伺服系统第4章 直流电动机调速控制系统
交流伺服电动机调速系统介绍
交流伺服电动机调速系统介绍概述交流伺服电动机调速系统是一种广泛应用于工业自动化领域的高性能电动机控制系统。
它通过对电机的电流和速度进行精准控制，实现高速度、高精度的电动机调速。
本文将详细介绍交流伺服电动机调速系统的工作原理、组成部分、应用领域以及优势等内容。
工作原理交流伺服电动机调速系统的工作原理基于闭环控制理论。
它通过反馈电机的位置、速度和转矩等信号，与预设值进行比较，并根据比较结果调整电机的控制信号，使电机以预期的速度和转矩运行。
系统主要包含三个部分：电机驱动器、位置反馈装置和控制器。
其中，电机驱动器将控制信号转换为电机驱动所需的电流和电压；位置反馈装置用于实时监测电机的位置和速度；控制器根据反馈信号和预设值进行控制算法运算，并输出控制信号给电机驱动器。
组成部分1. 电机驱动器电机驱动器是交流伺服电动机调速系统的核心组件。
它通过将控制信号转换为电机驱动所需的电流和电压，控制电机的转速和转矩。
通常使用的电机驱动器有两种类型：直流耦合型和速度闭环型。
直流耦合型驱动器适用于要求较低的精度和转速要求较高的应用，而速度闭环型驱动器则适用于对精度和速度要求较高的应用。
2. 位置反馈装置位置反馈装置用于实时监测电机的位置和速度。
常用的位置反馈装置有编码器、光电传感器和霍尔传感器等。
编码器是最常用的位置反馈装置，它通过检测电机轴上的旋转磁场脉冲来计算电机的位置和速度。
光电传感器和霍尔传感器则通过检测旋转齿轮的牙齿或永磁体的磁场变化来实现位置和速度的反馈。
3. 控制器控制器是交流伺服电动机调速系统的智能核心。
它根据反馈信号和预设值进行控制算法运算，并输出控制信号给电机驱动器。
常用的控制器有PID控制器和模糊控制器等。
PID控制器通过比例、积分和微分三个控制参数对反馈信号和预设值进行加权求和，得出控制信号。
模糊控制器则是一种基于模糊逻辑的控制方法，它通过定义模糊集合和规则库来实现对电机的控制。
应用领域交流伺服电动机调速系统广泛应用于以下领域：1.机床工业：用于铣床、车床、磨床等机床设备的高速度、高精度调速。
直流伺服电机控制系统设计
电子信息与电气工程系课程设计报告设计题目：直流伺服电机控制系统设计系别：电子信息与电气工程系年级专业：学号：学生姓名：2006级自动化专业《计算机控制技术》课程设计任务书摘要随着集成电路技术的飞速发展，微控制器在伺服控制系统普遍应用，这种数字伺服系统的性能可以大大超过模拟伺服系统。
数字伺服系统可以实现高精度的位置控制、速度跟踪，可以随意地改变控制方式。
单片机和DSP在伺服电机控制中得到了广泛地应用，用单片机作为控制器的数字伺服控制系统，有体积小、可靠性高、经济性好等明显优点。
本设计研究的直流伺服电机控制系统即以单片机作为核心部件,主要是单片机为控制核心通过软硬件结合的方式对直流伺服电机转速实现开环控制。
对于伺服电机的闭环控制，采用PID控制，利用MATLAB软件对单位阶跃输入响应的PID 校正动态模拟仿真，研究PID控制作用以及PID各参数值对控制系统的影响，通过试凑法得到最佳PID参数。
同时能更深度地掌握在自动控制领域应用极为广泛的MATLAB软件。
关键词：单片机直流伺服电机 PID MATLAB目录1.引言 ...................................................... 错误!未定义书签。
2．单片机控制系统硬件组成.................................... 错误!未定义书签。
微控制器................................................ 错误!未定义书签。
DAC0808转换器.......................................... 错误!未定义书签。
运算放大器............................................... 错误!未定义书签。
按键输入和显示模块....................................... 错误!未定义书签。
非线性大作业—直流电动机调速系统的建模与控制系统的设计
3、PBH秩判据
线性定常系统（1）为完全能控的充分必要条件是，对矩阵A的所有特征值 均成立， （ ）或等价地表示为 ， 也即（SI-A）和B是左互质的。
4、PBH特征向量判据
线性定常系统（1）为完全能控的充分必要条件是A不能有与B的所有列相正交的非零左特征向量。也即对A的任一特征值，使同时满足 ， 的特征向量 。
所谓最优控制，就是根据建立的系统的数学模型，选择一个容许的控制规律，在一定的条件下，使得控制系统在完成所要求的控制任务时，使某一指定的性能指标达到最优值、极小值或极大值。本文利用线性二次型最优调节器(LQR）方法对移动高架吊车进行最优控制。控制目的是使移动高架吊车能在不平衡点达到平衡，并且能够经受一定的外加干扰[8]。
能控性的直观讨论：
从状态空间的角度进行讨论：输入和输出构成系统外部变量,状态为系统内部变量。能控性主要看其状态是否可由输入影响。每一个状态变量的运动都可由输入来影响和控制,由任意的始点到达原点,为能控,反之为不完全能控。具体来说就是指外加控制作用u(t) 对受控系统的状态变量x(t)和输出变量y(t)的支配能力，它回答了u(t)能否使x(t)和y(t)作任意转移的问题。
3.1.2能控性判据
我们利用线性系统的能控性判据来判断其能控性。
设线性定常系统状态方程为：
（1）
1、格拉姆矩阵判据
线性定常系统（1）为完全能控的充分必要条件是，存在时刻，使如下定义的格拉姆（Gram）矩阵 为非奇异。
其中，该判据的证明用到了范数理论中的矩阵范数，在此不再赘述。
2、秩判据
线性定常系统（1）为完全控的充分必要条件是 ，
2 直流电动机调速系统数学模型的建立
第4章 数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统 工作原理：假设是单三拍通电工作方式。 （1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对 齐。此时，B 相和 A 相空间差120，含 1 120/9 = 13 齿 3 2 A 相和 C 相差240，含240/ 9 = 26 个 3 齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿对 齐时，B 相、C 相不能对齐，B相的转子、 定子相差 1/3 个齿（3），C相的转子、定 子相差2/3个齿（6）。
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式中：n —转速（r/min）； f —控制脉冲频率，即每秒输入步进电动机的脉冲数； 由上式可知：工作台移动的速度由指令脉冲的频率所控制。
第4章 数控机床伺服系统 特点：
(1)来一个脉冲，转一个步距角。
(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。
(3)改变脉冲顺序，改变方向。
种类：
有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的转 子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。
第4章 数控机床伺服系统
计算机数控系统 机床 I/O 电路和装置 操作面板 键盘 输入输出 设备 机 床
PLC
计算机 数 装 控 置
主轴伺服单元
主轴驱动装置
进给伺服单元 测量装置
进给驱动装置
主进辅 运给助 传控 动 动制 机机机 构构构
数控机床的组成
第4章 数控机床伺服系统
第4章
数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统
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第4章 数控机床伺服系统
每个步距角对应工作台一个位移值，这个位移值称为脉 冲当量。 因此，只要控制指令脉冲的数量即可控制工作台移动的 位移量。步距角越小，它所达到的位置精度越高，因此实际 使用的步进电动机一般都有较小的步距角。 步进电动机的转速公式为：n 60 f
第4章 直流电动机调速控制系统
调速指标
静态调速指标
• 调速范围 • 静差率 • 调速范围与静差率的关系
动态调速指标
• 跟随性能指标 • 抗扰性能指标
单闭环直流调速系统
单闭环有静差调速系统 单闭环无静差调速系统
单闭环有静差调速系统
系统的组成及原理 系统的静特性及静态结构图
系统的反馈控制规律 单闭环调速系统的动态特性
电动机转速与转矩的关系
如果把E =Cen代入式(4-8) ，便可得出电枢电流I的表达式 Ia=(U- Cen )/Ra （4-9） 由上式可见，直流电动机和一般的直流电路不一样，它的电流不仅 取决于外加电压和自身电阻，并且还取决于与转速成正比的反电动 势(当φ为常数) 。将式(4-1) 代入(4-9) 式，可得 n=U/Ce-R Te/ Ce Cm (4-10) 其中Cm=Kmφ，式（4-10）称为电动机的机械特性，它描述了电 动机的转速与转矩之间的关系。 图4-5是机械特性曲线族。在这一曲线族中，不同的电枢电压对应于 不同的曲线，各曲线是彼此平行的。n0( U/Ce)称为“理想空载转 速” ，而⊿n(R Te/ Ce Cm) 称为转速降落。
脉宽调制器是一个电压—脉冲变换装置。由控制 电压Uct进行控制，为PWM变换器提供所需的脉 冲信号。 脉宽调制器的基本原理是将直流信号和一个调制 信号比较，调制信号可以是三角波，也可以是锯 齿波。锯齿波脉宽调制器电路如图4-42所示， 由锯齿波发生器和电压比较器组成。锯齿波发生 器采用最简单的单结晶体管多谐振荡器4-42a)， 为了控制锯齿波的线性度，使电容器Ｃ充电电流 恒定，由晶体管VT1和稳压管VST构成恒流源。
电流截止负反馈环节 带电流截止负反馈环节的单闭环无静差调 速系统
运动控制系统考试简答题
绪论1、运动控制系统：以机械运动的驱动设备——电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。
工作原理：通过控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。
2、分类（1）按被控量分：以转速为被控量的系统——调速系统以角位移或直线位移为被控量的系统——位置随动(伺服)系统。
（2）按驱动电机的类型分：直流电机带动生产机械——直流传动系统交流电机带动生产机械——交流传动系统（3）按控制器类型分：以模拟电路构成的控制器——模拟控制系统以数字电路构成的控制器——数字控制系统（4）按控制系统中闭环的多少分：单环、双环、多环控制系统3、运动控制系统的功率放大与变换装置：一方面按控制量的大小将电网中的电能作用于电动机上，调节电动机的转矩大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换成电动机所需的交流电或直流电；4、反抗性恒转矩负载不是转矩作用方向和运动方向相反吗？那为什么n>0时T>0,n<0时T<0?答：n>0,T>0 和n<0,T<0意味着电机目前处于正转电动和反转电动状态，这个和负载转矩没有关系。
第二章转速反馈控制的直流调速系统1、直流电动机的稳态转速调节转速方法Φ-=eKIRUn2、直流电动机点数两端的平均电压 三种改变输出平均电压的调制方法：（1）T 不变，变 ton —脉冲宽度调制(PWM)（2）ton 不变，变 T —脉冲频率调制(PFM)（3）ton 和 T 都可调，改变占空比—混合调制(两点式控制)。
当负载电流或电压低于某一最小值，开关器件导通，当高于某一最大值时，使开关器件关断。
3、UPE 是由电力电子器件组成的变换器，其输入接三组(或单相)交流电源，输出为可控的直流电压，控制电压为Uc 。
UPE 变换器的器件选择：中、小容量系统,多采用IGBT 或P-MOSFET 构成较大容量系统,采用GTO 、IGCT 电力电子开关器件特大容量系统,则常用晶闸管触发与整流装置4、 系统稳态参数计算例： 用线性集成电路运算放大器作为电压放大器的转速负反馈闭环直流调速系统如图1-28所示，s s ond ρU U T t U ==5、PID调节器的类型和功能比例微分(PD)：由PD调节器构成的超前校正,可提高系统的稳定裕度，并获得足够的快速性, 但稳态精度可能受到影响；比例积分(PI)：由PI调节器构成的滞后校正,可以保证稳态精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定的；比例积分微分(PID)：PID调节器实现的滞后—超前校正则兼有二者的优点,可以全面提高系统的控制性能，但具体实现与调试要复杂一些。
第4章-伺服系统设计(机电一体化系统设)
6.2 伺服系统执行器及其控制
一、执行元件类型及特点 二、伺服电机及其控制 三、步进电机及其控制
一、执行元件类型及特点
定子调压调速的特点 是改变定子电压时，同步 转速保持不变；最大电磁 转矩和定子电压的平方成 正比；定子电压越低，调 速性能越差
（2）．转子串电阻调速。这种方法是改变 转子的电阻调速。从机械特性来看，电磁 转矩与转子等效电阻有非线性的关系，改 变的大小会改变电磁转矩的值，从而实现 调速。
转子串电阻调速的特点是调速范围不大； 调速的平滑性不好，很不经济。
（2）双极性驱动方式。这种驱动方式不仅 可以改变电动机的转速，还能够实现电动 机的制动，反向。这种驱动方式一般采用 四个功率开关构成H桥电路
直流电动机双极性驱动芯片种类很多，如 SANYO公司生产的STK6877，是一款H 桥厚膜混合集成电路。采用MOSFET作为 它的输出功率器件。一般可作为复印机鼓、 扫描仪等各种直流电动机设备的驱动芯片。
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。
伺服电机调速系统的控制设计与仿真
武汉理工大学硕士学位论文基于DSP的直流伺服电机调速系统的控制设计与仿真姓名：于龙飞申请学位级别：硕士专业：轮机工程指导教师：鲁凯生20070501先来看一下一个编码器的结构图，如图２．１图２．１编码器实物图光电编码器的指示光栅上有Ａ组与Ｂ组两组狭缝，彼此错开１，４节距，两组狭缝相对应的光敏元件所产生的信号Ａ、Ｂ彼此相差９０。
相位，用于辫向，如图２－１中的Ａ、Ｂ两组。
工作原理如图２．２所示。
第４章系统的控制设计本章直流伺服电动机调速系统的设计分两部分：软件设计和硬件设计。
在软件设计中，介绍了ＤＳＰ控制软件ＣＣＳ及程序结构；在硬件设计中，在ＰＷＭ对电机调速的原理上，设计了ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７ＤＳＰ芯片对直流伺服电机调速系统的实验电路。
最后，进行了对直流伺服电机的实际控制实验，达到了预期的目的。
４．１ＤＳＰ控制软件ＣＣＳ（ＣｏｄｅＣｏｍｐｏｓｅｒＳｔｕｄｉｏ）软件是ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７ＤＳＰ芯片自带的编程软件，是目前ＤＳＰ变成软件中最优秀的软件。
利用这个软件，可以直接使上位机图４＿１ＣＣＳ启动界面和ＤＳＰ通讯，在上位机中编程控制ＤＳＰ的输出波形，达到控制直流伺服电机的速度的且的。
ＣＣＳ启动界面见图４．１中所示。
图４．３软件开发流程图◆Ｃ编译器（ｃｅｏｍｐｉｌｅｒ）：产生汇编语言源代码。
◆汇编器（ａｓｓｅｍｂｌｅｒ）：把汇编语言源文件翻译成机器语言目标文件，机器语言格式为公用目标格式（ＣｏＦＦ）。
令连接器（Ｉｉｎｋ神：把多个目标文件组合成单个可执行目标模块。
它一边创建可执行模块，一边完成重定位以及决定外部参考。
连接器的输入是可重定位的目标文件和目标库文件。
◆归档器（ａｒｅｈｉｖｅｒ）：允许你把一组文件收集到一个归档文件中。
归档器也允许你通过删除、替换、提取或添加文件来调整库。
夺助记符至Ⅱ代数汇编语言转换公用程序（ｍｎｉｍｏｒｔｉｃｔｏ＿ａｌｇｅｂｒｉｃａｓｓｅｍｂｌｙｔｒａｎｓｌａｔｏｒｕｔｉｌｉｔｙ）：把含有助记符指令的汇编语言源文件转换成含有代数指令的汇编语言源文件。
直流伺服系统设计
02 直流伺服系统设计基础
CHAPTER
电机选择
根据系统需求选择合适的电机 类型，如无刷直流电机、有刷 直流电机等。
考虑电机的扭矩、转速、尺寸 和重量等参数，以确保电机能 够满足系统性能要求。
考虑电机的效率和温升，以降 低能耗和提高系统稳定性。
驱动器设计
根据电机类型和系统需求，设计合适的驱动器电路，包括电源、控制信号、保护电 路等。
工作原理
控制器
控制器是直流伺服系统的核心部 分，负责接收指令信号，并与电 机反馈信号进行比较，根据比较
结果输出控制信号。
电机
直流电机是系统的执行元件，根据 控制信号调整电机的输入电流或电 压，从而实现精确的运动控制。
反馈装置
为了实现精确控制，直流伺服系统 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ常配备位置、速度或力矩传感器 等反馈装置，将实际运动状态反馈 给控制器。
霍尔编码器
霍尔编码器也具有较高的测量精度和可靠性，适用于对测量精度 要求较高的应用。
磁编码器
磁编码器利用磁场变化来测量转速和位置，具有较小的体积和较 高的测量精度。
控制器
1 2
微控制器
微控制器是伺服控制系统的核心，负责接收输入 信号、计算输出信号并控制伺服系统的运行。
数字信号处理器
数字信号处理器具有较高的计算能力和数据处理 能力，适用于对计算能力要求较高的应用。
3
可编程逻辑控制器
可编程逻辑控制器适用于需要自动化控制和逻辑 运算的应用，具有较好的可靠性和稳定性。
驱动器
晶体管驱动器
晶体管驱动器利用晶体管的开关特性 来控制电流的通断，具有较快的响应 速度和较大的输出电流。
继电器驱动器
继电器驱动器利用继电器的触点开关 来控制电流的通断，适用于对输出电 流要求较低的应用。
直流无刷电动机及其调速控制
直流无刷电动机及其调速控制1．直流无刷电动机的发展概况与应用有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来，以其优良的转矩控制特性，在相当长的一段时间内一直在运动控制领域占据主导地位。
但是，有机械接触电刷-换向器一直是电流电机的一个致命弱点，它降低了系统的可靠性，限制了其在很多场合中的使用。
为了取代有刷直流电动机的机械换向装置，人们进行了长期的探索。
早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。
1955年美国的等首次申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利，标志着现代无刷直流电动机的诞生。
无刷直流电动机的发展在很大程度上取决于电力电子技术的进步，在无刷直流电动机发展的早期，由于当时大功率开关器件仅处于初级发展阶段，可靠性差，价格昂贵，加上永磁材料和驱动控制技术水平的制约，使得无刷直流电动机自发明以后的一个相当长的时间内，性能都不理想，只能停留在实验室阶段，无法推广使用。
1970年以后，随着电力半导体工业的飞速发展，许多新型的全控型半导体功率器件（如GTR、MOSFET、IGBT等）相继问世，加之高磁能积永磁材料（如SmCo、NsFeB）陆续出现，这些均为无刷直流电动机广泛应用奠定了坚实的基础。
在1978年汉诺威贸易博览会上，前联邦德国的MANNESMANN公司正式推出了 MAC无刷直流电动机及其驱动器，引起了世界各国的关注，随即在国际上掀起了研制和生产无刷直流系统的热潮，这业标志着无刷直流电动机走向实用阶段。
随着现代永磁材料和相关电子元器件的性能不断提高，价格不断下降，无刷电动机的到了快速发展，并被广泛应用于各个领域，例如，在数控机床、工业机器人以及医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺机械和家用电器等小功率场合，计算机的硬盘驱动和软盘驱动器器中的主轴电动机、录像机中的伺服电动机等。
2．直流无刷电动机的基本结构和工作原理直流无刷电动机的结构直流无刷电动机的结构示意图如图2-1所示。
第四章直流直流(DCDC)变换
第四章直流—直流（DC-DC）变换将大小固定的直流电压变换成大小可调的直流电压的变换称为DC-DC变换，或称直流斩波。
直流斩波技术可以用来降压、升压和变阻，已被广泛应用于直流电动机调速、蓄电池充电、开关电源等方面，特别是在电力牵引上，如地铁、城市轻轨、电气机车、无轨电车、电瓶车、电铲车等。
这类电动车辆一般均采用恒定直流电源（如蓄电池、不控整流电源）供电，以往采用变阻器来实现电动车的起动、调速和制动，耗电多、效率低、有级调速、运行平稳性差等。
采用直流斩波器后，可方便地实现了无级调速、平稳运行，更重要的是比变阻器方式节电（20～30）%，节能效果巨大。
此外在AC-DC变换中，还可采用不控整流加直流斩波调压方式替代晶闸管相控整流，以提高变流装置的输入功率因数，减少网侧电流谐波和提高系统动态响应速度。
DC-DC变换器主要有以下几种形式：（1）Buck（降压型）变换器；（2）Boost（升压型）变换器；（3）Boost-Buck（升-降压型）变换器；（4）Cúk变换器；（5）桥式可逆斩波器等。
其中Buck和Boost为基本类型变换器，Boost-Buck和Cúk为组合变换器，而桥式可逆斩波器则是Buck变换器的拓展。
此外还有复合斩波和多相、多重斩波电路，它们更是基本DC-DC 变换器的组合。
4.1 DC-DC变换的基本控制方式DC-DC变换是采用一个或多个开关（功率开关器件）将一种直流电压变换为另一种直流电压。
当输入直流电压大小恒定时，则可控制开关的通断时间来改变输出直流电压的大小，这种开关型DC-DC变换器原理及工作波形如图4-1所示。
如果开关K导通时间为，关断时间为，则在输入电压E恒定条件下，控制开关的通、断时间、的相对长短，便可控制输出平均电压U0的大小，实现了无损耗直流调压。
从工作波形来看，相当于是一个将恒定直流进行“斩切”输出的过程，故称斩波器。
斩波器有两种基本控制方式：时间比控制和瞬时值控制。
直流调速系统的调速原理
直流调速系统的调速原理直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广范围内平滑调速，所以由晶闸管—直流电动机(V —M)组成的直流调速系统是目前应用较普遍的一种电力传动自动化控制系统。
它在理论上实践上都比较成熟，而且从闭环控制的角度看，它又是交流调速系统的基础[1，6]。
从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统（伺服系统）、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此，调速系统是最基本的电力拖动控制系统。
直流电动机的转速和其它参量的关系和用式（2—1）表示Φ-=e K IRU n （2—1）式中 n ——电动机转速；U ——电枢供电电压； I ——电枢电流；R ——电枢回路总电阻，单位为ΩeK ——由电机机构决定的电势系数。
在上式中，eK 是常数，电流I 是由负载决定的，因此，调节电动机的转速可以有三种方法：（1）调节电枢供电电压U ； （2） 减弱励磁磁通Φ； （3） 改变电枢回路电阻R 。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式最好。
改变电阻只能实现有级调速；减弱励磁磁通虽然能够平滑调速，但调速的范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上做小范围的弱磁升速。
因此，自动控制的直流调速系统往往以改变电压调速为主。
双闭环调速的工作过程和原理双闭环调速系统的工作过程和原理: 电动机在启动阶段,电动机的实际转速(电压)低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号,经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器, 此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值, 电动机以最大电流恒流加速启动。
电动机的最大电流(堵转电流)可以通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。
在电动机转速上升到给定转速后, 速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零,速度调节器和电流调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。
第四章进给运动的控制课件
❖ 直径方向相对两个齿上定子绕组串联起来，构成一 相控制绕组
❖ 当某相绕组通入激磁电流时，就在这对齿上形成NS 极
❖ 根据电磁作用原理，这对定子和转子的小齿一一对 齐，而其他磁极下定子和转子小齿分别错开一定角 度。
❖ 接着当该相断电, 并让相邻绕组激磁后，通过磁场 作用将驱动转子转过一定角度，然后周而复始获得 一个旋转磁场，使电动机带动负载运转
4．自动升降速控制
进给状态的变化 步进电动机能够实现起动、停止或改变运行速度
要求步进电动机的脉冲频率作相应变化
变速过程中出现过冲或失步现象 步进电动机每次频率变化量小于其突跳频率值
半闭环伺服系统
采用直流或交流伺服电动机驱动 半闭环的位置检测元件一般安装在电动机轴
上(由电动机厂家装好)，通过滚珠丝杠等传 动机构，将角度转换成工作台直线位移
半闭环伺服系统
若滚珠丝杠精度足够高，间隙小，加之传动 链上有规律的误差（如间隙及螺距误差等）， 则可以通过补偿达到较高的精度
在精度要求适中的中小型数控机床上，半闭 环伺服系统得到了广泛应用
❖ 永磁反应式步进电动机是反应式步进电动机和永磁 式步进电动机两者的结合
❖ 由于磁路内含有永久磁钢，从这一点上看像是永磁 式步进电动机
❖ 由于定子和转子中含有软磁材料，从这一点上看像 是反应式步进电动机，所以通常也称为混合式步进 电动机
❖ 目前在数控机床中应用得越来越多
永磁反应式步进电动机特点
➢ 控制功率小，效率高 ➢ 齿距角小
❖ 驱动放大电路
驱动放大电路的功能是将环形分配器发出的 TTL电平信号放大至几安培到十几安培的电流．送 至步进电动机的各绕组。
❖ 步进电动机驱动电路主要形式：
第四章电动机及其控制
机座用来放置主磁极和换向磁极， 同时它也是磁路的一部分， 起导磁作用， 用铸铁或铸钢制成。 机座的两边各有一 个端盖， 端盖的中心是空的， 用以装转 轴。 主磁极由磁极铁心和励磁绕组组成， 可以是一对、 两对、 三对等。 当励磁绕 组通以直流电时， 产生恒定的磁场， 改 变电源电流的极性即可改变磁场的方向。 主磁极铁心一般都采用电磁铁， 由直流 电流来励磁。 只有小直流电机的主磁极 才用永久磁铁， 这种电机称为永磁直流 电机。
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4.额定转速 电动机在额定运行时， 转轴的转 速称为额定转速。 5.额定功率 电动机额定运行状态下， 电动机 轴上输出的机械功率称为额定功率； 发 电机的额定功率是指供给负载的电功率。 6.额定励磁电流 电动机在额定运行的情况下， 通 过励磁绕组的电流称为额定励磁电流。
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l为每根有效导体的长度， 取决于 电动机的结构， 是个定值； I为每根导 体中的电流， 与电枢电流Ia成正比。 直 流电动机受到的电磁转矩T是由所有有效 的导体所受电磁力F共同产生的， 正比 于电磁力F， 可以用下式来表示: T=CTΦIa 式中， CT为电磁转矩系数， 与电 机结构有关， 是个常数； Φ为每极磁通， 单位是Wb； Ia为电枢电流， 单位为A； T的单位为N· m。
第四章 控制电机及其选择计算
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4.1 步进电动机及其控制
步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制、 并将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移 的控制电机。步进电动机由专用电源供给电 脉冲，每输入一个脉冲，步进电动机就前进 一步。 步进电动机是受脉冲信号控制的，因此适合 于作为数字控制系统的执行元件。在负载能 力的范围内，它的位移量与电脉冲数成正比 ，速度与脉冲频率成正比，所以，可以改变 脉冲电源的频率来实现调速。
直流电机伺服系统
第四节 直流电机伺服系统伺服电机是转速及方向都受控制电压信号控制的一类电动机，常在自动控制系统用作执行元件。
伺服电机分为直流、交流两大类。
直流伺服电机在电枢控制时具有良好的机械特性和调节特性。
机电时间常数小，起动电压低。
其缺点是由于有电刷和换向器，造成的摩擦转矩比较大，有火花干扰及维护不便。
直流伺服电动机的结构与一般的电机结构相似，也是由定子、转子和电刷等部分组成，在定子上有励磁绕组和补偿绕组，转子绕组通过电刷供电。
由于转子磁场和定子磁场始终正交，因而产生转矩使转子转动。
由图6-30可知，定子励磁电流产生定子电势F s ，转子电枢电流αi 产生转子磁势为F r ，F s 和F r 垂直正交，补偿磁阻与电枢绕组串联，电流αi 又产生补偿磁势F c ，F c 与F r 方向相反，它的作用是抵消电枢磁场对定子磁场的扭斜，使电动机有良好的调速特性。
永磁直流伺服电动机的转子绕组是通过电刷供电，并在转子的尾部装有测速发电机和旋转变压器（或光电编码器），它的定子磁极是永久磁铁。
我国稀土永磁材料有很大的磁能积和极大的矫顽力，把永磁材料用在电动机中不但可以节约能源，还可以减少电动机发热，减少电动机体积。
永磁式直流伺服电动机与普通直流电动机相比有更高的过载能力，更大的转矩转动惯量比，调速范围大等优点。
因此，永磁式直流伺服电动机曾广泛应用于数控机床进给伺服系统。
由于近年来出现了性能更好的转子为永磁铁的交流伺服电动机，永磁直流电动机在数控机床上的应用才越来越少。
二、直流伺服电机的调速原理和常用的调速方法由电工学的知识可知：在转子磁场不饱和的情况下，改变电枢电压即可改变转子转速。
直流电机的转速和其它参量的关系可用式6-19表示：φe K IRU n -=（6-19） 式中：n ——转速，单位为rpm ；U ——电枢电压，单位为V ； I ——电枢电流，单位为A ；R ——电枢回路总电压，单位为Ω； φ——励磁磁通，单位为Wb （韦伯）； K e ——由电机结构决定的电动势常数。
《伺服控制技术》课程教学大纲
《伺服控制技术》课程教学大纲课程编码：S3072114英文名称：Servo Control Technology一、课程说明1. 课程类别专业课模块2. 适用专业及课程性质选修：电气工程及其自动化专业3. 课程目的（1）使学生了解伺服系统在数控系统中的地位和作用。
（2）为学生今后从事伺服系统的开发、调试、维护工作打下一定的基础。
4. 学分与学时学分为1.5，学时为305. 建议先修课程电路分析，模拟电子电路，数字电子技术，工程电磁场，电机学，自动控制原理。
6. 推荐教材或参考书目推荐教材：（1）《运动控制系统》. 李宁编著. 机械工业出版社.2004年参考书目：（1）《伺服系统》. 钱平主编.机械工业出版社.2005年7. 教学方法与手段以传统讲授手段为主，采用板书与多媒体课件结合的方式进行课堂教学。
8. 考核及成绩评定考核方式：考查成绩评定：（1）平时成绩占30 % ，形式有：出勤，课堂表现，平时测验（2）考试成绩占70 %，形式有：开卷考试，节课论文9. 课外自学要求（1）要求学生通过网络及图书馆查询相关信息。
（2）课外习题不应少于20题。
二、课程教学基本内容及要求（选学内容用※标注）第一章概述基本内容：（1）伺服系统的作用及组成（2）伺服系统的基本要求和特点基本要求：（1）了解伺服系统组成。
（2）了解伺服系统的基本要求。
教学重点及难点：（1）伺服系统的组成。
第二章电力电子器件基本内容：（1）电力电子器件的特征（2）电力电子器件的分类（3）电力电子器件的选择基本要求：（1）了解电力电子器件的特征、分类和选择。
教学重点及难点：（1）电力电子器件的选择。
第三章步进电动机控制基本内容：（1）步进电动机的工作原理（2）步进电动机的开闭环控制（3）步进电动机的点－位控制（4）步进电动机控制的程序设计基本要求：（1）理解步进电动机的工作原理。
（2）掌握步进电动机的开闭环控制。
（3）掌握步进电动机的点－位控制。
直流调速器工作原理
直流调速器工作原理
直流调速器工作原理是通过调节电机电压和电流来改变其转速。
其基本原理是利用调制技术将直流电压进行调制，然后经过整流、滤波等电路处理后，供给电机。
调速器内部有一个电压或电流反馈回路，用来检测电机的转速，并将反馈信号与设定值进行对比，然后通过控制电压或电流的大小，使电机达到预定的转速。
调速器一般由调速电路、控制系统和信号处理器组成。
调速电路包括调试电位器、比较器、放大器等元件，用来控制电机的输出电压或电流。
控制系统负责接收来自传感器的反馈信号，并根据设定值与反馈信号的差值来控制输出信号的大小。
信号处理器用于处理传感器反馈信号的噪声和干扰，提高调速系统的稳定性和精确度。
在工作过程中，调速器首先通过测量电机的转速来获取反馈信号，然后将该信号与设定值进行比较。
如果转速低于设定值，调速器会增加输出电压或电流，以增加电机的转速。
如果转速高于设定值，调速器会减少输出电压或电流，以降低电机的转速。
这种负反馈控制的方式可以实现电机的精确调速。
直流调速器的工作原理基于电磁感应定律和电子技术的应用，通过精确控制电压和电流，实现对电机转速的调节，广泛应用于机械传动系统中的调速控制。
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可分为永磁式和他激式。永磁式磁极由永磁材料制成，他激式磁极 由冲压硅钢片叠压而成，外绕线圈，通以直流电流便产生恒定磁场。 (2) 转子 又叫电枢，由硅钢片叠压而成，表面嵌有线圈，通以直流 电时，在定子磁场作用下产生带动负载旋转的电磁转矩。 (3) 电刷与换向片 为使所产生的电磁转矩保持恒定方向，转子能沿 固定方向均匀地连续旋转，电刷与外加直流电源相接，换向片与电 枢导体相接。
改变电枢电阻即在电枢回路串接不同附加电阻，以调节转速。观察 图4-7b）发现，外接电阻越大，电阻功耗越大，特性越软，稳定性 越差，是有级调速。此法在实际中已很少应用。
调速指标
静态调速指标
调速范围 静差率 调速范围与静差率的关系
动态调速指标
跟随性能指标 抗扰性能指标
单闭环直流调速系统
内容提要
直流电动机概述 直流电动机的单闭环调速系统 双闭环直流电动机调速系统 直流脉宽调速控制系统 转速、电流双闭环调速系统的
工程设计法 伺服控制系统的计算机辅助设
计
直流电动机概述
直流电动机的基本结构
直流电动机具有良好的启动、制动和调速特性，可很方便地在宽范 围内实现无级调速，故多采用在对电动机的调速性能要求较高的生 产设备中。
图4-5是机械特性曲线族。在这一曲线族中，不同的电枢电压对应于 不同的曲线，各曲线是彼此平行的。n0( U/Ce)称为“理想空载转 速” ，而⊿n(R Te/ Ce Cm) 称为转速降落。
直流电动机的单闭环调速系统
调速的定义 直流电动机的调速方法 调速指标 单闭环直流调速系统
调速的定义
所谓调速，是指在某一负载下，通过改变电 动机或电源参数，来改变机械特性曲线，从而使 电动机转速发生变化或保持不变。即调速包含两 方面，其一、在一定范围内“变速”，如图4-6 所示，当电动机负载不变时，转速可由na变到 nb或nc。其二保持“稳速”，在某一速度下运 行的生产机械受到外界干扰（如负载增加），为 了保证电动机工作速度不受干扰的影响而下降， 需要进行调速，使速度接近或等于原来的转速， 如图4-6中nd即为负载由T1增加至T2后的速度， 与na基本一致。
反馈控制的闭环调速系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要 被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。速度降落正是 由负载引起的转速偏差，因而，闭环调速系统能够大大减少转速降 落。其调节过程如下：
外加电压为U时有
U= E -Ia Ra
(4-8)
上式就是直流电动机的电压平衡方程式。它表明了外加电压与反电 动势及电枢内阻压降的平衡关系。或者说，外加电压一部分用来抵 消反电动势，一部分消耗在电枢电阻上。
电动机转速与转矩的关系
如果把E =Cen代入式(4-8) ，便可得出电枢电流I的表达式
永磁直流伺服电动机及工作原理
在伺服系统中使用的直流伺服电动机，按转 速的高低可分为两类：高速直流伺服电动机和低 速大扭矩宽调速电动机。目前在数控机床进给驱 动中采用的直流电动机主要是70年代研制成功的 大惯量宽调速直流伺服电动机。这种电动机分为 电励磁和永久磁铁励磁两种，但占主导地位的是 永久磁铁励磁式(永磁式)电动机。图4-2是其基 本原理的示意图。
电动机转矩平衡方程式 Te=KmIa Te=Cm Ia Tr=Te-T0=TL Te-TL=Jdω/dt
(4-1) (4-2) (4-3) (4-4)
在实际工程计算中，经常用转速n代替角速度ω，用飞轮惯量(也称 飞轮转矩) DG2代替转动惯量J。ω与n的关系，DG2与J的关系为
ω=2πn /60
直流电动机转速表达式如式（4-10）所示，由该式可知，直流伺服 电动机有两种调速方法：调节电枢电压Ud及改变电枢附加电阻R。
两种调速方法的机械特性如图4-7所示。 改变电枢电压U所得的机械特性是一组平行变化的曲线[图4-7a)]，
采用此种方法，一般在额定转速以下调速，最低转速取决于电动机 低速时的稳定性。具有调速范围宽，机械特性硬，动态性能好的特 点。在连续改变电枢电压时，能实现无级平滑调速，是目前主要调 速方法之一。
Ia=(U- Cen )/Ra
（4-9）
由上式可见，直流电动机和一般的直流电路不一样，它的电流不仅 取决于外加电压和自身电阻，并且还取决于与转速成正比的反电动 势(当φ为常数) 。将式(4-1) 代入(4-9) 式，可得
n=U/Ce-R Te/ Ce Cm
(4-10)
其中Cm=Kmφ，式（4-10）称为电动机的机械特性，它描述了电 动机的转速与转矩之间的关系。
单闭环有静差调速系统 单闭环无静差调速系统
单闭环有静差调速系统
系统的组成及原理 系统的静特性及静态结构图 系统的反馈控制规律 单闭环调速系统的动态特性
由上可知，为满足调速系统的性能指标，在开环系统的基础上，引 入转速负反馈构成单闭环有静差调速系统。
在电动机轴上安装一台测速发电机TG，引出与转速成正比的电压信 号Ufn，以此作为反馈信号与给定电压信号Un比较，所得差值电压 ⊿Un，经放大器产生控制电压Uct，用以控制电动机转速，从而构成 了转速负反馈调速系统，其控制原理图如图4-12所示。
J =mρ2 = DG2/4g
式中 m－系统转动部分的质量(Kg)；G －系统转动部分的重力 (N)；ρ－为系统转动部分的转动惯性半径(m)；D －为系统转动部 分的转动惯性直径(m)；G－为重力加速度。
将上面两式代入式(4-4) 中，可得
Te-TL= DG2/375
(4-5)
式中 GD2－转动部分的飞轮矩(N·m)；
我们称（Te-TL）为动转矩，动转矩等于零时，系统处于恒转速运行 的稳态；动转矩大于零时，系统处于加速运行的过渡过程中；动转 矩小于零时，系统处于减速运行的过渡过程中。
电动机的电压平衡方程式
E =Keφn
(4-6)
E =Cen
(4-7)
电动机各个电量的方向，如图4-4所示。
图4-4直流电动机中各电量的参考方向