伺服系統(tǒng)，也稱為隨動(dòng)系統(tǒng)，是一種能夠及時(shí)跟蹤輸入給定信號(hào)并產(chǎn)生動(dòng)作，從而獲得精確的位置、速度等輸出的自動(dòng)控制系統(tǒng)。4.1、伺服系統(tǒng)概念第四章

伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)應(yīng)用舉例機(jī)械手手臂伸縮運(yùn)動(dòng)的電液伺服系統(tǒng)。1－電放大器2－電液伺服閥3－液壓缸4－機(jī)械手手臂

5－齒輪齒條機(jī)構(gòu)6－電位器7－步進(jìn)電機(jī)例：數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)，由圖可以看出，它與一般的反饋控制系統(tǒng)一樣，也是由控制器、被控對(duì)象、反饋測量裝置等部分組成。系統(tǒng)需不斷檢測被控對(duì)象輸出的變化，與給定值比較，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以消除偏差。數(shù)控系統(tǒng)

對(duì)伺服系統(tǒng)的基本要求有穩(wěn)定性、精度和快速響應(yīng)性。

穩(wěn)定性是指作用在系統(tǒng)上的擾動(dòng)消失后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行或者在輸入指令信號(hào)作用下，系統(tǒng)能夠達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的能力。精度是伺服系統(tǒng)的一項(xiàng)重要的性能要求。它是指其輸出量復(fù)現(xiàn)輸入指令信號(hào)的精確程度?？焖夙憫?yīng)性是衡量伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的另一項(xiàng)重要指標(biāo)。快速響應(yīng)性有兩方面含義，一是指動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程中，輸出量跟隨輸入指令信號(hào)變化的迅速程度，二是指動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程結(jié)束的迅速程度。伺服系統(tǒng)的基本要求按被控量的不同可以將伺服系統(tǒng)分為位置伺服系統(tǒng)、速度伺服系統(tǒng)，其中最常見的是位置伺服系統(tǒng)

；按照控制方式，可將伺服系統(tǒng)分為開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)系統(tǒng)。根據(jù)執(zhí)行器使用的動(dòng)力源，可以將伺服系統(tǒng)分為電氣伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)和氣壓伺服系統(tǒng)等幾種類型4.1.2、伺服系統(tǒng)的分類位置控制控制器（ＮＣ裝置）步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器

步進(jìn)馬達(dá)開回路開回路沒有反饋、只能進(jìn)行一個(gè)方向的控制。使用步進(jìn)馬達(dá)。一方向指令半閉回路位置控制控制器（ＮＣ裝置）伺服驅(qū)動(dòng)器伺服馬達(dá)編碼器全閉合回路位置控制控制器（ＮＣ裝置）伺服驅(qū)動(dòng)器伺服馬達(dá)編碼器絲性標(biāo)尺1.電氣伺服系統(tǒng)

高精度、高速度、高可靠行、易控制。但承載能力有限，設(shè)計(jì)較復(fù)雜。2.液壓伺服系統(tǒng)功率大、控制性好、維修方便。但快速響應(yīng)性不好，穩(wěn)定性較差。2.氣壓伺服系統(tǒng)

成本低、清潔安全、結(jié)構(gòu)簡單、維修方便。但控制穩(wěn)定性差，輸出功率和力較小，體積大4.1.2、伺服系統(tǒng)的分類

1.電氣執(zhí)行元件電氣執(zhí)行元件包括直流(DC)伺服電機(jī)、交流（AC）伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等，是最常用的執(zhí)行元件。對(duì)伺服電機(jī)除了要求運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)以外，一般還要求動(dòng)態(tài)性能好，適合于頻繁使用，便于維修等2．液壓式執(zhí)行元件液壓式執(zhí)行元件主要包括往復(fù)運(yùn)動(dòng)油缸、回轉(zhuǎn)油缸、液壓馬達(dá)等，其中油缸最為常見。在同等輸出功率的情況下，液壓元件具有重量輕、快速性好等特點(diǎn)3．氣壓式執(zhí)行元件氣壓式執(zhí)行元件除了用壓縮空氣作工作介質(zhì)外，與液壓式執(zhí)行元件沒有區(qū)別。氣壓驅(qū)動(dòng)雖可得到較大的驅(qū)動(dòng)力、行程和速度，但由于空氣粘性差，具有可壓縮性，故不能在定位精度要求較高的場合使用。4.2伺服系統(tǒng)執(zhí)行元件及其控制4.2伺服系統(tǒng)執(zhí)行元件及其控制一、直流伺服電機(jī)及控制二、交流伺服電機(jī)及控制三、步進(jìn)電機(jī)及控制伺服電動(dòng)機(jī)典型生產(chǎn)廠家德國西門子，產(chǎn)品外形有：伺服電機(jī)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器美國科爾摩根，產(chǎn)品外形有：伺服電機(jī)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器伺服電動(dòng)機(jī)典型生產(chǎn)廠家日本松下及安川，產(chǎn)品外形有：松下交流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器安川伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器伺服電動(dòng)機(jī)典型生產(chǎn)廠家伺服電機(jī)的分類伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)鼠籠轉(zhuǎn)子杯形轉(zhuǎn)子1、直流電動(dòng)機(jī)工作原理、分類和結(jié)構(gòu)安培定律——磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度——導(dǎo)體中的電流——導(dǎo)體的有效長度4.2.1、直流伺服電動(dòng)機(jī)直流電機(jī)原理直流電機(jī)的勵(lì)磁方式勵(lì)磁概念：由電流激勵(lì)出磁場的過程叫做勵(lì)磁。他勵(lì)并勵(lì)串勵(lì)直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)極靴機(jī)殼瓦狀永磁材料（定子）電樞（轉(zhuǎn)子）換向極主磁極定子轉(zhuǎn)子線圈圖6.5永磁直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)

圖6.6勵(lì)磁式直流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖1.靜態(tài)特性（電壓相對(duì)穩(wěn)定）

電磁轉(zhuǎn)矩由下式表示:

KT

—轉(zhuǎn)矩常數(shù)；

Φ—磁場磁通；Ia—電樞電流；TM—電磁轉(zhuǎn)矩。電樞回路的電壓平衡方程式為:

Ua─電樞上的外加電壓；Ra─電樞電阻；Ea─電樞反電勢。

電樞反電勢與轉(zhuǎn)速之間有以下關(guān)系：

Ke─電勢常數(shù)；n─電機(jī)轉(zhuǎn)速（角速度）。

根據(jù)以上各式可以求得：

(轉(zhuǎn)速公式)

2、直流電機(jī)的靜態(tài)特性

反映轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩變化的程度，斜率越大，轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化大，機(jī)械特性軟；反之（轉(zhuǎn)矩對(duì)轉(zhuǎn)速變化的影響程度越?。?，機(jī)械特性越硬。從公式可看出機(jī)械特性硬度與Ra有關(guān)，Ra越小，電機(jī)機(jī)械特性越硬。實(shí)際控制中，伺服電機(jī)需外接放大電路，這就引入了放大電路內(nèi)阻，使機(jī)械特性變軟，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意。1）、機(jī)械特性直流電機(jī)轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩（負(fù)載）變化的關(guān)系n=f(T)稱機(jī)械特性2）、調(diào)節(jié)特性由圖可知：空載時(shí)，起動(dòng)電壓為0.當(dāng)負(fù)載為TL1時(shí)，電機(jī)的起動(dòng)電壓為Ua1當(dāng)負(fù)載為TL2時(shí)，電機(jī)的起動(dòng)電壓為Ua23）、動(dòng)態(tài)特性直流電機(jī)的基本調(diào)速方式有三種:（1）調(diào)節(jié)電阻Ra、（2）調(diào)節(jié)磁通Φ的值（3）調(diào)節(jié)電樞電壓Ua4）、直流伺服電機(jī)的速度控制由轉(zhuǎn)速公式可得，（1）電樞電阻調(diào)速：很少采用，缺點(diǎn)：不經(jīng)濟(jì)：要得到低速，R很大，則消耗大量電能；低速，特性很軟，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性很差；調(diào)節(jié)平滑性差，操作費(fèi)力。7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制主要內(nèi)容Tnn0R0R2R1主要內(nèi)容（2）調(diào)節(jié)磁通（調(diào)磁調(diào)速）不但改變了電機(jī)的理想轉(zhuǎn)速，而且使直流電機(jī)機(jī)械特性變軟7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制主要內(nèi)容（3）調(diào)節(jié)電樞電壓：（調(diào)壓調(diào)速）時(shí)，直流電機(jī)機(jī)械特性為一組平行線，只改變電機(jī)的理想轉(zhuǎn)速n0

，保持了原有較硬的機(jī)械特性，所以調(diào)壓調(diào)速主要用于伺服進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)的調(diào)速如果Δn值較大，不可能實(shí)現(xiàn)寬范圍的調(diào)速。永磁式直流伺服電機(jī)的Δn值較小，因此，進(jìn)給系統(tǒng)常采用永磁式直流電機(jī)。

Δn為負(fù)載轉(zhuǎn)速與理想空載轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速差。

7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制主要內(nèi)容直流伺服電機(jī)速度控制單元

需對(duì)直流電壓的大小和方向進(jìn)行控制直流伺服電機(jī)速度控制單元的作用：將轉(zhuǎn)速指令信號(hào)轉(zhuǎn)換成電樞的電壓值，達(dá)到速度調(diào)節(jié)的目的。直流電機(jī)速度控制單元常采用的調(diào)速方法：

1.晶閘管（可控硅）調(diào)速系統(tǒng)

2.晶體管脈寬調(diào)制（PWMPulseWidthModulated）調(diào)速系統(tǒng)。主要內(nèi)容1．晶閘管調(diào)速系統(tǒng)常用于大功率及要求不很高的直流伺服電機(jī)調(diào)速控制。7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制U*n主要內(nèi)容速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器觸發(fā)脈沖發(fā)生器可控硅電流反饋速度反饋電流檢測編碼器電機(jī)+-UnInI*n+-US

控制回路主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驅(qū)動(dòng)，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。速度環(huán)：速度調(diào)節(jié)，作用：好的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性。電流環(huán)：電流調(diào)節(jié)，作用：系統(tǒng)快速性、穩(wěn)定性改善。觸發(fā)脈沖發(fā)生器：產(chǎn)生移相脈沖，使可控硅觸發(fā)角前移或后移。7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制462791113581210ABCMⅠⅡUMUDKMKM+-主回路由大功率晶閘管構(gòu)成的三相全控橋式反并接可逆電路，分成二大部分（Ⅰ和Ⅱ），每部分內(nèi)按三相橋式連接，二組反并接，分別實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。各有一個(gè)可控硅同時(shí)導(dǎo)通，形成回路。7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制

只要改變可控硅觸發(fā)角（即改變導(dǎo)通角），就能改變可控硅的整流輸出電壓，從而改變直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。觸發(fā)脈沖提前，增大整流輸出電壓；觸發(fā)脈沖延后，減小整流輸出電壓。uacbcaba)b)c)d)135

①②③④⑤⑥ωtub246bcaωtωtωtωt11335511336224466224135246120°120°180°60°132460°60°56α主要內(nèi)容2．PWM調(diào)速控制系統(tǒng)利用大功率晶體管的開關(guān)作用，將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓，加到直流電動(dòng)機(jī)的電樞上；通過調(diào)整控制方波脈沖寬度來改變電樞的平均電壓，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速?？刂齐娐泛唵危恍韪郊雨P(guān)斷電路，開關(guān)特性好。廣泛應(yīng)用中、小功率直流伺服系統(tǒng)。周期不變脈寬脈寬脈寬脈寬平均直流電壓Uωt周期不變7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制脈寬調(diào)制（PWM）系統(tǒng)組成：主要內(nèi)容速度調(diào)節(jié)器電流反饋脈寬調(diào)制基極驅(qū)動(dòng)功放振蕩器

電流調(diào)節(jié)器M速度指令

三相交流電整流速度反饋UsrUSCU△Ub7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制

控制回路：

速度調(diào)節(jié)器；電流調(diào)節(jié)器；固定頻率振蕩器及三角波發(fā)生器；脈寬調(diào)制器和基極驅(qū)動(dòng)電路。區(qū)別：

與晶閘管調(diào)速系統(tǒng)比較，速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器原理一樣。不同的是脈寬調(diào)制器和功率放大器。

脈寬調(diào)制器作用：將電壓量轉(zhuǎn)換成可由控制信號(hào)調(diào)節(jié)的矩形脈沖，為功率晶體管的基極提供一個(gè)寬度可由速度指令信號(hào)調(diào)節(jié)的脈寬電壓。組成：調(diào)制信號(hào)發(fā)生器（三角波和鋸齒波兩種）和比較放大器。原理：以三角波發(fā)生器為例介紹7.3直流伺服電機(jī)及其速度控制全數(shù)字式PWM交流伺服電機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器交流伺服電動(dòng)機(jī)4.2.2

交流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電機(jī)的缺點(diǎn)：

◆它的電刷和換向器易磨損；◆電機(jī)最高轉(zhuǎn)速的限制，應(yīng)用環(huán)境的限制；◆結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高。交流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：

◆動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；◆輸出功率大、轉(zhuǎn)速高；◆結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，易維護(hù)。交流伺服電機(jī)形式：◆同步交流伺服電機(jī)；◆異步交流伺服電機(jī)。1特點(diǎn)、類型、結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)交流電機(jī)編碼器編碼器信號(hào)輸出線交流電機(jī)電源線交流伺服電動(dòng)機(jī)的主體結(jié)構(gòu)與一臺(tái)兩相交流異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)基本一致。也主要由定子與轉(zhuǎn)子兩在部分組成。

交流伺服電動(dòng)機(jī)主體就是一臺(tái)兩相交流異步電機(jī)。它的定子上裝有空間互差90的兩個(gè)繞組：勵(lì)磁繞組和控制繞組，其結(jié)構(gòu)如圖所示。勵(lì)磁繞組控制繞組杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)定子交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖定子(1)籠型轉(zhuǎn)子

鐵芯槽內(nèi)放銅條,端部用短路環(huán)形成一體,

或鑄鋁形成轉(zhuǎn)子繞組。轉(zhuǎn)子定子殼體籠型轉(zhuǎn)子4.2.2

交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子(2)杯型轉(zhuǎn)子薄壁園筒形，放于內(nèi)外定子之間。一般壁厚為0.3mm杯型轉(zhuǎn)子2

交流異步伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理

當(dāng)磁鐵旋轉(zhuǎn)時(shí)，在空間形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場。假設(shè)永久磁鐵是順時(shí)糾方向以n0的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，那末它的磁力線也就以順時(shí)針方向切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中就產(chǎn)生感應(yīng)電勢。根據(jù)右手定則，N極下導(dǎo)條的感應(yīng)電勢方向垂直地從紙面出來。而S極下導(dǎo)條的感應(yīng)電勢方向垂直地進(jìn)入紙面。由于鼠籠轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條都是通過短路環(huán)連接起來的，因此在感應(yīng)電勢的作用下，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中就會(huì)有電流流過，電流有功分量的方向和感應(yīng)電勢方向相同。再根據(jù)通電導(dǎo)體在磁場中受力原理，轉(zhuǎn)子載流導(dǎo)條又要與磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，這個(gè)電磁力F作用在轉(zhuǎn)子上，并對(duì)轉(zhuǎn)軸形成電磁轉(zhuǎn)矩。根據(jù)左手定則，轉(zhuǎn)矩方向與磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)的方向是一致的，也是順時(shí)針方向。因此，鼠籠轉(zhuǎn)子便在電磁轉(zhuǎn)矩作用下順著磁鐵旋轉(zhuǎn)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)起來。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理

為了分析方便，先假定勵(lì)磁繞組有效匝數(shù)Uf與控制繞組有效匝數(shù)UC相等。這種在空間上互差900電角度，有效匝數(shù)又相等的兩個(gè)繞組稱為對(duì)稱兩相繞組。伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生電氣原理圖控制繞組勵(lì)磁繞組2

交流異步伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理

同時(shí)，又假定通入勵(lì)磁繞組的電流Uf與通入控制繞組的電流UC相位上彼此相差900幅值彼此相等，這樣的兩個(gè)電流稱為兩相對(duì)稱電流，用數(shù)學(xué)式表示為伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生2

交流異步伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理控制繞組勵(lì)磁繞組當(dāng)兩相對(duì)稱電流通入兩相對(duì)稱繞組時(shí)，在電機(jī)內(nèi)就產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場。當(dāng)電流變化一個(gè)周期時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場在空間轉(zhuǎn)了一圈。UC1UC2UF1UF2伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的方向控制繞組勵(lì)磁繞組3伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的速度

旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定于定子繞組極對(duì)數(shù)和電源的頻率。圖所表示的是一臺(tái)兩極的電機(jī)，即極對(duì)數(shù)P＝1。對(duì)兩極電機(jī)而言，電流每變化一個(gè)周期，磁場旋轉(zhuǎn)一圈，因而當(dāng)電源頻率f＝400Hs，即每秒變化400個(gè)周期時(shí)，磁場每秒應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)400圈，故對(duì)兩極電機(jī)，即P＝1而言，旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速為

n0=24000r／min旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速為的一般表達(dá)式為

由電機(jī)學(xué)知，交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)子是以低于同步轉(zhuǎn)速（旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速）運(yùn)行的，所以電機(jī)轉(zhuǎn)速為：式中：f–定子電源頻率

p–磁激對(duì)數(shù)

S–轉(zhuǎn)差率

ns–定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速

n–轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速3伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的速度幅值控制原理圖

不同控制電壓下的機(jī)械特性曲線

由右圖可知，在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，控制電壓越高，轉(zhuǎn)差率越小，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就越高，不同的控制電壓對(duì)應(yīng)著不同的轉(zhuǎn)速。這種維持與相位差為90o，利用改變控制電壓幅值大小來改變轉(zhuǎn)速的方法，稱為幅值控制方法。

4.伺服電機(jī)控制方式及特性交流電機(jī)轉(zhuǎn)速公式可得調(diào)速方法：

異步電機(jī)

變頻–

用于籠型電機(jī)

調(diào)壓（定子電壓）電磁磚差離合器調(diào)阻（轉(zhuǎn)子電組）

交–直–交交–交交–直–交交–交變轉(zhuǎn)差率變頻變頻同步電機(jī)交流電動(dòng)機(jī)由此可知調(diào)速方法：4.交流伺服電機(jī)的調(diào)速方法對(duì)于進(jìn)給系統(tǒng)常使用交流同步電機(jī)，該電機(jī)沒有轉(zhuǎn)差率，電機(jī)轉(zhuǎn)速公式變?yōu)椋簭氖街锌梢钥闯觯褐荒苡米冾l調(diào)速，并且是有效方法。變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)是為交流電機(jī)提供變頻、變壓電源的變頻器，變頻器分為：

●交–直–交變頻器分電壓型和電流型。電壓型先將電網(wǎng)的交流電經(jīng)整流器變?yōu)橹绷?，再?jīng)逆變器變?yōu)轭l率和電壓都可變的交流電壓。電流型是切換一串方波，方波電流供電，用于大功率。

●交–交變頻器該變頻器沒有中間環(huán)節(jié)，直接將電網(wǎng)的交流電變?yōu)轭l率和電壓都可變的交流電。目前對(duì)于中小功率電機(jī)，用得最多的是電壓型交–直–交變頻器。4.交流伺服電機(jī)的調(diào)速方法1964年脈寬調(diào)制變頻調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于交流變頻器。目前用得最多的是正弦脈寬調(diào)制。

SPWM交–直–交變壓變頻器的原理框圖如下：M3～UIURUR–整流器固定電壓不可控整流器，常采用六個(gè)二級(jí)管橋式整流器結(jié)構(gòu)將交流變?yōu)橹绷?，電壓幅值不變。UI–逆變器由六個(gè)功率開關(guān)器件組成，常采用大功率晶體管。其使這些大功率晶體管按一定規(guī)律導(dǎo)通、截止，輸出一系列功率級(jí)等效于正弦交流電的可變頻變壓的等幅、不等寬的矩形脈沖電壓波，即功率級(jí)SPWM電壓，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。正弦脈寬調(diào)制（SPWM）變壓變頻器正弦脈寬調(diào)制原理（以單相為例）正弦脈寬調(diào)制（SPWM）波形:與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波，如右下圖所示。uωtωtuOOa)b)等效原理：把正弦分成n等分，每一區(qū)間的面積用與其相等的等幅不等寬的矩形面積代替。

正弦的正負(fù)半周均如此處理。§6.5交流伺服電機(jī)四.交流伺服電機(jī)的調(diào)速方法2.SPWM變壓變頻器5交流伺服電機(jī)的應(yīng)用編碼器部分

安裝在電機(jī)后端，其轉(zhuǎn)盤（光柵）與電機(jī)同軸。5V5V0V0V伺服電機(jī)控制精度取決于編碼器精度。1）

伺服電機(jī)編碼器編碼器2）伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器數(shù)碼顯示窗口參數(shù)設(shè)置鍵計(jì)算機(jī)RS232口I/O信號(hào)接口編碼器信號(hào)接口電機(jī)電源輸入輸出接線端子2、外部組成5、交流伺服電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用圖2-2交流伺服電機(jī)系統(tǒng)接線示意圖交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接AC220V

I/O板交流伺服電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1、設(shè)置參數(shù)方法一聯(lián)接計(jì)算機(jī)使用軟件設(shè)置方法二直接在驅(qū)動(dòng)器面板按鈕設(shè)置5.

交流伺服電機(jī)系統(tǒng)使用步進(jìn)電機(jī)外形結(jié)構(gòu)常見步進(jìn)電機(jī)外形構(gòu)造

4.2.3

步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造

2023/2/3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理與特點(diǎn)原理：步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵原理,將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機(jī)。每來一個(gè)電脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，帶動(dòng)機(jī)械移動(dòng)一小段距離。特點(diǎn)：(1)來一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。

(2)控制脈沖頻率，可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

(3)改變脈沖順序，改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

(4)角位移量或線位移量與電脈沖數(shù)成正比.2023/2/3工作方式步進(jìn)電機(jī)的工作方式可分為：三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍等。一、三相單三拍（1）三相繞組聯(lián)接方式：Y型（2）三相繞組中的通電順序?yàn)椋篈相

B相

C相通電順序也可以為：

A相C相B相

2023/2/3（3）工作過程引轉(zhuǎn)子，由于磁力線總是要通過磁阻最小的路徑閉合，因此會(huì)在磁力線扭曲時(shí)產(chǎn)生切向力而形成磁阻轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)、定子的齒對(duì)齊停止轉(zhuǎn)動(dòng)。A相通電，A方向的磁通經(jīng)轉(zhuǎn)子形成閉合回路。若轉(zhuǎn)子和磁場軸線方向原有一定角度，則在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子被磁化，吸A相通電使轉(zhuǎn)子1、3齒和AA'對(duì)齊。CA'BB'C'A34122023/2/3CA'BB'C'A3412B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相軸線對(duì)齊，相對(duì)A相通電位置轉(zhuǎn)30；1C'342CA'BB'AC相通電再轉(zhuǎn)302023/2/3這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，而且，一個(gè)循環(huán)周期共包括三個(gè)脈沖，所以稱三相單三拍。三相單三拍的特點(diǎn)：（1）每來一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30。此角稱為步距角，用S表示。（2）轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序，改變通電順序即可改變轉(zhuǎn)向。2023/2/3二、三相單雙六拍三相繞組的通電順序?yàn)椋?/p>

AABBBCCCAA

共六拍。工作過程：A相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒和A相對(duì)齊。CA'BB'C'A34122023/2/3所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。相對(duì)AA'通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了15°。（1）BB'磁場對(duì)2、4齒有磁拉力，該拉力使轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。A、B相同時(shí)通電（2）AA'磁場繼續(xù)對(duì)1、3齒有拉力。CA'BB'C'A34122023/2/3總之，每個(gè)循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，所以稱為三相六拍，步距角為15。CA'BB'C'A3412B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相對(duì)齊，又轉(zhuǎn)了15。2023/2/3三、三相雙三拍三相繞組的通電順序?yàn)椋?/p>

AB

BC

CA

AB

共三拍。AB通電CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412BC通電2023/2/3以上三種工作方式，三相雙三拍和三相單雙六拍較三相單三拍穩(wěn)定，因此較常采用。工作方式為三相雙三拍時(shí)，每通入一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子也是轉(zhuǎn)30，即S=30。CA通電CA'BB'C'A3412步距角：

步進(jìn)電機(jī)的定子繞組每改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱步距角。?轉(zhuǎn)子齒數(shù)越多，步距角越小?定子相數(shù)越多，步距角越小?通電方式的節(jié)拍越多，步距角越小式中：m

－定子相數(shù)

Z

－轉(zhuǎn)子齒數(shù)

C

－通電方式

C=1

單相輪流通電、雙相輪流通電方式

C=2

單、雙相輪流通電方式常用步進(jìn)電機(jī)的步距角常用步進(jìn)電機(jī)的定子繞組多數(shù)是三相和五相,與此相匹配的轉(zhuǎn)子齒數(shù)分別為40齒和48齒，即有三相步進(jìn)電機(jī)：五相步進(jìn)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)?

控制輸入給步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)目可以控制步進(jìn)電機(jī)的角位移結(jié)論?

控制輸入給步進(jìn)電機(jī)的脈沖的頻率可以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速?

控制步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電順序可以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制功率放大器環(huán)形分配器加減速電路脈沖混合電路加減脈沖分配電路進(jìn)給脈沖至步進(jìn)電機(jī)繞阻1.脈沖混合電路將脈沖進(jìn)給、手動(dòng)進(jìn)給、手動(dòng)回原點(diǎn)、誤差補(bǔ)償?shù)然旌蠟檎蚧蜇?fù)向脈沖進(jìn)給信號(hào)2.加減脈沖分配電路將同時(shí)存在正向或負(fù)向脈沖合成為單一方向的進(jìn)給脈沖3.加減速電路

將單一方向的進(jìn)給脈沖調(diào)整為符合步進(jìn)電機(jī)加減速特性的脈沖，頻率的變化要平穩(wěn)，加減速具有一定的時(shí)間常數(shù)。4.環(huán)形分配器

將來自加減速電路的一系列進(jìn)給脈沖轉(zhuǎn)換成控制步進(jìn)電機(jī)定子繞阻通、斷電的電平信號(hào)，電平信號(hào)狀態(tài)的改變次數(shù)及順序與進(jìn)給脈沖的個(gè)數(shù)及方向?qū)?yīng)。5.功率放大器

將環(huán)形分配器輸出的mA級(jí)電流進(jìn)行功率放大，一般由前置放大器和功率放大器組成。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制1.6.1

功率的選擇

功率選得過大不經(jīng)濟(jì)，功率選得過小電動(dòng)機(jī)容易因過載而損壞。1.對(duì)于連續(xù)運(yùn)行的伺服電動(dòng)機(jī)，所選功率應(yīng)等于或略大于生產(chǎn)機(jī)械的功率。2.對(duì)于短時(shí)工作的伺服電動(dòng)機(jī)，允許在運(yùn)行中有短暫的過載，故所選功率可等于或略小于生產(chǎn)機(jī)械的功率。6.伺服電機(jī)的選擇6.1

種類和型式的選擇1.種類的選擇

一般自動(dòng)控制應(yīng)用場合應(yīng)盡可能選用交流伺服電機(jī)。調(diào)速和控制精度很高的場合選用直流伺服電機(jī)或其他專用的控制電機(jī),如直線電機(jī)等。2.結(jié)構(gòu)型式的選擇

根據(jù)工作方式和工作環(huán)境的條件選擇不同的結(jié)構(gòu)型式，如頻繁啟停選用空心杯轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的伺服電機(jī)；如速度要求較平衡的場合選用大慣量伺服電機(jī)6.3

主要技術(shù)指標(biāo)的選擇

1．電壓技術(shù)數(shù)據(jù)表中