机电一体化 第六章 伺服驱动控制系统设计
伺服控制系统(设计)
第一章伺服系统概述伺服系统是以机械参数为控制对象的自动控制系统。
在伺服系统中，输出量能够自动、快速、准确地尾随输入量的变化，因此又称之为随动系统或者自动跟踪系统。
机械参数主要包括位移、角度、力、转矩、速度和加速度。
近年来，随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术、现代控制技术、材料技术的快速发展以及机电创造工艺水平的逐步提高，伺服技术已迎来了新的发展机遇，伺服系统由传统的步进伺服、直流伺服发展到以永磁同步机电、感应电机为伺服机电的新一代交流伺服系统。
目前，伺服控制系统不仅在工农业生产以及日常生活中得到了广泛的应用，而且在许多高科技领域，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路创造、办公自动化设备、卫星姿态控制、雷达和各种军用武器随动系统、柔性创造系统以及自动化生产线等领域中的应用也迅速发展。
1.1 伺服系统的基本概念1.1.1 伺服系统的定义“伺服系统”是指执行机构按照控制信号的要求而动作，即控制信号到来之前，被控对象时静止不动的；接收到控制信号后，被控对象则按要求动作；控制信号消失之后，被控对象应自行住手。
伺服系统的主要任务是按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的转矩、速度及位置都能灵便方便的控制。
1.1.2 伺服系统的组成伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。
它由检测部份、误差放大部份、部份及被控对象组成。
1.1.3 伺服系统性能的基本要求1 )精度高。
伺服系统的精度是指输出量能复现出输入量的精确程度。
2 )稳定性好。
稳定是指系统在给定输入或者外界干扰的作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。
3 )快速响应。
响应速度是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。
4)调速范围宽。
调速范围是指生产机械要求机电能提供的最高转速和最低转速之比。
5 )低速大转矩。
在伺服控制系统中，通常要求在低速时为恒转矩控制，电机能够提供较大的输出转矩；在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。
伺服系统
加减速时间设定
加减速用加减速时间的长短来设定，加减速时间越短，速度变化大， 系统易引起振荡；反之，系统的响应性变慢。加减速有线性加减速和指 数加减速。在线性加减速中，加速度有突变，应根据负载惯量核算最大 可达到的加速度，从而确定加速到最大速度所需要的时间；在指数加减 速中，加速度变化无突变，速度变化平稳，必须设定加减速总时间和加 减速升降速时间。
以移动部件的位置和速度作为控制量的 自动控制系统。
伺服系统
伺服系统组成
机电一体化技术
伺服系统组成
位置控制 + 位置控制 调节器 — 速度控制
+
—
--
位置 指令
速度控制 调节器
功率 驱动
机械传动机构
实际速度反馈 速度检测 电机 实际位置反馈 位置检测
伺服系统
伺服系统组成
机电一体化技术
基本工作原理
伺服系统
伺服系统参数
机电一体化技术
v、a v a
v、a
v
a
O t O
ta
t1
ta
t2
t
线性加减速
指数加减速
伺服系统
伺服系统参数
机电一体化技术
阻尼
运动中的机械部件易产生振动，其振幅取决于系统的阻尼和固有频率， 系统的阻尼越大，振幅越小，且衰减越快。运动副（特别是导轨）的摩擦阻 尼占主导地位，实际应用中一般将摩擦阻尼简化为粘性摩擦阻尼。系统的粘 性摩擦阻尼越大，系统的稳态误差越大，精度越低。对于质量大、刚度低的 机械系统，为了减小振幅，加速衰减。可增大粘性摩擦阻尼。
位置检测装置将检测到的移动部件的实 际位移量进行位置反馈，与位置指令信号进 行比较，将两者的差值进行位置调节，变换 成速度控制信号，控制驱动装置驱动伺服电 动机以给定的速度向着消除偏差的方向运动，
机电一体化系统设计 学习指南
机电一体化系统设计学习指南一、理论教学第一章绪论[教学目的与要求]：1．掌握机电一体化的基本涵义。
2．掌握机电一体化系统及其组成。
3．了解机电一体化控制系统。
[本章主要内容]：1.1 什么是机电一体化?1.2 机电一体化实例—机器人介绍1.3 机电一体化系统基本组成1.4 机电一体化设计方法[本章重点]：1．机电一体化系统基本概念2．机电一体化系统基本组成[本章难点]：1．机电一体化系统基本组成第二章机电一体化系统总体设计[教学目的与要求]：1．了解机电一体化系统的总体设计方法2．掌握机电一体化产品的工程路线3．掌握几种典型机电一体化装置的基本组成[本章主要内容]：2.1 机电一体化产品设计过程2.2 机电一体化系统设计方法2.3 机电一体化产品设计实例[本章重点]：1．机电一体化总体设计的内容及方法2．典型机电装置的系统组成以及软、硬件结构[本章难点]：1．机电一体化系统设计的方法2．典型机电一体化装置数控机床或工业机器人的基本组成及设计方法第三章传感检测系统[教学目的与要求]：1．了解传感检测系统的基本组成和传感器的基本评价指标。
2．掌握机电一体化系统中常用传感器的基本原理与适用场合。
3．了解传感检测系统中常用信号预处理技术的基本原理。
[本章主要内容]：3.1 检测的基本概念3.2 传感器概述3.3 常见传感器原理及应用3.4 信号处理[本章重点]：1．各类传感器的工作原理2．传感器的功用和特性3．信号调理电路（滤波、相关、调制、解调）4．信号变换技术(传感器接口电路、放大电路、模数转换、数模转换)[本章难点]：1．各类传感器的工作原理2．传感器的功用和特性3．信号调理电路（滤波、相关、调制、解调）第四章机械系统设计[教学目的与要求]：1．掌握机电一体化系统中传动机构的种类、特点、基本要求。
2．了解常用工业机器人的基本构型。
3．掌握机电一体化系统常用精密传动机构的基本原理与设计方法。
[本章主要内容]：4.1 机电一体化系统典型机构4.2 机器人机构4.3 精密齿轮传动4.4 同步带传动4.5 滚珠丝杠传动4.6 导轨设计4.7 机械系统设计综合应用实例[本章重点]：1．滚珠丝杠副传动机构[本章难点]：1．传动机构的设计方法2．滚珠丝杠副传动机构3．谐波齿轮传动第五章伺服驱动系统[教学目的与要求]：1．了解伺服系统的一般组成、分类和基本组成形式。
伺服电机控制系统毕业论文设计
调速应用领域最初用得最多的是直流电机，随着交流调速技术特别是电力电子技术和控制技术的发展，交流变频技术获得了广泛应用，变频器和交流电动机迅速渗透到原来直流调速系统的绝大多数应用领域。近几年来，由于直流伺服电动机体积小、重量小和高效节能等一系列优点，中小功率的交流变频系统正逐步被直流伺服电动机系统所取代，特别是在纺织机械、印刷机械等原来应用变频系统较多的领域，而在一些直接由电池供电的直流电机应用领域，则更多的由直流伺服电动机所取代。
This article mainly discusses the designations of three-phase BLDCM velocity modulation system. The master controlled unit is BLDCM special-purpose control chip 80C196MC, assistanceswith the keyboard, the monitor, examines the electric circuit, the power electric circuit, actuates the electric circuit, the protection circuit and so on. The BLDCM with 3 Hall sensors establishing inside, to exam the position of the rotor and decide the phase change of electricalmachinery, the system calculates the rotational speed of the electrical machinery to realize the velocity-feedback control according to the Hall signal.
机电一体化系统设计-概论
三大“目的功能”
1。变换功能 2。传递功能 3。储存功能
系统的目的功能
系统内部功能
• 主功能 • 动力功能 • 检测功能 • 控制功能 • 构造功能
机电一体化系统设计
课程介绍
第一章。概论 第二章。机械系统设计 第三章。检测系统设计* 第四章。驱动系统设计 第五章。接口技术 第六章。控制系统设计* 第七章。机电一体化系统设计典型实例
（机器人）
参考书
• 郑堤 等主编。 机电一体化设计基础（机械工业出版社） • 李成华 等主编。 机电一体化技术（中国农业大学出版社） • 刘杰 等主编。 机电一体化技术基础与产品设计（冶金工业
是由日本人通过截取英文机械学(Mechanics) 的词头和电子学(Electronics)的词尾组合在 一起而创造出来的一个新的英文名词.这一名 词最早出现在1971年日本的<机械设计>杂志副 刊上,后来随着机电一体化的发展而被广泛引 用
机电一体化的含义
日本<<机械振兴协会经济研 究所>>于1981年提出的解释:“机 电一体化乃是机械的主功能、动 力功能、信息功能和控制功能上 引进微电子技术,并将机械装置 与电子装置用相关软件有机结合 而构成系统的总称.”
• 直到70年代初，日本人对机电一体化的 长期实践和最新应用成果加以系统的概 括和总结，才形成一个比较完整的机电 一体化概念。此后由于大规模集成电路 技术和微型计算机技术的迅速发展，使 得机电结合的形式更加灵活，内容更加 丰富，应用更加广泛，因而在以机械工 业为主的传统产业中引发了一场大规模 的机电一体化技术革命。
机电一体化系统毕业设计_步进电机直接驱动单轴直线伺服移动机构设计
机电一体化系统设计说明书（步进电机直接驱动单轴直线伺服移动机构设计）目录[1] 课程设计的目的------------------------------------------------------- 3[2]设计内容------------------------------------------------------- 3[3]课程设计要求------------------------------------------------------- 4[4]机电一体化系统设计1)确定滚珠丝杆副的导程------------------------------------------- 42)滚珠丝杆副的载荷及转速计算----------------------------------- 43)确定预期额定的载荷--------------------------------------------- 44)按精度要求确定允许的滚珠丝杆的最小螺纹底径---------- 55)确定滚珠丝杆副的规格-------------------------------------------- 56)对预紧滚珠丝杆副，确定其预紧力----------------------------- 67)确定滚珠丝杆副支承所用轴承规格----------------------------- 68)滚珠丝杆副工作图设计-------------------------------------------- 69)电机的选择----------------------------------------------------------- 610)滚珠丝杆的校核----------------------------------------------------- 811)滚珠丝杆副的极限转速n c的校核------------------------------- 812)D n值的验证---------------------------------------------------------- 913)基本轴向额定静在和C u的验算--------------------------------- 914)强度验算------------------------------------------------------------- 915)轴承的选择与验算------------------------------------------------- 916)滚动直线导轨选择，计算和验算------------------------------- 1217)机械控制系统原理及电路设计---------------------------------- 14[5]附录【1】HXD55无相混合式驱动器------------------------------- 16[6] 密封和润滑---------------------------------------------------------------- 17[7]结论------------------------------------------------------------------------- 18[8] 参考文献------------------------------------------------------------------- 21一．课程设计的目的：1.掌握机电一体化系统设计过程和方法，包括参数的选择，传动的设计，零件的计算，结构的计算，培养系统分析及设计的能力。
《机电一体化系统设计》第六章课件
6.1 3D打印机
• 6.1.1 3D打印机技术认知 • 6.1.2 3D打印机组成及工作原理 • 6.1.3 3D打印的优势与面临的挑战 • 6.1.4 3D打印机的发展
6.1 3D打印机
• 3D打印的概念胚芽起源于18世纪西欧的雕塑艺 术，但是限于当时的科技手段，该技术一直没 能成功，直到20世纪随着计算机和网络的发展， 3D打印技术才真正得到实现与发展。英国 《The Economist》杂志《The Third Industrial Revolution》一文中，将3D打印技术作为第三 次工业革命的重要标志之一。随着智能制造的 进一步发展成熟，3D打印技术在打印材料、精 度、速度等方面都有了较大幅度的提高，新的 信息技术、控制技术、材料技术等被不断运用 于其中，使得3D打印技术在制造领域的应用越 来越广泛。
6.1.1 3D打印机技术认知
• 1.3D打印技术的概念及原理 • 3D打印(3D printing)是快速成型技术的一种。它是一种以
数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合 材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。 • 传统数控制造主要是“去除型”，即在原材料基础上， 使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法，去除多余部分， 得到零部件，再以拼装，焊接等方法组合成最终产品， 面3D打印则颠覆了这一观念，无需原胚和模具，就能直 接根据计算机图形数据，通过层层增加材料的方法直接 造出任何形状的物体，这不仅缩短了产品研制周期，简 化了产品的制造程序，提高了效率，而且大大降低了成 本，因此被称为“增材制造”。
• (4)生成层面信息 层面信息包括轮廓信息和当前轮 廓的高度信息。通过求交点计算，把获取到的交点 按照顺序连接，就形成一个打印平面。轮廓信息中 包括外轮廓和内轮廓，轮廓中还应该进行光斑补偿 等。
机电一体化系统设计试题_6答案
习题六答案1、什么是伺服控制？为什么机电一体化系统的运动控制往往是伺服控制？伺服控制系统是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度及动力输出的自动控制系统.机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。
2、机电一体化系统的伺服驱动有哪几种形式?各有什么特点？（1）、按被控量参数特性分类按被控量不同，机电一体化系统可分为位移、速度、力矩等各种伺服系统。
其它系统还有温度、湿度、磁场、光等各种参数的伺服系统（2）、按驱动元件的类型分类按驱动元件的不同可分为电气伺服系统、液压伺服系统、气动伺服系统。
电气伺服系统根据电机类型的不同又可分为直流伺服系统、交流伺服系统和步进电机控制伺服系统。
（3）、按控制原理分类按自动控制原理，伺服系统又可分为开环控制伺服系统、闭环控制伺服系统和半闭环控制伺服系统。
3、机电一体化对伺服系统的技术要求是什么？机电一体化伺服系统要求具有精度高、响应速度快、稳定性好、负载能力强和工作频率范围大等基本要求，同时还要求体积小、重量轻、可靠性高和成本低等。
4、试分析直流伺服电机的结构与工作原理。
直流伺服电动机主要由磁极、电枢、电刷及换向片结构组成（如图6-3所示）。
其中磁极在工作中固定不动，故又称定子。
定子磁极用于产生磁场。
在永磁式直流伺服电动机中，磁极采用永磁材料制成，充磁后即可产生恒定磁场。
在他励式直流伺服电动机中，磁极由冲压硅钢片叠成，外绕线圈，靠外加励磁电流才能产生磁场。
电枢是直流伺服电动机中的转动部分，故又称转子，它由硅钢片叠成，表面嵌有线圈，通过电刷和换向片与外加电枢电源相连。
图6-3 直流伺服电动机基本结构图6-4 电枢等效电路直流伺服电动机是在定子磁场的作用下，使通有直流电的电枢（转子）受到电磁转矩的驱使，带动负载旋转。
通过控制电枢绕组中电流的方向和大小，就可以控制直流伺服电动机的旋转方向和速度。
机电一体化系统设计伺服系统设计
二、伺服电机及其控制
2 直流电机的功率驱动 直流电机的调速电路目前以脉冲宽度调制电路应
用最为广泛.
桥式(H形)PWM变换器主电路
二、伺服电机及其控制
作用在电机两端的 平均电压为：
UAB(2Tton1)Us
二、伺服电机及其控制 3 直流伺服系统模型
二、伺服电机及其控制
1校正环节：一般速度环调节器为比例环节 G1S =Kp
1 系统等效转动惯量 的计算
系统运动部件动能的总和J d为x
E1 2im 1Mi Vi21 2jn1Jj
2 j
二、伺服系统稳态设计
设等效到执行元件输出轴上的总动能为
Edx
1 2
Jdx
d2
根据动能不变的原则,有 Edx ,E系统等效转动惯量
为
Jdxim 1Mi Vid2jn1Jj dj 2
一、方案设计
4．控制系统方案的选择 控制系统方案的选择包括微型机、步进电动机
控制方式、驱动电路等的选择.常用的微型机有单 片机、单板机、工业控制微型机等,其中单片机由 于在体积、成本、可靠性和控制指令功能等许多 方面的优越性,在伺服系统的控制中得到了广泛的 应用.
二、伺服系统稳态设计
系统方案确定后,应进行方案实施的具体化设 计,即各环节设计,通常称为稳态设计.其内容主要 包括执行元件规格的确定、系统结构的设计、系 统惯量参数的计算以及信号检测、转换、放大等 环节的设计与计算.稳态设计要满足系统输出能力 指标的要求.
可按下面公式计算
360
0பைடு நூலகம்
Zm
式中 为步距角； Z为转子上的齿数；m为
步进电动机运行的拍数.
同一台步进电动机,因通电方式不同,运行时步 距角也是不同的
机电一体化课程说明书
课前预习，课上听讲、记笔记，课后复习、浏览教学网站。
五、实践教学（含课程实验、课程论文、读书报告、文物考察、野外实习、写生等）
无
六、成绩考核
平时成绩
占总成绩10%。其中，作业质量和上课出席参与占10%。
期末成绩
占总成绩90%，闭卷（时间为120分钟，满分为100分）。
题目类型有名词解释、简答题、判断题、计算题(携带计算器)、填空题等。
第15周
§5.2.2电磁干扰的形式和途径
§5.2.3常用的干扰抑制技术
第16周
第六章机电一体化系统设计
§6.1概述
§6.2机电一体化的产品规划
§6.3机电一体化系统的概念设计
周一9、10节补课
§6.4机电一体化系统的详细设计
§6.5机电一体化系统的评价与决策
周三9、10节补课
教学方法
与手段
通过教材进行基本内容讲解，理论联系实际，并辅以多媒体辅助教学手段。
四、教学信息
教学目标
本课程旨在通过机电一体化系统设计的教与学，使学生掌握机电一体化技术基本知识和技能，掌握测系统分析和设计的基本方法，为进一步学习、研究和处理机械工程技术问题打下基础。
教学进度
（以周为单位）
课堂讲授
实验、实习、作业、课外阅读及参考文献等
教学内容摘要
（章节名称、讲述的内容提要，课堂讨论的题目等）
三、教学资源
指定教材
《机电一体化技术》(第二版).孙卫青、李建勇主编,科学出版社,2010年.
参考文献
《机电一体化系统设计》，赵松年编著，机械工业出版社，2011年.
《机电一体化系统设计》，张建民编著，高等教育出版社，2009年.
《机电一体化系统设计》，姜培刚编著，机械工业出版社，2011年.
chapter1.1新
机电一体化技术是保证科学操作和科学管理的有效工具。
数 控 铣 床
数控车床
焊接机器人
机电一体化研究目的
使机电系统（产品）高附加价值化，即多功能 化、高效率化、高可靠性化、省材料、省能源化， 并使产品结构向轻、薄、短、小巧化的方向发展， 不断满足人们生活的多样化需求和生产的自动化、 省力化需求。
内容提要
第七章 机电一体化总体设计 机电一体化系统总体设计的基本概念、机电一体化 系统性能指标分析、机电一体化系统设计过程（实例： 模糊洗衣机设计、工业机器人、温度控制等）
主要参考文献： 主要参考文献：
1．郑堤,唐可洪.机电一体化设计基础.北京:机械工业出版社,1997. 2. 侯力,樊庆文.机电一体化系统设计.北京:高等教育出版社,2004. 3. 张松年.机电一体化系统设计.北京:机械工业出版社,2004. 4. 郑堤,唐可洪.机电一体化设计基础.北京:机械工业出版社,2003. 5. 张建民.机电一体化系统设计.北京:高等教育出版社.2001. 6. 张立勋.机电一体化系统设计.哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社,1997. 7. 杨黎明.机电一体化系统设计手册.北京:国防工业出版社,1997. 8. 谢存禧,邵明.机电一体化生产系数设计.北京:机械工业出版社,1999. 9. 李建勇.机电一体化技术.北京:科学出版社,2004. 10. 裴仁清.机电一体化原理.上海:上海大学出版社,1998.
5、能源部分
能源部分负责为系统提供能量和动 力功能，包括电动、气动和液压。
机电一体化系统的组成
注意：
机电一体化系统中的“机”和“电”不是简单地结合或 叠加，而是采取宜机则机、宜电则电的设计原则，充分发 挥机、电各自的优势，二者相互交叉、融合的产物 。
《机电一体化》教学大纲
《机电一体化》教学大纲课程编号：学时：50学时（3学时/周）学分：3适用专业：高职教育类机电专业考核要求：1. 熟练掌握机电一体化的基本概念和基本要素以及各部分的作用，了解机电一体化的相关技术和发展趋势，并结合实例分析机电一体化技术在机电产品中的应用。
2. 掌握机电一体化中机械系统部件的选择与设计的方法和依据，认识现代常用的传动机构、导向与支承结构、机械执行机构。
3. 了解机电一体化中微型计算机控制系统及接口设计；掌握控制系统的一般设计思路；掌握微型计算机的基本构成；认识未来计算机的发展对机电一体化的影响；掌握微型计算机应用领域、选用要点及注意事项；掌握单片机控制系统的组成和单片机芯片的选择要点。
4. 了解机电一体化中传感器与微机的接口技术，认识传感器前级信号的放大与隔离的常用方法；掌握信号在传输过程中的意义和常用的信号的变换方法。
5. 掌握步进电机的工作原理、特点和主要特性以及选择方法；掌握直流伺服电机、交流伺服电机的种类、结构特点以及选择方法。
掌握开环系统和闭环系统的区别。
6. 掌握机电一体化产品的开发设计步骤。
一、课程目的和任务让学生通过掌握机电一体化的基本知识，拓宽学生的知识面。
本课程的任务是使机电工程专业的学生在机电一体化技术方面具有较广泛的知识，了解机电一体化系统（产品）涉及的相关技术，对典型机电一体化系统有一个比较全面的认识，使学生在今后的工作中具有综合应用多学科知识的能力。
二、理论教学内容第一章机电一体化的基本概念【教学目的】弄明白学习机电一体化的重要性，掌握机电设备的发展方向，弄懂机电一体化基本涵义及各部的作用与功能。
【教学重点和难点】重点：机电一体化概念及其本要素的名称、作用、要求。
难点：接口的理解，尤其是接口功能中转换功能的理解【教学内容】1、机电一体化的定义；2、机电一体化的相关技术；3、机电一体化技术的发展前景；4、机电一体化的应用实例。
【教学方法】以理论讲解为主，再举例加以说明。
单片机控制伺服电机设计(带单片机程序及电路)
程设计说明书题目：基于单片机的步进电机控制系统设计课程：机电一体化系统设计姓名：马福德学号：0804705030指导教师：段广云、俞学兰专业年级：机械设计制造及其自动化（机械电子工程方向）2008级所在院系：机械工程学院完成日期： 2011年7月 10 日答辩日期： 2011年7月 11 日摘要随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其在各个国民经济领域都有应用。
研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。
步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，步进电机控制系统主要由步进控制器,功率放大器及步进电机等组成。
采用单片机控制,用软件代替上述步进控制器,使得线路简单,成本低,可靠性大大增加。
软件编程可灵活产生不同类型步进电机励磁序列来控制各种步进电机的运行方式。
本设计是采用AT89C51单片机对步进电机的控制，通过IO口输出的时序方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片AT6560AHQ驱动步进电机；同时，用 4个按键来对电机的状态进行控制，并用数码管动态显示电机的转速。
系统由硬件设计和软件设计两部分组成。
其中，硬件设计包括AT89C51单片机的最小系统、电源模块、键盘控制模块、步进电机驱动模块、数码显示模块、测速模块（含霍尔片UGN3020）6个功能模块的设计，以及各模块在电路板上的有机结合而实现。
软件设计包括键盘控制、步进电机脉冲、数码管动态显示以及转速信号采集模块的控制程序，最终实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并将步进电机的转动速度动态显示在LED数码管上，对速度进行实时监控显示。
软件采用在Keil软件环境下编辑的C语言。
本系统具有智能性、实用性及可靠性的特点。
关键词：步进电机 ,单片机 ,电脉冲信号, 角位移, 转速控制,方向控制ABSTRACTWith the development of microelectronics and computer technology, increasing demand for stepper motor, which is widely used in printers, electronic toys and consumer products such as CNC machine tools, industrial robots, medical equipment and electrical products, and its various national fields are applied. Of stepper motor control system to improve the control accuracy and response speed, energy conservation and so important.Stepper motor is an electric pulse signals can convert the angular displacementor linear displacement of the mechanical and electrical components, stepper motor control system consists of stepper controller, stepper motor power amplifier and so on. Use MCU control, the stepper controller instead of using software to make simple circuit, low cost, reliability greatly increased. Software programming flexibility to produce different types of stepping motor excitation sequence to control the operation of the various stepper motor modeThis design is used AT89C51 of Stepping motor control, through the IO port as a square wave output of the timing of step motor control signal, the signal through the ULN2003 driver chip stepper motor; the same time, with four buttons to the status of the motor control, and dynamic display with digital control motor speed.System consists of hardware and software design of two parts. Among them, the hardware design, including minimum system AT89C51 microcontroller, power supply module, keyboard control module, stepper motor drive (integrated Darlington ULN2003) module, digital display (SM420361K digital control) module, speed modules (including the Hall probe UGN3020) six function modules, and each module in the circuit board to achieve the organic combination. Software design, including keyboard control, stepping motor pulse, the digital dynamic display and speed signal acquisition module, control procedures, and ultimately to the stepper motor rotation direction and rotation speed control of stepper motor rotation speed and dynamic display in the LED digital tube, real-time monitoring of the speed display. Software used in the software environment to edit Keil C language. This system has the intelligence, practicality and reliability features.Key Words： Stepping motor , MCU Pulse Signal , Angular displacement ,Speed control ,Direction control目录1 绪论 (1)1.1背景 (1)1.2设计任务及要求 (1)2 总体方案设计 (2)2.1方案设计 (2)2.2芯片选择 (2)2.2.1 CPU的芯片选择 (2)2.2.2 驱动电路的芯片选择 (3)2.2.3 测试电路的芯片选择 (6)3 系统硬件设计 (7)3.1电机驱动电路 (7)3.2测试及显示电路 (8)3.2.1 CS3020霍尔传感器测试电路 (8)3.2.2 LED数码显示管 (8)3.3电源 (9)3.4两相步进电机 (9)3.5键盘控制系统 (10)4 控制系统软件分析与设计 (11)4.1主程序流程图 (11)4.2读键盘子程序流程图 (11)4.3键盘处理子程序流程图 (12)4.4电机控制中断程序流程图 (12)4.5程序设计平台 (13)4.6源程序清单 (14)5 PCB板设计 (19)5.1设计原则 (19)5.1.1布局操作的基本原则 (19)5.1.2布线原则 (19)5.2PCB板设计方案： (20)5.3PCB板各电器元件的布局 (21)6 设计体会 (22)致谢 (23)参考文献 (24)附录 (25)A元件清单 (25)B电路PCB图 (26)C电路原理图 (26)1 绪论1.1 背景当今社会，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。
机电一体化第六章伺服驱动控制系统设计
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
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二、 伺服驱动控制系统设计的基本要求
1. 高精度控制 2. 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. 6.
闭环调节系统。
(4) ①
② 调节方法。
(5) ① 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
② 调节方法。
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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 (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 (2) 由于晶体管开关工作频率很高（在2 kHz左右），因此系统的 (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 (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
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(2) ① A. 步进电动机型号：130BYG3100D (其他型号干扰大) B. 静转矩15 N·m C. 步距角0.3°/0 6°
D. 空载工作频率40 kHz E. 负载工作频率16 kHz ② A. 驱动器型号ZD-HB30810 B. 输出功率500 W C. 工作电压85～110 V D. 工作电流8 A E. 控制信号，方波电压5～9 V，正弦信号6～15 V ③ 控制信号源。
(3) ① 标准信号控制系统（如图6-16） ②检测信号控制系统 （如图6-17）
③ 计算机控制系统（如图6-18）
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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
计算机辅助设计与制造第六章
N20 G01 X88.1 Y30.2 F500 T02 M08 ;
程序内容
N30 X90;
N40 M30 ; 程序结束符
6.2 零件加工的数控编程
2.程序段的格式 程序段的格式是指程序段中的字、字符和数据的安排形式。现在一般 使用字地址可变程序段格式,每个字长不固定,各个程序段中的长度和 功能字的个数都是可变的。字地址可变程序段格式中,在上一程序段中 写明的、本程序段里又不变化的那些字仍然有效,可以不再重写。这种 功能字称为续效字,这种指令称为模态 传统数控系统与伺服驱动之间的控制接口,一种方式采用模拟接口(传统闭环
控制的手段),其存在精度差、易受干扰、信息单向传送、难于分布式控制等一系 列问题,另一种方式采用脉冲串接口,其又只能实现开环控制、更难于开发出下一 代数控系统。因此接口控制总线已成为下一代数控系统的关键技术。国外著名的 数控厂商纷纷开展现场总线的研制,并制定了相应的标准。例如,FANUC公司建立了 FSSB总线,西门子公司推出了PROFIBUS、PROFINET,欧盟制定了SERCOS等。现场总 线技术在数控系统上的应用体现出较强的优越性。
6.1 机床数控系统
2. CNC装置的工作过程 (1)输入 (2)译码 (3)数据处理 (4)插补 (5)伺服控制 (6)管理
6.1 机床数控系统
3. CNC装置的功能 (1)控制轴功能 (2)操作功能 (3)插补功能 (4)进给功能 (5)程序输入功能 (6)辅助功能/主轴功能 (7)刀具功能/刀具补偿 (8)编辑功能 (9)设定和显示功能 (10)数据输入/输出
6.1 机床数控系统
6.1.1 数控原理 数控(NC)是数字控制(Numerical Control)的简称,是用数字信息通过控制装置(或
[工学]091201第6章 机电一体化伺服驱动系统设计
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② 变频器
• 交流伺服电动机变频调速的关键问题是 要获得调频调压的交流电源
频率变换：交-直-交变频器、交-交变频器。 交-交变频器(直接变频器或周波变频器)——采用元 器件的数量较多，其输出的电压波形是由电源波形 的区段组成的，为了使波形畸变不至过大，输出频 率不能高于电网频率的1/3~1/2，通常用于大功率
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（1） 开环伺服系统
开环伺服系统—— 控制系统中没有检测反馈环节
数控装置
开环伺服系统结构简图
步进 电机
工作台
脉冲分配
功率放大器
缺点：精度低（定位精度±0.02mm~±0.01mm），速度有限；
优点：结构简单，调试、维修、使用方便，工作稳定、可靠；
应用：一些精度要求不高的机电一体化系统，如线切割机、办公 自动化设备、大多数经济型数控机床和老式机床的改造
容量大、成本低、适宜大功率传动。
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（2） 交流伺服电动调速方法
60 f n 1 s n0 1 s p
异步机的调速方法可分为变频调速、变极对数调速和变转 差率调速。
变差转率调速
转子串电阻调速 定子调压调速 串级调速 鼠笼式异步电机
绕线式异步电机
电磁差转离合器调速 绕线式异步电机
(500kW或1000kW以上)、低速(600r/min以下)的场合
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交-直-交变频器结构框图
整流器 中间滤波器 逆变器
~
IM
~
控制电路
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• 交-直-交变频器（带直流环节的间接变频 器）——这种型式的变频器技术成熟， 应用较多，输出交流电的频率可高于电 网的频率
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③ SPWM变频器
• SPWM（正弦波脉冲宽度调制），其主 要特点是在脉冲宽度调制时，采用三相 正弦信作为调制波
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(2) 气压驱动控制系统特点： ① 成本低。 ② 清洁、安全。 ③ 输出功率和力比较小。 ④ 体积较大。 ⑤ 控制稳定性能差。 ⑥ 结构简单，维护修理方便。 ⑦ 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。 ① 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，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。
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图6-4 步进电动机的单步运行图
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图6-5 角位移的超调和振荡现象示意图
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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
图6-1 步进电动机系统简图
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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： ① 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。 ② 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。 ③ 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。 ④ 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 。
第六章 伺服驱动控制系统设计
第一节 第二节 第三节 第四节
伺服驱动控制系统设计分析 步进电动机控制系统设计 直流电动机调速控制系统设计 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： ① 液压伺服驱动控制系统；② 气压伺服驱动控制系统；③ 电机伺服 驱动控制系统。 (2) 按照控制信号分类： ① 标准信号控制系统；② 检测信号控制系统；③ 计算机输出信号控 制系统。 (3) 按照控制方法分类： ① 模拟电路控制系统；② 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 ① 功率大。② 驱动系统体积小。③ 控制性能好。 ④ 维护修理方便。 ⑤ 成本较高。⑥ 适用范围广。
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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
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(2) 反应式步进电动机的基本特性： ① 步矩角特性。 ② 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α1。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(α)也平移了 αp角。当α1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 αp=α２-α１，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αp角， 因此画出各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。 ③ 矩频特性。图6-7所示是矩频特性图
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② 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 返 回Fra bibliotek 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。
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二、 伺服驱动控制系统设计的基本要求
1. 2. 3. 4. 5. 6. 高精度控制 快速响应好、无超调 调速范围宽、低速稳定性好 快速的应变能力和过载能力强 无感应干扰 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. 结构尺寸及质量满足总体技术要求原则