電機運動控制系統(tǒng) 教學課件 作者 洪乃剛 第7章

第7章位置伺服控制系統(tǒng)7.1位置伺服控制系統(tǒng)組成和控制要求7.2步進電動機7.3位置閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)7.4位置檢測

伺服控制系統(tǒng)是一種能夠跟隨輸入指令信號進行控制的系統(tǒng)，也稱隨動控制系統(tǒng)。位置伺服控制系統(tǒng)用于機械的定位和定向控制，機器人，數(shù)控機床，雷達跟蹤，艦船操舵都大量使用電機控制的位置伺服系統(tǒng)。第7章位置伺服控制系統(tǒng)7.1位置伺服控制系統(tǒng)組艦船操舵控制示意圖舵手操縱舵輪帶動電位器的動臂轉(zhuǎn)動

發(fā)出船舵位置指令，電位器將轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為電信號船尾船舵上電位器檢測船舵的實際轉(zhuǎn)角船舵與轉(zhuǎn)向指令偏差經(jīng)放大器、變流器控制電動機并經(jīng)減速機帶動船舵轉(zhuǎn)動，在船舵轉(zhuǎn)角與方向輪轉(zhuǎn)角相同時，艦船按舵手操控的方向前進艦船操舵控制示意圖舵手操縱舵輪帶動電位器的動臂轉(zhuǎn)動發(fā)出船舵7.1位置伺服控制系統(tǒng)組成和控制要求7.1.1位置伺服控制系統(tǒng)的組成位置伺服系統(tǒng)一般包括位置檢測、控制器、執(zhí)行機構(gòu)等部分位置檢測方法有光電編碼器，光柵，磁尺等控制器：伺服控制的心臟，采用步進電動機的位置開環(huán)控制，控制器是環(huán)形脈沖分配器；對閉環(huán)控制，控制器可以是PID控制，前饋控制，復(fù)合控制以及發(fā)展迅速的各種智能控制。電氣位置伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)：主要包括電力電子變流器，電動機和減速齒輪箱，從電動機區(qū)分有直流伺服系統(tǒng)，交流伺服系統(tǒng)，永磁電機伺服系統(tǒng)等。7.1位置伺服控制系統(tǒng)組成和控制要求7.1.1位置開環(huán)控制

位置閉環(huán)控制位置開環(huán)控制位置閉環(huán)控制7.1.2位置伺服控制的基本要求

電氣伺服系統(tǒng)的基本要求是控制精度高，響應(yīng)快，穩(wěn)定性好，工作頻率寬，負載和抗干擾能力強等，同時還要求體積小、輕便，可靠性高和成本低。開環(huán)控制，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，易于維護，但是由于沒有位置檢測，精度低，抗干擾能力差。閉環(huán)控制可以根據(jù)位置偏差調(diào)節(jié)，控制精度較高

直流伺服系統(tǒng)有良好的機械特性和調(diào)節(jié)特性，機電時間常數(shù)小，起動電壓低，缺點是有換向器和電刷，造成摩擦轉(zhuǎn)矩比較大，有火花干擾和維護不方便。交流伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，無電刷，轉(zhuǎn)動慣量較直流電機小，響應(yīng)快，交流伺服系統(tǒng)又有交流感應(yīng)式伺服電機和交流永磁式伺服電機，7.1.2位置伺服控制的基本要求電氣伺服系統(tǒng)的基7.2步進電動機位置開環(huán)伺服控制系統(tǒng)

位置開環(huán)伺服系統(tǒng)一般使用步進電動機，步進電動機由脈沖驅(qū)動，每個脈沖使電機轉(zhuǎn)過一個角度，帶動機械移動一步，機械的轉(zhuǎn)角或線位移正比于脈沖個數(shù)。

步進電動機不用位置檢測，定位精度取決于步進電動機的步距精度和機械傳動精度。步進電動機開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用維護方便，可靠性高，制造成本低，在經(jīng)濟型數(shù)控機床中廣泛應(yīng)用。7.2步進電動機位置開環(huán)伺服控制系統(tǒng)位置開環(huán)7.2.1步進電動機原理(a)(b)(c)圖7.3步進電動機原理三相反應(yīng)式步進電動機，其定子有6個極，每極都裝有控制繞組，轉(zhuǎn)子鐵芯上有四個均勻分布的齒，齒上沒有繞組。

當A相繞組通電時，因為磁通有使磁路磁阻最小的特性，因此拉動轉(zhuǎn)子齒1、3與定子極對齊A相繞組斷電，B繞組通電時，

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過齒2、4與定子極BB’對齊

B相斷電，C相通電時轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過按順序循環(huán)通電，電機順時針旋轉(zhuǎn)

7.2.1步進電動機原理(a)步進電動機每改變一次通電方式（接受一個脈沖），稱為一拍，每拍通電轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，

1.三相單三拍通電方式按2.三相雙三拍通電方式每拍步距角

每拍步距角3.三相六拍通電方式每拍步距角

為了使一相繞組通電時轉(zhuǎn)子在該相牽引下轉(zhuǎn)過一個步距角，對m相步進電動機轉(zhuǎn)子齒數(shù)為2p為步進電動機定子極數(shù)；m為相數(shù)；K為正整數(shù)

步進電動機每改變一次通電方式（接受一個脈沖），稱為一拍，每拍步進電動機的步距角采用單拍或雙拍工作方式采用單、雙拍工作方式時

若步進電動機通電頻率為f，步進電動機的轉(zhuǎn)速

步進電動機有二相、三相、四相、五相、六相，甚至更多相數(shù)，相數(shù)和齒數(shù)越多，步距角越小。在脈沖頻率一定時，步進電動機的轉(zhuǎn)速就越低。相數(shù)越多步進電機成本越高，驅(qū)動脈沖電源越復(fù)雜，因此步進電機一般最多為六相。步進電動機的步距角采用單拍或雙拍工作方式采用單、雙拍工作方式7.2.2步進電動機參數(shù)和特性步進電動機的參數(shù)除相數(shù)、額定電壓和電流外主要有1.步距角和靜態(tài)步距誤差靜態(tài)步距誤差是指理論步距角與實際的步距角之間的誤差，以分表示，一般在以內(nèi)

2.起動頻率步進電動機在空載以階躍給定起動時，能進入不丟步的正常工作狀態(tài)所允許的最高頻率，稱為起動頻率或突眺頻率與負載慣性有關(guān)，負載慣量越大產(chǎn)生丟步可能性越大，這時

不能很大3.連續(xù)運行的最高工作頻率步進電動機保證不丟步的極限工作頻率7.2.2步進電動機參數(shù)和特性步進電動機的參數(shù)除相數(shù)、額4.加、減速特性

步進電動機在加速和減速時，為了不發(fā)生丟步或加步現(xiàn)象，脈沖頻率的變化不能太快，因此轉(zhuǎn)速上升時間和下降時間不能太短5.矩頻特性和動態(tài)轉(zhuǎn)矩矩頻特性是步進電動機穩(wěn)定連續(xù)工作時轉(zhuǎn)矩與頻率關(guān)系，動態(tài)轉(zhuǎn)矩是矩頻特性上每一頻率對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，動態(tài)轉(zhuǎn)矩隨頻率增加而減小。4.加、減速特性步進電動機在加速和減速時，7.2.3步進電動機的選用系統(tǒng)的精度和速度為了提高精度，希望脈沖當量小，但是脈沖當量越小系統(tǒng)的運行速度越低，因此要兼顧精度和速度來選擇系統(tǒng)的脈沖當量。

按脈沖當量選擇步進電動機的步距角和傳動機構(gòu)的傳動比，步進電動機的步距角理論上是固定的，實際上存在誤差，一般應(yīng)將步進電機的步距誤差，負載引起的定位誤差，傳動機構(gòu)的誤差等都全部考慮在內(nèi)，使總的誤差小于機械允許的定位誤差。步進電動機進給速度（mm/min）和工作頻率關(guān)系——脈沖當量，即每個脈沖進給移動的距離（mm/pulse）7.2.3步進電動機的選用系統(tǒng)的精度和速度為了提高精度，7.2.4步進電動機的驅(qū)動步進電動機控制電路原理由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成環(huán)形脈沖分配器一般由脈沖分配器，功率驅(qū)動兩部分組成7.2.4步進電動機的驅(qū)動步進電動機控制電路原理由雙穩(wěn)態(tài)觸1.由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成環(huán)形脈沖分配器雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的三相六拍脈沖分配器2.專用環(huán)形分配器模塊二相步進電動機L297，PMM8713三相步進電動機CH2503.采用軟件，利用查表或計算實現(xiàn)脈沖分配，1.由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成環(huán)形脈沖分配器雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成2.功率驅(qū)動（1）單電壓驅(qū)動電路單電壓驅(qū)動器只用一路電源U，結(jié)構(gòu)簡單，缺點是繞組通電時電流上升速度慢，高頻時負載能力低（2）高低壓驅(qū)動電路二路電源供電輸入脈沖信號來到時高電壓，當電流上升到規(guī)定值時由低壓供電，有較陡的電流前沿2.功率驅(qū)動（1）單電壓驅(qū)動電路單電壓驅(qū)動器只用（3）恒流斬波驅(qū)動電路雙電源驅(qū)動，繞組L不串電阻，電流的上升率高。電流達到規(guī)定值時，采樣電阻上的反饋信號經(jīng)整形放大使電路由低壓電源供電。

導(dǎo)通關(guān)斷（斬波）使繞組電流近似恒定，恒流斬波驅(qū)動電流上升快邊沿陡，響應(yīng)好功耗小，輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，可減少步進電動機的共振現(xiàn)象發(fā)生。（3）恒流斬波驅(qū)動電路雙電源驅(qū)動，繞組L不串電阻，電流的上7.2.5步距細分技術(shù)

步進電動機在二相同時通電時，轉(zhuǎn)子受二相繞組磁場的合力作用，齒停留在二相中間位置，如果控制二相繞組電流可以改變二相繞組磁場合力的方向，可使轉(zhuǎn)子有多個穩(wěn)定的位置二相二齒步進電動機

(b)合成電流矢量(c)電流波形二相4極二齒步進電動機步距細分7.2.5步距細分技術(shù)步進電動機在二相同時通電7.3位置閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)

7.3.1位置閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)的組成

1.位置閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)位置閉環(huán)控制

工作臺由伺服電機、減速器帶動絲杠轉(zhuǎn)動，絲杠和螺母傳動副將絲杠旋轉(zhuǎn)變換為工作臺的水平移動，通過光柵檢測工作臺位置，并將位置反饋信號與位置給定信號比較，有偏差則由位置調(diào)節(jié)器通過速度控制器、驅(qū)動器、伺服電動機等環(huán)節(jié)使工作臺前移或后移，直到指定位置7.3位置閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)

7.3.1位置閉環(huán)伺2.半閉環(huán)位置伺服控制

位置采用間接檢測方法，數(shù)控機床一般用光電編碼器檢測伺服電動機或減速器轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速或角位移，轉(zhuǎn)軸角位移正比于工作臺的直線位移，

半閉環(huán)控制，減速器和絲杠間隙造成的誤差在位置反饋環(huán)外，不能被抑制，控制精度較低，但是成本低，安裝和維護都比較方便2.半閉環(huán)位置伺服控制位置采用間接檢測方法，數(shù)控機7.3.2位置伺服控制系統(tǒng)數(shù)學模型直流位置伺服系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)位置環(huán)+電樞調(diào)壓調(diào)速位置環(huán)+轉(zhuǎn)速環(huán)的雙閉環(huán)控制位置環(huán)+轉(zhuǎn)速環(huán)+電流環(huán)的三環(huán)控制交流伺服系統(tǒng)位置環(huán)+VVVF轉(zhuǎn)速開環(huán)控制位置環(huán)+轉(zhuǎn)速環(huán)的矢量控制控制位置環(huán)+轉(zhuǎn)速環(huán)的直接轉(zhuǎn)矩控制7.3.2位置伺服控制系統(tǒng)數(shù)學模型直流位置伺服系統(tǒng)基本

位置系統(tǒng)中位置環(huán)是共有的，

位置環(huán)內(nèi)包含了電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的等效傳遞函數(shù)和減速器和傳動機構(gòu)的傳遞函數(shù)

位置單閉環(huán)控制頻帶寬，響應(yīng)快，一般用在小功率伺服系統(tǒng)中。

轉(zhuǎn)速和電流內(nèi)環(huán)的伺服系統(tǒng)動態(tài)性能較好，并且有電流和轉(zhuǎn)矩限制，安全可靠性高，一般使用在中、大功率伺服系統(tǒng)。

轉(zhuǎn)速內(nèi)環(huán)以等效傳遞函數(shù)表示,減速器的傳遞函數(shù)是一個積分環(huán)節(jié),因此位置調(diào)節(jié)器常用PID調(diào)節(jié)器，以調(diào)節(jié)器的微分作用對消減速器的積分，以降低方程階次，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性位置系統(tǒng)中位置環(huán)是共有的，位置環(huán)內(nèi)包含了電動機轉(zhuǎn)速7.2.3位置伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能一

伺服控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差有：檢測誤差，原理誤差，擾動誤差1.檢測誤差主要由檢測裝置的精度決定的，是系統(tǒng)不能克服的誤差，減小檢測誤差采用高精度檢測裝置，圓盤脈沖編碼器定位精度可以達到角秒級，圓光柵定位精度可以達到0.1角秒，長光柵0.05。2.擾動誤差根據(jù)擾動的大小和加入的位置不同產(chǎn)生誤差的情況不同，需要具體情況具體分析。3.原理誤差是由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)器參數(shù)決定的，可以根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)和位置信號性質(zhì)分析。7.2.3位置伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能一伺服控制系統(tǒng)的穩(wěn)二

原理穩(wěn)態(tài)誤差分析位置伺服系統(tǒng)的典型輸入信號輸入信號函數(shù)表達式拉氏變換階躍信號速度（斜坡）信號加速度（拋物線）正弦信號二原理穩(wěn)態(tài)誤差分析位置伺服系統(tǒng)的典型輸入信號輸入信號

伺服系統(tǒng)可以分為0型系統(tǒng)，I型系統(tǒng)和II型系統(tǒng)，0型系統(tǒng)沒有積分環(huán)節(jié)，I型系統(tǒng)和II型系統(tǒng)分別包含一個和兩個積分環(huán)節(jié)，

在階躍信號、速度和加速度信號輸入時，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差可以用拉氏終值定理求得0型I型II型階躍信號速度（斜坡）信號

0

加速度信號0

0伺服系統(tǒng)可以分為0型系統(tǒng)，I型系統(tǒng)和II型系統(tǒng)，0正弦信號不能直接使用拉氏終值定理，因為含有右半平面的極點

1）按誤差公式計算，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為：，，——誤差傳遞函數(shù)，

——伺服系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)。正弦信號不能直接使用拉氏終值定理，因為含有右半平面的極點例7.1設(shè)伺服系統(tǒng)傳遞函數(shù)為正弦輸入信號系統(tǒng)誤差傳遞函數(shù)=0，,,代入式7.5例7.1設(shè)伺服系統(tǒng)傳遞函數(shù)為正弦輸入信號系統(tǒng)誤差=0，（2）通過頻率特性求穩(wěn)態(tài)誤差例7.2已知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖

，

前向通道傳遞函數(shù)，輸入信號，求：1/s時的穩(wěn)態(tài)誤差

誤差頻率特性穩(wěn)態(tài)誤差（2）通過頻率特性求穩(wěn)態(tài)誤差例7.2已知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7.4位置檢測

7.4.1光電編碼器——角位移檢測

光電編碼器由光源、透鏡、碼盤、遮光板和光敏元件組成，光源光線經(jīng)透鏡、碼盤和遮光板上窄縫使光敏元件感光發(fā)出信號一

碼盤式編碼器1.二進制碼盤7.4位置檢測

7.4.1光電編碼器——角位移檢2.循環(huán)碼碼盤二

脈沖式編碼器

脈沖式編碼器碼盤圓周上均勻分布小孔（或窄縫），碼盤每轉(zhuǎn)過一個孔距產(chǎn)生一個脈沖，計數(shù)脈沖個數(shù)可得轉(zhuǎn)角，遮光板上有三個孔，A、B兩孔距離是碼盤圓周孔距的產(chǎn)生二路相差周期的脈沖，比較脈沖相位可以判別轉(zhuǎn)向

碼盤內(nèi)圈有一個零位孔，碼盤每轉(zhuǎn)一周，零位孔發(fā)出“零位脈沖”信號，利用零位脈沖可以統(tǒng)計轉(zhuǎn)數(shù)2.循環(huán)碼碼盤二脈沖式編碼器脈沖式7.4.2光柵檢測將一片短光柵傾斜角后疊在另一片長光柵上，可以產(chǎn)生粗大的莫爾條紋

莫爾條紋的間距W—光柵間距

短光柵右移，莫爾條紋向下移動，短光柵左移，莫爾條紋向上移動

檢測莫爾條紋的移動個數(shù)，從而檢測短光柵相對長光柵的移動距離。7.4.2光柵檢測將一片短光柵傾斜角后疊在另一片長光柵例如50線/mm光柵，光柵移動1線（0.02mm），相當于莫爾條紋移動5mm，

光柵檢測用細分技術(shù)進一步提高分辨率，在莫爾條紋變化的一個周期內(nèi)發(fā)出N個計數(shù)脈沖，每個脈沖相當于原來柵距的1/N，則測量精度可以提高為原來的N倍。

光柵檢測精度高，常用于高精度的機床線位移和角度檢測，以及速度，加速度、振動等測量中。例如50線/mm光柵，光柵移動1線（0.02mm），相本章小結(jié)

位置是機械裝置經(jīng)常需要控制的參數(shù)，電氣位置伺服系統(tǒng)以電動機為執(zhí)行元件控制機械的位移。

電氣位置伺服系統(tǒng)有位置開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩類，位置開環(huán)控制一般使用步進電動機，如果脈沖頻率過高，驅(qū)動轉(zhuǎn)矩不足，步進電動機都可能產(chǎn)生丟步現(xiàn)象，影響位置控制的精度。

位置閉環(huán)控制系統(tǒng)通過位置檢測可以實現(xiàn)位置的高精度控制，過去位置伺服控制主要用直流電動機，隨交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，交流伺服控制系統(tǒng)應(yīng)用也越來越多，并且控制都實現(xiàn)了數(shù)字化，產(chǎn)品已經(jīng)成套化，使用很方便。

學習本章主要要掌握伺服控制的原理，可根據(jù)位置控制的要求選用或設(shè)計位置伺服控制系統(tǒng)。本章小結(jié)位置是機械裝置經(jīng)常需要控制的參數(shù)，電氣位置伺第7章位置伺服控制系統(tǒng)7.1位置伺服控制系統(tǒng)組成和控制要求7.2步進電動機7.3位置閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)7.4位置檢測

伺服控制系統(tǒng)是一種能夠跟隨輸入指令信號進行控制的系統(tǒng)，也稱隨動控制系統(tǒng)。位置伺服控制系統(tǒng)用于機械的定位和定向控制，機器人，數(shù)控機床，雷達跟蹤，艦船操舵都大量使用電機控制的位置伺服系統(tǒng)。第7章位置伺服控制系統(tǒng)7.1位置伺服控制系統(tǒng)組艦船操舵控制示意圖舵手操縱舵輪帶動電位器的動臂轉(zhuǎn)動

發(fā)出船舵位置指令，電位器將轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為電信號船尾船舵上電位器檢測船舵的實際轉(zhuǎn)角船舵與轉(zhuǎn)向指令偏差經(jīng)放大器、變流器控制電動機并經(jīng)減速機帶動船舵轉(zhuǎn)動，在船舵轉(zhuǎn)角與方向輪轉(zhuǎn)角相同時，艦船按舵手操控的方向前進艦船操舵控制示意圖舵手操縱舵輪帶動電位器的動臂轉(zhuǎn)動發(fā)出船舵7.1位置伺服控制系統(tǒng)組成和控制要求7.1.1位置伺服控制系統(tǒng)的組成位置伺服系統(tǒng)一般包括位置檢測、控制器、執(zhí)行機構(gòu)等部分位置檢測方法有光電編碼器，光柵，磁尺等控制器：伺服控制的心臟，采用步進電動機的位置開環(huán)控制，控制器是環(huán)形脈沖分配器；對閉環(huán)控制，控制器可以是PID控制，前饋控制，復(fù)合控制以及發(fā)展迅速的各種智能控制。電氣位置伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)：主要包括電力電子變流器，電動機和減速齒輪箱，從電動機區(qū)分有直流伺服系統(tǒng)，交流伺服系統(tǒng)，永磁電機伺服系統(tǒng)等。7.1位置伺服控制系統(tǒng)組成和控制要求7.1.1位置開環(huán)控制

位置閉環(huán)控制位置開環(huán)控制位置閉環(huán)控制7.1.2位置伺服控制的基本要求

電氣伺服系統(tǒng)的基本要求是控制精度高，響應(yīng)快，穩(wěn)定性好，工作頻率寬，負載和抗干擾能力強等，同時還要求體積小、輕便，可靠性高和成本低。開環(huán)控制，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，易于維護，但是由于沒有位置檢測，精度低，抗干擾能力差。閉環(huán)控制可以根據(jù)位置偏差調(diào)節(jié)，控制精度較高

直流伺服系統(tǒng)有良好的機械特性和調(diào)節(jié)特性，機電時間常數(shù)小，起動電壓低，缺點是有換向器和電刷，造成摩擦轉(zhuǎn)矩比較大，有火花干擾和維護不方便。交流伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，無電刷，轉(zhuǎn)動慣量較直流電機小，響應(yīng)快，交流伺服系統(tǒng)又有交流感應(yīng)式伺服電機和交流永磁式伺服電機，7.1.2位置伺服控制的基本要求電氣伺服系統(tǒng)的基7.2步進電動機位置開環(huán)伺服控制系統(tǒng)

位置開環(huán)伺服系統(tǒng)一般使用步進電動機，步進電動機由脈沖驅(qū)動，每個脈沖使電機轉(zhuǎn)過一個角度，帶動機械移動一步，機械的轉(zhuǎn)角或線位移正比于脈沖個數(shù)。

步進電動機不用位置檢測，定位精度取決于步進電動機的步距精度和機械傳動精度。步進電動機開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用維護方便，可靠性高，制造成本低，在經(jīng)濟型數(shù)控機床中廣泛應(yīng)用。7.2步進電動機位置開環(huán)伺服控制系統(tǒng)位置開環(huán)7.2.1步進電動機原理(a)(b)(c)圖7.3步進電動機原理三相反應(yīng)式步進電動機，其定子有6個極，每極都裝有控制繞組，轉(zhuǎn)子鐵芯上有四個均勻分布的齒，齒上沒有繞組。

當A相繞組通電時，因為磁通有使磁路磁阻最小的特性，因此拉動轉(zhuǎn)子齒1、3與定子極對齊A相繞組斷電，B繞組通電時，

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過齒2、4與定子極BB’對齊

B相斷電，C相通電時轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過按順序循環(huán)通電，電機順時針旋轉(zhuǎn)

7.2.1步進電動機原理(a)步進電動機每改變一次通電方式（接受一個脈沖），稱為一拍，每拍通電轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，

1.三相單三拍通電方式按2.三相雙三拍通電方式每拍步距角

每拍步距角3.三相六拍通電方式每拍步距角

為了使一相繞組通電時轉(zhuǎn)子在該相牽引下轉(zhuǎn)過一個步距角，對m相步進電動機轉(zhuǎn)子齒數(shù)為2p為步進電動機定子極數(shù)；m為相數(shù)；K為正整數(shù)

步進電動機每改變一次通電方式（接受一個脈沖），稱為一拍，每拍步進電動機的步距角采用單拍或雙拍工作方式采用單、雙拍工作方式時

若步進電動機通電頻率為f，步進電動機的轉(zhuǎn)速

步進電動機有二相、三相、四相、五相、六相，甚至更多相數(shù)，相數(shù)和齒數(shù)越多，步距角越小。在脈沖頻率一定時，步進電動機的轉(zhuǎn)速就越低。相數(shù)越多步進電機成本越高，驅(qū)動脈沖電源越復(fù)雜，因此步進電機一般最多為六相。步進電動機的步距角采用單拍或雙拍工作方式采用單、雙拍工作方式7.2.2步進電動機參數(shù)和特性步進電動機的參數(shù)除相數(shù)、額定電壓和電流外主要有1.步距角和靜態(tài)步距誤差靜態(tài)步距誤差是指理論步距角與實際的步距角之間的誤差，以分表示，一般在以內(nèi)

2.起動頻率步進電動機在空載以階躍給定起動時，能進入不丟步的正常工作狀態(tài)所允許的最高頻率，稱為起動頻率或突眺頻率與負載慣性有關(guān)，負載慣量越大產(chǎn)生丟步可能性越大，這時

不能很大3.連續(xù)運行的最高工作頻率步進電動機保證不丟步的極限工作頻率7.2.2步進電動機參數(shù)和特性步進電動機的參數(shù)除相數(shù)、額4.加、減速特性

步進電動機在加速和減速時，為了不發(fā)生丟步或加步現(xiàn)象，脈沖頻率的變化不能太快，因此轉(zhuǎn)速上升時間和下降時間不能太短5.矩頻特性和動態(tài)轉(zhuǎn)矩矩頻特性是步進電動機穩(wěn)定連續(xù)工作時轉(zhuǎn)矩與頻率關(guān)系，動態(tài)轉(zhuǎn)矩是矩頻特性上每一頻率對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，動態(tài)轉(zhuǎn)矩隨頻率增加而減小。4.加、減速特性步進電動機在加速和減速時，7.2.3步進電動機的選用系統(tǒng)的精度和速度為了提高精度，希望脈沖當量小，但是脈沖當量越小系統(tǒng)的運行速度越低，因此要兼顧精度和速度來選擇系統(tǒng)的脈沖當量。

按脈沖當量選擇步進電動機的步距角和傳動機構(gòu)的傳動比，步進電動機的步距角理論上是固定的，實際上存在誤差，一般應(yīng)將步進電機的步距誤差，負載引起的定位誤差，傳動機構(gòu)的誤差等都全部考慮在內(nèi)，使總的誤差小于機械允許的定位誤差。步進電動機進給速度（mm/min）和工作頻率關(guān)系——脈沖當量，即每個脈沖進給移動的距離（mm/pulse）7.2.3步進電動機的選用系統(tǒng)的精度和速度為了提高精度，7.2.4步進電動機的驅(qū)動步進電動機控制電路原理由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成環(huán)形脈沖分配器一般由脈沖分配器，功率驅(qū)動兩部分組成7.2.4步進電動機的驅(qū)動步進電動機控制電路原理由雙穩(wěn)態(tài)觸1.由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成環(huán)形脈沖分配器雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的三相六拍脈沖分配器2.專用環(huán)形分配器模塊二相步進電動機L297，PMM8713三相步進電動機CH2503.采用軟件，利用查表或計算實現(xiàn)脈沖分配，1.由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成環(huán)形脈沖分配器雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成2.功率驅(qū)動（1）單電壓驅(qū)動電路單電壓驅(qū)動器只用一路電源U，結(jié)構(gòu)簡單，缺點是繞組通電時電流上升速度慢，高頻時負載能力低（2）高低壓驅(qū)動電路二路電源供電輸入脈沖信號來到時高電壓，當電流上升到規(guī)定值時由低壓供電，有較陡的電流前沿2.功率驅(qū)動（1）單電壓驅(qū)動電路單電壓驅(qū)動器只用（3）恒流斬波驅(qū)動電路雙電源驅(qū)動，繞組L不串電阻，電流的上升率高。電流達到規(guī)定值時，采樣電阻上的反饋信號經(jīng)整形放大使電路由低壓電源供電。

導(dǎo)通關(guān)斷（斬波）使繞組電流近似恒定，恒流斬波驅(qū)動電流上升快邊沿陡，響應(yīng)好功耗小，輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，可減少步進電動機的共振現(xiàn)象發(fā)生。（3）恒流斬波驅(qū)動電路雙電源驅(qū)動，繞組L不串電阻，電流的上7.2.5步距細分技術(shù)

步進電動機在二相同時通電時，轉(zhuǎn)子受二相繞組磁場的合力作用，齒停留在二相中間位置，如果控制二相繞組電流可以改變二相繞組磁場合力的方向，可使轉(zhuǎn)子有多個穩(wěn)定的位置二相二齒步進電動機

(b)合成電流矢量(c)電流波形二相4極二齒步進電動機步距細分7.2.5步距細分技術(shù)步進電動機在二相同時通電7.3位置閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)

7.3.1位置閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)的組成

1.位置閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)位置閉環(huán)控制

工作臺由伺服電機、減速器帶動絲杠轉(zhuǎn)動，絲杠和螺母傳動副將絲杠旋轉(zhuǎn)變換為工作臺的水平移動，通過光柵檢測工作臺位置，并將位置反饋信號與位置給定信號比較，有偏差則由位置調(diào)節(jié)器通過速度控制器、驅(qū)動器、伺服電動機等環(huán)節(jié)使工作臺前移或后移，直到指定位置7.3位置閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)

7.3.1位置閉環(huán)伺2.半閉環(huán)位置伺服控制

位置采用間接檢測方法，數(shù)控機床一般用光電編碼器檢測伺服電動機或減速器轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速或角位移，轉(zhuǎn)軸角位移正比于工作臺的直線位移，

半閉環(huán)控制，減速器和絲杠間隙造成的誤差在位置反饋環(huán)外，不能被抑制，控制精度較低，但是成本低，安裝和維護都比較方便2.半閉環(huán)位置伺服控制位置采用間接檢測方法，數(shù)控機7.3.2位置伺服控制系統(tǒng)數(shù)學模型直流位置伺服系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)位置環(huán)+電樞調(diào)壓調(diào)速位置環(huán)+轉(zhuǎn)速環(huán)的雙閉環(huán)控制位置環(huán)+轉(zhuǎn)速環(huán)+電流環(huán)的三環(huán)控制交流伺服系統(tǒng)位置環(huán)+VVVF轉(zhuǎn)速開環(huán)控制位置環(huán)+轉(zhuǎn)速環(huán)的矢量控制控制位置環(huán)+轉(zhuǎn)速環(huán)的直接轉(zhuǎn)矩控制7.3.2位置伺服控制系統(tǒng)數(shù)學模型直流位置伺服系統(tǒng)基本

位置系統(tǒng)中位置環(huán)是共有的，

位置環(huán)內(nèi)包含了電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的等效傳遞函數(shù)和減速器和傳動機構(gòu)的傳遞函數(shù)

位置單閉環(huán)控制頻帶寬，響應(yīng)快，一般用在小功率伺服系統(tǒng)中。

轉(zhuǎn)速和電流內(nèi)環(huán)的伺服系統(tǒng)動態(tài)性能較好，并且有電流和轉(zhuǎn)矩限制，安全可靠性高，一般使用在中、大功率伺服系統(tǒng)。

轉(zhuǎn)速內(nèi)環(huán)以等效傳遞函數(shù)表示,減速器的傳遞函數(shù)是一個積分環(huán)節(jié),因此位置調(diào)節(jié)器常用PID調(diào)節(jié)器，以調(diào)節(jié)器的微分作用對消減速器的積分，以降低方程階次，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性位置系統(tǒng)中位置環(huán)是共有的，位置環(huán)內(nèi)包含了電動機轉(zhuǎn)速7.2.3位置伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能一

伺服控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差有：檢測誤差，原理誤差，擾動誤差1.檢測誤差主要由檢測裝置的精度決定的，是系統(tǒng)不能克服的誤差，減小檢測誤差采用高精度檢測裝置，圓盤脈沖編碼器定位精度可以達到角秒級，圓光柵定位精度可以達到0.1角秒，長光柵0.05。2.擾動誤差根據(jù)擾動的大小和加入的位置不同產(chǎn)生誤差的情況不同，需要具體情況具體分析。3.原理誤差是由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)器參數(shù)決定的，可以根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)和位置信號性質(zhì)分析。7.2.3位置伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能一伺服控制系統(tǒng)的穩(wěn)二

原理穩(wěn)態(tài)誤差分析位置伺服系統(tǒng)的典型輸入信號輸入信號函數(shù)表達式拉氏變換階躍信號速度（斜坡）信號加速度（拋物線）正弦信號二原理穩(wěn)態(tài)誤差分析位置伺服系統(tǒng)的典型輸入信號輸入信號

伺服系統(tǒng)可以分為0型系統(tǒng)，I型系統(tǒng)和II型系統(tǒng)，0型系統(tǒng)沒有積分環(huán)節(jié)，I型系統(tǒng)和II型系統(tǒng)分別包含一個和兩個積分環(huán)節(jié)，

在階躍信號、速度和加速度信號輸入時，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差可以用拉氏終值定理求得0型I型II型階躍信號速度（斜坡）信號

0

加速度信號0

0伺服系統(tǒng)可以分為0型系統(tǒng)，I型系統(tǒng)和II型系統(tǒng)，0正弦信號不能直接使用拉氏終值定理，因為含有右半平面的極點

1）按誤差公式計算，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為：，，——誤差傳遞函數(shù)，

——伺服系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)。正弦信號不能直接使用拉氏終值定理，因為含