机电一体化 课件 4 机电一体化伺服驱动技术

4机电一体化伺服驱动技术任务4.1认识机电一体化伺服驱动技术1伺服驱动系统的组成2伺服系统分类3输出接口装置任务4.1认识机电一体化伺服驱动技术伺服驱动技术指执行系统和机构中的一些技术问题。伺服（Servo）即“伺候服侍”，是在控制指令的指挥下，控制执行元件，使机械系统的运动部件按照指令要求运动。伺服系统是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度及动力输出的自动控制系统。任务4.1认识机电一体化伺服驱动技术伺服系统主要用于机械设备位置和速度的动态控制，加工中心的机械加工过程就是一个典型的伺服控制过程，位移传感器不断地将刀具进给的位移传送给计算机，通过与加工位置目标比较，计算机输出继续加工或停止加工的控制信号。任务4.1认识机电一体化伺服驱动技术从自动控制理论的角度来分析，机电一体化的伺服控制系统一般由以下环节组成：

伺服系统组成原理框图1.伺服驱动系统的组成任务4.1认识机电一体化伺服驱动技术（1）比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。任务4.1认识机电一体化伺服驱动技术

1.伺服驱动系统的组成（2）控制器通常是计算机或PID控制电路，主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。机电应用中，主要控制以下几种物理量：1）在机械系统中：力，扭矩、位移、速度；2）在电气系统中：电压、电流；3）在液压系统中：流量、压力。任务4.1认识机电一体化伺服驱动技术1.伺服驱动系统的组成（3）执行元件作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。任务4.1认识机电一体化伺服驱动技术1.伺服驱动系统的组成（4）被控对象

是指被控制的机构或装置，是直接完成系统目的的主体。一般包括传动系统、执行装置和负载。任务4.1认识机电一体化伺服驱动技术1.伺服驱动系统的组成（5）检测环节是指能够对输出进行测量，并转换成比较环节所需要的量纲的装置。一般包括传感器和转换电路。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。

在实际的伺服控制系统中，上述的每个环节在硬件特征上并不独立，可能几个环节在一个硬件中，如测速直流电机即是执行元件又是检测元件。任务4.1认识机电一体化伺服驱动技术1.伺服驱动系统的组成伺服系统按伺服执行元件类型或其控制能源分，可分为三类：电动伺服系统、液动伺服系统、气动伺服系统伺服系统按伺服执行元件分类图2.伺服系统分类──（1）按伺服执行装置类型分类任务4.1认识机电一体化伺服驱动技术典型执行元件

执行元件是将控制信号转换成机械运动和机械能量的转换元件。机电一体化伺服系统要求执行元件具有转动惯量小、输出动力大、便于控制、可靠性高和安装维护简便等特点。电气式、液压式和气动式执行元件是三种最常用的执行元件，下面我们对这三种执行元件分别进行分析。任务4.1认识机电一体化伺服驱动技术

①电动伺服系统执行元件实现回转运动的有:直流电动机、交流电动机、步进电机

实现直线运动的有：直线电机；

实现开关或继电逻辑动作的有：电磁阀、继电器等。任务4.1认识机电一体化伺服驱动技术2.伺服系统分类──（1）按伺服执行装置类型分类1)电动伺服系统②电动伺服系统特点

电动伺服系统获得能源容易，使用方便，与计算机接口方便。随着交流电动机变频调速与直线电动机新技术的发展，速度调整容易、响应快范围宽，不需要设置或少设置齿轮、同步带等传动机构，大大减化了机械设计，使机械设计向轻、小、灵发展，因而在机电一体化产品中获得广泛应用。任务4.1认识机电一体化伺服驱动技术2.伺服系统分类──（1）按伺服执行装置类型分类1)电动伺服系统常见伺服驱动器与配套的电机产品任务4.1认识机电一体化伺服驱动技术液动执行元件主要有液压控制器、液压伺服放大器、伺服阀及液压执行机构。液压伺服装置有：液压油缸、液压马达和液压伺服调节阀等。常用于大功率推动机械，如压延机、轧钢机、工程机械等。液动伺服系统缺点是：易漏油、占地面积大，动态响应不如伺服电动机。

任务4.1认识机电一体化伺服驱动技术2.伺服系统分类──（1）按伺服执行装置类型分类2）液动伺服系统任务4.1认识机电一体化伺服驱动技术2.伺服系统分类──（1）按伺服执行装置类型分类液动伺服系统的构成图液压伺服装置2）液动伺服系统3）气动伺服系统2.伺服系统分类──（1）按伺服执行装置类型分类任务4.1认识机电一体化伺服驱动技术气动伺服系统由电源、空气压缩机、过滤器、气动控制器和执行器部分构成。气动执行元件有气压缸、气动马达、气动吸盘机、射钉枪等。气动伺服系统的构成3）气动伺服系统2.伺服系统分类──（1）按伺服执行装置类型分类任务4.1认识机电一体化伺服驱动技术气动伺服系统突出优点是：气源方便、结构简单、动作快、不需要减速机构，适用于工件的夹紧、吸附、输送等生产自动线上。特别是在防燃、防爆要求高的地方获得广泛应用。气动伺服系统的缺点是：输出功率小、体积大、工作噪声大并且伺服控制难。气动伺服系统的构成

气动伺服装置任务4.1认识机电一体化伺服驱动技术3）气动伺服系统2.伺服系统分类──（1）按伺服执行装置类型分类气动伺服系统系统的应用

任务4.1认识机电一体化伺服驱动技术2.伺服系统分类──（1）按伺服执行装置类型分类3）气动伺服系统种类特点优点缺点电气式

可用商业电源；信号与动力传送方向相同；有交流直流之分；注意使用电压和功率。操作简便；编程容易；能实现定位伺服控制；响应快、易与计算机（CPU）连接；体积小、动力大、无污染。瞬时输出功率大；过载差；一旦卡死，会引起烧毁事故；受外界噪音影响大。气压式

气体压力源压力5~7×Mpa；要求操作人员技术熟练。气源方便、成本低；无泄露而污染环境；速度快、操作简便。功率小、体积大、难于小型化；动作不平稳、远距离传输困难；噪音大；难于伺服。液压式液体压力源压力20~80×Mpa；要求操作人员技术熟练。输出功率大，速度快、动作平稳，可实现定位伺服控制；易与计算机（CPU）连接。设备难于小型化；液压源和液压油要求严格；易产生泄露而污染环境。电气式、液压式和气动式执行元件的具体特点任务4.1认识机电一体化伺服驱动技术伺服系统按有无检测传感器及传感器安装的位置可分为三种：开环、半闭环、全闭环伺服系统

开环伺服系统---未安装传感器，开环，步进电机作为执行元件，系统简单、经济。任务4.1认识机电一体化伺服驱动技术2.伺服系统分类──（2）按检测反馈装置分类未安装传感器，开环，使用步进电机系统简单、经济半闭环伺服系统---安装有位置或速度检测传感器(如光电编码器)，但是不直接安装在运动机械如数控机床的刀架或工作台上，而是安装在与交、直流电动机内尾端同轴上或传动机构如滚珠丝杠付的未端，间接反映了运动机械位置或速度的变化量。任务4.1认识机电一体化伺服驱动技术2.伺服系统分类──（2）按检测反馈装置分类在电机同轴上安装传感器，间接反映执行机构运动状态，半闭环，使用交、直流伺服电机，精度比开环高，系统稳定全闭环伺服系统---在运动机械上如工作台上安装传感器（光栅尺），包含传动机械误差，直接反映执行机构运动状态，全闭环，使用交、直流伺服电机，是精度最高的伺服系统。2.伺服系统分类──（2）按检测反馈装置分类任务4.1认识机电一体化伺服驱动技术在执行机构上安装传感器，直接反映执行机构运动状态，全闭环，使用交、直流伺服电机，精度最高。

伺服系统按检测反馈装置特点分类图任务4.1认识机电一体化伺服驱动技术未安装传感器，开环，使用步进电机系统简单、经济在电机同轴上安装传感器，间接反映执行机构运动状态，半闭环，使用交、直流伺服电机，精度比开环高，系统稳定，常用在执行机构上安装传感器，直接反映执行机构运动状态，全闭环，使用交、直流伺服电机，精度最高。执行元件与负载之间的连接方式一般有两种形式：

（1）与负载固连，直接驱动；（2）通过不同的机械传动装置（如齿轮传动链、带传动）与负载相连。这些机械传动装置就是执行元件的输出接口装置。3.输出接口装置任务4.1认识机电一体化伺服驱动技术执行元件选用直线运动的液压缸或气缸时，往往采用直接驱动方式；选用回转运动的电动机或液压马达时：若负载惯量和负载力矩较小，宜采用低速马达或采用低传动比的机械传动装置与负载相连，以得到较大的力矩惯量比，获得好的加速性能，负载惯量较大时，宜采用高传动比的机械传动装置与负载相连，以便获得较高的驱动系统固有频率。任务4.1认识机电一体化伺服驱动技术任务4.2步进电动机驱动控制4机电一体化伺服驱动技术任务4.2步进电动机驱动控制1步进电动机的结构2步进电动机的分类3步进电动机的工作原理4步进电动机的特点5步进电动机的驱动控制步进电机驱动系统原理图

步进电动机驱动系统一般构成典型的开环系统，其结构原理如图所示。在开环系统中，执行元件是步进电动机，它能将CNC装置输出的进给脉冲转换成机械角位移运动，并通过齿轮、丝杠带动工作台直线移动。任务4.2步进电动机驱动控制

步进电动机驱动系统中无位置、速度检测环节，其精度主要取决于步进电动机的步距角以及与之相连传动链的精度。

步进电动机的最高转速通常要比直流伺服电动机和交流伺服电动机低，且在低速时容易产生振动，影响加工精度。

步进电动机驱动系统的制造与控制比较容易，在速度和精度要求不太高的场合有一定的使用价值，特别适合于中、低精度的经济型数控机床和普通机床的数控化改造。任务4.2步进电动机驱动控制以单定子、径向分相、反应式步进电动机为例定子转子——齿轮状导磁体铁心定子铁心：由硅钢片叠压而成定子绕组：是绕置在定子铁心上的线圈，在

径向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组任务4.2步进电动机驱动控制1.步进电动机的结构单定子径向分相反应式步进电动机结构原理图1-绕组；2-定子铁心；3-转子铁心图所示的步进电机可构成A、B、C三相控制绕组，故称三相步进电动机。内部结构1.步进电动机的结构任务4.2步进电动机驱动控制1.步进电动机的结构

任务4.2步进电动机驱动控制若任一相绕组通电，便形成一组定子磁极，其方向即图中所示的NS极。在定子的每个磁极上面向转子的部分，又均匀分布着5个小齿，这些小齿呈梳状排列，齿槽等宽，齿距角为9°。转子上没有绕组，只有均匀分布的40个齿，其大小和间距与定子上的完全相同。步进电动机的齿距1.步进电动机的结构

三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1/3齿距，即3°，如图所示。当A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，B相磁极上的齿刚好超前（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。任务4.2步进电动机驱动控制步进电动机每走一步所转过的角度称为步距角，其大小等于错齿的角度。错齿角度的大小取决于转子上的齿数，磁极数越多，转子上的齿数越多，步距角越小，步进电动机的位置精度越高，其结构也越复杂。1.步进电动机的结构

除反应式步进电机之外，常见的步进电动机还有永磁式步进电动机和混合式式步进电动机，它们的结构虽不相同，但工作原理相同。任务4.2步进电动机驱动控制（1）反应式

转子为软磁材料，无绕组，定转子开小齿，步距角小，无自锁力矩，不能断电保持；2.步进电机的分类：反应式、永磁式、混合式任务4.2步进电动机驱动控制反应式（VariableReluctance，VR）（2）永磁式

转子为永磁材料，转子的极数与每相定子极数相同，不开小齿，步距角较大，力矩较大，有自锁力矩，断电可保持；2.步进电机的分类：反应式、永磁式、混合式任务4.2步进电动机驱动控制永磁式（PermanentMagnet,PM）（3）混合式

转子是反应式和永磁式转子的合体，内部为永磁体、外面是软磁材料，轴向分为两段，在软磁材料表面开小齿，转矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂，成本较高。

有自锁力矩，断电可保持；任务4.2步进电动机驱动控制2.步进电机的分类：反应式、永磁式、混合式任务4.2步进电动机驱动控制2.步进电机的分类相数与机座号不同，所通的相电流、输出力矩（Nm）也不同。运行相数m

步进电动机的运行相数是指产生不同对N、S磁场的激磁线圈对数。按相数分：二相、三相、四相电机等；按机座号（电机外径）可分为：42BYG、57BYC、86BYG、110BYG(BYG为感应式步进电机代号）等；以感应步进电机为例：

步进电动机的工作原理是：当某相定子绕组通电励磁后，吸引转子转动，使转子的齿与该相定子磁极上的齿对齐，实际上就是电磁铁的作用原理。现以图所示的三相反应式步进电动机为例来说明步进电机的工作原理。其定子上有A、B、C三对磁极，在相应磁极上有A、B、C三相绕组，假设转子上有四个齿，相邻两齿所对应的空间角度为齿距角，即齿距角为90°。

3.步进电动机的工作原理任务4.2步进电动机驱动控制步进电动机工作原理图

先将电脉冲加到A相励磁绕组，B、C相不加电脉冲，A相磁极便产生磁场，在磁场力矩作用下，转子1、3两个齿与定子A相磁极对齐；如果将电脉冲加到B相励磁绕组，A、C相不加电脉冲，B相磁极便产生磁场，这时转子2、4两个齿与定子B相磁极靠得最近，转子便沿顺时针方向转过30°……余者类推。任务4.2步进电动机驱动控制三相单三拍：当A相绕组通电时，转子的齿1、3与定子AA上的齿对齐。若A相断电，B相通电，由于磁力的作用，转子的齿与定子的齿就近转动对齐，转子的齿2、4与定子BB上的齿对齐，转子沿顺时针方向转过30°，如果控制线路不停地按A→B→C→A…的顺序控制步进电动机绕组的通断电，步进电动机的转子便不停地顺时针转动。若通电顺序改为A→C→B→A…，步进电动机的转子将逆时针转动。在三相单三拍通电方式中，由于每次只有一相绕组通电，在相邻节拍转换瞬间失去自锁力矩，容易使转子在平衡位置附近产生振动，因此稳定性不好，实际中很少采用。同样的步进电机可以采用双节拍或单双节拍工作方式3.步进电动机的工作原理任务4.2步进电动机驱动控制三相反应式步进电机的工作方式有三种：三相单三拍、三相双三拍、三相单双六拍。“三相”是指定子绕组数有A、B、C三相；“单”是指每次只有一相绕组通电“双”是指每次有两相绕组同时通电“拍”完成一个磁场周期性变化，所需的通电状态和脉冲数。3.步进电动机的工作原理任务4.2步进电动机驱动控制任务4.2步进电动机驱动控制ABC单相单拍通电：

正转：A→B→C→A

……

反转：A→C→B→A

……双拍通电：正转：AB→BC→CA→AB……

反转：AC→CB→BA→AC

……三相六拍通电：

正转：A→AB→B→BC→C→CA→A……

反转：A→AC→C→BC→B→BA→A…

以三相电机为例：任务4.2步进电动机驱动控制（1）步进电动机定子绕组每接收一个脉冲信号，控制其通电状态改变一次，它的转子便转过一定角度，即步距角

；（2）改变步进电动机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变；式中m相m拍时，k=1；m相2m拍时，k=24.步进电机的特点

步进电动机是一种可将电脉冲信号转换为机械角位移的控制电动机，利用它可以组成一个简单实用的全数字化驱动系统，并且不需要反馈环节。概括起来它主要有如下特点：任务4.2步进电动机驱动控制（3）步进电动机定子绕组通电状态的变化频率越高，转子的转速越高，但脉冲频率变化过快，会引起失步或过冲（即步进电机少走或多走）；（4）定子绕组所加电源要求是脉冲电流形式，故也称之为脉冲电机；（5）有脉冲就走，无脉冲就停，角位移随脉冲数的增加而增加；（6）输出转角精度较高，一般只有相邻误差，但无累积误差；4.步进电机的特点

任务4.2步进电动机驱动控制每当给步进电动机定子输入一个脉冲信号，步进电机转子就旋转一个固定角度称步距角α（o）。

式中：m为定子相数，Z为转子齿数，K为通电方式系数(单拍、双拍时K=1；单双拍时,K=2)。

mk乘积也可称为通电节拍数M，例如三相六状态通电节拍数为6。计算公式：任务4.2步进电动机驱动控制

步进电机转过的角度与输入脉冲数成正比，转速与输入脉冲频率成正比；

θ=N.α

θ——转过的角度；

N——控制脉冲数；

α——步距角（°）。若：θ=360o，α=0.9o

，电机旋转一圈所需的控制脉冲数N为：

N=3600/α=400p/r（脉冲数/每转）。

式中：n：电机转速（r/min）；f：控制信号脉冲频率，即p/s(脉冲数/秒)；

60f表示p/min(脉冲数/分)。当步进电机连接滚珠丝杠时，若其导程为L0（mm），则电机旋转一圈丝杠螺母线性位移为L0，由此可由进给速度F(mm/min),计算出步进电机转速：n=F/L0，可以用下面的转速公式计算控制器输出的脉冲数与脉冲频率。STEPDRIVEC/C+步进驱动器与BYG55系列五相十拍混合式步进电机产品图5.步进电机的驱动控制任务4.2步进电动机驱动控制步进电机的运行性能，不仅与步进电机本身和负载有关，而且和与其配套的驱动控制装置有着十分密切的关系。步进电机驱动控制装置主要有环形脉冲分配器和功率放大驱动电路两大部分组成，如图所示。5.步进电机的驱动控制步进电机驱动控制电路原理图任务4.2步进电动机驱动控制（1）功率放大驱动电路功率放大驱动电路完成由弱电到强电信号的转换和放大，也就是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需的具有一定功率的电流脉冲信号。一般情况下，步进电机对驱动电路的要求主要有：能提供足够幅值，前后沿较好的励磁电流；功耗小，变换效率高；能长时间稳定可靠运行；成本低且易于维护。5.步进电机的驱动控制任务4.2步进电动机驱动控制（2）脉冲分配器脉冲分配器完成步进电机绕组中电流的通断顺序控制，即控制插补输出脉冲，按步进电机所要求的通断电顺序规律分配给步进电机驱动电路的各相输入端，例如三相单三拍驱动方式，供给脉冲的顺序为A→B→C→A或A→C→B→A，由于电机有正反转要求，所以脉冲分配器的输出既是周期性的，又是可逆性的，因此也称为环形脉冲分配。脉冲分配有两种方式：一种是硬件脉冲分配（或称为脉冲分配器）另一种是软件脉冲分配，通过计算机编程控制。5.步进电机的驱动控制──（2）脉冲分配器任务4.2步进电动机驱动控制硬件脉冲分配器由逻辑门电路和触发器构成，提供符合步进电动机控制指令所需的顺序脉冲。目前已经有很多可靠性高、尺寸小、使用方便的集成电路脉冲分配器供选择，按其电路结构不同，可分为TTL集成电路和CMOS集成电路。5.步进电机的驱动控制──硬件脉冲分配任务4.2步进电动机驱动控制CH250型集成电路脉冲分配器

目前市场上提供的国产TTL脉冲分配器有三相、四相、五相和六相，均为18个管脚的直插式封装。CMOS集成脉冲分配器也有不同型号，例如CH250型用来驱动三相步进电动机，封装形式为16脚直插式。它可工作于单三拍、双三拍、三相六拍等方式，如图所示b)三相六拍接线a）管脚图任务4.2步进电动机驱动控制5.步进电机的驱动控制──硬件脉冲分配如所示为三相六拍的接线图。硬件脉冲分配器的工作方法基本相同，当各个引脚连接好之后:输入：通过一个脉冲输入端控制步进的速度；一个输入端控制电动机的转向；

输出：与步进电动机相数同数目的输出端分别控制电动机的各相。当进给脉冲CP的上升沿有效，并且方向信号为“1”则正转，为“0”则反转。任务4.2步进电动机驱动控制5.步进电机的驱动控制──硬件脉冲分配在计算机控制的步进电动机驱动系统中，可以采用软件的方法实现环形脉冲分配。软件环形分配器的设计方法有很多，如查表法、比较法、移位法等，它们各有特点，其中常用的是查表法。89C51单片机与步进电动机驱动电路接口连接的框图任务4.2步进电动机驱动控制5.步进电机的驱动控制──软件脉冲分配P1口的三个引脚经过光电隔离、功率放大之后，分别与电动机的A、B、C三相连接。当采用三相六拍方式时，电动机正转的通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A；电动机反转的顺序为A→AC→C→CB→B→BA→A。它们的环形分配如表所示。

序号通电顺序CBA存储单元方向P1.2P1.1P1.0地址内容正转反转1A0012000H01H2AB0112001H03H3B0102002H02H4BC1102003H06H5C1002004H04H6CA1012005H05H任务4.2步进电动机驱动控制5.步进电机的驱动控制──软件脉冲分配把表中的数值按顺序存入内存的EPROM中，并分别设定表头的地址为2000H，表尾的地址为2005H。计算机的P1口按从表头开始逐次加1的地址依次取出存储内容进行输出，电动机则正向旋转。如果按从2005H，逐次减1的地址依次取出存储内容进行输出，电动机则反转。采用软件进行脉冲分配虽然增加了软件编程的复杂程度，但它省去了硬件环形脉冲分配器，系统减少了器件，降低了成本，也提高了系统的可靠性任务4.2步进电动机驱动控制5.步进电机的驱动控制──软件脉冲分配对于硬件环形分配器来讲，只要控制CP的频率就可控制步进电动机的速度。对于软件环形分配器来讲，只要控制相邻两次输出状态之间的时间间隔，也就是控制相邻两节拍之间延时时间的长短。

实现延时的方法又分为两种：一种是纯软件延时；

另一种是定时中断延时。从充分利用时间资源来看，后者更理想一些。5.步进电机的驱动控制──

（3）速度控制任务4.2步进电动机驱动控制对于任何一个驱动系统来讲，都要求能够对速度实行控制，特别在数控系统中，这种要求就更高。在开环进给系统中，对进给速度的控制就是对步进电动机速度的控制。通过控制步进电动机相邻两种励磁状态之间的时间间隔即可实现步进电动机速度的控制。任务4.2步进电动机驱动控制5.步进电机的驱动控制──

（3）速度控制细分驱动任务4.2步进电动机驱动控制细分是通过驱动器精确控制步进电动机的相电流实现的，与电机本身无关细分驱动将“电机固有步距角”细分成若干小步的驱动方法，称为细分驱动细分原理使定子相电流通电时不是一次升到位，而断电时也不是一次降为0（绕组电流波形不再是近似方波，而是N级近似阶梯波），则定子绕组电流所产生的磁场合力，会使转子有N个新的平衡位置（形成N个步距角）。最新技术发展：

国内外对细分驱动技术的研究十分活跃，高性能的细分驱动电路，可以细分到上千甚至任意细分。

目前已经能够做到通过复杂的计算使细分后的步距角均匀一致，大大提高了步进电动机的脉冲分辨率，减小或消除了震荡、噪声和转矩波动，使步进电动机更具有“类伺服”特性。细分驱动任务4.2步进电动机驱动控制对实际步距角的作用：

在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己对步距角的要求。如果使用细分驱动器，则用户只需在驱动器上改变细分数，就可以大幅度改变实际步距角，步进电机的”相数”对改变实际步距角的作用几乎可以忽略不计。细分驱动任务4.2步进电动机驱动控制用细分技术与步进电动机精度提高的关系：步进电动机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术，其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。

细分后电机运转时对每一个脉冲的分辨率提高了，但运转精度能否达到或接近脉冲分辨率还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度越难控制。真正的细分对驱动器要有相当高的技术要求和工艺要求，成本亦会较高。国内有一些驱动器采用对电机相电流进行“平滑”处理来取代细分，属于“假细分”，“平滑”并不产生微步，会引起电机力矩的下降。真正的细分控制不但不会引起电机力矩的下降，相反，力矩会有所增加。步进电动机驱动系统的优点任务4.2步进电动机驱动控制步进电动机是由数字脉冲控制的。不需要D/A转换，I/O接口简单，特别适合单片机、PLC及计算机的控制，为构成开环控制系统提供了方便条件，这就是由步进电动机构成的开环控制系统仍有生命力的原因。步进电动机独特的特性：通一个脉冲走一步，每一步的步矩角基本恒定且无累记误差；只要注意动态矩频特性，传动机构设计得当不丢步，控制精度一般能达到0.01mm，并且不需要位置传感器反馈，即是开环控制系统。由于系统简单、价格便宜、控制精度能满足一般机电一体化设备的要求，因而在机器人、经济型数控机床、办公设备、雕铣机等设备中得到了广泛应用。9/8/21任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机

4机电一体化伺服驱动技术1直流伺服电动机的结构2直流伺服电动机的工作原理3

直流伺服电动机两种驱动控制电路任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机直流伺服电机实质是直流电动机，通过调节转子绕组的电流和电压很容易实现电机转角、转速和转矩的控制。在机电一体化系统中，直流伺服电动机，常用作半闭环和全闭环伺服系统的伺服驱动执行元件。位置和速度检测传感器常装于电机内部尾端同轴上。任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机

直流伺服电动机的结构与工作原理与他励直流电动机相同，只是为了减小转动惯量，电机做得细长一些。电枢电阻大，机械特性软、，可弱磁起动或直接起动。按励磁方式分：他励式和永磁式两种磁场由励磁绕组产生磁场由永久磁铁产生任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机1.直流伺服电动机的结构

定子转子主磁极：产生恒定的气隙磁通。电磁铁：铁心和励磁绕组构成；永久磁铁：永磁材料电刷装置：与换向片配合,完成直流与交流的互换。电刷与外加直流电源相接，换向片与电枢导体相接机座和端盖：起支撑和固定作用。电枢铁心：主磁路的一部分，嵌放电枢绕组。由硅钢片叠压而成电枢绕组：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。在定子磁场的作用下产生带动负

载的电磁转矩

换向器：与电刷装置配合,完成直流与交流的互换；换向片与电枢导体相接转轴轴承气隙：在小容量电机中，气隙为0.5～3mm任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机如图所示：直流电流I，通过电刷A和换向器B为得到连续旋转运动，必须随着转子的转动角度变化，不断改变电流方向，即所供直流电流要不断变换方向流动，需要设置碳刷和换向器。直流电动机工作原理2.直流伺服电动机工作原理任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机2.直流伺服电动机工作原理任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机2.直流伺服电动机工作原理任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机2.直流伺服电动机工作原理任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机

电枢电势：电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势。其值为直流电机正、负电刷之间的感应电势，即每个支路里的感应电势:

一根导体在一个极距范围内平均感应电势：任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩:

一根导体的所受平均电磁力：任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机直流伺服电动机转向改变方法（2种）

电压平衡方程式：改变电枢电压的方向改变励磁电流的方向任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机直流伺服电动机调速方法（3种）3.调磁调速1.调压调速2.电枢串电阻调速任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机3.直流伺服电动机两种驱动控制电路

控制直流电动机直流电压的大小与方向就可以控制电机的转速和转向。目前常用的驱动控制电路有两种方法：

线性驱动方式晶体管脉宽调制（PWM)开关驱动方式任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机3.直流伺服电动机两种驱动控制电路线性驱动方式

利用运算放大器驱动大功率晶体管组成的线性驱动电路，对控制器发出的弱电信号Vin（几伏、几毫安），进行功率放大（放大为几百毫安的电流），输出足够大的电压与电流，直接驱动控制小功率直流伺服电动机运转。

任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机直流电动机线性驱动电路原理图几伏、几毫安几百毫安3.直流伺服电动机两种驱动控制电路任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机线性驱动方式晶体管脉宽调制（PWM)开关驱动方式

图中开关S周期性的开和关，二极管VD周期性导通与截止，随着占空比

（

）不同，输出到直流电机转子绕组阻中的平均电压UVD也随之变化。3.直流伺服电动机两种驱动控制电路任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机PWM直流调速驱动系统原理图

PWM直流调速驱动系统原理图晶体管脉宽调制（PWM)开关驱动方式任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机PWM晶体管脉宽调制开关驱动方式电路原理图

目前常用PWM晶体管脉宽调制电路，作为开关驱动电路。PWM电路主要是由比较运算放大器、三角波或锯齿波发生器及大功率晶件管组成，以代替开关S，如图所示。晶体管脉宽调制（PWM)开关驱动方式任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机9/8/21任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机

4机电一体化伺服驱动技术任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机1无刷直流伺服电动机的结构2永磁无刷直流电动机伺服系统构成及工作原理3

永磁无刷直流电动机调速原理4

无刷直流电动机的特点任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机

无刷直流伺服电机

brushlessDCmotor(BLDCM)由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。

无刷直流电机是指无电刷和换向器（或集电环），电机的控制需要位置信息反馈，又称无换向器电机。从电机理论上讲，直流无刷伺服电机与交流永磁同步伺服电机相似。任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机1.无刷直流电机结构无刷直流电机和有刷直流电机的比较任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机说明：普通直流电动机的电枢在转子上，定子产生固定不动的磁场。为了使直流电动机旋转，需要通过换向器和电刷不断改变电枢绕组中电流的方向使两个磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的电磁转矩驱动电动机不断旋转。无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，而转子制成永磁体，称为永磁无刷直流电机，这样的结构正好和普通直流电动机相反。任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机无刷直流电动机应用实例AGV自动导引运输车，又名无人搬运车任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机1.无刷直流电机结构任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机1.无刷直流电机结构任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机霍尔传感器的磁体分布与转子磁极的分布一致1.无刷直流电机结构任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机1.无刷直流电机结构任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机2.永磁无刷直流电动机伺服系统构成及工作原理无刷直流电动机伺服控制系统基本结构框图任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机逆变器:控制电机定子各相绕组通电顺序和时间位置传感器:实时检测转子位置控制器:无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心三者共同组成换相装置,起到电子换向器作用2.永磁无刷直流电动机伺服系统构成及工作原理任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机开关管的导通顺序决定共有6种导通状态,间隔60°电角度改变一次导通状态，每改变一次状态更换一个开关管，每个开关管导通180°电角度，导通的时间增加了。当VT1、VT2、VT3导通时，电流的线路为:三三导通方式电源正极VT1VT3A相绕组B相绕组C相绕组VT2电源负极其中A相绕组和B相绕组相当于并联，再与C相串联。因为三相同时通电，产生的转矩分量互有抵消，所以总的转矩并不比二二导通方式大。因此很少用。2.永磁无刷直流电动机伺服系统构成及工作原理任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机二二导通方式开关管的导通顺序决定共有6种导通状态,间隔60°电角度改变一次导通状态，每改变一次状态更换一个开关管，每个开关管导通120°电角度，每相绕组导通240°。当VT1、VT2导通时，电流的线路为:电源正极VT1A相绕组C相绕组VT2电源负极其中A相绕组和C相绕组相当于串联。这种连接方式比半桥方式绕组的利用率增加了,输出转矩也增加了。2.永磁无刷直流电动机伺服系统构成及工作原理任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机

控制六个MOS管的通断情况就可以让电机旋转起来。一般MOS管控制是需要专用的MOS管驱动IC来实现的。2.永磁无刷直流电动机伺服系统构成及工作原理任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机

当前时刻要选择图中“哪一步”，即换相

什么时候要给哪个绕组正电压、给哪个绕组负电压以及哪个绕组悬空？

获取当前转子所处位置信号，完成换相，控制

电机旋转。问题转子的位置信息的获取方法有两种：

（1）有传感器模式

（2）无传感器模式

2.永磁无刷直流电动机伺服系统构成及工作原理任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机电磁式传感器优点1：具有较高的强度，可经受较大的振动冲击，故多用于航空航天领域。优点2：电磁式位置传感器输出信号较大，一般不需要经过放大便可直接驱动开关管，但因输出电压是交流必须先整流和滤波缺点：传感器过于笨重，因而大大限制了其在普通条件下的应用。现在已经逐渐退出。

光电式传感器光敏三极管或光敏二极管的输出电信号一般都较弱，需要经过放大和整形才能去控制功率晶体管。

磁敏式传感器——霍尔元件霍尔无刷直流电动机结构简单,体积小，但安置和定位不便，元件片薄易碎，对环境及工作温度有一定要求，耐震差。实时检测转子位置的位置传感器有以下3种：任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机直流无刷电机中一般安装3个霍尔传感器，间隔120度或60度按圆周分布。如果间隔120度，则3个霍尔传感器的输出波形相差120度。转子旋转180度后转子磁极极性转换，因此输出信号中高、低电平各占180度。如果规定输出信号高电平为“1”，低电平为“0”，则输出的三个信号可用3位二进制编码表示。每60度编码改变一次。无刷电机中霍尔传感器输出波形及编码(霍尔传感器间隔120度)任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机无刷电机、电机驱动电路和控制器组成的系统（每一种电机的开关导通表会有差别）任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机3.永磁无刷直流电动机调速原理无刷直流电机的速度正比于电压，其控制特性与机械特性均与有刷直流电机基本相同。

用脉冲宽度调制技术(PWM)实现BLDC电机速度控制。任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机100%直接导通A-和C+,绕组中电流非常大,转子转动速度非常高。PWM的占空比,是高电平时间占总周期时间的比例。换成高频率(一般十几KH或几十KH)的PWM,保证A-和C+的PWM频率相等，且周期起始位置相同。加上电机绕组本身是感性负载,这样整体加在电机绕组上的电压就是0V到电源正电压(24V)之间，最终实现电机转动速度的控制。任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机无刷直流电机既具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列的优点，又具有直流电动机运行效率高（96%以上）、寿命长（2万小时以上）、噪音低、调速性能好等诸多的优点。

无刷直流电机驱动器可以控制转子维持在一定的转速，性能更加的稳定。

无刷直流电机是一种利用电子换向的小功率电动机。无刷直流电机广泛应用于现代生产设备、仪器仪表、计算机外围设备和高级家用电器。4.无刷直流电机的特点任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机9/8/21任务4.3直流伺服电动机驱动控制

──4.3.3直流伺服电动机的接线

4机电一体化伺服驱动技术1直流伺服电动机的铭牌2直流伺服电动机的驱动器3

直流伺服电动机的应用领域任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.3直流伺服电动机的接线1.直流伺服电动机的铭牌任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.3直流伺服电动机的接线任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.3直流伺服电动机的接线2.直流伺服电动机的驱动器任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.3直流伺服电动机的接线任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.3直流伺服电动机的接线任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.3直流伺服电动机的接线

直流伺服电机精密度高且能实现不同的调速控制而被越来越多的行业所选用，因为其性能的优越性也促使其使用的领域范围非常广，主要应用领域有：第一：数控机床领域现代化的数控机床精度及稳定性、耐磨性使用上要求更高，只有高质量的直流伺服电机才能满足到数控机床领域的各种生产需求。第二：雕刻设备领域雕刻机采用的都是高速转运的电机来进行，使用直流伺服电机也是最佳选择，精密度越高转速越快所雕刻的质量也能达到最好。第三：医疗设备领域医疗行业内很多仪器使用需要具有低噪音的特点，直流伺服电机就能符合高静音运转的医院设备所使用，而且运转速也能达到更高要求，满足到各种不同设备操作。第四：地铁领域所有的地铁都有安装屏蔽门，使屏蔽门进行开门、关门指令动作任务也是需要通过直流伺服电机来实现。另外在各种家用电器、高铁闸机控制、轮船汽车行业等都有用到这种电机。3.直流伺服电动机的应用领域任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.3直流伺服电动机的接线9/8/214机电一体化伺服驱动技术任务4.4交流伺服电动机驱动控制

──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）

1三相异步电动机的主要结构2三相异步电动机基本工作原理3交流伺服电动机的变频调速控制技术任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）交流伺服电动机与直流伺服电动机相比有以下特点：(1)没有炭刷与换向器，不易产生火花，因而维护少、寿命长；(2)转子重量轻体积小，转动惯量小、响应快；(3)适宜高速度、高精度、频繁起动场合。

近年来随着交流驱动技术的飞速发展，交流伺服电动机的转速和转矩控制性能，已经达到了可以与直流伺服电动机相当的水平。它具有坚固耐用、经济可靠及动态响应好等优点。因此，交流伺服系统已在很大程度.上取代了直流伺服系统。交流伺服电动机按结构可分为：

1.异步电动机

2.同步电动机任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）三相笼型异步电动机的结构

1-轴承盖；2-端盖；3-机座；4-轴承；5-笼型绕组；6-转子铁心；7-罩壳

8-风扇；9-定子绕组；10-转子；11-转轴；12-定子铁心；13-接线盒

1.三相异步电动机的主要结构组成：静止的定子；

旋转的转子。定转子之间有气隙，在中、小型异步电动机中，气隙一般为0.2~2.5mm左右。任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）定子铁心：主磁路的一部分，用0.5mm厚表面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成的，内圆开有许多定子槽，用以嵌放定子绕组。定子槽(a)开口槽；(b)半开口槽；(c)半闭口槽；（c)定子冲片(d))三相异步电动机的引出线（a）Y联接；（b）△联接定子：由定子铁心、定子绕组和机座组成。定子绕组：是电机定子部分的电路，它是由许多嵌放在定子槽内的线圈按一定的规律连接而成的。三相定子绕组在空间互差1200电角度。机座：固定定子铁心，包括前后端盖，由铸铁或钢板焊成。

1.三相异步电动机的主要结构任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）转子：由转子铁心，转子绕组和转轴等组成。转子铁心：转子磁路的一部分，由0.5mm厚的硅钢片叠成。铁心外圆冲有许多均匀的槽，嵌放转子绕组。转子绕组：分笼型和绕线型两种

1.三相异步电动机的主要结构任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）绕线式转子绕组：与定子绕组相似，也是一个对称的三相绕组转子通过电刷装置接成Y。

笼型转子绕组：鼠笼式绕组是一个短路的绕组。在转子的每个槽里放上一根导体，在铁心的两端用端环连接起来，形成一个短路的绕组。由铜条或铸铝构成。去掉转子铁心，外形象鼠笼。小型异步电机多采用铸铝转子绕组。绕线型转子图

（c）绕组的接线示意图任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）三相异步电动机（感应电动机）的工作原理2.三相异步电动机基本工作原理任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）3.交流伺服电动机的变频调速控制技术从数控机床及机械手、机器人等执行机械控制的特点分析有两大要求：

一、速度随各坐标轴进给插补运动的运动轨迹不断变化，要求电机速度也紧紧跟随变化，以实现精密位置控制。

二、负载力矩频繁变化,要求电机输出转矩要随之匹配的快速响应变化；这两者都要求系统的动态、静态特性好。任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）（1）变频调速控制原理n---电机转速（r/min）n1--同步转速f1---电源频率（Hz）p---电机极对数S---转差率任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）

目前交流电动机变频调速技术得到广泛应用,当调节定子供电电压频率f时，异步电机转速n大致成正比变化改变交流电机转速，有三种方法

变极对数p

电机出厂已定，很难改变。

变转差率S改变激磁绕组电压，但速度改变范围小,约1：10。转子低速时，跟随定子磁场力不够，转矩要减小。

变电源频率f

改变加定子绕阻上三相交流电频率。由异步电机工作原理知，其转速n为

交-交变频是用晶闸管整流器将工频交流电直接变成频率较低的脉动交流电，其正组输出正脉冲，反组输出负脉冲，这个脉动交流电的基波就是所需的变频电压。称为直接变频。这种方法获得的交流电波动较大。（2）变频调速的装置——变频器：恒压、恒频交流电变成变压、变频交流电。交-直-交变频器也称作间接变频器，是先将固定频率的交流电整流成直流电，然后将直流电压逆变成矩形脉冲波动电压，这个脉动交流电的基波就是所需的变频电压。这种方法获得的交流电的波动小，调频范围宽，调节线性度好。数控机床常采用这种方法。a）交－交变频

b）交－直－交变频变频方式：任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）

（3）三相SPWM变频调速控制

在机电一体化设备中因中小功率居多，多采用交-直-交变频技术。为避免定子由于激磁绕组过励磁及欠励磁对电机产生不利影响，通常采取既变压又变频技术。即在变频的同时，协调改变电机的供电电压,这就是u/f方式变频调速。即：VVVF交流变压变频技术（VariableVotageVariableFriquency)。正弦波脉冲宽度调制(sinusoidalpulsewidthmodulation，SPWM）变频器是目前应用较为广泛的一种交-直-交变频器实质：先把频率、电压固定的三相交流电整流成直流电，再把直流电逆变为频率、电压连续可调的三相交流电。任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）

如图所示的是单极式SPWM波形图，其基本原理是以正弦波作为基准波（称为调制波），再用一列等幅的三角波（称为载波）与其比较，输出一系列等幅、等距、不等宽、频率可调的脉冲序列方波，用来控制逆变器中大功率晶体管的开关；当正弦波高于三角波，输出高电平；当正弦波低于三角波，输出低电平。所得到的脉冲方波宽度随正弦波而变，中间宽、两边细，总面积与正弦波所围的面积等效，并且单位周期内方波脉冲数愈多，等效的精度就愈高，其谐波分量就愈小。当用计算机软件改变三角波的载波频率时,可以改变逆变器中大功率开关管的导通与截止频率，使加在电机定子上频率与电压同时改变。实现调频调速控制。任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）三相SPWM波调制原理框图在三相SPWM调制中三角波ut是共用的，而每一相有一个输入正弦波信号和一个SPWM调制器，如图所示。图中输入的ua、ub、uc信号是相位相差120°的正弦交流信号，其幅值和频率都是可调的。改变正弦调制波的幅值时，SPWM脉冲信号的脉宽（占空比）将随之改变，从而改变了输出电压的大小；改变正弦调制波的频率时，输出信号的基波频率也随之改变，这样可以实现既调压又调频的目的，从而控制电动机的转速。任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）

将380V、50Hz的三相市电交流电，通过VD1～VD6二极管组成的三相不可控整流桥，将交流电变成直流电。经L型或C型滤波器滤去整流后的脉动电压，使交流电压变成了直流高电压UD(UD=1.35×380=513V)。

滤波电容器CF1有两个功能：一是滤平全波整流后的电压纹波；二是当负载变化时，使直流电压保持平稳。

VTB与RB组成刹车能耗电路。主电路由

整流器、滤波器、能耗电路、逆变器

组成。

该直流高压加在由6个大功率晶体开关管VT1～VT6组成逆变器上，逆变器的作用与整流器相反，将直流电又逆变为电压幅度可变(如0～500V以上)、频率可调（如0～2kHz或几十KHz）的交流电，加在交流异步电动机定子的三相绕组上。从而使交流电动机速度可调，并具有良好力矩特性。任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）SPWM逆变器中，载波（三角波）频率fc与调制波频率fr之比称为载波比R。正弦脉宽调制过程中，视载波比R的变化与否，可将调制方式分为：同步调制、异步调制和分段同步调制三种方法。1.同步调制变频时三角载波频率fc和正弦调制波频率fr同步变化，变化过程中保持载波比R＝常数，这就是同步调制。同步调制的优点是可以始终保持载波比R等于3的倍数，从而保持逆变器输出波形对称，使电动机平稳运行。但是，当输出频率较低时，由于相邻两脉冲间的间距增大，谐波分量显著增加，会造成电动机产生较大的脉动转矩和较强的噪声。如果为了降低谐波而提高载波比，那么逆变器输出频率较高时，逆变器功率开关器件的工作频率也较高，会产生较大的开关损耗。3.分段同步调制对于GTR和GTO等开关频率不太高的功率器件，采用同步调制和异步调制都有其缺点。为了扬长避短，可将同步调制和异步调制两种方式结合起来，构成分段同步调制方式。即在额定工作频率范围内，把频率分成若干个频段，在每个频段内采用同步调制以保持输出波形对称。对于不同频段则取不同的载波比，频率低的频段取载波比较大的数值，保持异步调制的优点。2.异步调制为消除同步调制的缺点，可采用异步调制方式，即载波比R≠常数的调制方式。一般是在改变调制波频率fr时，保持三角波载波频率fc不变。这样，逆变器输出频率较低时会有较大的载波比，使输出波半周内矩形脉冲数可随着输出频率的降低而增加，有助于减少谐波，从而减少电机脉动转矩和噪声，改善了低频时的工作性能。但异步调制在改善低频工作性能的同时也失去了同步调制的优点，即在异步调制过程中，载波比R是变量，不能保证频率变化时载波比R始终都为3的倍数，这样就不能保证逆变器三相输出波形的对称，引起电动机工作不平稳。不过，在使用IGBT等高速功率开关器件的情况下，由于载波频率可以做得很高，上述缺点实际上已小到完全可以忽略。此外，由于载波频率是固定的，使得这类问题的数字化处理也比较容易。

任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）双极性三相SPWM变频器的主回路任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）

例如：德国西门子公司产1PH6型交流主轴异步感应电动机，其变频调速范围宽达1：1000，额定转速2000r/min，最大转速达8000r/min，额定转矩从几十个N.m至几百个N.m，恒功率范围宽（如在2000～8000r/min转速范围内仍保持恒功率），并且定位精度高（要装高精度光电编码器），该电动机广泛用于数控机床主轴电动机。

伺服进给电机则多用交流永磁同步电动机，例如西门子公司产1FK6系列交流永磁同步电动机，其调速范围可达1：10000，额定转速2000r/min～4000r/min，额定转矩几个N.m至几十个N.m。这两种电机由于性能优良，价格也较高，多用于要求高精度、高响应、宽广调速范围的伺服系统中。任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）9/8/21任务4.4交流伺服电动机驱动控制

──4.4.2交流永磁同步伺服电动机

(PermanentMagnetSynchronousMotor,PMSM)

4机电一体化伺服驱动技术1交流永磁同步电动机的结构2交流永磁同步电动机的工作原理3交流永磁同步电动机的驱动控制任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.2交流永磁同步伺服电动机（PMSM）表面永磁同步电动机内置式永磁同步电动机1.交流永磁同步电动机(PermanentMagnetSynchronousMotor,PMSM)的结构任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.2交流永磁同步伺服电动机（PMSM）1.交流永磁同步电动机的结构任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.2交流永磁同步伺服电动机（PMSM）2.交流永磁同步电动机的工作原理任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.2交流永磁同步伺服电动机（PMSM）交流永磁同步电动机驱动控制系统框图3.交流永磁同步电动机的驱动控制任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.2交流永磁同步伺服电动机（PMSM）说明：定子三相绕组采用正弦绕组;由三相逆变器提供定子绕组的三相对称电流产生旋转磁场,拖动永磁转子同步旋转;定子绕组的通电频率以及由此产生的旋转磁场转速取决于转子的实际位置和转速;转子的实际位置和转速由光电式编码器或旋转变压器获得;

为了实现对交流永磁同步电动机的准确控制，需要确定电机转子的位置。除了在电机中嵌入真正的轴编码器外，还有两个主要选择：使用霍尔效应传感器，称为传感器控制;检测电机的反电动势（电动势），称为无传感器控制。无传感器由于成本较低而成为最常见的，但两者都需要电机转动才能感应真实位置。任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.2交流永磁同步伺服电动机（PMSM）9/8/21任务4.4交流伺服电动机驱动控制

──4.4.3交流伺服电动机的特点及应用4机电一体化伺服驱动技术1交流伺服电动机的特点2交流伺服电动机的应用任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.3交流伺服电动机的特点及应用1.交流伺服电动机的特点任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.3交流伺服电动机的特点及应用目前运动控制中一般用交流永磁同步伺服电机，其功率范围大，大惯量，最高转速低，转速随功率增大而匀速下降，适用于低速平稳运行场合。交流伺服电机的缺点是控制较复杂，驱动器参数需要现场调整参数确定，而且需要更多的连线来支持其运行工作。交流伺服电机的速度控制特性良好，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡，效率高达90%以上，发热少，高精确度位置控制（取决于编码器精度），额定运行区域内，可实现恒力矩，惯量低，低噪音，无电刷磨损，免维护（适用于无尘、易爆环境）

凡是对位置，速度和力矩的控制精度要求比较高的场合，都可以采用交流伺服电机。如机床、印刷设备、包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人、电子、制药、金融机具、自动化生产线等多个应用领域。因为多用在定位、速度控制场合，所以伺服又称为运动控制。

2.交流伺服电动机的应用任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.3交流伺服电动机的特点及应用交流伺服电动机调速系统在数控机床中的应用任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.3交流伺服电动机的特点及应用

图中，是西门子802S和802C经济型数控系统分别与步进电机伺服系统和交流伺服电动机伺服系统接线原理图(因802S和802C数控计算机控制面板、显示屏、键盘以及背面通信接口是同样型式，故两张图合一)。与西门子802S/C经济型数控系统配套的伺服系统产品图任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.3交流伺服电动机的特点及应用9/8/21任务4.4交流伺服电动机驱动控制

──4.4.4单相交流伺服电动机的控制4机电一体化伺服驱动技术任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.4单相交流伺服电动机的控制1单相交流伺服电动机的结构2单相交流伺服电动机的工作原理3单相交流伺服电动机的控制方式1.单相交流伺服电动机的结构任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.4单相交流伺服电动机的控制感应型交流伺服电动机一般是单相交流电动机，主要由定子和转子构成。定子铁心：硅钢片叠压而成。定子绕组：励磁绕组f，交流励磁电压Uf控制绕组k，控制电压Uk转子一般分为鼠笼转子和杯形转子两种结构型式两个绕组在空间位置上互差90°电角度。1.单相交流伺服电动机的结构感应型交流伺服电动机外形

笼型转子及绕组

空心杯转子任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.4单相交流伺服电动机的控制2.单相交流伺服电动机的工作原理任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.4单相交流伺服电动机的控制当励磁绕组和控制绕组所加的交流电压幅值相等、相位互差90°时，在气隙中是圆型旋转磁场。幅值不相