第五章 伺服驱动技术

缺点：相对于交流电机，结构复杂，价格较高。
二、直流电机的结构原理
通过电刷和换向器产生的整流作用，使磁场磁动势和电 枢电流磁动势正交，从而产生转矩。电机结构是由磁极、 电枢绕组、电刷和换向器组成的。
5.4 直流伺服驱动系统
对直流伺服电机的要求是：从伺服电机所获得的转速n应 当正比于所施加的电压u(t)，以便使得直流电机的速度可 按照期望值来调节。
图23 电枢控制式直流电机系统方框图
5.4 直流伺服驱动系统
当忽略电枢电感和粘性阻尼系数时
1/ K e ( s) U a ( s) m s 1
(9)
Ra J m Ke Kt
(10)
Ra U Td ( s) T d ( s) Kt
图24 简化后的电机速度系统方框图
直流伺服电机过渡过程的快慢，即响应时间的快慢，取 决于电机的机电时间常数。
5.2 常用控制用电动机 二、控制用电动机的特点及选用
表1 常用电动机适用范围
5.2 常用控制用电动机
表2 伺服电动机的特点及应用
第五章 伺服驱动技术
5.3 步进式驱动系统
一、步进电动机的特点与种类
1、步进电动机的特点 电脉冲信号 数量、频率以及电动 机绕组的通电顺序 机械角位移 转角、转速及转向
表3 功率放大器性能和应用比较
晶体管电路的电机速度调节范围在闭环下可达1:(1000～10000) SCR控制通常做到1:(5~10)（半波）、1:(20~30)（全波）
5.4 直流伺服驱动系统
图27 直流伺服电机的控制方式
5.4 直流伺服驱动系统 五、直流伺服电机产品
图28 85系列直流伺服电机技术参数
图9 失调角示意图
e
5.3 步进驱动式系统
静态转矩越大，自锁力矩 越大，静态误差就越小。 当失调角在-π到π的范围内， TL 若去掉负载转矩 ，转子 仍能回到初始稳定平衡位 置。因此， 的区 e 域称为步进电动机的静态 稳定区。
图10 矩—角特性曲线
5.3 步进驱动式系统
图21 直流伺服电机工作原理
5.4 直流伺服驱动系统
转子旋转速度与电枢电压、电流、定子磁场中的每极气 隙磁通量有关，即

K1 (ua ia RA )

(1)
K1ua
当忽略电枢绕组上的压降

(2)
图22 电枢电压控制时的电枢等效电路
5.4 直流伺服驱动系统 三、直流电机的数学模型
电压平衡方程： u a (t ) Ra ia (t ) La
5.2 常用控制用电动机 一、对控制用电动机的基本要求
(1) 性能密度大
功率密度 PG P / G
2 比功率 dp / dt d(T) / dt TN d / dt |T TN TN TN / Jm
(2) 快速性好，即加速转矩大，频率响应特性好。
(3) 位置控制精度高、调速范围宽、低速运行平稳且无爬 行现象、分辨率高、振动噪声小。 (4) 适应起、停频繁的工作要求。 (5) 可靠性高、寿命长。
3、动态特性
步进电动机从A相通电状态切换到B相(或AB相)通电状态时，不 致引起丢步，该区域被称为动态稳定区。
图11 矩—角特性曲线族
5.3 步进驱动式系统
矩—角特性曲线中相邻两相曲线的交点所对应的转矩被称为起动转矩， 它表示步进电动机单相励磁时所能带动的极限负载转矩。 步进电动机在连续运行时所能接受的最高控制频率。 电动机在连续运行状态下，其电磁转矩随控制频率的升高而逐步下降， 在不同控制频率下电动机所产生的转矩称为动态转矩 。 在空载状态下，转子从静止状态能够不失步地起动时的最大控制频率。 步进电动机带动惯性负载时的起动频率与负载转动惯量之间的关系。
5.4 直流伺服驱动系统
观看有关伺服电机控制的视频，考虑其主要突出 了电机控制的哪些特性。
PWM
利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变成电 压脉冲序列。 控制电压脉冲宽度或周期，以达到变压的目的。 控制电压脉冲宽度和脉冲序列的周期，以达到变压变频 目的。
PFM 固定导通角而变化重复频率。 SCR
采用整流交流电源电压的形式。
5.4 直流伺服驱动系统
图26 PWM和PFM原理
5.4 直流伺服驱动系统
Kt ( s) U a ( s) La Js 2 ( La B Ra J ) s Ra B K e K t
(8)
5.4 直流伺服驱动系统
U a ( s ) Ra I a ( s ) La sI a ( s) Ea ( s ) E a ( s ) K e ( s ) T (s) K t I a (s) T ( s ) Js( s ) B( s ) Td ( s )
5.3 步进驱动式系统 四、步进电动机的驱动
驱动器（驱动电源）是将变频信号源（微机或数控装置等） 送来的脉冲信号及方向信号按要求的配电方式自动循环地 提供给步进电动机的各相绕组。
1、环形脉冲分配器
使步进电动机绕组的通电顺序按一定规律变化的装置称为 脉冲分配器。
通过查表或计算方法来进行脉冲的环形分配。 三相六拍通电方式：A→AB→B→BC→C→CA→A
闭环伺服系统
直接从运行执行部件上进行位置检测，控制精度不受机械传动精度 的影响，机械系统的动态参数给伺服系统的稳定性带来一定的困难。
5.1 概述
稳定性 高精度
抗干扰，稳定性判断 定位精度、综合精度
快速性
关键在于执行元件的快速性
第五章 伺服驱动技术
5.2 常用控制用电动机
包含力矩电动机、脉冲（步进）电动机、变频调速电动机、 开关磁阻电动机和各种AC/DC电动机等。
K 为拍数/相数。
5.3 步进驱动式系统 三、步进电动机的运行特性
1、分辨力 2、静态特性
转子齿的中心线与定子齿的中心线相重 合，转子上没有转矩输出，此时的位置 为转子初始稳定平衡位置。如果在电动 机转子轴上加一负载转矩 TL ，则转子齿 的中心线与定子齿的中心线将错过一个 电角度e 才能重新稳定下来，此时转子 上的电磁转矩 T j 与负载转矩 TL 相等，该 e为失调角。 电磁转矩为静态转矩，
5.3 步进驱动式系统 3、细分驱动
在每次输入脉冲切换时，不是将绕组电流全部通入或切除， 而是将额定电流以阶梯式的投入或切除，电流分成多少个阶 梯，则转子就以同样的个数转过一个步距角。
图18 细分电流波形
使绕组中的电流以若干个等幅等宽度阶梯上升到额定值， 并以同样的阶梯从额定值下降为零。
5.3 步进驱动式系统
5.3 步进驱动式系统
转子上嵌有永久磁铁，永久磁铁两端罩上两段帽式铁心。 定子相数和绕组接线方面有其特殊的地方。
图6 混合型步进电机
5.3 步进驱动式系统 二、步进电动机的工作原理
A→B→C→A
AB→BC→CA→AB
图7 三相反应式步进电机的工作原理
5.3 步进驱动式系统
A→AB→B→BC→C→CA→A
状态代码：01H、03H、02H、06H、04H、05H
5.3 步进驱动式系统
三相六拍接线
图12 专用环形分配器CH250接线图
5.3 步进驱动式系统 2、功率放大器
脉冲信号电流 （几个毫安） 电机驱动电流 （几至十几安培 ）
绕组通电时，电流上升率受到限制； 在绕组断电时会产生反电动势。 电压型 双电压型（高低压型） 电流型 恒流驱动 单电压型
第五章 伺服驱动技术 5.1 概述 5.2 常用控制用电动机 5.3 步进式驱动系统 5.4 直流伺服驱动系统
第五章 伺服驱动技术
5.1 概述
机械装置所需的运动和动力，最终都来自于伺服驱动系统。 基本要求：运动输出量能迅速而精确地响应指令输入的变化。
图1 伺服系统的基本组成
5.1 概述
图2 不同执行元件的伺服系统
图8 三相六拍反应式步进电机的工作原理
5.3 步进驱动式系统
定子磁极上的小齿和转子磁极上的小齿大小相同，两种小 齿的齿宽和齿距相等。当一相定子磁极的小齿与转子的小 齿对齐时，其他两相磁极的小齿都与转子的小齿错过一个 角度。
360 /( zm)
m KN
z 为转子齿数， N 为电动机的相数，
dia (t ) Ea (t ) dt
(3)
感应电动势方程： Ea (t ) K e
电磁转矩方程： T (t ) Kt ia (t )
d (t ) B (t ) Td (t ) dt
(4)
(5)
转矩平衡方程： T (t ) J
(6)
5.4 直流伺服驱动系统
进行拉普拉斯变换可得：
5.4 直流伺服驱动系统 四、直流电机的驱动技术
伺服电机功率的驱动放大是伺服系统的心脏，它用来转换 电功率并驱动伺服电机运动。 线性放大器 晶体管功 率放大器 脉宽调制(PWM) 开关型放大器 脉冲频率调制(PFM)
可控硅整流(SCR)
5.4 直流伺服驱动系统
图25 开关型放大器的电压波形
5.4 直流伺服驱动系统
5.4 直流伺服驱动系统
图29 直流伺服驱动器MLDS3810
5.4 直流伺服驱动系统
表4 直流伺服驱动器技术参数
5.4 直流伺服驱动系统
表4（续表） 直流伺服驱动器技术参数
5.4 直流伺服驱动系统
表4（续表） 直流伺服驱动器技术参数
5.4 直流伺服驱动系统
图30 直流伺服驱动器的接口电路
(1) 工作状态不易受各种干扰因素的影响。
(2) 步距角有误差，但不会长期积累。 (3) 在起动、停止、反转时不易“丢步”。
5.3 步进驱动式系统
2、步进电动机的种类 定子1与转子2由铁心 构成，没有永久磁铁
转子2采用永久磁铁、定 子1采用软磁钢制成，绕 组3轮流通电。