机电一体化第五章 伺服系统设计

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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。
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7、步进运行和低频振荡
第五章 伺服系统设计
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 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。
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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。
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3) 程序清单 JGkZ：MOV R4，#0C8H ； 进给步数送R4。 MOV 52H，#01H ； 节拍序号1送内存52H。 MOV TL0，#0D4H ； 送时间常数低4位到定时计数器。 MOV TH0，#0FEH ； 送时间常数高4位到定时计数器。 LOP0：MOV 02H ，#00H ； 正转标志#00送内存02H。 LOP1：LCALL MCFP ； 调用“求脉冲分配控制数据”子程序，结果在55H中. MOV R3 ，#01H ； R3中存放中断与否标志，R3=1未中断，R3=0已中断. SETB TR0 ； 启动定时器T0。 SETB ET0 ； T0开放中断。 LOP2：CJNE R3 ，#00H，LOP2 ； R3与#00比较不相等则等待，中断完成R3=#00H。 DJNZ R4 ，LOP1 ； R4减1（步数减1），不为零转LOP1继续。 RET T0中断程序（定时向电机输出进给脉冲） T0入口：000BH AJMP 200H ORG 200H MOV TL0，#0D4H ； 重装 时间常数，为什么要重装？ MOV TH0，#0FEH MOV P1 ，55H ； 将控制数据送P1口输出，控制数据由“MCFP”求得 MOV R3 ，#00H ； 将中断完成标志“#00H”送R3 RETI ； 中断返回
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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。 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。
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§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 性好等。
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。
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（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）。 1、硬件（ 接口）设计 当P1.0置低电平时，对应的A向为高电平，步进电机相应绕组带电。
脉冲分配控制程序： （1）按序号查表求控制数据，结果存放在55H单元 内存使用安排：02H中存正反转标志，0正转，1反转 52H中存节拍序号，01H~08H 55H中存控制数据（程序运行结果） MCFP：MOV R1，#52H ； 用R1间接寻址，52H中存节拍序号 MOV C，02H ； 正反转标志送C寄存器 JC PPD2 ；若C=1（反转)跳转到PPD2 ，否则往下执行正转程序 INC @R1 ; 节拍序号加1, 正转 CJNE @R1, #09H, PPD3 ; @R1与#09H比较不相等( 序号<9)转 PPD3(求控制数据) MOV @R1, #01H ; 若序号=9 则 序号单元置1, 即52H=1 AJMP PPD3 ; 无条件跳转到PPD3(求控制数据) PPD2: DEC @R1 ; 节拍序号减1,反转 CJNE @R1, #00H, PPD3 ; @R1与#00H比较不相等( 序号>0)转PPD3(求控制数据) MOV @R1, #08H 若序号=0 则 序号单元置8, 即52H=8 PPD3: MOV A, @R1 ; 序号送累加器A ADD A, #03H ; A的内容加查表偏移量(3字节), 结果在A中 MOVC A, @A+PC ; 根据序号查表得控制数据, 结果在A中 MOV 55H, A ; 控制数据送55H单元(2字节) RET ; 返回(1字节) DB: 0FEH, 0FCH, 0FDH, 0F9H, 0FBH, 0F3H, 0F7H, 0F6H
±2´~±5´。
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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：
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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）
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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°。
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2、四相八拍脉冲分配表
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每个控制数据高4位值为F（理论上可为任意值）。 按1到8的序号送控制数据为正转； 按8到1的序号送控制数据为反转。
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3、脉冲分配软件 任务：按一定顺序及时间间隔将控制脉冲分配给步进电机各绕组，以 产生旋转磁场。 编程思路 ：
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、启动惯频特性
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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。
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二、通电方式及步距角计算 （一）通电方式
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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： 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。
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（2）以一定的时间间隔将55H中数据送P1口(应满足要求: V=1000mm/min的速度前进2mm) 思路: 利用定时中断计数器发出中断信号, 准时地、等间隔地将55H中数 据送P1口。 1)、计算定时中断时间常数(采用T0定时中断计数器) 如果采用定时模式1，即通过16位计数器TH0（高8位）TL0（低8位）计 数，计数满产生中断。 中断快慢取决于：①晶振频率（晶振振荡12次计一个数）。 ②开始计数时TH0TL0已存有的数(时间常数)大小。 时间常数大则计满数快，数小则慢。 时间常数：Tx=216– (5fOSCδ )/v 式中， fOSC为晶振频率 ， δ 为脉冲当量 ， v 为工作台移动速度。 Tx=216– (5fOSCδ )/v = 65536 –5×6×106×0.01/1000=65236 =15×163+14×162+13×16+4=0FED4H 2）、计算进给步数 步数=进给距离/ 脉冲当量=2/ 0.01=200=0C8H
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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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三、步进电机的主要性能指标及特性 1、最大静转矩Tmax
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mov R1,#19H ;共走200步 LP: mov P1,#0FEH LCALL YS ;调用延时子程序，延时0.6ms。0.6×200=120ms mov P1,#0FCH LCALL YS ;调用延时子程序 .. DJNZ R1, LP 步进中断定时举例
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国内外有多种芯片型号，现 以国产芯片YB013为例说明硬件 脉冲分配器的使用。 右图是YB013 脉冲分配器管 脚图。
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E0：输出选通
A1 E1 A0：见表5-3 E2：输入选通
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2、硬件脉冲分配器接口
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A0=1，A1=0，三相六拍通电方式。 P1.0置高电平（SETB P1.0）电机正转，置低电平（CLR P1.0）电机反转。 P1.1输出的脉冲数量（高低各置一次）决定电机旋转角度。
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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）。
步进电机运行频率为零（转Hale Waihona Puke Baidu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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（3） 如何调速？ 改变时间常数即可改变电机进运行速度。 时间常数增大——计数器溢出所用的时间短——每次中断 所用的时间就少——电机运行频率加快——电机运行速度变快。 反之，时间常数减小——电机运行速度减慢。
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（二）硬件脉冲分配器及其接口 1、概念 硬件脉冲分配器大多作成集成芯片，由硬件（芯片）本身 实现脉冲分配。