第五章 伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)

1、第五章 伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)機(jī)械裝置所需的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，最終都來(lái)自于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 基本要求：運(yùn)動(dòng)輸出量能迅速而精確地響應(yīng)指令輸入的變化。圖圖1 伺服系統(tǒng)的基本組成伺服系統(tǒng)的基本組成圖圖2 不同執(zhí)行元件的伺服系統(tǒng)不同執(zhí)行元件的伺服系統(tǒng)圖圖3 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本控制方式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本控制方式開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)沒(méi)有檢測(cè)環(huán)節(jié)，機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)誤差不能反饋到控制系統(tǒng)中，其伺服沒(méi)有檢測(cè)環(huán)節(jié)，機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)誤差不能反饋到控制系統(tǒng)中，其伺服精度主要取決于執(zhí)行元件和傳動(dòng)部件的精度。精度主要取決于執(zhí)行元件和傳動(dòng)部件的精度。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)從電機(jī)軸上進(jìn)行檢測(cè)或者從傳動(dòng)鏈中間軸上進(jìn)行檢測(cè)，能有效地控制從電機(jī)軸上進(jìn)行檢測(cè)或者從傳動(dòng)鏈

2、中間軸上進(jìn)行檢測(cè)，能有效地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和角位移，機(jī)械系統(tǒng)的非線性因素對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響較電機(jī)的轉(zhuǎn)速和角位移，機(jī)械系統(tǒng)的非線性因素對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響較小，位置增益可整定較高。小，位置增益可整定較高。閉環(huán)伺服系統(tǒng)直接從運(yùn)行執(zhí)行部件上進(jìn)行位置檢測(cè)，控制精度不受機(jī)械傳動(dòng)精度的直接從運(yùn)行執(zhí)行部件上進(jìn)行位置檢測(cè)，控制精度不受機(jī)械傳動(dòng)精度的影響，機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)參數(shù)給伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來(lái)一定的困難。影響，機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)參數(shù)給伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來(lái)一定的困難。穩(wěn)定性高精度快速性抗干擾，穩(wěn)定性判斷定位精度、綜合精度關(guān)鍵在于執(zhí)行元件的快速性包含力矩電動(dòng)機(jī)、脈沖（步進(jìn)）電動(dòng)機(jī)、變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)和各種AC

3、/DC電動(dòng)機(jī)等。 一、對(duì)控制用電動(dòng)機(jī)的基本要求 (1) 性能密度大功率密度GPPG/比功率mNNTTNJTTtTtTtpN/|d/dd/ )(dd/d2(2) 快速性好，即加速轉(zhuǎn)矩大，頻率響應(yīng)特性好。 (3) 位置控制精度高、調(diào)速范圍寬、低速運(yùn)行平穩(wěn)且無(wú)爬行現(xiàn)象、分辨率高、振動(dòng)噪聲小。 (4) 適應(yīng)起、停頻繁的工作要求。 (5) 可靠性高、壽命長(zhǎng)。 二、控制用電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及選用表表1 常用電動(dòng)機(jī)適用范圍常用電動(dòng)機(jī)適用范圍表表2 伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)與種類 1、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) 電脈沖信號(hào)機(jī)械角位移數(shù)量、頻率以及電動(dòng)機(jī)繞組的通電順序 轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向

4、(1) 工作狀態(tài)不易受各種干擾因素的影響。(2) 步距角有誤差，但不會(huì)長(zhǎng)期積累。(3) 在起動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)時(shí)不易“丟步”。 2、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類 圖圖4 可變磁阻型步進(jìn)電機(jī)可變磁阻型步進(jìn)電機(jī) 定子1與轉(zhuǎn)子2由鐵心構(gòu)成，沒(méi)有永久磁鐵 圖圖5 永磁型步進(jìn)電機(jī)永磁型步進(jìn)電機(jī) 轉(zhuǎn)子2采用永久磁鐵、定子1采用軟磁鋼制成，繞組3輪流通電。 圖圖6 混合型步進(jìn)電機(jī)混合型步進(jìn)電機(jī) 轉(zhuǎn)子上嵌有永久磁鐵，永久磁鐵兩端罩上兩段帽式鐵心。定子相數(shù)和繞組接線方面有其特殊的地方。二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 圖圖7 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理ABCA ABBCCAAB 圖圖8 三相六拍反應(yīng)式步進(jìn)

5、電機(jī)的工作原理三相六拍反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理AABBBCCCAA 定子磁極上的小齒和轉(zhuǎn)子磁極上的小齒大小相同，兩種小齒的齒寬和齒距相等。當(dāng)一相定子磁極的小齒與轉(zhuǎn)子的小齒對(duì)齊時(shí)，其他兩相磁極的小齒都與轉(zhuǎn)子的小齒錯(cuò)過(guò)一個(gè)角度。 )/(360zmKNm 為轉(zhuǎn)子齒數(shù)，z為電動(dòng)機(jī)的相數(shù)， N為拍數(shù)/相數(shù)。K三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性 1、分辨力 2、靜態(tài)特性 圖圖9 失調(diào)角示意圖失調(diào)角示意圖轉(zhuǎn)子齒的中心線與定子齒的中心線相重轉(zhuǎn)子齒的中心線與定子齒的中心線相重合，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有轉(zhuǎn)矩輸出，此時(shí)的位置合，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有轉(zhuǎn)矩輸出，此時(shí)的位置為轉(zhuǎn)子初始穩(wěn)定平衡位置。如果在電動(dòng)為轉(zhuǎn)子初始穩(wěn)定平衡位置。如果在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸上加

6、一負(fù)載轉(zhuǎn)矩機(jī)轉(zhuǎn)子軸上加一負(fù)載轉(zhuǎn)矩 ，則轉(zhuǎn)子齒，則轉(zhuǎn)子齒的中心線與定子齒的中心線將錯(cuò)過(guò)一個(gè)的中心線與定子齒的中心線將錯(cuò)過(guò)一個(gè)電角度電角度 才能重新穩(wěn)定下來(lái)才能重新穩(wěn)定下來(lái)，此時(shí)轉(zhuǎn)子此時(shí)轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩上的電磁轉(zhuǎn)矩 與負(fù)載轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩 相等，該相等，該電磁轉(zhuǎn)矩為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩， 為失調(diào)角。為失調(diào)角。 LTejTLTe圖圖10 矩矩角特性曲線角特性曲線 靜態(tài)轉(zhuǎn)矩越大，自鎖力矩靜態(tài)轉(zhuǎn)矩越大，自鎖力矩越大，靜態(tài)誤差就越小。越大，靜態(tài)誤差就越小。當(dāng)失調(diào)角在當(dāng)失調(diào)角在-到到的范圍內(nèi)，的范圍內(nèi)，若去掉負(fù)載轉(zhuǎn)矩若去掉負(fù)載轉(zhuǎn)矩 ，轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子仍能回到初始穩(wěn)定平衡位仍能回到初始穩(wěn)定平衡位置。因此，置。

7、因此， 的區(qū)的區(qū)域稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)域稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。穩(wěn)定區(qū)。 LTee3、動(dòng)態(tài)特性圖圖11 矩矩角特性曲線族角特性曲線族步進(jìn)電動(dòng)機(jī)從步進(jìn)電動(dòng)機(jī)從A相通電狀態(tài)切換到相通電狀態(tài)切換到B相相(或或AB相相)通電狀態(tài)時(shí)，不通電狀態(tài)時(shí)，不致引起丟步，該區(qū)域被稱為動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)。致引起丟步，該區(qū)域被稱為動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)。矩矩角特性曲線中相鄰兩相曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩被稱為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，角特性曲線中相鄰兩相曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩被稱為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，它表示步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單相勵(lì)磁時(shí)所能帶動(dòng)的極限負(fù)載轉(zhuǎn)矩。它表示步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單相勵(lì)磁時(shí)所能帶動(dòng)的極限負(fù)載轉(zhuǎn)矩。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在連續(xù)運(yùn)行時(shí)所能接受的最高控制頻率。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在連續(xù)

8、運(yùn)行時(shí)所能接受的最高控制頻率。 電動(dòng)機(jī)在連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下，其電磁轉(zhuǎn)矩隨控制頻率的升高而逐步下降，電動(dòng)機(jī)在連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下，其電磁轉(zhuǎn)矩隨控制頻率的升高而逐步下降，在不同控制頻率下電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩在不同控制頻率下電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩 。在空載狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)能夠不失步地起動(dòng)時(shí)的最大控制頻率在空載狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)能夠不失步地起動(dòng)時(shí)的最大控制頻率。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)慣性負(fù)載時(shí)的起動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之間的關(guān)系。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)慣性負(fù)載時(shí)的起動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之間的關(guān)系。 四、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng) 驅(qū)動(dòng)器（驅(qū)動(dòng)電源）是將變頻信號(hào)源（微機(jī)或數(shù)控裝置等）送來(lái)的脈沖信號(hào)及方向信號(hào)按要求

9、的配電方式自動(dòng)循環(huán)地提供給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各相繞組。1、環(huán)形脈沖分配器 使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組的通電順序按一定規(guī)律變化的裝置稱為脈沖分配器。 三相六拍通電方式：AABBBCCCAA 狀態(tài)代碼：01H、03H、02H、06H、04H、05H 通過(guò)查表或計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行脈沖的環(huán)形分配。 三相六拍接線 圖圖12 專用環(huán)形分配器專用環(huán)形分配器CH250接線圖接線圖2、功率放大器脈沖信號(hào)電流（幾個(gè)毫安）電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流（幾至十幾安培 ）繞組通電時(shí)，電流上升率受到限制；在繞組斷電時(shí)會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)。電壓型單電壓型 雙電壓型（高低壓型） 電流型 恒流驅(qū)動(dòng) 斬波驅(qū)動(dòng) (1) 單電壓功率放大電路 圖圖13 單電壓功率放大電路單電

10、壓功率放大電路 R串在大電流回路中要消耗能量，使放大器效率降低；且由于繞組電感L較大，電路對(duì)脈沖電流的反應(yīng)較慢。 (2) 高低壓功率放大電路（解決電路電流上升較慢的問(wèn)題）圖圖14 高低壓功率放大電路高低壓功率放大電路(3) 斬波恒流功率放大器（解決限流電阻消耗功率的問(wèn)題） 圖圖15 斬波恒流功率放大器斬波恒流功率放大器圖圖16 滯回比較器的電路與傳輸特性滯回比較器的電路與傳輸特性ZoUuZFURRRUu22ZoUuZFURRRUu22 圖圖17 斬波恒流功率放大器的波形圖斬波恒流功率放大器的波形圖在輸入脈沖持續(xù)期間，VF1不斷的開(kāi)關(guān)，開(kāi)啟時(shí)，UDD加到W上，使IW上升；關(guān)斷時(shí)，W經(jīng)VF2、VD

11、4泄放能量，使IW下降，從而使電流平均值穩(wěn)定在所要求的數(shù)值上。 該電路由于去掉了限流電阻，效率顯著提高，并利用高壓給W儲(chǔ)能，波形的前沿得到了改善，從而可使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩加大，運(yùn)行頻率得以提高。 3、細(xì)分驅(qū)動(dòng)在每次輸入脈沖切換時(shí)，不是將繞組電流全部通入或切除，而是將額定電流以階梯式的投入或切除，電流分成多少個(gè)階梯，則轉(zhuǎn)子就以同樣的個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。圖圖18 細(xì)分電流波形細(xì)分電流波形使繞組中的電流以若干個(gè)等幅等寬度階梯上升到額定值，并以同樣的階梯從額定值下降為零。圖圖19 功率開(kāi)關(guān)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路功率開(kāi)關(guān)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路在繞組電流上升過(guò)程中，VTd1VTd5按順序?qū)?。每?dǎo)通一個(gè)，繞組中電流便上升

12、一個(gè)階梯，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一小步。 五、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品 圖圖20 86系列三相步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)系列三相步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)一、直流電機(jī)的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：良好的控制性能、較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、相對(duì)功率大和響應(yīng)速度快。缺點(diǎn)：相對(duì)于交流電機(jī)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較高。二、直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理 通過(guò)電刷和換向器產(chǎn)生的整流作用，使磁場(chǎng)磁動(dòng)勢(shì)和電樞電流磁動(dòng)勢(shì)正交，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。電機(jī)結(jié)構(gòu)是由磁極、電樞繞組、電刷和換向器組成的。 圖圖21 直流伺服電機(jī)工作原理直流伺服電機(jī)工作原理對(duì)直流伺服電機(jī)的要求是：從伺服電機(jī)所獲得的轉(zhuǎn)速n應(yīng)當(dāng)正比于所施加的電壓u(t)，以便使得直流電機(jī)的速度可按照期望值來(lái)調(diào)節(jié)。 圖圖22 電樞電壓控制時(shí)的電樞等

13、效電路電樞電壓控制時(shí)的電樞等效電路 )(1AaaRiuK轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度與電樞電壓、電流、定子磁場(chǎng)中的每極氣隙磁通量有關(guān)，即當(dāng)忽略電樞繞組上的壓降auK1(1)(2)三、直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型電壓平衡方程：)(d)(d)()(tEttiLtiRtuaaaaaa(3)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方程：eaKtE)(4)電磁轉(zhuǎn)矩方程：)()(tiKtTat(5)轉(zhuǎn)矩平衡方程：)()(d)(d)(tTtBttJtTd(6)進(jìn)行拉普拉斯變換可得：(7)可得傳遞函數(shù)為teaaaataKKBRsJRBLJsLKsUs)()()(2(8)()()()()()()()()()()()(sTsBsJssTsIKsTsKsEsEssILs

14、IRsUdateaaaaaaa)()()()()()()()()()()()(sTsBsJssTsIKsTsKsEsEssILsIRsUdateaaaaaaa圖圖23 電樞控制式直流電機(jī)系統(tǒng)方框圖電樞控制式直流電機(jī)系統(tǒng)方框圖當(dāng)忽略電樞電感和粘性阻尼系數(shù)時(shí)1/1)()(sKsUsmea(9)teamKKJR圖圖24 簡(jiǎn)化后的電機(jī)速度系統(tǒng)方框圖簡(jiǎn)化后的電機(jī)速度系統(tǒng)方框圖(10)直流伺服電機(jī)過(guò)渡過(guò)程的快慢，即響應(yīng)時(shí)間的快慢，取決于電機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)。)()(sTKRsUdtaTd四、直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)伺服電機(jī)功率的驅(qū)動(dòng)放大是伺服系統(tǒng)的心臟，它用來(lái)轉(zhuǎn)換電功率并驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)。 晶體管功率放大器 線性放大器 開(kāi)關(guān)型放大器脈寬調(diào)制(PWM) 脈沖頻率調(diào)制(PFM)可控硅整流(SCR)圖圖25 開(kāi)關(guān)型放大器的電壓波形開(kāi)關(guān)型放大器的電壓波形利用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖序列?？刂齐妷好}沖寬度或周期，以達(dá)到變壓的目的?？刂齐妷好}沖寬度和脈沖序列的周期，以達(dá)到變壓變頻目的。固定導(dǎo)通角而變化重復(fù)頻率。PWMPFMSCR 采用整流交流電源電壓的形式。圖圖26 PWM和和PFM原理原理表表3 功率放大器性能和應(yīng)用比較功率放大器性能和應(yīng)用比較 晶體管電路的