机电一体化第五章 伺服系统设计讲解
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1、 m相单m拍通电方式。 2、 m相双m拍通电方式。 3、 m相2倍m拍通电方式。 m相单m拍通电方式为单相通电方式，由于矩频特性差,容易失步,实际较 少采用。单双轮流通电方式矩频特性最好。
机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计
（二）步距角计算
θ =360°/(cmz) θ——步距角； z——转子的齿数； m——步进电机的相数； c— 通电方式系数，单拍或双拍通电时取1，单双轮流通电时取2。
机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计
第五章 伺服系统设计 §5.1概述 5.1.1 概念
伺服系统 — 在控制指令的指挥下,控制驱动元件,使机械系统的运动部件 按照指令要求进行运动的系统。
伺服系统有闭环伺服系统与开环伺服系统之分。 闭环伺服系统是一种反馈控制系统，其工作过程是偏差不断产生又不断 消除的过程。 举例： 步进电机滚珠丝杠伺服驱动系统（开环位置控制伺服系统）。
4、启动矩频特性 ——启动频率与负载转矩的关系。
启动频率——电机在有外加负载转矩时，不失步启动的最高脉冲频率。 失步——转子前进的步数不等于输入的脉冲数。 启动矩频特性曲线见下图。 由图可知，负载转矩越大所允许的最大启动频率就越小。
机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计
5、启百度文库惯频特性 启动惯频特性—— 启动频率与转动惯量（纯惯性负载）之间的关系。 如图下所示，负载转动惯量越大，允许最大启动频率就越低。
性好等。 5.2.2 直流伺服电动机及控制 书上只介绍了速度控制（不要求）
机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计
5.2.3 步进电动机及其控制 一、工作原理
如下图所示： 定子上有6个齿，三对磁极，转子上分布有4个齿。 定子上三相绕组（三对磁极）轮流通电，吸引转子一步一步旋转。 每通断电一次，步进电机转过的角度称为步距角，图为30°。
±2´~±5´。
机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计
3、步进电机矩角特性——静态时转矩与失调角的关系。 什么是失调角？ 保持一相（单拍）或两相（双拍）绕组通电 ，此时定子与转子的齿对齐，
当转子加一负载转矩时，转子将转θ角，θ角称为失调角。转矩与θ关系见下 图：
机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计
间，电机处于一步一停的状态。 低频振荡——步进电机运行的频率（较低时）与电机的固有频率相等或
接近时，会发生共振，使电机产生振荡不前的现象。 避免低频振荡方法 ：（1）避开固有频率运行；（2）调节电机上阻尼器
改变固有频率。
机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计
四、步进电机的控制与驱动
要使步进电机正确运转，必须按一定顺序对定子各相绕组励磁，以 产生旋转磁场，即按一定规律将控制脉冲分配给步进电机各绕组。步进电机 每接收一个脉冲将相应转过一定的角度。
按一定规律将指令脉冲分配给步进电机各绕组的器件称脉冲分配器。 脉 冲分配器有硬件与软件之分。
机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计
（一）软件脉冲分配器与控制编程 软件脉冲分配器——用计算机程序实现脉冲分配。 应用举例： 已知数控机床某方向进给系统脉冲当量δ=0.01mm（脉冲当
量：一个脉冲（一个步距角）前进的距离。 δ=(α·p)/(360°·i ) ，其中 α— —步距角，P——导程， i——传动比），计算机晶振频率为6M，选用四相 电机，四相八拍工作方式，要求工作台以V=1000mm/min的速度前进2mm ， 设计步进电机驱动硬件及软件 （采用软件脉冲分配器）。
机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计
二、通电方式及步距角计算 （一）通电方式 定子绕组每通断电操作一次称为一拍。
三相单三拍通电方式： A→B→C→ A→ …… 三相双三拍通电方式： AB → BC → CA → AB → …… 三相六拍（单双轮流）通电方式：
A → AB → B → BC → C → CA → A → …… 改变各相绕组的通断电顺序可实现逆转。 一般对于m相步进电机有：
机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计
6、连续运行矩频特性 —— 电机启动后不失步运行时，输出转矩与输入脉冲频率的关系。 如下图所示，电机输出转矩随运行频率的增加而减小。
机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计
7、步进运行和低频振荡 步进运行—— 当输入脉冲频率很低时，脉冲周期大于电机的过渡过程时
机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计
5.1.2 伺服系统的类型及要求 一、类型
1 按被控量分: 有位置、速度、加速度、力、力矩等伺服系统。 2 按控制方式分: 有开环、闭环、半闭环等伺服系统。 3 按驱动元件性质分: 有电动、液压、气动等伺服系统。 二、 基本要求 1、稳定性要求 稳定的系统在受到外界干扰时, 其输出响应的过度过程随时间的增加而 衰减; 不稳定的系统其输出响应的过度过程随时间的增加而增加，或表现为等 幅振。
§5. 2 伺服系统中的执行器件及其控制 5.2.1 概述 一、执行器件类型： 1 、电气式：步进电机 ´ 直流伺服电机 ´ 交流伺服电机等。 2 、液压式：液压缸´ 液压马达等，控制性能不如伺服电机。 3 、气压式：气缸 ´ 气马达等，较难伺服控制。 二、对执行器件的要求： 惯性小，动力大；体积小，质量轻；好控制，成本低；可靠
稳定性是系统本身的一种特性，取决于系统的结构及参数（如贯性 ´ 刚 度 ´ 阻尼 ´ 增益等），与外界作用信号的性质或形式无关。
2、精度要求 伺服系统的精度是指输出量跟输入量的近似程度。
3 、快速响应性要求
快速响应— 输出跟随输入信号的变化程度以及动态响应过程结束的迅 速程度。
机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计
机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计
三、步进电机的主要性能指标及特性 1、最大静转矩Tmax 步进电机运行频率为零（转速为零）时的输出转矩。 步进电机运行频率——步进电机绕组每秒钟通断电次数。 步进电机工作时的负载转矩一般取最大静转矩的30 % ～50 %。 2、步距角及其精度（误差） 空载时实测步距角与理论步距角之差. 反应了步进电机的制造精度。 步进电机步距角精度较低的一般为±10´~±30´ , 精度高的可达
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（二）步距角计算
θ =360°/(cmz) θ——步距角； z——转子的齿数； m——步进电机的相数； c— 通电方式系数，单拍或双拍通电时取1，单双轮流通电时取2。
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第五章 伺服系统设计 §5.1概述 5.1.1 概念
伺服系统 — 在控制指令的指挥下,控制驱动元件,使机械系统的运动部件 按照指令要求进行运动的系统。
伺服系统有闭环伺服系统与开环伺服系统之分。 闭环伺服系统是一种反馈控制系统，其工作过程是偏差不断产生又不断 消除的过程。 举例： 步进电机滚珠丝杠伺服驱动系统（开环位置控制伺服系统）。
4、启动矩频特性 ——启动频率与负载转矩的关系。
启动频率——电机在有外加负载转矩时，不失步启动的最高脉冲频率。 失步——转子前进的步数不等于输入的脉冲数。 启动矩频特性曲线见下图。 由图可知，负载转矩越大所允许的最大启动频率就越小。
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5、启百度文库惯频特性 启动惯频特性—— 启动频率与转动惯量（纯惯性负载）之间的关系。 如图下所示，负载转动惯量越大，允许最大启动频率就越低。
性好等。 5.2.2 直流伺服电动机及控制 书上只介绍了速度控制（不要求）
机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计
5.2.3 步进电动机及其控制 一、工作原理
如下图所示： 定子上有6个齿，三对磁极，转子上分布有4个齿。 定子上三相绕组（三对磁极）轮流通电，吸引转子一步一步旋转。 每通断电一次，步进电机转过的角度称为步距角，图为30°。
±2´~±5´。
机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计
3、步进电机矩角特性——静态时转矩与失调角的关系。 什么是失调角？ 保持一相（单拍）或两相（双拍）绕组通电 ，此时定子与转子的齿对齐，
当转子加一负载转矩时，转子将转θ角，θ角称为失调角。转矩与θ关系见下 图：
机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计
间，电机处于一步一停的状态。 低频振荡——步进电机运行的频率（较低时）与电机的固有频率相等或
接近时，会发生共振，使电机产生振荡不前的现象。 避免低频振荡方法 ：（1）避开固有频率运行；（2）调节电机上阻尼器
改变固有频率。
机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计
四、步进电机的控制与驱动
要使步进电机正确运转，必须按一定顺序对定子各相绕组励磁，以 产生旋转磁场，即按一定规律将控制脉冲分配给步进电机各绕组。步进电机 每接收一个脉冲将相应转过一定的角度。
按一定规律将指令脉冲分配给步进电机各绕组的器件称脉冲分配器。 脉 冲分配器有硬件与软件之分。
机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计
（一）软件脉冲分配器与控制编程 软件脉冲分配器——用计算机程序实现脉冲分配。 应用举例： 已知数控机床某方向进给系统脉冲当量δ=0.01mm（脉冲当
量：一个脉冲（一个步距角）前进的距离。 δ=(α·p)/(360°·i ) ，其中 α— —步距角，P——导程， i——传动比），计算机晶振频率为6M，选用四相 电机，四相八拍工作方式，要求工作台以V=1000mm/min的速度前进2mm ， 设计步进电机驱动硬件及软件 （采用软件脉冲分配器）。
机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计
二、通电方式及步距角计算 （一）通电方式 定子绕组每通断电操作一次称为一拍。
三相单三拍通电方式： A→B→C→ A→ …… 三相双三拍通电方式： AB → BC → CA → AB → …… 三相六拍（单双轮流）通电方式：
A → AB → B → BC → C → CA → A → …… 改变各相绕组的通断电顺序可实现逆转。 一般对于m相步进电机有：
机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计
6、连续运行矩频特性 —— 电机启动后不失步运行时，输出转矩与输入脉冲频率的关系。 如下图所示，电机输出转矩随运行频率的增加而减小。
机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计
7、步进运行和低频振荡 步进运行—— 当输入脉冲频率很低时，脉冲周期大于电机的过渡过程时
机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计
5.1.2 伺服系统的类型及要求 一、类型
1 按被控量分: 有位置、速度、加速度、力、力矩等伺服系统。 2 按控制方式分: 有开环、闭环、半闭环等伺服系统。 3 按驱动元件性质分: 有电动、液压、气动等伺服系统。 二、 基本要求 1、稳定性要求 稳定的系统在受到外界干扰时, 其输出响应的过度过程随时间的增加而 衰减; 不稳定的系统其输出响应的过度过程随时间的增加而增加，或表现为等 幅振。
§5. 2 伺服系统中的执行器件及其控制 5.2.1 概述 一、执行器件类型： 1 、电气式：步进电机 ´ 直流伺服电机 ´ 交流伺服电机等。 2 、液压式：液压缸´ 液压马达等，控制性能不如伺服电机。 3 、气压式：气缸 ´ 气马达等，较难伺服控制。 二、对执行器件的要求： 惯性小，动力大；体积小，质量轻；好控制，成本低；可靠
稳定性是系统本身的一种特性，取决于系统的结构及参数（如贯性 ´ 刚 度 ´ 阻尼 ´ 增益等），与外界作用信号的性质或形式无关。
2、精度要求 伺服系统的精度是指输出量跟输入量的近似程度。
3 、快速响应性要求
快速响应— 输出跟随输入信号的变化程度以及动态响应过程结束的迅 速程度。
机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计
机电一体化系统设计 第五章 伺服系统设计
三、步进电机的主要性能指标及特性 1、最大静转矩Tmax 步进电机运行频率为零（转速为零）时的输出转矩。 步进电机运行频率——步进电机绕组每秒钟通断电次数。 步进电机工作时的负载转矩一般取最大静转矩的30 % ～50 %。 2、步距角及其精度（误差） 空载时实测步距角与理论步距角之差. 反应了步进电机的制造精度。 步进电机步距角精度较低的一般为±10´~±30´ , 精度高的可达