数字控制技术ppt课件

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1、第五章第五章 数字控制技术数字控制技术5.1 数字控制根底数字控制根底5.2 逐点比较法插补原理逐点比较法插补原理5.3 直流电动机调速直流电动机调速5.4 步进电机的微机控制步进电机的微机控制5.5 伺服电机的控制伺服电机的控制5.1 数字控制根底数字控制根底5.1.1 数字控制的根本原理数字控制的根本原理1、计算机在算机在绘图仪或加工安装上重或加工安装上重现平面曲平面曲线图形的形的步步骤(1) 将曲将曲线分割成假分割成假设干点；干点；图形分割原那么形分割原那么保保证线段段衔接成的曲接成的曲线与原与原图形的形的误差在允差在允许范范围内；内；(2) 确定各端点坐确定各端点坐标值的中的中间值；插

2、插值/插插补求中求中间值的数的数值计算方法；算方法；插插补计算目的算目的经过给定基点，以一定速度延定基点，以一定速度延续确定确定一系列中一系列中间点；点；插插补方式方式直直线插插补、二次曲、二次曲线插插补；直直线插插补由中由中间点点衔接起来的折接起来的折线近似直近似直线；二次曲二次曲线插插补给定的两个基点定的两个基点间用近似曲用近似曲线逼近；逼近；(3) 用脉冲信号方式控制用脉冲信号方式控制x、y方向上的步方向上的步进电机，机，绘制制图形；形；脉冲当量脉冲当量(步步长)对应于每个脉冲挪于每个脉冲挪动的相的相对位置；位置；(4) 插插补计算本算本质如何分配脉冲数，使如何分配脉冲数，使实际的中的中

3、间点点轨迹尽可以地逼近迹尽可以地逼近 理想理想轨迹；迹；2、插、插补方法方法(1) 数字脉冲乘法器数字脉冲乘法器MIT(2) 数字数字积分法分法DDA(3) 逐点比逐点比较法法5.1 数字控制根底数字控制根底5.1.2 数字控制方式数字控制方式1、点位控制、点位控制只需求控制刀具行程只需求控制刀具行程终点的坐点的坐标值；2、直、直线切削控制切削控制控制行程的控制行程的终点坐点坐标值；3、轮廓的切削控制廓的切削控制控制刀具沿工件控制刀具沿工件轮廓曲廓曲线不断不断运运动；5.1.3 数字控制系数字控制系统构造构造1、 闭环数字控制数字控制用于大型精用于大型精细加工机床，很少加工机床，很少运用；运用

4、；2、 开开环数字控制数字控制构造构造简单、可靠性高、本、可靠性高、本钱低、低、易于易于调整和整和维护； 运用广泛；运用广泛；5.2 逐点比较法插补原理逐点比较法插补原理预备知知识：(1) 逐点比逐点比较法插法插补与与给定定轨迹上的坐迹上的坐标值进展比展比较，决，决议下一步的下一步的进 给方向；方向；(2) 逐点比逐点比较法原理法原理用用阶梯折梯折线逼近直逼近直线或或圆弧；弧；5.2.1 逐点比逐点比较法直法直线插插补5.2.2 逐点比逐点比较法法圆弧插弧插补5.2.1 逐点比较法直线插补逐点比较法直线插补1、第一象限内的直线插补、第一象限内的直线插补(1) 直线插补计算原理直线插补计算原理设

5、原点设原点O(0,0)，终点，终点A(xe,ye)，刀具，刀具P(x,y)；P在直线在直线OA上，上，OP与与OA重合重合 y/x= ye/xe;P在直线在直线OA上方上方 y/xye/xe;P在直线在直线OA下方下方 y/x0时，时，P点位于直线点位于直线OA上方；上方； F0时，向，向+x方向走一步；方向走一步； g. F0；k.进给方向；方向；l.偏向运算；偏向运算；m.终点判点判别；(2) 直线插补计算举例直线插补计算举例知：起点坐标为知：起点坐标为(0,0)，终点坐标为，终点坐标为(5,4)，且，且F=0那么计算长度那么计算长度即即x方向走方向走5步，步，y方向走方向走4步。步。5.

6、2.1 逐点比较法直线插补逐点比较法直线插补2、四个象限内的直、四个象限内的直线插插补(1) 插插补原理原理F0 向向x方向方向进给；一、四象限一、四象限向向+x方向方向进给；二、三象限二、三象限向向-x方向方向进给；F0 向向y方向方向进给；一、二象限一、二象限向向+y方向方向进给；三、四象限三、四象限向向-y方向方向进给；5.2.1 逐点比较法直线插补逐点比较法直线插补(2)四象限的直四象限的直线插插补举例例设直直线OA的起点的起点为坐坐标原点，原点，终点坐点坐标为xe=-3，ye =-2； xe=-30，ye =-20，向圆内，向圆内(-x)方向进给一步；方向进给一步；e.P在圆弧内在圆

7、弧内 F0，刀具向，刀具向-x方向走一步，到达方向走一步，到达(x-1,y)；i.P在圆内，在圆内，F0，刀具向，刀具向+y方向走一步，到达方向走一步，到达(x,y+1)；d.终点判别终点判别e.长度计数器的初值长度计数器的初值f.例：第一象限逆圆弧例：第一象限逆圆弧AB，起点，起点A(x0,y0)为为(4,3)， 终点坐标终点坐标B(xe,ye)为为g. (0,5)，那么长度计算器初值为，那么长度计算器初值为2、四象限内的、四象限内的圆弧插弧插补(1) 四象限四象限圆弧插弧插补计算原理算原理SR1、SR2、SR3、SR4 代表一、二、三、四象限的代表一、二、三、四象限的顺圆弧；弧；NR1、N

8、R2、NR3、NR4代表一、二、三、四象限的逆代表一、二、三、四象限的逆圆弧；弧；NR1、NR3、SR2、SR4 一一组；F0，向，向x方向方向进给NR1、SR4向向-x方向方向进给， SR2、NR3向向+x方向方向进给；F0，向，向y方向方向进给NR1、SR2向向+y方向方向进给， NR1、SR4向向-y方向方向进给；2、四象限内的、四象限内的圆弧插弧插补SR1、NR2、SR3、NR4 一一组；F0，向，向y方向方向进给SR1、NR2向向-y方向方向进给， SR3、NR4向向+y方向方向进给；F0，向，向x方向方向进给SR1、NR4向向+x方向方向进给， SR3、NR4向向-x方向方向进给；

9、(2) 四象限四象限圆弧插弧插补的的计算程序算程序5.3 5.3 步步进电机的微机控制机的微机控制5.3.1 5.3.1 步步步步进电进电机的构造及机的构造及机的构造及机的构造及义务义务原理原理原理原理5.3.2 5.3.2 步步步步进电进电机的机的机的机的义务义务方式方式方式方式5.3.3 5.3.3 步步步步进电进电机的功率放大机的功率放大机的功率放大机的功率放大电电路路路路5.3.4 5.3.4 步步步步进电进电机的主要性能目的和运用本卷机的主要性能目的和运用本卷机的主要性能目的和运用本卷机的主要性能目的和运用本卷须须知知知知5.3.5 5.3.5 步步步步进电进电机微机控制系机微机控制

10、系机微机控制系机微机控制系统统5.3.1 步步进电机的构造及机的构造及义务原理原理1、直流电机原理和运用、直流电机原理和运用(1) 优点优点调速性能好：调速范围广，易于平滑调理；调速性能好：调速范围广，易于平滑调理；起动、制动转矩大，易于快速起动、停车；起动、制动转矩大，易于快速起动、停车；易于控制。易于控制。(2) 运用运用轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。速范围大的大型设备。用蓄电池做电源的地方，如汽车、迁延机等。用蓄电池做电源的地方，如汽车、迁延机等。家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具。家庭：电动缝纫机、电

11、动自行车、电动玩具。(3)义务原理义务原理 U+NS电刷电刷换向片换向片直流电源直流电源电刷电刷换向器换向器线圈线圈II留意：留意：换向片和向片和电源固定源固定联接，接，线圈无圈无论怎怎样转动，总是上是上半半边的的电流向里，下半流向里，下半边的的电流向外。流向外。电刷刷压在在换向片上。向片上。FFU+NS电刷电刷换向片换向片IIFFU+NS电刷电刷换向片换向片IIEE由右手定那么，由右手定那么，线圈在磁圈在磁场中旋中旋转，将在，将在线圈中圈中产生感生感应电动势，感，感应电动势的方向与的方向与电流的方向相反。流的方向相反。NSNS(4)(4)(4)(4)直流直流直流直流电动电动机的构造机的构造机

12、的构造机的构造极掌极掌极掌极掌极心极心极心极心励磁励磁励磁励磁绕组绕组机座机座机座机座转转子子子子直流直流直流直流电动电动机的磁极和磁路机的磁极和磁路机的磁极和磁路机的磁极和磁路 直流直流电机由定机由定子子(磁极磁极)、转子子(电枢枢)和机座等和机座等部分构成。部分构成。a.转子又称电枢转子又称电枢b. 由铁芯、绕组线圈、换向器组成。由铁芯、绕组线圈、换向器组成。b.定子定子定子的分类：定子的分类：永磁式：由永久磁铁做成。永磁式：由永久磁铁做成。励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中 经过直流电，构成电磁铁。经过直流电，构成电磁铁。励磁的定义：磁极上的线圈通以直流

13、电产生磁通，励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电产生磁通， 称为励磁。称为励磁。2 2、电枢电动势及电压平衡关系、电枢电动势及电压平衡关系电枢通入枢通入电流流后，后，产生生电磁磁转矩，矩，使使电机在磁机在磁场中中转动起来。通起来。通电线圈在磁圈在磁场中中转动，又会在，又会在线圈中圈中产生感生感应电动势用用E表示。表示。(1)(1)电枢中的感应电动势电枢中的感应电动势FFU+NS电刷电刷换向片换向片IIEE根据右手定那么知，根据右手定那么知，E和原通入的和原通入的电流方向相反，流方向相反，其大小其大小为：KE：与电机构造有关的常数：与电机构造有关的常数n：电动机转速：电动机转速 ：磁通：磁通单位：

14、位： 韦伯，伯，n转/每分，每分，E伏伏FFU+NS电刷电刷换向片换向片IIEE(2) 电枢绕组中电压的平衡关系电枢绕组中电压的平衡关系由于由于E与通入的与通入的电流方向相反，所以叫反流方向相反，所以叫反电势。U：外加电压，：外加电压，Ra:绕组电阻绕组电阻MRaIaE+U以上两公式反映的概念：以上两公式反映的概念：电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，假电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，假想象想象 改动改动E，只能改动，只能改动 或或 n。假设忽略绕组中的电阻假设忽略绕组中的电阻Ra，那么，那么 可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反成反 比，经

15、过改动比，经过改动 可调速；外加电压与转速成可调速；外加电压与转速成正比。正比。3、步、步进电机的构造及机的构造及义务原理原理(1)(1)特点特点特点特点: :来一个脉冲，来一个脉冲，来一个脉冲，来一个脉冲，转转一个步距角；一个步距角；一个步距角；一个步距角；控制脉冲控制脉冲控制脉冲控制脉冲频频率，可控制率，可控制率，可控制率，可控制电电机机机机转转速；速；速；速；改改改改动动脉冲脉冲脉冲脉冲顺顺序，可改序，可改序，可改序，可改动转动动转动方向。方向。方向。方向。 步步进进电电机机是是利利用用电电磁磁铁铁的的作作用用原原理理，将将脉脉冲冲信信号号转转换换为为线线位位移移或或角角位位移移的的电电

16、机机。每每来来一一个个电电脉脉冲冲，步步进进电电机机转转动动一一定定角角度度，带带动动机机械械挪挪动动一小段间隔。一小段间隔。 区区别在于励磁式步在于励磁式步进电机的机的转子上有励磁子上有励磁线圈，圈，反响式步反响式步进电机的机的转子上没有励磁子上没有励磁线圈。圈。(2)种种类：励磁式和反响式两种。：励磁式和反响式两种。(3)构造构造(定、定、转子子齿宽距必需相等距必需相等)在同相的几个磁极下，定、在同相的几个磁极下，定、转子子齿应同同时对齐多同多同时错开，开，这样才干才干 使几个磁极的作用相加，使几个磁极的作用相加，产生最大生最大转矩。矩。在不同相的磁极下，定、在不同相的磁极下，定、转子子齿

17、的相的相对位置位置应依次依次错开开1/m齿距距(m为相数，相数，这样才干在延才干在延续改改动通通电外形下，外形下，获得延得延续不不变的步的步进运运动。否那么，当任一相通。否那么，当任一相通电，转子子齿都将都将处于于磁极的磁磁极的磁导为最大位置上。最大位置上。(4) 名名词解解释拍拍一个一个义务周期定子周期定子绕组通通电改改动的次数；的次数；单拍拍只需只需单个个绕组通通电为单拍；拍；双拍双拍须且只且只须两个两个绕组通通电为双拍；双拍；步距角步距角每拍每拍转子子转过的角度。的角度。定子绕组按一定的规律通电；转子铁心在磁场作用下每次转过一定子绕组按一定的规律通电；转子铁心在磁场作用下每次转过一定的角

18、度。定的角度。实际步进电动机的步距角通常较小，这就要求转子的齿数多。实际步进电动机的步距角通常较小，这就要求转子的齿数多。(5) 反响式步进电动机义务原理反响式步进电动机义务原理接线与构造接线与构造A相绕组通电相绕组通电B相绕组通电相绕组通电C相绕组通电相绕组通电ABCIAIBIC 定子内圆周均匀分布着六个磁极，磁极上有励磁绕组，每两个相对的绕组组成一相。 转子有四个齿。定子定子转子转子(5) 反响式步进电动机义务原理反响式步进电动机义务原理反响式步反响式步进电机的机的齿距距Z可以用下式表示：可以用下式表示：Z = 2/ N, N是是转子子齿数数例：典型的三相反响式步例：典型的三相反响式步进电

19、机，每相极性空机，每相极性空间上相差上相差120，两相，两相邻那么相差那么相差60，假，假设转子有子有40个个齿，那么，那么，转子的子的齿距角距角Z为：Z = 360/ 40=9(5) 反响式步进电动机义务原理反响式步进电动机义务原理1 1 1 1、三相、三相、三相、三相单单三拍三拍三拍三拍CABBCA3412(1)A相相绕组通通电，B、C相不通相不通电。由于在磁。由于在磁场作用下，作用下，转子子总是力是力图旋旋转到磁阻最小的位到磁阻最小的位置，故在置，故在这种情况下，种情况下，转子必然子必然转到左到左图所示位置：所示位置：1、3齿与与A、A极极对齐。5.3.2 步步进电机的机的义务方式方式C

20、ABBCA34121C342CABBA(3) 当当C相通相通电时，转子子再再转过30角，角，1、3齿和和C、C磁极磁极轴线对齐。(2) B相通相通电时，转子会子会转过30角，角，2、4齿和和B、B 磁极磁极轴线对齐；CABBCA3412CABBCA34121C342CABBACABBCA23410 A相相0 B相相0 C相相0 A相相 这这种种种种义务义务方式下，三个方式下，三个方式下，三个方式下，三个绕组绕组依次通依次通依次通依次通电电一次一次一次一次为为一个循一个循一个循一个循环环周期，一个循周期，一个循周期，一个循周期，一个循环环周期包括三个周期包括三个周期包括三个周期包括三个义务义务脉

21、冲，所以称脉冲，所以称脉冲，所以称脉冲，所以称为为三相三相三相三相单单三拍三拍三拍三拍义务义务方式。方式。方式。方式。 按AB C A 的顺序给三相绕组轮番通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过30(步距角)，每个通电循环周期(3拍)转过90(一个齿距角)。2 2、三相双三拍、三相双三拍、三相双三拍、三相双三拍 按按AB AB BC BC CACA的的顺序序给三相三相绕组轮番通番通电。每拍有两相每拍有两相绕组同同时通通电。AB通电通电CABBCA3412BC通电通电3412CABBCACA通电通电CABBCA3412 与与单三拍方式三拍方式类似，双三拍似，双三拍驱动时每个通每个通电循循环周期

22、周期也分也分为三拍。每拍三拍。每拍转子子转过30 (步距角步距角)，一个通，一个通电循循环周周期期(3拍拍)转子子转过90(齿距角距角)。3 3、三相六拍、三相六拍、三相六拍、三相六拍 按按A AAB AB B B BC BC C C CA CA的的顺序序给三相三相绕组轮流通流通电。这种方式可以种方式可以获得更准确的控制特性。得更准确的控制特性。CABBCA3412CABBCA3412 A相通相通电，转子子1、3齿与与A、A 对齐。 A、B一一样时通通电，A、A 磁极拉住磁极拉住1、3齿，B、B 磁极拉住磁极拉住2、4齿，转子子转过15，到达左，到达左图所示位置。所示位置。CABBCA3412

23、 B 相通相通电，转子子2、4齿与与B、B 对齐,又又转过15。3412CABBCA B、C一一样时通通电，C 、C 磁极拉住磁极拉住1、3齿，B、B 磁极拉住磁极拉住2、4齿，转子再子再转过15。CABBCA3412CABBCA3412CABBCA3412CABBCA34121C342CABBA0 A15AB30 B45 BC60 CCABBCA341275 CACABBCA234190 A 三相反响式步进电动机的一个通电循环周期三相反响式步进电动机的一个通电循环周期如下：如下：AAB B BC C CA，每个循环周期分为，每个循环周期分为六拍。六拍。每拍转子转过每拍转子转过15 步距角，一

24、个通电循环周期步距角，一个通电循环周期(6拍拍)转转子转过子转过90 (齿距角齿距角)。 与与单三拍相比，六拍三拍相比，六拍驱动方式的步方式的步进角更小，角更小，更适更适用于需求准确定位的控制系用于需求准确定位的控制系统中。中。 从以上对步进电机三种驱动方式的分析可得步距角计算公式：s = 2/ (N*K)其中：K是义务方式的拍数，N是转子齿数。 对于单三拍义务方式的三相反响式步进电机，它的相数，亦既是磁极对数m=k，故步距角也可写为： s = 2/ (N*m)其中：N是转子齿数，m是相数。 适用步适用步进电机的步距角多机的步距角多为3 3和和1.51.5 。4、步进电机控制系统、步进电机控制

25、系统 典型的步进电机控制系统如以下图。典型的步进电机控制系统如以下图。 假设用软件替代脉冲发生器和脉冲分配器，假设用软件替代脉冲发生器和脉冲分配器，就可以根就可以根据系统需求经过编程的方法在一定的范围之内恣据系统需求经过编程的方法在一定的范围之内恣意设定步意设定步进电机的转速、旋转角度、转动次数和控制步进进电机的转速、旋转角度、转动次数和控制步进电机的运电机的运行外形。降低本钱，提高系统的可靠性和灵敏性。行外形。降低本钱，提高系统的可靠性和灵敏性。典型的典型的微机控制步进电机的系统原理框图如以下图。微机控制步进电机的系统原理框图如以下图。 利利用用微微机机现现对对步步进进电电机机的的控控制制，

26、必需处置以下两个问题：必需处置以下两个问题： 脉冲序列的构成；脉冲序列的构成； 步进电机旋转方向控制。步进电机旋转方向控制。 在微机控制系统中，延时可经过在微机控制系统中，延时可经过软件或定时器实现。利用软件构成软件或定时器实现。利用软件构成脉冲序列的程序流程图如以下图。脉冲序列的程序流程图如以下图。(1) 步进电机旋转方向控制步进电机旋转方向控制 a.三相三相单三拍方式：正向旋三拍方式：正向旋转，通，通电顺序序为 ABCA；b. 反向旋反向旋转，通，通电顺序序为 ACBA。c.三相双三拍方式：正向旋三相双三拍方式：正向旋转，通，通电顺序序为 ABBCCAAB；d. 反向旋反向旋转，通，通电顺

27、序序为 ABCABCAB。e.三相六拍方式：三相六拍方式： 正向旋正向旋转，通，通电顺序序为f. AABBBCCCAA；g. 反向旋反向旋转，通，通电顺序序为 ACACBCBABA。(2) 步进电机的旋转方向控制方法步进电机的旋转方向控制方法a)用用单单片片机机的的一一位位输输出出口口控控制制步步进进电电机机的的一一相相绕绕组组，例例如如，可以用可以用8255的的A、B、C分别控制分别控制A相、相、B相和相和C相绕组。相绕组。b)根据步进电机的类型和控制方式找出相应的控制模型。根据步进电机的类型和控制方式找出相应的控制模型。c)按按照照控控制制方方式式规规定定的的顺顺序序向向步步进进电电机机发

28、发送送脉脉冲冲序序列列，即即可可控制步进电机的旋转方向。控制步进电机的旋转方向。d)上述三种控制方式的数序模型如表所示。上述三种控制方式的数序模型如表所示。三相六拍式控制模型三相六拍式控制模型5.3.3 步进电机的功率放大电路步进电机的功率放大电路 脉冲分配回路脉冲分配回路用于用于产生步生步进电机机义务方式所需的各相脉冲信号，方式所需的各相脉冲信号， 功率放大功率放大电路路对脉冲分配回路脉冲分配回路输出的弱信号出的弱信号进展放大，展放大，产生生电机工机工作所需的激磁作所需的激磁电流。流。1、步进电机的特性、步进电机的特性主要性能目的主要性能目的频率特性曲率特性曲线起起动速度力矩曲速度力矩曲线转

29、动力矩转动力矩T T转动频率转动频率f f 2、影响步进电机特性的要素、影响步进电机特性的要素(1) 步进电机的转子直径、转子铁心有效长、齿数、齿形、齿槽比；步进电机的转子直径、转子铁心有效长、齿数、齿形、齿槽比；(2) 步进电机内部的磁路、绕组的绕线方式、定转子间的气隙；步进电机内部的磁路、绕组的绕线方式、定转子间的气隙；(3) 控制线路的电压；控制线路的电压；(4) 转动一个齿距所需的拍数等；转动一个齿距所需的拍数等；很明显，其中有的要素是步进电机在制造时已确定。很明显，其中有的要素是步进电机在制造时已确定。3、主要影响要素、主要影响要素(1) 义务方式对频率特性的影响义务方式对频率特性的

30、影响(2) 线路时间常数对频率特性的影响线路时间常数对频率特性的影响(3) 开关回路电压对频率特性的影响开关回路电压对频率特性的影响(1) 义务方式对频率特性的影响义务方式对频率特性的影响不同义务方式时的频率特性曲线不同义务方式时的频率特性曲线从从图中可以看出中可以看出单三拍的三拍的频率特性最差率特性最差六拍的六拍的频率特性最好。率特性最好。这三种三种义务方式的功耗不同方式的功耗不同单三拍的功耗最低，三拍的功耗最低，双三拍的功耗双三拍的功耗约为单三拍的三拍的2倍；倍；六拍的功耗六拍的功耗为单三拍的三拍的1.5倍。倍。(2) 线路时间常数对频率特性的影响线路时间常数对频率特性的影响 步进电机的每

31、相绕组供电都是由功率步进电机的每相绕组供电都是由功率开关电路来执行的。开关电路来执行的。 L为步进电机绕组电感；为步进电机绕组电感； RL为绕组电阻；为绕组电阻； RC为晶体管为晶体管T的集电极电阻；的集电极电阻； D是续流二极管；是续流二极管； T 是大功率开关管。是大功率开关管。 RC也是个外接的功率电阻，它是一也是个外接的功率电阻，它是一个耗费性个耗费性负载，普通为数欧姆。这时，线路的时间负载，普通为数欧姆。这时，线路的时间常数常数 Tj为：为： Tj=L/(RL+RC) 时间常数常数 Tj 表示开关回路在表示开关回路在导通通时允允许步步进电机机绕组电流上升的速率。流上升的速率。Tj越小

32、，那么晶体管越小，那么晶体管导通后步通后步进电机机绕组的的电流上升越快，到达流上升越快，到达稳定定电流流值的的时间就越短，那么就越短，那么电机机义务频率高；率高；Tj越大，越大，电流上升越慢，达流上升越慢，达稳定定值时间就越就越长，电机机义务频率低。率低。减少减少 Tj 的方法的方法增大增大 Rc，会使，会使稳态电流流值减小，从而影响减小，从而影响电机的力矩；机的力矩；不使不使稳态电流减少，就在增大流减少，就在增大Rc同同时，也采用提高供，也采用提高供电电压U的方法。的方法。总结：总结： Tj 小时步进电机的小时步进电机的频率频率特性较好，在高频段特性较好，在高频段仍能坚持较大的力矩；仍能坚持

33、较大的力矩； Tj大时，频率特性大时，频率特性较差，在高频段的力较差，在高频段的力矩较小。矩较小。 在高频运用中，在高频运用中，要尽量减小要尽量减小 Tj以改以改善步进的特性，所以善步进的特性，所以采用较大的采用较大的 Rc , 同同时应提高电源电压时应提高电源电压 U。缺陷：缺陷：会使效率降低；会使效率降低；在低频段义务时也会在低频段义务时也会使步进电机的振荡加使步进电机的振荡加剧。剧。(3) 开关回路电压对频率的影响开关回路电压对频率的影响步步进电机机绕组的开关回路的开关回路电压，有，有时也称步也称步进电机的机的电压；开关回路开关回路电压控制控制绕组通通电或断或断电的功率开关回路的供的功率

34、开关回路的供电电压；而不；而不是指加在是指加在电机机绕组两端的两端的电压。开关开关电路路产生的控制生的控制电压是以矩形波方式加在是以矩形波方式加在绕组上的。随着上的。随着换相相频率的率的提高，矩形脉冲提高，矩形脉冲电压波波频率相率相应提高，提高，这样，矩形脉冲，矩形脉冲电压的的宽度和周度和周期也就会期也就会变小，当矩形脉冲小，当矩形脉冲电压窄到一定程度，流入窄到一定程度，流入电机机绕组的的电流就流就无法到达无法到达稳定定值IH，步，步进电机就机就难以步以步进义务。 为了保证频率足够高时，步进电机仍能正常步进义务，可以提高开关回路的电压。由于步进电机是感性负载，所以进入绕组的电流脉冲是以指数方式

35、上升，即这时电流脉冲i 为：其中，i是电流脉冲瞬时值，IH是在开关回路电压为U时的电流稳态值； Tj是开关回路的时间常数。外接电阻外接电阻 RC不变时，单纯提高开关回路电压，必定会使步进电机绕不变时，单纯提高开关回路电压，必定会使步进电机绕组的电流加大，步进电机的力矩会随之提高；组的电流加大，步进电机的力矩会随之提高； 开关回路电压的提高，会使电流的上升率提高，故步进电机的义开关回路电压的提高，会使电流的上升率提高，故步进电机的义务频务频率也会提高。率也会提高。在外接电阻在外接电阻RC 改动时，提高开关回路电压同时坚持绕组电流不变，改动时，提高开关回路电压同时坚持绕组电流不变，那么在电压高时，

36、外接电阻那么在电压高时，外接电阻RC的值就会较大；这时开关回路时间常数的值就会较大；这时开关回路时间常数 Tj也也就较小。从而使步进电机绕组的电流上升率较快，那么步进电机的义就较小。从而使步进电机绕组的电流上升率较快，那么步进电机的义务力矩务力矩和频率都较高。和频率都较高。 电压较低时，电压较低时，Rc会较小，导致会较小，导致Tj较大，绕组电流上升率较慢，电较大，绕组电流上升率较慢，电机的机的义务频率和力矩都较低。义务频率和力矩都较低。 4、单电压功率放大电路、单电压功率放大电路L是电机绕组电感；是电机绕组电感；RL是电机绕组是电机绕组电阻；电阻；RC是外接电阻限流；是外接电阻限流；Rd是续流

37、二极管是续流二极管D回路串联电阻。回路串联电阻。式中忽略了续流二极管式中忽略了续流二极管D的内阻。的内阻。Rd越大，那么越大，那么Td越小；使越小；使绕组中中电流脉冲的后沿流脉冲的后沿变陡，陡，电流下降流下降时间变短，从而提高高短，从而提高高频义务时的性能。但是的性能。但是Rd选得太大，会耗得太大，会耗费太多太多的的能量，使步能量，使步进电机的低机的低频性能明性能明显变坏，坏，电磁阻尼作用磁阻尼作用变弱，共振加弱，共振加剧，晶体管，晶体管T击穿的可以性加大。穿的可以性加大。Rd越小，那么越小，那么Td越大。越大。RC是外接是外接电阻，在阻，在RC上并上并联电容容C可以改善注入步可以改善注入步进

38、电机机绕组的的电流脉冲前沿。当功率放大流脉冲前沿。当功率放大电路路输入控制信号功率晶体管入控制信号功率晶体管T导通瞬通瞬间，电流流经过电容流容流过绕组，所以有一个瞬，所以有一个瞬间的冲的冲击电流流入流流入绕组中；中；这样就使注入就使注入电流的前沿明流的前沿明显变陡，从而提高了步陡，从而提高了步进电机的高机的高频性能。性能。 缺乏缺乏低低频义务振振荡添加，性能添加，性能变差；差； 5、双电压功率放大电路、双电压功率放大电路 U1是高压，大约为是高压，大约为80-150V，U2为为6-20V左右。左右。T1是高压电源的开关管，是高压电源的开关管，T2是功率驱动管，是功率驱动管，D1是低压电源是低压

39、电源U2的钳位二极管，的钳位二极管，它在它在T1导通时处于反向偏置而截止，导通时处于反向偏置而截止， 在在T1截止时它那么由于正向偏置截止时它那么由于正向偏置而而向电机的绕组提供低压电源向电机的绕组提供低压电源U2，D2是续流二极管，在是续流二极管，在T1、T2都截都截止时向绕组提供放电回路。止时向绕组提供放电回路。双电压功率放大电路义务时，必需在高压电源开关管双电压功率放大电路义务时，必需在高压电源开关管T1的的基极加上高压电源开关控制信号基极加上高压电源开关控制信号Vh，同时在功率管，同时在功率管T2的基的基极加上步进控制信号极加上步进控制信号V1。而且要求。而且要求Vh、V1的上升沿的上

40、升的上升沿的上升时辰一致，同时有：时辰一致，同时有： T h T1 其中，其中，Th是高压电源是高压电源U1的开关控制信号的开关控制信号Vh的周期，的周期，T1是步进控制信号是步进控制信号V1的周期的周期 5、双电压功率放大电路的义务外形、双电压功率放大电路的义务外形 (1) 高电压义务外形高电压义务外形 当当Vh 、V1同时为高电平常，见图同时为高电平常，见图5-29所示的所示的t1t2时间。时间。这时晶体管这时晶体管T1和和T2都会导通，由于都会导通，由于T1导通，高压电源导通，高压电源U1加到加到二极管二极管D1的负极，的负极，D1反向偏置。反向偏置。 稳态电流流IH：瞬瞬态电流流i1：

41、(2) 低压义务外形低压义务外形 这时这时Vh 为低电平，为低电平，V1为高电平，晶体管为高电平，晶体管T1截截止，止，T2导通。导通。见图见图5-29中的中的t2t3时辰，时辰，低压电源低压电源U2经过二极管经过二极管D1对电机的绕组供电，故绕组对电机的绕组供电，故绕组中坚持一定的稳态电流。中坚持一定的稳态电流。 (3) 关断外形关断外形 当当Vh和和V1都为低电平常，晶体管都为低电平常，晶体管T1和和T2都处于截止外形，都处于截止外形，显然这显然这时高压电源时高压电源U1和低压电源和低压电源U2都被关断，无法向电机绕组供电。都被关断，无法向电机绕组供电。但绕组也但绕组也会因电源关断而产生反

42、电势，该电权益图坚持电流的原有大小会因电源关断而产生反电势，该电权益图坚持电流的原有大小和方向。和方向。在电路中二极管在电路中二极管D1、D2向反电势提供了泻放的回路。绕组的向反电势提供了泻放的回路。绕组的反电势经过反电势经过RL、RC、D2、U1、U2、D1回路而泻放。回路而泻放。(3) 关断外形关断外形 在这个回路中，在这个回路中，U1和和U2是反向衔接的，其等效电路如图是反向衔接的，其等效电路如图5-30所示。所示。假设仍以二极管假设仍以二极管D1的负极端看作电源端，那么加在绕组的负极端看作电源端，那么加在绕组L上的电压是上的电压是U，并并且有且有U=U2-U1TLmax。式中：式中：

43、Tst步步进电机启机启动转矩；矩；TLmax最大静最大静负载转矩。矩。 通常取通常取Tst =TLmax /(0.5-0.3)以便有相当的力矩以便有相当的力矩贮藏。藏。(3) 空空载启启动频率率fost 指步指步进电机在空机在空载情况下，不失步启情况下，不失步启动所能允所能允许的最高的最高频率。由于在率。由于在负载情况下，步情况下，步进电机不失步启机不失步启动所允所允许的最高的最高频率是随率是随负载的添加而的添加而显著下降的，因此在著下降的，因此在选用步用步进电机机时应该留意到留意到这一点。一点。(4) 精度精度 精度精度时用一周内最大的步距角用一周内最大的步距角误差表示的。差表示的。对于所于

44、所选用的用的步步进电机，其步距精度机，其步距精度应满足以下要求：足以下要求：即即=iL式中：式中：L为负载轴上所允上所允许的角度的角度误差。差。 至于至于输入入电压U、输入入电流流I、相数、相数m这三三项技技术目的，反映目的，反映了步了步进电机机对驱动电源所提供的要求。源所提供的要求。2、运用步进电机时应留意的几个问题、运用步进电机时应留意的几个问题(1) 驱动电源对步进电机控制系统的运转影响极大，驱动电源对步进电机控制系统的运转影响极大，运用使要特别留意，需运用使要特别留意，需 根据运转要求，尽量采用先进的驱动电源，以满足根据运转要求，尽量采用先进的驱动电源，以满足步进电机的运转性能。步进电

45、机的运转性能。(2) 假设所带负载转动惯性较大，那么应在低频下启假设所带负载转动惯性较大，那么应在低频下启动，然后再上升到义务频动，然后再上升到义务频 率，停车时也应从义务频率下降到适当频率再停车。率，停车时也应从义务频率下降到适当频率再停车。(3) 在义务过程中，应尽量防止由于负载突变而引起在义务过程中，应尽量防止由于负载突变而引起的误差。的误差。(4) 假设在义务中发生失步景象，首先应检查负载能假设在义务中发生失步景象，首先应检查负载能否过大，电源电压能否正否过大，电源电压能否正 常，再检查驱动电源输出波形能否正常，再处置常，再检查驱动电源输出波形能否正常，再处置问题时不应随意变换元问题时

46、不应随意变换元 件。件。5.3.5 步进电机微机控制系统步进电机微机控制系统1、步进电机的接口、步进电机的接口电压隔离功能。由于单片机电压隔离功能。由于单片机是义务在是义务在5V的低压的，而步进的低压的，而步进电机是义务在几十伏，甚至是一百多伏的高压的，一旦步进电机是义务在几十伏，甚至是一百多伏的高压的，一旦步进电机的电压电机的电压窜到单片机部分，那么会引起单片机损坏；或者步进电机部窜到单片机部分，那么会引起单片机损坏；或者步进电机部分的有关信号分的有关信号干扰单片机，也会引起系统义务失误。干扰单片机，也会引起系统义务失误。信息传送功能。接口部件应可以把控制信息传送给步进电机信息传送功能。接口

47、部件应可以把控制信息传送给步进电机回路。回路。 对应于不同的义务方式，接口部件应能产生相应的义务控制对应于不同的义务方式，接口部件应能产生相应的义务控制电压波形。例如单三拍、双三拍、六拍或细分所需的波形。电压波形。例如单三拍、双三拍、六拍或细分所需的波形。产生义务所需的不同频率。为了使步进电机以不同的速度义产生义务所需的不同频率。为了使步进电机以不同的速度义务，以顺应不同的目的，接口部件应能产生不同的义务频务，以顺应不同的目的，接口部件应能产生不同的义务频率。率。(1)脉冲分配脉冲分配实现脉冲分配通电换相控制的方法有两种：软件法和硬件法。实现脉冲分配通电换相控制的方法有两种：软件法和硬件法。经

48、过软件实现脉冲分配经过软件实现脉冲分配软件法是完全用软件的方式，按照给定的通电换相顺序，经过单片机的软件法是完全用软件的方式，按照给定的通电换相顺序，经过单片机的 I/O口向驱动电路发出控制脉冲。口向驱动电路发出控制脉冲。经过硬件实现脉冲分配所谓硬件法实际上是运用脉冲分配器芯片，来进展经过硬件实现脉冲分配所谓硬件法实际上是运用脉冲分配器芯片，来进展通电换相控制。脉冲分配器有很多种，这里引见一种通电换相控制。脉冲分配器有很多种，这里引见一种 8713 集成电路集成电路芯片。芯片。 8713 有几种型号，如三洋公司消费的有几种型号，如三洋公司消费的 PMM8713 ，富士通公，富士通公司消费的司消

49、费的 MB8713 ，国产的，国产的 5G8713 等，它们的功能一样，可以互换。等，它们的功能一样，可以互换。图图 8713 脉冲分配器与单片机接口脉冲分配器与单片机接口例：简易四相步进机驱动各种义务方式控制模型表工作方式PB3PB2PB1PB0控制模型单四拍000101H001002H010004H100008H双四拍001103H011006H11000CH100109H工作方式PB3PB2PB1PB0控制模型四相八拍000101H001103H001002H011006H010004H11000CH100008H100109H;*根据根据CHECK配置信息修正以下符号值配置信息修正以下

50、符号值*IOY0 EQU 0d200H ;片选片选IOY0对应的端口始地址对应的端口始地址;*MY8255_A EQU IOY0+00H*4 ;8255的的A口地址口地址MY8255_B EQU IOY0+01H*4 ;8255的的B口地址口地址MY8255_C EQU IOY0+02H*4 ;8255的的C口地址口地址MY8255_MODE EQU IOY0+03H*4;8255的控制存放器地址的控制存放器地址STACK1 SEGMENT STACK DW 256 DUP(?)STACK1 ENDSDATA SEGMENTCW_TABLE DB 01H,03H,02H,06H,04H,0CH

51、,08H,09H DATA ENDSCODE SEGMENT ASSUME CS:CODE,DS:DATASTART: MOV AX,DATA MOV DS,AX ;数据段初始化数据段初始化MAIN: MOV DX,MY8255_MODE ;定义定义8255义务方式义务方式 0， MOV AL,80H ; A口和口和B口为输出口为输出 OUT DX,AL ;MOV BP,1 ;设置运转步数设置运转步数A1: MOV BX,OFFSET CW_TABLE MOV CX,0008H A2: MOV AL,BX MOV DX,MY8255_B OUT DX,AL CALL DELAY INC BX

52、LOOP A2;DEC BP;JNZ A1 ；运转步数未到，继续 MOV AH,1 ;判别能否有按键按下 INT 16H JZ A1 ;无按键那么跳回继续循环，有那么退出QUIT: MOV AX,4C00H ;前往到DOS INT 21HMOV AH,0BH ;判别按键判别按键INT 21HINC ALJNZ A1DELAY PROC NEAR ;软件延时子程序软件延时子程序 PUSH CX PUSH AX MOV CX,0FFHD1: MOV AX,5000HD2: DEC AX JNZ D2 LOOP D1 POP AX POP CXRETDELAY ENDPCODE ENDS END S

53、TART注：步注：步进进机的速度和方向如何控制？如何机的速度和方向如何控制？如何实现实现加速、加速、 减速控制？减速控制？正转控制模型CW_TABLE DB 01H,03H,02H,06H,04H,0CH,08H,09H反转控制模型CCW_TABLE DB 01H,09H,08H,0CH,04H,06H,02H,03H2、步进电动机的速度控制、步进电动机的速度控制(1)第一种是经过软件延时的方法。改动延时的时间长度就可第一种是经过软件延时的方法。改动延时的时间长度就可以以改动输出脉冲的频率；但这种方法使改动输出脉冲的频率；但这种方法使 CPU 长时间等待，占用长时间等待，占用大量机时，因此没有

54、适用价值。大量机时，因此没有适用价值。(2)第二种是经过定时器中断的方法。在中断效能子程序中进第二种是经过定时器中断的方法。在中断效能子程序中进展展脉冲输出操作，调整定时器的定时常数就可以实现调速。这种脉冲输出操作，调整定时器的定时常数就可以实现调速。这种方法占用方法占用 CPU 时间较少，是一种比较适用的调速方法。时间较少，是一种比较适用的调速方法。3、步进电动机的位置控制、步进电动机的位置控制 步步进电动机的位置控制机的位置控制控制步控制步进电动机机带动执行机构从行机构从一个位置精一个位置精确地运确地运转到另一个位置。可以不用借助位置到另一个位置。可以不用借助位置传感器而只需感器而只需简单

55、的开的开环控制控制就能到达足就能到达足够的位置精度，因此运用很广。的位置精度，因此运用很广。(1) 第一个参数是步第一个参数是步进电动机控制的机控制的执行机构当前的位置参数，行机构当前的位置参数，称称为绝对位位置。置。绝对位置是有极限的，其极限是位置是有极限的，其极限是执行机构运行机构运动的范的范围，超，超越了越了这个极个极限就限就应报警。警。(2) 第二个参数是从当前位置挪第二个参数是从当前位置挪动到目的位置的到目的位置的间隔，可以用隔，可以用折算的方式将折算的方式将这个个间隔折算成步隔折算成步进电动机的步数。机的步数。这个参数是外界个参数是外界经过键盘或可或可调电位位器旋器旋钮输入的，所以

56、折算的入的，所以折算的义务应在在键盘程序或程序或 A / D 转换程程序中完成。序中完成。 对步进电动机位置控制的普通作法是：对步进电动机位置控制的普通作法是： 步进电动机每走一步，步数减步进电动机每走一步，步数减 1 ；假设没有失步存在，当；假设没有失步存在，当执行机构到达目的位置时，步数正好减到执行机构到达目的位置时，步数正好减到0。 因此，用步数等于因此，用步数等于0来判别能否挪动到目的位，作为来判别能否挪动到目的位，作为步进电动机停顿运转的信号。步进电动机停顿运转的信号。4、步进电动机的加、减速控制、步进电动机的加、减速控制 步进电动机驱动执行机构从步进电动机驱动执行机构从 A 点到点

57、到 B 点挪动时，要阅历升速、恒速和点挪动时，要阅历升速、恒速和减速过程。减速过程。 假设启动时一次将速度升到给定速度，由于启动频率超越极限启动频假设启动时一次将速度升到给定速度，由于启动频率超越极限启动频率，步进电动机要发生失步景象，因此会呵斥不能正常启动。率，步进电动机要发生失步景象，因此会呵斥不能正常启动。 假设到终点时忽然停下来，由于惯性作用，步进电动时机发生过冲现假设到终点时忽然停下来，由于惯性作用，步进电动时机发生过冲现象，会呵斥位置精度降低。象，会呵斥位置精度降低。 假设非常缓慢的升降速，步进电动机虽然不会产生失步和过冲景象，但假设非常缓慢的升降速，步进电动机虽然不会产生失步和过

58、冲景象，但影响了执行机构的义务效率。影响了执行机构的义务效率。 所以，对步进电动机的加减速要有严峻的要求，那就是保证在不失步和所以，对步进电动机的加减速要有严峻的要求，那就是保证在不失步和过冲的前提下，用最快的速度或最短的时间挪动到指定位置。过冲的前提下，用最快的速度或最短的时间挪动到指定位置。例：控制步进电机以三相六拍式运转正转例：控制步进电机以三相六拍式运转正转360步后，再反转步后，再反转400步。步。其中：其中：8255的的PA0、PA1和和PA2口分别控制步进电机的口分别控制步进电机的A、B、C相；相； 8255A芯片的地址为芯片的地址为200H203H。DEALY 1MS MACR

59、O TIME ；延时宏命令；延时宏命令 LOCAL AALOCAL BBPUSH CXMOV CX,TIMEAA: PUSH CX MOV CX,1000BB: NOP LOOP BB POP CX LOOP AA POP CXENDMDATA SEGMENTTABA DB 01H,03H,02H,06H,04H,05H ;正转模型正转模型TABB DB 05H,04H,06H,02H,03H,01H ;反转模型反转模型DATA ENDSCODE SEGMENTMAIN PROC FARSTART: PUSH DS MOV AX,DATA MOV DS,AX MOV AX,0 PUSH AX

60、MOV DX,203H MOV AL,80H ;A口设置为方式口设置为方式0，输出，输出 OUT DX,AL ;设置设置8255A的方式控制字的方式控制字 MOV DX,200H MOV AL,0 OUT DX,AL ;先设置制动命令先设置制动命令 MOV CX,360 ;设置正转步数设置正转步数DD: MOV BL,6 ;六拍六拍 MOV DX,200H LEA DI,TABA ;指针指向正转的数学模型指针指向正转的数学模型CC: MOV AL,DI OUT DX,AL DELAY 1MS 10 INC DI ;指针增指针增1，指向下一步的数学模型，指向下一步的数学模型 DEC BL ;拍数

61、减拍数减1 JNZ CC ;六拍未终了，那么继续循环六拍未终了，那么继续循环 LOOP DD ;360个周期的六拍为终了，那么继续循环个周期的六拍为终了，那么继续循环 MOV CX,400 ;设定反转步数设定反转步数FF: MOV BL,6 MOV DX,200H LEA DI,TABB ;指针指向反转的数学模型指针指向反转的数学模型EE: MOV AL,DI OUT DX,AL DELAY 1MS 10 INC DI ;指针增指针增1，指向反转下一步的数学模型，指向反转下一步的数学模型 DEC BL JNZ EE LOOP FF MOV DX,200H MOV AL,0 OUT DX,AL

62、;终了后，输出制动命令终了后，输出制动命令 RETMAIN ENDPCODE ENDSEND START 5.4 伺服伺服电机的控制机的控制5.4.1 5.4.1 伺服伺服伺服伺服电电机及其控制方法机及其控制方法机及其控制方法机及其控制方法5.4.2 5.4.2 伺服伺服伺服伺服电电机控制功率接口技机控制功率接口技机控制功率接口技机控制功率接口技术术5.4.3 5.4.3 伺服伺服伺服伺服电电机控制系机控制系机控制系机控制系统检测统检测元件元件元件元件5.4.4 5.4.4 直流伺服直流伺服直流伺服直流伺服电电机系机系机系机系统设计统设计1、伺服、伺服电动机的定机的定义 伺服伺服 跟随跟随(执

63、行用行用)，输出信号跟随控制出信号跟随控制输入入信号。信号。也叫也叫执行行电动机。机。 控制系控制系统根据根据对系系统的的检测、比、比较后按照一定的控后按照一定的控制制规律律进展展调理，理，输出所需出所需进展的展的调理信号就是理信号就是经过伺服伺服电动机机实现的。的。5.4.1 直流伺服直流伺服电机及其控制方法机及其控制方法 交流伺服电动机和直流伺服电动机。交流伺服电动机和直流伺服电动机。3、伺服电动机分类、伺服电动机分类 伺服电动机的作用是驱动控制对象。被控对象的伺服电动机的作用是驱动控制对象。被控对象的转距和转速受信号电压控制，信号电压的大小和转距和转速受信号电压控制，信号电压的大小和极性

64、改动时，电动机的转动速度和方向也跟着变化。极性改动时，电动机的转动速度和方向也跟着变化。2、伺服电动机的作用、伺服电动机的作用4、直流伺服电动机、直流伺服电动机构造：与直流构造：与直流电动机根本一机根本一样。为减小减小转动惯量做得量做得细长一些一些义务原理：与直流原理：与直流电动机一机一样。供供电方式：他励。励磁方式：他励。励磁绕组和和电枢由两个独立枢由两个独立电源供源供电：MU1IfIaU2放放大大器器UU1为励磁电压，为励磁电压，U2为电枢电压。为电枢电压。5.4.2 伺服伺服电机控制功率接口技机控制功率接口技术1、 脉脉宽调制制PWM原理原理 PWM晶体管功率放大器构造框图 比较器 n

65、UI + + Us UI+UT 功率放大器 伺服电机 三角波 发生器 UP 电压-脉宽变换器 开关功率放大器 PWM功率放大器 (1) 比较器是一个义务在开环外形的运算放大器，普通情况比较器是一个义务在开环外形的运算放大器，普通情况下，比较器的负输入接地，下，比较器的负输入接地，UT + UI信号由比较器的正端信号由比较器的正端输入。只需输入。只需UT + UI 0，那么比较器输出满幅度正电平；，那么比较器输出满幅度正电平；UT + UI 0UI0电电机正机正机正机正转转，|UI|UI|越大正越大正越大正越大正转转越快；越快；越快；越快；UI0UI0UI0，并且有，并且有，并且有，并且有|UI

66、|UTPP/2|UI|UTPP/2时时，输输出耿直流出耿直流出耿直流出耿直流电压电压，故，故，故，故转转速最快。速最快。速最快。速最快。UI0UI0，并且有，并且有，并且有，并且有|UI|UTPP/2|UI|UTPP/2时时，输输出出出出负负直流直流直流直流电压电压，故，故，故，故这时这时反向反向反向反向转转速最快。速最快。速最快。速最快。 图6-14 桥式PWM晶体管功率放大电路构造 US 0 M T1 D1 D2 D4 D3 T2 T4 T3 A B -US 0 -US 0 US 0 UC 3 3、 伺服伺服伺服伺服电电机的机的机的机的义务义务原理原理原理原理(1)T1(1)T1、T4T4

67、和和和和T2T2、T3T3的切的切的切的切换换由由由由USUS决决决决议议，切，切，切，切换频换频率由率由率由率由三角波的三角波的三角波的三角波的频频率率率率FTFT决决决决议议，T=1/FTT=1/FT。因此当三角波确。因此当三角波确。因此当三角波确。因此当三角波确定后，脉定后，脉定后，脉定后，脉宽调宽调制的制的制的制的频频率和周期与三角波一率和周期与三角波一率和周期与三角波一率和周期与三角波一样样。(2)(2)在忽略晶体管在忽略晶体管在忽略晶体管在忽略晶体管压压降的情况下，可以以降的情况下，可以以降的情况下，可以以降的情况下，可以以为为开关功率开关功率开关功率开关功率放大器的放大器的放大器

68、的放大器的输输出出出出电压电压UPUP和和和和电电源源源源电压电压UCUC相等，即有相等，即有相等，即有相等，即有UP=UCUP=UC。(3)T1(3)T1、T4T4导导通，通，通，通，T2T2、T3T3截止：截止：截止：截止：UAB=UP=UCGUAB=UP=UCG；(4)T2(4)T2、T3T3导导通，通，通，通，T1T1、T4T4截止：截止：截止：截止：UAB=-UP=-UCGUAB=-UP=-UCG。5.4.2 伺服伺服电机控制的功率接口技机控制的功率接口技术1、伺服电机控制的主回路、伺服电机控制的主回路典型伺服系统框图典型伺服系统框图2、PWM特点特点(1) PWM功率放大器功率放大

69、器义务在开关外形，本身的功耗少，所以和在开关外形，本身的功耗少，所以和线性放大器性放大器 相比它有效率高、相比它有效率高、节能等能等优点。点。(2) PWM功率放大器是一个比例功率放大器是一个比例环节，线性度好，和晶性度好，和晶闸管整流器相比它管整流器相比它 有有线性好、无需中性好、无需中频供供电等等优点。在点。在实际上，上，PWM功率放大器的切功率放大器的切换 频率范率范围可在几百赫可在几百赫兹到几十千赫到几十千赫兹之之间选择，有非常，有非常宽的的频带。(3) 在在输入控制信号入控制信号为零零时，PWM功率放大器控制的伺服功率放大器控制的伺服电时机机处于微震于微震 外形。外形。这是其它是其它

70、类型功率放大器所不具有的。型功率放大器所不具有的。这种微震外形可以抑制伺种微震外形可以抑制伺 服服电机静摩擦力矩，机静摩擦力矩，实现“动力光滑，减少了力光滑，减少了电机死区，从而使伺服机死区，从而使伺服系系 统有良好的静有良好的静态精度和低速运精度和低速运转平平稳性。性。(4) 构造构造简单、体、体积小、可靠性高、小、可靠性高、维修方便。修方便。3、规范、规范PWM功率放大器功率放大器(1)当当T1的输入为正电平常，的输入为正电平常，T1导通导通T2截止。截止。 晶体管晶体管T1导通使导通使T3T4导通，引起导通，引起T6导通以及导通以及T5T7截止。晶体管截止。晶体管T2截截止使止使T12T

71、11T8截止以及截止以及T9T10导通。这样电流过导通。这样电流过R23、T9、T10伺服电机伺服电机和和T6从地流向从地流向-24V电源，这时伺服电机正转。电源，这时伺服电机正转。(2) 当当T1的输入为负电平常，的输入为负电平常，T1截止截止T2导通。导通。 晶体管晶体管T截止使截止使T3、T4、T6截止以及截止以及T5、T7导通。晶体管导通。晶体管T2导通，令导通，令T12、T11导通，最终使导通，最终使T10、T9截止截止T8导通。这时电流从地流过导通。这时电流从地流过R20、T5、T7，伺服电机和，伺服电机和T8到达到达-24V电源。故伺服电机反转。电源。故伺服电机反转。 电动机控制

72、系统可分为开环系统和闭环系统两类。电动机控制系统可分为开环系统和闭环系统两类。(1)开环控制系统比较简单，可以满足普通的控制要求；开环控制系统比较简单，可以满足普通的控制要求；(2)闭环控制系统那么用于有精度要求的控制。闭环控制系统那么用于有精度要求的控制。 在电动机控制系统中，这些精度要求包括：电动机本身的在电动机控制系统中，这些精度要求包括：电动机本身的精度要求，精度要求，如角度和转速；执行机构的精度要求，如线化移相角位移，要如角度和转速；执行机构的精度要求，如线化移相角位移，要实现对这些实现对这些物理量的准确控制，就必需经过高精度的检测传感器对这些物物理量的准确控制，就必需经过高精度的检

73、测传感器对这些物理量进展检理量进展检测，将检测的结果转换成数字量反响给计算机，对这些数据进测，将检测的结果转换成数字量反响给计算机，对这些数据进展处置，处展处置，处理的结果作为控制量对电动机进展控制，从而实现闭环控制。理的结果作为控制量对电动机进展控制，从而实现闭环控制。 所以，检测传感器加上反响环节是开环控制系统和闭环控所以，检测传感器加上反响环节是开环控制系统和闭环控制系统的主制系统的主要区别，是电动机闭环控制系统的重要组成部分。要区别，是电动机闭环控制系统的重要组成部分。1、旋、旋转变压器器小型交流小型交流发电机机 旋旋转变压器的特点是：副器的特点是：副边绕组中的感中的感应电热E2E2的

74、大小和的大小和定定转子两者的偏子两者的偏转角角的正弦或余弦的正弦或余弦值有关。即有：有关。即有： E2 = nE1sin (5-19) E2 = nE1sin (5-19) 其中：其中：n n是是变压器的器的变比；比；E1E1是原是原边即定子即定子绕组励磁励磁电压转子子绕组磁磁轴与定子与定子绕组磁磁轴垂直垂直时，偏，偏转角角=0=0，E2=0E2=0；在在转子磁子磁轴与定子磁与定子磁轴平行平行时，偏，偏转角角=90,E2=nE1=90,E2=nE1。 5.4.3 位置位置检测元件元件 旋旋转变压器在接上器在接上负载之后，其之后，其输出出电热E2E2不再是不再是转角角的余弦或正弦关系。的余弦或正

75、弦关系。为了抑制了抑制这种种问题，通常在定子原，通常在定子原边加加补偿绕组，或在，或在转子副子副边上加上上加上补偿绕组，使得在加上，使得在加上负载时，输出出电势E2E2和励磁和励磁电压E1E1仍可仍可坚持式持式5-195-19的关系。在旋的关系。在旋转变压器的器的输出出电势E2E2接到阻抗极大接到阻抗极大负载上，例如射极跟随器或运算上，例如射极跟随器或运算放大器放大器组成的阻抗成的阻抗变换器上由于器上由于这时负载电流很小故流很小故转子交子交轴磁通不大，仍可磁通不大，仍可坚持式持式5-195-19的关系。的关系。 根据式根据式5-195-19可以容易求出可以容易求出转子子对定子的偏定子的偏转角角

76、：= arcsin= arcsinE2/nE1E2/nE1 5-205-20 分辨率分辨率编码盘所能分辨的旋所能分辨的旋转角度角度=360/2n n是二是二进制数制数码的位数，提高分辨率就要添加扇区数，的位数，提高分辨率就要添加扇区数，遭到工遭到工艺限制，通常采用多限制，通常采用多级编码盘。(1)绝对式编码盘绝对式编码盘 不论转动机构怎样转动都可以经过随转功机构不论转动机构怎样转动都可以经过随转功机构转动的转动的编码盘来获得转动机构所在确实切位置。由于所测得编码盘来获得转动机构所在确实切位置。由于所测得的角位的角位置是绝对位置，所以称这样的编码盘为绝对式编码盘。置是绝对位置，所以称这样的编码盘

77、为绝对式编码盘。(2) 编码盘分辨率编码盘分辨率表示按位加，即不进位加表示按位加，即不进位加3、光电编码器与单片机的接口、光电编码器与单片机的接口5.4.4 直流伺服直流伺服电机系机系统的的设计 伺服系统是一个闭环的自动控制系统。在伺服控制系统中，计算机除了要控制系统的功率主回路外，同时还要实时检测伺服系统的外形。典型的伺服系统中，除了PWM功率放大器之外，还有电压负反响、速度负反响、位置负反响等环节。 1、系、系统组成成2、系统传送函数3、系统仿真延续4、仿真、仿真结果果(1)角度呼角度呼应曲曲线(2)(2)速度呼速度呼速度呼速度呼应应曲曲曲曲线线(3)(3)控制控制控制控制输输出出出出5、系、系统仿真离散仿真离散角度阶跃呼应曲线速度呼应曲线控制控制控制控制输输出出出出