【正文】 24 全閉環(huán)伺服系 邵陽學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 第三章 伺服驅(qū)動系統(tǒng)方案的選擇 伺服電動機為數(shù)控伺服系統(tǒng)的重要組成部分，是速度和軌跡控制的執(zhí)行元件。在 70 年代直 流伺服電機己經(jīng)實用化了，在各類機電一體化產(chǎn)品中，大量使用著各種結(jié)構(gòu)的直流伺服電動機。而交流傳動系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)一般采用感應電機和同步電機。感應式異步伺服電動機制造容易、價格低，不需要特殊維護。轉(zhuǎn)子電阻隨溫度變化而影響磁場定向的準確性。 這種類型的交流伺服系統(tǒng)容易進行弱磁控制， 實現(xiàn)高速運行，這是一個顯著的特點。 與感應電機相比，由于永磁同步電機具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高、功率因數(shù)高、轉(zhuǎn)矩電流比高、轉(zhuǎn)動慣量低、易于散熱及維護保養(yǎng)等優(yōu)點特別是隨著永磁材料價格的下降、邵陽學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 材料磁性能的提高，以及新型永磁材料的出現(xiàn)，在中小功率、高精度、高可靠性、寬調(diào)速范圍的伺服系統(tǒng)中以永磁同步電機作為執(zhí)行機構(gòu)是越來越多，其應用領(lǐng)域逐步推廣，尤其在航空、航大、數(shù)控機床、加工中心、機器人等場合已獲得廣泛的應用。步進電機除了結(jié)構(gòu)簡單、使用維護方便、工作可靠 , 在精度高等特點。轉(zhuǎn)子運動的速度主要取決于脈沖信號的頻率。 誤差不積累。但每轉(zhuǎn)一圈的累積誤差為零 , 所以步距的誤差不積累。起動、轉(zhuǎn)向及其他任何運行方式的改變 , 都在少數(shù)脈沖內(nèi)完成。 由于步進電動機有上述特點和優(yōu)點而廣泛應用在機械、治金、電力、紡織、電信、電子、儀表、化工、輕工、辦公自動化設(shè)備、醫(yī)療、印刷以及航空航天、船舶、兵器、核工業(yè)等國防工業(yè)等領(lǐng)域。下面通過兩種驅(qū)動系統(tǒng)的比較來進行伺服驅(qū)動系統(tǒng)的選擇。由于所用的電源是 脈沖電源，所以又稱為脈沖馬達。 步進電機是一種特殊的電動機，一般電動機通電后連續(xù)旋轉(zhuǎn)，但步進電動機卻是跟隨輸入脈沖按節(jié)拍一步一步地轉(zhuǎn)動。 指令脈沖數(shù)決定它的轉(zhuǎn)動步數(shù)，即角位移的大小，對步進電動機施加一個電脈沖信號時，步進電動機就旋轉(zhuǎn)一個固定的角度，稱為一步，每一步所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角；指令脈沖頻率決定它的轉(zhuǎn)動速度。改 變繞組的通電順序，就可以改變它的旋轉(zhuǎn)方向。 目前，我國使用的步進電機多為反應式步進電機。該磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。轉(zhuǎn)子也隨著該 磁場轉(zhuǎn)一個角度。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。 轉(zhuǎn)子上沒有繞組，只有均勻分布的 40個齒，其大小和間距與定子上的完全相同，并與之相差 1/3 齒距。 步進電機的工作原理實際上是電磁鐵的作用原理。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角” )，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差 (精度為 100%)的特點，廣泛應用于各種開環(huán)控制。 現(xiàn)以三相反應式步進電動機圖示 32 為例說明。 4 兩齒與 B、 C兩磁極相對錯開 30176。轉(zhuǎn)子 4 齒與 B相磁極對齊 3 兩齒與 A、 C兩磁極相對錯開 30176。=360? ?min/60 rZNfns ?向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子 3 齒與 C 相磁極對齊。 圖 32 步進電機的通電示意圖 若按 ABCA 通電相序連續(xù)通電，則步進電機就連續(xù)地沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)，每換接一次通電相序，步進電機沿逆時針方向轉(zhuǎn)過 30176。反之則為順時針方向旋轉(zhuǎn)。這樣，用不同的脈沖通入次序方式就可以實觀對步進電動機的控制。定子繞組每改變一次通電方式，稱為一拍。所謂“單”是指每次只有一相繞組通電；所謂“三拍”是指經(jīng)過三次切換控制繞組的通電狀態(tài)為一個循環(huán)。 步進電機的主要特性。 在步進電機負載能力允許的情況下，這種線性關(guān)系不會因為負載的變化等因素而變化，所以可以在較寬的范圍內(nèi)，通過對指令脈沖頻率和數(shù)量的控制，實現(xiàn)對機床運動速度和位置的控制。它取決于電機結(jié)構(gòu)和控制方式。若步進電動機通電的脈沖頻率為f，則步進電動機的轉(zhuǎn)速 ns公式為： 邵陽學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 式中： Z 是轉(zhuǎn)子的齒數(shù)； N 一個周期的運行拍數(shù)。 32 步進電動機驅(qū)動控制器的構(gòu)成 1．工作臺位移量的控制 進給脈沖數(shù) N→定子繞組通電狀態(tài)變化次數(shù) N→步進電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角→工作臺位移量 L。 3．工作臺運動方向的控制 步進電機定子繞組的通電順序→步進電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)→工作臺的進給方向步進電機的驅(qū)動控制線路。其驅(qū)動控制如圖 33 所示。 脈沖混合電路的作用。 加減脈沖分配電路。在實際的機床進給控制中，這些與某個進給方向相反的個別脈沖的出現(xiàn)，意味著步進電機正在沿著一個方向旋轉(zhuǎn)時，在反向的方向旋轉(zhuǎn)極個別幾個步距角。這從機械加工工藝方面來看是不允許的，即使允許，控制線路也相當復雜。 加減速電路也稱自動升降速電路。而且應有一定的時間常數(shù)。 為了保證步進電機能夠正常、可靠地工作，上述躍變頻率必須首先進行緩沖，使之變成符合進電機加減速特性的脈沖頻率，然后再送入步進電機的定子 繞組。經(jīng)過該電路后，輸出脈沖的個數(shù)與輸入的進給脈沖的個數(shù)相等，以保證電機不會丟步。作用：把來自于加減速電路的一系列進給脈沖指令，轉(zhuǎn)換成控制步進電機定子繞組通 ,斷電的電平信號，電平信號狀態(tài)的改變此術(shù)及順序與進給脈沖的個數(shù)及方向?qū)?，環(huán)形分配器可以由硬件邏輯線路構(gòu)成，也可以用軟件來實現(xiàn)。從環(huán)形分配器來的進給控制信號的電流只有幾毫安，而步進電機的定子繞組需要幾安倍電流。 33 環(huán)形分配器 步進電機的轉(zhuǎn)動是靠不停地改變各相繞組的通電順序?qū)崿F(xiàn)的，若想讓某相繞組通電，就要給某相繞組提供一組序列脈沖，因此步進電機有幾相，就要為其提供幾個脈沖序列。因此，在插補器到步進電機之間必須有個能將插補器的單序列脈沖轉(zhuǎn)換為步進電機需要的多序列脈沖的裝置，這就是環(huán)行分配器。硬件環(huán)形分配驅(qū)動與數(shù)控裝置的連接硬件環(huán)型分配器可由 D觸發(fā)器或 JK觸發(fā)器構(gòu)成，亦可用專用集成芯片或通用可編程邏輯器件。因為步進電機有幾相就需要幾個序列脈沖，所以步進電機有幾相，就要設(shè)置幾個觸發(fā)器。觸發(fā)器工作的同步信號就是來自插補器的某個坐標軸的位移驅(qū)動信號 Δx或 Δy。 圖 34（ a）為 CH250 引腳圖。其工作狀態(tài)表如表 31。 R*是雙三拍的復位端， R 是六拍的復位端，使用時，首先將其對應復位端接入高電平，使其進入工作狀態(tài)，然后換接到工作位置。當脈沖 CP 由 CL 端 輸入，只有 EN 端為高電平時，時鐘脈沖的上升沿才起作用。 A、 B、 C 為環(huán)形分配器的三個輸 出端，經(jīng)過脈沖放大器（功率放大器）后分別接到步進電動機的三相線上。 表 31 CH250 工作狀態(tài)表 34 步進電機伺服系統(tǒng)的功率驅(qū)動 R R* CL EN J3r J3L J6r J6L 功能 0 0 ↑ 1 1 0 0 0 雙三拍 正轉(zhuǎn) ↑ 1 0 1 0 0 反轉(zhuǎn) ↑ 1 0 0 1 0 六拍（ 1~2 相） 正轉(zhuǎn) ↑ 1 0 0 0 1 反轉(zhuǎn) 0 ↓ 1 0 0 0 雙三拍 正轉(zhuǎn) 0 ↓ 0 1 0 0 反轉(zhuǎn) 0 ↓ 0 0 1 0 六拍（ 1~2 相） 正轉(zhuǎn) 0 ↓ 0 0 0 1 反轉(zhuǎn) ↓ 1 不變 0 0 ↑ 1 1 0 A= B= C=0 0 1 A= B=0、 C=0 邵陽學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 功率放大器又叫功率驅(qū)動器， 由于脈沖分配器輸出端 A、 B、 C 的輸出電流很小，如 CH250 脈沖 分配器的輸出電流大約為 200400μA，而步進電動機的驅(qū)動電流較大，如 75BF001 型步進電動機每相靜態(tài)電流為 3A，為了滿足驅(qū)動要求，脈沖分配器輸出的脈沖需經(jīng)脈沖放大器（即功率放大器）后才能驅(qū)動步進電機 ，功率放大電路對步進電機的性能影響很大，驅(qū)動電路的核心問題是如何提高步進電機的快速性和穩(wěn)定性。所以需要進行功率放大。 步進電機驅(qū)動方案的比較。放大器輸入端與環(huán)形分配器相連，在沒有信號輸入時， 3D4K和 3DD15 功率放大器均截止，繞組無電流通過，當 A相通電時，步進電機轉(zhuǎn)動一步。電路中與繞組并聯(lián)的二極管 VD 分別起續(xù)流作用，即下功放管截止時 ，使儲存在繞組中的能量通過二極管行程續(xù)流回路泄放，從而保護功放管。主要用于轉(zhuǎn)速要求不高的小型步進電機控制 。如圖 36（ a） 。這時， 12V低電壓經(jīng) VD1 加到電動機繞組 W 上并維持繞組中的電流。具有功效高、電流上升率高、高速運轉(zhuǎn)性能好，但波形陡有時存在過沖現(xiàn)象，諧波豐富，在低速運轉(zhuǎn)時易產(chǎn)生振動。當輸入端為低電平時。同時單穩(wěn)態(tài)電路 VF1 不觸發(fā)， Q端 6 腳輸出高電平，開關(guān)管 VT1 飽和導通，高壓管 VF2 柵極為低電平， VF1 截止，繞組無電流。同時脈沖的上升沿使 4528 單穩(wěn)態(tài)電路觸發(fā)， Q端 6 腳輸出低電平，這時開關(guān)管 VT1 截止，高壓管VF1 導通。 斬波恒流放大電路是利用斬波方法使電流恒定在額定值附近，其電路原理圖和電流波形圖如圖 所示。 為了使勵磁繞組中的電流維持在額定值附近，提高步進電動機的轉(zhuǎn)矩和效率，所以采用斬波驅(qū)動電路。所以斬波恒流放大電路廣泛應用在要求較高的控制系統(tǒng)中 圖 37 斬波驅(qū)動電 路 邵陽學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 4)調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動電路 調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動電路如圖 38 所示，它可分為三部分：開關(guān)調(diào)壓、調(diào)頻調(diào)壓控制和功率放大，電壓一般與頻率呈線性關(guān)系，在理想條件下，保持步進電動機的力矩不變，電源電壓將隨著工作頻率的升高而升高，隨著工作頻率的下降而下降。而在高速時電流則應有較陡的前沿，以產(chǎn)生足夠的繞組電流，這樣才能提高步進電機的負載能力。 5）步進電機的細分驅(qū)動技術(shù) 采用細分驅(qū)動電路的目的：整步運轉(zhuǎn)或半步運轉(zhuǎn)基礎(chǔ)上，不改變步進電機結(jié)構(gòu)，提高步進電機的運轉(zhuǎn)、控制精度 。 把額定電流分成 n 個極分別進行通電，轉(zhuǎn)子就會以 n 個通電極別所決定的步數(shù)來完成原有一個步距角所轉(zhuǎn)過的角度，使 原來的每個脈沖走過一個步距角，變成了每個脈沖走 1/n 個步距角，即把原來一個步距角細分成 n 份，從而提高了步進電機的精度。 通過細分驅(qū)動可得到更小的脈沖當量，因而提高了定位精度。圖 39 為多路功率開關(guān)細分電路工作原理：由基極開關(guān)電壓 U1～ U5 控制多路功率開關(guān)管 VTd1 ～ VTd5 的通斷，從而控制功放管 VT 的導通電流大小，即步進電機線圈繞組電流的大小，實現(xiàn)對步進電機步進 量的細分。 35 步進電機驅(qū)動方案的選擇 通過上述介紹的幾種驅(qū)動方式相比斬波恒流驅(qū)動具有高頻響應性能好輸出轉(zhuǎn)矩均勻無共振現(xiàn)象等優(yōu)點從而成為當今步進電機驅(qū)動的主要方式。斬波恒流驅(qū)動電路對步進電動機的 圖 310 為步進電機的驅(qū)動控制圖，它由兩部分組成第 一部分是斬波恒流驅(qū)動電路原理圖，第二部分則是集成觸發(fā)器型環(huán)形分配器的電路原理圖。當輸入端的脈沖信號為低電平時，兩只 IGBT 管都不導通。 電路圖中使用三個電壓比較器，用于控制其中一個 IGBT 的通斷， TCL372 能夠滿足驅(qū)動要求。光電開關(guān)的限流電阻選為 330Ω，因光電二極管的電流為 10mA 左右，壓降為 2V 左右，電源電壓在 5V時限流電阻 R=（ 5V2V） /=300Ω，選用 330Ω的電阻滿足要求。目前 IGBT 的通斷驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，通態(tài)壓降低，是一種高電壓和大電流的開關(guān)器件，本設(shè)計中因電壓較低，選用 IRG4BC10U 的管子，它能承受的 4A 電流和10KV 電壓，導通壓降 ，能夠在保證開關(guān)頻率的同時簡化電路。 1800 年伏特發(fā)明電池，是電氣出現(xiàn)的開端，電動機的誕生和發(fā)展在這之后可以分成四個階段： 從 1820 年一直到整個 19 世紀末葉，發(fā)現(xiàn)了電磁現(xiàn)象以及相關(guān)的各種法則，誕生了交流電機的原型，并確立了電機的工業(yè)運用。 從 1970 年代到 20 世紀末期，計算技術(shù)的飛躍發(fā)展為發(fā)展高性能驅(qū)動帶來了機會，隨著設(shè)計、評價、測量、控制、功率半導體、軸承、磁性材料、絕緣材料、制造加工技術(shù)的不斷進步，電動機本體經(jīng)歷了輕量化、小型化、高效化、高力矩輸出、低噪音振動、高可靠、低成本等一系列變革，相應的驅(qū)動和控制裝置也更加智能化和程序化。在 20 世紀 60 年代，最早是直流電機作為主要執(zhí)行部件，在 70 年代以后，交流伺服電機的性價比不斷提高，逐漸取代直流電機成為伺服系統(tǒng)的主導執(zhí)行電機。我們通常說的 伺服驅(qū)動 器已經(jīng)包括了控制器的基本功能和功率放大部分。進入 21 世紀，交流伺服系統(tǒng)越來越成熟，市場呈現(xiàn)快速多元化發(fā)展，國內(nèi)外眾多品牌進入市場競爭。 在交流伺服系統(tǒng)中，電動機的類型有永磁同步交流伺服電機（ PMSM）和感應異步交流伺服電機（ IM），其中，永磁同步電機具備十分優(yōu)良的低速性能、可以實現(xiàn)弱磁高速控制，調(diào)速范圍寬廣、動態(tài)特性和效率都很高，已經(jīng)成為伺服系統(tǒng)的主流之選。 隨著電子電力等各項技術(shù)的發(fā)展，特別是現(xiàn)代控制理論的