机电一体化系统设计第五章课件.ppt

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1、第4章 伺服系统设计,1,机电一体化系统设计,点击此处输入相关文本内容,总体概述,点击此处输入相关文本内容,第4章 伺服系统设计,3,第四章 伺服系统设计,第一节 概 述,伺服（随动）系统 ：在机电一体化控制系统中，输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统。它用来控制被控对象的转角（或位移），使其能自动地、连续地、精确地复现输入指令的变化规律。,伺服系统的基本组成：控制器、功率放大器、执行机构和检测装置等四大部分，如图4.1所示。,第4章 伺服系统设计,4,图4.1 伺服系统的组成,伺服系统的种类：1）按其组成元件性质划分：电气元件组成的电气伺服系统；电气元件与液压（或气动）元件组合

2、的电气-液压（气动）伺服系统。电气伺服系统又包括直流伺服系统、交流伺服系统和步进伺服系统。2）按控制方式划分：开环伺服系统、闭环伺服系统以及由开环与闭环组合的复合伺服控制系统。,第4章 伺服系统设计,5,伺服系统的执行元件,1. 电气执行元件 电气执行元件包括直流(DC)伺服电机、交流（AC）伺服电机、步进电机以及电磁铁等，是最常用的执行元件。对伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态性能好，适合于频繁使用，便于维修等2液压式执行元件 液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点3气压式执行元件 气压

3、式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。,第4章 伺服系统设计,6,图4.2 控制系统中的执行装置a）闭环控制系统 b）开环控制系统,第4章 伺服系统设计,7,伺服系统的基本要求 ：1.稳定性,指当作用在系统上的扰动信号消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下运行，或者在输入的指令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态的能力。,影响系统稳定的因素：伺服系统的稳定性是系统本身的一种特性，取决于系统的结构及组成元件的参数（如惯性、刚度、阻尼、增益等），与外界作用信号

4、（包括指令信号和扰动信号）的性质或形式无关。,第4章 伺服系统设计,8,2.精度及系统误差,伺服系统的精度：指其输出量复现输入指令信号的精确程度；动态误差：稳定的伺服系统对变化的输入信号的动态响应过程往往是一个振荡衰减过程，在动态响应过程中输出量与输入量之间的偏差；稳态误差：在动态响应过程结束后，即在振荡完全衰减掉之后，输出量对输入量的偏差；系统的静态误差：指由系统组成元件本身的误差及干扰信号所引起的系统输出量对输入量的偏差。,第4章 伺服系统设计,9,3.快速响应性,上升时间：输出响应从零上升到稳态值所需要的时间，主要取决于系统的阻尼比。阻尼比小则响应快，但阻尼比太小会导致最大超调量（系统输

5、出响应的最大值与稳态值之间偏差）增大；,调整时间：系统的输出响应达到并保持在其稳态值的一个允许的误差范围内所需的时间，调整时间加长使系统相对稳定性降低，调整时间取决于系统的阻尼比和无阻尼固有频率，当阻尼比一定时，提高固有频率值可以缩短响应过程的持续时间。,第4章 伺服系统设计,10,（一）常用电力电子器件 1晶闸管 晶闸管又称可控硅，晶闸管的主要类型有单向晶闸管SCR、双向晶闸管Triac、可关断晶闸管GTO，以及光控晶闸管、温控晶闸管等类型。 （1）单向晶闸管SCR 基本结构及表示符号如图4.3所示。SCR由三个极组成，分别称为阳极A，阴极K及控制极G（又称门极）。 单向晶闸管的工作状态：截

6、止和导通两种稳定状态。 1)导通条件:指晶闸管从阻断到导通所需的条件，这个条件是在晶闸管的阳极加上正向电压，同时在控制极加上正向电压。晶闸管一旦导通，控制极对晶闸管就不起控制作用了。 2)关断条件是指晶闸管从导通到阻断所需要的条件。晶闸管一旦导通，控制极对晶闸管就不起控制作用了。只有当流过晶闸管的电流小于保持晶闸管导通所需要的电流即维持电流时，晶闸管才关断。,第二节 伺服控制系统中常用电力电子器件,第4章 伺服系统设计,11,图4.3 单向晶闸管内部结构,第4章 伺服系统设计,12,如图4.4所示，当在晶闸管的阳极加上交流电压时，在电压的正半周，若给控制极加一个正触发脉冲，则晶闸管导通，而电压

7、过零时，晶闸管将关断；在下一个正半周，若想使晶闸管导通，必须重新给控制极加触发脉冲。图中， 控制角 指从零电压到被触发导通的瞬间的这段时间所对应的电度角； 导通角 指从被触发导通的瞬间开始到电压为零这段时间所对应的电度角。 对于纯阻性负载+= 改变触发信号相位，则，将随之变化，触发信号越提前，导通角越大，则平均输出电压Vs越大。 移相范围：SCR输出电压的最大值到最小值之间所对应角的变化范围。在上图单相整流电路中，SCR移相范围是180,晶闸管的应用原理,第4章 伺服系统设计,13,图4.4 SCR的控制信号及输出波形,第4章 伺服系统设计,14,如图4.6所示，其中MT1和MT2为主电极，G

8、为门极。特点是：在触发后是双向导通的；门极所加触发信号可以为正也可以为负。,图4.6 双向晶闸管的内部结构,（2）双向晶闸管TRIAC,第4章 伺服系统设计,15,（3）门极可关断晶闸管GTO,图4.7 门极可关断晶闸管,如图4.7所示，GTO有灵活方便的控制性能，当门极加上正控制信号时GTO导通；在门极加上负控制信号时GTO截止。,第4章 伺服系统设计,16,（4）光控晶闸管与温控晶闸管,图4.8 光控晶闸管结构,其结构如图4.8所示。,第4章 伺服系统设计,17,2.功率晶体管,(1)功率晶体管(电力晶体管)的特点 可工作在开关状态，也可工作在模拟状态，如声频功率放大，超声波功率放大，有源

9、滤波器等；功率晶体管的开关速度远大于晶闸管；功率晶体管的控制比晶闸管容易；功率晶体管价格高于晶闸管。,图4.9功率晶体管内部结构,第4章 伺服系统设计,18,(2）功率晶体管的结构原理加速二极管VD1：在输入端b的控制信号从高电平变成低电平的瞬间，二极管VDl导通，使VT1的一部分射极电流经过VDl流到输入端b，加速功率晶体管集电极电流的下降速度；续流二极管VD2：对晶体管VT2起保护作用，对于感性负载，当功率晶体管关断时，感性负载所存储的能量可以通过VD2的续流作用而泄放，避免对功率晶体管造成反向击穿。,第4章 伺服系统设计,19,（3）功率晶体管的应用,图4.10是用功率晶体管做功放元件的

10、步进电动机一相绕组的驱动电路。,图4.10 步进电动机一相绕组的驱动电路,第4章 伺服系统设计,20,3.功率场效应晶体管,（1)功率场效应晶体管的特性1）有较高的开关速度；2）具有较宽的安全工作区而不会产生热点和正的电阻温度系数；3）具有较高的可靠性和较强的过载能力，短时过载能力通常为额定值的四倍；4）具有较高的控制电压（阈值电压），可达26V，故有较高的噪声容限和抗干扰能力；5）具有很高的输入阻抗，因此驱动电流很小，接口容易。场效应管的表示符号如图4.11所示，其中G为栅极（控制极）；S为源极；D为漏极；在漏极D与源极S间有反向二极管。,图4.11 功率场效应晶体管表示符号,第4章 伺服系

11、统设计,21,3.功率场效应晶体管,（2)功率场效应晶体管的驱动 由于功率场效应管输入阻抗大，控制电压高，驱动电路相对简单。图4.12示出了两种驱动电路，图中RL为负载电阻。,图4.12 功率场效应管的驱动,第4章 伺服系统设计,22,固态继电器是一种无触点功率型通断电子开关，又名固态开关。当在控制端输入触发信号后，主回路呈导通状态；无控制信号时主回路呈阻断状态。,(1)固态继电器特性 1）固态继电器输出电路可接交流或直流，对交流负载的控制有过零与不过零控制功能，其控制信号如图4.13所示； 2）由于固态继电器是一种电子开关，故有一定的通态压降和断态漏电流； 3）负载短路易损坏SSR，应特别注

12、意避免。,4.固态继电器（SSR）,图4.13 不同功能的固态继电器控制信号a）直流型 b）过零型 c）非过零型,第4章 伺服系统设计,23,(2)固态继电器的应用 图6.28示出了8031单片机通过固态继电器控制一交流接触器的电路。当8031的P1.0输出高电平时，固态继电器SSR导通，交流接触器K吸合，主电路导通；当P1.O输出低电平时，固态继电器截止，交流接触器断开，主电路关断。,4.固态继电器（SSR）,图6.28 SSR应用,第4章 伺服系统设计,24,第三节伺服系统中的执行元件,电气式执行元件 液压式执行元件 气压式执行元件,位于电气控制装置和机械执行装置接点部位的一种能量转换装置

13、，它能在控制装置的控制下，将输入的各种形式的能量转换成机械能。,第4章 伺服系统设计,25,一、步进电动机,将电脉冲信号转换成角位移（或线位移）的一种机电式数模转换器。其转子的转角（或位移）与电脉冲数成正比，它的速度与脉冲频率成正比，而运动方向是由步进电动机通电的顺序所决定的。,第4章 伺服系统设计,26,步进电机是一种把开关激励的变化变换成精确的转子位置增量运动的执行机构，它将电脉冲转化为角位移。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步距角）。步进电机具有转矩大、惯性小、响应频率高等优点,因此具有瞬间起动与急速停止的优越特性。,第4章 伺服系统设计

14、,27,图4.16 步进电动机工作原理,第4章 伺服系统设计,28,工作原理,当脉冲通入A相时，磁通企图沿着磁阻最小的路径闭合，在此磁场力的作用下，转子的1、3齿要和A级对齐。当下一个脉冲通入B相时，磁通同样要按磁阻最小的路径闭合，即2、4齿要和B级对齐，则转子就逆时针方向转动一定的角度。,第4章 伺服系统设计,29,通断电拍：步进电动机绕组的每一次通断电操作。 单相通电方式：每拍中只有一相绕组通电，其余断电的通电方式。三相步进电动机一个通电循环（A、B、C三相轮流通电一次共需三拍）：相应的通电方式又为三相单三拍通电方式；特点：稳定性不好，当一相断电时，另相刚开始通电，易失步。,步距角：每通断

15、电一次，步进电动机转过的角度。方向控制：改变各相绕组的通断电顺序。速度控制：改变绕组的通断电频率。,第4章 伺服系统设计,30,单双相轮流通电方式：步进电动机通电循环的各拍中交替出现单、双相通电状态通电方式。三相步进电动机采用单双相轮流通电方式时，每个通电循环中共有六拍，其步距角等于15，因而又称为三相六拍通电方式，即AABBBCCCAA。,双相通电方式：步进电动机通电循环的每拍中都有两相绕组通电方式。三相双三拍通电方式：三相步进电动机采用双相通电方式时，每个通电循环也需三拍，其步距角为30，即ABBCCAAB。工作稳定不易失步。,第4章 伺服系统设计,31,结论： 1）步进电动机绕组的通电状

16、态每改变一次，转子转过一个确定的步距角； 2）改变定子绕组通电顺序，转子旋转方向随之改变； 3）定子绕组通电状态的改变速度越快，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； 4）步距角与定子绕组相数、转子齿数、通电方式k有关式中，相邻通电相数相同时， k=1；相邻通电相数不同时， k2；依次类推。,第4章 伺服系统设计,32,（1）主要性能指标 1）步距角及步距精度 步距角：反映步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。步距角越小，加工精度越高。 步距精度：是指理论的步距角和实际的步距角之差，以分表示。步距精度主要由步进电动机齿距制造误差、定子和转子间气隙不均匀

17、、各相电磁转矩不均匀等因素造成。步距精度直接影响工件的加工精度以及步进电动机的动态特性。,第4章 伺服系统设计,33,图4.17 启动时的惯频特性,2）启动频率（突跳频率）与启动惯频特性启动频率（突跳频率）fq：空载时，步进电动机由静止突然启动，进入不失步的正常运行所允许的最高启动频率。快速性指标。启动惯频特性：指负载转矩一定时，启动频率随负载惯量变化的特性。,第4章 伺服系统设计,34,静态运行状态：步进电动机在不改变定子绕组的通电状态，即一相或几相绕组通直流电时的运行状态，指步进电动机通的直流为常数且转子不动时的定位状态，此时可能转子在平衡位置，也可能转动一个角度。,静态特性:主要是指静态

18、矩角特性，即在静态运行状态下的转矩与转角之间的关系。有最大静态力矩Mmax，还有最大启动力矩Mq。当外负载超过Mq时，电机就不能启动。矩角特性： Mff()的曲线称为力矩失调角特性曲线，如图4.18所示。矩角特性差异过大，会引起精度下降和低频振荡 。,静态力矩：步进电机在静态运行状态下的定位时的电磁力矩。失调角 ：在静态运行状态下，的电机转子负载作用时相对于空载时的角位移。,第4章 伺服系统设计,35,图4.18 单相通电矩角特性,第4章 伺服系统设计,36,共振现象,连续运行状态,当控制脉冲的频率和步进电动机的固有频率相同时，步进电动机则会发生共振现象，破坏电动机正常运行。,当控制脉冲的转换

19、时间小于电动机的过渡过程时，步进电动机呈连续运行状态。连续运行状态运行状态下的转矩即为动态转矩。,步进运行状态,当控制脉冲的转换时间大于电动机的过渡过程时，电动机呈步进运动状态,第4章 伺服系统设计,37,矩频特性,连续运行频率,动态转矩与脉冲频率的关系,步进电动机启动后，当控制脉冲频率逐渐升高仍能保证不丢步运行的极限频率,动态转矩,指在电动机转子运行的过渡过程尚未达到稳定值时电动机产生的力矩，也即某一频率下最大负载转矩。动态力矩随脉冲时间(随控制脉冲频率)的不同而改变。脉冲频率增加，动态力矩变小。,第4章 伺服系统设计,38,图4.19 矩频特性曲线 图4.20升降速特性曲线,第4章 伺服系

20、统设计,39,1.直流伺服电动机工作原理 直流伺服电动机主要由磁极、电枢、电刷及换向片等三部分组成，如图4.21所示。,电动机的类型,1）按电枢的结构与形状可分成平滑电枢型、空心电枢型和有槽电枢型等。 2）直流伺服电动机还可按转子转动惯量的大小而分成大惯量、中惯量和小惯量直流伺服电动机。,电动机的工作原理,当电枢绕组中通过直流电时，在定子磁场的作用下就会产生带动负载旋转的电磁转矩，驱动转子转动。,第4章 伺服系统设计,40,图4.21 直流伺服电动机基本结构,第4章 伺服系统设计,41,2. 直流伺服电动机的控制及其调速方式,电压平衡方程式：式中，UK 是电枢电压；Ea是电枢反电动势；Ia是电

21、枢电流；Ra是电枢电阻。 电枢反电动势Ea与转速n之间的关系：式中，Ce是电动势常数，仅与电动机结构有关；是定子磁场中每极气隙磁通量。电磁转矩 T：式中，CT是转矩常数，与电动机结构有关。,第4章 伺服系统设计,42,图4.22 电枢控制式直流伺服电动机,第4章 伺服系统设计,43,2.直流伺服电动机的控制及其调速方式,联解上述各式可得到直流伺服电动机运行控制特性方程 由上式可知，直流伺服电机的转速是电枢控制电压和励磁磁场的函数，通过控制电枢电压或控制励磁磁场就可以调节电动机的转速。,第4章 伺服系统设计,44,（1）电枢电压控制和恒转矩调速,由电动机的运行特性方程可知，当电动机负载转矩T不变

22、、磁通不变时，上式右边各项除外均为常数。它表示电动机在一定负载下转速n与控制电压UK的关系。即当负载转矩T不变、磁通不变时，电动机的转速n随电枢端电压UK的上升而增大，反之则减小,第4章 伺服系统设计,45,电枢电压控制转速的特点：从电机发热观点来看电枢所允许通过的电流是一定的，而又保持不变，所以不论电机工作在高速还是低速，电动机所能发出的转矩TCTIa是一定的。电机的功率PTn由于电机输出转矩不变，所以功率与转速成线性关系。,第4章 伺服系统设计,46,（2）励磁磁场控制和恒功率调速,1）励磁磁场控制由电机运行控制方程可知，当电枢电压UK不变，负载转矩T一定时，改变电动机励磁绕组的端电压以改

23、变磁通 ，即可改变电动机转速n的大小。这种控制方式又叫做磁极控制方式。,2）恒功率调速励磁磁场控制的特点：电动机所允许的电流一定，但由于减少时n增加，所以转矩TCTIa是下降的，也就是说当调节励磁改变转速时，转矩随转速改变而改变，转速越高输出的转矩越低，反之相反，如图所示。,第4章 伺服系统设计,47,第4章 伺服系统设计,48,（1）电枢电压控制特性 1）机械特性 机械特性是指控制电压恒定时，电动机转速随负载转矩变化的关系，即UK常数时，nf（T）。采用电枢电压控制时为式中,为直线在纵坐标上的截距；为该直线的斜率。机械特性曲线如图所示。,第4章 伺服系统设计,49,图4.23直流伺服电动机的

24、机械特性,第4章 伺服系统设计,50,称为理想空载转速。可见，其值与电枢电压成正比。,称为启动转矩或堵转转矩，其值也与电枢电压成正比。,第4章 伺服系统设计,51,式中，是转矩增量，是对应的转速增量。值的大小表示了电动机转矩变化所引起的转速变化程度。对应同样的转矩变化，转速变化大即大的机械特性软，转速变化小即小的机械特性硬。不同时的机械特性如图4.24所示。,第4章 伺服系统设计,52,图4.24不同控制电压时的机械特性,第4章 伺服系统设计,53,2）调节特性,负载力矩TTs常数的情况下，电动机的转速n与控制电压Uk之间的函数关系，即nf（Uk）。由电机运行方程得：调节特性如图4.25所示。

25、,调节特性的特点,1）当Ts 常数时，n与Uk之间的关系是一条直线，直线的斜率为 ， Ts不同时的调节特性是一组平行线；2）UkUk0 （始动电压或死区电压）时，电机转速n0；3）负载越大始动电压越大，电机为理想空载的始动电压为零。,第4章 伺服系统设计,54,图4.25 伺服电动机的调节特性,第4章 伺服系统设计,55,（2）励磁磁场控制,由电机的运行控制方程可知，如果改变励磁磁通，保持电枢电压不变，就可得到如图所示的机械特性。由于磁路饱和，磁通一般只能减弱，不能增强。,第4章 伺服系统设计,56,（3）影响直流伺服电动机特性的因素,功放电路对机械特性的影响 内部摩擦对调节特性的影响 负载变

26、动对调节特性的影响 电枢电压、电阻对调节特性的影响,功放电路中必然存在一定内阻，其等效电路如图4.26所示，其机械特性斜率应为内阻越大，机械特性越软，希望放大器有较低的内阻 。,直流伺服电动机内部存在摩擦（如转子与轴承间的摩擦等），直流伺服电动机在启动时需要克服一定的摩擦转矩，因而启动时电枢电压不可能为零，同样存在一个死区电压（即始动电压）。,在实际伺服系统中，负载随转速变动将导致调节特性的非线性问题。如流体摩擦阻力是随转速增加而增加的，数控机床切削加工过程中的切削力也是随进给速度变化而变化等等。,当电枢电压比较小时，电动机的转速在几转/分到几十转/分范围内是不稳定的，会出现时快时慢的低速运转

27、不稳定性现象；电枢回路电阻（主要是电刷与换向器的接触电阻）变化，也将引起转速不稳定性现象。,第4章 伺服系统设计,57,图4.26 放大器的等效电路 图4.27 放大器内阻对机械特性的影响,第4章 伺服系统设计,58,四、交流伺服电动机,励磁绕组f1f2：接于电源上的绕组（由定值交流电压励磁）；控制绕组K1K2：接于控制电压上的绕组（由伺服放大器供电而进行控制）；励磁绕组和控制绕组在定子空间上互成90的电角度。交流伺服电动机的结构原理如图4.28所示。,鼠笼型结构：励磁电流小，性能优良，转子惯量大，如图4.29所示；杯型结构：转子转动惯量小，运转平稳、噪声小，但励磁电流大，效率低，体积大，如图

28、4.30所示。,第4章 伺服系统设计,59,图4.28 交流伺服电机原理图1.励磁绕组 2.控制绕组 3.转子,图4.32 伺服电动机接线图 图4.33 合成磁通矢量末端随时间变化的轨迹图,第4章 伺服系统设计,60,图4.29 鼠笼型转子伺服电动机结构 1.定子铁芯 2.定子绕组3.鼠笼转子 4.机壳 5.端盖 6.轴承 7.轴,图4.30 杯形转子伺服电动机结构 1.外定子 2.杯形转子 3.内铁芯,第4章 伺服系统设计,61,单相绕组通交流电在气隙中产生不旋转的脉动磁（通）场，双相绕组通同幅值、同相位的交流电则产生固定方向不旋转的合成脉动磁（通）场；在两相绕组上通幅值相等、相位差90电角

29、度的对称电压，则在电动机的气隙中产生圆形旋转磁场；若两个电压幅值不等或相位差不是90电角度，则产生的磁场将是一个椭圆形旋转磁场。,旋转磁场的圆度决定电机转速，故负载转矩一定时，改变控制信号幅值或相位差，就可以改变磁场的圆度，从而控制伺服电动机的转速。定义旋转磁场的圆度（电机的有效信号系数）为 K表示了两相供电电压的不对称程度。K1则两相绕组对称且电压互相差90，为圆形旋转磁场；K0表示UU0，为脉动磁场； 0K1为椭圆形旋转磁场。,第4章 伺服系统设计,62,在励磁电路串联移相电容，改变控制电压的幅值以引起励磁电压的幅值，及其相对于控制电压的相位差发生变化。,保持控制电压和励磁电压之间的相位差

30、角为90 ，仅仅改变控制电压的幅值。,保持控制电压的幅值不变，仅仅改变控制电压与励磁电压的相位差。,第4章 伺服系统设计,63,交流伺服电动机的接线图如图4.32所示。励磁绕组V与电容串联接到单相交流电源电压上，控制绕组U接于同频率交流电压或功率放大器的输出端；励磁绕组串接电容，适当选择C的数值，使励磁绕组的端电压与电源电压间有近90的相位差，以产生两相旋转磁场。,第4章 伺服系统设计,64,假定不考虑磁饱和现象，空间相位差90的两相绕组在外加电流相位差为90的电压作用下，分别在两绕组中产生脉动磁场，即上式是一个椭圆方程式。其纵轴长为，横轴长为。,第4章 伺服系统设计,65,图4.32 伺服电

31、动机接线图 图4.33 合成磁通矢量末端随时间变化的轨迹图,第4章 伺服系统设计,66,在一定负载转矩下，控制电压越大，则转速也越高；在一定控制电压下，负载转矩加大，转速下降；特性曲线的斜率随控制电压的大小不同而变化，表现为机械特性较软，如图4.34所示。,幅值控制的调节特性也不是直线，只当n较低时近似为直线；负载转矩大时，初始起动电压也高，如图4.35所示。,第4章 伺服系统设计,67,图4.34 UB为常数时曲线图4.35 交流伺服电动机调节特性,第4章 伺服系统设计,68,图4.36 开环步进伺服系统结构图a)使用电液脉冲马达 b)使用功率步进电机,在开环步进伺服系统中指令信号是单向流动

32、的，由机床数控装置送来的指令脉冲，经驱动电路、功率步进电机或电液脉冲马达、减速器、丝杠螺母副转换成机床工作台的移动。,第4章 伺服系统设计,69,一、步进电动机的控制与驱动,（1）硬件脉冲分配器 （2）软件脉冲分配器,脉冲分配器按一定的顺序导通和截止使相应的绕组通电或断电。硬件分配器由门电路、触发器等基本逻辑功能元件组成。国产YB系列集成脉冲分配器型号为：YB013（三相）、YB014（四相）、YB015（五相）、YB016（六相），其引脚功能见教材表4.2所示。 图4.37是采用通用微机接口芯片8255和脉冲分配器YB014组成的步进电动机脉冲分配控制电路原理图。图中，A0接电源，A1接地，

33、构成四相八拍控制；当8255的PA0口线输出高电平时，控制步进电动机正转，输出低电平时，控制步进电动机反转；8255的PA1口线输出的脉冲数量决定步进电动机的转角，脉冲频率决定步进电动机的转速。,基本原理：根据步进电动机与计算机的接线情况及通电方式列出脉冲分配控制数据表；运行时按节拍序号查表获得相应的控制数据；在规定时刻通过输出口将数据输出到步进电动机驱动电路。 图4.38是采用单片机8031对数控X-Y工作台的两台四相步进电动机进行控制的接口电路原理图，脉冲分配数据见表4.5所示。 当8031的P1口输出数据EEH时，X向和Y向两个步进电动机的A相绕组都通电； 当8031的P1口输出数据EC

34、H时，Y向步进电动机的A相通电，X向步进电动机的A、B两相通电； 当按节拍序号顺序循环控制时，步进电动机正转；当按倒序循环控制时，步进电动机反转。,第4章 伺服系统设计,70,第4章 伺服系统设计,71,第4章 伺服系统设计,72,图4.37四相八拍脉冲分配控制原理图,第4章 伺服系统设计,73,图4.38单片机与步进电动机接口电路,第4章 伺服系统设计,74,第4章 伺服系统设计,75,图4. 39脉冲分配控制程序图,第4章 伺服系统设计,76,一、步进电动机的控制与驱动,硬件方法 软件方法 定时常数的确定,在硬件脉冲分配器的时钟输入端（CP）接一可变频率脉冲发生器，改变其振荡频率，即可改变

35、步进电动机速度。,采用定时器来确定每相邻两次分配的时间间隔(脉冲分配周期)，并通过中断服务程序向输出口分配控制数据，可用单片机定时器控制。,设数控工作台的脉冲当量为(mm)，运动速度为V（mm/min)，单片机的晶振频率为fosc(Hz)，采用CTC0的工作模式1(即16位定时器模式)，则定时常数Tx(s)可按下式确定：,第4章 伺服系统设计,77,FC: MOV TL0, 5BH ; 5AH、5BH中存放着与速度 MOV TH0, 5AH ; 相应的定时常数 SETB TR0 ; 启动定时器 ; 其它程序，如脉冲分配等 INTR0: MOV TL0, 5BH ; 重装定时常数 MOV TH0

36、, 5AH MOV P1, 55H ; 输出脉冲分配控制数据 RETI ; 中断返回,第4章 伺服系统设计,78,Pa为运算器送来的进给脉冲，其频率为fa；Pb为实际送入步进电动机分配器的工作脉冲，其频率为fb；Pa和Pb都经同步器送入可逆计数器，Pa送入可逆计数器时作加法，Pb送入可逆计数器作减法。 可逆计数器中记下的是进给脉冲与工作脉冲之差N，送入数模转换装置，将N的变化转换成电阻值R的变化，然后通过R的变化改变振荡频率。,当输入量为阶跃值时，输出量却是缓慢变化的，从而达到自动升降速的目的。其控制原理为： 升速过程：在进给开始时，fafb，可变频振荡器的频率较低，所以反馈脉冲（即工作脉冲）

37、数比进给脉冲数少，因而可逆计数器的寄存器数N逐渐增加，振荡器的频率逐步提高，经过时间t后使fafb ，达到平衡。,硬件电路框图 控制原理升降频规律,恒速过程：在fafb后，可逆计数器的存数不变，因而振荡器的频率也稳定下来，这时反馈脉冲频率和进给脉冲频率相一致。 降速过程：运算已达到终点，进给脉冲变为零时，可逆计数器只有反馈脉冲。因此，可逆计数器中的存数逐渐减少，反馈脉冲的频率亦逐步降低，直到可逆计数器中存数为零，即可逆计数器全“0”，步进电动机停止工作。,第4章 伺服系统设计,79,单电压驱动电路 高低电压驱动电路 斩波型驱动电路,为了改善步进电动机的频率响应，改善激磁电流的波形，一种方法是提

38、高电流上升时间段的激磁电压，当电流上升到一定值后，再将激磁电压减为额定值。这就是高低电压驱动的原理，其电路如图4.44所示。,驱动电路种类：晶体管驱动电源、高频晶闸管驱动电源、可关断晶闸管驱动电源和混合元件驱动电源等。,适当选择R1、R2、R3的阻值，使得当输入信号uA为低电平时，ub20，功率管BG3截止。当输入信号uA为高电平，ub20，功率管BG3饱和导通，步进电动机的A相绕组中有电流。同样，B相绕组、C相绕组等，只要某相为逻辑高电平，相应的相便导通。,图4.43 单电压驱动电路,图4.44高低电压驱动电路,当uA为高电平时，使BGg、BGd均导通，在高低压电源作用下，绕组电流迅速上升，

39、当电流达额定电流时，定时电路或电流检测电路切断BGg的基极电压，BGg截止，但BGd仍是导通的，绕组电流立即转而由低电压电源经过二极管D1供给。当uA为低电平时，ubg、ubd均为低电平，BGg、BGd均截止，绕组反电势经二极管D2和电阻Rf2向高压电源放电，绕组中电流迅速下降。,图4.47斩波型驱动电路,电动机绕组回路中串接一个电流检测环节，当绕组电流上升到某一数值或下降到某一数值时，电流检测环节输出一信号，与分配器送来的 脉冲进行综合，经过高电压电流放大器控制高压管BGg的导通与关断。低压管BGd直接与 信号经电流放大器进行控制。,第4章 伺服系统设计,80,图4.48 转速、电流双闭环调

40、速系统电路原理,用直流伺服电动机作为执行元件的伺服系统，主要包括晶闸管-直流电动机调速系统和大功率晶体管脉宽调制（PWM）调速系统。,一、晶闸管-直流电动机调速系统,1. 转速、电流双闭环调速系统的组成 主要由转速调节器ASR、电流调节器ACR、测速发电机TG、电流互感器TA、晶闸管触发器AT、晶闸管UR及伺服电动机等组成，如图4.48所示。,第4章 伺服系统设计,81,其输出电压为：式中，为PI调节器积分时间常数；.为PI调节器比例系数。1）由于有比例调节功能，才有了较好的动态响应特性，有了良好的快速性，弥补了积分调节的延缓作用；2）由于有积分调节的功能，只要输入端有微小的信号，积分就进行，

41、直至输出达限幅值为止，如图4.50所示。,作用：消除系统静差并提高系统的快速响应性。其电路结构和性能如图4.49所示。,图4.49比例积分调节器 图4.50 PI调节器的输出特性,第4章 伺服系统设计,82,晶闸管触发器AT和晶闸管UR作为驱动直流伺服电动机的功率驱动装置；晶闸管导通需要有一个触发电路来提供触发脉冲；晶闸管触发器AT的输出脉冲控制晶闸管的导通和关断。晶闸管触发器组成如图所示。,1）触发电路电路的组成 脉冲形成电路：产生一定功率（一定的幅值与脉宽）的脉冲。常用电路为单结晶晶体管自激振荡电路、单稳触发电路等。 移相控制电路：调节触发脉冲发生的时刻（即调节控制角的大小），常用锯齿波（

42、或正弦波）与给定信号电压进行比较来进行移相控制。 同步电路：使触发脉冲每次产生的时刻都能准确地对应着主电路电压波形上的时刻。方法：把主电路的电压信号直接引入（或通过同步变压器从主电路引入，或经过阻容移相电路从主电路引入）来作为触发同步信号。 脉冲功率放大电路：若触发驱动的晶闸管的容量较大则要求触发脉冲有较大的输出功率。若形成的脉冲的功率不够大时，这时还要增加脉冲功率放大环节。通常采用复合管组成的射极输出器或采用强功率触发脉冲电源。,2）触发电路的工作原理 单结晶体管自激振荡电路 组成：由两个基极（b1和b2）和一个阴极构成的一种特殊类型的晶体管，如图所示。 特点： 当在两个基极（b1和b2）加

43、上一个电压Ubb后，第一基极上的电压UAUbb，式中，0.30.9，为分压比。 当Ueb1UA时，管内的PN结处于反偏而截止，e、b1极间无电流；当Ueb1UA时，管内的PN结处于正偏导通，e、b1极间有电流流过（使管子由截止变为导通的Ueb1的数值相对较高，称为峰点电压UP）。当e、b1极间有电流通过后，e、b1间的电阻将大幅度降低（从几千欧降至几十欧），e、b1极间的电流将迅速增大而使管子进入饱和状态。当管子导通以后，只有降到一个较低的数值（称为谷点电压UV），管子才能重新由导通变为截止。,第4章 伺服系统设计,83,PI调节器特点：调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非

44、输入为反极性信号使调节器退出饱和。即饱和的调节器暂时隔断了输入和输出之间的联系，相当于系统开环。 调节器不饱和的条件下，PI的作用使输入偏差电压在稳态时为零，实现无静差。系统静态结构框图如图4.51所示。,图4.51 双闭环调速系统静态结构框图,第4章 伺服系统设计,84,转速调节器的作用：保持转速稳定，并在最后消除转速误差。 稳态时，.，即.当为一定的时，速度调节器调节作用，转速将稳定在的数值上，其调节原理如图所示。,第4章 伺服系统设计,85,电流调节器的作用：稳态时，起稳定电流作用：.，即当.为一定的情况下，由于电流调节器的调节作用，整流装置的电流将保持在.的数值上，其调节原理如图所示。

45、,第4章 伺服系统设计,86,双闭环调速系统的静特性： .1）当电流.时，表现为转速无静差(.)，系统以转速负反馈起主要调节作用。.2）当 . 达到.以后，转速调节器ASR输出饱和，此时系统以电流调节器起主要作用，表现为电流无静差（. 0），起到过电流的自动保护作用。,第4章 伺服系统设计,87,在系统正常运行时，两个调节器都不饱和。稳态时，它们的输入偏差电压都是零。因此有如下两个关系式,调速系统静特性,第4章 伺服系统设计,88,由于ASR不饱和，则（限幅值），由上式知：。一般设计成.（额定值）。在两个调节器均不饱和时运行于静特性-段，调速特性如图4.52所示。,调速系统静特性,第4章 伺服

46、系统设计,89,第4章 伺服系统设计,90,图4.53双闭环调速系统动态结构图,1）转速调节器和电流调节器的传递函数 式中， 为PI调节器的超前时间常数。,2）晶闸管的传递函数为,3）由直流伺服电动机的数学模型经简化可得其传递函数为,4）感应电势 与转速 之间的传递函数为,第4章 伺服系统设计,91,1) 在起动过程中，随着ASR从饱和到不饱和，使系统工作于完全不同的状态：即当ASR饱和时转速开环，构成由ACR实现恒值电流调节的单闭环系统；当ASR不饱和时转速外环为无静差调速系统，内环为电流跟踪系统，呈现所谓饱和非线性控制的特征。 2) 起动过程的主要阶段是恒流升速段。其特征是电流 恒定，并设

47、计为最大允许值，以便充分发挥电动机的过载能力，以最大电流加速起动，实现起动时间最短。即所谓时间最优控制。 3) 采用PI调节的双闭环调速系统的转速动态响应必然有超调。因为在起动的转速调节阶段(段)，必须使ASR退出饱和，按PI的特性只有转速超调，才能使 为负值，只有 为负值，才能使ASR退出饱和。,双闭环控制可以获得接近于的理想的起动过程。当突加给定电压时，系统由静止状态起动,其转速和电流的过渡过程曲线如图4.54所示。,图4.54 双闭环调速系统起动时的转速和电流波形,为电流上升段(0t1):ASR由不饱和很快达到饱和，而ACR不饱和，确保电流内环的调节作用； 为恒流升速段(t1t2): A

48、SR处于饱和，转速外环相当于开环。 为转速调节段(t2点以后)：转速超调，即 ，结果造成 为负，使ASR退出饱和状态。,第4章 伺服系统设计,92,优点：（1）主电路简单，需用功率元件少；（2）开关频率高，电流易于连续，谐波成分少，使电机损失小；（3）低速性能好，稳态精度高，调速范围宽；（4）系统频带宽，快速响应好，动态抗扰性能强；（5）主电路元件工作于开关状态，损耗小，效率高。,基本原理是：利用大功率器件的开关作用，将直流电压转换成一定频率的方波电压，通过对方波脉冲宽度的控制，改变输出电压的平均值。PWM晶体管功率放大器由两部分组成，一部分是电压-脉宽变换器，另一部分是开关功率放大器，其结构

49、如图4.56所示。,1.PWM晶闸管功率放大器,图4.56 PWM晶体管功率放大器结构框图,第4章 伺服系统设计,93,由三角波（或锯齿波）发生器、加法器和比较器组成。,第4章 伺服系统设计,94,1）三角波电压-脉宽变换器原理：三角波发生器用于产生一定频率的三角波 ，该三角波经加法器与输入的指令信号 相加，产生信号 ，然后送入比较器。比较器是一个工作在开环状态下的运算放大器，具有极高的开环增益及限幅开关特性。两个输入端的信号差的微弱变化，会使比较器输出对应的开关信号。当 0时，比较器输出满幅度的正电平；当 0时，比较器输出满幅度的负电平。,第4章 伺服系统设计,95,图4.57 PWM脉宽调

50、制波形,当 0时，输出信号 为正负宽度相等的矩形脉冲。 当 0时， 的正脉宽大于负脉宽。 当 0时， 的负脉宽大于正脉宽。 当 (是三角波的峰-峰值)时， 为一正直流信号；当 时， 为一负直流信号。,第4章 伺服系统设计,96,1）锯齿波电压-脉宽变换器原理（UPW） 三个输入信号： 为由锯齿波发生器提供的锯齿波信号，频率一般为14kHz，由主电路开关频率决定；另一个输入信号是控制电压 ，其极性和大小随系统控制要求随时可变；第三个为负偏移电压，其值调整为,图4.61锯齿波脉宽调制三种情况下的波形,图4.60 锯齿波脉宽调制器,要求当 0，电机电抠电压 0。应调整负偏压 ，使 的正、负向脉宽相等