數(shù)控技術(shù)伺服2課件

6.2.3步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)

步進(jìn)電機(jī)對(duì)應(yīng)于一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一步；即一個(gè)步距角θs。若每次輸入脈沖切換時(shí)，只改變對(duì)應(yīng)繞組額定電流的一部分那么轉(zhuǎn)子相對(duì)應(yīng)的每步轉(zhuǎn)動(dòng)也只會(huì)是原有θs的一部分。額定電流分成多少個(gè)級(jí)別進(jìn)行切換，轉(zhuǎn)子就以多少步來(lái)轉(zhuǎn)完一個(gè)θs。即通過(guò)控制繞組中電流的數(shù)值調(diào)整步距角θs大小，這種控制方式為不進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制。如下圖所示，在一個(gè)輸入脈沖寬度內(nèi)把電流按線性（或正弦規(guī)律）分成n分。數(shù)字信號(hào)D/A→VREF，VREF與VC比較，以保證電流值在要求的值上。1.恒流原理

通過(guò)A放大器之后為VREF。比較放大器和功放組成一個(gè)閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。當(dāng)繞組中電流因某種原因iL↓下降，則iL→VC→(VREF→VC)↑→Vb→iL↑使繞組電流仍穩(wěn)定于iL。2.瞬間響應(yīng)

如輸入的Di↑Dk則Di→D/A→A輸出為VREFK，則為（過(guò)程為）Di→Dk→VREF→VREFK→Vb→iL→iLk3.細(xì)分控制

1）從8位單片機(jī)送出的數(shù)據(jù)D~D,數(shù)值00H~0FFH，對(duì)應(yīng)與十進(jìn)制數(shù)是0～255.細(xì)分時(shí)，要求每個(gè)階梯的電流差值相等，即要求細(xì)分步數(shù)必須能對(duì)255整除，顯然細(xì)分只能為3，5，15，17，51，85幾種。2）一般按正弦規(guī)律變化細(xì)分的多相電流，合成磁勢(shì)幅值保持不變，轉(zhuǎn)角細(xì)分精確；3）通過(guò)細(xì)分驅(qū)動(dòng)可得到更小的脈沖當(dāng)量，提高了定位精度；4）繞組電流均從小增到大，或從大降到小，避免了電流沖擊，基本消除了步進(jìn)電機(jī)低速振動(dòng)，電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無(wú)噪聲。

步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制得到了廣泛應(yīng)用。正弦階梯波細(xì)分電流波形圖正弦細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路D/A

功率步進(jìn)電機(jī)用作開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)裝置，組成開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)，一般技術(shù)性能不能滿足使用要求，其性能的提高受到限制。60年代出現(xiàn)了小慣量直流伺服電機(jī)，70年代初出現(xiàn)了大慣量寬調(diào)速伺服電機(jī)；目前，許多數(shù)控機(jī)床采用大慣量直流伺服電機(jī)。6.3直流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

直流電機(jī)的原理和結(jié)構(gòu)定子和轉(zhuǎn)子直流電機(jī)電樞繞組結(jié)構(gòu)直流電機(jī)電刷結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的物理模型6.3.1直流伺服電機(jī)調(diào)速控制直流伺服電機(jī)有電磁式、永磁式、杯形電樞式、無(wú)槽電樞式、無(wú)刷式等。直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)與直流電機(jī)相同，由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。在定子上裝有磁極，電磁式伺服電機(jī)的定子磁極上有勵(lì)磁繞組。轉(zhuǎn)子由硅鋼片迭積而成，轉(zhuǎn)子上外圓有槽，槽內(nèi)有中樞繞組，繞組通過(guò)換向器和電刷引出。直流伺服電機(jī)和普通電機(jī)最大區(qū)別：電樞長(zhǎng)度與直徑之比(L/D)比普通直流電機(jī)要大；氣隙較小。伺服電機(jī)的工作原理和普通直流電機(jī)相同，當(dāng)定子中的磁勵(lì)磁通和轉(zhuǎn)子中的電流相互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)電樞轉(zhuǎn)動(dòng)，恰當(dāng)?shù)乜刂妻D(zhuǎn)動(dòng)電樞電流的大小和方向，就可以控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速，當(dāng)電樞電流“0”，伺服電機(jī)停滯不動(dòng)。電磁轉(zhuǎn)矩為：T＝CmφIa

式中：Cm——轉(zhuǎn)矩常數(shù)(Cm＝PN/(2πa)p：磁極對(duì)數(shù)N：電樞繞組總導(dǎo)體數(shù)a：并聯(lián)支路對(duì)數(shù)Φ——電機(jī)的主磁通Ia——電樞電流電壓平衡方程為：

E＝Ud－IaRa

(Ud:電樞電壓Ud=Uc=U控制電壓)式中：E——電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E＝CeΦnCe＝PN/(60a)聯(lián)立上三式得到

從上式知，電機(jī)調(diào)速有三種方法：1）改變電樞電壓U（電樞法）2）改變勵(lì)磁磁通Φ（弱磁調(diào)速）3）在電樞回路中接電阻Rt

改變端電壓調(diào)速

保持電動(dòng)機(jī)的不變且無(wú)外接電樞電阻，僅降低施加于電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓U達(dá)到調(diào)速的目的，稱為降壓調(diào)速。TnU1U1>U2>U3U2U3PQ電壓越低，轉(zhuǎn)速越低，調(diào)速方向從基值往下調(diào)。

Tn改變勵(lì)磁調(diào)速改變勵(lì)磁電流調(diào)速，實(shí)際上是減少勵(lì)磁電流的調(diào)速，所以又稱弱磁調(diào)速。弱磁調(diào)速：保持U，Rt＝0，僅減小電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流If使主磁通減小，達(dá)到調(diào)速目的。If1PIf2QIf1>If2從兩個(gè)穩(wěn)定點(diǎn)P、Q對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速說(shuō)明減小勵(lì)磁可以使轉(zhuǎn)速升高。弱磁調(diào)速調(diào)速前后的量：（1）假定負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，(2)假定磁路不飽和，不計(jì)電樞反應(yīng)和IaRa的變化（3）恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，，基本不變?nèi)醮耪{(diào)速特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便，能耗小。缺點(diǎn)：?jiǎn)畏较蛘{(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速調(diào)得過(guò)高，勵(lì)磁過(guò)弱，電樞電流變大，換向變壞，出現(xiàn)不穩(wěn)定。串電樞電阻調(diào)速該調(diào)速的特點(diǎn)：（1）設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便。（2）低速時(shí)，機(jī)械特性很軟，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，轉(zhuǎn)速波動(dòng)很大。靜態(tài)穩(wěn)定性差調(diào)速范圍不大。（3）由于電阻的不連續(xù)調(diào)節(jié)，因此速度調(diào)節(jié)不平滑，屬有級(jí)調(diào)速。（4）電樞電流在Rt上消耗的能量大，調(diào)速時(shí)效率低。效率與轉(zhuǎn)速成正比。

6.3.2直流伺服電機(jī)1.機(jī)械特性電樞法時(shí)，Φ=C，若控制電壓U＝C，則n=n0－KT式中：n0=U/Ceφ理想空載轉(zhuǎn)速

斜率分析兩種情況，當(dāng)T＝0時(shí)，n＝n0＝u/(Ceφ)當(dāng)n＝0時(shí),n0＝kT＝kTd堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩所以，機(jī)械特性n=f(T)即，機(jī)械特性是一組斜率相同的直線簇。機(jī)械特性的斜率K也可用k＝Δn/ΔT表示；K↑，則對(duì)應(yīng)于某一轉(zhuǎn)矩△T變化，轉(zhuǎn)速△n↑,說(shuō)明機(jī)械特性軟。反之K減小,則機(jī)械特性硬。（因?yàn)镃e、Cm中均為常數(shù)）所以Ra增大、K增大，反之亦然。

在過(guò)渡過(guò)程中，電磁轉(zhuǎn)矩T除了要克服軸上的總的阻轉(zhuǎn)矩T外，還要克服軸上的慣性力矩，故轉(zhuǎn)矩平衡方程為：

式中：Ts---總阻轉(zhuǎn)矩；J---電機(jī)及負(fù)載的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω---轉(zhuǎn)子的角速度。但過(guò)渡過(guò)程中,T主要用來(lái)克服Jdω/dt,Ts所占比例很小,可忽略。所以，

則有∴等式兩邊同除以CeΦ

則令，則，式中：τj——機(jī)電時(shí)間常數(shù)，表示加上電樞電壓后，轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值過(guò)程時(shí)間的過(guò)渡。

τd——電磁時(shí)間常數(shù)，表示加上電樞電壓后，電樞電流達(dá)到額定值的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間。由于τd<<τj，均可忽略，所以進(jìn)行L變換，得直流伺服電機(jī)傳遞函數(shù)G(s)是輸出轉(zhuǎn)速與輸入電樞電壓拉氏變換之比，即式中：KG=I/Ceφ為靜態(tài)放大系數(shù)，表示轉(zhuǎn)子速度隨U的變化程度。從上式看出，直流伺服電機(jī)是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)。當(dāng)給電樞加上階躍電壓U，電機(jī)轉(zhuǎn)速n從0→n0的過(guò)渡過(guò)程為：所以，進(jìn)行L反變換有，從式中知，當(dāng)t=τj時(shí)，n=0.632n0，上升到n0的時(shí)間當(dāng)t=3τj時(shí)，n=0.95n0，此時(shí)過(guò)渡過(guò)程基本結(jié)束，即t=3τj。

小結(jié)：機(jī)械特性的斜率K減小，特性硬，則電機(jī)時(shí)間常數(shù)τj降低，過(guò)渡過(guò)程短；反之，K增大，過(guò)渡過(guò)程長(zhǎng)。若考慮電磁時(shí)間常數(shù)τd，則為二階振蕩環(huán)節(jié)，波形如下3.大慣量直流伺服電機(jī)大慣量直流伺服電機(jī)又稱寬調(diào)速直流伺服電機(jī)，是上世紀(jì)60年代末70年代初在小慣量電機(jī)和力矩電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，目前廣泛應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)中。1）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)大慣量直流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖，激勵(lì)方式為永磁式。從電磁轉(zhuǎn)矩公式T=CmΦIa。轉(zhuǎn)矩常數(shù)Cm=PN/(2πa),為了得到大的輸出力矩，采用以下措施：a.采用高性能磁性材料，以產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)Φ；材料保磁性能的穩(wěn)定性；當(dāng)峰值轉(zhuǎn)矩達(dá)到額定值10～15倍不退磁；磁性材料：鋁鎳鈷、陶瓷缺氧體、稀土鈷（性能最好）

b.增加總導(dǎo)體數(shù)N，增加磁極對(duì)數(shù)p使cm增加。大慣量電機(jī)提供大轉(zhuǎn)矩還在于：低速輸出轉(zhuǎn)矩大，最大峰值轉(zhuǎn)矩可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的10倍以上，過(guò)載能力強(qiáng)，允許過(guò)載時(shí)間長(zhǎng)。由于電機(jī)本身慣量大，輸出力矩大，可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，無(wú)需機(jī)械減速傳動(dòng)鏈。這類電機(jī)調(diào)速范圍較寬，一般可達(dá)1000～1500r.p.m，電機(jī)的熱容量大，熱時(shí)間常數(shù)大，可達(dá)120分鐘左右，或在過(guò)載條件下工作。2）工作特性寬調(diào)速電機(jī)的工作特性由一些參數(shù)及特性曲線所限定。電機(jī)的容許轉(zhuǎn)矩T轉(zhuǎn)速n隨加工及運(yùn)行條件而改變Uk——最高運(yùn)行電壓；Tk——nmax時(shí)的轉(zhuǎn)矩；Tr——連續(xù)工作轉(zhuǎn)矩；Up——峰值電壓；Tp——峰值轉(zhuǎn)矩；ACB——換向限制曲線；CTr——發(fā)熱限制曲線；Ⅰ區(qū)——連續(xù)工作區(qū)間；Ⅱ區(qū)——電機(jī)間歇工作區(qū)間；Ⅲ區(qū)——瞬時(shí)加速或正、反轉(zhuǎn)短暫工作區(qū)；BTp——去磁限制線；DE——瞬時(shí)換向界限。

大慣量直流伺服電機(jī)技術(shù)性能較好，有成本低的可控硅調(diào)壓器，與脈寬調(diào)壓器，在數(shù)控機(jī)床得到廣泛應(yīng)用。4.直流伺服電機(jī)的PWM控制由電工學(xué)知識(shí)，在直流電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)不飽和時(shí)，改變電樞電壓U，可以改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，從前述分析，轉(zhuǎn)子有機(jī)械慣性，繞組有電磁慣性，機(jī)械時(shí)間常數(shù)、電磁時(shí)間常數(shù)都較大，故電樞電壓可用周期遠(yuǎn)小于電機(jī)械時(shí)間常數(shù)的方波平均電壓來(lái)代替。將直流電源電壓轉(zhuǎn)換成頻率f＝2000HZ的方波電壓→電機(jī)繞組，通過(guò)對(duì)開關(guān)閉合時(shí)間長(zhǎng)短控制→控制電樞繞組兩端的平均電壓達(dá)到調(diào)速的目的。物理模型設(shè)閉合時(shí)間τ，打開時(shí)間為T－τ。因U為常數(shù)，則電樞上電壓的波形是一個(gè)方波列，其高度U，寬度為τ，其平均值為：從上式可看出，電樞轉(zhuǎn)速n∝脈沖寬度τ。目前應(yīng)用的是PWM晶體管功率放大器，即由兩部分組成：電壓－脈寬變換器，開關(guān)式功率放大器；負(fù)載：伺服電機(jī)。式中δT－(τ/T)為導(dǎo)通率或占空比。為分析方便起見，若忽略電樞電阻Ra，則電樞電壓方程為：1）脈寬調(diào)制器產(chǎn)生PWM脈沖的環(huán)節(jié)，所產(chǎn)生的PWM脈沖→驅(qū)動(dòng)放大后→功率放大器斷波放大器。即UA(或UB)≥0，滿量程正電壓輸出UA(或UB)<0，滿量程負(fù)電平輸出。P1、P2、P3、P4四路PWM信號(hào)經(jīng)延時(shí)處理→驅(qū)動(dòng)放大后→功放。三角波發(fā)生器及PWM調(diào)制原理圖倍頻式脈寬調(diào)制器（所謂倍頻式：電機(jī)電樞電壓的頻率是晶體管開關(guān)頻率的兩倍）。結(jié)論：控制電平Uc的大小與電動(dòng)機(jī)電樞兩端的脈沖電壓寬度成正比，穩(wěn)態(tài)時(shí)，Uc與n成正比。2）晶體管PWM放大器即把脈寬調(diào)制后的方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)后，變換為寬度可調(diào)的方波脈沖，加在電樞兩端。圖中：T1~T4；大功率晶體管D1~D4：續(xù)流二極管電機(jī)正轉(zhuǎn)分析a)、t1<t<t2，T1、T3均處于高電位，T1(+)，但由于電樞電感作用T3處于“假導(dǎo)通”狀態(tài)電樞兩端電壓為0(UA＝UB)b)、t2時(shí)刻T3(-)、T4(+)，Ud→T1→A→電樞→B→地；UAB>0c)、t3時(shí)刻T1(-)、T2(+)、T4(+)由于電樞電感作用，T2“假導(dǎo)通”：UAB=0d)、t4時(shí)刻T2(-)、T1(+)、T4(+)、UAB>0從上分析晶體管從導(dǎo)通→截止變化一次，電樞兩端通電狀態(tài)變化了兩次，即電樞電壓頻率是晶體管開關(guān)頻率的兩倍頻。反轉(zhuǎn)狀態(tài)與正轉(zhuǎn)分析類似。a.開關(guān)頻率高，頻率可達(dá)2000HZ，比機(jī)械部件固