伺服系统培训（高端培训）

工程师培训资料工程师培训资料 标题：伺服系统培训（高端培训）（高端培训）培训人：xx1 概述 1.1伺服系统的结构组成 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。比 较元 件调 节元 件执 行元 件被 控对 象测 量、反 馈 元件输 入 指 令输 出 量图1 伺服系统组成原理框图1.比较环节比较环节 比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。2.控制器控制器 控制器通常是计算机或PID控制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。3.执行环节执行环节 执行环节的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。4.被控对象被控对象5.检测环节检测环节 按执行元件按执行元件 执行元件是能量变换元件，其目的是控制机械执行机构运动。机电一体化伺服系统要求执行元件具有转动惯量小，输出动力大，便于控制，可靠性高和安装维护简便等特点。1.2伺服系统的分类伺服系统的分类交流(AC)伺服电动机直流(DC)伺服电动机步进电机其它电机双金属片形状记忆合金压电元件其它电磁铁及其它与材料有关气压马达气 缸液压马达油 缸电动机电磁式液压式气压式执行元件1.2伺服系统的分类伺服系统的分类(1)电磁式执行元件能将电能转化成电磁力，并用电磁力驱动执行机构运动，如交流电机、直流电机、力矩电机、步进电机等。(2)液压式执行元件先将电能变化成液体压力，并用电磁阀控制压力油的流向，从而使液压执行元件驱动执行机构运动。(3)气压式执行元件与液压式执行元件的原理相同，只是介质由液体改为气体。按控制原理的分类按控制原理的分类 1.2伺服系统的分类开环控制开环控制：没有检测元件，伺服精度取决：没有检测元件，伺服精度取决于执行机构和传动部件的精度。于执行机构和传动部件的精度。半闭环控制半闭环控制闭环控制闭环控制：基于反馈控制原理工作。：基于反馈控制原理工作。全闭环控制全闭环控制1.系统精度 伺服系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度，以误差的形式表现，可概括为动态误差、稳态误差和静态误差三个方面组成。2.稳定性 伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后，系统能够恢复到原来稳定状态的能力；或者当给系统一个新的输入指令后，系统达到新的稳定运行状态的能力。1.3伺服系统的技术要求3.响应特性 响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度，决定了系统的工作效率。响应速度与许多因素有关，如计算机的运行速度、运动系统的阻尼和质量等。4.工作频率 工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围。当工作频率信号输入时，系统能够按技术要求正常工作；而其它频率信号输入时，系统不能正常工作。1.3伺服系统的技术要求 模拟式、混合式、数字式3.1.3伺服系统的基本组成形式 模拟式、混合式、数字式3.1.3伺服系统的基本组成形式2 2 步进式伺服驱动系统步进式伺服驱动系统n步进电机的特点步进电机的特点3.2 3.2 步进式伺服驱动系统步进式伺服驱动系统 步进电动机按其工作原理主要可分为磁电式和反应式两大类。三相反应式步进电动机的工作原理如图3-3所示，其中步进电动机的定子上有6个齿，其上分别缠有U、V、W三相绕组，构成三对磁极；转子上则均匀分布着4个齿。步进电动机采用直流电源供电。当U、V、W三相绕组轮流通电时，通过电磁力的吸引，步进电动机转子一步一步地旋转。W 相 通 电V相 通 电U相 通 电逆 时 针 旋 转 30逆时针旋转30逆 时 针 旋 转 30图3-3 步进电动机运动原理图 n步进电机工作原理步进电机工作原理 假设U相绕组首先通电，则转子上、下两齿被磁场吸住。然后U相断电，V相通电，则磁极U的磁场消失，磁极V产生了磁场，磁极V的磁场把离它最近的另外两齿吸引过去，停止在V相通电的位置上，这时转子逆时针转了30。定子各相轮流通电一次，转子转一 个 齿。步 进 电 动 机 绕 组 按UVWUVWU依次轮流通电，步进电动机转子就一步步地按逆时针方向旋转。反之，如果步进电动机按倒序依次使绕组通电，即UWVUWVU则步进电动机将按顺时针方向旋转。W相通电V相通电U相通电逆时针旋转30逆时针旋转30逆时针旋转30 步进电动机绕组每次通断电使转子转过的角度称之为步距角。为了减少每通电一次的转角，在转子和定子上开有很多定分的小齿。其中定子的三相绕组铁心间有一定角度的齿差，当U相定子小齿与转子小齿对正时，V相和W相定子上的齿则处于错开状态。真实步进电动机的工作原理与上同，只是步距角是小齿距夹角的1/3。三相反应式步进电动机步进电动机的通电方式 如果步进电动机绕组的每一次通断电操作称为一拍，每拍中只有一相绕组通电，其余绕组断电，则这种通电方式称为单相通电方式。三相步进电动机的单相通电方式称为三相单三拍通电方式。如果步进电动机通电循环的每拍中都有两相绕组通电，则这种通电方式称为双相通电方式。三相步进电动机采用双相通电方式时，称为三相双三拍通电方式。如果步进电动机通电循环的各拍中交替出现单、双相通电状态，则这种通电方式称为单双相轮流通电方式。三相步进电动机采用单双相轮流通电方式时，每个通电循环中共有六拍，因而又称为三相六拍通电方式。一般情况下，m相步进电动机可采用单相通电、双相通电或单双相轮流通电方式工作，对应的通电方式分别称为m相单m拍、m相双m拍或m相2m拍通电方式。由于采用单相通电方式工作时，步进电动机的矩频特性（输出转矩与输入脉冲频率的关系）较差，在通电换相过程中，转子状态不稳定，容易失步，因而实际应用中较少采用。不同通电方式时的矩频特性双三拍六拍单三拍0500100015000.10.20.3f/HzT/Nm 左图某三相反应式步进电动机在不同通电方式下工作时的矩频特性曲线。显然，采用单双相轮流通电方式可使步进电动机在各种工作频率下都具有较大的负载能力。通电方式不仅影响步进电动机的矩频特性，对步距角也有影响。一个m相步进电动机，如其转子上有z个小齿，则其步距角可通过下式计算：kmz360式中，k是通电方式系数。当采用单相或双相通电方式时，k1；当采用单双相轮流通电方式时，k2。可见，采用单双相轮流通电方式还可使步距角减小一半。步进电机的步距角决定了系统的最小位移，步距角越小，位移的控制精度越高。步进电动机的使用特性 （1）步距误差 （2）最大静转矩 （3）启动矩频特性 （4）运行矩频特性步进电动机的使用特性 当伺服系统要求步进电动机的运行频率高于最大允许启动率时，可先按较低的频率启动，然后按一定规律逐渐加速到运行频率。下图给出了90BF002型步进电动机的启动矩频特性曲线。由图可见，负载转矩越大，所允许的最大启动频率越小。3200f/Hz240016008001.9603.92T/Nm启动矩频特性启动矩频特性f/Hz20000400060008000T/Nm1.963.9290BF00290BF002型步进电动机的运行矩频特性曲线型步进电动机的运行矩频特性曲线环 形分 配 器功 率驱 动 器步 进电 动 机负 载指 令 脉 冲输 出 步进电动机的控制与驱动 步进电动机的电枢通断电次数和各相通电顺序决定了输出角位移和运动方向，控制脉冲分配频率可实现步进电动机的速度控制。步进电机控制系统一般采用开环控制方式。下图为开环步进电动机控制系统框图，系统主要由环形分配器、功率驱动器、步进电动机等组成。开环步进电动机控制系统框图 步进电动机的控制与驱动 步进电动机在一个脉冲的作用下，转过一个相应的步距角，因此只要控制一定的脉冲数，即可精确控制步进电动机转过的相应的角度。使电动机绕组的通断电顺序按输入脉冲的控制而循环变化的过程称为环形脉冲分配。实现环形分配的方法有两种。一种是计算机软件分配，采用查表或计算的方法使计算机的三个输出引脚依次输出满足速度和方向要求的环形分配脉冲信号。这种方法能充分利用计算机软件资源，减少硬件成本，尤其是多相电动机的脉冲分配更能显示出这种分配方法的优点。但由于软件运行会占用计算机的运行时间，因而会使插补运算的总时间增加，从而影响步进电动机的运行速度。n 硬件环形分配 采用数字电路搭建的环形分配器通常由分立元件（如触发器、逻辑门等）构成，特点是体积大，成本高，可靠性差。专用的环形分配器目前市面上有很多种，如CMOS电路CH250即为三相步进电动机的专用环形分配器，它的引脚功能及三相六拍线路图如图所示。UDJ3LJ3rWVUR*RJ6rJ6LUsCPEN16151413121110912345678(a)环形分配器CH250引脚图(a)引脚功能；(b)三相六拍线路图 环形分配器CH250(a)引脚功能；(b)三相六拍线路图方向CP100 k1 F21791016612 V111213R*RCPJ6LJ6rJ3rJ3LUs14 158WVUENUD(b)加减速控制 加减速控制 步进电机的微机控制 步进电机功率驱动 (1）单电源驱动电路 采用单一电源供电，结构简单，成本低，但电流波形差，效率低，输出力矩小，主要用于对速度要求不高的小型步进电动机的驱动。下图为步进电动机的一相绕组驱动电路（每相绕组的电路相同）。560 R1uU6 V3.6 V0.3 V680 R3470 R220 R45 VV1V2Ub3b3 E0步进电动机绕组VDV3R0C1C210 R7390 R5单电源驱动电路单电源驱动电路高、低压驱动电路高、低压驱动电路低 压 控 制 电 路高 压 控 制 电 路uU控 制 信号低 压 输 入 信 号步 进 电 动 机 绕 组高 压 输 入 信 号 Ug(高 压)VgVD1VD2VdRf1Rf2Ud(低 压)（2）双电源驱动电路 双电源驱动电路又称高、低压驱动电路，采用高压和低压两个电源供电。（在导通前沿用高电压来提高电流的前沿上升率，前沿后用低电压来维持绕组的电流）（3）斩波限流驱动 采用单一高压电源供电，以加快电流上升速度，并通过对绕组电流的检测，控制功放管的开和关，使电流在控制脉冲持续期间始终保持在规定值上下，其波形如图所示。这种电路功率大，功耗小，效率高，目前应用最广。ttOOiu斩波限流驱动电路波形图斩波限流驱动电路波形图斩波限流驱动电路斩波限流驱动电路 OTV1U115 V3 kR11 kR2510 R48 R5V20.01FC1VD2TVD3V4VD4VD6U3100 VWV5U25 V1 kR3VD1V38 R63 kR7R951 R81 kUrefR100.27 VD5VD7OPn步进电机的细分驱动提高进给精度降低电动机的振动和噪声n步进电机的闭环控制 步进电机的种类 永磁式步进电机：一般为两相，转矩和体积较小永磁式步进电机：一般为两相，转矩和体积较小 反应式步进电机：一般为三相，可实现大转矩输出反应式步进电机：一般为三相，可实现大转矩输出 混合式步进电机：是指混合了永磁式和反应式的优点的电机混合式步进电机：是指混合了永磁式和反应式的优点的电机,它又分为两相和五相。这是目前应用最广泛的一种步进电机它又分为两相和五相。这是目前应用最广泛的一种步进电机 1.直流伺服电动机的分类直流伺服电动机按励磁方式可分为电磁式和永磁式两种。2.直流伺服电动机的基本结构及工作原理 直流伺服电动机主要由磁极、电枢、电刷及换向片组成,如图所示。3.2 直流伺服电动机磁 极电 枢 导 体磁 极NSnA电 刷换向片B直流伺服电动机基本结构直流伺服电动机基本结构MTmUaLaIaRaEa3.2.1直流伺服电动机的特性直流伺服电动机采用电枢电压控制时的电枢等效电路直流伺服电动机采用电枢电压控制时的电枢等效电路 当电动机处于稳态运行时，回路中的电流Ia保持不变，则电枢回路中的电压平衡方程式为 E Ea a=U Ua a-I Ia aR Ra a（1）式中，Ea是电枢反电动