标准规范下载简介：

内容预览由机器从pdf转换为word，准确率92%以上，供参考

1.2.2电气伺服控制执行元件主要性能特点

1.3.1按被控量参数特性分类

按被控量不同，系统可分为位置、速度、力矩等各种伺服系统。其他系统还有温度、湿 度、磁场、光等各种参数的伺服系统。 位置控制系统与速度控制系统的主要技术指标如下。 1.位置控制系统的主要技术指标 （1）系统静态误差。指系统输入为常值时，输入与输出之间的误差，称为系统静态误 差。位置控制系统一般要求是无静差系统。但由于测量元件的分辨率有限等实际因素均会造 成系统静态误差。 （2）速度误差e，和正弦跟踪误差esin。当位置控制系统处于等速跟踪状态时，系统输出 轴与输人轴之间瞬时的位置误差（角度或角位移）称为速度误差e；当系统正弦摆动跟踪

工控产品电气工程15021230050

QYGJ 0002S-2015 云南国健药业有限公司 压片糖果电气伺服控制技术及应用

（3）速度品质因数K，和加速度品质因数K。速度品质因数K指输入斜坡信号时，系 统稳态输出角速度wo或线速度uo与速度误差e的比值；加速度品质因数K指输入等加速度 信号时，系统输出稳态角加速度ε或线加速度a与对应的系统误差e。之比。 （4）速度指标。最大跟踪角速度のmx（或线速度Umax）、最低平滑角速度min（或线速度 Umin）、最大角加速度emax（或线加速度amax）。 （5）振幅指标M和频带宽度Wb。位置控制系统闭环幅频特性A（w）的最大值A（wp） 与A（0）的比值称为振荡指标M；当闭环幅频特性A.（wb）=0.707时所对应的角频率wb 称为系统的带宽。 （6）系统对阶跃信号输人的响应特性。当系统处于静止协调状态（零初始状态）下，突 加阶跃信号时，系统最大允许超调量%、过渡过程时间t，和振荡次数N。 （7）时间指标。等速跟踪状态下，负载扰动（阶跃或脉动扰动）所造成的瞬时误差和过 度过程时间。 （8）可靠性指标。对系统工作制（长期运行、间歇循环运行或短时运行）、MTBF、可 靠性以及使用寿命的要求。 2.速度控制系统的主要技术要求 （1）最高运行速度。被控对象的最高运行速度：如最高转速nmax、最高角速度wmax或最 高线速度Umax。 （2）最低平滑速度。通常用最低转速nmin、最低角速度のmin或最低线速度Umin来表示， 也可用调速范围R来表示。 （3）速度调节的连续性和平滑性要求。在调速范围内是有级变速还是无级变速，是可逆 还是不可逆。 （4）静差率s或转速降△n（或△w、△）。转速降△n指控制信号一定的情况下，系统 理想空载转速no与满载时转速ne之差；静差率s则是控制信号一定的情况下，转速降与理 想空载转速的百分比。 转速范围和静差率两项指标并不是彼此孤立的，只有对两者同时提出要求才能有意义。 个系统的调速范围是指在最低速时还能满足静差率要求的转速可调范围。离开了静差率要 求，任何调速系统都可以做到很高的调速范围；反之，脱离了调速范围，要满足给定的静差 率也很容易。调速范围与静差率有如下关系，即

（5）对阶跃信号输入系统的响应特性。当系统处于稳态时，把阶跃信号作用下的最大超 调量。%和响应时间t作为技术指标。 （6）负载扰动下的系统响应特性。负载扰动对系统动态过程的影响是调速系统的重要技 术指标之一。转速降和静差率只能反映系统的稳态特性，衡量抗扰动能力一般取最大转速降 （升）△nmax和响应时间ts来度量。 （7）可靠性指标。对系统工作制（长期运行、间歇循环运行或短时运行）、平均无故障 工作时间MTBF、可靠性以及使用寿命等要求。

1.3.2按驱动元件的类型分类

电气伺服系统全部采用电子元件和电动机部件，操作方便，可靠性高。

工控产品电气工程15021230050

工控产品电气工程15021230050

电气伺服控制技术及应用

轴的速度位置控制，而且在多轴联动时，要求各移动轴具有良好的动态配合精 保证加工精度、表面粗糙度和加工效率。 半闭环控制伺服系统的检测反馈环节位于执行机构的中间输出上，因此一定程月 统的性能。如位移控制伺服系统中，为了提高系统的动态性能，增设的电动机通 制就属于半闭环控制环节，

1.3.4按反馈比较控制方式分类

1.脉冲、数字比较伺服系统 该系统是闭环伺服系统中的一种控制方式，它是将数控装置发出的数字（或脉冲）指令 信号与检测装置测得的数字（或脉冲）形式的反馈信号直接进行比较，以产生位置误差，实 现闭环控制。该系统机构简单，容易实现，整机工作稳定，因此得到广泛的应用。 2.相位比较伺服系统 该系统中位置检测元件采用相位工作方式，指令信号与反馈信号都变成某个载波的相 位，通过相位比较来获得实际位置与指令位置的偏差，实现闭环控制。 该系统适应于感应式检测元件（如旋转变压器、感应同步器）的工作状态，同时由于载 皮频率高、响应快，抗十扰能力强，因此特别适合于连续控制的伺服系统。 3.幅值比较伺服系统 该系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此信号作为位置反馈 信号，与指令信号进行比较获得位置偏差信号构成闭环控制。 上述三种伺服系统中，相位比较伺服系统和幅值比较伺服系统的结构与安装都比较复 杂，因此一般情况下选用脉冲、数字比较伺服系统，同时相位比较伺服系统较幅值比较伺服 系统应用得广泛一些。 4.全数字伺服系统 随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，伺服系统已开始采用高速、高精 度的全数字伺服系统，使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。由位置、速 度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字PID，柔性好，使用灵活。全数字控制 使伺服系统的控制精度和控制品质大大提高

伺服系统的发展趋势可以概括为以下儿个方面。 1.交流化 从国际市场的情况看，几乎所有的新产品都是AC伺服系统。在工业发达国家，AC伺 服电动机的市场占有率已经超过80%。在国内生产AC伺服电动机的厂家也越来越多，正 在逐步地超过生产DC伺服电动机的广家。可以预见，在不远的将来，除了在某些微型电动 机领域之外，AC伺服电动机将完全取代DC伺服电动机。 2.全数字化 采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机（DSP）的伺服控制单元将全面代替以模 拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的伺服系统。全数字化的实现，将原

工控产品电气工程15021230050

工控产品电气工程15021230050

步进电动机伺服控制技术及应用

2.1步进电动机及伺服控制技术概述

2.1.1步进电动机的工作原理

a）电脉冲加到A相励磁绕组；（b）电脉冲加到B相励磁绕组；（c）电脉冲加到C相励磁绕组

工控产品电气工程15021230050

2步进电动机伺服控制技术及压

（a）电脉冲通入A相励磁绕组：（b）电脉冲通人A、B相励磁绕组：（c）电脉冲通入B相励磁绕组

工控产品电气工程15021230050

电气伺服控制技术及应用

式中之一一转子齿数； m一一运行拍数，通常等于相数或相数的整数倍数。 若步进电动机通电的脉冲频率为f（脉冲数/秒），则步进电动机转速为

步进电动机也可以制成四相、五相、六相或更多的相数，以减小步距角来改善步进电动 机的性能。为了减少制造电动机的困难，多相步进电动机常做成轴向多段式（又称顺轴式）。 如五相步进电动机的定子沿轴向分为A、B、C、D、E五段。每一段是一相，在此段内只有 一对定子磁极。在磁极的表面上开有一定数量的小齿，各相磁极的小齿在圆周方向互相错开 1/5齿距。转子也分为五段，每段转子具有与磁极同等数量的小齿，但它们在圆周方向并不 错开。这样，定子的五段就是电动机的五相。 与三相步进电动机相同，五相步进电动机的通电方式也可以是五相五拍、五相十拍等。 但是，为了提高电动机运行的平稳性，多采用五相十拍的通电方式。 归纳起来，步进电动机具有以下特点： （1）定子绕组的通电状态每改变一次，其转子便转过一定的角度，转子转过的总角度 （角位移）严格与输人脉冲的数量成正比。 （2）定子绕组通电状态改变速度越快V其转子旋转的速度就越快。即通电状态的变化频 率越高，转子的转速就越高。 （3）改变定子绕组的通电顺序，将导致其转子旋转方向的改变。 （4）若维持定子绕组的通电状态，步进电动机便停留在某一位置固定不动，即步进电动 机具有自锁能力，不需要机械制动。 （5）步距角α与定子绕组相数m，转子齿数，通电方式k（k=拍数/相数，拍数是指 步进电动机旋转一圈，定子绕组的通电状态被切换的次数。相数是指步进电动机每个通电状 态下通电的相数）有关

2.1.2步进电动机的分类及型号命名

1.分类 从结构特点进行分类，一般常使用的步进电动机主要有VR型、PM型、混合（HB） 型三种类型，分述如下： （1）VR型。VR型步进电动机又称磁阻反应式步进电动机，转子结构由软磁材料或钢 片叠制而成。当定子的线圈通电后产生磁力，吸引转子旋转。该电动机在无励磁时不会产生 滋力，故不具备保持力矩的特点。这种VR型电动机转子惯量小，适用于高速下运行。 （2）PM型。PM型步进电动机又称永磁型步进电动机，它的转子采用了永久磁铁。按照 步距角的大小可分为大步距角和小步距角两种。大步距角型的PM型步进电动机的步距角为 90°，仅限于小型机种使用，具有自启动频率低的特点，常用于陀螺仪等航空管制机器、计算 机打字机、流量累计仪表和远距离显示器装置上。小步距角型的PM型步进电动机的步距角 小，有7.5°、11.5°等类型，由于采用钣金结构，其价格便宜，属于低成本型的步进电动机。

工控产品电气工程15021230050

2步进电动机伺服控制技术及片

步进电动机产品名称代号

2.1.3步进电动机的运行特性

1.分辨力 在一个电脉冲作用下（即一拍）电动机转子转过的角位移，就是步距角α。α越小，分 辨力越高。最常用的α值有0.6°/1.2°、0.75/1.5°、0.9/1.8、12°、1.5°/3°等。 2.静态特性 步进电动机的静态特性是指步进电动机在稳定状态时的特性，包括静转矩、矩角特性及 静态稳定区。 （1）矩角特性。在空载状态下，给步进电动机某相通以直流电流时，转子齿的中心线与 定子齿的中心线相重合，转子上没有转矩输出，此时的位置为转子初始稳定平衡位置

如果在电动机转子轴加上负载转矩TL，则转子 齿的中心线与定子齿的中心线将错过一个电角度0。 才能重新稳定下来。此时转子上的电磁转矩T，与负 载转矩TL.相等。该T；为静态转矩，。为失调角。 。=土90°时，其静态转矩Timx为最大静转矩。T与 9。之间的关系大致为一条正弦曲线，该曲线被称做 矩角特性曲线（如图2－3所示）。静态转矩越大， 自锁力矩越大，静态误差就越小。一般产品说明书

工控产品电气工程15021230050

一电气伺服控制技术及应用

（a）三相单三拍时矩角特性曲线簇：（b）三相六拍时矩角特性曲线簇

工控产品电气工程15021230050

2步进电动机伺服控制技术及

动机所产生的转矩称为动态转矩。当步进电动机转动时，电动机各相绕组的电感将形成一个 反向电动势。频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电动机随频率（或速度）的增 大，相电流减小，从而导致力矩下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速 般在300~600r/min。

2.2.1步进电动机驱动技术概述

2.2步进电动机驱动技术及应用

步进电动机驱动电源组压

驱动电源是将变频信号源（微机或数控装置等）送来的脉冲信号和方向信号，按要求的 配电方式自动地循环供给电动机各相绕组，以驱动电动机转子正反向旋转。因此，只要控制 输入电脉冲的数量和频率，就可以精确控制步进电动机的转角和速度。 2.环型脉冲分配器 步进电动机的各相绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作。这种使电动机绕组的通电 顺序按一定规律变化的部分称为脉冲分配器，又称为环型脉冲分配器。实现环型分配的方法 有三种：一种是采用计算机软件，利用查表或计算方法来进行脉冲的环型分配，简称软环 分。该方法能充分利用计算机软件资源，以降低硬件成本，尤其是对多相电动机的脉冲分配 具有更大的优点。但由于软环分占用计算机的运行时间，故会使插补一次的时间增加，易影 响步进电动机的运行速度。第二种是采用小规模集成电路搭接而成的三相六拍环形脉冲分配 器。这种方式灵活性很大，可搭接任意通电顺序的环形分配器，同时在工作时不占用计算机 的工作时间。第三种是采用专用环形分配器器件，如CH250，即为一种三相步进电动机专 用环形分配器，它可以实现三相步进电动机的各种环形分配，使用方便，接口简单。 3.功率放大器 从计算机输出或从环形分配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安，不能直接驱动步 进电动机，必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大，使其增大到几安培至十几安培，从而 驱动步进电动机运转。由于电动机各相绕组都是绕在铁芯上的线圈，所以电感较大，绕组通 电时，电流上升率受到限制，因而影响电动机绕组电流的大小。绕组断电时，电感中磁场的 诸能组件将维持绕组中已有的电流不能突变，在绕组断电时会产生反电动势，为使电流尽快 衰减，并释放反电动势，必须适当增加续流回路。对功率放大器的要求包括能提供足够的幅

工控产品电气工程15021230050

一电气伺服控制技术及应用

工控产品电气工程15021230050

2步进电动机伺服控制技术及

工控产品电气工程15021230050

一电气伺服控制技术及应用

一电气伺服控制技术及应用

2）它励式恒电流斩波驱动。为了解决自励式波频率可变引起的浪涌电压问题，可在 ）触发器加一个固定频率的时钟。这样基本上能解决振荡问题，但仍然存在一些问题。如当 比较器输出的导通脉冲刚好介于D触发器的两个时钟上升沿之间时，该控制信号将丢失， 般可通过加大D触发器时钟频率解决。 （3）细分驱动方式。 细分驱动最主要的优点是步距角变小，分辨率提高，且提高了电动机的定位精度、启动 生能和高频输出转矩；其次，减弱或消除了步进电动机的低频振动，降低了步进电动机在共 辰区工作的几率。

工控产品电气工程15021230050

空产品电气工程15021230050

2步进电动机伺服控制技术

下面介绍合成量幅值保持不变的数学模型：当Ia=Imcosx，1b=1msinr时（式中1m 为电流额定值，I。、I.为实际的相电流，由细分数决定），其合成量始终为圆的半径， 即恒力矩。 等角度是指合成的力臂每次旋转的角度一样。额定电流可调是指可满足各种系列电动机 的要求。例如，86系列电动机的额定电流为6～8A，而57系列电动机一般不超过6A，驱 动器有各种挡位电流可供选择。细分为对额定电流的细分。 为实现“额定电流可调的等角度恒力矩”，理论上只要各相相电流能够满足以上的数学 模型即可。这就要求电流控制精度非常高，不然Ia、I所合成的失量角将出现偏差，即各 步步距角不等，细分也失去了意义。 下面给出基于该驱动方法的驱动器的技术方案。 2.二相步进电动机驱动器的技术方案 （1）系统设计框图。如图2－12所示，控制板信号经过光耦隔离与单片机中断口相连。

单片机根据收到的脉冲信号进行脉冲信号分配，确定各相通电顺序，并与CPLD里面 的D触发器相连；同时根据用户设定的电流值和细分数通过SPI口与D/A转换器AD5623 通信，得到设定的电流值（实际上是电流对应的电压值）。 AD5623输出的值为期望的电流对应的电压值，它必须与从功率模块检测得到的电流对 应的电压值进行比较，并把比较结果与CPLD里面的D触发器CLR引脚相连。 CPLD与电流、细分设定的拨码开关相连，把得到的值通过SPI口传给单片机；以D触 发器为核心的控制逻辑，根据单片机的各相通电顺序和比较器MAX907的比较结果确定各 功率管的开关。 功率驱动模块直接与电动机相连，驱动电动机。采用8个MOS管IRF740构成2个H 桥双极型驱动电路。IRF740最高可承受400V电压和10A电流，开关转换时间不会超过 51ns，管子导通电压Ug的取值范围为420V。 （2）细分关键技术方案。“额定电流可调的等角度恒力矩细分”驱动方法的实质是恒流 控制，关键是电流的精确控制，必须同时满足以下各个条件： 1）D/A转换器输出的电流值必须与期望值相当接近，而且转换速度要快。该系统采用 AD5623，12位精度，分成4096个等级，满足了200细分的高精度要求；2路D/A输出满 足两相的要求；SPI口通信，频率高达50MHz，建立时间快，同时单电压供电，连接简单。 2）检测到的电流必须能正确地反映此时的相电流。由于电动机的相电流通常很大，电

工控产品电气工程15021230050

一电气伺服控制技术及应用

压很高，检测有一定的难度。常用的检测方法有外接标准小电阻，电路简单，但干扰比较 大，准确性比较差；霍尔传感器检测准确，干扰小，连接也不复杂，所以该驱动器采用霍尔 专感器。 3）比较器分辨率要高，转换速度快。MAX907的建立时间只需12nS，比较的电压只要 相差2mV即可检测出来（最大不超过4mV），反应非常灵敏。 4）控制功率管开关的逻辑电路要有很高的实时性，保证相电流在设定电流上下做很小 的波动，以免引起浪涌，干扰控制电路。 采用CPLD芯片XC9572，以D触发器为核心的控制电路全部由CPLD完成，CPLD代 替了各种分立元器件，结构简单，连接方便。图2－13是XC9572逻辑控制电路。

XC9572逻控制电路

采用额定电流可调的等角度恒力矩细分驱动方法，开发二相混合式步进电动机驱动器， 最高可达200细分，驱动电流从0.5～8安/相可调，可驱动24系列到86系列的步进电动 机。实际应用证明，该方法基本上克服了传统步进电动机低速振动大和噪声大的缺点，电动 机在较大速度范围内转矩保持恒定，提高了控制精度，减小了发生共振的几率，具有很好的 稳定性、可靠性和通用性，且结构简单

机在较大速度范围内转矩保持恒定，提高了控制精度，减小了发生共振的几率SN/T 5245-2020 进出口纺织品 七种再生纤维素纤维定性鉴别方法，具有很好的 稳定性、可靠性和通用性，且结构简单。 2.2.35相混合式步进电动机驱动器 1.概述 不同的驱动方式下，步进电动机的运行特性有着明显的差异。 本方案根据针织、绣花行业中对步进电动机的具体要求，采用全H桥恒相流驱动， GAL16V8D构成环形分配器，并应用电动机专用驱动集成芯片IR2110实现驱动信号的功率 放大，利用HA17555与比较器LM358对绕组电流进行恒流斩波控制，采用MOSFET进行 功率放大以驱动5相混合式步进电动机。整个系统结构简单，同时由于采用电动机专用集成 电路芯片，提高了系统的可靠性和抗干扰性。 2.总体方案 在不同的驱动方式下，步进电动机的运行特性有着明显的差异，步进电动机有单电压串 电阻驱动、双电压驱动、高低压驱动、恒总流驱动、电流开环型升频升压驱动、恒相流驱动 几种驱动方式。其中恒总流驱动和恒相流驱动是驱动技术的发展趋势，由于恒总流驱动的惯 性滤波环节影响系统的动态特性，而恒相流驱动低频范围内具有恒转矩输出特性、高频性能 好、动态响应快、效率高、电动机带载能力强等特点，满足了针织、绣花行业的要求，因此

工控产品电气工程15021230050

2步进电动机伺服控制技术及

3.系统各部分工作原理及实现

（2）环形分配器。环形分配器构成主要分成以下儿类：由分立元器件构成的环分、用单 片机实现的软件环分以及由专用芯片构成的环形分配器。由分立元器件组成的环分体积较 大、器件较多、可靠性较差；由单片机实现的软件环分要占用主机的时间，降低了速度，即

工控产品电气工程15021230050

GB 10133-2014 食品安全国家标准 水产调味品一电气伺服控制技术及应用

5相混合式步进电动机的励磁方式