设负载转矩为T2，则当A相通电时，静态工作点为A，见图6-4对应
转子位置为α1
Tmax（A
Tmax（B）分别为
A相和B相通电时产生的矩角特性，由于二相定子在空间上（相对于
Tmax (α)也平移了
αp角。当α1位置A相切断、B相接通时，电动机将跃至与B相对应的
矩角特性上工作。由于电动机的电磁转矩大于负载转矩（其差见图上
第六章 伺服驱动控制系统设计
第一节 伺服驱动控制系统设计分析 第二节 步进电动机控制系统设计 第三节 第四节 交流电动机伺服驱动控制系统设计
第一节 伺服驱动控制系统设计分析
一、 伺服驱动控制系统分类及特点
1. (1) ① 液压伺服驱动控制系统；② 气压伺服驱动控制系统；③ 电机伺服
阴影部分），转子将运动至B点，此时电动机步进了一个步距角
αp=α２-α１，如图6-5所示。表达了角位移超调和振荡现象，在步
进电动机中采用合理阻尼的重要性。
正如上面所分析的，相邻相单独通电时的矩角特性曲线相差αp角， 因此画出各相的矩角特性曲线后，可根据多相同时供电情况得到相应
的矩角特性，这样就可以分析对应的步进运动和起动转矩。例如：图 6-6为四相步进电动机的单四拍和双四拍供电及矩角特性。
(1) 单电压功放电路设计。这是一种直接耦合式开关功率放大器，如 图6-13所示。当脉冲分配器输出低电平时，D2导通，T1、T2截止， D1将UD和UM隔开，可防止功率管击穿时损坏脉冲分配器和电源 UD，考虑到功率管关断时，相绕组会产生较高的自感电势，它和电 源电压叠加之后可能使晶体管击穿，常采用如图6-14所示的几种保 护措施。
③ 矩频特性。图6-7所示是矩频特性图
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图6-4 步进电动机的单步运行图
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图6-5 角位移的超调和振荡现象示意图
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图6-6 单相和多相工作矩角特性 图6-7 步进电动机的矩频特性图
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2 电机转子采用永久磁钢做成的步进电动机称为永磁式步进电动机。这
类电动机的典型原理结构如图6-8所示。
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3. 磁路混合式步进电动机（混合式步进电动机）是利用永磁式和反应式
两种结构发展起来的一种步进电动机。它兼有永磁式和反应式两类电 动机的优点，由于其转子上有永久磁钢，故产生同样大小的转矩所需 要的激磁电流大大减小，但带负载能力却超过反应式步进电动机，在
不通电时，还有定位转矩。如图6-9所示，磁路混合式步进电动机。
图6-1 步进电动机系统简图
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一、 步进电动机的类型和工作原理
1. (1) 反应式步进电动机的工作原理。
① 步进电动机的工作过程从A相通电开始，这时转子的两极被定子A ② A相断电，改为B相绕组通电，由于凸极效应，则转子的两极被定
子B相两极所吸引，顺时针转过一个步距角60°，如图6-2 ③ B相断电，C相通电，转子又顺时针转过一个步距角60°，使转
(2) ① 标准信号控制系统；② 检测信号控制系统；③ 计算机输出信号控
(3) ① 模拟电路控制系统；② 2. (1) 液压驱动系统的特点 ① 功率大。② 驱动系统体积小。③ 控制性能好。 ④ 维护修理方便。 ⑤ 点： ① 成本低。 ② 清洁、安全。 ③ 输出功率和力比较小。
(3) (4) 控制角度要求较高时，选择具有细分功能的电源。 2 步进电动机的驱动电源包括变频信号源、脉冲分配器和功率放大器三
个部分，如图6-10所示。
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3 步进电动机专用集成电路国产的有PM03（三相三拍或三相六拍）、
PM04（四相四拍或八拍）、PM05（五相五拍或十拍）、PM06 （六相六拍或十二拍）系列，分别用于三相、四相、五相、六相步进 电动机的控制。 专用集成电路PMM8713的实际接线如图6-11所示。 PMMC101B与微机CPU的连接如图6-12所示。 4 步进电动机的功率放大器分单电压驱动和双电压驱动两大类。单电压 驱动中又可分全波型、斩波型；双电压驱动中又可分为定时型、检验
子与定子C相两极对准，如图6-2 ④ 再使A相绕组通电，C相绕组断电，转子又顺时针转过60°，与A
相对准。
图6-3所示为一台m=4、zr=10的步进电动机 。
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图6-2 三相六拍控制方式 中的AB相通电示意图
图6-3 反应式步进电机示意图
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(2)
① 步矩角特性。
② 单步运行和起动转矩。
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二、 伺服驱动控制系统设计的基本要求
1. 高精度控制 2. 3. 调速范围宽、低速稳定性好 4. 快速的应变能力和过载能力强 5. 6.
三、
1. 2. 3. 4.
5. 结构尺寸及质量满足总体技术要求原则
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第二节 步进电动机控制系统设计
步进电动机是由电脉冲控制的特种电动机。对应于每一个电脉冲，电 动机将产生一个恒定量的步进运动，即产生一个恒定量的角位移或线 位移。电动机运动步数由脉冲数来决定，运动方向由脉冲相序来决定， 在一定时间内转过的角度或平移的距离由脉冲数决定，借助于步进电 动机可以实现数字信号的变换。它是自动控制系统以及数字控制系统 中广泛应用的执行元件。步进电动机控制系统的组成如图6-1所示。
图6-9 磁路混合式步进电动机
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二、 步进电动机的控制系统原理与设计
1 (1) 相数、通电状态、电压和电流要适应步进电动机的需要，相绕组
电流要有足够的幅度且有较清晰的前后沿，以产生接近矩形波的电流
(2) 能适应步进电动机的驱动频率和最高连续运行频率的要求，工作 可靠，抗干扰能力强。
④ 体积较大。 ⑤ 控制稳定性能差。 ⑥ 结构简单，维护修理方便。 ⑦ 适用范围较广。 (3) 电机驱动控制系统的特点： 它的最大特点是电源的获得方便，体积小，不需中间变速机构，简化 了机械传动系统，使用与维护都很方便。电机驱动系统比较常用的是 步进电动机、直流伺服电机、交流伺服电机、力矩电机等。 ① A. 输出功率较大 B. 体积较大，质量重 C. 电机及电源的投资花费少，使用成本低。 D.从结构和控制方式上来看，直流伺服电机的结构较为复杂，加之 有电刷，需要干净无粉尘、无易燃品的环境，还需要直流电源。 E. 相对步进电机驱动来说，直流伺服和交流伺服驱动的功率大，输