【正文】 域獲得廣泛使用，但是迅速被交流伺服所取代?？刂破鞯墓δ苁峭瓿伤欧到y(tǒng)的閉環(huán)控制，包括力矩、速度和位置等。 進(jìn)入 21 世紀(jì)，在以多媒體和互聯(lián)網(wǎng)為特征的信息時(shí)代，電動機(jī)和驅(qū)動裝置繼續(xù)發(fā)揮支撐 作用，向節(jié)約資源、環(huán)境友好、高效節(jié)能運(yùn)行的方向發(fā)展。 從 20 世紀(jì)開始一直到 1970 年代，是電動機(jī)的成長和成 熟期，有刷直流電機(jī)、感應(yīng)電動機(jī)、同步電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)等各種電機(jī)相繼誕生，半導(dǎo)體驅(qū)動技術(shù)和電子控制概念引入，帶來變頻驅(qū)動的實(shí)用化。具體元器件如表 32 所示 . 表 32 電路中的元器件 元器件名 型號 數(shù)量 參數(shù) 環(huán)形分配器 CH250 1 可分配雙三拍，三相六拍 與門 74LS68 3 有 0 出 0，全 1 出 1 非門 NOT 6 取反 光電開關(guān) OPTOCOUPLERNPN 6 上拉電阻 330 歐姆，電壓 5V 功率三 極管 IRG4BC10U 3 承載電流 4A、電壓 10KV，壓降 2V 二極管 DIODE、 1N5401 6 正向壓降 100V，導(dǎo)通電流 3A，壓降 2V 電壓比較器 TLC327 3 比較電壓為 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 36 交流伺服系統(tǒng) 1）交流伺服電機(jī)概述。二極管 D3 起續(xù)流保護(hù)作用， IN5401 最大能夠承受的正向電壓為 100V，電流 3A，能夠滿足設(shè)計(jì)要求，所串電阻可以使電流下降更快，讓繞組后沿波形變陡，阻值越大，耗能越快，選用 1K 的電阻滿足設(shè)計(jì)要求，采樣電阻 R7 一般很小，為 左右。 圖使用三個(gè)與非門，用于對所給信號相與取反，實(shí)現(xiàn)對 IGBT 的導(dǎo)通關(guān)斷的控制。電壓比較器 TLC372 是單通道的比較器， 該電路克服了上一個(gè)電路在非 0V恒定電壓不能比較正弦波的情況。 圖 310 斬波恒流驅(qū)動電 當(dāng)輸入為脈沖為高電平時(shí)，信號分為兩路，第一路經(jīng)過非門 U7，輸出低電平，光電開關(guān)正向?qū)?，開始工作，觸發(fā)電壓使 IGBT 管 Q2 導(dǎo)通，另一路信號到與門 U8同比較器輸出信號相與，輸出高電平，經(jīng)非門 U2 取反，輸出低電平，光電開關(guān) U4導(dǎo)通，觸發(fā)電壓使 IGBT 管 Q1 導(dǎo)通，電機(jī)繞組上的電流逐漸增大，當(dāng)電流增大到額定電流以上時(shí)，采 樣電阻 R7 上的電壓增大，反饋電壓增大，比較器輸出低電平，經(jīng)非門輸出高電平，光電開關(guān) U4 停止工作， IGBTQ1 截止，電機(jī)繞組由 12V電源提供電流，電流逐漸減小，當(dāng)電流小于額定值時(shí)，采樣電阻反饋回的電壓減小，與非門輸邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 出低電平，光電開關(guān) U4 工作， IGBT 管 Q1 接著工作，繞組電流又逐漸增大。步進(jìn)電機(jī)的使用性能和它的驅(qū)動電源有著密切的關(guān)系步進(jìn)電機(jī)的恒流斬波驅(qū)動技術(shù)從一定程度上解決了步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行中的一些問題如電源效率低、電流波形差等。特點(diǎn)：功率開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，功耗很低，邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 但器件多、體積大。基本上消除了步進(jìn)電機(jī)的低速振動問題，使步進(jìn)電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，沒有噪聲。三相步進(jìn)電動機(jī)線性細(xì)分后，原來一相的一個(gè)大脈沖由現(xiàn)在的 n 個(gè)階梯脈沖替。 細(xì)分驅(qū)動電路的基本工作原理 ：對每一控制脈沖，細(xì)分使其電流逐步增加達(dá)到脈沖的最大電流，又逐步減少達(dá)到脈沖的最小電流，從而可實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)轉(zhuǎn)、控制、分辨，以及提高步進(jìn)精度。這就要求驅(qū)動電源對繞組提供的電壓與電動機(jī)運(yùn)行頻率建立直接聯(lián)系，即低 頻時(shí)用較低的電壓供電，高頻使用較高的電壓供電，調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動方式可以較好地滿足這一要求。 調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動能夠減小低頻振動，低速時(shí)繞組電流上升的前沿應(yīng)較平緩，這樣才能使轉(zhuǎn)子在到達(dá)新的穩(wěn)定平衡位置時(shí)不產(chǎn)生過沖。 這種電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但它使步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行矩頻特性、啟動矩頻特性和慣頻特性都有明顯的提高，使繞組中的脈沖電流邊沿陡，快速響應(yīng)好，且無外接電阻，所以功耗下降很多，提高了效率，還保證了在很大的頻率范圍內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)都能輸出恒定的轉(zhuǎn)矩。環(huán)形分配器輸出的脈沖作為輸入信號，若脈沖為正，則邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 VT1 和 VT2 導(dǎo)通，電壓 U1 加在電機(jī)繞組上使電流增加，當(dāng)電流增大至額定電流以上時(shí)，采樣電阻上的電壓增高，使控制門輸出反響信號，讓 VT1 截止，繞組上的電流由 U2 提供，電流逐漸降低，取樣電阻上的電壓降低，反饋回的信號使控制門輸出信號再一次反向，信號經(jīng)放大后促使 VT1 再次導(dǎo)通，如此循環(huán)往復(fù) ，便在繞組上產(chǎn)生如圖 37 所示波形，電流在額定電流值上下波動，呈鋸齒形，近似恒流所以叫做恒流斬波驅(qū)動電路。 （ a） （ b） 圖 36 高低壓功率放大電路 3） 斬波驅(qū)動電路 由于雙電壓驅(qū)動電路存在著電流在高低壓連接處出現(xiàn)谷點(diǎn)，造成高頻輸出轉(zhuǎn)矩在谷點(diǎn)下降。當(dāng)輸入端輸入脈沖， VF2 的柵極為高電平，則低壓管 VF2 導(dǎo)通。低 壓部分的 VMOS 管 VF2 柵極為低電平， VF2 截止。 圖 315（ b）為采用單穩(wěn)觸發(fā)器組成的高低壓控制電路原理。其特點(diǎn)：僅在脈沖開始時(shí)接通高壓電源，其余時(shí)間僅接通低壓電源供電。在相序輸入信號時(shí)，VT VT VT4 同時(shí)導(dǎo)通，在 VT2 從截止到飽和期間，其集成電極電流，也就是脈沖變壓 TI 的一次電流急劇 增加，在變壓器二次側(cè)感生成一個(gè)電壓，使 VT3 導(dǎo)通， 80V的高壓經(jīng)高壓管 VT3 加到繞組 W 上，使電 流迅速上升，當(dāng) VT2 進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后， T1 一次側(cè)電流暫時(shí)恒定，無磁通量變化時(shí)，二次側(cè)感電壓為零， VT3 截止。 2) 高低電壓功率放大電路 這種驅(qū)動電路供給步進(jìn)電動機(jī)繞組的電壓有兩種：一種是低電壓 U2，一般為 12V邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 或 24V；另一種是高電壓 U1，電壓為 80V 以上。其 特點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡單，但串聯(lián) R2 消耗能量降低放大功率；電感較大使電路對脈沖反應(yīng)較慢 ,輸出波形差。當(dāng)脈沖 3 加到 A，B、 C 三個(gè)輸入端時(shí)，三組放大器分別驅(qū)動不同繞組，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。 1）單電壓功率放大電路 圖 35 單電壓功率放大電路 圖 35 為單電壓功率放大器，圖中 A、 B、 C分別為步進(jìn)電機(jī)的 ，每項(xiàng) 3 一組放大器驅(qū)動。過去采用單電壓驅(qū)動電路，后來采用高低壓驅(qū)動電路，現(xiàn)在則比較多的采用了恒流斬波、調(diào)頻調(diào)壓和細(xì)分驅(qū)動電路等形式的驅(qū)動電 路。在實(shí)際的控制過程當(dāng)中，環(huán)形分配器的輸出信號很小，而步進(jìn)電動機(jī)的繞組電流又很大。 CH250 環(huán)形脈沖分配器的功能關(guān)系如表 31 所列 [7]。 CH250 也允許以 EN 端作脈沖 CP 的輸入端，此時(shí)，只有 CL 為低電平時(shí)，時(shí)鐘脈沖的下降才起作用。 CL 端是時(shí)鐘脈沖輸入端， EN 是時(shí)鐘脈沖允許端，用以控制時(shí)鐘脈沖的允許與否。 （ a） （ b） 圖 34 CH250 管腳圖及三相六拍接線圖 J3r、 J3L 兩端子是三相雙三拍的控制端， J6r、 J6L 是三相六拍的控制端三相雙三拍邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 工作時(shí)， 若 J3r＝“ 1”， 而 J3L＝“ 0”， 則電機(jī)正轉(zhuǎn)； 若 J＝“ 0”， J3L＝“ 1”， 則電機(jī)反 轉(zhuǎn)； 三相六拍供電時(shí)， 若 J6r＝“ 1”， J6L＝“ 0”， 則電機(jī)正轉(zhuǎn)； 若 J6r＝“ 0”， J6L＝“ 1”，電機(jī)反轉(zhuǎn)。 圖 34（ b）為三相六拍接線圖。 CH250 是國產(chǎn)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)環(huán)形分配器專用集成電路芯片，通過控制端的不同接法可組成三相雙三拍和三相六拍的工作方式。每個(gè)觸發(fā)器發(fā)出的脈沖就是一個(gè)序列脈沖，用來控制步進(jìn)電機(jī)某相定子繞組的通、斷電。硬件環(huán)行分配器的基本構(gòu)成是觸發(fā)器。環(huán)形分配器的功能是把來自 CNC 的脈沖信號按一定的規(guī)律分配給各相功率放大器，來驅(qū)動相應(yīng)的勵(lì)磁繞組，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動機(jī)按規(guī)定的方 式進(jìn)行工作。步進(jìn)電機(jī)需要的脈沖序列來自插補(bǔ)器，但對于某個(gè)單軸坐標(biāo)，插補(bǔ)器只能按照一定線型，提供一個(gè)單序列脈沖。因此，需要對從環(huán)形分配器來的信號進(jìn)行功率放大，已提供幅邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 值足夠，前后沿較好的勵(lì)磁電流。 功率放大器。 環(huán)形分配器。加減速電路就是為此而設(shè)置的。但由加減脈沖分配電路來的進(jìn)給脈沖頻率的變化是有躍變的。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)加減速特性，進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)定子繞組的電平信號的頻率變化要平滑。一般采用的方法是，通過加減脈沖分配電路從該進(jìn)給方向的進(jìn)給脈沖指令抵消相同數(shù)量的相反方向補(bǔ)充脈沖。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理，要做到這一點(diǎn)（即電機(jī)正在沿著某個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，在向相反的方向旋轉(zhuǎn)極個(gè)別步距角），必須首先是步進(jìn)電機(jī)從該旋轉(zhuǎn)方向靜止下來，然后才能向相反的方向旋轉(zhuǎn)，待旋轉(zhuǎn)極個(gè)別幾個(gè)步距角后 ，再恢復(fù)至原來的方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給。當(dāng)數(shù)控機(jī)床正在沿著正向進(jìn)給的脈沖信號做正向進(jìn)給 運(yùn)動時(shí)，由于各種補(bǔ)償信號的存在，可能會出現(xiàn)極個(gè)別的負(fù)向脈沖信號，同樣，當(dāng)數(shù)控機(jī)床正在沿著負(fù)向向進(jìn)給的脈沖信號做負(fù)向向進(jìn)給運(yùn)動時(shí)，由于各種補(bǔ)償信號的存在，可能會出現(xiàn)極個(gè)別的正向脈沖信號。無論是來自于數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)信號，還是各種類型的誤差補(bǔ)償信號，手動進(jìn)給信號、手動回原點(diǎn)信號，它的目的無非是使工作臺做正向進(jìn)給運(yùn)動或者是負(fù)向進(jìn)給運(yùn)動，通過混合脈沖電路可以將上述各類型號混合為使工作臺正向進(jìn)給的“正向進(jìn)給”信號或者是使工作臺做負(fù)向運(yùn)動的“負(fù)向進(jìn)給”信號。 圖 33 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制方框圖 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 CNC 裝置發(fā)出脈沖指令，經(jīng)過脈沖電路至加減脈沖分配電路，再到環(huán)形分配器，經(jīng)功率放大器驅(qū)動伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。 伺服驅(qū)動系統(tǒng)對驅(qū)動電源的基本要求：驅(qū)動電源的相數(shù)、通電方式和電壓、電流都滿足步進(jìn)電動機(jī)的需要；要滿足步進(jìn)電動機(jī)的起動頻率和運(yùn)行頻率的要求；能最大限度地抑制步進(jìn)電動機(jī)的振蕩；工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)；成本低、效率高、安裝和維護(hù)方便。 2．工作臺進(jìn)給速度的控制 進(jìn)給脈沖的頻率 f→定 子繞組通電狀態(tài)的變化頻率 f→步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速→工作臺進(jìn)給速度 v。 步進(jìn)電動機(jī)具有自身的特點(diǎn)，歸納起來有： 1）可以用數(shù)字信號直接進(jìn)行開環(huán)控制，整個(gè)系統(tǒng)造價(jià)低； 2）位移與輸入脈沖信號樹相對應(yīng)，步距誤差不長期積累，可以組成結(jié)構(gòu)較為簡單而又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，也可以在要求高精度時(shí)組 成閉環(huán)控制系統(tǒng)； 3）無刷，電動機(jī)本體部件少，可靠性高； 4）易于起動，停止，正反轉(zhuǎn)及變轉(zhuǎn)；5）停止時(shí)，可以通電自鎖； 6）速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，同時(shí)用一臺控制器控制幾步電動機(jī)，可使它們完全同步運(yùn)行； 7）步進(jìn)電動機(jī)帶慣性負(fù)載能力差； 8）由于存在失步和低頻共振，因此步進(jìn)電動機(jī)的加減方法根據(jù)利應(yīng)用狀態(tài)的不同而復(fù)雜化 [6]。步距角 α可由下式計(jì)算： 式中： Z 是轉(zhuǎn)子的齒數(shù)； N一個(gè)周期的運(yùn)行拍數(shù)。步進(jìn)電機(jī)的步距角是反映步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。步進(jìn)機(jī)通過一個(gè)電脈沖轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度 ,稱為步距角，符號α，步進(jìn)電機(jī)輸出的角位移量 α 與輸入的指令脈沖數(shù) Ｋ 成正比，在時(shí)間上與輸入的脈沖同步；而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 ｎ 與指令脈沖頻率 ｆ 成正比。若通電脈沖次序?yàn)?AB、 BC、 CA、 AB?，每次兩相同時(shí)通電，此為三相雙三拍，若按 A、 AB、 B、 BC、 C、 AB?此方式為三相六拍 [5]。上述的通電方式稱為三相單三拍。 脈沖的數(shù)量控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角；脈沖的頻率控制機(jī)的轉(zhuǎn)速；脈沖的通入次序控制電機(jī)的方向。 若通電脈 沖的次序?yàn)?A、 B、 C、 A?，則不難推出，轉(zhuǎn)子將以順時(shí)針方向一步步地旋轉(zhuǎn)。即步距角為 30176。 4 兩齒與 A、 B 兩磁極相對錯(cuò)開 30176。 當(dāng) C相通電時(shí)，電動機(jī)鐵芯 CC 方向產(chǎn)生磁通，在磁拉力作用下，轉(zhuǎn)子沒逆時(shí)針方邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 ZNa 176。 當(dāng) B相通電時(shí)，電動機(jī)鐵芯 BB 方向產(chǎn)生磁通，在磁拉力作 用下，轉(zhuǎn)子沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn) 30176。 當(dāng) A 相通電時(shí)，電動機(jī)鐵芯 AA 方向產(chǎn)一磁通，在磁拉力作用下，轉(zhuǎn)子 3 齒與A 相磁極對齊。 現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（ VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（ PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（ HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，同時(shí)可以通過控制脈沖頻 率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如圖 31 所示。 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)在定子的每個(gè)磁極上面向轉(zhuǎn)子的部分，均勻分布著 5 個(gè)小齒，齒槽等寬，齒間夾角為 9 度。每輸入一個(gè)電脈沖， 電動機(jī) 轉(zhuǎn)動一個(gè)角度前進(jìn)一步。當(dāng)定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。 通常步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子為 永磁體 ，當(dāng)電流流過定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。在無脈沖輸入時(shí)，在繞組電源激勵(lì)下，氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有位置