机电一体化技术 模块三 伺服传动控制

1、 模块目标模块目标1掌握简单步进电机、交流及直流伺服电机的工作原理分析；掌握简单步进电机、交流及直流伺服电机的工作原理分析；2掌握掌握MCS-51单片机的工作原理和编程方法；单片机的工作原理和编程方法；3熟悉简单伺服传动控制的应用方法；熟悉简单伺服传动控制的应用方法；4了解伺服传动的前沿知识和新的应用领域。了解伺服传动的前沿知识和新的应用领域。重点：重点：1.掌握步进电机工作原理及应用方法；掌握步进电机工作原理及应用方法； 2.交流及直流伺服电机工作原理及应用场合。交流及直流伺服电机工作原理及应用场合。难点：难点：1. 步进电机传动控制的具体操作；步进电机传动控制的具体操作； 2. 交流及直流

2、伺服电机传动控制的具体操作。交流及直流伺服电机传动控制的具体操作。模块模块3 伺服传动控制伺服传动控制 通过三项与伺服传动控制相关的任务的实施，达到熟悉单片机通过三项与伺服传动控制相关的任务的实施，达到熟悉单片机C语言的编语言的编程规则、掌握基本指令的应用，进一步掌握单片机常见的接口技术，熟练运用程规则、掌握基本指令的应用，进一步掌握单片机常见的接口技术，熟练运用编程软件编程软件keil进行联机调试；了解电机控制技术的基本控制原理，了解基于单进行联机调试；了解电机控制技术的基本控制原理，了解基于单片机伺服控制的意义并掌握单片机伺服电机控制的设计要点。片机伺服控制的意义并掌握单片机伺服电机控制的

3、设计要点。 模块导学模块导学 3.1.1 项目思考（思）项目思考（思） 步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化设备中，与普通电机不同的是，步进电机是一种将电脉冲信号转化为角自动化设备中，与普通电机不同的是，步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移的执行机构，能方便地实现正反转、调速、定位控制。特别是不需位置传位移的执行机构，能方便地实现正反转、调速、定位控制。特别是不需位置传感器或速度传感器就可以在开环控制下精确定位或同步运行。感器或速度传感器就可以在开环控制下精确定位或同步运行。 本项目通过对步进电

4、机了解、认识，进一步掌握对步进电机的控制方法，本项目通过对步进电机了解、认识，进一步掌握对步进电机的控制方法，以及它的应用领域和未来的一些发展趋势等。以及它的应用领域和未来的一些发展趋势等。问题思考：问题思考： 从三个方面去思考：从三个方面去思考： 1、步进电机在传动方式上与传统的电机有什么区别？、步进电机在传动方式上与传统的电机有什么区别？ 2、步进电机在位置精度上如何来调整？、步进电机在位置精度上如何来调整？ 3、基于单片机的步进电机控制系统如何来设计？、基于单片机的步进电机控制系统如何来设计？任务任务3-1 步进电机传动步进电机传动项目思考步进电机在传动方式上与传统电机的区别？步进电机传

5、动机步进电机在位置精度上如何来调整？基于单片机的步进电机控制系统如何来设计？步进电动机结构与工作原理单片机控制步进电机原理MCS-51系列单片机简介建立步进电动机相序系统原理图的绘制知识分布网络步进电机在供送包装膜的应用单片机C程序设计性项目知识项目实践步进电机在横封中的应用步进电机在物料计量方面的应用知识拓展 知识点知识点1: 步进电动机结构与工作原理步进电动机结构与工作原理 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件。每当一步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件。每当一个脉冲信号施加于电机的控制绕组时，其转轴就转过一个固定的角度（步距个脉冲信号施加于电机的控

6、制绕组时，其转轴就转过一个固定的角度（步距角），如顺序连续地发出脉冲，电机轴将会一步接一步地运转。通过控制输入角），如顺序连续地发出脉冲，电机轴将会一步接一步地运转。通过控制输入脉冲的个数来决定步进电动机所旋转过的角位移量，从而达到准确定位的目的，脉冲的个数来决定步进电动机所旋转过的角位移量，从而达到准确定位的目的，而输入脉冲的频率决定了步进电动机的运行速度。而输入脉冲的频率决定了步进电动机的运行速度。 步进电动机种类很多，按工作原理分，有反应式、永磁式、混合式三种。步进电动机种类很多，按工作原理分，有反应式、永磁式、混合式三种。按输出转矩大小分，有快速步机电机、功率步进电机。按励磁相数分有二

7、、三、按输出转矩大小分，有快速步机电机、功率步进电机。按励磁相数分有二、三、四、五、六、八相等。四、五、六、八相等。 3.1.2 项目知识（学）项目知识（学） 如图如图3-1，与普通电动机相，与普通电动机相似，步进电动机也分为定子和转似，步进电动机也分为定子和转子两大部分，定子由定子铁心、子两大部分，定子由定子铁心、绕组、绝缘材料等组成。绕组、绝缘材料等组成。1. 步进电动机结构步进电动机结构 图图3-1 步进电动机结构图步进电动机结构图 步进电动机的工作原理其步进电动机的工作原理其实就是电磁铁的工作原理。如图实就是电磁铁的工作原理。如图3-2所示，如给某单相绕组通电所示，如给某单相绕组通电时

8、，初始使转子齿偏离定子齿一时，初始使转子齿偏离定子齿一个角度。由于励磁磁通总会选择个角度。由于励磁磁通总会选择磁阻最小的路径通过，因此对转磁阻最小的路径通过，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转子产生电磁吸力，迫使转子齿转动，当转子转到与定子齿对齐位动，当转子转到与定子齿对齐位置时，又因转子只受径向力而无置时，又因转子只受径向力而无切线力，故转矩为零，转子被锁切线力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。定在这个位置上。2. 步进电动机工作原理步进电动机工作原理 图图3-2 步进电动机工作原理图步进电动机工作原理图 1）单三拍工作方式：指对每相绕组单独轮流通电，三次换相（三拍）完成）单三拍工作方

9、式：指对每相绕组单独轮流通电，三次换相（三拍）完成一次通电循环。通电顺序为一次通电循环。通电顺序为U-V-W-U时，电动机正转。通电顺序为时，电动机正转。通电顺序为U-W-V-U时，电动机反转，如图时，电动机反转，如图3-3所示。所示。图图3-3 步时电动机单三拍通电方式步时电动机单三拍通电方式 2）三相双拍工作方式：按）三相双拍工作方式：按UV-VW-WU-UV(正转正转)或或UW-WV-VU-UW（反转）相序循环通电，如图（反转）相序循环通电，如图3-4所示。所示。 3）三相单双六拍工作方式：按）三相单双六拍工作方式：按U-UV-V-VW-W-WU-U或或U-UW-W-WV-V-VU-U相

10、序循环通电。同样，通电顺序改变时，旋转方向改变，而电流换相序循环通电。同样，通电顺序改变时，旋转方向改变，而电流换接次数多了一倍，步子走得更细了。接次数多了一倍，步子走得更细了。 图图3-4 步时电动机三相双拍工作方式步时电动机三相双拍工作方式 1脉冲序列的生成脉冲序列的生成 脉冲周期的实现：脉冲周期脉冲周期的实现：脉冲周期=通电时间通电时间+断电时间。通电时，单断电时间。通电时，单片机输出高电平使开关闭合；断片机输出高电平使开关闭合；断电时，单片机输出低电平使开关电时，单片机输出低电平使开关断开。对断开。对TTL电平为电平为0-5V，对，对CMOS电平一般为电平一般为0-10V。常用。常用的

11、接口电路多为的接口电路多为0-5V。脉冲序列。脉冲序列如图如图3-5所示。所示。 知识点知识点2: 单片机控制步进电机的控制原理单片机控制步进电机的控制原理图图3-5 脉冲序列图解脉冲序列图解 旋转方向与内部绕组的通电顺序有关，步进电机方向信号指定各相导通旋转方向与内部绕组的通电顺序有关，步进电机方向信号指定各相导通的先后次序，用以改变步进电机旋转方向。本任务中采用四相（四相双四拍）的先后次序，用以改变步进电机旋转方向。本任务中采用四相（四相双四拍）步进电机，步进电机，P1口输出控制脉冲对电机进行正反转、转速等状态的控制。由于口输出控制脉冲对电机进行正反转、转速等状态的控制。由于采用采用74L

12、S06反向缓冲反向缓冲OC门驱动电机，所以当门驱动电机，所以当P1X=0时对应绕组导通；时对应绕组导通；P1X=1时对应的绕组断开。四相步进电机的双四拍工作方式，其各相通电顺序为：时对应的绕组断开。四相步进电机的双四拍工作方式，其各相通电顺序为：ABBCCDDA，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D相的通断。相的通断。 2.方向控制方向控制 周期决定了步进电机的转速，如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一周期决定了步进电机的转速，如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越步

13、，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。如要求步进电机快。如要求步进电机2秒钟转秒钟转10圈，则每一步需要的时间圈，则每一步需要的时间T为为 T=每圈时间每圈时间/每圈的步数每圈的步数 =（2000ms/10）（）（N*Zr） =200ms20 =10ms；只要在输出一个脉冲后延时；只要在输出一个脉冲后延时 10ms，即可满足速度之要求。，即可满足速度之要求。3转速控制转速控制 1MCS-51系列单片机简介系列单片机简介 单片机采用超大规模技术将具有数据处理能力的微处理器单片机采用超大规模技术将具有数据处理能力的微处理器(CPU)、存储器、存储器（含程序存储器（含

14、程序存储器ROM和数据存储器和数据存储器RAM）、输入、输出接口电路）、输入、输出接口电路(I/O接口接口)集集成在同一块芯片上，构成一个即小巧又很完善的计算机硬件系统，在单片机程成在同一块芯片上，构成一个即小巧又很完善的计算机硬件系统，在单片机程序的控制下能准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。序的控制下能准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。 然而单片机又不同于单板机（一种将微处理器芯片、存储器芯片、输入然而单片机又不同于单板机（一种将微处理器芯片、存储器芯片、输入输出接口芯片安装在同一块印制电路板上的微型计算机），单片机芯片在没有输出接口芯片安装在同一块印制电路板上的

15、微型计算机），单片机芯片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果对它进行应用开发，开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果对它进行应用开发，它便是一个小型的微型计算机控制系统，但它与单板机或个人电脑它便是一个小型的微型计算机控制系统，但它与单板机或个人电脑(PC机机)有着有着本质的区别。本质的区别。知识点知识点3 MCS-51单片机的引脚和内部组成如图单片机的引脚和内部组成如图3-6所示。通常采用所示。通常采用DIP或或PLLD封封装。装。2MCS-51单片机的内部组成单片机的内部组成图图3-6 MCS-51系列单片机引脚及内部组成系列单片机引脚及内部组成 其内核是其

16、内核是8051CPU，CPU的内部集成有运算器和控制器，运算器完成运的内部集成有运算器和控制器，运算器完成运算操作（包括数据运算、逻辑运算等），控制器完成取指令、对指令译码以及算操作（包括数据运算、逻辑运算等），控制器完成取指令、对指令译码以及执行指令。执行指令。MCS-51单片机的片内资源有：单片机的片内资源有：1）中央处理器：）中央处理器： 中央处理器中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，位数据宽度的处理器，能处理能处理8位二进制数据或代码，位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调负责控制、指挥和调度整个单元系统

17、协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。2）数据存储器）数据存储器(RAM)： 8051内部有内部有128字节数据存储器（字节数据存储器（RAM）和）和21个专用寄存器单元，它们个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器有专门的用途，通常用于存放控制指令数据，不能是统一编址的，专用寄存器有专门的用途，通常用于存放控制指令数据，不能用作用户数据的存放，用户能使用的用作用户数据的存放，用户能使用的RAM只有只有128个字节，可存放读写的数据，个字节，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。运算的中间结果或用户定义的字型表。3）程序存储

18、器）程序存储器(ROM)： 8051共有共有4K字节程序存储器（字节程序存储器（ROM），用于存放用户程序和数据表格。），用于存放用户程序和数据表格。4）定时）定时/计数器计数器(ROM)： 8051有两个有两个16位的可编程定时位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数，当定时计数器，以实现定时或计数，当定时/计计数器产生溢出时，可用中断方式控制程序转向。数器产生溢出时，可用中断方式控制程序转向。5）并行输入输出）并行输入输出(I/O)口：口： 8051共有共有4个个8位的并行位的并行I/O口口(P0、P1、P2、P3)，用于对外部数据的传，用于对外部数据的传输。输。6）全双工串行口：）全双工

19、串行口： 8051内置一个全双工异步串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传内置一个全双工异步串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。7）中断系统：）中断系统： 8051具备较完善的中断功能，有五个中断源（两个外中断、两个定时具备较完善的中断功能，有五个中断源（两个外中断、两个定时/计计数器中断和一个串行中断），可基本满足不同的控制要求，并具有数器中断和一个串行中断），可基本满足不同的控制要求，并具有2级的优先级的优先级别选择。级别选择。8）时钟电路：）时钟电路： 805

20、1内置最高频率达内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的时的时钟电路，用于产生整个单片机运行的时序脉冲，但需外接晶体振荡器和振荡电容。序脉冲，但需外接晶体振荡器和振荡电容。 以下以小型立式包装机为例，详细分析其工作原理及其步进电机的传动以下以小型立式包装机为例，详细分析其工作原理及其步进电机的传动控制。小型立式包装机工作原理很简单，把包装材料先在包装机上安装好，安控制。小型立式包装机工作原理很简单，把包装材料先在包装机上安装好，安装好后，开机，第一步，由拉袋电机把包装纸往下拉，然后供纸部分根据供纸装好后，开机，第一步，由拉袋电机把包装纸往下拉，然后供纸部分根据供纸传感器的信

21、号供纸，包装纸经过成型器部分成型，然后再由加热封合部分把包传感器的信号供纸，包装纸经过成型器部分成型，然后再由加热封合部分把包装袋底部封合，下一步就是下料，物料进入包装机，然后再封合，最后切断，装袋底部封合，下一步就是下料，物料进入包装机，然后再封合，最后切断，一个完整的包装袋就出来了。一个完整的包装袋就出来了。 3.1.3 项目制作（做）项目制作（做） 本任务采用的是本任务采用的是28BYJ48型四相电机型四相电机作为系统的执行器，电压为直流作为系统的执行器，电压为直流5V，当，当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。冲时，它可以

22、连续不断地转动。 本任务采用四相双四拍工作方式。接本任务采用四相双四拍工作方式。接线图如图线图如图3-7所示。所示。 红线接电源红线接电源5V，橙线，橙线p1.3口，黄线口，黄线接接p1.2口，粉线接口，粉线接p1.1口，蓝线接口，蓝线接p1.0口口 项项 目目 要要 求求 图图3-7 步进电机接线图步进电机接线图1建立步进电动机相序建立步进电动机相序项项 目目 实实 施施 表表3-1 四相双四拍相序控制表四相双四拍相序控制表 2. 系统原理图的绘制系统原理图的绘制图图3-8 步进电机控制系统框图步进电机控制系统框图 3单片机单片机C程序设计程序设计 根据控制电路的要求，设计根据控制电路的要求

23、，设计C语言控制程序，并在语言控制程序，并在Keil 3.0软件中进行软件中进行仿真。仿真。 项项 目目 评评 价价项目目标分值评分得分编写相序控制表能正确分析控制要求，控制脉冲时序20不完整，每处扣2分绘制原理图按照控制要求，绘制系统原理图，要求完整、美观10不规范，每处扣2分在Proteus中搭建仿真系统按照原理图，搭建仿真系统。线路安全简洁，符合工艺要求30不规范，每处扣5分程序设计与调试（1）程序设计简洁易读，符合任务要求（2）在保证人身和设备安全的前提下，通电调试一次成功40第一次调试不成功扣5分；第二次调试不成功扣10分总分100表表3-2 项目评价表项目评价表1. 步进电机在供送

24、包装膜中的应用步进电机在供送包装膜中的应用 1）用于间歇式包装机）用于间歇式包装机 2）用于连续式包装机）用于连续式包装机 2. 步进电机在横封中的应用步进电机在横封中的应用3. 步进电机在物料计量方面的应用步进电机在物料计量方面的应用1）粉状物料的计量）粉状物料的计量2）粘稠体物料的计量）粘稠体物料的计量3.1.4 知识拓展（拓）知识拓展（拓）3.2.1 项目思考（思）项目思考（思） 直流伺服电机具有良好的宽调速性能。输出转矩大，过载能力强，伺服直流伺服电机具有良好的宽调速性能。输出转矩大，过载能力强，伺服系统也由开环控制发展为闭环控制，因而在工业及相关领域获得了更加广泛的系统也由开环控制发

25、展为闭环控制，因而在工业及相关领域获得了更加广泛的运用。而传统直流电动机采用的是机械式换向器，在应用过程中面临很多问题，运用。而传统直流电动机采用的是机械式换向器，在应用过程中面临很多问题，如电刷和换向器易磨损，维护工作量大，成本高；换向器换向时会产生火花，如电刷和换向器易磨损，维护工作量大，成本高；换向器换向时会产生火花，使电机的最高转速及应用环境受到限制；直流电机结构复杂、成本高、对其他使电机的最高转速及应用环境受到限制；直流电机结构复杂、成本高、对其他设备易产生干扰。设备易产生干扰。 这些问题的存在，限制了直流伺服系统在高精度、高性能要求伺服驱动场这些问题的存在，限制了直流伺服系统在高精

26、度、高性能要求伺服驱动场合的应用。合的应用。问题思考：问题思考： 从三个方面去思考：从三个方面去思考： 1、直流伺服电机的应用改变了以往工业控制的模式，由开环控制发展为、直流伺服电机的应用改变了以往工业控制的模式，由开环控制发展为闭环控制，这两种控制有什么特点？闭环控制，这两种控制有什么特点？ 2、直流伺服电机在控制上有哪些特点？、直流伺服电机在控制上有哪些特点？ 3、直流伺服电机一般应用在哪些场合，有什么局限性？、直流伺服电机一般应用在哪些场合，有什么局限性？任务任务3-2 直流伺服电动机传动控制直流伺服电动机传动控制项目思考开环与闭环控制特点？直流伺服控制直流伺服电机控制特点？直流伺服电机

27、应用局限？直流伺服电机结构及原理PWM简介及调速原理伺服系统火花机原理及过程分析建立伺服控制系统项目知识项目实践知识分布网络控制流程的制定直流伺服系统的历史发展知识拓展火花机控制系统模型 知识点知识点1: 直流伺服电机结构及直流伺服电机结构及工作原理工作原理 直流伺服电机的结构主要包括三大直流伺服电机的结构主要包括三大部分：部分：（1）定子。定子磁极磁场由定子的磁极）定子。定子磁极磁场由定子的磁极产生。根据产生磁场的方式，直流伺服产生。根据产生磁场的方式，直流伺服电动机可分为永磁式和他激式。电动机可分为永磁式和他激式。 （2）转子。又称为电枢，由硅钢片叠压）转子。又称为电枢，由硅钢片叠压而成，

28、表面嵌有线圈，通以直流电时，而成，表面嵌有线圈，通以直流电时，在定子磁场作用下产生带动负载旋转的在定子磁场作用下产生带动负载旋转的电磁转矩。电磁转矩。（3）电刷与换向片。为使所产生的电磁）电刷与换向片。为使所产生的电磁转矩保持恒定方向，转子能沿固定方向转矩保持恒定方向，转子能沿固定方向均匀的连续旋转，电刷与外加直流电源均匀的连续旋转，电刷与外加直流电源相接，换向片与电枢导体相接。相接，换向片与电枢导体相接。 3.2.2 项目知识（学）项目知识（学） 图图3-9 直流伺服电机结构直流伺服电机结构 直流伺服电动机的工作原理与一般直流电动机的工作原理是完全相同，直流伺服电动机的工作原理与一般直流电动

29、机的工作原理是完全相同，他励直流电机转子上的载流导体（即电枢绕组），在定子磁场中受到电磁转矩他励直流电机转子上的载流导体（即电枢绕组），在定子磁场中受到电磁转矩M的作用，使电机转子旋转。由直流电机的基本原理分析得到：的作用，使电机转子旋转。由直流电机的基本原理分析得到： 由式中可知，调节电机的转速有三种方法：由式中可知，调节电机的转速有三种方法： （1）改变电枢电压）改变电枢电压 。调速范围较大，直流伺服电机常用此方法调速；。调速范围较大，直流伺服电机常用此方法调速； （2）变磁通量）变磁通量（即改变（即改变 的值）。改变激磁回路的电阻的值）。改变激磁回路的电阻 以改变以改变激磁电流激磁电流

30、，可以达到改变磁通量的目的；，可以达到改变磁通量的目的； （3）在电枢回路中串联调节电阻。）在电枢回路中串联调节电阻。eaaKRIUn)( (3-3) UeKfRfI （1）简介：）简介：PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，获得所需要波形。列脉冲的宽度进行调制，获得所需要波形。PWM的一个优点是从处理器到被的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换，让信号保持在数字形式可将控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换，让信号保持在数字形式可将噪声影响降到最小。噪声影响降到最小。 （2）

31、PWM控制基本原理控制基本原理 理论基础：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效理论基础：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。果基本相同。知识点知识点2 :PWM简介及调速原理简介及调速原理 图图3-10 冲量相等而形状不同的窄脉冲冲量相等而形状不同的窄脉冲 图图3-11 简单的电路及输出波形简单的电路及输出波形 电路输入：电路输入：u(t)u(t)，窄脉冲，窄脉冲，如图如图3-10a3-10a、b b、c c、d d所示所示 电路输出：电路输出：i(t)i(t)，图，图3-113-11（b b） 面积等效原理：面积等效原理： 分别将如图分别将如图

32、3-10所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如电路）上，如图图3-11（a）所示。其输出电流）所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图对不同窄脉冲时的响应波形如图3-11（b）所示。所示。调速原理：调速原理： 占空比表示了在一个周期占空比表示了在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值。其变化里，开关管导通的时间与周期的比值。其变化范围为范围为0-1。在电源电压不变的情况下，电枢的端电压的平均值。在电源电压不变的情况下，电枢的端电压的平均值U取决于占空取决于占空比的大小。比的大小。 伺服系统是一个闭环的自动控制系统伺服系统是一个闭环

33、的自动控制系统,在伺服控制系统中在伺服控制系统中,单片机除了要控单片机除了要控制系统的功率主回路（制系统的功率主回路（PWM功放回路）外，同时还要实时监测系统的状态。功放回路）外，同时还要实时监测系统的状态。 在位置伺服控制系统中，目前有两种反馈方式，开环与闭环。闭环中一在位置伺服控制系统中，目前有两种反馈方式，开环与闭环。闭环中一类是将执行电机的角位移信号反馈回系统的输入端，这样的系统称之为半闭环类是将执行电机的角位移信号反馈回系统的输入端，这样的系统称之为半闭环系统。其优点是易调整，缺点是反馈信号不是系统的输出信号，控制精度不如系统。其优点是易调整，缺点是反馈信号不是系统的输出信号，控制精

34、度不如全闭环高。另一种方式即全闭环的反馈方式，全闭环方式是将系统的输出反馈全闭环高。另一种方式即全闭环的反馈方式，全闭环方式是将系统的输出反馈回系统的输入，其控制精度高，但考虑传动机构的间隙等因素，系统不易调整。回系统的输入，其控制精度高，但考虑传动机构的间隙等因素，系统不易调整。 知识点知识点3: 伺服系统伺服系统 1. 单传感器系统单传感器系统 图图3-12 单传感器系统框图单传感器系统框图 单传感器系统是采用一个传感器负责采集位置信号。速度信号可由位置单传感器系统是采用一个传感器负责采集位置信号。速度信号可由位置信号近似求得。由位置信号求取速度的原理是利用位置的一阶导数。信号近似求得。由

35、位置信号求取速度的原理是利用位置的一阶导数。 tt）（ （3-5）其中，其中， 在采样周期内角位移的增量在采样周期内角位移的增量; t ; t 采样周期。采样周期。2. 双传感器系统双传感器系统图图3-13 双传感器系统框图双传感器系统框图 如图如图3-133-13所示所示, ,在采用双传感器控制系统中，位置信号和速度信号是分别在采用双传感器控制系统中，位置信号和速度信号是分别由不同的传感器检测反馈。位置传感器通常采用光码盘，光码盘与电动机轴由不同的传感器检测反馈。位置传感器通常采用光码盘，光码盘与电动机轴同轴连接，将电机输出的角位移信号转换为与之成一定比例关系的脉冲信号。同轴连接，将电机输出

36、的角位移信号转换为与之成一定比例关系的脉冲信号。可逆计数器对光码盘输出的脉冲进行计数，计算机在采样时刻读入数值，经可逆计数器对光码盘输出的脉冲进行计数，计算机在采样时刻读入数值，经控制算法运算后，输出数字结果，经控制算法运算后，输出数字结果，经D/AD/A转换，输出模拟量的电压信号。转换，输出模拟量的电压信号。项项 目目 要要 求求 直流伺服电机的模拟调速系统一般是由直流伺服电机的模拟调速系统一般是由2个闭环构成的，既速度闭环和电个闭环构成的，既速度闭环和电流闭环，为使二者能够相互协调、发挥作用，在系统中设置了流闭环，为使二者能够相互协调、发挥作用，在系统中设置了2个调节器，分个调节器，分别调

37、节转速和电流。别调节转速和电流。2个反馈闭环在结构上采用一环套一环的嵌套结构，这就个反馈闭环在结构上采用一环套一环的嵌套结构，这就是所谓的双闭环调速系统，它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点，因而得是所谓的双闭环调速系统，它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点，因而得到广泛地应用。直流伺服电机可应用在火花机，机器手，精确的机器等，同时到广泛地应用。直流伺服电机可应用在火花机，机器手，精确的机器等，同时可加配减速箱，令机器设备带来可靠的准确性及高扭力。可加配减速箱，令机器设备带来可靠的准确性及高扭力。 3.2.3 项目实践（做）项目实践（做） 下面以火花机为例，详细说明直流下面以火花机为例，详细说

38、明直流伺服电机的传动控制。伺服电机的传动控制。本任务主要有以下要求：本任务主要有以下要求：1熟悉火花机的工作原理；熟悉火花机的工作原理；2掌握火花机整个伺服系统的构建；掌握火花机整个伺服系统的构建；3掌握直流伺服系统的软件控制流程。掌握直流伺服系统的软件控制流程。 图图3-14 joemars火花机火花机 1 火花机原理及其工作过程分析火花机原理及其工作过程分析 火花机（简称火花机（简称EDM，全称，全称Electrical Discharge Machining）是利用浸）是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀除导电材料的特种加工方法，在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用

39、蚀除导电材料的特种加工方法，又称放电加工或电蚀加工。火花加工主要用于加工具有复杂形状的型孔和型腔又称放电加工或电蚀加工。火花加工主要用于加工具有复杂形状的型孔和型腔的模具和零件；加工各种硬、脆材料；加工各种成形刀具、样板和螺纹环规等的模具和零件；加工各种硬、脆材料；加工各种成形刀具、样板和螺纹环规等工具。工具。 在进行电火花加工时，工具电极和工件分别接脉冲电源的两极，并浸入在进行电火花加工时，工具电极和工件分别接脉冲电源的两极，并浸入工作液中，或将工作液充入放电间隙。通过间隙自动控制系统（直流伺服系统）工作液中，或将工作液充入放电间隙。通过间隙自动控制系统（直流伺服系统）控制工具电极向工件进给

40、，当两电极间的间隙达到一定距离时，两电极上施加控制工具电极向工件进给，当两电极间的间隙达到一定距离时，两电极上施加的脉冲电压将工作液击穿，产生火花放电。的脉冲电压将工作液击穿，产生火花放电。项项 目目 实实 施施 2建立伺服控制系统建立伺服控制系统 控制系统是以单片机为控制器，以测速发电机为速度反馈元件，以光电控制系统是以单片机为控制器，以测速发电机为速度反馈元件，以光电编码器为角位置反馈元件。驱动装置为大功率晶体管编码器为角位置反馈元件。驱动装置为大功率晶体管PWM功率放大器，执行功率放大器，执行电机为直流伺服电机。其控制系统框图如图电机为直流伺服电机。其控制系统框图如图3-15所示，其硬件

41、原理框图为图所示，其硬件原理框图为图3-16。图图3-15 火花机控制系统框图火花机控制系统框图 图图3-16 火花机控制系统硬件原理图火花机控制系统硬件原理图 这个系统由角度反馈环和速度反馈环双环组成这个系统由角度反馈环和速度反馈环双环组成,角度反馈是系统的主反馈角度反馈是系统的主反馈,反馈结果和给定输入值反馈结果和给定输入值 进行相减，产生角度偏差信号进行相减，产生角度偏差信号 ，偏差信号由比，偏差信号由比例环节例环节K1放大，送到下一个环节。放大，送到下一个环节。3火花机控制系统模型火花机控制系统模型图图3-17火花机控制系统模型火花机控制系统模型 Re 程序开始执行时，首先对单片机程序

42、开始执行时，首先对单片机的的I/O进行初始化。单片机的进行初始化。单片机的P1口与口与P3.0口设定为输入口，直接接收来自口设定为输入口，直接接收来自光电编码器输出的数字信号。对给定光电编码器输出的数字信号。对给定值直接接收来自光电编码器的数字信值直接接收来自光电编码器的数字信号。对给定值进行采样是对号。对给定值进行采样是对0809输输入的模拟量的转换结果进行读取的。入的模拟量的转换结果进行读取的。对角度值读取是读取光电编码器输出对角度值读取是读取光电编码器输出的数据。对速度采样后，就可以计算的数据。对速度采样后，就可以计算控制量控制量C，进而把控制量送给，进而把控制量送给DAC0832产生控

43、制信号去控制产生控制信号去控制PWM功率放大器工作功率放大器工作，驱动伺服电机转动。驱动伺服电机转动。4.控制流程的制定控制流程的制定 图图3-18 控制流程图控制流程图 项项 目目 评评 价价项目目标分值评分得分建立硬件伺服控制系统能正确分析控制要求，搭建硬件系统20不完整，每处扣2分建立控制系统模型按照控制要求，建立控制系统原理图，要求完整、美观10不规范，每处扣2分在Proteus中搭建仿真系统按照原理图，搭建仿真系统。线路安全简洁，符合工艺要求30不规范，每处扣5分程序设计与调试（1）程序设计简洁易读，符合任务要求（2）在保证人身和设备安全的前提下，通电调试一次成功40第一次调试不成功

44、扣5分；第二次试车不成功扣10分总分100表表3-3 项目评价表项目评价表3.3.1 项目思考（思）项目思考（思） 20世纪世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘系统已成为当代高性能

45、伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。异。 从三个方面去思考：从三个方面去思考： 1交流伺服电机与直流伺服电机比较，差别差别是什么？交流伺服电机与直流伺服电机比较，差别差别是什么？ 2控制脉冲如何产生？控制脉冲如何产生？ 3交流伺服系统如何构建？交流伺服系统如何构建？任务任务3-3 交流伺服电动机传动控制交流伺服电动

46、机传动控制 项目思考交直流伺服电机差别？交流伺服控制控制脉冲如何产生？交流伺服系统如何构建？交流伺服电机结构及原理交流伺服电机的控制方式51系列定时器的使用自动送粉器工作过程分析伺服控制系统构建项目知识项目实践知识分布网络系统软件设计交流伺服系统构成和发展知识拓展单片机控制器的硬件设计知识点知识点1:1. 交流伺服电的结构及工作原理交流伺服电的结构及工作原理 “伺服电机伺服电机”可以理解为绝对服从控制可以理解为绝对服从控制信号指挥的电机；在控制信号发出前，转子信号指挥的电机；在控制信号发出前，转子不动；当控制信号发出时，转子立即转动；不动；当控制信号发出时，转子立即转动；当控制信号消失时，转子

47、立刻停转。伺服电当控制信号消失时，转子立刻停转。伺服电机一般分为交流伺服和直流伺服两大类。机一般分为交流伺服和直流伺服两大类。 交流伺服电机基本构造与交流感应电动交流伺服电机基本构造与交流感应电动机相似。在定子上有两个空间相位相差机相似。在定子上有两个空间相位相差90度的励磁绕组和控制绕组。按恒定交流电压，度的励磁绕组和控制绕组。按恒定交流电压，利用施加到励磁绕组上的交流电压或相位的利用施加到励磁绕组上的交流电压或相位的变化，达到控制电机运行的目的。变化，达到控制电机运行的目的。 3.3.2 项目知识（学）项目知识（学）图图3-19 交流伺服电机结构图交流伺服电机结构图 1）异步型交流伺服电动

48、机：）异步型交流伺服电动机：异步型交流伺服电动机指的是交流感应电动机。它有三相和单相之分，也异步型交流伺服电动机指的是交流感应电动机。它有三相和单相之分，也有鼠笼式和线绕式，通常多用鼠笼式三相感应电动机。有鼠笼式和线绕式，通常多用鼠笼式三相感应电动机。2）同步型交流伺服电动机：）同步型交流伺服电动机： 同步型交流伺服电动机虽较感应电动机复杂，但比直流电动机简单。它的同步型交流伺服电动机虽较感应电动机复杂，但比直流电动机简单。它的定子与感应电动机一样，都在定子上装有对称三相绕组。而转子却不同，按不定子与感应电动机一样，都在定子上装有对称三相绕组。而转子却不同，按不同的转子结构又分电磁式及非电磁式

49、两大类。非电磁式又分为磁滞式、永磁式同的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。和反应式多种。2.交流伺服电动机分类交流伺服电动机分类 转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小。来设定电机轴对外的输出转矩的大小。 位置控制：位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动位置控制：位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角

50、度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。式直接对速度和位移进行赋值。 速度模式：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，速度模式：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈做运算用。的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈做运算用。 知识点知识点2: 交流伺服电机的控制方式交流伺服电机的控制方式 定时定时/计数器计数器 0 和定时和定时/计数器计数器1都有都有4种定时模式。种定时模

51、式。 16位定时器对内部机器周期进行技术，机器周期加位定时器对内部机器周期进行技术，机器周期加1，定时器值加，定时器值加1,1MHZ模式下，一个机器周期为模式下，一个机器周期为1us 。 定时器工作模式寄存器定时器工作模式寄存器TMOD，不可位寻址，需整体赋值，高，不可位寻址，需整体赋值，高4位用于定位用于定时器时器1，第四位用于定时器，第四位用于定时器0。知识点知识点3: 51系列定时器的使用系列定时器的使用 表表3-4 TMOD寄存器结构寄存器结构 表表3-5 定时器定时器/计数器工作方式设置表计数器工作方式设置表 C/TC/T：为定时器功能选择位，：为定时器功能选择位，C/T=0C/T=

52、0对机器周期计数，对机器周期计数，C/T=1C/T=1，对外部脉冲计数。对外部脉冲计数。 GATE:GATE:门控位，门控位，GATE=0GATE=0，软，软件置位件置位TRnTRn即可启动计时器，即可启动计时器，GATE=1GATE=1需外部中断引脚为高电平需外部中断引脚为高电平时才能软件置位时才能软件置位TRnTRn启动计时器，启动计时器，一般取一般取GATE=0GATE=0。 定时器控制寄存器定时器控制寄存器TCON TFn：Tn溢出标志位，当定时器溢出时，硬件置位溢出标志位，当定时器溢出时，硬件置位TFn，中断使能的情，中断使能的情况下，申请中断，况下，申请中断，CPU响应中断后，硬件

53、自动清除响应中断后，硬件自动清除TFn。 TRn：计时器启动控制位，软件置位：计时器启动控制位，软件置位TRn即可启动定时器，软件清除即可启动定时器，软件清除TRn关闭标志位。关闭标志位。 IEn：外部中断请求标志位。：外部中断请求标志位。 ITn：外部中断出发模式控制位，：外部中断出发模式控制位，ITn=0为低电平触发，为低电平触发，ITn=1为下降沿触为下降沿触发。发。 TCOND7D6D5D4D3D2D1D0TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0位地址8FH8EH8DH8CH8BH8AH89H88H表表3-6 TCON结构结构 中断允许控制寄存器中断允许控制寄存器IE EA（I

54、E.7）：全局中断控制位。）：全局中断控制位。 IE.6无意义。无意义。 ETn:定时器中断使能控制位。定时器中断使能控制位。 ES：串行接收：串行接收/发送中断控制位，置位允许中断。发送中断控制位，置位允许中断。 EXn：外部中断使能控制位。：外部中断使能控制位。IED7D6D5D4D3D2D1D0EA-ESET1EX1ET0EX0位地址AFHACHABHAAHA9HA8H表表3-7 IE寄存器结构寄存器结构 中断优先级控制寄存器中断优先级控制寄存器IP，复位后为，复位后为00H IP.6，IP.7保留，无意义。保留，无意义。 PT2：定时器：定时器2中断优先级控制。中断优先级控制。 PS：

55、串行中断优先级控制位。：串行中断优先级控制位。 PT1/0：定时器：定时器1/0优先级控制位。优先级控制位。 PXn：外部中断优先级控制位。：外部中断优先级控制位。IPD7D6D5D4D3D2D1D0-PSPT1Px1PT0PX0位地址BCHBBHBAHB9HB8H表表3-8 IP中断控制寄存器结构中断控制寄存器结构 图图3-20 定时器定时器/计数器工作方式计数器工作方式0逻辑结构逻辑结构 TL0 TL0高高3 3位不用，低位不用，低5 5位溢出时，直接向位溢出时，直接向TH0TH0进位。进位。 通过设置通过设置TH0TH0和和TL0TL0初值（初值（0819108191），使计数器从初值开

56、始加），使计数器从初值开始加1 1，溢出，溢出后申请中断，溢出后需重新设置初值，否则将从后申请中断，溢出后需重新设置初值，否则将从0 0开始加开始加1 1计数。计数。 T=(T=(模值模值- -初值初值) )* *机器周期，初值为机器周期，初值为81918191位计数最小值位计数最小值1 1，初值为，初值为0 0为计为计数最大值数最大值81918191。 模式模式1和模式和模式0功能相同，但模式功能相同，但模式1 16位。位。 图图3-21 定时器定时器/计数器工作方式计数器工作方式1逻辑结构逻辑结构 定时器模式定时器模式2 模式模式2构成自动重装的构成自动重装的8位定时器，计数器的范围为位定

57、时器，计数器的范围为0256 TH作为初值寄存器，作为初值寄存器，TL作为计数寄存器。作为计数寄存器。TL溢出时，置位中断标志溢出时，置位中断标志位，并且把位，并且把TH中的值自动装入中的值自动装入TL。 图图3-22 定时器定时器/计数器工作方式计数器工作方式2逻辑结构逻辑结构 定时器模式定时器模式3，模式，模式3只适用于定时器只适用于定时器0 模式模式3时定时器构成时定时器构成2个独立的个独立的8位计数器。位计数器。 此模式下，此模式下，TL0和模式和模式0,1状态一样可以做计数和定时。状态一样可以做计数和定时。TH0只能用于定只能用于定时不能用于计数，并占用时不能用于计数，并占用T1的资

58、源的资源TF1和和TR1。 图图3-23定时器定时器/计数器工作方式计数器工作方式3逻辑结构逻辑结构项项 目目 要要 求求1认识交流伺服电机的工作原理；认识交流伺服电机的工作原理；2熟悉交流伺服电机的系统搭建；熟悉交流伺服电机的系统搭建；3熟悉交流伺服电机的软件编程。熟悉交流伺服电机的软件编程。3.3.3 项目实践（做）项目实践（做） 项项 目目 实实 施施 1.激光熔覆自动送粉器工作过程分析激光熔覆自动送粉器工作过程分析 本任务讲解的是螺旋式送粉器。本任务讲解的是螺旋式送粉器。螺旋式送粉器工作时，电机带动螺螺旋式送粉器工作时，电机带动螺杆旋转，使粉末沿着桶壁输送至混杆旋转，使粉末沿着桶壁输送

59、至混合器，然后混合器中的载流气体将合器，然后混合器中的载流气体将粉末以流体的方式输送至加工区域。粉末以流体的方式输送至加工区域。为了使粉末充满螺纹间隙，粉末存为了使粉末充满螺纹间隙，粉末存储仓斗底部加有振动器，能提高送储仓斗底部加有振动器，能提高送粉量的精度。送粉量的大小可以由粉量的精度。送粉量的大小可以由电机的转速调节。电机的转速调节。 图图3-33 激光熔覆自动送粉器结构激光熔覆自动送粉器结构 2.伺服控制系统构建伺服控制系统构建 控制系统采用控制系统采用MCS51系列单片机系列单片机AT89C51作为处理器系统。电机选用上作为处理器系统。电机选用上是松下是松下MSMA082A1G型交流伺

60、服电机。驱动器选用的是松下型交流伺服电机。驱动器选用的是松下MINA S A系列系列全数字式交流伺服驱动器。伺服驱动器连接器全数字式交流伺服驱动器。伺服驱动器连接器CN I/F信号作为外部控制信号输信号作为外部控制信号输入入/输出，连接器输出，连接器CN SIG作为伺服电机编码器的连接线。作为伺服电机编码器的连接线。 系统采用了增量式光电编码器的伺服驱动器，它的接线是系统采用了增量式光电编码器的伺服驱动器，它的接线是PULS1与单片与单片机输出脉冲信号相连，机输出脉冲信号相连，PULS2接接+5v信号，信号，SIGN1接方向信号，接方向信号，SIGN2接接+5V信号，信号，COM+，COOM_