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1、1、基本构成控制装置、功率放大、执行机构、检测装置所构成如图所示：,4.1 概述（伺服系统指用于机械设备的位置和速度的动态控制）伺服系统的结构及分类,控制器：计算机或电子线路。执行机构：伺服电动机驱动的机械传动装置。功率放大器：电子电力器件组成的信号放大电路，驱动司服电机检测装置：传感器，光栅、感应同步器旋转变压器等。,第4章 机电一体化的伺服传动技术,2、伺服系统基本类型,2,采用不同的分类方法，可以得到不同类型的伺服系统,按控制原理（或方式）不同,有开环、闭环和半闭环三种形式,按驱动方式不同,有电气、液压和气压等伺服驱动形式,按执行元件不同,分为步进电机伺服系统（开环）直流电机伺服系统（高
2、精度的数字控制，大扭矩）交流电机伺服系统（无接触换向器件）,3,伺服电动机,通常对伺服电动机基本要求,3、响应速度快,司服系统精度高（误差）,1、机械特性硬,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,机械装置反向间隙和传动误差,各元器件的非线性因素等,2、调速范围宽,另外精度也是衡量伺服系统动态性能的重要指标,是伺服系统的最高速与最低速之比，即：,（1：1000以上）；,4、空载始动电压小,电力电子技术简介,在机电一体化设备中，必须通过功率放大器实现对司服电动机的驱动，实现对电能的变换和控制。该相技术称为变流技术。其包括电压、电流、频率、波形和相数的变换。功率放大器通常由开关器件、
3、电感、电容及保护电路组成。,1.功率放大器分类(按功能)AC/DC 交流电变换为固定或可调的直流电(整流器)DC/AC-固定直流电变换为固定或可调交流电(逆变器)AC/AC-固定交流电变换为可调交流电(变频器)DC/DC-固定直流电变换为可调直流电(斩波器)2.电力电子器件类型 SCR 晶闸管(可控硅)GTR 功率晶体管IGBT-N 沟道MOSFET绝缘栅双极晶体管,4.2 直流伺服系统及应用,在1个周期T内P1.0输出的脉冲宽度为,电枢两端的平均电压Ud和占空比为:,四个二极管为续流二极管,(2)PWM 控制电路,PWM 控制电路包括三部分:脉冲调制器 定时/计数器软件中断实现或锯齿波脉宽调
4、制器2）逻辑延时电路 T1,T3关断后延迟一段时间,T2,T4才能导通,防止+、-电源直通短路3）晶体管基极驱动电路（将控制电路的输出信号放大，使之有足够的功率驱动大的GTR开关器件）,对于小型直流司服电动机,可由计算机通过I/O接口及光电隔离器直接控制4个功率三极管驱动电机旋转,而对于大功率的直流司服电机可参照教材P69的基极驱动电路设计.,（4）集成功率放大器L298N的应用驱动电机绕组芯片，内含二个H桥的高电压大电流双全桥驱动器，可控制两个直流电机（01，02接电机，A、B控制或03，04接电机，A、B控制）；使能信号EA、EB=1，电机转，=0 禁止转；CSA、CSB可检测到电流反馈信
5、号。,L298N芯片接收标准TTL逻辑电平信号，符合单片机控制的两轮电动小车和行走机器人的驱动要求。它可驱动46V，2A以下的电机，满足小车马达的驱动要求。可参看上面的介绍设计电机驱动原理图2、3脚和13、14脚之间分别接2个电动机。5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。由ENA（6脚），ENB（11脚）接高低电平控制电机的起、停。若其5、7、10、12脚可分别接单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3。,P3.0=1 X转P3.0=0 Y转,P3.1=1 X正转 P3.2=1 Y正转P3.1=0 X反转 P3.2=0 Y反转,5）直流司服电动机驱动软件程序设计,YHX:
6、JNBP3.0,YHYJNBP3.1,YHX3YHX1:CLRP1.1CLRP1.0ACALLYANS1YHX2:SETBP1.0ACALLYANS2JNBP3.0,YHYJNBP3.1,YHX3SJMPYHX1YHX3:CLRP1.0CLRP1.1ACALLYANS1YHX4:SETBP1.1ACALLYANS2JNBP3.0,YHYJBP3.1,YHX1SJMPYHX3,YHY:JNBP3.2,YHY3YHY1:CLRP1.3CLRP1.2ACALLYANS1YHY2:SETBP1.2ACALLYANS2JBP3.0,YHX1JNBP3.2,YHY3SJMPYHY1YHY3:CLRP1.2
7、CLRP1.3ACALLYANS1YHY4:SETBP1.3ACALLYANS2JBP3.0,YHX1JBP3.1,YHY1SJMPYHX3,-两轮直流电机控制程序-,4.3异步交流电动机司服系统的原理,极对数,同步转速,改变频率f可实现无级调速,保证调速过程转矩恒定,磁通要维持不变.，所以要调频的同时进行也调压维持M恒转矩。,采用调频同时调压的方法调速实现恒转矩输出,即为机电一体化装置的交流司服电动机的无级调速,过程为:交流-直流-交流（P77）,电机转数：,通过AC/DC（整流-滤波-逆变）DC/AC，实现交交,4.4.1、步进电动机步进电机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的
8、机电执行元件，每当输入一个电脉冲时，它便转过一个固定的角度，这个角度称为步距角。步进电动机分为定子和转子两大部分。定子由硅钢片叠成，装上一定相数的控制绕组，由环行分配器送来的电脉冲对多相定子绕组轮流进行励磁；转子本身没有励磁绕组，转子用硅钢片叠成或用永久磁铁软磁性材料做成带凸极结构。,4.4 步进电动机驱动和控制 步进电动机是数控机床上唯一构成开环系统就可满足精度要求的司服电机,其控制系统主要由环形分配器和功率放大器等组成.,步进电动机得特点：,结构：定子（嵌入多相绕组，建立脉动磁场）转子（带磁的铁心）按励磁方式的不同分：反应式步进电动机（转子铁磁材料）永磁式步进电动机（转子永久磁钢）混合式步
9、进电动机（二者均有）按励磁绕组分布不同分：经向分相式 轴向分相式,对应于每一个指令脉冲，步进电动机就旋转一个固定的角度(称步距角)。所以步进电动机具有精度高，惯性小的特点，对各种干扰因素不敏感，误差不会长期积累，转过360以后其积累误差为“0”。是唯一可用于开环控制系统的电动机。,以三相反应式步进电动机为例，定子有6个磁极，每两个相对的磁极上绕有一相控制绕组。转子上装有40个凸齿。步进电动机的工作原理，其实就是电磁铁的工作原理。定子励磁，转子感应。以假如转子上装有4个凸齿为例分析其工作原理.,由环形分配器送来的脉冲信号，对定子绕组轮流通电，按ABCABC方式通电。,三相六拍：如果按照AABBB
10、CCCAA的方式循环通电，就称为三相六拍通电。（1）A相通电 00（2）A、B相通电 150（3）B相通电 300（4）B、C相通电 450（5）C相通电 600（6）C、A相通电 750,2)三相六拍通电方式,因为每通电一次，转子就走一步，故步距角为：式中，k状态系数（单三拍、双三拍时，k1；三相六拍时，k2），如三相三拍，4个齿时：,若按三相六拍运行时，四个齿时其步距角：由此可见，步进电动机的转子齿数z和定子相数m（或运行拍数k）愈多，则步距角愈小，控制越精确。当定子控制绕组按着一定顺序通电时，步进电动机就持续旋转。当电脉冲的频率为 f 时，步进电动机转速为：,例1：开环伺服系统采用步进电
11、机，电机有40个齿，当采用三相六拍工作方式时，丝杠导程为5毫米。求：步进电机的步距角(度)；当脉冲频率为50Hz时，步进电机的输出转速n(转/分)；螺母带动的工作台的平稳运行速度v。v=p n=转速X导程(m/S),解：(1)步距角(2)转速(3)速度,(2)步进电机的控制与驱动（课程设计P67）,1）必要环节：脉冲发生器环形分配器功率放大器-步进电机,2）步进电机的速度控制 软件延时、硬件定时（定时/计数器的软件编程）,3）步进电机的自动升降速控制（防止丢步）直线自动升降速（梯形）指数曲线自动升降速（积分）,环形分配器按照一定的通电方式将输入脉冲顺序分配给步进电机的各相绕组的电路称为环形分配
12、器,分为硬件环分和软件环分两种结构.以三相反应式步进电机为例,可有三种通电方式.三相三拍 A-B-C-A三相六拍 A-AB-B-BC-C-CA-A（细分）双三拍 AB-BC-CA,1、硬件环形分配器原理（CH250、L297）,脉冲信号 Cp方向信号 X复位信号(按P82 图4-39连接实现三相六拍控制）,脉冲信号,方向信号 X,复位信号,2、软件环形分配器,1）按通电顺序:A AB-B BC-CCA-A 2）硬件连接：8255的 PB.2 PB.1 PB.0 连接对应三相绕组 C B A3）通电状态码 001011010 110 100-101 001 01H-03H02H06H04H05H
13、 01H 4）编写程序 循环由8255的PB口输出:6个通电状态码,则步进电机连续正向旋转.反之若输出:01H-05H04H06H02H03H 则反转,（参照课程设计P75程序流程序）,功率驱动器 由环形分配器输出的脉冲功率很小，要进行功率放大，使脉冲电流达到110A，才足以驱动步进电机旋转。(1)单电压驱动电路 续流二极管VD的作用(P84)(2)高、低压双电压驱动电路 高压建流加快升降速过程,低压定流,改善脉冲信号的特性(3)恒流斩波驱动电路（参考课程设计教材P80）,步进电机的控制电路组成,单片机I/O-环形分配器光电隔离器-功率放大器-步进电机,1、光电隔离器（或继电器）,光电隔离器结
14、构：(光电耦合器)由发光二极管和收光元件都封装在一个外壳内,一般有金属封装和塑料封装两种。其原理是发光二极管有电流流过就发光，光敏三极管受光照就导通。耦合器常见的组合形式如图所示。,光电隔离器功能：也称光电开关,广泛应用在工业控制领域的机床控制I/O接口实现电路隔离、电平转换、噪声抑制等.,例1、L297N是四相硬件脉冲分配器芯片，与L298N连接可用来控制两相混合式和四相反应式步进电机运行，符合数控工作台的驱动要求。驱动46V，2A以下的步进电机。,两相混合式步进电机的驱动电路,送控制字到-（70H）单元,例2、驱动步进电机软件程序设计,89C51的P1口控制X、Y电机连接,通电状态码装入内
15、存地址分配,=1时,X电机：MOV 10H,#00H MOV 11H,#01H MOV 12H,#03H MOV 13H,#02H MOV 14H,#06H MOV 15H,#04H MOV 16H,#05H MOV 17H,#00H MOV 70H,#03H MOV R0,#11H,先装入步进电机通电状态码，再送控制字=70H）,Y电机：MOV 18H,#00H MOV 19H,#10H MOV 1AH,#30H MOV 1BH,#20H MOV 1CH,#60H MOV 1DH,#40H MOV 1EH,#50H MOV 1FH,#00H MOV 70H,#0CH MOV R1,#18H,
16、FASF:ACALL HXFPQ SJMPFASF,软件程序：,HXFPQ:MOV A,70H JNB ACC.0,HXY JNB ACC.1,HXFHXZ:MOV A,R0 MOV P1,A ACALL YANS INC R0 MOV A,R0 CJNE A，#00H,HXZ1 MOV R0,#11H HXZ1：RET HXF:MOV A,R0 MOV P1,A ACALL YANS DEC R0 MOV A,R0 CJNE A，#00H,HXF1 MOV R0,#16HHXF1:RET,;-软件脉冲分配器-,HXY:JNBACC.2,HXTJNB ACC.3,HYF HYZ:MOV A,R
17、1 MOV P1,A ACALL YANS INC R1 MOVA,R1 CJNE A，#00H,HYZ1 MOVR1,#18HHYZ1:RETHYF:MOV A,R1 MOV P1,A ACALL YANS DEC R1 MOVA,R1 CJNEA，#00H,HYF1 MOVR1,#1FHHYF1:RETHXT:RET,YHY1:JNB ACC.3,YHY2 SETB P1.3；Y方向SETB P1.2；Y脉冲ACALL YANSNOPCLR P1.2ACALL YANSRETYHY2:CLRP1.3SETBP1.2ACALLYANSNOPCLRP1.2ACALLYANSRET,YHF:MO
18、V A,70HJNB ACC.0,YHY1JNB ACC.1,YHX2YHX1:SETB P1.1；X方向SETB P1.0；X脉冲ACALL YANSNOPCLR P1.0ACALL YANSRETYHX2:CLR P1.1SETB P1.0ACALL YANSNOPCLR P1.0ACALL YANSRET,;-硬件环分子程序-,YANS:MOVR2,#4AHYAS1:MOVR4,#0FFHYAS2:DJNZR4,YAS1DJNZR2,YAS1RET,5.2.3 单片机控制系统功率驱动接口设计（机床控制 电机与限位等）,光电隔离器环形分配器功率放大器中断与定时/计数器,作业,步进电机的A、B、C使用89C51的采用软件环形分配器控制。画出控制电路图（89C51光电隔离单电压功放-电机绕组）；写出通电状态码；编写出驱动电机正向旋转的程序语句。,
