6. 1 概述 6. 2 步进电动机及其控制原理 6. 3 ...

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6. 1 6. 1 概述概述

6. 2 6. 2 步进电动机及其控制原理步进电动机及其控制原理

6. 3 6. 3 直流伺服电动机及其控制原理直流伺服电动机及其控制原理

6. 4 6. 4 交流伺服电动机及其控制原理交流伺服电动机及其控制原理

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一、直流伺服电动机伺服电动机是指能够精密地控制其位置的一种电动机。直流伺服电动机是伺服电动机的一种。1. 直流伺服电动机分类及结构特点

无槽转子直流伺服电动机空心杯转子直流伺服电动机印刷绕组直流伺服电动机

后三种直流伺服电动机为小惯量直流伺服电动机。

永磁直流伺服电动机



直流伺服电动机的组成电动机本体主要由机壳、定子磁极和转子组成。检测部件有高精度的测速发电机、旋转变压器以及脉冲编码器等

特点小惯量直流伺服电动机惯量小，响应速度快，但过载能力低

永磁直流伺服电动机转矩大，惯量大，稳定性好，调速范围宽。有电刷，限制速度的提高（ 1000~1500r/min）。



2. 直流伺服电动机的工作原理与调速方法(1) 工作原理与一般直流电动机的工作原理相同，是建立在电磁力和电磁感应基础上的。如图（ a）所示，直流电流从电刷 A 流入，经过线圈 abcd，从电刷 B 流出，载流导体 ab和 cd受到电磁力的作用，使得转子逆时针转动。当转子转到如图（ b ）所示的位置，电刷 A 和换向片 2接触，

电刷 B 和换向片 1 接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是 dcba ，从电刷 B 流出。

外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。



(2) 直流伺服电机的速度控制原理

M

Ea

U

Ф

uf

他励直流电动机

转子回路的电势平衡方程： U ＝ Ea+ Ra Ia

式中 Ra—转子回路电阻 (Ω)

Ia—转子回路电流 (A)

感应电动势 Ea可由下式求得

Ea＝ Ce Фn

式中 Ce—电机械常数 Ф—励磁磁通 (Wb)

n—电动机转速 (r/min)

Te＝ Ct Ф Ia



电动机的电磁转矩 Te (N∙m)为

Te＝ CT Ф Ia

式中 CT—转矩系数，是电动机的结构常数。

所以可得电动机转速

2ea

e T

RT

C C e

U

C －n ＝＝ n0－Δn 式中 n0—理想空载转速

Δn—转速降落

根据上式可知，他励直流电动机有三种调速方法，即改变外加电压、改变励磁磁通及改变转子回路电阻调速。



2ea

e T

RT

C C e

U

C －n＝＝ n0－ Δn

根据上式：励磁磁通不可变，只有二种调速方法，而改变转子

回路电阻一般不能满足要求，通常采用改变转子回路外加电压的调

速方法。

这种调速方法是从额定电压往下降低转子电压，即从额定转速

向下调速。该种调速方法属恒转矩调速，机械特性是一组斜率不变

的平行直线，特性比较硬，且调速范围宽。另外，这种调速方法是

用减小输入功率来减小输出功率的，所以具有比较好的经济性。

永磁直流伺服电动机的调速方法



3. 永磁直流伺服电机的工作特性对于永磁直流伺服电动机，由于其伺服系统的要求，已经不能

简单地用电压、电流、转数等参数描述其性能，而需要用一些特性曲线对其性能做全面描述。

① 转矩—速度特性曲线从图中可以得出，伺

服电动机的工作区域被温度极限线、转速极限线、换向极限线、转矩极限线以及瞬时换向极限线划分成三个区域。

瞬时换向极限线

转速极限线

转矩极限线

换向极限线温度极限线

Ⅱ

Ⅲ

Ⅰ

0 500 1000 1500

2000

4000

6000

8000

10000

12000

T/(N∙cm)

n/(r/min)



Ⅰ区域为连续工作区 , 在该区域中，转矩和转速的任意组合都可长期连续工作。 Ⅱ区域为断续工作区，在该区域内，电动机只能根据负载周期曲

线所决定的允许工作时间 tR 和断电时间 tF 作间歇工作。

Ⅲ区域为加速和减速区域，在该区域内，电动机只能用于加速或减速，工作一段极短的时间。


转速极限线

转矩极限线


Ⅱ

Ⅲ

Ⅰ

0 500 1000 1500

2000

4000

6000

8000

10000

12000

T/(N∙cm)

n/(r/min)



② 负载周期曲线表示在满足机械所需转矩而又确保电动机不过热，允许电动机的工作时间 .

图中各条曲线为不同的过载倍

数 (=负载转矩／连续额定转矩 )

曲线。

横坐标为工作时间 tR (min)，

纵坐标 d为过载周期比。

d＝ tR／ (tR十 tF) (％ )



选用直流伺服电动机的原则：(1) 当机床在无切削运行时，在整个速度范围内，其负载转矩应在电动机连续额定转矩范围以内。(2) 最大切削转矩的倍数设定 ( 工作载荷百分比和工作时间 ) 应在电动机的载荷特性所规定的范围内。


转速极限线

转矩极限线


Ⅱ

Ⅲ

Ⅰ

0 500 1000 1500

2000

4000

6000

8000

10000

12000

T/(N∙cm)

n/(r/min)

(3) 在加减速时，应当工作在加减速工作区内。在加减速时，惯性转矩的大小取决于加速度的大小和负载惯量的大小，而加速度的大小又取决于希望的加速时间。(4) 负载惯量对电动机灵敏度和快速移动时间有很大影响，负载惯量通常不大于电动机转子惯量的三倍。



二、直流伺服电动机的速度控制

1. 晶闸管调速系统利用晶闸管的单向导电可控性，输出可控制的电压；利用可控硅整流器提供直流电源；通过改变晶闸管触发角，改变外加电压，从而达到调速的目的。

常采用两种速度调节系统：晶闸管调速系统　　　　　　　　　　　　晶体管脉宽调制调速系统。


改变触发角改变触发角时的电枢电压和电流波形



例典型的双环调速系统工作原理

速度反馈的闭环系统由速度调节器对电动机的速度误差进行调节

电流反馈环节由电流调节器对电枢回路引起的滞后进行补偿，抑制主回路电流的变化



2. PWM 脉宽调制原理与系统晶体管脉宽调制调速系统 (PWM)的调速性能优于晶闸管调速系统的调速性能；而且，功率晶体管的功率、耐压等都已有很大提高，现代数控机床的直流进给伺服系统中多采用晶体管脉宽调制调速系统。原理：利用脉宽调制器，将直流电压转换成某一频率的矩形波电压，加到直流电动机的转子回路两端，通过对矩形波脉冲宽度的控制，改变转子回路两端的平均电压，从而达到调节电动机转速的目的。调速系统的组成：由控制电路、主回路及功率整流电路三部分组成。其中控制电路由速度调节器、电流调节器和脉宽调制器（包括固定频率振荡器、调制信号发生器、脉宽调制及基极驱动电路）组成。系统的核心部分是主回路和脉宽调制器。



PWM 直流调速系统的原理框图

速度调节器电流调节器脉宽调制基极驱动主回路

整流

u-

++振荡器

电流反馈

-Usr

TG

Usf

++

-+

MTG

Usf



(1) 主回路即脉宽调制式开关功率放大器。

开关功率放大器通常有两种形式，即 T形和 H形。在 PWM

直流调速系统中，多采用 H形开关功率放大器作为主回路。

H形开关功率放大器

由四个大功率开关管和四个续流二极管构成桥式电路。

有单极性和双极性两种工作方式。



①单极性 H形开关电路单极性开关电路，将两个相位相反的脉冲信号分别加在 VT1、VT2管的基极， VT3管的基极加截止控制电压， VT4管的基极加饱和导通电压。在 0≤t＜ t1区间， VT1管饱和导通， VT2管截止，由于 VT4

管处于饱和导通状态，电动机两端 A、 B间电压为＋ Ed。在 t1≤t＜ T区间， VT1管截止，由于 VT3管始终处于截止状态，电动机两端 A、 B间电压为 0。转子绕组电感能量沿 VT4、 VD2

通道释放，维持转子绕组电流继续流通。要使电动机反转，只要将 VT3

管基极加饱和导通电压， VT4管加截止电压即可。



② 双极性 H形开关电路给 VT3、 VT4管基极也加脉冲控制电压，并且保证 ub1＝ ub4，

ub2＝ ub3＝－ ub1 ，就变成双极性工作方式。在 0≤t＜ t1区间， VT1、 VT4管饱和导通，电源电压＋ Ed加在电动机转子绕组的 A、 B端、即 uAB＝＋ Ed。

在 t1≤t＜ T区间， VT2、 VT3管饱和导通，电源电压＋ Ed加在电动机转子绕组的 B、 A端，即 uAB＝－ Ed。当 t1＞ T/2时，加在 A、 B两端的平均电压大于零，电动机正转。当 t1＜ T/2时，加在 A、 B两端的平均电压小于零，电动机反转。当 t1＝ T/2时，加在 A、 B两端的平均电压等于零，电动机停转。


单极性 H

形电路电枢电压和电流波形。



(2) 脉宽调制器作用产生脉冲宽度可由控制信号调节的脉冲电压。控制信号为来自电流调节器的电压信号，是由 CNC装置插补器输出的速度指令转化而来的。组成主要由调制信号发生器和比较放大器组成。① 调制信号发生器调制信号发生器通过自激振荡的原理产生三角波或者锯齿波。作为比较放大器的比较电压 uΔ 。

② 比较放大器三角波电压 uΔ与速度控制指令电压 uer比较后送入运算放大器。运算放大器输出电压的频率与基准三角波电压的频率一致，输出电压的脉冲宽度取决于速度控制指令电压 uer。可见运算放大器的输出是一个脉宽调制波，经放大后与主回路四个功率开关管的基极相接。



三角波发生器

比较放大器

uΔ

三角波

指令电压 uer

ub1

ub2

ub3

ub4



三角波发生器

比较放大器

脉宽调制波形图



③ 脉宽调制电路的工作原理当控制指令电压 uer＝ 0时，比较放大器输出 ub1、 ub2、 ub3、ub4的正负半波脉冲宽度相等。前半周期， VT1、 VT3管饱和导通， VT2、 VT4管截止；后半周期， VT2、 VT4管饱和导通， VT1、 VT3管截止。显然，不会有电流流过电动机转子绕组，uAB＝ 0。当 uer＞ 0时， ub1、 ub2为 (uΔ＋ uer)产生的输出， ub3、 ub4

为 (uΔ－ uer)产生的输出。在 0≤t＜ t1时间区间， ub1、 ub4为正电压， VT1、 VT4 管饱和导通，电流由电源的＋ Ed经 VT1管、转子绕组、 VT4管到地。在 t1≤t＜ t2时间区间， ub2、 ub4为负电压，电流被切断。此时， ub1为正电压， VT1管处于饱和导通状态。转子绕组电感能量经 VD3、 VT1管释放，维持转子绕组电流。



在 t2≤t＜ t3时间区间，与 0≤t＜ t1时间区间的情况相同。

在 t3≤t＜ T时间区间， ub1、 ub3为负电压 ,VT1、 VT3管截

止，电流被切断。此时， ub4为正电压， VT4管处于饱和导通

状态，转子绕组电感能量经 VT4、 VD2管释放，维持转子绕组

电流。

显然，主回路工作在单极性工作方式下。 uer增大， uAB的脉

冲宽度变宽，加在电动机转子绕组上电压的平均值增大，电动机

转子转速就上升。反之亦然。

当 uer＜ 0时， uAB的极性改变，电动机反转。

以上就是晶体管脉宽调制调速 (PWM)的整个过程。


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6. 1 6. 1 概述概述

6. 2 6. 2 步进电动机及其控制原理步进电动机及其控制原理



一、交流伺服电动机概述

直流伺服电动机具有优良的调速性能，但直流伺服电动机的电刷和换向器容易磨损，需要经常维护；由于换向器换向时会产生火花而使最高转速受到限制，也使应用环境受到限制；直流伺服电动机结构复杂、制造困难，成本高。

自 20世纪 80年代中期以来，以交流伺服电动机作为驱动元件的交流伺服系统得到迅速发展，有逐渐代替直流伺服电机的趋势。



1.交流伺服电机分类

数控机床进给伺服系统中多采用永磁同步交流伺服电动机，主轴伺服电机多采用异步交流电机。

按电机的结构形式分异步型：同步型：永磁式和励磁式

按机床运动的类型分主轴伺服电机进给伺服电机

主轴伺服电机和进给伺服电机的功率扭矩特性不同，进给伺服电机通常为恒扭输出，而主轴电机通常为恒功率输出。

M P

MP

O nnjnmin nmax

主运动的功率扭矩特性



2. 交流伺服电机的特点

2) 永磁同步交流伺服电动机的特点：体积小，效率高，运行可靠。调速方便、机械特性好。调速范围宽。建模难度大、控制算法复杂。

1) 异步交流伺服电机的特点：重量轻，价格便宜。转速随负载变化较大，低速时运动平稳性较差静止时自锁转矩小。



3. 永磁同步交流伺服电机的结构

永磁伺服电机轴剖面示意图

1— 定子； 2— 永磁体；3— 通风孔； 4— 转子轴

组成：定子、转子和检测元件。


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定子：

定子由硅钢片叠压而成，具有齿槽，内有三相绕组，形状与普通交流电动机的定子相同，但其外形多呈多边形，且无外壳，利于散热。



转子：转子由多块永久磁铁和冲片组成。这种结构的优点是气隙磁密较高，极数较多。



根据永磁体在转子上的放置的位置不同，永磁同步电机可分为表面式和内置式两种。在表面式永磁同步电机中，瓦片形的永磁体安装在转子铁心的外表面上，因此直交轴主电感相等（ Ld=Lq）。



在内置式永磁同步电机中，永磁体安装在转子内部，在定子铁心内圆与永磁体外表面之间有用铁磁物质制作的极靴保护永磁体，因此直交轴主电感不相等（ Ld≠Lq）。



检测元件：早期的永磁同步交流伺服电机中，由测速发电机来实现速度反馈，编码器用来反馈转子永磁体磁场矢量的方向和位置，多采样绝对式编码器。现代永磁同步电机采用全数字控制，速度反馈有位置对时间微分来实现，省掉了测速发电机，并开始采用增量式编码器作为位置反馈元件，绝对式编码器基本采用高速串行通信方式，大大提高了可靠性。



4. 交流伺服电机的工作方式

扭矩控制方式；

速度控制方式；

位置控制方式。

模拟量输入；数字输入（选择 8-16 种内部速度）；串行通信。

脉冲输入；串行通信。

Dir + clk

Up Down ；AB相正交脉冲。

模拟量输入；



1）闭环速度控制 /扭矩工作方式

交流伺服驱动器

速度控制

电流控制

位置控制

d/dt

CNC 位置反馈

位置控制

伺服电机

工作台

模拟电压



2）高速伺服总线闭环控制工作方式

伺服驱动器

伺服驱动器

伺服电机伺服电机

编码器编码器

光栅光栅

伺服驱动器

伺服驱动器

PLCPLC

伺服电机伺服电机

CNCCNC



3）脉冲位置控制工作方式

交流伺服驱动器

速度控制

电流控制

位置控制

d/dt

CNC 位置控制

伺服电机

工作台

有些交流伺服驱动器具有光栅反馈接口，可实现从伺服驱动器到工作台的全闭环控制，而 CNC 到伺服驱动器则采用开环控制。



用交流伺服电机替代步进电机时，一定要主要滞留脉冲的影响

交流伺服电机步进电机扭矩、功率大小位置分辨率高（ 1/262144）低（ 1/480）

电子齿轮有无低速性能好振荡价格贵便宜

启动、工作频率高低运动特性滞留脉冲丢步

交流伺服电机脉冲位置控制工作方式与步进电机的比较


二、永磁同步交流伺服电动机的工作原理定子三相绕组接上交流电源后，就会产生一个旋转磁场，以转速 n 旋转。定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极互相吸引，并带着转子一起旋转。使转子也以同步转速 ns 旋转。

当转子加上负载转矩之后，将造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合，其夹角为 θ 。若负载发生变化， θ 角也跟着变化，但只要不超过一定的限度，转子始终跟着定子的旋转磁场以恒定的同步转速 ns 旋转。转子转速为

n＝ ns＝ 60f/p (r/min)

式中 f— 电源的频率 p— 磁极对数

n


永磁同步交流伺服电动机工作特性曲线：即转矩—速度特性曲线

T /

N c

m

n (r /min)

特点：（与永磁直流伺服电动机相比）

Ⅰ为连续工作区

Ⅱ为断续工作区

机械特性更硬，其直线更接近

水平线。

断续工作区的范围更大。


1. 同步交流伺服电动机的变频调速调速原理根据永磁同步交流伺服电动机转子转速公式

n＝ ns＝ 60f/p (r/min)

可以通过改变电动机电源频率 f 来调节电动机的转速。此法可以实现无级调速，能够较好地满足数控机床的要求。变频调速的关键是设计能为电动机提供变频电源的变频器。

交—交变频器直接将固定频率的交流电变换为另一种频率的交流电。

交—直—交变频器先将电网交流电通过整流变为直流，再经过电容或电感或电容、电感组合电路滤波后供给逆变器。逆变器输出的是电压和频率可调的交流电。



“目前，交流调速中应用最广的是交—直—交”变换，一般采用 PWM逆变器。 PWM调制方法有很多种，在交流电机调速中最基本、应用最广泛的调制方法是 SPWM(正弦波脉宽调制 )、和 SVPWM（空间矢量脉宽调制），使定子产生所需的旋转磁场，进而实现交流电机的速度控制。

IPM

VT1 VT3 VT5

VT4 VT6 VT2

RST

UVW

M3 ~开关功放

控制信号



1) SPWM 基本原理

双极性调制法（单相）

VT1

VT2

调制电路

Ud

ur

uc

L

VD1

VD2

单相 SPWM 基本原理 SPWM(正弦波脉宽调制 ) 以三角波为载波，正弦波为调制波，其频率和幅值可调，两波形交点决定逆变器开关管状态。



单相 SPWM 基本原理当正弦波高于三角波时， VT1 导通、 VT2关断，使负载上得到的相电压为 u0=＋ Ud/2 ；当正弦波低于三角波时， VT1关断、VD2 续流二极管释放能量，负载上的相电压为 u0 = -Ud/2 ；实现双极性调制。

VT1

VT2

调制电路

Ud

ur

uc

L

VD1

VD2



三相 SPWM 基本原理

双极性调制法（三相）

通过改变调制波的幅值，可改变逆变器输出电压的幅值；

通过改变调制波的频率，可改变逆变器输出基波的频率。



SPWM 变频调速系统

SPWM 变频调速系统框图



2) SVPWM 基本原理

交流电机输入电压对时间的积分是磁链，方向为滞后输出电压矢量 90° 。

各相电压在空间上的合成构成空间电压矢量，因此空间磁链矢量可由空间电压矢量得到。

SVPWM方式就是通过逆变器的不同开关模式的组合，得到圆形空间磁链矢量轨迹的 PWM方式。

要使交流电机平滑地旋转、减小电流脉动，则需要使空间磁链矢量平滑的旋转。

SVPWM ——Space Vector Pulse Width Modulation，是空间矢量脉宽调制的简称。



为防止直通：上桥臂导通时，下桥臂则关断，反之亦然。三相电流的组合共有 8 种（ 23）组合，对应着 6 个开关管的 8 种开关状态。若设：电流导通为 1 ，关断为 0 。 8 种状态组合如右图所示。

VT1 VT3 VT5

VT4 VT6 VT2

U VW

Ud

NN’

VT4

U

0态和 7态是称为 0矢量，其余 6 种称为非 0矢量。空间矢量 PWM 控制就是利用 6 种非 0矢量和 2种 0矢量的组合实现三相正弦交流电压输出。状态

V0V1V2V3V4V5V6V7

Su Sv Sw 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1



SVPWM方式组合使用 7 种状态，使瞬时空间电压矢量积分形成的瞬时空间磁链矢量的轨迹成为平滑的圆形，同时可任意改变空间磁链矢量的旋转速度和圆形轨迹的半径。

O

0V

1V

2V

3V

4V

5V

6V

1

6 5

4

32

矢量 V与所对应的磁链



单纯的变频调速无法解决交流电机的转矩控制，由于交流电机的励磁电流与转矩电流耦合在一起，因此难以象直流电机那样直接实现调压和调磁控制，这就是早期进给伺服驱动采用直流电机的原因，也是单纯采用变频调速的主轴系统速度和位置控制精度不高的原因。要想使交流电机达到同样的调速性能，就需要通过矢量控制将励磁电流与转矩电流解耦。

Te＝ Ct Ф IaEa＝ Ce Ф nU＝ Ea+Ra Ia

直流电机方程


三、矢量变换原理


电机的电压方程：

1. 坐标变换基本原理

令：

v z i e

设从当前坐标系到目标坐标系的变换矩阵为 [c] ，则： 1

( )c v c z c c i c e

TT T T Tv i v i c v c i v c c i

;c i i 1 ;c z c z

c e e

按照变换前后能量不变原则，变换前后瞬时功率相等：

可得： Tc c I 1

T

c c

;c v v

通过数学变换，改变物理方程，简化控制运算。



id

iq

q

d

ii

iaib

ic

a

b

c W

V

U

三相交流坐标系（ a-b-c）

两相直角坐标系（ - ）

两相旋转坐标系（ d - q）

Clarke 变换3相 /2相变

换Park 变换

Park逆变换Clarke逆变换

2相 /3相变换

2. 交流电机矢量变换的数学模型



在保持能量不变的条件下，两相正交交流坐标系（ -

）中的电流与三相交流坐标系（ a – b – c）的电流之间的关系表达式如下：

1） Clarke 变换 (3相 2相变换 )

1 11

2 2 2

3 3 30

2 2

a

b

c

ii

ii

i

0

1 cos(120 ) cos(240 )

0 sin(120 ) sin(240 )

a

b

c

i i

i m i

ix x xi

即：



30

21

22

a

b

i i

i i

Clarke 变换可简化为：

2） Clarke逆变换 (2相 3相变换 )

20

31

26

a

b

ii

ii

如果采样 Y 型不带 0 线的接法： 0a b ci i i

iaib

ic

a

b

c W

V

U



§ 5-5-3 矢量变换原理

3） Park 变换

cos sin

sin cosd

q

i i

ii

4） Park逆变换1

cos sin

sin cosd

q

i i

ii

cos sin

sin cosd

q

i

i

ii

id

iq

q

d


IPM

ADCClarke

变换

Park Clarke

逆变换SVPWM

UW

整流滤波DC

AC

电流控制

M3~

UU UV

iPark

变换

Park

逆变换

iU

iW

iid

iq

速度控制

指令速度

iqr

idr

ir

ir

编码器

微分

3. 矢量变换控制原理框图

矢量变换控制原理框图


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