第四章 伺服电机new11
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脉频调制（PFM）：改变开关的频率 脉宽调制（PWM）：频率不变，改变占空比
.
一、脉宽调制（Pulse Width Modulation）
Ui +
+ UT
比较器
三角波发生器
UO
功率放大
伺服电机
三角波发生器：
➢ 产生幅度和频率固定的三角波；
过零比较器：
➢ 对输入的三角波和控制信号叠加值进行比较，输出占空比与 控制电压成线性关系的脉宽调制波。
.
Ua
Ua Ua
Ua Ua
Ua
.
由传递函数知，直流伺服电机是一个惯性环节。
Uc
Ua
Uc
Ua
Uc
Uc
Uc
Ua
Uc
.
n Ua
Uc
KGUc
63.2%KGUc
0
τj
t
.
第二节 直流伺服电机的脉宽调制 （PWM）驱动
电枢控制方式：控制电枢的电压
线性驱动方式：晶体管工作在线性放大区，消 耗功率大。
开关驱动方式：晶体管工作在开关方式，消耗 功率小。
（电磁过渡过程<<机械过渡过程）
.
动态特性分析
电枢回路由电阻Ra和电感La组成，输入阶跃信号后：
LaddaItRaIaEaUa
电机产生电磁转矩克服摩擦转矩Ts和惯性转矩：
在机械过渡过程中，Ts相对很小，主要是惯性转矩：
TJdJ2dn
dt 60dt .
故L a 有 6 2 C J M 0： d d 2 n 2 tR a6 2 C J M 0d d n C ten U a
n
Ia
RL
+ Ua -
Ua
Ua Ua
Ua Ф Ua
Ua Ф
.
第三节 直流伺服电机的单片机控制系统 二、角度位置反馈元件 1. 旋转变压器：副边旋转，二次绕 组产生的感应电动势Ea与定转子偏转角 有关，
.
2. 光电编码器盘：
二进制码盘： 111 000
110
001
循环（格雷）码盘 100 000
101
.
设计题目：
基本功能：设计制作电路，利用单片计
控制步进电机运转。要求： （1）通过键盘设定改变电机的转速、转向； （2）利用显示器实时显示转速等参数。
扩展功能：能转动给定的步数。
.
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第四章 直流伺服电机的微机控制系统
.
伺服电机概述
• 伺服电机又称执行电机，可以把输入的电压信号 变换为轴上角位移和角速度输出。
• 常用于位置控制、速度控制和力矩控制
• 直流伺服电机的种类：
– 电磁式、永磁式； 转动惯量较大
– 无槽电枢式、圆盘电枢式；转动惯量较小
– 杯形电枢式；转动惯量最小
• 直流伺服电机的构成：
.
二、PWM功放电路
2. 单向式PWM功放电路
US
T1 D1
US T3
D3
A
M
B
A
T2
M
B T4
D2
D4
若要UAB为正，T3恒截 止，T4恒导通，T1、
T2处于开关状态
若要UAB为负，T1恒 截止，T2恒导通，T3、
. T4处于开关状态
第三节 直流伺服电机的单片机控制系统
一、速度反馈元件（测速发电机） 由直流发电机电枢反应原理，有：
– 定子
Uf
– 转子
• 直流伺服电机的控制方式：
– 电枢控制，Ua
– 磁极控制，Uf
.
+ Ea -
Ia
Φ
Ua
第一节 直流伺服电机的结构特性
• 一、静态特性n=f(T) , n=f(Ua)
电枢反应原理：Ea=Ua－IaRa
电枢的反电动势： Ea Cen
电磁转矩： TCmTa
nUa RaT
Ce CeCm2
a
a
a
ΔIaRa比ΔUa增加得快， ΔEa减小 。
Ea Cen
Δn减小 n
即当电枢电压升高时，转
速n的变化率越来越小。
Ua
.
三、动态特性
定义：电枢回路输入一个阶跃电压信号，转速随时 间的动态变化规律， n=f(t) 。 形成动态过渡过程的原因：
– 转子负载有转动惯量，转速不能突变，造成机械过渡过程 – 电机绕组有电感，电枢电流不能突变，造成电磁过渡过程
n0 C Uea ,kCeC Rm a2
可得静态特征方程： nn0 kT
.
第一节 直流伺服电机的结构特性
T=0时，理想空载速度：
1. 2.
n
n0
Ua
Ce
n=0时，堵转转矩：
T TD CMU Raa
.
第一节 直流伺服电机的结构特性
机械特性n=f(T)：
Ua为常数，
nn0 CeCRma2 T
n
n01
W
EOC
REF+ REF-
ADD A ADD B ADD C
ALE
25 24 23 22
GND
13
-5V
1 2 18 19 17
+5V R1
7 6 5 4 16 15 14
[P0.0_7] 13
3 10
P3.0
DAC0832
CS WR1 WR2 ILE XFER
VDD
DI0
VREF
DI1
DI2
RFB
二、PWM功放电路
1. 双向式PWM功放电路
US
UO
T1
T3
D1 D3
A
M
B
T2
T4
D2 D4
.
当U0为高电平，T1、T4导通， 电机电枢电压UAB＝US；正转
当U0为低电平，T2、T3导通，电 机电枢电压UAB＝- US；反转
UAB US
-Uimax
Uimax
Ui
-US
控制U0电平时间，则控制占空比， 控制电机转速。
.
三、单片机控制系统
单片机：
D/A=>0~+5V=>-2.5V+2.5V=>PWM功率放大=>电机
测速发电机：
Ua=kn =>A/D =>单片机
光电编码盘：
θ=kD
.
1. 控制量输出
单片机输出00~FF到DAC0832，VREF=-5V
-
U4通过PWM功放控 制直流伺服电机：
D=80H～FFH，U4＝0～+2.5V，正转
功放
.
Ui
Ui
Ui
t
t
t
UT+ Ui
UT+ Ui
UT+ Ui
t
t
t
Uo
t Uo
Uo t
t
当Ui=0,输出脉冲正负对称，电机直流分量为零,不动，微振 当Ui>0, 占空比增大，施加在电机中的直流分量为正，正转； 当Ui<0, 占空比减小，施加在电机中的直流分量为负，反转；
.
负载因素Ui
|Uimax|
角度位置：
D
360 2n
D——二进制数码值；
n——编码盘位数
.
4位二进制编码与对应的格雷码
二进制 循环码 二进制 循环码
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 1100 1101 1111 1110 1010 1011 1001 1000
截止频率：
fc
1 102Hz
2kR5C
.
• ADC0809: VREF(+)=+5V, VREF(-)=-5V,
D V R V 5 (E )V F R V R (E )(E F ) F 2 5V 5 5 5 (( 5 5 )) (V 5 5 ) 2.5 5
当n＝ne，正转，V5＝+5V，D＝255＝FFH 当n＝0，停止，V5＝0，D＝128＝80H 当n＝ne，反转，V5＝-5V，D＝0＝00H
.
三、单片机控制系统
ADC0809N
11
VCC
CLK START
OE
10 6 9
[P0.0_7] 17
14 15 8 18 19 20 21
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7
26 27 28 1 2 3 4 5
+5V
7
12 16
D=80H， U4＝0V，停止（微振）
D=00H～7FH， U4＝-2.5～0V，反转
.
2. 速度反馈测速发电机
• 输出电压Ua＝kan，对应正反转ne，-30V～+30V
R8、R9分压，R9上：-15V～+15V
运放U5：有源低通滤波器
放大倍数k＝R5/R6=1/3，输出-5V～+5V，至ADC0809
n02
Ua1 KD绝对值增大
n03
Ua2Ua30Fra bibliotekT TD3 TD2TD1
KD
dTCeCM2
dn
Ra
.
第一节 直流伺服电机的结构特性
调节特性n=f(Ua)：
T为常数，
n Ua kT Ce
n T1 T2 T3
KG增大
0 Ua1 Ua2 Ua3
Ua
.
KG
dn dUa
1 Ce
第一节 直流伺服电机的结构特性
DI3
DI4
IOUT1
DI5
IOUT2
DI6
DI7
GND GND
20
8 9 11 2 12
3
P1
C1 0.47UF
10K
R5
R6 30K
2
R8 1K
1
A
3
Met er R9
U5A
R7 5.7K
1K
Motor Servo
+5V
R4 10K
1K
+
R2
A
1
2
A
3
A
1
PWM
-
R3 U3A 10K
DW U4A 2.5
001
101 100
010 011
最内环为高位，最 外环为地位。
111
光 源
.
110
码盘
011 010
光敏元件
循环（格雷）码→二进制码：
• 循环码：RnRn-1Rn-2… …R2R1R0 • 二进制码： BnBn-1Bn-2… …B2B1B0
Bn Rn B n1 B n R n1 B n2 B n1 R n2 B1 B2 R1 B0 B1 R0
81～FFH 00～7FH
.
3. 角度测试
• 9位光电编码盘，P1口、P3.0输入数字量D
32690D0.7031D25
.
实验安排
• 实验一、A/D与D/A转换实验 其他如I/O口控制、定时器/计数器等
• 实验二、步进电机控制实验 其他如直流电机、红外发送/接收等
地点：502 微机原理实验室 实验老师：姜晟
|Uimax|:三角波的幅值，输入信号饱和值
➢ ρ ＝1，Ui=+ Uimax，占空比100%，正转最快 ➢ ρ ＝-1，Ui=- Uimax ，占空比 0%，反转最快
若|Ui|≥ |Uimax| ，占空比100%或0%，输出饱和
➢Ui：- Uimax →0 → +Uimax之间变化， ➢ρ： -1 →0 →+1； ➢占空比：0 → 50％ → 100%； ➢电机：反转→停止→正.转
二、影响静态特性的因素
1. 功放电路内阻对机械特性的影响
nn0 CeCRma2 T
Ua Uc Ua
Uc Ia Uc
.
n n0
k2
k1 0 TD1
T TD2
+ Ua -
Ia Uc Ri
2.负载变化对调节特性的影响
Ia
Td
CM
当电机高速运转时， 堵转转矩增加很快， 使电枢电流ΔIa增加很 快。
EUI R a
.
一、脉宽调制（Pulse Width Modulation）
Ui +
+ UT
比较器
三角波发生器
UO
功率放大
伺服电机
三角波发生器：
➢ 产生幅度和频率固定的三角波；
过零比较器：
➢ 对输入的三角波和控制信号叠加值进行比较，输出占空比与 控制电压成线性关系的脉宽调制波。
.
Ua
Ua Ua
Ua Ua
Ua
.
由传递函数知，直流伺服电机是一个惯性环节。
Uc
Ua
Uc
Ua
Uc
Uc
Uc
Ua
Uc
.
n Ua
Uc
KGUc
63.2%KGUc
0
τj
t
.
第二节 直流伺服电机的脉宽调制 （PWM）驱动
电枢控制方式：控制电枢的电压
线性驱动方式：晶体管工作在线性放大区，消 耗功率大。
开关驱动方式：晶体管工作在开关方式，消耗 功率小。
（电磁过渡过程<<机械过渡过程）
.
动态特性分析
电枢回路由电阻Ra和电感La组成，输入阶跃信号后：
LaddaItRaIaEaUa
电机产生电磁转矩克服摩擦转矩Ts和惯性转矩：
在机械过渡过程中，Ts相对很小，主要是惯性转矩：
TJdJ2dn
dt 60dt .
故L a 有 6 2 C J M 0： d d 2 n 2 tR a6 2 C J M 0d d n C ten U a
n
Ia
RL
+ Ua -
Ua
Ua Ua
Ua Ф Ua
Ua Ф
.
第三节 直流伺服电机的单片机控制系统 二、角度位置反馈元件 1. 旋转变压器：副边旋转，二次绕 组产生的感应电动势Ea与定转子偏转角 有关，
.
2. 光电编码器盘：
二进制码盘： 111 000
110
001
循环（格雷）码盘 100 000
101
.
设计题目：
基本功能：设计制作电路，利用单片计
控制步进电机运转。要求： （1）通过键盘设定改变电机的转速、转向； （2）利用显示器实时显示转速等参数。
扩展功能：能转动给定的步数。
.
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第四章 直流伺服电机的微机控制系统
.
伺服电机概述
• 伺服电机又称执行电机，可以把输入的电压信号 变换为轴上角位移和角速度输出。
• 常用于位置控制、速度控制和力矩控制
• 直流伺服电机的种类：
– 电磁式、永磁式； 转动惯量较大
– 无槽电枢式、圆盘电枢式；转动惯量较小
– 杯形电枢式；转动惯量最小
• 直流伺服电机的构成：
.
二、PWM功放电路
2. 单向式PWM功放电路
US
T1 D1
US T3
D3
A
M
B
A
T2
M
B T4
D2
D4
若要UAB为正，T3恒截 止，T4恒导通，T1、
T2处于开关状态
若要UAB为负，T1恒 截止，T2恒导通，T3、
. T4处于开关状态
第三节 直流伺服电机的单片机控制系统
一、速度反馈元件（测速发电机） 由直流发电机电枢反应原理，有：
– 定子
Uf
– 转子
• 直流伺服电机的控制方式：
– 电枢控制，Ua
– 磁极控制，Uf
.
+ Ea -
Ia
Φ
Ua
第一节 直流伺服电机的结构特性
• 一、静态特性n=f(T) , n=f(Ua)
电枢反应原理：Ea=Ua－IaRa
电枢的反电动势： Ea Cen
电磁转矩： TCmTa
nUa RaT
Ce CeCm2
a
a
a
ΔIaRa比ΔUa增加得快， ΔEa减小 。
Ea Cen
Δn减小 n
即当电枢电压升高时，转
速n的变化率越来越小。
Ua
.
三、动态特性
定义：电枢回路输入一个阶跃电压信号，转速随时 间的动态变化规律， n=f(t) 。 形成动态过渡过程的原因：
– 转子负载有转动惯量，转速不能突变，造成机械过渡过程 – 电机绕组有电感，电枢电流不能突变，造成电磁过渡过程
n0 C Uea ,kCeC Rm a2
可得静态特征方程： nn0 kT
.
第一节 直流伺服电机的结构特性
T=0时，理想空载速度：
1. 2.
n
n0
Ua
Ce
n=0时，堵转转矩：
T TD CMU Raa
.
第一节 直流伺服电机的结构特性
机械特性n=f(T)：
Ua为常数，
nn0 CeCRma2 T
n
n01
W
EOC
REF+ REF-
ADD A ADD B ADD C
ALE
25 24 23 22
GND
13
-5V
1 2 18 19 17
+5V R1
7 6 5 4 16 15 14
[P0.0_7] 13
3 10
P3.0
DAC0832
CS WR1 WR2 ILE XFER
VDD
DI0
VREF
DI1
DI2
RFB
二、PWM功放电路
1. 双向式PWM功放电路
US
UO
T1
T3
D1 D3
A
M
B
T2
T4
D2 D4
.
当U0为高电平，T1、T4导通， 电机电枢电压UAB＝US；正转
当U0为低电平，T2、T3导通，电 机电枢电压UAB＝- US；反转
UAB US
-Uimax
Uimax
Ui
-US
控制U0电平时间，则控制占空比， 控制电机转速。
.
三、单片机控制系统
单片机：
D/A=>0~+5V=>-2.5V+2.5V=>PWM功率放大=>电机
测速发电机：
Ua=kn =>A/D =>单片机
光电编码盘：
θ=kD
.
1. 控制量输出
单片机输出00~FF到DAC0832，VREF=-5V
-
U4通过PWM功放控 制直流伺服电机：
D=80H～FFH，U4＝0～+2.5V，正转
功放
.
Ui
Ui
Ui
t
t
t
UT+ Ui
UT+ Ui
UT+ Ui
t
t
t
Uo
t Uo
Uo t
t
当Ui=0,输出脉冲正负对称，电机直流分量为零,不动，微振 当Ui>0, 占空比增大，施加在电机中的直流分量为正，正转； 当Ui<0, 占空比减小，施加在电机中的直流分量为负，反转；
.
负载因素Ui
|Uimax|
角度位置：
D
360 2n
D——二进制数码值；
n——编码盘位数
.
4位二进制编码与对应的格雷码
二进制 循环码 二进制 循环码
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 1100 1101 1111 1110 1010 1011 1001 1000
截止频率：
fc
1 102Hz
2kR5C
.
• ADC0809: VREF(+)=+5V, VREF(-)=-5V,
D V R V 5 (E )V F R V R (E )(E F ) F 2 5V 5 5 5 (( 5 5 )) (V 5 5 ) 2.5 5
当n＝ne，正转，V5＝+5V，D＝255＝FFH 当n＝0，停止，V5＝0，D＝128＝80H 当n＝ne，反转，V5＝-5V，D＝0＝00H
.
三、单片机控制系统
ADC0809N
11
VCC
CLK START
OE
10 6 9
[P0.0_7] 17
14 15 8 18 19 20 21
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7
26 27 28 1 2 3 4 5
+5V
7
12 16
D=80H， U4＝0V，停止（微振）
D=00H～7FH， U4＝-2.5～0V，反转
.
2. 速度反馈测速发电机
• 输出电压Ua＝kan，对应正反转ne，-30V～+30V
R8、R9分压，R9上：-15V～+15V
运放U5：有源低通滤波器
放大倍数k＝R5/R6=1/3，输出-5V～+5V，至ADC0809
n02
Ua1 KD绝对值增大
n03
Ua2Ua30Fra bibliotekT TD3 TD2TD1
KD
dTCeCM2
dn
Ra
.
第一节 直流伺服电机的结构特性
调节特性n=f(Ua)：
T为常数，
n Ua kT Ce
n T1 T2 T3
KG增大
0 Ua1 Ua2 Ua3
Ua
.
KG
dn dUa
1 Ce
第一节 直流伺服电机的结构特性
DI3
DI4
IOUT1
DI5
IOUT2
DI6
DI7
GND GND
20
8 9 11 2 12
3
P1
C1 0.47UF
10K
R5
R6 30K
2
R8 1K
1
A
3
Met er R9
U5A
R7 5.7K
1K
Motor Servo
+5V
R4 10K
1K
+
R2
A
1
2
A
3
A
1
PWM
-
R3 U3A 10K
DW U4A 2.5
001
101 100
010 011
最内环为高位，最 外环为地位。
111
光 源
.
110
码盘
011 010
光敏元件
循环（格雷）码→二进制码：
• 循环码：RnRn-1Rn-2… …R2R1R0 • 二进制码： BnBn-1Bn-2… …B2B1B0
Bn Rn B n1 B n R n1 B n2 B n1 R n2 B1 B2 R1 B0 B1 R0
81～FFH 00～7FH
.
3. 角度测试
• 9位光电编码盘，P1口、P3.0输入数字量D
32690D0.7031D25
.
实验安排
• 实验一、A/D与D/A转换实验 其他如I/O口控制、定时器/计数器等
• 实验二、步进电机控制实验 其他如直流电机、红外发送/接收等
地点：502 微机原理实验室 实验老师：姜晟
|Uimax|:三角波的幅值，输入信号饱和值
➢ ρ ＝1，Ui=+ Uimax，占空比100%，正转最快 ➢ ρ ＝-1，Ui=- Uimax ，占空比 0%，反转最快
若|Ui|≥ |Uimax| ，占空比100%或0%，输出饱和
➢Ui：- Uimax →0 → +Uimax之间变化， ➢ρ： -1 →0 →+1； ➢占空比：0 → 50％ → 100%； ➢电机：反转→停止→正.转
二、影响静态特性的因素
1. 功放电路内阻对机械特性的影响
nn0 CeCRma2 T
Ua Uc Ua
Uc Ia Uc
.
n n0
k2
k1 0 TD1
T TD2
+ Ua -
Ia Uc Ri
2.负载变化对调节特性的影响
Ia
Td
CM
当电机高速运转时， 堵转转矩增加很快， 使电枢电流ΔIa增加很 快。
EUI R a