机电一体化——第六章 伺服系统设计

第6章伺服系统设计

6.1概述

6.1.1伺服系统的基本结构

在机电一体化控制系统中，把输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为伺服系统，亦称随动系统。它用来控制被控对象的转角（或位移），使其能自动地、连续地、精确地复现输入指令的变化规律。数控机床的伺服系统是指机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。伺服系统的结构类型繁多，其组成和工作状况也不尽相同。一般来说，其基本组成可包含控制器、功率放大器、执行机构和检测装置等四大部分，如图6.1所示。

图6.1伺服系统的组成

(1)控制器

控制器的主要任务是根据输入信号和反馈信号决定控制策略。常用的控制算法有PD（比例+微分）、PI（比例+积分）、PID（比例+积分+微分）控制以及根据系统要求所设计的最优控制等。控制器通常由电子线路或计算机组成。

2.功率放大器

伺服系统中的功率放大器的作用是将信号进行放大，并用来驱动执行机构完成某种操作。在现代机电一体化系统中的功率放大装置，主要用各种电力电子器件组成。

3.执行机构

执行机构主要由伺服电动机或液压伺服机构和机械传动装置等组成。目前，采用电动机作为驱动元件的执行机构占据较大的比例。伺服电动机包括步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机等。

4.检测装置

检测装置的任务是测量被控制量（即输出量），实现反馈控制。伺服传动系统中，用来检测位置量的检测装置有：自整角机、旋转变压器、光电码盘等；用来检测速度信号的检测装置有：测速发电机、光电码盘等。检测装置的精度是至关重要的，无论采用何种控制方案，系统的控制精度总是低于检测装置的精度。

伺服系统的种类很多，按其组成元件性质划分，有全部由电气元件组成的电气伺服系统，有电气元件与液压（或气动）元件组合的电气-液压（气动）伺服系统。电气伺服系统又包括直流伺服系统、交流伺服系统和步进伺服系统。按控制方式划分，可分为开环伺服系统、闭环伺服系统以及由开环与闭环组合的复合伺服控制系统。

开环伺服系统结构较为简单，技术容易掌握，调试、维护方便，工作可靠，成本低。缺点是精度低、抗干扰能力差。一般用于精度、速度要求不高，成本要求低的机电一体化系统。闭环代伺服系统采用反馈控制原理组成系统，它具有精度高、调速范围宽、动态性能好等优点。缺点是系统结构复杂、成本高等。一般用于要求高精度、高速度的机电一体化系统。

6.1.2伺服系统的基本要求

伺服系统是控制系统在机电一体化技术中的具体体现，因此与控制系统一样，伺服系统也必须满足“稳”、“准”、“快”的基本要求。

(1)稳定性

伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的扰动信号消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下运行，或者在输入的指令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态的能力。稳定的伺服系统在受到外界干扰或输入指令作用时，其输出响应的过渡过程随着时间的增加而衰减，并最终达到与期望值一致。不稳定的伺服系统，其输出响应的过渡过程随着时间的增加而增长，或者表现为等幅振荡。因此伺服系统的稳定性要求是一项最基本的要求，也是伺服系统能够正常运行的最基本条件。

伺服系统的稳定性是系统本身的一种特性，取决于系统的的结构及组成元件的参数（如惯性、刚度、阻尼、增益等），与外界作用信号（包括指令信号和扰动信号）的性质或形式无关。在机电一体化系统中，执行装置一般处于系统回路之内（图6.2a ）,其结构、固有频率和回程误差将影响系统的稳定性，而传动误差的低频分量（低于伺服带宽那部分传动误差）可得到校正。对图6.2b所示的开环系统，无检测装置，不对过程位置进行检测和反馈，执行装置的传动误差和回程误差直接影响整个系统的精度，但不存在稳定性问题。一个伺服系统是否稳定，可根据系统的传递函数，采用自动控制理论提供的各种方法来判别。

图6.2控制系统中执行装置

（a）闭环控制系统；（b）开环控制系统

(2)精度及系统误差

伺服系统的精度是指其输出量复现输入指令信号的精确程度。伺服系统工作过程中通常存在着三种误差，即动态误差、稳态误差和静态误差。稳定的伺服系统对变化的输入信号的动态响应过程往往是一个振荡衰减过程，在动态响应过程中输出量与输入量之间的偏差称为系统的动态误差。在动态响应过程结束后，即在振荡完全衰减掉之后，输出量对输入量的偏差可能会继续存在，这个偏差称为系统的稳态误差。系统的静态误差则是指由系统组成元件本身的误差及干扰信号所引起的系统输出量对输入量的偏差。

影响伺服系统精度的因素很多，就系统组成元件本身的误差来讲，有传感器的灵敏度和精度、伺服放大器的零点漂移和死区误差、机械装置中的反向间隙和传动误差、各元器件的非线性因素等。此外，伺服系统本身的结构形式和输入指令信号的形式对伺服系统精度都有重要影响。从构成原理上讲，有些系统无论采用多么精密的元器件，也总是存在稳态误差，这类系统称为有差系统，而有些系统却是无差系统。系统的稳态误差还与输入指令信号的形式有关，当输入信号形式不同时，有时存在误差，有时却误差为零。

(3 )快速响应性

有两方面含义，一是指动态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的迅速程度，常由系统的上升时间（输出响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的迅速程度，常由系统的上升时间）来表征，它主要取决于系统的阻尼比。阻尼比小则响应快，但阻尼比太小会导

致最大超调量（系统输出响应的最大值与稳态值之间的偏差）增大和调整时间（系统的输出响应达到并保持在其稳态值之间的偏差）增大和调整时间（系统的输出响应达到并保持在其稳态值的一个允许的误差范围内所需的时间）加长，使系统相对稳定性降低。二是指动态响应过程结束的迅速程度，用系统的调整时间来描述，并取决于系统的阻尼比和无阻尼固有频率。当阻尼比一定时，提高固有频率值可以缩短响应过程的持续时间。

伺服系统所能提供的最高速度与最低速度（常常是最高转速与最低转速）之比称为系统的调速范围，即

m in

N N R x ma N （6.1） 式中，min max 、N N 分别为额定负载时的最高速度（或转速）和最低速度（或转速）；N

R 为调速范围。

调速范围包括如下含义：

1）N R 大，并在该调速范围内，要求速度均匀、稳定、无爬行。

2）无论在高速还是在低速驱动时，输出的力或转矩稳定。当速度变化时，驱动装置能平滑地运行、力矩波动要小。在很低速度驱动时，速度平稳，并能输出额定力或转矩。

3）在零速时，一般希望驱动装置能够处于伺服“锁定”状态。

伺服系统的快速响应性、稳定性和精度三项基本性能要求是相互关联的，在进行伺服系统设计时，必须首先满足系统的稳定性要求，然后在满足精度要求的前提下尽量提高系统的快速响应性。

此外，对机电一体化伺服系统还有负载能力、可靠性、体积、质量以及成本等方面的要求，这些要求都应在设计时给以综合考虑。

6.1.3伺服系统设计的内容和步骤

设计伺服系统必须按照用户提出的要求，依据被控对象工作性质和特点，明确对伺服系统的基本性能要求；同时要充分了解市场上器材、元件的供应情况，了解它们的性能质量、品种规格、价格与售后服务，了解新技术、新工艺的发展状态。在此基础上着手设计，以免闭门造车。系统设计的主要内容和步骤如下：

(1) 系统总体方案的初步制订

首先根据需要与可能，以伺服系统的总体有一个初步的设想。是采用纯电气的，还是采用电气-液压的或是电气-气动的？在确定采用纯电气的方案时，是采用步进电动机作执行元件，还是采用直流伺服电动机或是交流伺服电动机？系统控制方式是用开环的还是闭环的或是复合控制的？是采用模拟式的还是采用数字式的？整个系统应由哪几个部分组成？这些问题地制订方案时必须明确回答。

(2)系统的稳态设计

总体方案仅仅是一具粗略的轮廓，必须进一步将系统的各部分具体化，通常先根据对系统稳态性能的要求，进行稳态设计，将系统各部分采用的型号规格和具体参数值确定下来。

系统的稳态设计也分步骤进行，首先要根据被控对象运动的特点，选择系统的执行电机和相应的机械传动机构；接着可以选择或设计驱动执行电机的功率放大装置；再根据系统工作精度的要求，确定检测装置具体的组成形式，选择元件的型号规格，设计具体的电路参数。然后根据已确定的执行电机、功率放大装置和检测装置，设计前置放大器、信号转换电路等。在考虑各元、部件相互连接时，要注意阻抗的匹配、饱和界限、分辩率、供电方式和接地方式。为使有用信号不失真、不失精度地有效传递，要设计好耦合方式。同时也要考虑必要的屏蔽、去耦、保护、滤波 ……抗干扰措施。

（3）建立系统的动态数学模型

经过系统的稳态设计，系统主回路各部分均已确定。但稳态设计依据的主要是系统的稳态性能指标，因此所构成的系统还不能保证满足系统动态性能的要求，为系统的动态设计做准备，需要对稳态设计所确定的系统所定量计算（或辅助实验测试），建立它的动态数学模型，称之为原始系统的数学模型。

（4）系统的动态设计

根据被控对象对系统动态性能的要求，结合以上获得的原始系统数学模型，进行动态设计，要确定采用什么校正形式，确定校正装置具体电路和参数，确定校正装置在原始系统中具体连接的部位和连接方式。使校正后的系统能满足动态性能指标要求。

（5 ）系统的仿真试验

根据校正后系统的数学模型进行仿真，以检验各种工作状态下系统的性能，以便发现问题，及时予以调整。

以上设计内容和步骤只是拿出一个定量的设计方案，工程设计计算总是近似的，只作为工程实施的一个依据，在具体实施时，要经过系统调试实验，方能将系统的有关参数确定下来，特别是校正装置的参数，往往要通过系统的反复调试才能确定。因此，上面所介绍的设计方法都不是万能的，它们只是便于工程设计定量，使设计者心里有数，为工程实施少走弯路、减少盲目性。

6.2伺服控制系统中常用电力电子器件

6.2.1晶闸管

晶闸管又称可控硅，其控制电流可从数安培到数千安培。主要有单向晶闸管SCR、双向晶闸管TRIAC和可关断晶闸管GTO等三种最基本类型，此外还有光控晶闸管、温控晶闸管等特殊类型。

（1）单向晶闸管 SCR

图6.3示出了单向晶闸管SCR的基本结构及表示符号。SCR由三个极组成，分别称为阳极A，阴极K及控制极G（又称门极）。它有截止和导通两种稳定状态，两种状态的转换可以由导通条件和关断条件来说明。

图6.3单向晶闸管内部结构

导通条件是指晶闸管从阴断到导通所需的条件。这个条件是在晶闸管的阳极加上正向电压，同时在控制极加上正向电压。关断条件是指晶闸管从导通到阻断所需的条件。晶闸管一旦导通，控制极对晶闸客就不起控制作用了。只有当流过闸管的电流小于保持晶闸管导通所需的电流即维持电流时，晶闸管才关断。

由上述可知，当在晶闸管的阳极加上交流电压时，在电压的正半周，若给控制极加一个正触发脉冲，则晶闸管导通，而电压过零时，晶闸管将关断；在下一具正半周，若想使晶闸管导通，必须重新给控制极加触发脉冲。图6.6a示出了在交流回路中，SCR的控制方法；图6.6b示出了控制极的加控制信号与负载R两端电压波形间关系（R为纯阻性负载）。

由图6.6b 可见，触发信号相位的变化将引起SCR输出波形的变化，α称为控制角，是从零电压到被触发导通的瞬间的这段时间所对应的电度角。β称为导通角，是从被触发导通

的瞬间开始到电压为零这段时间所对应的电度角。对于纯阻性负载有

α+β=π

如果改变控制信号相位，则α、β将随之变化，控制信号越提高，导通角β越大，则平均输出电压v 0越大。通常把SCR 输出电压的最大值到最小值之间所对应的α角的变化范围称为移相范围，在上图单相整流电路中，SCR 移相范围是180°。

图6.6SCR 的控制信号及输出波形

图6.5是控制信号改变时单相全波阻性负载的整流电压波形图。在控制电压为V G1时，控制角为α1，输出直流电压平均值为V A01，而在t 2时刻，控制电压 从V G1变化到V G2，但由于在t 1时晶闸管已导通，因此只有到达t 3时刻，晶闸管的控制角才变为α２，使晶闸管在 t 6导通，输出直流平均电压为 V A02。从图中可见，从ＶＧ的变化(t 2时刻)到输出直流平均电压的变化（t 3时刻）时间为Ｔs,这一段时间就称为失控时间。失控时间Ｔs 的大小与ＶＧ的变化时刻有关，是一个随机量，最大值是两个自然换相点之间的时间。

用单位阶跃函数来表示滞后，则晶闸管触发和整流装置的输入输出关系为

ＶＡ０＝K s V G (t-T s ) (6.2)

按拉氏变换的位移定理，则传递函数为 s T K s e K s V s V s s s T G A +≈=-1)()(20 (6.3) 即在满足近似条件时，触发器与整流装置可看成是一个惯性环节。

图6.5晶闸管触发和整流装置的失控时间

（２）双向晶闸管TRIAC

双向晶闸管可以看在是两个单向晶闸管反向并联组成，如图 6.6所示，其中MT 1和MT 2 为主电极，G 为主门极，与单向晶闸管相比，双向晶闸客的特点是：在触发后是双向导通的；

门极所加触发信号可以为正也可以为负。

图 6.6双向晶闸管的内部结构

在使用时应注意：由于双向晶闸管是双向导通的，它从一个方向过零进入反向阻断状态只是一个十分短暂的过程，当负载是感性负载时（如电枢），由于电流滞后性，有可能会使电压过零时电流仍存在，从而导致双向晶闸失控（不关断）。为使双向晶闸管能正确工作，应在其两主电极MT1与MT2间加RC电路。

（3）门极可关断晶闸管GTO

GTO的内部结构及表示符号如图6.7所示。与SCR相比，GTO有更灵活方便的控制性能，即当门极加上正控制信号时GTO导通；在门极加上负控制信号时GTO截止。

图 6.7门极可关断晶闸管

（4）光控晶闸管与温控晶闸管

这是两类特种晶闸管。光控晶闸管是把光电耦合器件

与双向晶闸管做到一起形成的集成电路。它的典型产品有

MOC3061。MOC3021等。其结构如图6.8所示。

光控晶闸管与一般晶闸管的区别在于：它受不信号控

制，实现了输入与输出的电隔离。有些型号内部有过零电

路（如MOC3061）故可用业作过零开关。光控晶闸管的

输入电流一般为10~100mA,输入端反向电压一般为6V；

输入电流一般为1A，输入端反向电压一般为6V；输出电

流一般为1A，输出端耐压一般为600~600V。因此，光控

晶闸管大多用于驱动大功率的双向晶闸管。

图6.8光控晶闸管结构温控晶闸管是一种小功率晶闸管，它的输出电流一般在100mA左右。温控晶闸管是一

种温敏器件，它和普通晶闸管具有相同的开关特性，并且与热敏电阻、PN结温度传感器相比有较多优点。温控晶闸客的温度特性是负特性，也就是说，当温度越高时，正向开关门槛电压越低。在温控闸客的阴极电压固定时，温度升到某一个值，温控晶闸管变传导通；温度继续上升，温控晶闸保持导通；如果温度下降到某一个值，则温控晶闸管的门极和阳极或阴极之间加上适当器件，如电位器，光敏管，热敏电阻等，可以改变晶闸管的导通温度值。温控晶闸管一般用于50V以下低压场合。

6.2.2功率晶体管

（1）功率晶体管的特点

功率晶休憩管是指在大功率范围应用的晶体管，有时也称为电力晶体管。与晶闸管相比，功率晶体管有如下特点：①大功率晶体管不仅可以工作在开关状态，而且可以工作在模拟状态，因而有着更广的工作范围，如声频功率放大，超声波功率放大，有源滤波器等。②功率晶体管的开关速度远大于晶闸管。③功率晶体管的控制比晶闸管容易。④功率晶体管价格高于晶闸管。

（ 2）功率晶体管的结构

功率晶体管的内部结构如图 6.9所

示。

功率晶体管和人们心目中的“大功率

晶体管”不同，从本质上讲，它不是一个

管子，而是一具多管复合结构，其功率可

高达几千瓦。由于采用了复合结构，使功

率晶体管有较大的电流放大系数。图 6.9

中二极管VD1是加速二极管，在输入端b

的控制信号从高电平变成低电平的瞬间，

二极管VD1导通，可以使VT1的一部分射

极电流经过VD1流到到输入端b，从而加

速了功率晶体管电极电流的下降速度，即

加速了功率晶体管的关断。VD2是续二极

管，对晶体管VT2起保护作用，特别是对

于感性负载，当功率晶体管关断时，感性负载所破除储的能量可以通过VD2的续流作用而泄放，从而避免对功率晶体管造成反向击穿。

应该强调一点，当功率晶体管工作在开关状态时，其极输入电流应选得大些，否则，晶体管会增加自身压降来限制其负载电流，从而有可能使功率晶体管超过允许功率而损坏。这是因为晶体管在截止或高导通状态时，功耗都很小，但在开关过程中，晶体管可能同时出现高电压，大电流，瞬态功耗会超过静态功耗几十倍，如果驱动电流太小，会使晶体管陷入开关过渡的危险区。

6.2.3功率场效应晶体管

功率场效应晶体管又称功率MOSFET,是在大功率范围应用的场效应晶体管，在机电系统应用中，它有着比双极型功率晶体管更好的特性，主要表现在如下几个方面：1）由于功率场效应晶体管是多数载流子导电，故而不存在少数载流子的储存效应，从而有较高的开关速度；

2）具有较宽的安全工作区而不会产生热点，同时，由于它具有正的电阻温度系数，所以容易进行并联使用；

3）具有较高的可靠性和较强的过载能力，短时过载能力通常为额定值的四倍；

6）具有较高的控制电压，即阈值电压，这个阈值电压可达2～6V,因此，有较高的噪声容限和抗干扰能力，给电路设计带业极大的方便；

５）由于它是电压控制器件，具有很高的输入阻抗，因此驱动电流很小，接口容易。

由于功率场效应晶体管存在这些明显的优点，所以在电机调速，开关电源等各种领域得到越来越广泛的应用。

场效应管的表示符号如图 6.10所

示，其中G为栅极，即控制极；S为源

极；D为漏极；在漏极D与源极S间的

反向二极管是在管子制造过程中形成

的。

由于功率场效应管输入阻抗大，控

制电压高，这使它的驱动电路相对简单。

图6.11示出了两种驱动电路，图中 R L

为负载电阻。

由于功率场效应管绝大多数是电压

控制而非电流控制，吸收电流很小，因

此TTL集成电路也就足以驱动功率效应

晶体管。又由于TTL集成电路的高电平输出为

3.5～5V,直接驱动功率效应晶体管偏低一些，所以

在驱动电路中常用集电极开路的TTL集成电路。

图 6.11a 所示电路中，76LSO7输出高电平取

决于上拉电阻R g的上拉电平，为保证有足够高的电

平驱动功率场效应管导通，也为了保证它能迅速截

止，在实际中常把上拉电阻接到+10～+15V电源。

功率场效应管的栅极G相对于源极S而言存在

一个电容，即功率场效应管的输入电容，这个电容

对控制信号的变化起充放电作用，即平滑作用。控

制电流越大，充放电越快，功率场效应管的开关速

度越快。故有时为了保证功率场效应客有更快的开

关速度，常采用晶体管的开关速度越快。故有时了

为保证功率场效应管有更快的开关速度，常采用晶

体管对控制电流进行入大，如图6.11b所示。另外，

在实际使用中，为避免干扰由执行元件处窜入控制

微机，常采用脉冲变压器、光电耦合器等控制信号

进行隔离。

6.2.6固态继电器（SSR）

固态继电器是一种无触点功率

型通断电子开关，又名固态开关。当

在控制端输入触发信号后，主回路呈

导通状态；无控制信号时主回路呈阻

断状态。控制回路与主回路间采取了

电隔离信号耦合技术。

固态继电器是由固态无件组成

的无触点开关器件，与电磁继电器

相比，具有工作可靠，使用寿命长，

对外界干扰小，能与逻辑电路兼容，

抗干扰能力强，开关速度快，使用方

便等优点。但在使用时，就考虑其应

用特性如下：

1）根据产品功能不同，固态继

电器输出电路可接交流或直流，对交流负载的控制有过零与不过零控制功能，其控制信号如图6.12所示。

2）由于固态断电器是一种电子开关，故有一定的通态压降和断态漏电流。

3）负载短路易损坏SSR,应特别注意避免。

目前国产SSR的驱动电流一般为0.5~20mA，电小工作电压3V，故可直接由TTL器件驱动。

6.3伺服系统中的执行元件

执行元件是位于电气控制装置和机械执行装置接点部位的一种能量转换装置，它能在控制装置的控制下，将输入的各种形式的能量转换成机械能。其类型主要包括：1）电气式执行元件主要有直流伺6服电动机、交流伺服电动机、步进电动等。这是机电一体化伺服系统中最常用的执行元件，也是这一节所要介绍的重点内容。

2）液压式执行元件主要包括执行往复运动的油缸、回转油缸、液压马达等，其中油缸占绝大多数。目前，世界上已开发了各种数字式液压执行元件，例如电-液伺服马达和电-液步进马达，这些电-液式马达的最大优点是比纯电磁式马达力矩大，可以直接驱动执行机构，力矩/惯量比大，过载能力强，适合手重载的高加减速驱动。因此，电-液式马达在强力驱动和高精度定位时性能好，而且使有方便。

3）气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液压式执行元件没什么区别。具有代表性的气压执行元件有气缸、气压马达等。气压驱动虽可行到较大的驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩性，故不能在定位精度较高的场合使用。

6.3.1步进电动机

步进电动机将电脉冲信号转换成角位移（或线位移）的一种机电式数模转换器。其转子的转角（或位移）与电脉冲数成正比，它的速度与脉冲频率成正比，而运动方向是由步进电动机通电的顺序所决定的。

（1）步时电动机的种类和结构

步进电动机的结构形式很多，其分类方式也很多，常按产生力矩的原理、输出力矩的大小以及定子和转子的数量等进行分类。根据不同的分类方式，可将步时电动机分为多种类型，见表6.1所示。

目前，我国使用的步进电动机多为反应式步进电动机，如图6.13所示。这是一台典型的单定子、径向分相、反应三项式伺服步进电动机结构原理图。这种步进电动机可分为定子和转子两部分，其中定子又分为定子铁心和定

子原理图。这种步进电动机可分为定子和转子

两部分，其中定子又分为铁心和定子绕组。定

子铁心由硅钢片叠压而成，定子绕组是绕置在

定子铁心六个均匀分布的齿上的线圈，在直径

方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构

成一相控制绕组。图6.13所示步进电动机可构

成三相控制绕组，故也称为三相步进电动机。

当任一相绕组通电时，形成一组定子磁极，其

方向如图N和S极。在定子的每个磁极上，即

定子铁心的每个齿上又开了五个小齿，齿槽等

宽，齿间夹角9o，转子上没有绕组，只有均匀

分布的60个小齿，齿槽也是等宽的，齿间夹角

也是9o，与磁极上的小齿一致。此外，三相定

子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1/3齿

距，如图6.16所示。当A相磁极上的小齿与

转子上的齿对齐时，B相磁极上齿刚好超前（或

滞后）转子齿1/3齿距角，C相磁极齿超前（或

滞后）转子齿2/3齿距角。

图6.15是一种五定子、轴向分

明、反应三项式伺服步进电动机的

结构图。从图中可以看出步进电动

机的定子和转子在轴向可分为五

段，每一段都形成独立的一相定子

铁心、定子绕组和转子。各段定子

铁心上的齿就像内齿轮的齿形，由

硅钢片叠成。转子的形状像一具外

齿轮，由硅钢片制成，字子铁心和转子上的齿都没有开小齿。这种步进电动机各段定子上的齿在圆周方向均匀分布，彼此之间错开1/5齿距，其转子齿彼此不错位。

常见的步进电动机，除了反应式步进电动机之外，还有永磁式步进电动机和永磁反应式（即混合式）步进电动机，它们的结构虽不相同，工作原理是相同的。

（2）反应式步进电动机的工作原理

三相反应式步进电动机的工作原理如图6.16所示，在步进电动机定子的6个齿上分别

缠绕有W A、W B、W C三相绕组，构成三对磁极，转子上则均匀分布着6个齿。步进电动机采用直流电源供电。当W A、W B、W C三相绕组轮流通电时，通过电磁力吸引步进电动机一步步地旋转。假设在初始状态时，A相通电，其他两相断电，在电磁力作用下，转子的1、3两齿与磁极A对齐（如图6.16所示）；然后切断A相电源，同时接通B相，则由于电磁力作用，转子将逆时针转过30°，使靠近磁极C的1、3两齿与C对齐。

如果按上述通断电顺序（即A→B→C→A→…）连续向各相绕组供电，则步进电动机将逆时针方向连续旋转。每通断电一次，步进电动机转过30°，称为一个步距角。如果改变各相绕组的通断电顺序，如A→B→C→A→…步进电动机将按顺时针方向旋转。如果改变绕组的通断电频率，则可改变步进电动机的转速。步进电动机绕组的每一次通断电操作称为一拍，每拍中只有一个绕组通电其余断电，这种通电方式称为单相通电方式。三相步进电动机的A、B、C三相轮流通电一次共需三拍，称为一个通电循环，相应的通电方式又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，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，每个通电循环也需三拍，其步距角为30°，因而又称为三相双三拍通电方式，即AB→BC→CA→AB→…

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，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A→AB→B→BC→C→CA→A→…

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。

综上所述，可以得出如下结论：

1）步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步进电动机的步距角；

2）改变步进电动机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向也随之改变；

3）步进电动机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高；

6）步进电动机的步距角θ与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k有关，其计算公式为

kmz ο360=θ (6.6) 式中，三相三拍（即单拍）时k=1;三相六拍（即双拍）时，k=2；其他以此类推。

（3）步进电动机的主要特性

1）主要性能指标

①步距角及步距精度 步进电动机的步距角θ是反映步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。它是决定开环伺服系统脉冲当量的重要参数。数控机床常见的反应式步进电动机步距角一般为0.5 °～3°。一般情况下，步距角越小，加工精度越高。步距精度是指理论的步距角和实际的步距角之差，以分表示。步距精度主要由步进电动机齿距制造误差、定子和转子间气隙不均匀、各相电磁转矩

不均匀等因素造成。步距精度直接影响工件的加工精度以及

步进电动机的动态特性。

②启动频率（突跳频率）与启动惯频特性空载时，步进

电动机由静止突然启动，进入不失步的正常运行所允许的最

高启动频率，并称之为启动频率或突跳频率，用q f 表示。

若启动时频率大于突跳频率，步进电动机就不能正常启动。

q f 与负载惯量有关，一般说来随着负载惯量的增长而下降。

启动惯频特性即指负载转矩一定时，启动频率随负载惯量变

化的特性。启动惯量变化的特性。启动惯频特性示于图6.17

中，它反映了电动机跟踪的快速性。

2）静态特性

静态是指步进电动机通的直流为常数且转子不动时的定位状态。静态特性主要是静态距矩角特性，最大静态力矩用M max 表示，启动力矩用M q 表示。

空载时，若步进电动机某相对应定、转子的齿槽对齐。这时转子上没有力矩输出。如果在电动机轴上加上一逆时针方向的负载力矩M ，则步进电动机转子就要逆时针方向转过一个角度θ才能重新稳定下来。这时转子上受到的电磁力矩M j 和负载力矩M 相等。 M j 称为静态

力矩，θ角称为失调角。M j =f （θ）的曲线

称为力矩-失调角特性曲线，又称矩角特性，

如图6.18 所示。若步进电动机各相矩角特性

差异过大，会引起精度下降和低频振荡，这种

现象可以用改变某相电流大小的方法使电动

机各相矩角特性大致相同。曲线的峰值叫做最

大静态力矩，用M jmax 表示。M jmax 愈大，自锁力

矩愈大，静态误差愈小。静态力矩和控制电流

平方成正比。当电流上升到磁路饱和时，

M jmax =f （I ）曲线上升平缓。一般说明书上的

最大静态力矩是在额定电流和规定通电方式

下的M jmax 。由图6.18还可以看出，曲线A 和B

的交点所对应的力矩M q 是电动机运行状态的最大启动力矩。随着电动机相数的增加，M q 也增加。当外负载超过M q 时电动机就不能启动。

M jmax 这项指标反映了步进电动机的负载能力和工作的快速性。M jmax 值愈大，电动机负载能力愈强，快速性愈好。

3）动态特性

步进电动机的动态特性对快速动作及工作可靠性影响很大，与其本身的特性、负载特性、驱动方式等有关。

当控制脉冲的转换时间大于电动机的过渡过程时，电动机呈步进运动状态，即断续运行状态；当控制脉冲的频率和步进电动机的固和频率相同时，步进电动机则会发生共振现象，

破坏电动机正常运行。因此除改变电动机结构外，在应用时应根据加工条件选择适当相数的电动机、合理的运行方式，并在步进电动机轴上增加阻尼，如加消拔器减轻振动，消除失步。当控制脉冲的转换时间小于电动机的过渡过程时，步进电动机连续运行状态。一般电动机都以连续运行状态工作。在运行状态下的转矩即为动态转矩。

动态转矩是指在电动机转子运行的过渡过程尚未达到稳定值时电动机产生的力矩，也即某一频率下最大负载转矩。由于控制绕组电磁常数的存在，绕组电流的增长可近似认为是时间的指数函数，所以步时电动机的动态力矩随脉冲时间的不同，也就是随控制脉冲频率的而改变。脉冲频率增加，动态力矩变小。动态转矩与脉冲频率的关系称为矩频特性，如图 6.19所示。步进电动机的动态转矩即电磁力矩随频率升高百急剧下降。

如图 6.19矩频特性曲线

步进电动机启动后，控制脉冲频率逐渐升高仍能保证不丢步运行的极限频率，长江为连续运行频率，有时称为最高连续频率或最高工作频率，记作f max。连续运行频率远大于启动频率，这是由于启动时有较大的惯性扭矩并需要一定加速时间的缘故。在工作频率高于启动频率的情况下，电动机若要停止，脉冲频率必须逐步下降。同样，当要求工作频率在最高工作频率或高于突跳频率的情况睛，要使电动面的工作频率大于突跳频率时，脉冲速度必须逐步上升。这种加速和减速时间不能过小，否则会出现失步或超步，这项指标反映了步时电动机的最高运行速度。步进电动机的升降速特性所示。它与加速时间常数T a、减速时间常数T d、电动机工作和负载惯量有关。

图6.20升降速特性曲线

6.3.2直流伺服电动机

直流伺服电动机具有响应迅速、精度高、调速范围宽、负载能力大、控制特性优良等特点，被广泛应有知闭环或半闭环控制的伺服系统中。

1.直流伺服电动机的工作原理及类型

与普通电动机一样，直流伺服电动机也主要由磁极、电枢、电刷及换向片等三部分组成，如图6.21所示。其中磁极采用永磁材料制成，充磁后即可产生恒定磁场。在他励式直流伺服电动机中，磁极由冲压硅钢片叠成，外绕线圈，靠外加励磁电流才能产生磁场。电枢转子也是由硅钢片叠成的，表面嵌有线圈，通过电刷和换向片与外加电枢电源相连。

图6.21直流伺服电动机基本结构

当电枢绕组中通过直流电时，在定子磁场的作用下就会产生带动负载旋转的电磁转矩，驱动转子转动。通过控制电枢绕组中电流的方向和大小，就可以控制直流伺服电动机的旋转方向和速度。当电枢绕组中电流为零时，伺服电动机则静止不动。

直流伺服电动机按定子磁场产生方式可分为永磁式和他励式两类，它们的性能相近。由于永磁式直流伺服电动机不需要外加励磁电源，因而在机电一体化伺服系统中应用较多。

直流伺服电动机按电枢的结构与形状可分成平滑电枢型、空心电枢型和有槽电枢型等。平滑电枢型的电枢无槽，其绕组用环氧树脂粘固在电枢铁心上，因而转子形状细长，转动惯量小。空心电枢型的电枢无铁心，且常做成杯形，其转子转动惯量最小。有槽电枢型的电枢怀普通直流电动机的电枢相同，因而转子转动惯量较大。

直流伺服电动机还可按转子转动惯量的大小而分成大惯量、中惯量和小惯量直流伺服电动机。大惯量直流伺服电动机（又称直流力矩伺服电动机）负载能力强，易于不尽相同机械系统匹配，而小惯量直流伺服电动机的加速能力强、响应速度快、动态特性好。

由上述可见，直流伺服电动机有多种类型，各有特点及相应的适用场合，序曲计伺服系统时，应根据具体条件和要法语来合理选用。

2.直流伺服电动机的控制方式

直流伺服电动机的控制计划调节主要有两种：一种是电枢电压控制，即在定子磁场不变的情况下，通过控制施加在电枢绕组两端的电压信号来控制电动机的转速和输出转矩；另一

种是厉磁磁场控制，即通过改变励磁电流的大小改变定子磁场强度，从而控制电动机的转速和输出转矩。这两种控制方式的动态数学模型已在第3章中介绍，进行系统设计时可参考应用。

（1）电枢电压控制方式

直流伺服电动机在电枢控制时的电枢等效回路如图 6.22所示。当电动机处于稳态运行时，回路中的电流I a 保持不变，则电枢回路中的电压平衡方程式为

图 6.22 电枢控制式直流伺服电动机

U k =E a +I a R a (6.5)

式中U k ——电枢电压；

E a ——电枢反电动势；

I a ——电枢电流；

R a ——电枢电阻。

转子在定子磁场中以转速n 切割磁力线时，电枢反电动势E a 与转速n 之间关系如下 E a =c e φn (6.6)

式中c e ——电动势常数，仅与电动机结构有关；

φ——定子磁场中每极气隙磁通量。

此外，电枢电流切割磁场磁力线所产生的电磁转矩T 可由下式表达

T=C T φI a (6.7)

式中C T ——转矩常数，仅与电动机结构有关。

根据式（6.5）、（6.6）和式（6.7），可得到直流伺服电动机运行控制特性的一般表达式 2

φφT e a e k c c TR c U n -= （6.8） 当电动机负载矩T 不变、磁通φ不变时，上式右边各项除U k 外均为常数。因此，式（6.8）表示电动机在一定负载下转速n 与控制电压U k 的关系。即当负载转矩T 不变、磁通φ不变时，电动机的转速n 随电枢端电压U k 的上升面增大，反之则减小。

（2）励磁磁场控制方式

由式（6.8）可知，当电枢电压U k 不变，负载转矩T 一定时，改变电动机励磁绕级的端电压以改变磁通φ，即可改变电动机转速n 的大小。这种 控制方式叫做磁极控制方式。

采用电枢电压控制方式时，由于定子磁场保持不变，其电枢电流可以达到额定值，相应的输出转矩也呆以达到额定值，因而这种方式又称为恒转矩调速方式。而采用励磁磁场控制方式时，由于电动机在额定运行条件下磁场已接近饱和，因而只能通过减弱磁场的方式来改变电动机的转速。由于电枢电流不允许超过额不定值，因而随着磁场的减弱，电动机转速增加，但输出转矩下降，输出功率保持不变，所以这种方式又被称为恒功率调速方式。

3.直流伺服电动机的特性

（1）机械特性

机械特性是指控制电压恒定时，电动机转速随负载转矩变化的关系，即U k =常数时,n=f (T)。

由式（6.8）知，当控制电压U k 不变时，由于磁通φ不变，所以式中仅电磁转矩T 是变量，因此转速n 是电磁转矩T 的线性函数，式（6.8）可写成

N=n 0-KT (6.9)

式中n 0——该直线在纵坐标上的截矩；

K ——该直线的斜率。

由式（6.9）可知，机械特性为一直线，如图6.23所示。它表明当电磁转矩T 增加时，转速n 下降，反之当电磁转矩T 减小 时，转速 n 上升。根据式（6.9）可得到直流伺服电动机的两种特殊运行状态。

图6.23直流伺服电动机的机械特性

1）当T=0时，即空载时，

=n φ

e k c U n =

0 (6.10) 0n 称为理想空载转速。可见，其值与电枢电压成正比。

2）当n=0时，即启动或堵转时，

a

k T d R U c T T φ== (6.11) d T 称为启动转矩或堵转转矩，其值也与电枢电压成正比。

机械特性的下降斜率)/(2φT c c R K e a =可表示为T T n ???(/是转矩增量，n ?是对应

T ?的转速增量）

，因此K 值的大小表示了电动机转矩变化所引起的转速变化程度。对应同样的转矩变化，转速变化大即K 大的机械特性软，转速变化小即K 小的机械特性硬 。

图6.26是U K 不同时的机械特性。从前面分析可知，n 0和T d 都与电枢电压U K 成正比，而斜离K 与U K 无关。所以对应不同的电压U K ，可以得到一组相互平行的直线。电枢电压越大，直线的位置越高。

（2）调节特性

调节特性是指负载力矩T=T S =常数的情况下，电动机的转速n 与控制U K 之间的波函数关系，即)(k U f n =。由式（6.8）可得

S K T e a

s e k T K U K C C R T C U n 212-=-=φ

φ （6.12） 由上式可以看出，当T S =常数时，n 与U K 之间的关系是一条直线，直系的斜率为)/(11φe C K =，不同T S 时的调节特性是一组平行线，如图6.25 所示。

图6.26 不同控制电压时的机械特性 图6.25伺服电动机的调节特性

如令n=0，则从式（6.12）得

S S K KT T K K U ==1

20 （6.13） U K0称为始动电压，即当控制电压UK 小于U K0时电机不转，只有当U K >U K0时电机才会转动。由图 6.25可以看出，不同T S 时的调节特性与横轴的交点即为在这个负载力矩下的始动电压。在这个区域内，电动机不转，故称为电动机死区。显然，负载越大，死区也越大。直流伺服电动机在理想空载（T S0=0）时，始动电压为零，即不存在死区。

（3）影响直流伺服电动机特性的因素

上述对直流伺服电动机静态特性的分析是在理想条件下进行的，实际上电动机的功放电路、电动机内部的摩擦及负载的变动等因素都对直流伺服电动机的静态特性有着不容忽略的影响。

1）功放电路对机械特性的影响 直流伺服电动机是由功放电路供电的，功放电路中必然存在一定内阻，其等效电路如图6.26所示。图中E 为功放的恒定电势，R i 为内阻。此时若仍然由式（6.9）表示机械特性，则其斜率应为

2

φT e i a C C R R K += （6.16） 图6.27为对应不同的放大器内阻R i 时的机械特性。可见放大器内阻越大，机械特性越软。因此，希望放大器有较低的内阻，以改善电动机的性能。

图6.26放大器的等效电路 图 6.27放大器内阻对机械特性的影响

2）同部摩擦对调节特性的影响 由图 6.25可见，直流伺服电动机在理想空载时，其调节特性从原点开始（对应T S0=0的直线）。但实际上直流伺服电动机内部存在摩擦（如转子与轴承间的摩擦等），直流伺服电动机在启动时需要克服一定的摩擦转矩，因而启动时电枢电压不可能为零，同样存在一个死区电压（即始动电压）。

3）负载变动对调节特性的影响 由式（6.12）可知，在负载转矩不变的条件下，直流伺服电动机转速与电枢电压成线性关系。但在实际伺服系统中，经常会遇到负载随转速变动的情况，如流体摩擦阻力是随转速增加而增加的，数控机床切削加工过程中的切削力也是随时给速度变化而变化的。这是由于负载的变动将导致调节特性的非线性问题。

4）电枢电压较小时对调节特性的影响 理论上，在任意负载力矩T S 下，直流伺服电动机的转速都可以从零开始向上调节。实际上，当电枢电压U K 比较小时，电动机的转速在几转/分到几十转/分范围内是不稳定的，会出现时快时慢的现象，秒炙直流电动机低速运转的不稳定必。产生这种现象的原因是当UK 很低时，电机的反电动势很小，因此由齿槽效应等因素造成的电势脉动的影响增大。同时，电枢回路电阻（主要是电刷与换向器的接触电阻）变化，也是造成转速不稳的重要原因。

6.3.3交流伺服电动机

交流伺服驱动是最新发展起来的新型伺服系统，也是当前机床进给驱动系统方面的一个新动向。交流异步电动机由于结构简单、成本低廉、无电刷磨损问题、维修方便，因而在伺服系统中作为伺服电动机得到广泛的应用，其功率一般从几瓦到几十瓦。从结构上讲，它是两相电动机，因此与单相感应电动机基本相同。

1.交流伺服电动机的基本结构

交流伺服电动机的原理如图6.28所示。定子上有空间互成90o电角度的两相绕组。接于电源上的绕组称为励磁绕组f 1f 2,接于控制电压上的绕组称为控制绕组K 1K 2。伺服电动机转速将受到控制电压U U 的大小和相位的控制，以完成系统要求的动作 。

图6.28 交流伺服电动机原理图

1——励磁绕组；2——控制绕组；3——转子

交流伺服电动机转子具有鼠笼型和杯形两种。鼠笼型转子伺服电动机的结构（图6.29）与一般感应电动机相同。这种类型电动机结构紧凑，励磁电流小，性能优良，因此用得较多。其缺点是转子惯量较大。杯形转子伺服电动机的结构如图6.30所示。它的外定子与鼠笼型电动机完全一样。内定子由环形钢片迭成，通常不放绕组，只是代替鼠笼转子的铁心，作为电机磁路的一部分。在内、外定子之间套有安装在转轴上的薄壁杯，称为杯形转子。空心杯由非磁性材料铝或铜制成，壁厚一般在0.3mm 左右。杯形转子导条、端环的作用相同。这种电动机的空心杯转动惯量小，转子无齿槽，故运转平稳、噪声小。但由于其气隙大，所以励磁电流大，效率低，体积大，但在要求运转比较平稳的场合仍得到广泛的应用。

图6.29鼠笼型转子伺服电动机结构 1——定子铁心；2——定子绕组；3——鼠笼转子； 6——机壳；5——端兽；6——轴承；7——轴

图6.30杯形转子伺服电动机结构

1——外定子；2——杯形转子；3——内铁心

2.交流伺服电动机的控制

（1）控制方式

交流伺服电动机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。但是，交流伺服电动机必须具备一个性能，就是能克服交流伺服电动机的所谓“自转”现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它已在转动时，如果控制电压U U ?消失时，电动机即处于单相供电（v U ?

）状态，根据单相感应电动机原理可知，其力矩曲线为正、反转两个旋转磁场产生的力矩之和，如图6.31中虚线所示，电动机会继续运转。为了避免电动机的自转现象，就必须增加转子电阻，使转矩曲线的稳定运行区增大，因此电动机转子导条或杯型转子用高电阻率的铝合金制造。当转子电阻足够大时，单相供电状态产生的正转和反转转矩如图 6.31中实线所示，

其电磁转矩始终与转向相反，是制动转矩。电机在运转情况下，一旦控制信号U U ?消失，电机就会立即停转，达到不自转要求。

交流伺服电动机的励磁绕组和控制绕组一般都设计成对称的，即串联匝数、绕组系数和导线线径都相同，空间位置相差90°电角度。如在两相绕组上加以幅值相等、相位差90°电角度的对称电压，则在电动机的气隙中产生圆形旋转磁场。若两个电压幅值不等或相位差不是

90°电角度，则产生的磁场将是一个椭圆形旋转磁场。加在控制绕组上的信号不同，产生的磁场椭圆度也不相同。例如，负载转矩一定，改变控制信号，就可以改变磁场的圆度，从而控制伺服电动机的转速。显然，交流伺服电动机的控制方式有三种：①保持控制电压和励磁电压之间的相位差角为90°，仅仅改变控制电压的幅值的幅值控制；②保持控制电压幅值不变，仅仅改变控制电压与励磁电压的相位差的相位控制；③在砺磁电路串联移相电容，改变控制电压的幅值以引起励磁电压的幅值及其相对于控制电压的相位差发生变化的幅值-相位控制（电容控制）。由于幅值 控制方式机械特性和调节特性均优于其他两种控制方式，本书主要介绍交流伺服电动机的幅值控制原理。

（2）幅值控制原理

交流伺服电动机的接线图如图6.32所示。励磁绕组V 与电容串联接到单相交流电源上，控制绕组U 接于同频率交流电压或功率放大器的输出端。励磁绕组串接电容，同单相异步电动机分相原理相同，用于生产两相旋转磁场，适当选择C 的数值，可使励磁电流 ?v I 超前于电压?U 间有近90°的相位差。而控制绕组的电压U U ?的频率与?U 及?

v U 的大小 取决于控制信号的大小，从而决定电动机转速的快慢。

假定不考虑磁饱和现象，两相绕组外加U U ?和?v U ，在两绕组中分别产生脉动磁场V U φφ和。由于两绕组中电流相差90°相位角，则两磁通在相位上也相差90°。其瞬时表达式分别为

t t vm v Um U ωφφωφφcos ;sin ==

两磁通在空间的合成磁通应是两个磁通的几何和。即

2222)cos ()sin (t t vm Um V U ωφωφφφφ+=+= （6.15）

式（6.15）是一个椭圆方程式。设纵轴长为vm φ，横轴长为Um φ。则总合成磁通矢量末端随时间而改变的轨迹如图6.33所示。

图6.32伺服电动机接线图 图 6.33成磁通矢量末端随时间变化的轨迹图

合成磁通矢量的瞬时位置可由下式导出

t t t a vm

M U vm M U V U ωφφωφωφφφtan cos sin tan === （6.16） 若设磁场椭圆度为U

v vm M U U U K ≈=φφ，称其为电动机的有效信号系数。由此式（6.16）可写为 K t a K t a ωωtan arctan

/tan tan ==或 （6.17） 如果电动机的磁极对数为P 则合成磁通矢量，在空间的转速为

t

K K K p ωωω222sin )1('-+= （6.18） 从式（6.18）可知，由于合成磁通具有脉动特性，所以转速的瞬时值也是脉动的，而所

需要的是一个周期内的平均速度。式中正弦交变量t ω2

sin ，在一个周期内的平均值为 21)(sin 102=?T t t T ωω 最后得到转速在一个周期内的平均值为

212'K K

p +=ωω （6.19）

由式（6.19）可以看出：合成磁通矢量的转速，即为电动机转子的理想空载转速。它决定于两个绕组中磁通的幅值比K ，也就是决定于两绕组上的电压有效值或幅值比。当励磁绕组回路电容为常数，控制绕组两端电压大小改变时，可改变K 值，也就是电动机可以获得不同的转速。

3.交流伺服电动机的运行特性

（1）机械特性

交流伺服电动机的机械特性如图6.36所示。由图可见，在一定负载转矩T L 下，控制电压U U 越大，则转速n 也越高；在一定控制电压 下，负载转矩加大，转速下降。另外，特性曲线的斜率也随控制电压的大小不同而变化，表现为机械特性较软。这一点，对交流伺服电动机为执行元件的控制系统的稳定是不利的。交流伺服电动机的输出功率，一般在0.1～100W 之间。电源频率有50H Z 和600H Z 之分。

（2）调节特性

交流伺服电动机的调节特性，可由机械特性得到，如图6.35所示。该调节特性属幅值控制，即改变控制电压U U 的大小电动机转速随之改变的关系曲线。从图中看到，幅值控制的调节特性也不是直线，只当n 较低时近似为直线。因此，交流伺服电动机在伺服系统中为保证系统动态误差要求，应尽量使电动机的调节特性工作于n 较小的区域。为此，许多交流伺服电动机采用600H Z 的交流电源，用以提高其同步转速n 0。

从调节特性还可以看出，负载转矩大时，初始起动电压也高。由于交流伺服电动机输出功率

ωωT T P ≈=22，在控制电压U U 一定的条件下，若转速低，即ω小，输出功率P2也很小，若转速接近理想空载转速是虽然ω产。但T 很小，输出功率也不大。只当负载转矩为电机的额定转矩T N ，而转速也达到额定转速n N 时，电机可输出最大功率。通常规定为电动机的额定输出功率P N 。所以交流伺服电动机的额定输出功率的规定方法与普通电动机是不同的。

图6.36U B 为常数时)(T f n =曲线 图6.35交流伺服电动机调节特性

有关交流伺服电动机的动态数学模型已在本书第3章介绍，此处不再赘述。

6.6步进伺服系统

采用步进电动机的伺服系统又称为开环步进伺服系统，其组成如图6.36所示

图6.36开环步进伺服系统结构图

（a ）使用电液脉冲马达 （b ）使用功率步时电机

在开环步进伺服系统中指令信号是单向流动的，由机床数控装置送来的指令脉冲，经驱动电路、功率步进电动机或电液脉冲马在、减速器、丝杠螺旋副转换成机床工作台的移动。由于步进电动机的角位移量和指令脉冲的个数成正比，旋转方向与通电相序有关，因此只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序，便可控制机床工作台运动的位移量、速度和移动方向。开环系统没的位置和速度反馈回路，因此省去了检测装置，系统简单可靠，不需要像闭环伺服系统那样进行复杂的设计计算与试验校正。

步进电动机的运行特性，不仅与步进电动机本身的特性和负载有关，而且与配套使用的驱动电源（即驱动电路）的着十分密切的关系。选择性能优良的驱动电源对于充分发挥步进电动机的性能是十分重要的。步进电动机的驱动电源，包括环形分配器（又称脉冲分配器）和功率放大器两部分。

6.6.1步进电动机的控制与驱动

（1）脉冲分配控制

由步进电动机工作原理知，要使步进电动机正确运转，必须按一定顺序对定子各相绕组励磁，以产生旋转磁场，即将指令脉冲按一定规律分配给步进电动机各相绕组。实现这一功能的器件称为分配器或环形分配器，可由硬件电路或软件程序来实现。

（1）脉冲分配控制

由步进电动机工作原理知，要使步进电动机正确运转，必须按一定顺序对定子各相绕组励磁，以产生旋转磁场，即将指令脉冲按一定规律分配给步进电动机各相绕组。实现这一功能的器件称为分配器或环形分配器，可由硬件电路或软件程序来实现。

10 时钟脉冲输入

端CP

时钟脉冲输入

端CP

反转控制端

-?

时钟脉冲输入

端CP

11 反转控制端

-?

反转控制端

-?

正转控制端

+?

正转控制端

+?

12 正转控制端

+?

正转控制端

+?

出错报警输出

端S

出错报警输出

端S

13 出错报警输出

端S

(空) E相输出端F相输出端16 (空) D相输出端D相输出端E相输出端

15 C相输出端C相输出端C相输出端D相输出端

16 电源V CC电源V CC B相输出端C相输出端

17 B相输出端B相输出端(空) B相输出端

18 A相输出端A相输出端电源V CC电源V CC

控制电

平

励磁方式

A 0A1

YB013 YB016 YB015 YB016

0 0

A→B→C→A

→…

A→B→C→D

→A→…

A→B→C→D

→E→A…

A→B→C→D

→E→F→A…

0 1

AB→BC→CA

→AB→…

AB→BC→CD

→DA→AB→…

ABC→BCD→

CDE→…

ABC→BCD→

CDE→DEF→…

1 0

A→AB→B→

BC→C→…

A→AB→B→

BC→C→CD→…

AB→ABC→

BC→BCD→…

AB→ABC→BC

→BCD→…

1 1

A→AB→B→

BC→C→…

AB→ABC→

BC→BCD→…

AB→ABC→

BC→BCD→…

ABC→ABCD→

BCD→BCDE→…

图 6.37是采用通用微机接口芯片

8255和脉冲分配器YB016组成的步进电

动机脉冲分配控制电路原理图.图中,A0

接电源,A1接地,构成四相八拍控制;当

8255的PA0口线输出高电平时,控制步进

电动机正转,输出低电平时,控制步进电

动机反转;8255的PA1口线输出的脉冲数

量决定步进电动机的转角,脉冲频率决定

步进电动机的转速。

图6.37四相八拍脉冲分配控制原理

图

1）软件脉冲分配器

软件脉冲分配器是指实现脉冲分配控制的计算机程序。它不需额外电路，成本低，但占用计算机运行时间。

软件脉冲分配器控制基本原理是；根据步进电动机和计算机的接线情况及通电方式列出脉冲分配控制数据表；运行时按节拍序号查表获得相应的控制数据；在规定时刻通过输口将数据输出到步进电动机枢动电路。下面通过实例介绍软件脉冲分配器的实现方法。

图 6.38是采用单片机8031对数控X-Y工作台四相步进电动机进行控制的接口电路原理图。图中采用了负逻辑控制，即当8031的P1口某一口线输出低电平“0”时，对应的步