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机电伺服控制技术.pdf

机电伺服控制技术

逍遥
2011-08-10 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《机电伺服控制技术pdf》,可适用于工程科技领域

第页机电系统大量地存在于普通工业设备、国防军事装备和几乎所有生产制造装备之中。在化工生产过程中常用的蒸馏工艺就其本身而言并不直接与机电系统的概念相关但没有机电系统是无法完成这个工艺过程的。例如:对蒸馏过程中各种阀门的控制就只能由机电系统来实现。力学系统中各种作用力、位移、速度、转角等参数的控制与调节电力系统中电流、电压及其他各种电参数的控制与调节化学热力学系统中克分子数、浓度、温度、压力、流量等工作参数的控制与调节等都是直接应用机电系统的典型实例。从本质上看这些系统的数学模型是相似的所以对机电系统的分析具有一般性、代表性和实用性。一般来说大部分机电系统是机械与电气动力相结合的系统。系统从电网取得能源系统的控制部分按系统功能需求控制输入电气动力执行部件的各种电参数使电气动力执行部件得到有效的控制。机电系统中的机械部分将电气执行部件与被控对象联系起来实现各式各样的机械运动或机械操作动作。在推动力大、结构要求紧凑、工作环境特殊以及某些特殊需求的场合机电系统将电能转换成液压或气压动力然后再通过液压或气动执行部件完成机电系统功能者现在也为数不少。运动控制是近十多年来国际上流行的一个新的技术术语它通常是指在复杂条件下将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动的一种技术。运动控制系统使被控制机械部件分别实现精确的位置、速度、加速度、力或转矩的控制或者实现这些被控机械量的综合控制。运动控制技术是机电系统的本质所在。运动控制的应用领域极其广泛。在军事宇航方面有:雷达天线、火炮瞄准、惯性导航、卫星姿态、光电池板的太阳跟踪控制等在工业上有:加工中心、专用加工设备、数控机床、工业机器人、塑料机械、印刷机械、纺织机械、工业缝纫机、绣花机、绕线机、轧机轧辊控制、磁带机、磁盘驱动器、绘图仪、打印机、传真机、光盘机、复印机、音像设备、洗衣机、空调等。要求系统精确地跟踪控制指令、实现理想的运动控制的过程在机电控制技术中一般称之为“伺服控制技术”。“伺服”一词来源于英语单词的音译几乎所有机械运动都可用伺服的概念来进行解释。例如:人手的拣物动作其输入是人脑通过神经的思维信息输出则是肌肉的收缩及骨骼的运动检测与控制则靠眼睛与神经系统的密切配合。又如:用机床的丝杠螺母机构推动工作台在导轨的引导下前进时人手的力矩使丝杠旋转作为输入而输出是丝杠的转角肉眼对安装在丝杠上刻度盘的刻度读数进行检测控制也依靠人的视觉和神经系统。第一章伺服控制技术概论wwwplcworldcn第页随着现代科学技术的飞速发展运动控制已经发展成一门综合性、多学科的交叉技术微电子与计算机技术已渗透到运动控制系统的各个环节成为控制技术的核心。根据预定控制方案和面对复杂环境实现各类运动并使之达到规定的技术性能指标将计算机的决策、指令变为所期望的机械运动几乎是所有现代机电伺服系统必不可少的任务。在此类问题中既要对机电系统进行准确的动力学建模又要恰当地应用经典或现代控制理论来指导我们的分析计算。在这一领域机械系统的知识必须与电气及液压气动传动控制技术、经典或现代控制理论密切地结合起来。第一节伺服系统与反馈一、伺服控制系统在机电系统中伺服控制过程一般是以能量较弱的电信号实现对执行部件的运动或输出力的有效控制。所以伺服系统应当具备明显的“功率放大”作用。如:大型客机的起落架收放系统和操纵翼面的驱动系统一般都用电液伺服系统来实现。在喷气式战斗机、汽车上是采用“液压增力器”的方式来减轻驾驶员的操纵力这种系统并不去除原有的机械联系因此当电液伺服系统失效时依然能够实现手动操纵保证了操纵的可靠性。图开环运动伺服控制系统的组成图闭环运动伺服控制系统的组成伺服控制系统有开环和闭环两类。开环系统直接将输入信号经过功率放大送到wwwplcworldcn第页执行装置中其执行的准确性靠执行装置自身性能来保证其系统组成见图所示。在这种具有反馈环闭环运动伺服控制系统的组成如图节的伺服系统组成中系统的执行误差是依靠反馈来补正的传统控制理论认为反馈能够提高系统的工作性能因此作了很深入的研究。但从本质上看在进行伺服控制时从控制信息的输入到运动准确地执行必须经过一个信息传输和处理的过程而伺服物理系统的输入信息是原始控制信息与系统执行结果的反馈信息之综合。因此系统的执行结果必然永远落后于系统的输入。由此可见具有反馈环节的伺服控制过程实际上是十分复杂的不能简单地认为有反馈环节的闭环系统性能一定比开环系统好。随着各种伺服驱动系统市场化、商品化进程的日渐成熟将运动检测装置直接连接在伺服电动机转轴上的方式显得更加方便也有利于商品化系统的自我完善。因此把反馈检测环节安排在伺服电动机转轴上、而不是在运动伺服系统真实末端的“半闭环”伺服系统在工程应用上往往更为普遍。在半闭环系统中伺服系统只保证从输入信号到伺服电动机转轴端的控制运动的真实输出质量将与伺服电动机之后的机械传动结构性能密切相关所以在运动伺服控制中机械结构的设计水平仍然显得十分重要。自从电子计算机出现以后电气自动化领域发生了巨大的变化。尤其是近几十年来计算机的软、硬件技术的发展速度正所谓是突飞猛进据有关资料介绍当代计算机的发展态势是:每经过十八个月其运算速度就要增加一倍体积和重量将缩小一倍而价格却会降低一半!充分应用电子计算机的“数字化”技术现在已经对伺服控制系统的发展产生极大的影响。一般情况下对伺服系统性能的主要要求是:稳定性、工作精度和快速响应性三方面。稳定性是指系统在规定输入或外界干扰的作用下在短时间调节之后能够恢复到原有的或者新的平衡状态的能力。精度是系统的输出对于输入信号要求所符合的程度。快速响应是反映系统输出对于输入信号跟随的速度。这三方面的要求既相互联系、又相互制约在设计、调试系统时要综合考虑。二、伺服系统的反馈反馈环节在闭环运动伺服控制系统中起着十分重要的作用。当系统具有反馈环节时系统的输入由同时观察到的系统的各种输出确定输入输出都是时间的函数。应用反馈后可以得到伺服系统各种输出和它们所对应的各个目标值的实时误差再由这种测量到的误差来减少实际执行误差。这样便形成了输入一系统一输出一测量一比较误差一输入的一个环路因而也构成了一个包含原系统在内的一个新的闭环系统。这种构成的关键问题是新闭环系统的稳定性和动态特性。wwwplcworldcn第页按照经典控制理论以传递函数方式表达含反馈环节的闭环系统框图如图是系统的是系统的输入依据习惯表示方法输出系统自身的开环传递函数为反馈环节的增益为此时系统的输入、输出关系是:与开环情况相比较增加反馈环节之后系统对自身参数变动的敏感性及对外界干扰的敏感性都将得到图闭环系统框图较好的抑制。因此系统的工作性能将更加稳定。许多情况下对于实际工程装置的系统化建模及分析不会完全正确或者由于许多客观条件的限制建模只能基于许多简化的假设从而使之变得不确切。另外也可能因为各种外界的干扰使输出的检测包含了不少噪声污染这种种影响都会使伺服控制性能变坏。有效的反馈可以减少这些不确定性的影响、补偿各种因素所引起的误差。反馈环节由运动参数测量单元(传感器)和反馈信号处理电路(反馈接口电路)组成。测速发电机、旋转变压器、精密变阻式角位移传感器等是典型的常用模拟量运动参数传感器而旋转编码器、感应同步器、圆光栅、圆磁栅等是数字式运动参数测量传感器。关于传感器方面的基本知识可从相关测试技术课程中获取在此应当注意的是:各类传感器都有其特定的适用条件在选用传感器时要特别注意。反馈的概念很广泛它包括当前系统中的多回路、非线性和自适应反馈以及将来的智能反馈。广义地说反馈可以看作描述和理解许多复杂物理系统中所发生的循环交互作用的方式。因而全面理解反馈的含义已经超出了控制理论的范畴。三、控制的实时性与控制的准确性因为绝大部分机电系统都是有惯性负载的二阶系统所以其大部分输出都不可能“立即”反映输入控制信号的要求。从另一方面来看:由控制信号输入到系统内部开始至执行元件输出要求的运动必然有一个信息传输过程这种传输当然需要时间这就引发出伺服控制中的实时性问题。以图所示的十分简单、应用于弹簧测力计的弹簧一质量一阻尼模型为例该模型的输入是施加在质量块上的图模型力(被测量力)希望得到的输出是质量块的位移(测wwwplcworldcn第页量力读数)其动力学方程为:应用经典控制理论将上述关系转换到复频域中得到:因此与输出之间的关系是:在复频域中输入当外力)为突然施加的阶跃信号时位移。由图可见:无)的变化情况如图论模型的参数如何变化输出位移都不可能立即达到弹簧测力计所应当测到的读数而是随着时间的推移逐步“逼近”最终读数。另外可以明显看出:虽然减小阻尼系数能够使位移变动快但却至少不能在第一次达到目标读数时稳定下来而尽管加大阻尼系数可以使位移的变化趋向稳定然而达到目标读数图二阶系统对阶跃的速度又变慢了。总之“快”和“稳”、或者说输入的响应“实时性”与“准确性”两者对于不变参数的系统而言永远是有矛盾的。第二节伺服控制法则一、控制系统的建模为伺服控制系统建立合理的数学模型是实施有效控制最重要的工作。当系统的各种力学与运动关系不完全清楚的时候为系统建立数学模型是特别困难的。在某些情况下虽然可以写出该系统精确的动力学数学方程但它可能极为复杂以致无法在该方程的基础上设计出可行的控制规律。另一方面对于某些不完全清楚的模型虽然系统比较复杂但仍然可以在充分简化的模型上用反馈控制的方式加以适当处理。因而实际控制工程中的模型问题和数学物理方法中的模型问题是完全不同的。在控制理论中问题的关键是寻找一个可用的、在数学上经过提炼的模型它可以在正确的物理概念基础上用系统辨识的方法求得。应当认识到:在控制系统的设计中如果无法找到简单的数学模型控制理论就不能得到成功的应用。在这种情况下各种控制工程方法是否还能有实际应用的价值?由此引起了对系统建模问题的不同看法。wwwplcworldcn第页一种看法认为:在控制中数学模型的不完善无关紧要因为反馈可以减少包括模型误差在内的各种影响而真正需要的是一个强有力的反馈设计方案用它构成一个能适应多种误差影响的控制系统因而可以忽视模型而把重点放在反馈控制器的实现上。这种看法使设计具有尽可能广的通用模型控制器的先进理论产生了。甚至有人认为在进行控制系统设计时不用关心用偏微分方程构成的精致数学模型而应该致力于寻求能够有效实施稳定、有效控制方法的控制理论。另一种看法则十分重视用物理规则推导得出的精确数学模型认为控制设计是容易的至少在建立数学模型后可以通过计算来求出。这种强调数学建模的看法对于擅长进行理论分析研究的人群来说是能接受并有吸引力的。精确的模型假设可以用来支持许多基于这种模型所作的抽象数学控制规律的研究。这种看法完全忽视了模型的不确定性问题及其对设计实际控制系统的影响。认为设计控制系统必须首先要建立十分精确的数学模型这是对实际控制系统研究的完全误解。事实上走一个极端而不考虑到另一方面是不恰当的。必须认识到控制技术应用的新成就完全靠新模型和这些模型对新理论发展的贡献同时也依靠反馈设计技术的不断创新。在控制理论上许多重要的突破性成果恰恰是结合建模方法和控制方法两方面的长处而得到的。在某些特殊应用场合可能其中某一种方法更实际例如在过程控制中常常用基于线性模型的控制器设计方法而在先进的空间技术应用中则模型精确性更重要。二、控制在上一节中已经提及:实际控制系统的实时性与准确性是一对永远存在的矛盾简单地依靠改变系统各类参数的方法无法根本解决这一问题必须在原系统外采取一些措施对控制系统进行必要的“校正”使整个系统的外部特性得到改善。控制就是其中一种非常实用的方法。图模拟控制系统框图所谓控制就是在原控制系统的某处添加比例(、积分(和微分(环节。常规控制系统的原理框图如图这是一个带“串联校正”的闭环系wwwplcworldcn第页统。此时系统的输经过与输出入误差信号可经过比例环节环节的处理并在这些环节的出口处综合成为原系统的输入:分别称为比例其中、积分、种环节可以选择应用也可以全部应用。、图图分别表示简单二阶系统中微分环节和积分环节对单位阶跃响应的影响。由图可以明显看出:微分环节能使系统在工作时获得一定的“镇定”作用而积分环节却让系统更加“敏感”。两者的恰当配合应该能够使系统性能得到较大的改善。由于控制运算具有比较简单、稳定性能好、可靠性高等优点因此仍有图控制器广泛应其强大的生命力。用于冶金、机械、化工等工业过程控制之中。控制中一个关键在的问题是控制参数的确定。传统的方法是在获取对象数学模型的基础上根据某一整定原则来确参数。然而在实际工业定过程控制中许多被控过程机理较复杂具有高度非线性、时变不确定性和纯滞后等特点。在噪声、负载扰动等因素的影响下过程参数、甚至模型结构均会发生变化。这就要求在控制中不仅参数的确定不依赖于对象数学模型并且希望参数能根据实际工作状况进行在线调整以满足最优实时控制的要求。题的有效途径。十分明显单纯依靠硬件电路组合而成的参数变化只有将控制“数字化”即:以计算机软件的方式实施运算和自适应的变化智能型控制才能够实现。的直接反馈比较后形成误差信号和微、积分环节分微分常数。根据控制的需要这三微分环节对单位阶跃响应的影响图积分环节对单位阶跃的作用自适应控制将是解决这一问网络很难实现控制过程中的控制的wwwplcworldcn第页控制数字运算式(中与以上模拟采样序号式中:第次采样时刻的计算机输出值第次采样时刻输入的偏差值次采第(样时刻输入的偏差值和的含义与式中相同。(这种位置式进行累加算时要对计算机的运算工作量大。而且输出机构的实际位置如出现故障而产生为避免以上问题可以用增量式()减()得:式中:采用增量式算法后计算机输出的控制增量相对应的算式为:控制算法为全量输出方式每次输出都与过去的状态有关计所对应的是执行的大幅度变化将引起实际工作不允许的、甚至可能会造成重大事故的执行机构位置之大幅度变化。控制算法:根据差分方程的递推原理对应的是本次执行机构位置的增量。而执行机构实际位置的控制量是控制量增量的积累需要通过某些外加措施来解决。如:用本身就有积累作用的执行元件步进电动机来解决或利用算式以执行软件的方式来完成。和图图控制分别表示实际位置式和增量式系统的示意图。图位置式控制系统图增量式控制系统wwwplcworldcn第页三、多输入、多输出系统现代工程系统正朝着更加复杂的方向发展复杂的任务和更高精度的要求不断引起系统的复杂性。随着对控制系统性能提出越来越严格的要求系统的复杂程度越来越大而且希望能够用大型计算年前后一机系统对其进行方便的处理。种建立在状态概念之上的现代控制理论开始发展。它在适用于多输入输出情况系统可以是线性或非线性、也可以是定常的或时变的等方面的特性与经典控制理论形成了鲜明的对照。实际上状态概念存在于古典动力学及其他一些领域中已有很长一段时间。简要地讲建立在状态概念上的现代控制理论又从经典控制理论复频域方法回归到系统建模之源的时域方法。所示的简单机械系统为例加以图以说明。假设系统是线性的外力是系的位移统的输入质量块)是系统的输出。从无外力作用时的平衡位置开始计算。系统模型的方程为:图简单机械系统输出方程为:将式(与式()联立后用向量矩阵方式表示为:输出方程为:该系统的方块图如图定义矩阵为该机械系统的状态矩阵为输入矩阵为输出矩阵和(为直接传输矩阵。如此处理后式(wwwplcworldcn第页)形式的状态方程。入之准确或近似的线性关系也就是如同式(四、动态不确定性及其控制为实现机电系统的准确控制无论用经典的还是现代的控制理论建立正确的系统数学模型似乎是必须进行的首要工作。但是在实际工程问题中要想得到精确数学模型往往是一件十分困难的事情。因此我们图单臂机械手在进行数学建模时需要做合理的近似处理忽略一些不确定性因素。然而这些不确定性因素的存在可能就是机电统工作品质恶化及系统不稳定的主要原因。在所设计控制对象的数学模型具有不确定性因素时预先设计一个不依赖于不确定性的控制器使实际控制系统在存在不确定性因素的情况下也能比较理想地达到预期的工作品质这就是鲁棒控制(就可以写成以下标准形式:这就是表示多输入、输出情况的标准状态方程。图图中所示的机械系统方块图经过如此归纳之后就可以是多、输出个因素组成的向量(在一般通式输入表中常以示)和其中一般都能表述成在各个输出分量状态空间中与输)。以下图用比较简单的实例说明鲁棒控制的概念。在图单臂机械手的力学模型所示的单臂机械手模型中的质量为长度为机械臂驱动的电动机驱动力矩为。该模型的理想化力学模型如图。在此模型中假设机械臂为一均质连杆其质心在杆的中点。又假设机械臂的转动只存在粘性摩擦粘性摩擦因数为。由此此模型的运动方程是:wwwplcworldcn第页假设此时出现的弹性摩擦因数为就变成:其中出现的参数误差为:特征方)变成:程(其中其中是机械臂绕它的转轴为机械臂的作用重力旋转的转动惯量。对此机械臂转动所期望的运动轨迹参而按方程(数是:所产生的实际运动与期望参数之跟踪误差为:要求电动机输为实现无误差跟踪设计一个辅助控制信号量入力矩显比较方程(然:收敛于零而且其动态特性应满我们希望跟踪误差足特征方程:其中为给定常数。因此只要使辅助控制信号即可达到目的。此时满足跟踪性能要求的控制方程(控制器)为:如果实际机械臂的转动确实存在弹性摩擦而且模型中所确认的粘性摩擦系统也不正确这就是数学模型具有了不确定性。粘性摩擦系数的真值为。原方程(此情况显然不能保证跟踪误差趋于零。wwwplcworldcn第页其为简便起见可以令为给定的界函数为给定常数中引入新的修改成:将原控制方程(辅助控制输入信号)演此时存在不确定性的特征方程(变成:其中来抵消不确定性的影响实现鲁棒控制的可以通过选择适当目的。鲁棒控制的基本特征是用一个结构和参数都固定不变的控制器来保证即使不确定性对系统的性能品质影响最恶劣时也能满足设计要求尽管鲁棒控制并不一定能够达到最佳控制的目的但它对于不确定性的处理能力正是实际控制现场所迫切需要的。第三节运动伺服控制一、运动伺服控制的物理概念从本质上看要使机电系统中任何一个机械部件产生运动必须对它施加作用力用以承受工作负载、克服运动过程中的摩擦阻力和克服惯性负载、产生运动加速度。因此所有运动伺服控制过程实质上都可以看成是对施加在机械部件上的驱动力的控制控制的输出当然是相应的运动参数位移、速度和加速度。所以机电系统运动伺服控制模型可简化成图所示的模型。由图可见系统模型是否能够准确执行所要求的伺服运动完全取决于对输入力)的控制当模型的运动速度、位移不符合控制要求时外)应当相应力地产生作用速度过慢、位置图机电系统运动伺服控制模型没到进行推动速度过快、位置偏离进行纠正。无具有不确正因为定性我们最多只能界定他们可能的变动范围:wwwplcworldcn第页图单纯速度控制模型示意图则模型处于牛顿第一定律的惯性运动状态。当说明施加外力已经过度所以控制器使系统受到的外力与设定的运动方向相反使模型减速。表达式中控制外力对于速度误差的敏感程度我们称之为“速度增益”。三、单自由度单纯位置控制模型许多机电系统的运动伺服控制是要求某一部件在一次控制指令之后准确到达预想的位置并可靠地“定位”在该预定位置上这就是运动伺服控制中的单纯位置控制模式。如:数控钻床的点位控制就是十分典型的应用实例。论系统应用什么控制原理这一运动伺服控制的基本物理概念是不会改变的。二、单自由度单纯速度控制模型按照图所建立的运动伺服控制模型概念如果只需要系统按规定的运动速)受到的制)当然应当使输入度规律进行运动时所规定的运动速度规律约:这就是“单纯速度控制模型”(图表达)的含义是:当外力施加到模型上模型会产生相应的运动速度响应式(时即:控制器应继续对。在速度响应系统施加与运动方向一致的外力(但该外力应与差随着别的变化如而变化按照单纯速度控制模型的概念对于单纯位置控制模型似乎只要简单地套用一下式(将控制目标改成、速度增益就可以了。由改成位置增益此得到的控制器方程是:对该方程的理解为:当实际位置尚未达wwwplcworldcn第页外力仍然要将运动部件到目标位置时推动向前。如果到达了目外力停止作用。如果运动超过了标位置目标位置外力将反方向作用使运动部件向目标位置返回。但此模型未能解决单时按上述模型应当外纯位置控制中的所有问题。例如:在加作用力如果此时出现某)时此模型种干扰因素企图使运动部件脱离目标位置(事实之后才会作出只有在存在反应。也就是说:按此模型规律出现外加干扰后运动部件必须在出现位置误差的情况下才进行纠正由此会产生在目标位置附近作小幅度振荡的现象这显然是不行的。图单纯位置控制模型示意图正确的单纯位置控制模型必须增加一个速度增益环节其控制器模型为:当运动部外界只要出现件处在目标位置时控制器还存在一个速度敏感分量干扰、存在促使系统偏离目标位置的趋向时控制器立即做出反应。表达式(的控制模型示意图如图由以上分析可知:在运动控制的大部分场合“速度增益环节”是毕不可少的它不仅有上述的“零位锁定”功能而且在伺服运动控制过程中还起到速度镇定的作用。四、单自由度运动轨迹控制模型所谓运动轨迹控制即要求运动部件在运动中的任何时刻应遵循预想的运动规律。按照上面单纯位置控制模型的分析此处当然应当同时考虑速度增益和位置增益的问题。实际上一旦我们确定了运动部件的位移运动规律之后其相wwwplcworldcn第页应)只要通过微分计算就可获得。的速度、加速度质量就由于此处涉及到运动部件加速度问题运动部件的惯性负载必须加以考虑了。即:尽管参照单纯位置控制的规则其控制器模型方程可认为是:。将但在运动控制过程中必然要遵循牛顿第二定律:它与方程联系(起来令位置误差又取运动部件成“单得到其运动误位质量”差方程:该方程为运动轨迹控制的闭环系统微分方程式。和就通过合理选取两个增益能方便地确定表述。系统对误差的抑制特性。以上运动轨迹控制模型可用图图单位质量运动轨迹控制模型五、运动伺服系统的简化为使控制器的参数容易确定可以试图将其分解成两部分:“基于模型”的控制法则部分和“误差驱动”控制法则部分。以下用简单模型加以说明:对本章第一节中所述的简单弹簧质量阻尼模型其开环的运动方程为:现将其中的外力部分分解成:因此模型运动方程便成为:在“基于模型”的控制法则中把看成新的和输入量是待定的函数或常量。如果把它们选成:将该假设的概念与方程(对照得:而也就是说:对于新的输入言是一个“单位质量系统”。这样对于新的输入方程(便wwwplcworldcn第页可写成:其特征方程为:它的临界阻尼状态条件是:图运动伺服系统的简化由此可以十分方便地确定两项增益的数值。应该注意到:在确定这些控制参数的计算过程中完全没有涉及模型本身的参数等使实际系统成为一个具有单位质量系统性质的“黑盒子”。“误差驱动”控制法则部分就是系统的伺服部分因为基于模型控制法则已经将它简化成为具有单位质量系统特征的部分因此伺服部分的设计就变得很简单了。图是以上功能的系统方块图。图中的虚线部分就是系统简化后的“黑盒子这种“黑盒子”的概念改变了传统控制工程理论的理念特别是系统本身参数识别的理念认为在一定条件下伺服控制系统可以通过从系统外部设置合适的“速度增益”和“位置增益”环节来进行调节使实际伺服控制系统问题的解决更具有现实性。wwwplcworldcn第页与大部分电动执行部件不同步进电动机是一种能够直接将数字脉冲信号转换成固定数值机械角位移、并自动产生定位转矩使转轴锁定的机电转换执行装置它是现代数字控制技术中最早出现的控制执行部件。可以说步进电动机是数字电子计算机技术能在工业自动化领域得到广泛应用的领路人。大部分步进电动机以开环方式运行因此结构简单、使用方便、容易控制而且位置误差无积累。特别适用于低速、小功率的数字化驱动系统所以在计算机的外围设备(打印机、磁盘驱动器、数字绘图仪等)、现代办公设备(复印机、传真机)、自动化仪器以及许多数字控制系统中经常见到步进电动机的广泛应用。第一节步进电动机的工作原理与特点一、步进电动机产生驱动力矩的本质在基本工作原理方面步进电动机具有组合电磁铁的基本特征。步进电动机靠转子和定子的两个磁极之间的相互吸引而工作。因为磁力线长度必然趋向最短的原理当转子和定子两磁极处于完全正对位置时无法产生与磁力线方向正交的切向工作力矩。为了产生该工作力矩两磁极必须预先互相错开一定的角度该情况如图所示。图定子一转子磁极间的作用力中磁极间的吸引力:电磁场的磁感应强度(第二章步进电动机在图式中:磁极铁心的有效截面积(wwwplcworldcn第页)为真空介质中的导磁率。的如采用实用单位制计算此时磁极铁心的有效截面积则:磁感应强单位还是的单位是度而磁感应强度:式磁通量(中:所以定子一转子磁极间的吸力:而磁通量:式中:磁压磁路长度(在此即为气隙本磁路段的磁场强度。在整个磁路上:定子磁极式中:激磁线圈的安匝数磁阻在气隙处即近似为其中的因此:这样电磁铁的吸引力:与由此可见:磁极间的吸的平方引力电磁场强度成正比而且与磁极间的的大小成线有效工作面积图求解磁极性比例关系。间的切向分力以上分析过程中所计算的是当磁极完全正对时磁极间的相互吸引力。在步进电动机上其机械结构使转子与定子磁极的径向间隙维持不变、磁极之间只能产生wwwplcworldcn第页切向相对转动的偏离。为便于求解计所示。其中磁极间错开的线性偏离量是算参数如图极之间的之方向偏转角为:磁极之间的直接吸引力径向间隙为与步进电动因此而产生的切向分力为机静态工作参数相对应动机的静态而磁极偏离量则相当于此时的工作失调角电磁驱动力矩由式()可见:磁极之间的直接吸引力交耦合面和电磁场强度积”与磁极实际工作面“正交耦合面积”的关系是:积而磁极实际工。其中作面积向弧长为原始磁极的轴向宽度。由式(的关系可知:磁极处的电磁场强度(同时与磁极之间的有效作用距离有效气隙)有关当磁极偏离量的关系是:则变小。也加大而磁场强度与有效距离综合以上分析在定子线圈的激磁安匝数磁极气隙的假设条件下步进电动机静态工作切向分力式中间隙的大小对切向分力起着致关重要的作用并可以画出与相对偏离变化量的变化规律如图。由图可知:在偏离量增加时切向分力会随之增时大。在相对偏离变化量刚接近切向分力就已达图到峰值。当偏离量是径向间隙的倍时切向分力已经减弱到只有峰值的我们只能把以上切向分力的分析称之为“短程切向分力”的分析。实际上为取得较强的磁耦合强度步进电动机的径向间隙如果按式()来计算磁极间的有效作用范围就相当小这显然不符合步进电动机的实际工作状况。磁相当于步进电的影响因素主要是磁极之间的“正为步进电动机各相原始磁极的圆周方取决于定子线圈的激磁安匝数增大时固定不变及电动机磁阻完全集中于可按以下公式估算:求解短程切向分力。为此是很小的所以wwwplcworldcn第页事实上在静止工作状态步进电动机磁极间的相互吸引作用存在着以下双重因素:)在两磁极间从偏离量为零开始按式规律变化的切向分力之作用。(此时以两磁极相互正面覆盖的面积来计算“磁极实际工作面积”。一之后就又为新的实际工作面产生了一对以旦出现偏离量(积的作用磁极。其中为步进电动机各相原始磁极的圆周方向弧长为原始磁)规律变化的切向分力:极的轴向宽度。该对作用磁极同样也能存在按式(因此步进电动机总的静态电磁驱动力矩将是以上双重因素的不断累加(积分)直至磁极间的实际工作面积等于零为止。在(式和中等都为步进电动机结构或电性能固有的参数。为便于分析和观察从式中分离出表述磁极间相对偏离量的参作为自变量数用作图法累加出它对图切向分力变化曲线切向分力的影响如图从图中可知:与“短程”电磁切向分力相似、随着相对偏离量的增加切向分力也存在“峰值现象”但其变化规律绝不是简单的正弦关系。用作图累加的方法可以的测得:切向分力的峰值位置大约出现在偏离出磁极中心位置半周弧长宽度地方。由此可见即使在静态工作时步进电动机也有能够承受最大工作载荷的最佳位置。二、步进电动机的“相”与“拍”为了实现步进电动机的连续运转它在结构上必须做成“多相”的形式。以六磁极三相步进电动机为例图展示的是轴向方式布置的三相步进电动机转、定子磁极位置布局关系示意图。其中转子部件实质上是一根沿圆周方向开长等分槽(磁极)的可转动铁芯磁图步进电动机转、定子磁极布局极间的夹角为磁极圆周方定子转子向弧长所占角度为。而定子部件是由三个圆周位置相互错过磁极夹角()的分相定子wwwplcworldcn第页组合而成的。三相步进电动机各相定子绕组的通电顺序有“三相三拍”和“三相六拍”两种运行方式。当步进电动机以三相三拍方式运行时三个分相定子的激磁绕组以的循环顺序分别通电使转子正转。在反转时只要将通电顺序反之即可。图以同轴横截面的方式表述了三相分别通电时转子、定子磁极间的相互位置关系其中每一列是一种通电状态。这样每改变一次通电状态转子就转过这一角位移量我们称之为步进电动机的步矩角。三相循环通电后转子正好转过一个磁极的等分角度相通电相通电相通电图三相图三双相同时通电时的磁极位置拍运行时的转、定子位置关系由于加工工艺的局限及磁极的侧向漏磁等原因步进电动机磁极的宽度不可能做得。为或过窄。对于三相步进电动机一般这种“单拍运行”的步矩角是能够在不缩小磁极宽度的前提下获得更小的运行步矩角还可以采用“三相六拍”的单双拍运行模式。此时磁极绕组的通电顺序是或。当进入双拍状态时相邻两磁极绕组同时通电转子磁极处于两定子磁极之间。由此推理对于四相、五相步进电动机各相可能的通电所列。方式就有多种具体如表四、五相步进电动表机的通电方式如果要对步矩角作进一步缩小则需要用外部电路进行步进电动机运行的“细分”关于此项技术将在后续的章节中叙述。wwwplcworldcn第页在电子石英手表中使用的步进电机在磁路结构上有很独到的安排。它用一个线方圈就可以使步进电动机转子以每步式旋转。图为这种步进电动机的结构:在此步进电动机的定子线圈中通以按时钟频率方向正反不断变化的电流它的转子是一个永磁体定子铁芯的磁极表面做成“偏心”状。当线圈没有电流通过时转子按磁力线最短的原则被定子磁极吸引其静止平衡位置在如图所示的“偏离”状态。每次线圈通电的电流方向按磁极相斥的原则输入偏心磁极表面的布局使转子、定子间沿圆周方向各处磁场强度不同转子必然以确定的转向旋转。此时步进电动机以一组定子线圈的两相反电流状态当作它的两个“相”每一“拍”运行一种通电方向图的“相用于石英电子表的步进电动机为解决实际制造中“偏心”结构较难制作的问题实际手表步进电动机定子内表面以在同心圆弧磁极上加工偏置缺口的方法形成与偏心磁极表面等效的结构。三、步进电动机的分类按具体结构分类步进电动机主要有反应式、永磁式和混合式三种。反应式步进电动机反应式步进电动机又称为变磁阻式步进电动机它根据相数、磁路结构的不同可形成很多种类但其工作原理是一样的。反应式步进电动机的定子、转子铁芯都用软磁材料制造定位精度可以做得很高、气隙可以做得很小磁极也可以设计得比较窄(步矩角可以较小)。工作时完全靠磁阻(即磁力线的长度)的变化产生工作转矩因此工作时定子绕组需要的励磁电流较大。由于没有恒磁场的作用此类步进电动机一旦断电就完全失去工作力矩在使用时应注意这一特点。我国生产反应式步进电动机的历史很长最典型的是定型为系列的步进电动机这种步进电动机的外形尺寸为最大静转矩范围是目前此类的应用还十分广泛。永磁式步进电动机永磁式步进电动机定子、转子铁芯的其中之一以永磁材料制造(大多数是转子)另一件用软磁材料。前面提到的石英电子表用步进电动机就属这一类。永磁式步进电动机的激磁绕组通电时需要规定它的激磁极性如果使其激磁磁场作连续回转运动实质上它就成了一台永磁同步电动机。wwwplcworldcn第页由此可见永磁式步进电动机的磁极只能做得比较宽、步矩角比较大但它工作时所需要的激磁电流比较小断电后永磁材料能产生一定程度的定位转矩。混合式步进电动机顾名思义混合式步进电动机就是反应式与永磁式步进电动机的混合它利用部分永磁材料的磁性来减小反应式步进电动机的激磁电流和在断电以后获得一定数量的剩余转矩但它的工作转矩并不完全依靠永磁所以步矩角可以与反应式步进电动机相近。正因为混合式步进电动机以上特点它有逐步取代反应式步进电动机的趋向。四、步进电动机的静态工作特性在步进电动机产品的样本和附带资料内应当提供其静态工作特性参数这些参数是设计、选用步进电动机的基本依据。它们主要是:矩角特性在本节开始已经比较详细地分析了“静态电磁驱动力矩”与“失调角”的关系。当对定子激磁绕组输入额定工作电流时可以用实验的方法测得该静态电磁驱动力矩随失调角变化而变化的实际情况该实验曲线便称为步进电动机的矩角特性该曲线应当与十分相似。图从步进电动机的矩角特性曲线可知:即使它处于维持在某一角度位置的“锁相”状态也必须用牺牲转角位置(产生角度位置误差)的方式来承受外加的载荷而且这种误差数值比较可观(步进电动机磁极圆周弧长的几分之一)。目前大部分步进电动机产品资料并未提供这一矩角特性曲线而只标明了以下所列的“最大静转矩”工作参数。最大静转矩实际上最大静转矩数值就是矩角特性曲线所显示出的峰值。它的测试方法十分简单:使步进电动机处于锁相状态测量其在失调角不超过磁极角条件下所能够承受的最大转矩。这是步进电动机工作的最极端状态。显然该工作参数只能作为选择步进电动机的一般参考而不能直接依据它来估算其承载能力wwwplcworldcn第页第二节  步进电动机驱动的动力学问题一、工作电路中的动力学问题步进电动机的脉冲步进工作方式使其工作电路遇到了比一般电动机更为恶劣的动态(电路动力学)问题使步进电动机的控制电路相对比较复杂。步进电动机各相定子绕组的激磁磁场必须彼此独立。在一般情况下此磁场的变化又采用了简单的开关方式当开关每相激磁绕组时将遇到很大的电感问题磁场迅速建立及立即终止都比较困难这使得步进电动机电路工作时的电气时间常数比较大、工作效率和功率容量经常比较低。二、力学模型的动力学问题与所有旋转机械一样转子及其他被驱动部件的惯性是步进电动机动力学模型的负载。但是步进电动机的步进工作方式使惯性负载的作用更加突出。步进电动机的每一步驱动都在对它所驱动的惯性负载不断进行加速和减速。又因为当工作磁极处于“正对”位置时无法克服外部负载力矩的特点在运行中必然存在通过“正对”位置后的超调现象它的每一步运行都只能靠阻尼振荡最终达到目标位置。这造成了步进电动机运行问题的复杂性。按所示图中按每次都能稳定以上分析理想的步进电动机运行过程如图“到位”的假设描述了每一步起动到位超衰阻尼振荡调减静止到位的角位移、角速度、角加速度的变化情况。为方便各参数之间的相互比较图中角加速度曲线的正负数值正好与实际情况相反。在此应当说明的是这种看似二图理想运行过程的角位移、角速度、加速度阶系统在阶跃位移输入作用下作衰理想角位移实际角位移减振荡的图形其实际输入参数是切实际角速度实际角加速度向力矩而且该力矩在运动过程中将按类似静态矩角特性的规律变化因此产生的响应将十分复杂。wwwplcworldcn第页步进电动机实际运行时随着脉冲输入频率的变化每一步的起动时刻不断在变化当脉冲频率提高之后在后一步起动时转子的角位移、角速度、角加速度的数值可能有上一步运动过程的不同状态残余这对步进电动机的工作稳定性将带来很大影响。如残留的角位移和角速度都为正转子具有有利于进一步转动的能量、容易继续旋转但再一次运行后的能量残留将更大。如状态相反则转子进一步转动将耗费更多能量运动丢步的可能性就更大不利于正常运行。三、与动力学性能相关的工作特性参数与步进电动机运行动力学性能相关的动态工作特性参数及相应测试方法如下:最高空载起动频率在不承受任何外加负载(空载)条件下步进电动机能够正常起动可以施加的最高脉冲频率。此时步进电动机的惯性负载只有电机转子本身。虽然该参数可以在一定程度上反映步进电动机产品的频率响应性能但不能作为实际运行时选用最高起动频率之依据。一般情况下最高空载起动频率为不等数值的大小与电动机的体积大小没有明显的联系。最高空载运行频率该参数也为空载条件下的性能参数。进行这一参数测试时步进电动机应先以较低的脉冲频率正常运行然后再缓慢、平稳地升高该工作频率直至能够维持不丢步运行的最高频率。显然对同一台电动机该参数数值应比最高空载启动频率有较大提高。启动矩频特性在无任何外加惯性负载的条件下测量各种起动频率条件下步进电动机所能承受的最大外负载力矩。显然在电动机转子本身惯性负载的影响下随着起动频率的增加其起动力矩的数值要降低。运行矩频特性在无任何外加惯性负载的条件下测量各种频率运行时步进电动机所能承受的最大外负载力矩。该参数的变化规律与起动矩频特性相似。一般情况下国产步进电动机的实用工作频率大约为几百赫兹最高上千赫兹。在此要重点指出的是:在某些型号的步进电动机矩频特性中会出现一个或几个“频率陷阱”的现象使这些步进电动机在频率陷阱附近起动或运行时几乎没有任何负载能力在设计选用时必须特别引起注意。为加深对上述频率特性的认识图、图、图分别列举了国产和步进电动机的起动矩频特性曲线在图中可以明显看wwwplcworldcn第页起动起动矩频特性图图起动矩频特性图矩频特性第三节步进电动机驱动电路在用单片机或计算机的变频脉冲信号直接控制步进电动机时其驱动电路主要由输入脉冲信号隔离接口、环形分配环节和功率放大电路等部分组成。具体结构框图如图图步进电动机驱动电路结构框图实际上生产步进电动机的厂商一般都有相应的配套驱动电路供应而且往往会在介绍产品时声明:如果不采用他们提供的配套驱动电路则产品说明书中所列举的各项工作性能指标就不一定能够得到保证。因此以下的叙述和分析仅为能够进一步掌握步进电动机驱动电路的基本规律之用不一定能够实际应用。当然在使用小功率步进电动机和工作要求不高时也可以考虑按此原理自行制作。到上述的“频率陷阱”现象。一、光电耦合隔离接口任何单片机或计算机所输出的脉冲控制信号在和步进电动机的驱动电路相联接时都必须设置一个光电耦合隔离接口以防止外部驱动电路对计算机内部极敏感wwwplcworldcn第页集成电路的干扰和损坏。光电耦合接口通过光强变化或光脉冲把“弱电”和“强电”联系起来使两者之间完全脱离了电的关系将控制计算机和外部驱动电路完全隔离开来。具体的光电耦合电路如图。最普通的光电耦以下。在此合隔离电路的工作频率大约在电路中特别要注意的是:来自单片机或计算机的电路通道与输出至功率放大的电路通道必须完全隔离!其中包括两路通道的接地也图光电耦合隔离电路不允许联在一起!这种电路输入与输出之间的绝缘电阻可达在光电耦合器件中脉冲信号输入端发光二极管上的最小压降应达到通过发光二极管是一只限以上必要时可添加电流放大环节。的电流最好在流电阻。当有脉冲信号输入时发光二极管点亮通过光能的作用使光电耦合器件中的光敏三极管导通此时功放端电压基本被电阻吸收光电耦合隔离电路的对外接输出是低电平。无脉冲信号输入时输出端呈高电平。如果将到光电耦合器件的下方则输出的情况就完全相反。二、脉冲的环形分配步进电动机各相激磁绕组通电次序的环形分配有硬件和软件两种实现方式。软件环形分配由计算机的内部工作程序实现因此它应放在光电耦合隔离电路之前。尽管以软件方式实现环形分配有占用硬件少、变动灵活等特点但它在工作时需要重复运行同一类驱动程序占用着一定的运算空间和时间其工作的可靠性取决于软件在工程应用中不一定推荐使用。图由门电路与触发器组成的三相六拍环形分配器一非门电一与非门电路路触发器wwwplcworldcn第页硬件环形分配器是由一组触发器或门电路组合而成的功能电路其工作性能完全取决于电路自身用户只要按照设计要求按规定的接线端接通相应电路即可。图是一种用门电路和触发器组成的三相六拍环形分配电路原理图。在实际应用环形分配电路中除需设置控制脉冲输入和步进电动机的各相输出控制端口外还应配置控制状态的复位端口和控制步进电动机转动正反向的端口。实际市场上已经有多种商品化的环形分配器集成电路可供选就是其中一种。图择是该集成电路的管脚图和三相六拍的接线图。其他定型的步进电动机专用控制集成电路还有:(用于控制三相和四相步进电动机)、(用于控制两相步进电动机)、用于控制五相步进电动机)等许多种它们的具体应用图管脚图和接线图方法可查阅相关的资料或手册。三、功率放大电路功率放大电路对步进电动机的运行质量有很重要的影响它至少要解决以下几个问题:尽快建立激磁绕组的工作电流。激磁绕组是一个感性负载在突然加上直流电压时通过绕组的电流将以指数曲线的方式逐渐加大这一过程当然会影响步进电动机工作磁场的快速建立。为此可用加大施加在激磁绕组两端电压的方法来加快激磁电流的建立速度。保持激磁绕组中的额定工作电流。激磁绕组本身的电阻是很小的如简单地为了加快激磁电流建立速度直接施加高电压则必然会造成在达到稳定状态后工作电流过大、烧损激磁绕组绝缘的后果。因此至少要在驱动电路中串联限流电阻来限定额定工作电流。)断电后在最短的时间内消除剩余电流的影响。也正因为绕组的感性负载当结束通电时绕组中必然出现惯性电流(剩余电流)造成因磁场延时而影响步进电动机工作磁极的迅速切换因而需要设法尽快释放和消耗。以下几种电路方案可以基本解决上述问题:简单限流电阻电路(图在功率放大电路中一般都用开关型三极wwwplcworldcn第页管作为导通、切断工作电流的控制元件。步进电动机产品铭牌上标示的额定工作电压就是为尽快建立激磁绕组额定工作电流所设定的较高电压。因激磁绕组的电感性质在电压施加于该功率放大电路的瞬间电路中没有工作电流限流电阻不产生电压降所以激磁绕组两端直接以额定电压起动。当电流逐渐建立和增大时限流电阻上的电压降也随之增高。最后工作电流达到稳态的额定工作电流限流电阻也图几种步进电动最终完成其限流作用。机驱动电路可以很方便地按照步进电动机产品资料所标称的额定工作电流及额定工作电压估算限流电阻的数值。如:电动机标称工作电压、额定工作电流三极管上如果压降可粗略地估计成忽略激磁绕组本身电阻则限流电阻的阻值大约为:如需考虑激磁绕组本身的内阻也可用万用表很方便地测量出来。在选用限流电阻时特别要注意电阻自身能够耗散的电功率值否则会发生电阻发热过高而烧毁的事故。)只用限流电阻的驱动电路增加续流二极管电路(图解决了使激磁绕组在高电压作用下能够快速起动的问题但没有解决绕组断电时的惯性电流问题。为此在电路中并联一个反向安装的二极管用来释放断电后激磁绕组内部出现的惯性电流(续流电流)。该二极管至少应能耐受两倍以上额定工作电压

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