时，k＝2。可见，采用单双相轮流通电方式还可使步距角减小一半。步进电机的步距角决定了系统的最小位移，步距角越小，位移的控制精度越高。
3. 步进电动机的使用特性 • （1） 步距误差。 • （2） 最大静转矩。 • （3） 启动矩频特性。 • 当伺服系统要求步进电动机的运行频率高于最大允许启动率时，可先按较低的频率启动， 然后按一定规律逐渐加速到运行频率。90BF002型步进电动机的启动矩频特性曲线。 由图可见， 负载转矩越大， 所允许的最大启动频率越小。 •
（5） 最大相电压和最大相电流。 • 4. 步进电动机的控制与驱动 • 步进电动机的电枢通断电次数和各相通电顺序决定了输出角位移和运动方向，控制脉冲分配频率可实现步进电动机的速度控制。 因此，步进电机控制系统一般采用开环控制方式。 开环步进电动机控制系统框图， 系统主要由环形分配器、 功率驱动器、 步进电动机等组成。
步进电动机在一个脉冲的作用下， 转过一个相应的步距角， 因此只要控制一定的脉冲数， 即可精确控制步进电动机转过的相应的角度。 但步进电动机的各绕组必须按一定的顺序通电才能正确工作， 这种使电动机绕组的通断电顺序按输入脉冲的控制而循环变化的过程称为环形脉冲分配。 • 实现环形分配的方法有两种。 一种是计算机软件分配， 采用查表或计算的方法使计算机的三个输出引脚依次输出满足速度和方向要求的环形分配脉冲信号。 这种方法能充分利用计算机软件资源，减少硬件成本， 尤其是多相电动机的脉冲分配更能显示出这种分配方法的优点。 但由于软件运行会占用计算机的运行时间， 因而会使插补运算的总时间增加， 从而影响步进电动机的运行速度。
另一种是硬件环形分配， 采用数字电路搭建或专用的环形分配器件将连续的脉冲信号经电路处理后输出环形脉冲。 采用数字电路搭建的环形分配器通常由分立元件（如触发器、 逻辑门等）构成， 特点是体积大， 成本高， 可靠性差。 专用的环形分配器目前市面上有很多种， 如CMOS电路CH250即为三相步进电动机的专用环形分配器。
