第六章 精密伺服系统设计 了解精密仪器的控制系统的基本概念、组成、分类、基本要求。掌握开环伺服系统及闭环伺服系统的组成、主要部件、设计步骤。

内 容 6.1 概述 6.2* 开环伺服控制系统设计 6.3 闭环伺服控制系统设计 重点：步进电机、开环伺服系统的原理与设计。 内 容 6.1 概述 6.2* 开环伺服控制系统设计 6.3 闭环伺服控制系统设计 重点：步进电机、开环伺服系统的原理与设计。 难点：步进电机的驱动及细分

6.2 开环伺服控制系统设计 一、执行元件类型及特点 二、步进电机原理 三、步进电机的驱动控制系统 四、步进电机主要性能参数 6.2 开环伺服控制系统设计 一、执行元件类型及特点 二、步进电机原理 三、步进电机的驱动控制系统 四、步进电机主要性能参数 五、开环控制的伺服系统设计

三、步进电机的驱动控制系统 ？ n、f V 控制对象 控制参数 如何控制 控制效果 控制精度<—— … … 位移速度指令 方向指令 键盘 控制精度<——

四、步进电机主要性能参数 （1）步距角 （2）静态特性参数 （3）起动特性参数 （4）工作特性参数 （5）加减速特性参数 （6）额定电流/电压

（1）步距角 ——步进电动机走一步所转过的角度称为步距角，计算公式: 式中：Z——转子的齿数；m——运行的拍数。 同一台步进电动机，因通电方式不同，运行时步距角也是不同的。

步距误差 步距误差：步进电机转动时，转子每一步实际转角与理论步距角之差。 步距的累积误差：连续走若干步时，步距误差的累积值。 影响因素：齿和磁极的机械加工及装配精度，各相矩角特性之间的差别。 ——周期性 由于步进电机转过一转后，将重复上一转的稳定位置，∴其累积误差将以一转为周期重复出现，因此累积误差的最大值可在一转范围内测出。

（2）静态特性参数 静态：步进电机通的直流电为常数，转子不动时的定位状态。 参数： 矩角特性 最大静态转矩 静态转矩——失调角 最大静态转矩——矩角特性曲线峰值，表示步进电机的负载的能力。 增大，则自锁转矩增大，静态误差减少，即负载能力增大，运动的快速性和稳定性越好。

（3）起动特性参数 最大起动转矩 起动频率 起动矩频特性 起动惯频特性 ——矩角特性曲线A 、B 交点对应的转矩。只有当负载转矩小于Mq 时电动机才能正常起动运行，否则容易失步，不能正常起动。 Mq < Mjmax 。 9

（3）起动特性参数 最大起动转矩 起动频率 起动矩频特性 起动惯频特性 ——空载时，步进电机由静止突然起动、进入不失步的正常运行所允许的最高频率。 如果起动时脉冲频率过高，则失步。 ——空载时，步进电机由静止突然起动、进入不失步的正常运行所允许的最高频率。 如果起动时脉冲频率过高，由于转子及负载的转动惯量，转子的加速度赶不上通电时矩角特性的移动速度，则失步。 10

（3）起动特性参数 M↑→fq↓ 最大起动转矩 起动频率 起动矩频特性 起动惯频特性 ——空载时，步进电机由静止突然起动、进入不失步的正常运行所允许的最高频率。 如果起动时脉冲频率过高，由于转子及负载的转动惯量，转子的加速度赶不上通电时矩角特性的移动速度，则失步。 ——步进电机在有外加负载转矩时，起动频率与负载转矩之间的关系。 11

（3）起动特性参数 J↑→fq↓ 最大起动转矩 起动频率 起动矩频特性 起动惯频特性 步进电机带动纯惯性负载时，起动频率与负载转动惯量之间的关系。 转动惯量增大， 减小，有转矩负载时， 减小。 J↑→fq↓ ——步进电机带动纯惯性负载时，起动频率与负载转动惯量之间的关系。 12

（3）起动特性参数 ↑ ↓ ↑ ↓ < 最大起动转矩 起动频率 起动矩频特性 < f，丢步 起动惯频特性 ? 负载转矩 —— 1、最大起动转矩 ：曲线A 、B 交点对应的转矩。只有当负载转矩小于 时电动机才能正常起动运行，否则容易失步，不能正常起动 (2) 启动频率和运行频率 我们把不失步启动的最高脉冲频率称为启动频率，也称突跳频率，是步进电动机的一项重要性能指标。 运行频率是指步进电动机起动后，当控制脉冲频率连续上升时，步进电动机能不失步的最高频率 2、起动频率 ：空载时，步进电机由静止突然起动，进入不失步的正常运行所允许的最高频率。如果起动时脉冲频率过高，由于转子及负载的转动惯量，转子的加速度赶不上通电时矩角特性的移动速度，则失步。(丢步包括失步和超步) 3、起动矩频特性：步进电机在有外加负载转矩时，起动频率与负载转矩之间的关系。 4、起动惯频特性：步进电机带动纯惯性负载时，起动频率与负载转动惯量之间的关系。 转动惯量增大， 减小，有转矩负载时， 减小。 ↑ ↓ 负载转矩 —— ↑ ↓ 负载转动惯量 —— 13

电机电磁-机械过渡过程T1/2 ? 控制脉冲转换间隔T （4）工作特性参数 T=T2 最高工作频率 矩频特性 ——步进电机连续运行时，所能接受的（保证不失步运行）最高（极限）频率。它决定步进电动机的最高转速。 与控制脉冲频率同步连续运行 电机电磁-机械过渡过程T1/2 ? 控制脉冲转换间隔T T1<T2:步进运行 常按频率高低分成三个区段进行分析 ①脉冲频率极低的步进运行 输入绕组的控制脉冲间隔时间大于步进电动机的过渡过程时间，即为步进运行状态或单步运行； ②高频脉冲的连续运行 一步尚未走完，下一脉冲接着加上，此时转子不是作步进运动，而是处于连续运行状态； ③介于上述脉冲频率之间的运行。 T2<T T1≤T≤T2 T<T1 高频——连续运行 低频——步进运行/单步运行 失步/震荡

（4）工作特性参数 最高工作频率 矩频特性 步进电机运行时，当控制脉冲转换间隔大于电机电磁-机械过渡过程时，步进电机按与控制脉冲频率相应的同步转速连续运行，此时M随f 的升高急剧下降。∴高速时，负载小。 与电机的结构有关，电机的通电方式和驱动电源的特性有关

（4）工作特性参数 M↑→f↓ 最高工作频率 矩频特性：步进电机控制频率与电磁转矩之间的关系。 与电机的结构有关，电机的通电方式和驱动电源的特性有关 M↑→f↓

（4）工作特性参数 > 最高工作频率 矩频特性 ? M——f 1、最高工作频率：步进电机连续运行时，所能接受的（保证不失步运行）最高（极限）频率。它决定步进电动机的最高转速。 2、矩频特性步进电机控制频率与电磁转矩之间的关系。 步进电机运行时，当控制脉冲转换间隔大于电机电磁-机械过渡过程时，步进电机按与控制脉冲频率相应的同步转速连续运行，此时M随f 的升高急剧下降。∴高速时，负载小。

（5）加减速特性参数 加减速特性 加/减速时间常数

（5）加减速特性参数 加减速特性 ：步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。 加/减速时间常数

（5）加减速特性参数 加减速特性 加/减速时间常数（ ）： f：0→0. 632 f工作或f工作→0.368 f工作所需要的时间。（不可过小，否则出现失步/超失） 为了保证运动的平稳和准确定位，根据步进电机的加减速特性，在起动和停止时应进行加减速控制。

（6）额定电流/电压 额定电流 电机不动时每相绕组容许通过的电流定为额定电流。 当电机运转时，每相绕组通的是脉冲电流，电流表指示的读数为脉冲电流平均值，并非为额定电流(此值比额定电流低)。 额定电流 电机不动时每相绕组容许通过的电流定为额定电流。 当电机运转时，每相绕组通的是脉冲电流，电流表指示的读数为脉冲电流平均值，并非为额定电流(此值比额定电流低)。 额定电压 额定电压是指加在驱动电源各相主回路的直流电压。 一般它不等于加在绕组两端的电压。 国家标准规定步进电动机的额定电压应为： 单一电压型电源 6、 12、 27、 48、 60、 80 (V) ； 高低压切换型电源 60/12、 80/12 (V) 。 额定电压 额定电压是指加在驱动电源各相主回路的直流电压。 一般它不等于加在绕组两端的电压。

五、开环控制的伺服系统设计 当伺服系统的负载不大，精度要求不高时，可采用开环控制。一般来说，开环伺服系统的稳定性不成问题，设计时应主要考虑满足精度方面的要求，并通过合理的结构参数设计，使系统具有良好的动态响应性能。

设计步骤 1、系统方案设计 2、机械系统设计计算 3、电子系统设计

1、系统方案设计 （1）系统开环与否的确定 （2）执行元件的选择 （3）传动机构方案的选择 （4）执行机构方案的选择 （5）控制系统方案的选择 （2）执行元件的选择 精密测控系统的负载不大，一般选用步进电动机，此外还有压电陶瓷。 （3）传动机构方案的选择 传动机构实质上是执行元件与执行机构之间的一个机械接口，用于对运动和力进行变换和传递。 当以步进电动机为执行元件时，由于某输出为旋转运动，而执行装置多为直线运动，所以需要传动机构将旋转运动转换为直线运动。 常见的有：齿轮齿条：具有较大的传动比和较高的传动效率，传递的力较大，但高精度的齿轮齿条制造困难，且为消除运动间隙而结构复杂。 丝杠螺母：结构简单，制造容易，应用广泛。 （３）执行机构方案的选择 它是伺服系统的被控对象，是实现实际操作的机构。应根据具体操作对象及特点来选择和设计。一般来讲，执行机构中都包含有导向机构，所以执行机构方案的选择主要是导向机构的选择。 （４）控制系统方案的选择 包括微型机，步进电动机控制方式，驱动电路等的选择。

（1）系统开环与否的确定 依据——系统负载不大，精度要求不高 开环系统设计要点：满足精度、动态响应特性 当系统负载不大，精度要求不高时，可考虑开环控制；反之，当系统精度要求较高或负载较大时，开环系统往往满足不了要求，这时要采用闭环或半闭环控制系统。一般情况下，开环系统的稳定性不会有问题，设计时仅考虑满足精度方面的要求即可，并通过合理的结构参数匹配，使系统具有尽可能好的动态响应特性。

（2）执行元件的选择 依据——负载能力、调速范围、运行精度、可控性、可靠性以及体积、成本等多方面的要求。 一般来讲，优先选用步进电动机。 选择执行元件时应综合考虑负载能力、调速范围、运行精度、可控性、可靠性以及体积、成本等多方面的要求。一般来讲，对于开环系统可考虑采用步进电动机、电液脉冲马达和伺服阀控制的液压缸和液压马达等，应优先选用步进电动机。对于中小型的闭环系统可考虑采用直流伺服电动机、交流伺服电动机，对于负载较大的闭环伺服系统可考虑选用伺服阀控制的液压马达等。

（3）传动机构方案的选择 在伺服系统中，执行元件以输出旋转运动和转矩为主，而执行机构则多为直线运动。 用于将旋转运动转换成直线运动的传动机构有： 齿轮齿条——可获得较大的传动比和较高的传动效率，所能传递的力也较大，但高精度的齿轮齿条制造困难，且为消除传动间隙而结构复杂； 丝杠螺母——结构简单、制造容易，应用广泛。 传动机构是执行元件与执行机构之间的一个连接装置（机械接口），用来进行运动和力的变换与传递。在伺服系统中，执行元件以输出旋转运动和转矩为主，而执行机构则多为直线运动。 用于将旋转运动转换成直线运动的传动机构有： 齿轮齿条——可获得较大的传动比和较高的传动效率，所能传递的力也较大，但高精度的齿轮齿条制造困难，且为消除传动间隙而结构复杂； 丝杠螺母——结构简单、制造容易，应用广泛。

（4）执行机构方案的选择 执行机构是伺服系统的被控对象，是实现实际操作的机构。应根据具体操作对象及特点来选择和设计。一般来讲，执行机构中都包含有导向机构，所以执行机构方案的选择主要是导向机构的选择。

（5）控制系统方案的选择 包括微型机、步进电动机控制方式、驱动电路等。 常用的微型机有单片机、单板机、工业控制微型机等。 控制系统方案的选择包括微型机、步进电动机控制方式、驱动电路等的选择。常用的微型机有单片机、单板机、工业控制微型机等，其中单片机由于在体积、成本、可靠性和控制指令功能等许多方面的优越性，在伺服系统的控制中得到了广泛的应用。

2、机械系统设计计算 包括：执行元件参数及规格的确定， 系统结构的具体设计， 系统惯量、负载、刚度等参数的计算， 系统动态分析， 系统误差分析。 系统方案确定后，应进行机械系统的设计计算， 确定系统的机械和动力学参数：i、p、α、f(fq、fmax)等

举例：步距角α的确定 N为大于等于1的正整数 Δx——执行机构的运动精度。 脉冲当量δ（ mm /脉冲）

举例：步进电机工作频率 ——执行机构的运行的最高速度。 ——矩频特性

3、电子系统设计 *选择与设计信号转换和放大装置、校正补偿、电源等装置； *解决相邻环节的连接、信号的有效传递、输入与输出的阻抗匹配等问题。 执行元件与传动系统确定之后，要考虑信号检测、转换和放大装置以及校正补偿装置的选择与设计的问题，同时还要考虑相邻环节的连接、信号的有效传递、输入与输出的阻抗匹配等，以保证各个环节在各种条件下协调工作，系统整体上达到设计指标。 1. 检测传感装置的精度、灵敏度、反应时间等性能参数要合适，这是保证系统整体精度的前提条件； 2. 信号转换接口电路尽量选用商品化的产品，要有足够的输入／输出通道，与传感器输出阻抗和放大器的输入阻抗要匹配； 3. 放大器应具有足够的放大倍数和线性范围，其特性应稳定可靠； 4. 功率输出级的技术参数要满足执行元件的要求； 5. 电源的设计，一是要考虑到放大器各放大级的不同需要，二是要考虑到动力电源稳定性能和抗干扰性能。

主要考虑的问题 1. 信号转换接口电路； 2. 放大器； 3. 功率输出级的技术参数； 4. 电源。 1、信号转换接口电路要有足够的输入／输出通道、阻抗匹配、信号的隔离和保护； 3. 放大器应具有足够的放大倍数和线性范围，其特性应稳定可靠； 4. 功率输出级的技术参数要满足执行元件的要求； 5. 电源的设计，一是要考虑到放大器各放大级的不同需要，二是要考虑到动力电源稳定性能和抗干扰性能。

1、目的及要求 实验二 精密工作台控制系统设计 实验二 精密工作台控制系统设计 1、目的及要求 掌握精密仪器控制系统的设计方法，利用单片机软、硬件系统通过四相步进电动机实现精密工作台位移、速度（满足电机的加、减速特性）、方向、定位的控制。 硬件完成控制电路板，包括CPU、功放、按钮、LED显示。软件可采用汇编或C实现。

2．设备 （1）精密工作台DZH50 P4 04： 步进电机 :57BYGH210 丝杠螺母副：导程4mm。 （2）单片机开发系统。

步进电机指标 型号：57BYGH210 相数：2相 线圈：4V, 2.4A, 1.6Ω 4 步距角：1.8/0.9˚ 接线方式：A、 、B、 红、绿、黄、蓝 4 与网上资料不符 A、B、C、D

3．系统要求 开环伺服系统， 执行元件为步进电动机， 传动机构为丝杠螺母副。 工作台脉冲当量：δ=0.01mm /脉冲； 最大运动速度=1.2m/min； 定位精度=±0.01mm； 空载启动时间=25ms。

4．实验任务 （1）系统任务分析、原理分析。 （2）确定步进电动机参数。 （3）设计步进电动机开环伺服控制系统。 （4）#步进电动机开环伺服控制单片机软、硬件系统制作及调试。 （5）#精密工作台开环伺服控制系统连接及调试。 #为课上完成内容。

5．思考 6．实验报告 （1）精密仪器控制系统设计的关键是什么？ （2）若精密工作台的脉冲当量δ=0.001 mm /脉冲或更小，该系统应采取什么措施满足要求？如何实现？ 6．实验报告 包括：目的、任务；系统要求及任务分析；系统原理设计及分析；系统设计及线路图和流程图；系统调试。