《機電一體化系統(tǒng)設計》第四章課件

高職高專機電類專業(yè)系列教材

機電一體化系統(tǒng)設計

主編

楊俊偉參編

王

莉

機械工業(yè)出版社目錄第一部分基礎篇第1章機電一體化認知第2章機電一體化系統(tǒng)設計認知習題與思考題第二部分技術篇第3章機械傳動與導向支撐技術第4章伺服驅(qū)動技術習題與思考題第5章計算機控制及接口技術習題與思考題第三部分應用篇第6章典型機電一體化系統(tǒng)第四部分實踐篇第7章工業(yè)機器人的機電一體化系統(tǒng)設計第五部分

拓展篇第8章柔性制造系統(tǒng)（FMS）與計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）機電一體化系統(tǒng)設計肆第4章伺服驅(qū)動技術4.1伺服驅(qū)動技術認知4.2控制電機4.3步進電機伺服系統(tǒng)4.4直流伺服系統(tǒng)4.5交流伺服系統(tǒng)4.6服系統(tǒng)的動力設計方法習題與思考題主要內(nèi)容及重點知識肆主要內(nèi)容本章明確了伺服系統(tǒng)相關技術，著重闡述伺服電機的基本結構、工作原理、控制與驅(qū)動及系統(tǒng)選型與設計。重點知識伺服系統(tǒng)結構組成、分類、技術要求及發(fā)展。步進電機、直流、交流伺服電機認知。步進電機與伺服電機的驅(qū)動與控制。伺服系統(tǒng)的動力方法設計。返回主頁4.1.1伺服系統(tǒng)的結構組成4.1.2伺服系統(tǒng)的分類4.1.3伺服系統(tǒng)的技術要求4.1.4伺服系統(tǒng)的發(fā)展4.1伺服驅(qū)動技術認知4.1伺服驅(qū)動技術認知伺服驅(qū)動技術是機電一體化的一種關鍵技術，在機電設備中具有重要的地位，高性能的伺服系統(tǒng)可以提供靈活、方便、準確、快速的驅(qū)動。隨著技術的進步和整個工業(yè)的不斷發(fā)展，伺服驅(qū)動技術也取得了極大的進步，伺服系統(tǒng)已進入全數(shù)字化和交流化的時代。

近幾年，國內(nèi)的工業(yè)自動化領域呈現(xiàn)出飛速發(fā)展的態(tài)勢，國外的先進技術迅速得到引入和普及化地推廣，其中作為驅(qū)動方面的重要代表產(chǎn)品已被廣大用戶所接受，在機器革新中起到了至關重要的作用。精準的驅(qū)動效果和智能化的運動控制通過伺服產(chǎn)品可以完美地實現(xiàn)機器的高效自動化，這兩方面也成為伺服發(fā)展的重要指標?！八欧币辉~源于希臘語“奴隸”，英語“Servo”。在伺服驅(qū)動方面，我們可以理解為電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動和停止完全根據(jù)信號的大小、方向，即在信號來到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動；信號來到之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動；當信號消失，轉(zhuǎn)子能即時自行停轉(zhuǎn)。由于它的“伺服”性能，因此而得名——伺服系統(tǒng)。返回主頁如圖4-1所示，開平機是通過開卷、引料、縱剪及碼垛的方式,將卷板加工成所需要的定長尺寸的自動化加工設備，中間配合上料小車、導向裝置、油壓式活套等軸柱設備。傳統(tǒng)開平機使用變頻器控制加工板材的定長，往往是在位置到達前讓電機減速停車，這樣易造成定位不準，板材加工精度不高等問題，而且加工效率由于變頻器加減速時間長而導致效率較低。采用伺服驅(qū)動技術，再配合PLC和觸摸屏集中控制，具有自動化程度高、生產(chǎn)效率高、加工精度高三大特點，卷材一次上料可實現(xiàn)各工序的順利完成，有效的減輕了工人的勞動強度提高效率、具有很高的性價比。4.1伺服驅(qū)動技術認知圖4-1交流伺服系統(tǒng)在開平機上的應用4.1.1伺服系統(tǒng)的結構組成機電一體化的伺服控制系統(tǒng)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(tǒng)一般包括比較環(huán)節(jié)、控制器、功率放大裝置、伺服執(zhí)行機構、檢測環(huán)節(jié)等五部分。如圖4-2所示。圖4-2伺服系統(tǒng)的組成1.比較環(huán)節(jié)

是將輸入的指令信號與系統(tǒng)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(huán)節(jié)，通常由專門的電路或計算機來實現(xiàn)。2.控制器

控制器的主要任務是根據(jù)輸入信導和反饋信導決定控制策略，常用的控制算法有PID(化例、積分、服分)控制和最優(yōu)控制等?？刂破魍ǔＳ呻娮泳€路或計算機組成。3.功率放大器

伺服系統(tǒng)中的功率放大器的作用是將信號進行放大,并用來驅(qū)動執(zhí)行機構完成某種操作。在現(xiàn)代機電一體化系統(tǒng)中的功率放大裝置，主要采用各種電力電子器件組成。4.伺服執(zhí)行機構

執(zhí)行機構主要由伺服電動機或液壓伺服機構和機械傳動裝置等組成。目前，采用電動機作為驅(qū)動元件的執(zhí)行機構占據(jù)較大的比例。伺服電動機包括步進電動機、直流伺服電動機、交流伺服電動機等。5.檢測裝置

檢測裝置的任務是測量被控制量（即輸出量），實現(xiàn)反饋控制。伺服傳動系統(tǒng)中，用來檢測位置量的檢測裝置有：自整角機、旋轉(zhuǎn)變壓器、光電碼盤等;用來檢測速度信號的檢測裝置有測速發(fā)電機、光電碼盤等。4.1.1伺服系統(tǒng)的結構組成應當指出，檢測裝置的精度是至關重要的，無論采用何種控制方案，系統(tǒng)的控制精度總是低于檢測裝置的精度。對檢測裝置的要求除了精度高之外，還要求線性度好、可靠性高、響應快等。在實際的伺服控制系統(tǒng)中，上述的每個環(huán)節(jié)在硬件特征上并不獨立，可能幾個環(huán)節(jié)在一個硬件中，如測速直流電機即是執(zhí)行元件又是檢測元件。4.1.1伺服系統(tǒng)的結構組成4.1.2伺服系統(tǒng)的分類伺服系統(tǒng)的分類方法很多，常見的分類方法有：1.按被控量參數(shù)特性分類

按被控量不同，機電一體化系統(tǒng)可分為位移、速度、力矩等各種伺服系統(tǒng)。其它系統(tǒng)還有溫度、濕度、磁場、光等各種參數(shù)的伺服系統(tǒng)。2.按驅(qū)動元件的類型分類

按驅(qū)動元件的不同可分為電氣伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)、氣動伺服系統(tǒng)。特性如表4-1所示。電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)電機類型的不同又可分為步進電機控制伺服系統(tǒng)、直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)。表4-1伺服驅(qū)動系統(tǒng)的特點及優(yōu)缺點3.按控制原理分類

按自動控制原理，伺服系統(tǒng)又可分為開環(huán)控制伺服系統(tǒng)、閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)。開環(huán)控制伺服系統(tǒng)結構簡單、成本低廉、易于維護，但由于沒有檢測環(huán)節(jié)，系統(tǒng)精度低、抗干擾能力差,系統(tǒng)結構如圖4-3所示。4.1.2伺服系統(tǒng)的分類圖4-3開環(huán)控制伺服系統(tǒng)結構方框圖閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)能及時對輸出進行檢測，并根據(jù)輸出與輸入的偏差，實時調(diào)整執(zhí)行過程，因此系統(tǒng)精度高，但成本也大幅提高，系統(tǒng)結構如圖4-4所示。4.1.2伺服系統(tǒng)的分類圖4-4閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)結構方框圖半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)的檢測反饋環(huán)節(jié)位于執(zhí)行機構的中間輸出上，因此一定程度上提高了系統(tǒng)的性能。如位移控制伺服系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，增設的電機速度檢測和控制就屬于半閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，系統(tǒng)結構如圖4-5所示。4.1.2伺服系統(tǒng)的分類圖4-5半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)結構方框圖4.1.3伺服系統(tǒng)的技術要求由于伺服系統(tǒng)所服務的對象千差萬別，因而對伺服系統(tǒng)的要求也有差別。工程上對伺服系統(tǒng)的技術要求很具體，歸納為以下幾個方面。1.對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的要求。伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標包括系統(tǒng)靜態(tài)誤差、系統(tǒng)速度誤差、系統(tǒng)加速度誤差。對閉環(huán)系統(tǒng)控制的伺服系統(tǒng)而言，理論上應是無靜態(tài)誤差系統(tǒng)，但實際系統(tǒng)由于檢測裝置分辨率有限以及干摩擦等影響，都存在靜誤差。系統(tǒng)速度誤差是指系統(tǒng)處于等速跟蹤狀態(tài)時，系統(tǒng)輸出軸與其輸入軸作相等的勻速運動，在同一時刻，輸出軸與輸入軸之間的轉(zhuǎn)速差。系統(tǒng)加速度誤差是指系統(tǒng)輸出軸在一定的速度和加速度范圍內(nèi)跟蹤輸入軸運動時，在同一時刻兩軸之間最大的加速度差值。以上介紹穩(wěn)態(tài)誤差時，均提到系統(tǒng)輸出軸跟蹤輸入軸運動，并以兩軸之間的瞬時轉(zhuǎn)角差作為系統(tǒng)的誤差值。實際上有些伺服系統(tǒng)并沒有實際的輸入軸存在，輸入信號不是依靠轉(zhuǎn)動輸入軸來產(chǎn)生，而是代表輸入轉(zhuǎn)角的信號電壓或具體的數(shù)字代碼。2.對伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的要求。伺服系統(tǒng)應是漸近穩(wěn)定并留有一定的穩(wěn)定裕量。在典型信號輸入下，系統(tǒng)的時域響應特性要滿足規(guī)定的要求。一般用最大超調(diào)量、過渡過程時間、振蕩次數(shù)等特征作為衡量指標。頻域響應特性則用最大振蕩指標、系統(tǒng)的頻帶寬度特征量作評價指標。3.對系統(tǒng)工作環(huán)境的要求。如溫度、濕度、防潮、防化、防輻射、抗振動等方面的要求。4.對系統(tǒng)制造成本、運行的經(jīng)濟性、標準化程度、能源條件等方面的要求。4.1.3伺服系統(tǒng)的技術要求4.1.4伺服系統(tǒng)的發(fā)展伺服系統(tǒng)方便、快速、靈活、準確的驅(qū)動在機電設備中發(fā)揮了重要的作用，其發(fā)展與伺服電機的發(fā)展相輔相成。以前，伺服驅(qū)動不是液壓的就是直接以驅(qū)動為主要特征的伺服電機，采取開環(huán)控制的方法來進行位置控制。20世紀60年代至70年代，直流伺服電機出現(xiàn)并迅速發(fā)展起來的，其在工業(yè)等相關的領域有了空前的發(fā)展和推廣，其采用的開環(huán)控制方法也被閉環(huán)控制所取代。永磁式直流電機一直以來都在數(shù)控機床應用中占主導作用，它沒有勵磁的耗損，很容易就能使電路得到控制，有較好的低速性能。20世紀80年代開始，交流伺服驅(qū)動技術得到迅猛發(fā)展，與此同時，交流伺服系統(tǒng)的性能也在不斷地提高，相應的伺服傳動裝置也在不斷的發(fā)展，經(jīng)歷了模擬式、數(shù)模混合式和全數(shù)字化過程。20世紀90年代交流伺服在得到了迅猛的發(fā)展，到了21世紀，交流伺服驅(qū)動技術成為工業(yè)領域?qū)崿F(xiàn)自動化的基礎技術之一，并將逐漸取代直流伺服系統(tǒng)。4.1.4伺服系統(tǒng)的發(fā)展返回主頁4.2.1步進電動機4.2.2伺服電動機4.2控制電機4.2控制電機控制電機是電氣伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件，通常指用于自動控制、自動調(diào)節(jié)、遠距高測量、隨動系統(tǒng)以及計算機裝置中的微特電機。它是構成開環(huán)控制、閉環(huán)控制、同步連接等系統(tǒng)的基礎元件。控制電機主要用來完成控制信號的傳遞和變換，要求它們技術性能穩(wěn)定可靠、動作靈敏、精度高、體積小、重量輕、耗電少。其主要任務是轉(zhuǎn)換和傳遞控制信號，能量的轉(zhuǎn)換是次要的。根據(jù)它在自動控制系統(tǒng)中的職能可分為測量元件、放大元件、執(zhí)行元件和校正元件四類。

各種控制電機，各有其特點，適用于不同性能的伺服系統(tǒng)。電氣伺服系統(tǒng)的調(diào)速性能，動態(tài)特性、運動精度等均為與該系統(tǒng)的電動機的性能有著直接的關系。通常應符合如下基本要求：返回主頁1.具有寬廣而平滑的調(diào)速范圍。2.具有較硬的機械特性和良好的調(diào)節(jié)特性。3.具有快速響應特性。4.空載始動電壓小?？刂齐姍C的類型很多，在本章中只討論與步進電機和伺服電機。4.2控制電機4.2.1步進電動機步進電機又稱電脈沖馬達，是伺服電機的一種，實物如圖4-6所示。步進電機可按照輸入的脈沖指令一步步地旋轉(zhuǎn)，即可將輸入的數(shù)字指令信號轉(zhuǎn)換成相應的角位移。因此它實質(zhì)上是一種數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置，。由于步進電機成本較低，易于控制，因而被廣泛應用于開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)中。步進電機分類與特點：步進電機按照電機結構有三種主要類型：永磁式（PermanentMagnet,PM）、反應式（VariableReluctance，VR）和混合式（HybridStepping,HB）三種。圖4-6步進電電動機實物圖1.永磁式步進電動機(PM)永磁式步進電動機是轉(zhuǎn)子或定子的某一方為永磁體，另一方由軟磁材料和勵磁繞組制成，繞組輪流通電，建立的磁場與永磁體的恒定磁場相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。勵磁繞組一般做成兩相或四相控制繞組，其轉(zhuǎn)子的結構與實物如圖4-7所示。永磁式步進電動機的特點是：（1）步距角大

一般為15°、22.5°、30°、45°、90°等。這是因為在一個圓周上受到極弧尺寸的限制，磁極數(shù)不能太多。（2）控制功率較小，效率高。

（3）電動機的內(nèi)部阻尼較大

單步運行振蕩時間短。（4）斷電時有一定的定位轉(zhuǎn)矩。4.2.1步進電動機圖4-7永磁式步進電動機2.反應式步進電動機(VR)反應式亦稱可變磁阻式，其基本結構主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。其定子和轉(zhuǎn)子磁路均由軟磁制成，定子有若干對磁極，磁極上有多相勵磁繞組，在轉(zhuǎn)子的圓柱面上有均勻分布的小齒。利用磁阻的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。勵磁繞組的相數(shù)一般為三、四、五、六相等，其轉(zhuǎn)子的結構與實物如圖4-8所示。4.2.1步進電動機圖4-8反應式步進電動機反應式步進電動機有如下特點：（1）氣隙小。為了提高反應式步進電機輸出轉(zhuǎn)矩，氣隙都取得很小。（2）步距角小。固反應式步進電動機定、轉(zhuǎn)子是采用軟磁材料制成的，依靠磁阻變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，在機械加工所能允許的最小齒距情況下，轉(zhuǎn)子的齒距數(shù)可以做得很多。

（3）勵磁電流較大。要求驅(qū)動電源功率較大。（4）電機的內(nèi)部阻尼較小。當相數(shù)較小時，單步運行振蕩時間較長。（5）斷電時沒有定位轉(zhuǎn)矩。4.2.1步進電動機3.混合式步進電動機（HB）混合式亦稱永磁感應式。這種電動機在轉(zhuǎn)子上有永磁體，可以看作是永磁式步進電動機，但從定子的導磁體來看，又和反應式步進電動機相似，因而它具有反應式步進電動機步距角小、響應頻率高的優(yōu)點，又具有永磁式步進電動機勵磁功率小，效率高的優(yōu)點。它是反應式和永磁式步進電動機的結合，因此又稱為混合式步進電動機，其轉(zhuǎn)子的結構與實物如圖4-9所示。此外，按照電機驅(qū)動架構又可分為單極性(unipolar)和雙極性(bipolar)步進電機。4.2.1步進電動機圖4-9混合式步進電動機4.2.2伺服電動機伺服電機在控制系統(tǒng)中常被用來做執(zhí)行元件，將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。伺服電機分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。1.直流伺服電動機直流伺服電動機是自動控制系統(tǒng)中具有特殊用途的直流電動機，又稱執(zhí)行電機，它能夠把輸入的電壓信號變換成軸上的角位移和角速度等機械信號。電機實物如圖4-10所示。直流伺服電動機具有響應迅速。精度和效率高、高速范圍寬。負載能力大?？刂铺匦詢?yōu)良等優(yōu)點。被廣泛應用在閉環(huán)或半閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)中。其缺點就是轉(zhuǎn)子上安裝了具有機械正現(xiàn)性質(zhì)的電極和換向器。需要定期維修和更換電刷，使用壽命短、噪聲大，電機功率不能太大等。4.2.2伺服電動機圖4-10直流伺服電動機實物圖直流伺服電動機分類與特點（1）直流伺服電動機按勵磁方式可分為電磁式和永磁式兩種。電磁式的磁場由勵磁繞組產(chǎn)生，電磁式直流伺服電動機是一種普遍使用的伺服電動機，特別是大功率電機（100W以上）。如我國的SZ系列直流伺服電動機。

永磁式的磁場由永磁體產(chǎn)生，永磁式伺服電動機具有體積小、轉(zhuǎn)矩大、力矩和電流成正比、伺服性能好、響應快功率體積比大、功率重量比大、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。由于功率的限制，如如我國的SY系列直流伺服電動機。目前主要應用在辦公自動化、家用電氣、儀器儀表等領域。由于永磁式直流伺服電機不需要外加助磁電源，因而在機電一體化伺服系統(tǒng)中應用較多。4.2.2伺服電動機（2）直流伺服電動機按電樞的結構與形狀可分為平滑電樞型、空心電樞型和有槽電樞型、印刷繞組等,其電樞類型如圖4-11所示。平滑電樞型的電樞無槽，其繞組用環(huán)氧樹脂粘固在電樞鐵芯上，因而轉(zhuǎn)子形狀細長，轉(zhuǎn)動慣量小，如圖4-11(a)。空心電樞型的電樞無鐵芯，且常做成杯形，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，如圖4-11(b)。有槽電樞型的電樞與普通直流電動機的電樞相同，因而，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量較大，如圖4-11(c)。印刷繞組與傳統(tǒng)電機的線圈型繞組不同，是用腐蝕法、電化學沉積法、電化學轉(zhuǎn)移法在復銅箔板上印制而成,也有用銅箔沖制成形后疊裝膠合而成,整個電樞成盤狀，轉(zhuǎn)動慣量小如圖4-11(d)。4.2.2伺服電動機圖4-11直流伺服電動機電樞類型（3）直流伺服電動機還可按轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的大小而分成大慣量、中慣量和小慣量直流伺服電動機。大慣量直流伺服電動機（又稱直流力矩伺服電動機）負載能力強，易于與機械系統(tǒng)匹配，而小慣量直流伺服電動機的加減速能力強、響應速度快、動態(tài)特性好。直流伺服電動機的特點和應用范圍見表4-2。4.2.2伺服電動機表4-2直流伺服電動機的特點和應用范圍2.交流伺服電動機

二十世紀后期，隨著電力電子技術的發(fā)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，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(huán)境無要求；此外，交流電動機還具有轉(zhuǎn)動慣量、體積和重量較小，結構簡單、價格便宜等優(yōu)點；尤其是交流電動機調(diào)速技術的快速發(fā)展，使它得到了更廣泛的應用。交流電動機的缺點是轉(zhuǎn)矩特性和調(diào)節(jié)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。因此，在伺服系統(tǒng)設計時，除某些操作特別頻繁或交流伺服電動機在發(fā)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。電機實物如圖4-12所示。4.2.2伺服電動機圖4-12交流伺服電動機實物圖交流伺服電動機分類與特點：用于伺服控制的交流電動機主要有同步型交流電動機和異步型交流電動機。（1）同步型交流伺服電動機

電動機轉(zhuǎn)子由永磁材料制成，轉(zhuǎn)動后，隨著定子旋轉(zhuǎn)磁場的變化，轉(zhuǎn)子也做相應頻率的速度變化，而且轉(zhuǎn)子速度等于定子速度，所以稱“同步”，同步型交流伺服電動機。同步型交流伺服電動機雖較異步型（感應）電動機復雜，但比直流電動機簡單。它的定子與感應電動機一樣，都在定子上裝有對稱三相繞組。而轉(zhuǎn)子卻不同，按不同的轉(zhuǎn)子結構又分電磁式及非電磁式兩大類，如圖4-13所示。非電磁式又分為磁滯式、永磁式和反應式多種。其中磁滯式和反應式同步電動機存在效率低、功率因數(shù)較差、制造容量不大等缺點。數(shù)控機床中多用永磁式同步電動機。4.2.2伺服電動機圖4-13同步型交流伺服電動機轉(zhuǎn)子永磁式與電磁式相比，其優(yōu)點是結構簡單、運行可靠、效率較高；缺點是體積大、啟動特性欠佳。但永磁式同步電動機采用高剩磁感應，高矯頑力的稀土類磁鐵后，可比直流電動外形尺寸約小1/2，質(zhì)量減輕60%，轉(zhuǎn)子慣量減到直流電動機的1/5。它與異步電動機相比，由于采用了永磁鐵勵磁，消除了勵磁損耗及有關的雜散損耗，所以效率高。又因為沒有電磁式同步電動機所需的集電環(huán)和電刷等，其機械可靠性與感應（異步）電動機相同，而功率因數(shù)卻大大高于異步電動機，從而使永磁同步電動機的體積比異步電動機小些。4.2.2伺服電動機（2）異步型交流伺服電動機電動機轉(zhuǎn)子由感應線圈和鐵心材料構成。轉(zhuǎn)動后，定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，磁場切割轉(zhuǎn)子的感應線圈，轉(zhuǎn)子線圈產(chǎn)生感應電流，進而轉(zhuǎn)子產(chǎn)生感應磁場，感應磁場追隨定子旋轉(zhuǎn)磁場的變化，但轉(zhuǎn)子的磁場變化永遠小于定子磁場的變化。所以稱“異步”。異步型交流伺服電動機指的是交流感應電動機。它有三相和單相之分，也有鼠籠式和線繞式，如圖4-14所示。通常多用鼠籠式三相感應電動機。鼠籠式與線繞式相比，其結構簡單，與同容量的直流電動機相比，質(zhì)量輕1/2，價格僅為直流電動機的1/3。缺點是不能經(jīng)濟地實現(xiàn)范圍很廣的平滑調(diào)速，必須從電網(wǎng)吸收滯后的勵磁電流。因而令電網(wǎng)功率因數(shù)變壞。這種鼠籠轉(zhuǎn)子的異步型交流伺服電動機簡稱為異步型交流伺服電動機，用IM表示。4.2.2伺服電動機圖4-14交流異步伺服電動機兩相交流伺服電動機原理上就是一臺兩相交流異步電動機。它的定子上正交放置兩相繞組，這兩相繞組一個叫勵磁繞組，另一相為控制繞組。轉(zhuǎn)子一般有兩種結構形式，一種是籠型轉(zhuǎn)子，這種轉(zhuǎn)子的結構與普通籠型感應電動機的轉(zhuǎn)子相同；另一種是非磁性空心杯型轉(zhuǎn)子，如圖4-15所示?；\型轉(zhuǎn)子與空心杯轉(zhuǎn)子比較。前者輸出力矩大、結構簡單、勵磁電流小、效率高，唯一不足是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量大，因而動態(tài)響應不如空心杯轉(zhuǎn)子快?？招谋D(zhuǎn)子具有慣性小，反應靈敏，調(diào)速范圍大、但這種電動機的勵磁電流較大，因而功率因素和效率較低。4.2.2伺服電動機圖4-15兩相交流伺服電動機轉(zhuǎn)子結構表4-3兩相交流伺服電動機的特點和應用范圍兩相異步交流伺服電動機主要用于小功率控制系統(tǒng)中。目前用得最多的是鼠籠轉(zhuǎn)子的交流伺服電動機。兩相交流伺服電動機的特點和應用范圍見表4-3。相異步交流伺服電動機主要用于小功率控制系統(tǒng)中。目前用得最多的是鼠籠轉(zhuǎn)子的交流伺服電動機。兩相交流伺服電動機的特點和應用范圍見表4-3。返回主頁4.3.1步進電機伺服系統(tǒng)認知4.3.2步進電機伺服系統(tǒng)4.3步進電機伺服系統(tǒng)4.3步進電機伺服系統(tǒng)1.步進電動機的結構步進電機能將脈沖信號直接轉(zhuǎn)換成角位移（或直線位移），這在計算機控制系統(tǒng)中特別方便，使用它可省去數(shù)模轉(zhuǎn)換接口。步進電機的角位移是一個步距一個步距（對應個脈沖）移動的，所以稱為步進電機。步進電機的當步進電機的結構已確定，控制方式選定后，步距角的大小是固定的。所以可以對它進行開環(huán)控制。步進電機的內(nèi)部結構及結構簡圖如圖4-16所示。三相六極反應式步進電動機的定子有六個磁極，每個磁極上均裝有集中繞組作為控制繞組。相對的定子磁極繞組串聯(lián)構成一相繞組，由專門的驅(qū)動電源供電.轉(zhuǎn)子鐵心是由軟磁材料構成，其上均勻分布了四個齒，齒上無任何轉(zhuǎn)子繞組。返回主頁圖4-16步進電動機結構2.步進電動機的工作原理如圖4-16（b）步進電機的結構簡圖所示，設啟動時轉(zhuǎn)子的1、3齒在A相繞組極的附近，當?shù)谝粋€脈沖通往A相，則磁通企圖沿著磁阻最小的路徑閉合，在此磁場力的作用下，轉(zhuǎn)子的1、3齒要和A極對齊,圖4-17（a）所示。下一個脈沖通入B相，則磁通要按磁阻最小的路徑閉合，即2、4齒要和B極對齊，圖4-17（b）所示。也即轉(zhuǎn)子順時針方向走了一步。再下一個脈沖通入C相，根據(jù)磁通沿磁阻最小的路徑閉合原理，1、3齒要和C極對齊，圖4-17（c）所示。也即轉(zhuǎn)子又順時針走了一步。依次不斷地給A、B、C相以脈沖，則步進電機就一步一步地按順時針方向旋轉(zhuǎn)。若通電脈沖的次序為A、C、B、.....不難推出，轉(zhuǎn)子將以逆時針方向一步步旋轉(zhuǎn)。這樣，用不同的分配脈沖次序的方式就可以方便地實現(xiàn)控制步進電機。4.3.1步進電機伺服系統(tǒng)認知圖4-17反應式步進電機的通電方式（三相單三拍）3.步進電動機的運行方式步進電動機定子通電狀態(tài)每改變一次稱為一拍；每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的機械角度稱為步距角θ。（1）三相單三拍通電方式如圖4-17所示的反應式步進電機，A、B、C三相繞組輪流通電方式，稱為三相單三拍通電方式。其中，“單”是指任何時刻只有一相繞組通電，三拍意味著一個周期內(nèi)通電狀態(tài)共改變?nèi)?，對應其步距角?30°。.步進電動機的運行方式步進電動機定子通電狀態(tài)每改變一次稱為一拍；每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的機械角度稱為步距角θ。4.3.1步進電機伺服系統(tǒng)認知（1）三相單三拍通電方式如圖4-17所示的反應式步進電機，A、B、C三相繞組輪流通電方式，稱為三相單三拍通電方式。其中，“單”是指任何時刻只有一相繞組通電，三拍意味著一個周期內(nèi)通電狀態(tài)共改變?nèi)?，對應其步距角?30°。4.3.1步進電機伺服系統(tǒng)認知（2）三相雙三拍運行方式三相雙三拍通電方式是指：任何時刻均有兩相定子繞組通電，其通電順序為AB→BC→CA→AB,此時轉(zhuǎn)子逆時針運行；若希望轉(zhuǎn)子順時針運行，則通電順序變?yōu)锳C→CB→BA→AC。三相雙三拍通電方式下，轉(zhuǎn)子的步距角與單三拍相同。即如圖4-18所示的三相六極步進電動機，步距角仍為θ=30o。三相雙三拍通電方式因轉(zhuǎn)子受到兩個相反方向上的轉(zhuǎn)矩而平衡，故轉(zhuǎn)子振動小、運行穩(wěn)定。4.3.1步進電機伺服系統(tǒng)認知圖4-18反應式步進電機的通電方式（三相雙三拍）（3）三相單、雙六拍通電方式如果步進電機通電方式的各拍交替出現(xiàn)單、雙相通電狀態(tài)，這種通電方式稱為單雙相輪流通電方式。三相步進電機采用單雙相輪流通電方式時，每個通電循環(huán)中共有六拍，因而又稱為三相六拍通電方式，即A→AB→B→BC→C→CA→A。由于六拍為一通電循環(huán)周期，因此，每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的步距角變?yōu)閱稳牡囊话?，即?15°如圖4-19所示的。4.3.1步進電機伺服系統(tǒng)認知圖4-19反應式步進電機的通電方式（三相單、雙六拍）步進電機除了做成三相的外，還可做成四相、五相、六相的。一般情況下，m相步進電機可采用單相通電、雙相通電或單雙相輪流通電方式工作，對應的通電方式可分別稱為m相單m拍、m相雙m拍或2m拍通電方式。由于上述步進電動機的步距角較大，如用于精度要求很高的數(shù)控機床等控制系統(tǒng)，會嚴重影響到加工工件的精度。這種結構只在分析原理時采用，實際使用的步進電動機都是小步距角的。4.3.1步進電機伺服系統(tǒng)認知（4）小步距角的三相反應式步進電動機為了減小步距角，在步進電動機的定、轉(zhuǎn)子均采用多齒結構如圖4-20（a）所示為最常見的一種小步距角的三相反應式步進電動機的結構簡圖,圖4-20（b）為五相反應式步進電動機內(nèi)部結構圖，各磁極前端采用多齒結構。4.3.1步進電機伺服系統(tǒng)認知圖4-20小步距角反應式步進電動機結構在圖4-20（a）中，三相反應式步進電動機定子上有六個磁極，極上有定子繞組，沿直徑相對的兩個極的線圈串聯(lián)，構成一相控制的繞組，共有A、B、C三相。轉(zhuǎn)子圓周上均勻分布若干個小齒，定子每個磁極端面上也有若干個小齒。根據(jù)步進電動機工作的要求，定子、轉(zhuǎn)子的齒寬、齒距必須相等，定子、轉(zhuǎn)子齒數(shù)要適當配合，即要求在A相一對磁極下，定子、轉(zhuǎn)子齒一一對齊時，下一相（B相）所在一對極下的定子、轉(zhuǎn)子齒錯開一齒距（t）的1/m（m為相數(shù)），即為t/m;再下一相（C相）的一對極下定子、轉(zhuǎn)子齒錯開2t/m，依次類推，如圖4-21所示。4.3.1步進電機伺服系統(tǒng)認知圖4-21小步距角的三相反應式步進電動機4.3.2步進電機伺服系統(tǒng)1.步進電機的控制與驅(qū)動步進電機的運行要求足夠功率的電脈沖信號按一定的順序分配到各相繞組。所以，與其它旋轉(zhuǎn)電機不同的是步進電機的工作需要專門的驅(qū)動器。步進電機驅(qū)動器實物如圖4-22所示。驅(qū)動器的作用是對控制脈沖進行環(huán)形分配、功率放大，使步進電機繞組按一定順序通電以驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子正反向旋轉(zhuǎn)。因此，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量及頻率，就可以精確控制步進電機的轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速。驅(qū)動器由環(huán)形脈沖分配器和功率放大器組成，其結構如圖圖4-23所示。圖4-22步進電機及驅(qū)動器圖4-23步進電機驅(qū)動器（1）環(huán)形分配器

環(huán)形分配器的功能是將控制器送來的一串指令脈沖,按步進電機所要求的通電順序分配給步進電機驅(qū)動電源的各相輸入端,以控制勵磁繞組的通斷,實現(xiàn)步進電機的運行及換向。環(huán)形分配的功能可由硬件或軟件的方法來實現(xiàn),分別稱為軟件環(huán)形分配器和硬件環(huán)形分配器。4.3.2步進電機伺服系統(tǒng)1）軟件環(huán)形分配器

是計算機軟件分配，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(huán)形分配脈沖信號。這種方法能充分利用計算機軟件資源，以減少硬件成本，尤其是多相電動機的脈沖分配更顯示出它的優(yōu)點。但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。4.3.2步進電機伺服系統(tǒng)2）硬件環(huán)形分配器

是硬件環(huán)形分配，采用數(shù)字電路搭建或?qū)Ｓ玫沫h(huán)形分配器件將連續(xù)的脈沖信號經(jīng)電路處理后輸出環(huán)形脈沖。采用數(shù)字電路搭建的環(huán)形分配器通常由分立元件（如觸發(fā)器、邏輯門等）構成，特點是體積大、成本高、可靠性差。專用的環(huán)形分配器目前市面上有很多種，如CMOS電路CH250即為三相步進電機的專用環(huán)形分配器，它的引腳功能圖及三相六拍線路圖如圖4-24所示。這種方法的優(yōu)點是使用方便，接口簡單。4.3.2步進電機伺服系統(tǒng)圖4-24環(huán)形分配器CH250引腳圖及三相六拍線路（2）功率放大器

功率放大器的功能是將環(huán)形分配器送來的弱電信號變?yōu)閺婋娦盘?，以得到步進電機控制繞組所需要的脈沖電流及所需要的脈沖波形。功率放大器種類：按采用的功率放大器件可分為大功率晶體管、功率場效應晶體管或可關斷晶閘管等；按工作原理可分為單電壓驅(qū)動、高低電壓驅(qū)動、恒流斬波、調(diào)頻調(diào)壓、細分電路等。本節(jié)重點介紹細分電路。4.3.2步進電機伺服系統(tǒng)（3）步進電機細分驅(qū)動電路隨著微型計算機的發(fā)展，特別是單片計算機的出現(xiàn)，為步進電機的細分驅(qū)動帶來了便利。目前，步進電機細分驅(qū)動電路大多數(shù)都采用單片微機控制，它們的構成圖如圖4-25所示。單片機根據(jù)要求的步距角計算出各項繞組中通過的電流值,并輸出到數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A）中，由D/A把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應的模擬電壓，經(jīng)過環(huán)形分配器加到各相的功放電路上，控制功放電路給各相繞組通以相應的電流，來實現(xiàn)步進電機的細分。4.3.2步進電機伺服系統(tǒng)圖4-25單片機控制的步進電機細分驅(qū)動電路的結構框圖單片機控制的步進電機細分驅(qū)動電路根據(jù)末級功放管的工作狀態(tài)可分為放大型和開關型兩種。放大型步進電機細分驅(qū)動電路中末級功放管的輸出電流直接受單片機輸出的控制電壓控制，電路較簡單，電流的控制精度也較高，但是由于末級功放管工作在放大狀態(tài)，使功放管上的功耗較大，發(fā)熱嚴重，容易引起晶體管的溫漂，影響驅(qū)動電路的性能。甚至還可能由于晶體管的熱擊穿，使電路不能正常工作。因此該驅(qū)動電路一般應用于驅(qū)動電流較小、控制精度較高、散熱情況較好的場合。4.3.2步進電機伺服系統(tǒng)開關型步進電機細分驅(qū)動電路中的末級功放管工作在開關狀態(tài)，從而使得晶體管上的功耗大大降低，克服了放大型細分電路中晶體管發(fā)熱嚴重的問題。但電路較復雜，輸出的電流有一定的波紋。因此該驅(qū)動電路一般用于輸出力矩較大的步進電機的驅(qū)動。隨著大輸出力矩步進電機的發(fā)展，開關型細分驅(qū)動電路近年來得到長足的發(fā)展。目前，最常用的開關型步進電機細分驅(qū)動電路有斬波式和脈寬調(diào)制（PWM）式兩種。4.3.2步進電機伺服系統(tǒng)如圖4-26所示的斬波式細分驅(qū)動電路。其基本工作原理是對電機繞組中的電流進行檢測，和D/A輸出的控制電壓進行比較，若檢測出的電流值大于控制電壓，電路將使功放管截止，反之，使功放管導通。這樣，D/A輸出不同的控制電壓，繞組中將流過不同的電流值。4.3.2步進電機伺服系統(tǒng)圖4-26斬波式細分驅(qū)動電路如圖4-27所示的脈寬調(diào)制式細分驅(qū)動電路。其基本工作原理是把D/A輸出的控制電壓加在脈寬調(diào)制電路的輸入端，脈寬調(diào)制電路將輸入的控制電壓轉(zhuǎn)換成相應脈沖寬度的矩形波，通過對功放管通斷時間的控制，改變輸出到電機繞組上的平均電流。由于電機繞組是一個感性負載，對電流有一定的濾波作用，而且脈寬調(diào)制電路的調(diào)制頻率較高，一般大于20kHz，因此，雖然是斷續(xù)通電，但電機繞組中的電流還是較平穩(wěn)的。4.3.2步進電機伺服系統(tǒng)圖4-27脈寬調(diào)制式細分驅(qū)動電路脈寬調(diào)制式細分驅(qū)動電路和斬波式細分驅(qū)動電路相比，脈寬調(diào)制式細分驅(qū)動電路的控制精度高、工作頻率穩(wěn)定，但線路較復雜。因此，脈寬調(diào)制式細分驅(qū)動電路多用于綜合驅(qū)動性能要求較高的場合。脈寬調(diào)制式細分驅(qū)動電路的關鍵是脈寬調(diào)制，它的作用是將給定的電壓信號調(diào)制成具有相應脈沖寬度的矩形波。4.3.2步進電機伺服系統(tǒng)（4）構成步進電機驅(qū)動器系統(tǒng)的專用集成電路1）脈沖分配器集成電路：如三洋公司的PMM8713、PMM8723、PMM8714等。

2）包含脈沖分配器和電流斬波的控制器集成電路：如SGS公司的L297、L6506等。3）只含功率驅(qū)動（或包含電流控制、保護電路）的驅(qū)動器集成電路：如日本新電元工業(yè)公司的MTD1110（四相斬波驅(qū)動）和MTD2001（兩相、H橋、斬波驅(qū)動）。4）將脈沖分配器、功率驅(qū)動、電流控制和保護電路都包括在內(nèi)的驅(qū)動控制器集成電路，如東芝公司的TB6560AHQ、MOTOROLA公司的SAA1042（四相）和ALLEGRO公司的UCN5804（四相）等。4.3.2步進電機伺服系統(tǒng)2.步進電機伺服系統(tǒng)步進電機伺服系統(tǒng)是典型的開環(huán)控制系統(tǒng)，指令信號是單向流動的。開環(huán)系統(tǒng)沒有位置和速度反饋回路，省去了檢測裝置，其精度主要由步進電機來決定，速度也受到步進電機性能的限制，系統(tǒng)簡單可靠，不需要像閉環(huán)伺服系統(tǒng)那樣進行復雜的設計計算與試驗驗證。步進電動機開環(huán)伺服系統(tǒng)由于具有結構簡單、使用維護方便、可靠性高、制造成本低等一系列優(yōu)點，在中小型機床和速度、精度要求不十分高的場合，得到了廣泛的應用。4.3.2步進電機伺服系統(tǒng)（1）步進電機伺服系統(tǒng)的組成如圖4-28所示的步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)由控制器、驅(qū)動器和步進電機組成?？刂破骺刂破饔纸忻}沖發(fā)生器，提供從幾赫茲到幾萬赫茲的頻率信號連續(xù)可調(diào)的脈沖信號。目前主要有PLC、單片機、運動板卡等等。驅(qū)動器系統(tǒng)的作用是把脈沖源發(fā)出的進給脈沖進行重新分配，并把此信號轉(zhuǎn)換為控制步進電動機各定于繞組依次通、斷電的驅(qū)動信號，使步進電動機運轉(zhuǎn)。步進電動機的轉(zhuǎn)子通過傳動機構（如絲杠）與執(zhí)行部件連接在一起，將轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成執(zhí)行部件的移動。4.3.2步進電機伺服系統(tǒng)（2）步進電機伺服系統(tǒng)的控制原理下面從步進電機的位移量、速度和移動方向等三個方面對伺服系統(tǒng)的控制原理進行介紹。1）執(zhí)行部件的位移量控制

控制器發(fā)出n個進給脈沖，經(jīng)驅(qū)動器后,變成控制步進電動機定子繞組通、斷電的電平信號的變化次數(shù)N，使步進電動機定子繞組的通電狀態(tài)變化N次，從而決定了步進電動機角位移Φ：4.3.2步進電機伺服系統(tǒng)Φ=N×θ(4-1)式中：Φ——步進電動機角位移；N——電平信號的變化次數(shù)；θ——步距角。該角位移經(jīng)傳動機構轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行部件的位移量L：(4-2)式中：L——執(zhí)行部件的位移量；t——絲杠螺距。

顯然，L、Φ和N三者之間成正比關系。4.3.2步進電機伺服系統(tǒng)2）執(zhí)行部件移動速度的控制

控制器發(fā)出頻率為的連續(xù)電脈沖信號，經(jīng)驅(qū)動器后，最后表現(xiàn)為定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率f，并決定了步進電動機轉(zhuǎn)子的角速度ω，經(jīng)絲杠等傳動機構后，ω體現(xiàn)為執(zhí)行部件的移動速度v，即進給脈沖頻率f→定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率f→步進電動機的角速度ω→執(zhí)行部件的移動速度

。4.3.2步進電機伺服系統(tǒng)

3）執(zhí)行部件移動方向的控制

當控制器發(fā)出的進給脈沖是正向時，經(jīng)驅(qū)動器后，使步進電動機正轉(zhuǎn)。帶動執(zhí)行部件正向移動。當進給脈沖是反向時，經(jīng)驅(qū)動器之后，使步進電動機反轉(zhuǎn)，從而使執(zhí)行部件反向移動。

綜上所述，在步進電動機伺服系統(tǒng)中，用輸入脈沖的數(shù)量、頻率和方向控制執(zhí)行部件的位移量、移動速度和移的方向，從而實現(xiàn)對位移控制的要求。4.3.2步進電機伺服系統(tǒng)返回主頁4.4.1直流伺服系統(tǒng)認知4.4.2直流伺服系統(tǒng)4.4直流伺服系統(tǒng)4.4直流伺服系統(tǒng)采用直流伺服電動機作為執(zhí)行元件的伺服系統(tǒng)，稱為直流伺服系統(tǒng)。直流伺服系統(tǒng)種類繁多，按伺服電動機、功率放大器、檢測元件、控制器的種類以及反饋信號與指令比較方式等可分為不同類型的直流伺服系統(tǒng)。返回主頁4.4.1直流伺服系統(tǒng)認知1.直流伺服電機的結構直流伺服電動機主要由由定子磁極、轉(zhuǎn)子電樞和換向機構組成，如圖4-29所示。其中定子磁極在工作中固定不動，故又稱定子。定子磁極用于產(chǎn)生磁場。在永磁式直流伺服電動機中，磁極采用永磁材料制成，充磁后即可產(chǎn)生恒定磁場。在他勵式直流伺服電動機中，磁極由沖壓硅鋼片疊成，外繞線圈，靠外加勵磁電流才能產(chǎn)生磁場。轉(zhuǎn)子電樞是直流伺服電動機中的轉(zhuǎn)動部分，故又稱轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子的結構有多種形式，最常見的是在有槽鐵心內(nèi)鋪設繞組的結構。鐵芯由沖壓成的硅鋼片一類材料迭壓而成；換向機構由換向環(huán)和電刷構成。繞組導線連接到換向片上，電流通過電刷及換向片引入到繞組中。圖4-29直流伺服電機的結構2.直流伺服電機的工作原理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(zhuǎn)子）受到電磁轉(zhuǎn)矩的驅(qū)使，帶動負載旋轉(zhuǎn)。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(zhuǎn)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。如圖4-34（a）所示，N和S是一對固定的磁極，可以是電磁鐵,也可以是永久磁鐵。磁極之間有一個可以轉(zhuǎn)動的鐵質(zhì)圓柱體，稱為電樞鐵心。鐵心表面固定一個用絕緣導體構成的電樞線圈，線圈的兩端分別接到相互絕緣的兩個半圓形銅片（換向片）上，它們的組合在一起稱為換向器，在每個半圓銅片上又分別放置一個固定不動而與之滑動接觸的電刷A和B，線圈通過換向器和電刷接通外電路。4.4.1直流伺服系統(tǒng)認知圖4-30直流伺服電機工作原理示意圖將外部直流電源加于電刷A（正極）和B（負極）上，則線圈abcd中流過電流,在導體ab中，電流由a指向b，在導體cd中，電流由c指向d。導體ab和cd分別處于N-S極磁場中，受到電磁力的作用，用左手定則可知導體ab和cd均受到電磁力的作用，且形成的轉(zhuǎn)矩方向一致，這個轉(zhuǎn)矩稱為電磁轉(zhuǎn)矩，為逆時針方向。這樣，電樞就順著逆時針方向旋轉(zhuǎn)，如圖4-30（b）所示。當電樞旋轉(zhuǎn)180°，導體cd轉(zhuǎn)到N極下，ab轉(zhuǎn)到S極下，如圖4-30（c）所示，由于電流仍從電刷A流入，使cd中的電流變?yōu)橛蒬流向c，而ab中的電流由b流向a，從電刷B流出，用左手定則判別可知，電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍是逆時針方同。4.4.1直流伺服系統(tǒng)認知由此可見，加于直流電動機的直流電源，借助于換向器和電刷的作用，使直流電動機電樞線圈中流過的電流，方向是交變的，從而使電樞產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變，確保直流電動機朝確定的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。實際的直流電動機，電樞圓周上均勻地嵌放許多線圈，相應地換向器由許多換向片組成，使電樞線圈所產(chǎn)生的總的電磁轉(zhuǎn)矩足夠大并且比較均勻，電動機的轉(zhuǎn)速也就比較均勻。4.4.1直流伺服系統(tǒng)認知3.直流伺服電動機的控制與驅(qū)動（1）直流伺服電動機的控制直流伺服電動機的控制方式主要有兩種：電樞電壓控制和勵磁磁場控制。1）電樞電壓控制

勵磁磁通保持不變，改變電樞繞組的控制電壓。當電動機的負載轉(zhuǎn)矩不變時，升高電樞電壓，電機的轉(zhuǎn)速就升高；反之轉(zhuǎn)速就降低。電樞電壓等于零時，電機不轉(zhuǎn)。電樞電壓改變極性時，電機反轉(zhuǎn)。4.4.1直流伺服系統(tǒng)認知2）勵磁磁場控制

電樞繞組電壓保持不變，改變勵磁回路的電壓。若電動機的負載轉(zhuǎn)矩不變，當升高勵磁電壓時，勵磁電流增加，主磁通增加，電機轉(zhuǎn)速就降低；反之，轉(zhuǎn)速升高。改變勵磁電壓的極性，電機轉(zhuǎn)向隨之改變。盡管磁場控制也可達到控制轉(zhuǎn)速大小和旋轉(zhuǎn)方向的目的，但勵磁電流和主磁通之間是非線性關系，且隨著勵磁電壓的減小其機械特性變軟，調(diào)節(jié)特性也是非線性的，故少用。直流伺服電動機主要采用電樞電壓控制方式。4.4.1直流伺服系統(tǒng)認知（2）直流伺服電動機的驅(qū)動直流伺服電機為直流供電，為調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速和方向，需要對其直流電壓的大小和方向進行控制。因此直流電動機的驅(qū)動電路實際上是一個可控的大功率整流電路。直流伺服電動機目前常用晶閘管驅(qū)動（SCR驅(qū)動）和脈寬調(diào)制放大器（PWM驅(qū)動）。這里重點討論PWM驅(qū)動。直流電機通常需要工作在正反轉(zhuǎn)的場合，因此需要可逆PWM系統(tǒng)?？赡鍼WM系統(tǒng)又分為單極性可逆PWM和雙極性可逆PWM驅(qū)動系統(tǒng)。目前常用的是雙極性可逆PWM驅(qū)動系統(tǒng)。4.4.1直流伺服系統(tǒng)認知1）雙極性可逆PWM系統(tǒng)雙極性可逆PWM驅(qū)動是指在一個控制周期內(nèi)，電機電樞承受正負變化的電壓。圖4-31(a)是常用的H橋式雙極性可逆PWM驅(qū)動系統(tǒng)的電路圖。在每個PWM周期內(nèi)的0≤t<ton時間，Ui是高電平，VT1、TV4導通，此時VT2、VT3截止，這時電樞電壓方向為A到B，UAB=US，電樞電流id沿回路1流通，電機進行正轉(zhuǎn)；在ton≤t<T時間內(nèi)，電樞電壓方向為B到A，如果電機帶的是較大負載，則電機的電樞電流不能立即變向，電機仍然保持正轉(zhuǎn)，但是電樞電流的幅值會有所下降。正轉(zhuǎn)的電流波形如圖4-39(b)所示。反轉(zhuǎn)的情形正好相反。從分析也可以看出，在一個PWM的周期內(nèi)，電樞兩端的電壓經(jīng)歷了正反兩次變化，稱之為“雙極性”。4.4.1直流伺服系統(tǒng)認知圖4-31雙極性H型PWM驅(qū)動電路圖及波形圖電機如果帶輕載運行，此時由于負載的作用，電機的電流很小，電流波形基本在橫軸上下波動。如圖4-19(b)所示。在0≤t<ton時間內(nèi)，VT2、VT3截止，在自感電動勢的作用下，電樞電流經(jīng)續(xù)流二極管VD1和VD4保持原流向由B到A，電動機處于再生制動狀態(tài)，并且由于VD1和VD4的鉗位作用，VT1、VT4同樣截止；當電流減至0時，電樞電流在電源的作用下由A流向B，此時VT1、VT4開始導通，電機處于電動狀態(tài)；在ton≤t<T時間內(nèi)，VT1、VT4截止，與之前一樣，電樞電流由于自感的作用通過二極管VD2和VD3的續(xù)流作用先保持流向A到B，當減至0后，VT2、VT3開始導通，此時電機又處于能耗制動狀態(tài)。因此，在輕載運行期間，電機的狀態(tài)呈電動制動變化。4.4.1直流伺服系統(tǒng)認知在一個周期內(nèi)電樞兩端電壓的平均值為:

（4-3）由式（4-3）可見，Ud的大小取決于占空比的大小。顯然，當=0時，=-,電機反轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)速最大；當=1時，=，電機正轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)速最大；當=1/2時，=0，電機不轉(zhuǎn)。4.4.1直流伺服系統(tǒng)認知2）直流伺服電機PWM驅(qū)動裝置根據(jù)PWM的工作原理，必須有一種電路或裝置將控制轉(zhuǎn)速的指令轉(zhuǎn)換成脈沖的寬度，其中元件工作在高速開關狀態(tài)，這種裝置叫直流PWM驅(qū)動裝置。驅(qū)動裝置組成的原理如圖4-40所示。4.4.1直流伺服系統(tǒng)認知圖4-32PWM脈寬調(diào)制驅(qū)動電路原理圖①頻率脈沖發(fā)生器可以是三角波發(fā)生器或者鋸齒波發(fā)生器，它的作用是產(chǎn)生一個頻率固定的調(diào)制信號Uo。②電壓－脈沖變換器的作用是將外加直流控制電平信號Ue與脈沖頻率發(fā)生器送來的三角波電壓Uo在其中混合后，產(chǎn)生一個寬度被調(diào)制了的開關脈沖信號。③分配器的作用是將電壓-脈沖變換器輸出的脈沖信號按一定的邏輯關系分配到功率放大器的各個晶體管基極，以保證各晶體管協(xié)調(diào)工作。④基極驅(qū)動電路工作在開關狀態(tài)，它對寬度被調(diào)制了的脈沖信號進行功率放大，以驅(qū)動主電路的功率晶體管。⑤開關功率放大器的作用是對電壓-脈寬變換器輸出的信號Us進行放大，輸出具有足夠功率的信號Up

，以驅(qū)動直流伺服電動機。4.4.1直流伺服系統(tǒng)認知圖4-33所示是一個電壓-脈沖變換器電路及調(diào)制原理的波形圖。當控制電壓Ue為零時，輸出電壓UA和UB的脈沖寬度相同，且等于T/2（T為三角波的周期）。當控制電壓Ue為正時，UA的寬度大于T/2，UB的寬度小于T/2；Ue為負時，情況則相反。由此得到兩種不同的被調(diào)制直流電壓。圖4-34PWM脈寬調(diào)制器的外型及內(nèi)部結構。4.4.1直流伺服系統(tǒng)認知圖4-33PWM脈寬調(diào)制電路及波形圖圖4-34PWM脈寬調(diào)制器的外型及內(nèi)部結構3）常用的PWM驅(qū)動控制的芯片上面都是有分立元件構成的電路，實際使用中制作麻煩，故障率高。通常采用集成的H橋驅(qū)動芯片，集成度高，使用方便，可靠性高。如L9110,L298N，LMD18200,TA7257P、IN8510/IN8520,IN8530等。①L9110是為控制和驅(qū)動電機設計的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，在驅(qū)動繼電器、直流電機、步進電機或開關功率管的使用上安全可靠。被廣泛應用于玩具汽車電機驅(qū)動、步進電機驅(qū)動和開關功率管等電路上。②L298N是SGS公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片?？梢杂脕眚?qū)動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載。使用L298N芯片驅(qū)動電機，該芯片可驅(qū)動一臺兩相步進電機或四相步進電機，也可驅(qū)動兩臺直流電機。

4.4.1直流伺服系統(tǒng)認知③LMD18200是美國國家半導體公司（NS）推出的專用于運動控制的H橋組件。同一芯片上集成有CMOS控制電路和DMOS功率器件，利用它可以與主處理器、電機和增量型編碼器構成一個完整的運動控制系統(tǒng)。LMD18200廣泛應用于打印機、機器人和各種自動化控制領域。

④TL494和TL495是美國德克薩斯儀器公司的產(chǎn)品，原是為開關電源設計的脈沖寬度調(diào)節(jié)器作為雙端輸出類型的脈沖寬度調(diào)制器。國標規(guī)定為CW494。⑤IN8510、IN8520,IN8530是由INTERSL公司生產(chǎn)的單片功率運算放大器集成電路，它們是專門設計用于驅(qū)動直流伺服電動機、直線或旋轉(zhuǎn)執(zhí)行機構、電控閥門、X-Y打印機電動機。4.4.1直流伺服系統(tǒng)認知4.4.2直流伺服系統(tǒng)由于伺服控制系統(tǒng)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(huán)或半閉環(huán)控制方式應用于伺服系統(tǒng)中。1.速度伺服系統(tǒng)速度控制是伺服系統(tǒng)中的一個重要內(nèi)容。它由速度控制單元、伺服電機、速度檢測裝置等構成，速度控制單元用于控制電機的轉(zhuǎn)速，是速度控制系統(tǒng)的核心.在可控硅構成的直流電機驅(qū)動電路中，只要改變可控硅的觸發(fā)角，就可以調(diào)節(jié)電樞電壓，從而達到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的目的；在PWM構成的驅(qū)動電路中，只要改變脈沖的寬度，即可以調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。但這樣的調(diào)速系統(tǒng)是開環(huán)的，由于直流電機本身的機械特性比較軟，直流開環(huán)伺服系統(tǒng)不能滿足機電體化系統(tǒng)的要求，在實際應用中一般都采用閉環(huán)伺服系統(tǒng)。閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，目前用得最多的是晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)和PWM直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。這兩種調(diào)速系統(tǒng)般都是用永磁直流伺服電機調(diào)速的控制電路，調(diào)速方法是根據(jù)速度給定值與速度反饋值的差值來改變電機的電樞電壓，達到調(diào)節(jié)速度的目的。如圖4-35所示，采用雙閉環(huán)原理組成的晶體管PWM調(diào)速系統(tǒng)，圖中TA是電流互感器。TG作為速度檢測的直流測速電機。圖4-35PWM速度伺服系統(tǒng)2.位置伺服系統(tǒng)

位置控制伺服系統(tǒng)是應用領域非常廣泛的一類系統(tǒng)，如數(shù)控機床、工業(yè)機器人、雷達天線和電子望遠鏡的瞄準系統(tǒng)等。在速度伺服系統(tǒng)的基礎上增加位置反饋環(huán)節(jié)就可構成直流位置控制伺服系統(tǒng)。在位置伺服系統(tǒng)中，位置環(huán)有模擬式和數(shù)字式，前者如仿形機床伺服系統(tǒng)，采用自整角機的角度跟蹤系統(tǒng)等。隨著計算機控制技術的發(fā)展，在位置控制伺服系統(tǒng)中，越來越多采用數(shù)字式，而速度環(huán)常采用模擬式，構成混合式的伺服系統(tǒng)。在這里只討論數(shù)字式的位置控制伺服系統(tǒng)。4.4.2直流伺服系統(tǒng)數(shù)字式位置控制系統(tǒng)根據(jù)其位置信號和比較方式可分為數(shù)字脈沖控制的伺服系統(tǒng)；數(shù)字式編碼控制的伺服系統(tǒng)；數(shù)字式相位控制的伺服系統(tǒng)；數(shù)字式幅值控制伺服系統(tǒng)四種控制方案。這里只介紹檢測反饋與比較電路比較簡單，應用廣泛的數(shù)字脈沖控制伺服系統(tǒng)。這種控制方案是采用光柵、脈沖編碼器等位置檢測器，其比較方式是數(shù)字控制器中的可逆計數(shù)器，其原理如圖4-36所示。4.4.2直流伺服系統(tǒng)圖4-36數(shù)字式脈沖控制的伺服系統(tǒng)在數(shù)字式脈沖控制的伺服系統(tǒng)中，數(shù)控裝置的位移指令以指令脈沖數(shù)Pp給出，反饋信號由位置檢測器給出反饋脈沖Pf，它們分別進入數(shù)字控制器中的加法器和減法器端，經(jīng)運算輸出位置偏差量，該偏差量經(jīng)位置控制器、并通過D/A轉(zhuǎn)換后，輸出作為速度環(huán)的速度指令電壓信號，從而控制直流伺服電機的運動。4.4.2直流伺服系統(tǒng)返回主頁4.5.1交流伺服系統(tǒng)認知4.5.2交流伺服系統(tǒng)4.5交流伺服系統(tǒng)4.5交流伺服系統(tǒng)20世紀80年代以來,隨著集成電路、電力電子技術和交流可變速驅(qū)動技術的發(fā)展,永磁同步交流伺服驅(qū)動技術有了突出的發(fā)展,各國著名電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動機和伺服驅(qū)動器系列產(chǎn)品并不斷完善和更新。交流伺服系統(tǒng)已成為當代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向,使原來的直流伺服面臨被淘汰的危機。永磁交流伺服電動機同直流伺服電動機比較,主要優(yōu)點有：無電刷和換向器,因此工作可靠,對維護和保養(yǎng)要求低；定子繞組散熱比較方便；慣量小,易于提高系統(tǒng)的快速性；適應于高速大力矩工作狀態(tài)；同功率下有較小的體積和重量。返回主頁4.5.1交流伺服系統(tǒng)認知90年代以后,世界各國已經(jīng)商品化了的交流伺服系統(tǒng)是采用全數(shù)字控制的正弦波電動機伺服驅(qū)動。交流伺服驅(qū)動裝置在傳動領域的發(fā)展日新月異。到目前為止，高性能的電伺服系統(tǒng)大多采用永磁同步型交流伺服電動機,控制驅(qū)動器多采用快速、準確定位的全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)。典型生產(chǎn)廠家如德國西門子、美國科爾摩根和日本松下及安川等公司。本節(jié)主要介紹永磁同步交流伺服電動機伺服系統(tǒng)，永磁同步交流伺服電機及驅(qū)動器如圖4-37所示。圖4-37永磁同步交流伺服電機及驅(qū)動器1.永磁同步交流伺服電動機結構永磁同步交流伺服電機（PermanentMagnetSynchronousMotor，簡稱PMSM）用作進給運動的驅(qū)動電機，其實物結構如圖4-38所示。電機由定子、轉(zhuǎn)子和檢測元件組成。定子由沖片疊成，其外形呈多邊形,沒有機座,這樣有利于散熱。在定子齒槽內(nèi)嵌入某一極對數(shù)的三相繞組。其結構簡圖如圖4-39所示。4.5.1交流伺服系統(tǒng)認知圖4-38永磁同步交流伺服電動機實物結構圖圖4-39永磁同步交流伺服電動機結構示意圖永磁同步交流伺服電機的磁場來自電動機的轉(zhuǎn)子上的永久磁鐵，永久磁鐵的特性在很大程度上決定了電機的特性。永久磁鐵有：鋁鎳鈷合金、鐵淦氧合金和釹鐵硼合金即稀士永磁臺金等，以稀士永磁合金的性能最好。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的位置不同，永磁同步交流伺服電機的轉(zhuǎn)子結構可分為表面式、內(nèi)插式、內(nèi)埋式，如圖4-48所示。永久磁鐵的形狀可分為扇形和矩形兩種。4.5.1交流伺服系統(tǒng)認知圖4-40永磁同步交流伺服電機轉(zhuǎn)子磁路結構永磁同步交流伺服電機轉(zhuǎn)子磁路結構不同，則電動機的運行性能、控制方法、制造工藝和適用場合也不同。檢測元件一般光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器加測速發(fā)電機，用以檢測電機的轉(zhuǎn)角位置、位移和旋轉(zhuǎn)速度，以便提供永磁交流同步電機轉(zhuǎn)子的絕對位置信息、位置反饋量和速度反饋量。永磁交流同步伺服電動機目前在數(shù)控機床、工業(yè)機器人等小功率場合，獲得了較為廣泛的應用。4.5.1交流伺服系統(tǒng)認知2.永磁同步交流伺服電動機工作原理永磁同步電動機的啟動和運行是由定子繞組、轉(zhuǎn)子鼠籠繞組和永磁體這三者產(chǎn)生的磁場的相互作用而形成。如圖4-41所示，一個二極永磁轉(zhuǎn)子（也可以是多極），電動機靜止時，給定子繞組通入三相對稱電流，產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁場，圖中用另一對旋轉(zhuǎn)磁極表示，該旋轉(zhuǎn)磁場將以同步轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)。由于磁極同性相斥、異性相吸，與轉(zhuǎn)子的永磁磁極互相吸引，并帶著轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，使轉(zhuǎn)子由靜止開始加速轉(zhuǎn)動。當轉(zhuǎn)子加上負載轉(zhuǎn)矩之后，轉(zhuǎn)子磁極軸線將落后定子磁場軸線θ角，隨著負載增加，θ角也隨之增大；負載減少時，θ角也減少；只要不超過一定限度，轉(zhuǎn)子始終跟著定子的旋轉(zhuǎn)磁場以恒定的同步轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)。4.5.1交流伺服系統(tǒng)認知轉(zhuǎn)子速度為：(4-4)式中：——電動機轉(zhuǎn)速

——定子轉(zhuǎn)速磁場的同步轉(zhuǎn)速f——交流電源頻率（定子供電頻率）P——定子線圈的磁極對數(shù)

4.5.1交流伺服系統(tǒng)認知由于這種同步電動機不能自動啟動，所以在轉(zhuǎn)子上還裝有鼠籠式繞組而作為電動機啟動之用。鼠籠繞組放在轉(zhuǎn)子的周圍。在同步運行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)不再產(chǎn)生電流。此時轉(zhuǎn)子上只有永磁體產(chǎn)生磁場，它與定子旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。由此可知，永磁同步電動機是靠轉(zhuǎn)子繞組的異步轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)啟動的。啟動完成后，轉(zhuǎn)子繞組不再起作用，由永磁體和定子繞組產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。4.5.1交流伺服系統(tǒng)認知圖4-41永磁交流伺服電機的工作原理旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向與繞組中電流的相序有關。假設三相繞組A、B、C中的電流相序按順時針流動，則磁場按順時針方向旋轉(zhuǎn)，若把三根電源線中的任意兩根對調(diào)，則磁場按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。利用這一特性我們可很方便地改變?nèi)嚯妱訖C的旋轉(zhuǎn)方向。這種反電動勢波形和供電電流波形都是正弦波的電動機稱為“正弦波永磁同步電動機”（PMSM），有時也簡稱“永磁同步電動機”。4.5.1交流伺服系統(tǒng)認知由式永磁同步交流伺服電動機轉(zhuǎn)速公式4-3可以得出，電機的轉(zhuǎn)速n由電源頻率f和磁極對數(shù)p決定。我們把改變電動機的供電頻率f實現(xiàn)調(diào)速的方法稱為變頻調(diào)速；而改變磁極對數(shù)P進行調(diào)速的方法叫變極調(diào)速。變頻調(diào)速一般是無級調(diào)速，變極調(diào)速是有級調(diào)速。通常采用變頻調(diào)速。4.5.1交流伺服系統(tǒng)認知4.5.2交流伺服系統(tǒng)1.永磁同步交流伺服電動機控制與驅(qū)動（1）永磁同步交流伺服電動機控制永磁同步交流伺服電動機普遍采用PWM的控制技術產(chǎn)生繞組電壓和電流。常用的方法有正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）、空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）、電流跟蹤控制三種。本節(jié)重點介紹正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）控制技術。1）SPWM控制技術(SPWM)用正弦波信號去調(diào)制三角波信號，會得到一個相當于正弦函數(shù)值的相位角和面積等效于正弦波的脈沖序列，脈沖序列的占空比按正弦規(guī)律變化，占空比的比值由電壓幅值決定；脈沖的頻率由三角波頻率決定，脈沖序列可能包含各次諧波的頻譜成份，但其基波由調(diào)制波決定。等效的原則就是每一區(qū)間的面積相等。如果把正弦半波n等分，然后把一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積用一個與此面積相等的矩形脈沖來代替，并且矩形脈沖的幅值保持不變，各脈沖的中點與正弦波的每一等分中點重合。這樣由n個等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波的半波周期等效，稱為SPWM波形。同樣正弦波的負半周也可以采用同樣的方法與一系列負脈沖波等效。這種正弦波正，負半周分別用正，負脈沖等效的SPWM波形稱為單極SPWM。產(chǎn)生單極SPWM電路如圖4-42,波形如圖4-43所示。4.5.2交流伺服系統(tǒng)圖4-42單極SPWM調(diào)制電路4.5.2交流伺服系統(tǒng)圖4-43單極SPWM輸出的波形（a）正弦調(diào)制波與三角載波（b）輸出的SPWM波圖中由三角波ut與正弦波uref一并送入電壓比較器,輸出即為SPWM調(diào)制波。如果輸出脈沖在“正”，和“負”之間變化，這就得到雙極式SPWM波形。雙極式SPWM波形的調(diào)制方式和單極式SPWM波形調(diào)制方式相似，只是輸出脈沖電壓的極性不同。三相正弦脈寬調(diào)制波調(diào)制電路及輸出的SPWM波形如圖4-44所示。4.5.2交流伺服系統(tǒng)圖4-44三相雙級性SPWM調(diào)制電路及輸出波形SPWM技術是為克服直流脈寬調(diào)制（PWM）技術的缺點（其輸出電壓中含較大的諧波分量）而發(fā)展起來的。它從電動機的供電電源的角度出發(fā)，著眼于如何產(chǎn)生一個可調(diào)頻、調(diào)壓的三相正弦波電源。2)專用SPWM集成電路目前SPWM波形的生成和控制多用微機來實現(xiàn)，應用微機產(chǎn)生SPWM波形，其效果受到微機字長、指令功能、運算速度、存儲容量等條件的限制，有時難以有很好的實時性，特別是在高頻電力電子器件被廣泛應用后，完全依靠軟件生成SPWM波形的方法實際，上很難適應高開關頻率的要求。4.5.2交流伺服系統(tǒng)隨著微電子技術的發(fā)展，開發(fā)出一些專門用來產(chǎn)生SPWM控制信號的集成電路芯片，應用這些芯片比用微機生成SPWM信號要方便的多。目前已投入市場的專用SPWM芯片有Mullard公司的HEF4752、Siemens公司的SLE4520、Sanken公司的MB63H110，以及我國自行研制的ZPS-101、THP-4752等。其中，THP-4752與HEF4752的功能完全兼容。另外，現(xiàn)在有些單片機本身就具有直接輸出SPWM信號的功能，如8XC196MC、TMS320F2812等。TMS320F2812DSP芯片如圖4-45所示。4.5.2交流伺服系統(tǒng)圖4-45TMS320F2812DSP芯片

圖4-46TMS320F2812DSP功能組成框圖TMS320F2812DSP芯片基于高性能的32位CPU，指令執(zhí)行速率高達150MIPS，具有強大的運算能力和控制功能，其功能組成功能組成如圖4-46所示。片內(nèi)集成了大容量Flash存儲器、高速SRAM存儲器、功能強大的事件管理器(EV)、高速A/D轉(zhuǎn)換模塊、增強型CAN總線通信模塊、SCI串行通信接口、SPI串行外設接口、多通道緩沖串口、PLL時鐘模塊、看門狗、定時器以及多達56個多路復用通用IO等豐富、易用的高性能外設單元，適用于自動化設備控制、電動機數(shù)字控制、數(shù)字伺服系統(tǒng)控制等場合。4.5.2交流伺服系統(tǒng)（2）永磁同步交流伺服電動機驅(qū)動在永磁同步交流伺服電動機中，為產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，一般采用SPWM信號驅(qū)動功率電路，在電動機三相繞組中產(chǎn)生正弦波的電流，從而形成連續(xù)旋轉(zhuǎn)的定子圓形旋轉(zhuǎn)磁場。1)將三相雙極SPWM電路輸出雙極性的信號uaPWM、ubPWM、ucPWM加到逆變器的六個功放管上，就可在其輸出端得到與此波形類似的三相脈沖電壓信號。uapwM輸出高電平，apwM輸出低電平，則T1導通，T2截止，逆變器橋臂A端輸出的電壓。T1關斷，T2導通，A端輸出的電壓。隨著uapwM

的交替變化，a端就會輸出正負交替變化的脈沖序列。同理在ubpwM和ucpwM的作用下，在逆變器b端和c端會輸出基波電壓相位與A端相差120o和240o的脈沖序列。這三個脈沖序列將在定子繞組中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場使電機旋轉(zhuǎn)起來。驅(qū)動電路如圖4-47所示。4.5.2交流伺服系統(tǒng)圖4-47永磁同步交流伺服電動機驅(qū)動電路2）專用的智能功率模塊IPM智能功率模塊(IntelligentPowerModule，IPM)不僅把功率器件和驅(qū)動電路集成在一起，而且內(nèi)部還集成了過壓、過熱、欠壓等故障監(jiān)測電路，并可將監(jiān)測信號送給控制電路。既使發(fā)生過載或是使用不當，也可保證IPM自身不受損壞。目前的IPM一般采用IGBT作為功率開關元件，并且還集成有各種傳感器。IPM正以其可靠性高、使用方便的特點贏得越來越大的市場，尤其適合制作驅(qū)動電動機的變頻器，是一種較為理想的電力電子器件。其外形封裝如圖4-48(a)所示。常用的有日本三菱公司生產(chǎn)IPM模塊系列，三菱PM100CVA120實物；如圖4-48(b)所示，富士R系列IGBT-IPM是應用較廣泛的產(chǎn)品之一。4.5.2交流伺服系統(tǒng)圖4-48IPM實物圖（3）交流永磁同步伺服電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)采用的是自控式交直交電壓型電機控制方式，由整流、濾波、能耗、逆變、控制電路、三相交流永磁電機和位置傳感器BQ構成。其系統(tǒng)原理圖如圖4-49所示。圖中，50HZ的市電經(jīng)整流后，由三相逆變器給電機的三相繞組供電，三相對稱電流合成的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子永久磁鋼所產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，拖動轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，通過位置傳感器實時讀取轉(zhuǎn)子磁鋼位置，變換成電信號控制逆變器功率器件開關，調(diào)節(jié)電流頻率和相位，使定子和轉(zhuǎn)子磁勢保持穩(wěn)定的位置關系，才能產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩，定子繞組中的電流大小是由負載決定的。定子繞組中三相電流的頻率和相位隨轉(zhuǎn)子位置的變化而變化的，使三相電流合成一個與轉(zhuǎn)子同步的旋轉(zhuǎn)磁場，通過電力電子器件構成的逆變電路的開關變化實現(xiàn)三相電流的換相，代替了機械換向器。4.5.2交流伺服系統(tǒng)圖4-49永磁同步交流伺服電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)2.全數(shù)字交流永磁同步伺服系統(tǒng)交流伺服系統(tǒng)由交流伺服電機及其驅(qū)動器組成，驅(qū)動器是系統(tǒng)核心部件，它直接決定到整個交流伺服系統(tǒng)的功能和性能。相應的在永磁交流伺服系統(tǒng)中，伺服電機為正弦波永磁交流電機。（1）交流伺服驅(qū)動器一個好的驅(qū)動器應該要有以下幾個方面的功能和作用。能夠很好地實現(xiàn)交流伺服系統(tǒng)位置、速度和轉(zhuǎn)矩三種控制方式，并達到達預定的輸出效果，以保證系統(tǒng)具有較好的動、靜態(tài)性能。驅(qū)動器工作原理示意圖如圖4-50所示。4.5.2交流伺服系統(tǒng)圖4-50伺服驅(qū)動器工作原理示意圖速度指令和速度反饋信號在速度控制器的輸入端進行比較，速度控制器輸出電流指令信號，這是一個表征電流幅值的直流量，但電動機是交流電機，要求在其定子繞組中通入交流電。因此，必須將速度控制器輸出的直流電流指令交流化，使該交流電流指令的相位由轉(zhuǎn)子磁極位置決定，電流指令的頻率由轉(zhuǎn)子磁極的旋轉(zhuǎn)速度來決定，并且把電流指令矢量控制在與磁極所產(chǎn)生的磁通相正交的空間位置上，這樣就可以達到與直流伺服電動機相似的轉(zhuǎn)矩控制。為此，將位置檢測器輸出的磁極位置信號，在乘法器中與直流電流指令值相乘，從而在乘法器的輸出端就獲得了交流電流指令。交流電流指令值與電流反饋信號相比較后，差值送入電流控制器。依靠電流控制回路的高速跟蹤能力，使在電機定子電樞繞組中產(chǎn)生出波形與交流電流指令相似但幅值要高得多的正弦電流，該電流與永磁體相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，推動交流伺服電機運動。4.5.2交流伺服系統(tǒng)功率變換器主要由整流器和逆變器兩部分組成。整流器將輸入的三相交流電整流成直流電，經(jīng)過電容器濾波平滑后提供給逆變器作為它的直流輸入電壓，逆變器的作用似在脈寬調(diào)制控制信號的驅(qū)動下，將輸入的直流電變成電壓與頻率可調(diào)的交流電，輸入到伺服電機的電樞繞組中。脈寬調(diào)制回路以一定的頻率產(chǎn)生出觸發(fā)功率器件的控制信號，使功率逆變器的輸出頻率和電壓保持協(xié)調(diào)關系，并使流入電樞繞組中的交流電流保持良好的正弦性。4.5.2交流伺服系統(tǒng)（2）全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器

全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器不僅克服了模擬式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等缺點，還充分發(fā)揮了數(shù)字控制在控制精度上的優(yōu)勢和控制方法的靈活性。能方便地調(diào)整和修改內(nèi)部參數(shù)，改變其工作方式以期能在不同的工作環(huán)境下保持良好的工作狀態(tài)；具有豐富的接口，能和其他設備或是上位機實行通信，能在現(xiàn)場進行調(diào)試和人機交互操作；保護設施齊全，要實現(xiàn)雙重和對重要部件的多重保護，最好有自我診斷和保護環(huán)節(jié)，一旦出現(xiàn)故障便能報警、停機并顯示故障報告，保證系統(tǒng)有很高的穩(wěn)定性,全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器原理如圖4-51所示。4.5.2交流伺服系統(tǒng)圖4-51全數(shù)字交流伺服驅(qū)動