步进电机、伺服电机控制原理

控制系统动力装置检测装置执行元件机械本体内容回顾执行元件电气式液压式气压式其它电动机电磁铁及其它油缸液压马达气缸气压马达与材料相关步进电机直流伺服电机交流伺服电机其它电机形状记忆合金压电元件第四章控制电动机及其选择计算控制电动机是电气伺服控制系统的动力部件。它是将电能转换为机械能的一种能量转换装置。由于可在很宽的速度和负载范围内进行连续而精确的控制，因而在机电一体化系统中得到了广泛的应用。步进电机控制电动机直流伺服电动机交流伺服电动机其他电机本章主要内容•步进电机及其控制•直流伺服电动机及其控制•交流伺服电动机及其控制•直线电动机伺服电动机伺服电动机步进电动机运算处理电路驱动电路运算处理电路运算处理电路驱动电路驱动电路执行机构指令输入指令输入指令输入开环半闭环闭环位置反馈速度位置反馈速度反馈速度传感器位置检测传感器速度传感器123451234512345滑尺滚珠丝杠图4-1控制电动机控制方式的基本形式第一节步进电动机及其控制一、步进电动机的结构和工作原理它与普通电动机一样，也是由定子和转子构成，其中定子又分为定子铁心和定子绕组。定子铁心由电工钢片叠压而成，定子绕组是绕置在定子铁心6个均匀分布的齿上的线圈，在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。图6-1所示的步进电动机可构成A、B、C三相控制绕组，故称三相步进电动机。1-绕组2-定子铁心3-转子铁心步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。三相步进电机的控制方式分三种：（1）三相单三拍工作方式，A-B-C-A;(2)三相六拍工作方式，A-AB-B-BC-C-CA-A;(3)三相双三拍工作方式，AB-BC-CA-AB;二、步进电机特点及应用1、步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步距角；=360/mzkm—定子绕组的相数z—转子的齿数K—通电方式式中m相m拍时，k=1；m相2m拍时，k=2。步距角：常见的步距角0.60/1.20,0.750/1.50,0.90/1.80,10/20,1.50/30等。例1：某步进电机有80个齿,采用3相6拍方式驱动,经丝杠螺母副驱动工作台做直线运动,丝杠的导程为6mm。求:1、步进电机的步矩角。2、当脉冲当量要求为0.01mm时,试设计此传动系统。•δ=αL/360δ=αL/360=0.75×6/360=0.0125mm脉冲当量：计算机系统（或数控系统)每发一个脉冲，工作台移动的距离。为了得到脉冲当量mm，也为了增大传递的扭矩，在步进电机与丝杆之间，要增加一对齿轮传动副。δ=αL/360i步进电机Z1Z2tf，1、k=6/3=2α=360/mzk=360/3×80×2=0.75。2、i=Z2/Z1=αL/360δ=0.75×6/360×0.01=1.25/1可选Z1=20，Z2=25的齿轮传动副2、改变步进电动机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变；3、步进电动机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高；n=60αf/360=αf/6例2：三相步进电动机，转子80个齿。(1)要求电动机转速为60r/min,三相六拍通电，输入脉冲频率为多少?(2)要求电动机转速为100r/min，三相三拍通电，输入脉冲频率为多少?4、易于直接与微机的I/O接口，构成开环位置系统。如经济型数控机床。步进电机步进电机5、具有自锁能力，一旦停止输入脉冲，只要维持绕组通电，电动机就可保持在固定位置。6、步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累计误差，但转子转过一转以后，累计误差为零，不会长期累积。因此，步进电机广泛应用在开环控制的机电一体化系统中。三、步进电机驱动控制(一)脉冲分配脉冲分配软件脉冲分配软件环形分配器的设计方法有很多，如查表法、比较法、移位寄存器法等，它们各有特点，其中常用的是查表法。步序导电相工作状态数值（16进制）程序的数据表正转反转CBATABA00101HTAB0DB01HAB01103HTAB1DB03HB01002HTAB2DB02HBC11006HTAB3DB06HC10004HTAB4DB04HCA10105HTAB5DB05H（二）步进电动机的功率放大1．单电压功率放大电路此电路的优点是电路结构简单，不足之处是Rc消耗能量大，电流脉冲前后沿不够陡，在改善了高频性能后，低频工作时会使振荡有所增加，使低频特性变坏。2．高低电压功率放大电路电源U1为高电压，电源大约为80～150V，U2为低电压电源，大约为5～20V。在绕组指令脉冲到来时，脉冲的上升沿同时使VT1和VT2导通。由于二极管VD1的作用，使绕组只加上高电压U1，绕组的电流很快达到规定值。到达规定值后，VT1的输入脉冲先变成下降沿，使VT1截止，电动机由低电压U2供电，维持规定电流值，直到VT2输入脉冲下降沿到来VT2截止。不足之处是在高低压衔接处的电流波形在顶部有下凹，影响电动机运行的平稳性。该电路的特点是工作时Vin端输入方波步进信号：当Vin为“0”电平，由与门A2输出Vb为“0”电平，功率管（达林顿管）VT截止，绕组W上无电流通过，采样电阻上R3上无反馈电压，A1放大器输出高电平；而当Vin为高电平时，由与门A2输出的Vb也是高电平，功率管VT导通，绕组W上有电流，采样电阻上R3上出现反馈电压Vf，由分压电阻R1、R2得到设定电压与反馈电压相减，来决定A1输出电平的高低，来决定Vin信号能否通过与门A2。若VrefVf时Vin信号通过与门，形成Vb正脉冲，打开功率管VT；反之，VrefVf时Vin信号被截止，无Vb正脉冲，功率管VT截止。这样在一个Vin脉冲内，功率管VT会多次通断，使绕组电流在设定值上下波动。3．斩波恒流功放电路步进电机驱动电源总结作用：对控制脉冲进行功率放大，以使步进电机获得足够大的功率驱动负载运行。1、步进电机是用脉冲供电，且按一定工作方式轮流作用于各相励磁线圈上。2、步进电机正反转是靠给各相励磁线圈通电顺序变化来实现的。3、速度控制是靠改变控制脉冲的频率实现的。4、在通电脉冲内使励磁线圈的电流能快速建立，而在断电时电流能快速消失。四、步进电机的选择1、步距角的选择电机的步距角取决于脉冲当量等，目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。2、静力矩的选择（1）根据机械结构草图计算机械传动装置及负载折算到电动机轴上的等效负载转动惯量。（2）计算各种工况下所需的等效力矩。（3）根据步进电机最大静转矩和起动、运行矩频特性。TL/TMax≤0.5JL/Jm≤43、电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）作业1、某步进电机有80个齿,采用3相6拍方式驱动,经丝杠螺母副驱动工作台做直线运动,丝杠的导程为6mm。求:（1）步进电机的步矩角。（2）当脉冲当量要求为0.005mm时,试设计此传动系统,并画出结构原理图。（3）若工作台移动速度为4米/秒，求计算机发脉冲的频率。2、在某数控机床的步进电机驱动系统中，已知，步进电机转子的齿数为40，三相六拍工作方式。丝杠的导程值为6mm，脉冲当量为0.01mm，数控系统发出脉冲的频率为300Hz。求：（1）步进电机每转所需脉冲数。（2）总降速比i。（3）每转进给量x。（4）每分进给量v。第三节直流伺服电动机直流伺服电动机具有良好的调速特性，较大的起动转矩，相对功率大及快速响应等优点。尽管其结构复杂，成本较高，在机电控制系统中作为执行元件还是获得了广泛的应用。直流伺服电动机按激磁方式可分为电磁式和永磁式两种。电磁式的磁场由激磁绕组产生；永磁式的磁场由永磁体(永久磁铁)产生。电磁式直流伺服电动机是一种目前巳普遍使用的伺服电动机，特别是在大功率范围内(100w以上)。永磁式直流伺服电动机由于尺寸小、重量轻、效率高、出力大、结构简单，无需激磁等一系列优点而被越来越重视。•一、特点•1、稳定性好•2、可控性好•3、响应迅速•4、控制功率低，损耗小•5、转矩大输出功率1-600w励磁绕组补偿绕组(c)(f)rFcFaUai电枢绕组(a)ffUiFs直流伺服电动机的结构与一般的电机结构相似，也是由定子、转子和电刷等部分组成，在定子上有励磁绕组和补偿绕组，转子绕组通过电刷供电。由于转子磁场和定子磁场始终正交，因而产生转矩使转子转动。直流伺服电机控制二、驱动与控制一个驱动系统性能的好坏，不仅取决于电机本身的特性，而且还取决于驱动电路的性能以及两者之间的相互配合。对驱动电路一般要求频带宽、效率高、能量能回授等。目前常用晶体管驱动和晶闸管直流调速驱动，广泛采用的直流伺服电机的晶体管驱动电路有线性直流伺服放大器和脉宽调制放大器(PWM)。一般，宽频带低功率系统选用线性放大器(小于几百瓦)，而脉宽调制放大器常用在较大的系统中，尤其是那些要求在低速和大转矩下连续运行的场合。一、晶闸管直流调速驱动UsRP1R0R0RbUfn-+U+R1IdRP2GUcUd-+UaML图4－7带有转速负反馈的单闭环直流调速系统原理图二、脉宽调制放大器(PWM)PWM放大器的优点是功率管工作在开关状态，管耗小。它的基本原理是：利用大功率晶体管的开关作用，将直流电源电压转换成一定频率(例如2000HZ)的方波电压，加在直流电动机的电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，从而调节电机的转速，如图4—18所示。•锯齿波发生器的输出电压vA和直流控制信号vIN进行比较。同时，在比较器的输入端还加入一个调零电压v0，当控制电压vIN为零时，调节vo使比较器的输出电压为正、负脉冲宽度相等的方波信号，如图4—19(a)所示。当控制信号vIN为正或负时，比较器输入端处的锯齿波相应地上移或下移，比较器的输出脉冲也随着相应改变，实现了脉宽调制，如图4—19(b)、(c)所示。第四节交流伺服电动机与普通直流伺服电动机相比较，普通交流伺服电动机的特点是：它不需要电刷和换向器，因而避免了由于存在电刷和换向器而引起的一系列弊病。此外，它的转动惯量、体积和重量一般来说也较小。缺点是：输出功率和转矩较小；转矩特性和调节特性的线性度不及直流伺服电动机好；其效率也较直流伺服电动机为低。银狐工控网自动化、企业信息化—中国工控网-运动控制专栏-中国工业控制及自动化领域权威咨询、资讯传媒!•一、交流伺服电动机种类•1、同步型（SM）：采用永磁结构的同步电动机，又称无刷直流伺服电动机。•特点：无接触换向部件•需要磁极位置检测器（如编码器）•具有直流伺服电动机的全部优点。•2、感应型（IM）：笼型感应电动机•特点：对定子电流的激励分量和转矩分量分别控制•具有直流伺服电动机的全部优点。用于自动焊机中保持电弧长度稳定，其原理如图4—34所示。交流伺服电机SL经减速器2带动焊条8的移动装置3。为保证焊接质量，要求自动焊机在整个焊接过程中能够自动调节电弧长度，使电弧稳定地燃烧。当电弧长度符合要求时，反馈的弧压Ud和给定电压u相等，通过比较器4得偏差信号ΔU＝0，伺服电机不转动。如果外界干扰使弧长变长或变短，反馈弧压ud相当于增大或减小，偏差信号经放大器1送入电机SL的控制电压的相序发生改变，使控制伺服电机正转或反转，经移动装置3带动焊条8上下移动，以保持电弧长度恒定。应用举例•2.交流伺服电动机二、伺服电机及其控制杯形转子伺服电动机的结构图1—励磁绕组2—控制绕组3—内定子4—外定子5—转子交流伺服电动机的接线图•(1)原理:•励磁绕组WF接到电压为Ud的交流电网上，控制绕组接到控制电压Ue上，当有控制信号输入时，两相绕组便产生旋转磁场。该磁场与转子中的感应电流相互作用产生转矩，使转子跟着旋转磁场以一定的转差率转动起来，其旋转速度为•式中，f为交流电源频率(Hz)；p为磁极对数；n0为电动机旋转磁场转速(r/min)；s为转差率。二、伺服电机及其控制)1()1(600