第三章伺服驱动技术

2)
永磁(PMMagnet)型 永磁(PM-Permanent Magnet)型 (PM
PM型步进电动机的转子 2 PM 型步进电动机的转子2 采用永久 型步进电动机的转子 磁铁、定子1采用软磁钢制成，绕组3轮 磁铁、定子1采用软磁钢制成，绕组3 流通电，建立的磁场与永久磁铁的恒定 流通电， 磁场相互吸引与排斥产生转矩。这种电 磁场相互吸引与排斥产生转矩。 动机由于采用了永久磁铁，即使定子绕 动机由于采用了永久磁铁， 组断电也能保持一定转矩，故具有记忆 组断电也能保持一定转矩， 能力，可用做定位驱动。 能力，可用做定位驱动。 PM型电动机的特点是励磁功率小 、 PM 型电动机的特点是励磁功率小、 效 型电动机的特点是励磁功率小 率高、造价低，因此需要量也大。 率高、造价低，因此需要量也大。由于 转子磁铁的磁化间距受到限制， 转子磁铁的磁化间距受到限制，难于制 故步距角较大。 VR型相比转矩大 型相比转矩大， 造，故步距角较大。与VR型相比转矩大， 但转子惯量也较大。 但转子惯量也较大。
输出接口装置
驱动元件与负载连接： 一、 与负载固连，直接驱动 二、通过机械传动装置与负载连接
驱动元件的基本要求
1.惯量小、 1.惯量小、动力大 惯量小
ω
2. 体积小、重量轻 既要缩小执行元件的体积、减轻重量，同时又要增大 其动力，故通常用执行元件的单位重量所能达到的输出功率 或比功率，即用功率密度 或比功率密度来评价这项指标。 设执行元件的重量为G，则功率密度 为 P/G。 比功率密度为 (T2/J)/G 。 3. 便于维修、安装 执行元件最好不需要维修。无刷DC及AC伺服电动 机就是走向无维修的一例。 4. 宜于微机控制 根据这个要求，用微机控制最方便的是电气式执行元件。 因此机电一体化系统所用执行元件的主流是电气式，其次是 液压式和气压式(在驱动接口中需要增加电-液或电-气变换环 节)。内燃机定位运动的微机控制较难，故通常仅被用于交 通运输机械。
伺服系统的结构组成及分类
伺服系统的分类： 液压（气动）伺服系统 按驱动元件的性质分为 电气伺服系统 开环伺服系统 按控制方式分为 闭环伺服系统 半闭环控制系统？ 直流伺服系统 交流伺服系统 步进伺服系统
伺服系统的结构组成及分类
开环、闭环伺服系统的优缺点：
开环伺服系统：无反馈控制 优点：结构较简单、技术易掌握、成本低； 缺点：精度低，抗干扰能力差。
步进电动机控制系统
功率驱动器
伺服控制 执行部件的位移量控制
Nα ϕ L= t= t o o 360 360
L －位移量
总行程
t －丝杠螺距
执行部件的 位移量与 输入脉冲数 成正比。
； 。
步进电动机控制系统
步进电动机的运行特性
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的通电状态的变化频率越 高，转子的转速越高，但脉冲频率变化过快， 会引起失步或过冲 n=( a/360) *60f=af/6 4.输出转角精度比较高，一般只有相邻误差，但无累 积误差。 一圈不累积
步进电动机
步进电动机又称脉冲电动机。它是将电脉冲信号转换成 机械角位移的执行元件。其输入一个电脉冲就转动一步， 即每当电动机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相 应的步距角。 转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率 成正比，并在时间上与输入脉冲同步， 只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电动机绕组通电 相序即可获得所需的转角、转速及转向、很容易用微机 实现数字控制。
步进电动机控制系统
步进电动机的运行特性
1、步距角 α 步进电机运行一拍，其转子转过的转角度。 对应一个转角当量：转角/脉冲。
360 α = PZK
P − 定子相数； Z − 转子齿数； m − 通电拍数；
o
Hale Waihona Puke 360 α= mZoK K− 通电系数， = m P 通电系数，三相六拍 K = 2 三相三拍 K = 1
3)混合(HB-Hybrid)型 3)混合(HB-Hybrid)型 混合(HB
该型步进电机不仅具有VR型步进电动机步距角小、 该型步进电机不仅具有 型步进电动机步距角小、响应频 型步进电动机步距角小 率高的优点，而且还具有PM型步进电动机励磁功率小、效率高的 型步进电动机励磁功率小、 率高的优点，而且还具有 型步进电动机励磁功率小 优点。它的定子与VR型没有多大差别 型没有多大差别， 优点。它的定子与 型没有多大差别，只是在相数和绕组接线方 面有其特殊的地方，例如， 型一般都做成集中绕组的形式 型一般都做成集中绕组的形式， 面有其特殊的地方，例如，VR型一般都做成集中绕组的形式，每 极上放有一套绕组，相对的两极为一相， 极上放有一套绕组，相对的两极为一相，而HB型步进电动机的定 型步进电动机的定 子绕组大多数为四相， 子绕组大多数为四相 ， 而且每极同时绕两相绕组或采用桥式电路 绕一相绕组，按正反脉冲供电。 绕一相绕组，按正反脉冲供电。 这种类型的电动机由转子铁心的凸极数和定子的副凸极数决 定步距角的大小， 可制造出步距角较小(0.9°~3.6°)的电动机 。 的电动机。 定步距角的大小 ， 可制造出步距角较小 ° ° 的电动机 永久磁铁也可磁化轴向的两极，可使用轴向各向异性磁铁制成高 永久磁铁也可磁化轴向的两极， 效电动机。 效电动机。 混合型与永磁型多为双极性励磁。由于都采用了永久磁铁， 混合型与永磁型多为双极性励磁 。 由于都采用了永久磁铁 ， 所以，无励磁时具有保持力。另外，励磁时的静止转矩都比VR型步 所以，无励磁时具有保持力。另外，励磁时的静止转矩都比 型步 进电动机的大。 和 型步进电动机能够用做超低速同步电动机， 进电动机的大。HB和PM型步进电动机能够用做超低速同步电动机， 型步进电动机能够用做超低速同步电动机 如用60Hz驱动每步 °的电动机可作为 驱动每步1.8°的电动机可作为72r／min的同步电动机使 如用 驱动每步 ／ 的同步电动机使 用。
步距角
每一拍转子转过的角度。
三相单三拍
三相是指定子为三个绕组，单是指每拍只有 一相通电，三拍是指经过三次切换绕组的通电状态 为一个循环。
步进电动机控制系统
1. 三相三拍或单三拍工作方式 通电顺序为：A→B→C→A
A C` 逆时针旋转30° B` A C` B` A` 三相三拍工作方式 B C
41 3 4 1 2 2 3
典
交 流 伺 服 系 统 直 流 伺 服 系 统 步 进 电 动 机 控 制 系 统
第 型 伺 服 系 统 二 节
伺服驱动技术
步进电动机
一种将脉冲信号转换为角位移的执行元件。 步进电动机是一种纯粹的数字控制电动机。 其角位移与输入脉冲数严格成正比，旋转一周没 有累计误差。 需要脉冲电源（产生旋转磁场、提供功率驱动）。 三种常见的步进电动机： 反应式步进电动机 永磁式步进电动机 混合式步进电动机
步进电动机与DC和 伺服电动机相比其转矩 效率、精度、 伺服电动机相比其转矩、 步进电动机与 和AC伺服电动机相比其转矩、效率、精度、 高速性比较差，但步进电动机具有低速时转矩大、 高速性比较差，但步进电动机具有低速时转矩大、速度控制 比较简单、外形尺寸小等优点， 比较简单、外形尺寸小等优点，所以在办公室自动化方面的 打印机、绘图机、复印机等机电一体化产品中得到广泛使用， 打印机、绘图机、复印机等机电一体化产品中得到广泛使用， 在工厂自动化方面也可代替低档的DC伺服电动机 伺服电动机。 在工厂自动化方面也可代替低档的 伺服电动机。
第 三 章
伺服驱动技术
伺服系统的结构组成及分类 典型驱动元件及其控制 功率驱动接口
伺 服 系 统 的 结 构 组 成 及 分 类 伺服驱动技术
第 一 节
伺服驱动技术
根据控制指令信息，控制驱 动元件，使机械系统的运动部件 按照指令要求运动的一种控制技 术。
主要用于：机械设备位置、速度的动态控制。
伺服系统的结构组成及分类
B C
B`
A` 三相六拍工作方式 通电顺序为：A→AB→B→BC→C→CA→A
4
2 3
步进电动机控制系统
3. 双三拍工作方式
A C` B`
1
三拍一个循环，转子旋转了 一个齿极，空间角度为90°。 90° 90 步距角为30°。 30
B
3
2
C
A` 双三拍工作方式 通电顺序为：AB→BC→CA→AB
4
步进电动机控制系统
三种工作方式比较
三相三拍工作方式： 每次只有一相绕组通电，切换瞬间会失去自 锁转矩，易产生失步。且一相绕组产生的力 矩相对较小，在平衡位置易产生振荡。 三相六拍工作方式： 电动机运转中总有一相绕组通电，运转比较 平稳。步距角是三相三拍工作方式步距角的 一半。 双三拍工作方式： 电动机运转中总有一相绕组通电，运转比较 平稳。有两相绕组产生力矩。
一般用于精度、速度要求不高，低成本的机电一体化系统中。
闭环伺服系统：采用反馈控制 优点：精度高、调速范围宽、动态性能好； 缺点：系统结构复杂、成本高。
一般用于要求高精度、高速度的机电一体化系统中。
应用
驱动元件 驱动元件是处于机电一体化系统的机械运行机 构与微电子控制装置的接点（联接）部位的能 量转换元件。它能在微电子装置的控制下，将 输入的各种形式的能量转换为机械能，例如电 动机、电磁铁、继电器、液动机、油（气缸）、 内燃机等分别把输入的电能、液压能、气压能 和化学能转换为机械能。
步进电动机控制系统
开环控制系统 步进电机控制系统 闭环控制系统 速度环、 位置环
脉冲电源 指令 脉冲 环形 分配器 功率 驱动器 步进 电动机 负载 输 出
开环步进电动机控制系统框图
步进电动机控制系统
步进电动机
反应式步进电机的结构与工作原理
A B C
A 对齿
B
C A B
C
错齿
错齿
三相反应式步进电动机原理图