机电一体化 第六章 伺服驱动控制系统设计
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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
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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
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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
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
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 。
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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。
(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
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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
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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
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
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 。
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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。