1、第六章 伺服驱动控制系统设计,第一节 伺服驱动控制系统设计分析 第二节 步进电动机控制系统设计 第三节 直流电动机调速控制系统设计 第四节 交流电动机伺服驱动控制系统设计,第一节 伺服驱动控制系统设计分析,一、 伺服驱动控制系统分类及特点 1. 伺服驱动控制系统分类： (1) 按照动力源的类型分类： 液压伺服驱动控制系统； 气压伺服驱动控制系统； 电机伺服驱动控制系统。 (2) 按照控制信号分类： 标准信号控制系统； 检测信号控制系统； 计算机输出信号控制系统。 (3) 按照控制方法分类： 模拟电路控制系统； 计算机程序控制系统。 2. 伺服驱动控制系统特点 (1) 液压驱动系统的特点 功率大
2、。 驱动系统体积小。 控制性能好。 维护修理方便。 成本较高。 适用范围广。,下一页,(2) 气压驱动控制系统特点： 成本低。 清洁、安全。 输出功率和力比较小。 体积较大。 控制稳定性能差。 结构简单，维护修理方便。 适用范围较广。 (3) 电机驱动控制系统的特点： 它的最大特点是电源的获得方便，体积小，不需中间变速机构，简化了机械传动系统，使用与维护都很方便。电机驱动系统比较常用的是步进电动机、直流伺服电机、交流伺服电机、力矩电机等。 直流伺服电机和交流伺服电机驱动的特点： A. 输出功率较大 B. 体积较大，质量重 C. 电机及电源的投资花费少，使用成本低。 D.从结构和控制方式上来看，
3、直流伺服电机的结构较为复杂，加之有电刷，需要干净无粉尘、无易燃品的环境，还需要直流电源。 E. 相对步进电机驱动来说，直流伺服和交流伺服驱动的功率大，输出力矩大，速度快（转速高），控制精度高，价格高。,上一页,下一页, 步进电动机驱动的特点： A. 步进电机的功率小，输出力矩较小，适用于中、小型机电一体化系统。 B. 无论从电机还是驱动电源，体积都比较小，控制系统可以不需反馈元件，因而驱动装置整体体积小。 C. 步进电机的控制性能好，可精确地控制转子的转角和转速，有良好的缓冲定位能力。步进电机本身就是一种脉冲式数字控制的装置，极易与计算机连接，构成智能化控制系统。 D. 控制系统比较简单，特别
4、是在微机控制的情况下，硬件电路更加简单。步进电机既是驱动元件，又是脉冲角位移变换元件。不需反馈元件，因而控制方法比较简单。 E. 当控制脉冲数很小，细分数较大时，运行速度达到每转30分钟。 F.体积小、自定位和价格低是步进电动机驱动控制的三大优势。 G. 步进电机控制系统抗干扰性好,上一页,下一页,二、 伺服驱动控制系统设计的基本要求 1. 高精度控制 2. 快速响应好、无超调 3. 调速范围宽、低速稳定性好 4. 快速的应变能力和过载能力强 5. 无感应干扰 6. 结构与质量要小 三、 伺服驱动控制系统设计的基本原则 1. 配套性原则 2.可靠性原则 3.系统安全性原则 4. 适应性原则 5
5、. 结构尺寸及质量满足总体技术要求原则,上一页,返 回,第二节 步进电动机控制系统设计,步进电动机是由电脉冲控制的特种电动机。对应于每一个电脉冲，电动机将产生一个恒定量的步进运动，即产生一个恒定量的角位移或线位移。电动机运动步数由脉冲数来决定，运动方向由脉冲相序来决定，在一定时间内转过的角度或平移的距离由脉冲数决定，借助于步进电动机可以实现数字信号的变换。它是自动控制系统以及数字控制系统中广泛应用的执行元件。步进电动机控制系统的组成如图6-1所示。,下一页,图6-1 步进电动机系统简图,一、 步进电动机的类型和工作原理 1.反应式步进电动机 (1) 反应式步进电动机的工作原理。 工作过程如下：
6、 步进电动机的工作过程从A相通电开始，这时转子的两极被定子A相的两极所吸引，与之对准，磁通路径用断续线表示。 A相断电，改为B相绕组通电，由于凸极效应，则转子的两极被定子B相两极所吸引，顺时针转过一个步距角60，如图6-2所示。 B相断电，C相通电，转子又顺时针转过一个步距角60，使转子与定子C相两极对准，如图6-2所示。 再使A相绕组通电，C相绕组断电，转子又顺时针转过60，与A相对准。 图6-3所示为一台m=4、zr=10的步进电动机 。,上一页,下一页,返 回,图6-2 三相六拍控制方式中的AB相通电示意图,图6-3 反应式步进电机示意图,(2) 反应式步进电动机的基本特性： 步矩角特性
7、。 单步运行和起动转矩。 设负载转矩为T2，则当A相通电时，静态工作点为A，见图6-4对应转子位置为1。图中画出的Tmax（A）和Tmax（B）分别为A相和B相通电时产生的矩角特性，由于二相定子在空间上（相对于转子）有一个步距角之差，故二特性曲线Tmax()也平移了p角。当1位置A相切断、B相接通时，电动机将跃至与B相对应的矩角特性上工作。由于电动机的电磁转矩大于负载转矩（其差见图上阴影部分），转子将运动至B点，此时电动机步进了一个步距角p=-，如图6-5所示。表达了角位移超调和振荡现象，在步进电动机中采用合理阻尼的重要性。 正如上面所分析的，相邻相单独通电时的矩角特性曲线相差p角，因此画出各
8、相的矩角特性曲线后，可根据多相同时供电情况得到相应的矩角特性，这样就可以分析对应的步进运动和起动转矩。例如：图6-6为四相步进电动机的单四拍和双四拍供电及矩角特性。 矩频特性。图6-7所示是矩频特性图,上一页,下一页,返 回,图6-4 步进电动机的单步运行图,返 回,图6-5 角位移的超调和振荡现象示意图,返 回,图6-6 单相和多相工作矩角特性,图6-7 步进电动机的矩频特性图,2永磁式步进电动机的工作原理 电机转子采用永久磁钢做成的步进电动机称为永磁式步进电动机。这类电动机的典型原理结构如图6-8所示。,上一页,下一页,3.磁路混合式步进电动机 磁路混合式步进电动机（混合式步进电动机）是利
9、用永磁式和反应式两种结构发展起来的一种步进电动机。它兼有永磁式和反应式两类电动机的优点，由于其转子上有永久磁钢，故产生同样大小的转矩所需要的激磁电流大大减小，但带负载能力却超过反应式步进电动机，在不通电时，还有定位转矩。如图6-9所示，磁路混合式步进电动机。,上一页,下一页,图6-9 磁路混合式步进电动机,二、 步进电动机的控制系统原理与设计 1 步进电动机的驱动电源要求 (1) 相数、通电状态、电压和电流要适应步进电动机的需要，相绕组电流要有足够的幅度且有较清晰的前后沿，以产生接近矩形波的电流波形。 (2) 能适应步进电动机的驱动频率和最高连续运行频率的要求，工作可靠，抗干扰能力强。 (3)
10、 驱动电源总体效率高，安装维修方便，价格便宜。 (4) 控制角度要求较高时，选择具有细分功能的电源。 2 驱动电源的组成 步进电动机的驱动电源包括变频信号源、脉冲分配器和功率放大器三个部分，如图6-10所示。,上一页,下一页,3 步进电动机控制专用集成电路 步进电动机专用集成电路国产的有PM03（三相三拍或三相六拍）、PM04（四相四拍或八拍）、PM05（五相五拍或十拍）、PM06（六相六拍或十二拍）系列，分别用于三相、四相、五相、六相步进电动机的控制。 专用集成电路PMM8713的实际接线如图6-11所示。 PMMC101B与微机CPU的连接如图6-12所示。 4 功率放大器 步进电动机的功
11、率放大器分单电压驱动和双电压驱动两大类。单电压驱动中又可分全波型、斩波型；双电压驱动中又可分为定时型、检验型等多种。功率元件多采用晶体管。 (1) 单电压功放电路设计。这是一种直接耦合式开关功率放大器，如图6-13所示。当脉冲分配器输出低电平时，D2导通，T1、T2截止，D1将UD和UM隔开，可防止功率管击穿时损坏脉冲分配器和电源UD，考虑到功率管关断时，相绕组会产生较高的自感电势，它和电源电压叠加之后可能使晶体管击穿，常采用如图6-14所示的几种保护措施。,上一页,下一页,返 回,图6-11 PMM8713接线图,返 回,图6-12 微机控制电路原理图,返 回,图6-13 单电压功放电路图,
12、图6-14 功放电路的保护措施图,(2) 高低压切换型功放电路原理。这种电路的原理线路如图6-15所示。,上一页,下一页,图6-15 高低压切换型功放原理图,三、 步进电动机的选用方法 1. 步进电动机的主要特点 (1) 输出转角与输入脉冲数成正比，且在时间上与输入脉冲同步，即转子速度是随输入控制信号的频率变化。 (2) 转子的转动惯量小，起动停止时间短，一般在信号输入后几毫秒，就能使电动机达到同步速度。信号切断之后，电动机能立即停止转动。 (3) 输出转角精度高，存在相邻误差，但无累积误差。 (4) 改变脉冲频率时，电动机的转速随之变化，因而实现平滑的无级调速，且调速范围相当宽。达到11 0
13、00。 (5) 借助于控制电路，可获得正反转及间歇运动等特殊功能 2 步进电动机的性能指标 (1) 步距角精度b。 (2) 最大静力矩MQ。 (3) 空载起动频率。 (4) 负载起动频率。 (5) 负载及空载最大工作频率。(6) 步距角。,上一页,下一页,3 步进电动机的选择原则前面叙述过的三种形式的步进电动机各有特点，选择步进电动机的型号时，要根据设计系统的需求来定。具体的选择原则如下： (1) 步距角。 (2) 精度。 (3) 转矩。 (4) 起动频率和工作频率。 (5) 在检测系统和计算机控制系统组合条件下的机电产品，应选择无辐射干扰的步进电动机，有利于检测和控制精度及可靠性。 (6)
14、在满足总体控制要求的条件下，选择结构尺寸小、质量轻的步进电动机。,上一页,下一页,四、 步进电动机控制系统设计方法 1. 步进电动机控制方法 (1) 标准信号控制方法； (2) 检测信号控制方法； (3) 计算机程序自动控制方法。 2. 步进电动机控制系统设计 步进电动机控制系统是最常用的一种控制系统。在位置控制、检测控制、静动态校准控制系统设计中，步进电动机控制系统应用很多，以静动态标定控制系统为例讨论设计方法。 (1) 设计技术指标 负载静态力矩5 Nm； 调速范围1周/4min50周/min 控制精度 0.1%; 控制信号工作频率：5 Hz15.0 kHz，任意可调； 控制系统对外界无电
15、场或磁场干扰； 控制低速或高速工作时，稳定性，重复性好。,上一页,下一页,(2) 步进电动机控制系统设计 步进电动机的选择 A. 步进电动机型号：130BYG3100D (其他型号干扰大) B. 静转矩15 Nm C. 步距角0.3/06 D. 空载工作频率40 kHz E. 负载工作频率16 kHz 驱动器的选择 A. 驱动器型号ZD-HB30810 B. 输出功率500 W C. 工作电压85110 V D. 工作电流8 A E. 控制信号，方波电压59 V，正弦信号615 V。 控制信号源。 (3) 步进电动机控制系统类型： 标准信号控制系统（如图6-16） 检测信号控制系统 （如图6-
16、17） 计算机控制系统（如图6-18） ,上一页,返 回,返 回,图6-16 标准信号控制系统图,图6-17 检测信号控制系统图,图6-18 计算机控制系统图,第三节 直流电动机调速控制系统设计,一、 直流电动机调速原理及特点 1.直流电动机调速系统特点 直流电动机的调速控制技术在工业自动化控制中得到广泛应用，具有的特点： 起动转矩大； 转速调节范围宽，调节特性的线性度较好； 动态响应性好 控制方法灵活，简单方便； 效率比较高； 无自锁功能，低速特性差。 2. 直流电动机调速原理 (1) 直流电动机的工作特性如图6-19。 (2) 直流电动机的调速方法 二、 直流电动机的机械特性 直流电动机转
17、速与电磁力矩的稳态运行关系，如图6-20所示。,下一页,三、 直流电动机的动态性能分析 四、 直流伺服电动机的选择 选择伺服电机时，主要应考虑转矩和惯量两个方面：一是其稳态转矩和动态转矩应满足要求；二是折合到电机轴上的负载总转动惯量最好不大于或等于电机的转动惯量。 1. 稳态转矩要求 2. 动态转矩要求 3. 在频繁起、制动或负载经常变化时转矩均方根值小于电机的额定转矩当电机处于频繁起、制动或负载经常变化时，电机的发热比较严重。 ,上一页,下一页,返 回,图6-20 机械特性图,图6-19 直流电动机结构电路图,五、 直流调速控制系统设计 1. 直流调速装置的组成 直流调速装置的一般组成见图6
18、-21 。 2. 直流调速装置 以单片机控制为核心的数字式直流调速装置的特点： (1) 全功能计算机控制，丰富的内部工作状态设定和显示功能； (2) 数字化控制提高了闭环精度，具有比模拟系统高许多的动、静态指标； (3) 具有串行、并行接口，能与可编程控制器及计算机连接，使操作者可在控制中心操纵现场工作； (4) 具有自诊断能力，维修检查方便； (5) 最主要的优点是灵活性大，由软件实现控制方案，不同的控制方案只要改变软件，功能设计极少甚至无须改变硬件就能实现其他控制功能的要求； (6) 组件外连接线少，可靠性高。 德国西门子公司的SIMOREGK(6RA22)是双闭环系统，它的方框图见图6-
19、22所示。 ,上一页,下一页,返 回,图6-21 直流调速装置的组成原理图,返 回,图6-22 全数字直流调速系统方框图,3 直流调速系统设计 直流调速系统由直流电动机、晶闸管变流装置、整流变压器（或进线电抗器）、控制系统等组成。一般驱动电动机由机械设计者选定，选择时根据机械及工艺要求，考虑电动机的最大转矩、额定功率、额定电压、过载时间、过载倍数和调速范围，有的还要考虑是否弱磁。 (1) 晶闸管变流装置选择。 (2) 交流变压器选择。 电动机所需的额定电压。 变压器的容量。 变压器的绕组机械强度和绝缘强度。 变压器的漏抗。 避免负载不平衡或电压变动造成中点移动。 (3) 控制系统，典型的直流调
20、速控制系统是电流内环、速度外环的双闭环调节系统。 (4) 电流调节器设定： 使用仪器。 调节方法。 (5) 速度调节器设定： 使用仪器。用整定电流环的仪器记录或观察转速实际值波形，电池盒作给定输入信号 调节方法。,上一页,下一页,六、 晶体管脉宽(PWN)直流调速系统晶体管脉宽直流调速系统与用频率信号作开关的晶闸管系统相比，具有以下特点： (1) 由于系统主电源采用整流滤波，因而对电网波形影响小，几乎不产生谐波影响。 (2) 由于晶体管开关工作频率很高（在2 kHz左右），因此系统的响应速度和稳速精度等性能指标都较好。 (3) 电枢电流的脉动量小，容易连续，不必外加滤波电抗器也可平稳工作。 (
21、4) 系统的调速范围很宽，并使传动装置具有较好的线性，采用Z2或Z3系列直流电动机，调速范围大于20，若使用宽调速伺服电动机，可达1 000倍以上调速范围。 (5) 系统使用的功率元件少，线路简单，用4个功率三极管就可组成可逆式直流脉宽调速系统。,上一页,下一页,1.晶体管PWM直流调速系统工作原理 晶体管PWM直流调速系统，实际上是利用晶体管的开关工作特性，调制恒定电压的直流源，按一个固定的频率来接通与断开放大器，并根据外加控制信号来改变一个周期内“接通”与“断开”时间的长短，使加在电动机电枢上电压的“占空比”改变，即改变电枢两端平均电压大小，从而达到控制电动机转速的目的。要了解PWM调速系
22、统的工作原理，关键要了解PWM脉宽调制放大器的工作原理。PWM脉宽调制放大器都是由脉冲频率发生器、电压脉冲变换与分配器和放大器等部分组成，如图6-23所示。 功率放大器工作在开关状态，其对宽度被调制了的脉冲信号进行功率放大以驱动主电路的功率晶体管。图6-24所示是一个电压脉冲变换器线路及调制原理的波形图。,上一页,下一页,返 回,图6-23 脉宽调制放大器的方框图,图6-24 电压脉冲变换器及波形图,2. 脉宽调制放大器的工作方式 晶体管脉宽调制放大器从功率放大器组成来看主要有T形和H形两种。 在晶体管脉宽调速系统中用得最多的脉宽调制放大器是H形电路。根据输出电压的性质，H形脉宽调制放大器又分
23、为单极式、受限单极式和双极式三种。 (1) 单极式脉宽调制放大器。主回路如图6-25所示。 （2） 双极式脉宽调制放大器。这种控制方法是在T1和T4的基极加一组同极性的控制电压Ub1和Ub4，在T2和T3的基极加另一组同极性的控制电压Ub2和Ub3。这两组控制电压的相位相反如图6-26所示。 若正负控制电压的幅值相等，则控制电压可表示为Ub1=Ub4=-Ub3=-Ub2。这种控制方法的输出电压是双极性的脉冲电压， 如图6-27中的ua所示。 (3) 受限单极式脉宽调制放大器。 (4) 单极式倍频脉宽调制放大器。其主回路如图6-28所示。设调制波为三角波，经电压脉冲变换与分配器并经功率放大后的脉
24、冲信号要求符合Ub1=-Ub2、Ub3=-Ub4，如图6-29所示。,上一页,下一页,返 回,图6-25 H形单极式脉宽调制放大器主回路图,返 回,图6-26 H形双极式脉宽调制放大器主回路图,返 回,图6-27 双极式脉宽调制放大器输出电压和电流变化波形图,返 回,图6-28 单极式倍频脉宽调制放大器主回路图,返 回,图6-29 倍频电路波形图,3. 晶体管PWM直流调速系统选用 (1) PWM可逆直流调速系统。 电机电枢电流脉动量。 电动机的功率损耗 电动机利用系数。 电动机低速运行平稳性。 (2) 晶体管PWM不可逆直流调速系统。 与传统的晶闸管直流调速系统一样，晶体管PWM直流调速系统
25、也可构成不可逆直流调速系统，用于电动机只需单方向运转，且不需要电气制动的应用场合。图6-30是此种系统主回路结构原理图。,上一页,返 回,第四节 交流电动机伺服驱动控制系统设计,一、 三相异步电动机结构及调速方法 1. 鼠笼式三相异步电机结构 鼠笼式三相异步电动机的结构如图6-31。 2. 鼠笼式三相异步电动机的调速方法 （1） 转子绕组串接电阻改变转差率法； （2） 调节定子电压来改变转差率法； （3） 改变电机磁极对数法； （4） 调节定子供电电压频率法(常用方法)。 ,下一页,图6-31 三相鼠笼式异步电动机结构示意图,二、 变频调速控制器 1. 变频调速控制器特点 (1) 调频范围可任
26、意设定 (0.5600 Hz)； （2） 控制精度高，可靠性好； (3) 无功率损失（变频器效率达到96%）； （4） 功能扩展性好； (5) 调频控制方法齐全，自动调节法，外输入电压控制调节法； (6) 调频控制电流与功率大，Imax300A、Pmax300 kW； (7) 体积小，质量轻，安装简单，操作使用方便。,上一页,下一页,2. 变频调速控制器主要技术指标(1) 输入电压：单相交流220 V至240V10%(P3kW)；三相交流380 V至480 V10%(P3 kW)； (2) 输出电压频率4763 Hz ； (3) 输入电压频率0.5650 Hz可任意设定； (4) 变频器效率9
27、6 %； (5) 过载能力1.5倍以上达到60 s； (6) 模拟电压外输入控制010 V； (7) 外接线距离50100 m； (8) 工作环境-10+50； (9) 控制方式为电压控制和可编程式f/v控制式； (10)保护功能包括欠压、过压、过负载、过温、短路等保护。,上一页,下一页,三、 交流电动机伺服驱动控制系统设计1. 交流电动机的选择方法 (1) 按电机的类型选择。 (2) 按电机成本选择。 (3) 按转矩/惯量比选择。 (4) 电动机调速范围选择。 (5) 电动机的额定功率应与驱动器功率匹配，原则上驱动器功率大于电机功率的20%。 (6) 电动机的功率选择。 (7) 电动机尺寸。
28、 2.变频调速控制器的选择方法 (1) 功率的选择。 (2) 工作电压的选择。 (3) 调速范围的选择。 (4) 结构尺寸选择。 (5) 控制方式的选择。,上一页,下一页,习题与思考题,1 步进电动机控制方法有几种？分别应用于哪些控制场合？ 2 直流电动机控制方法有几种？分别应用于哪些场合？ 3 交流电动机控制方法有几种？ 4 力矩电动机调速控制方法有几种？ 5 步进电动机，直流电动机，交流电动机有何区别？ 6 步进电动机，直流伺服电动机有何特点？ 7 步进电动机采用计算机控制，由哪几部分组成？为了提高抗干扰能力，计算机输出采用何种接口电路？ 8 自拟题目设计一套自动检测控制系统。 9 采用一套驱动器分别控制两套电机，说明控制方法？,上一页,下一页,10 已知五套步进电机，力矩分别是15 Nm，控制电机工作相同，加工部件相同，设计出一套控制系统。 (1) 系统设备选择：型号、力矩； (2) 画出控制系统图； (3) 说明控制系统工作原理。 11 已知三套步进电机力矩分别是5 Nm，10 m，15 m，分别采用计算机控制。 (1) 系统设计设备选择：型号，力矩； (2) 画出控制系统图； (3) 分别说明控制系统工作原理。 12 现有一台车床采用的是齿轮换挡控制调速，需要进行改造，应采用何种控制方式？设计新的控制系统。（负载功率是4.5 kW）,上一页,返 回,
