西门子6ES7215-1HG40-0XB0技术参数
一、的开环控制
1、步进电机开环伺服系统的一般构成
图1 步进电机开环伺服系统
步进的电枢通断电次数和各相通电顺序决定了输出角位移和运动方向，控制脉冲分配频率可实现步进电动机的速度控制。步进电机控制系统一般采用开环控制方式。图为开环步进电动机控制系统框图，系统主要由控制器、功率放大器、步进电动机等组成。
2、步进电机的控制器
1、步进电机的硬件控制
步进电动机在—个脉冲的作用下，转过一个相应的步距角，只要控制一定的脉冲数，即可**控制步进电动机转过的相应的角度。但步进电动机的各绕组必须按一定的顺序通电才能正确工作，这种使电动机绕组的通断电顺序按输入脉冲的控制而循环变化的过程称为环形脉冲分配。
实现环形分配的方法有两种。一种是计算机软件分配，采用查表或计算的方法使计算机的三个输出引脚依次输出满足速度和方向要求的环形分配脉冲信号。这种方法能充分利用计算机软件资源，以减少硬件成本，尤其是多相电动机的脉冲分配更显示出它的优点。但由于软件运行会占用计算机的运行时间，会使插补运算的总时间增加，从而影响步进电动机的运行速度。
另一种是硬件环形分配，采用数字电路搭建或专用的环形分配器件将连续的脉冲信号经电路处理后输出环形脉冲。采用数字电路搭建的环形分配器通常由分立元件（如触发器、逻辑门等）构成，特点是体积大、成本高、可靠性差。
2、步进电机的微机控制：
目前，伺服系统的数字控制大都是采用硬件与软件相结合的控制方式，其中软件控制方式一般是利用微机实现的。这是因为基于微机实现的数字伺服控制器与模拟伺服控制器相比，具有下列优点：
（1）能明显地降低控制器硬件成本。速度更快、功能更新的新一代微处理机不断涌现，硬件费用会变得很便宜。体积小、重量轻、耗能少是它们的共同优点。
（2） 可显著改善控制的可靠性。和大规模集成电路的平均无故障时（mtbf）大大长于分立元件电路。
（3） 数字电路温度漂移小，也不存在参数的影响，稳定性好。
（4）硬件电路易标准化。在电路集成过程中采用了一些屏蔽措施，可以避免电子电路中过大的瞬态电流、电压引起的电磁干扰问题，可靠性比较高。
（5） 采用微处理机的数字控制，使信息的双向传递能力大大增强，容易和上位系统机联运，可随时改变控制参数。
（6）可以设计适合于众多电力电子系统的统一硬件电路，其中软件可以模块化设计，拼装构成适用于各种应用对象的控制算法；以满足不同的用途。软件模块可以方便地增加、更改、删减，或者当实际系统变化时彻底更新。
（7） 提高了信息存贮、监控、诊断以及分级控制的能力,使伺服系统更趋于智能化。
（8） 随着微机芯片运算速度和存贮器容量的不断提高，性能优异但算法复杂的控制策略有了实现的基础。
3、步进电机的功率驱动电路
要使步进电动机能输出足够的转矩以驱动负载工作，必须为步进电机提供足够功率的控制信号，实现这一功能的电路称为步进电动机驱动电路。驱动电路实际上是一个功率开关电路，其功能是将环形分配器的输出信号进行功率放大，得到步进电动机控制绕组所需要的脉冲电流及所需要的脉冲波形。步进电动机的工作特性在很大程度上取决于功率驱动器的性能，对每一相绕组来说，理想的功率驱动器应使通过绕组的电流脉冲尽量接近矩形波。但由于步进电动机绕组有很大的电感，要做到这一点是有困难的。
常见的步进电动机驱动电路有二种：
图4.6 步进电机驱动电路
1）单电压驱动电路
这种电路采用单一供电，结构简单，成本低，但电流波形差，效率低，输出力矩小，主要用于对速度要求不高的小型步进电动机的驱动，图6-19所示步进电动机的一相绕组驱动电路（每相绕组的电路相同）。
当环形分配器的脉冲输入信号 为低电平（逻辑0，约1v）时，vt1 、 管都导通，但只要适当选择 的阻值，使 <0（约为-1v），那么 管就处于截止状态，该相绕组断电。当输入信号 为高电平3.6v（逻辑1）时。 >;0（约为0.7v）， 管饱和导通，该相绕组通电。
2）双电压驱动电路又称高低压驱动电路，采用高压和低压两个电源供电。在步进电动机绕组刚接通时，通过高压电源供电，以加快电流上升速度，延迟一段时间后，切换到低压电源供电。这种电路使电流波形、输出转矩及运行频率等都有较大改善。
当环形分配器的脉冲输入信号 为高电平时（要求该相绕组通电）， 的基极都有信号电压输入，使 均导通。于是在高压电源作用下（这时二极管 两端承受的是反向电压，处于截止状态，可使低压电源不对绕组作用）绕组电流迅速上升，电流前沿很陡。当电流达到或稍微超过额定稳态电流时，利用定时电路或电流检测器等措施切断 基极上的信号电压，于是 截止，但此时 仍然是导通的，绕组电流即转而由低压电源经过二极管 供给。当环形分配器输出端的电压 为低电平时（要求绕组断电）， 基极上的信号电压消失，于是 截止，绕组中的电流经二极管 及电阻 向高压电源放电，电流便迅速下降。采用这种高低压切换型电源，电动机绕组上不需要串联电阻或者只需要串联一个很小的电阻 （为平衡各相的电流），电源的功耗比较小。由于这种供压方式使电流波形得到很大改善，步进电动机的转矩一频率特性好，启动和运行频率得到很大的提高。
二、步进电机的闭环控制
同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。但反馈回路的引入增加了系统的复杂性，增益选择不当时会引起系统的不稳定。为提高控制精度，在扰动变量可以测量时，也常采用按扰动的控制（即前馈控制）作为反馈控制的补充而构成复合控制系统。
伺服系统的设计包括：
伺服系统的动力方法设计-静态设计
型号和电机机械系统参数相互匹配。
控制理论方法设计-控制器参数和动态性能指标
一、惯量匹配：
（一）.等效负载惯量jl的计算
1.驱动回转体的转动惯量：
回转运动的动能：
根据能量守恒:
推广到对多轴系统：
2.直线运动物体的等效转动惯量：
以丝杠螺母带动工作台为例：
直线运动工作台的动能：
将此能量转换成电机轴回转运动的能量，根据能量守恒，
推广到对一般系统：
3.回转和直线联动装置的等效转动惯量：
（二）. 惯量匹配原则
1.的惯量匹配条件：
带惯性负载时的大启动频率：
2.交、直流伺服电机的惯量匹配原则：
对于采用惯量较小的直流伺服电机的伺服系统
对于采用大惯量直流伺服电机的伺服系统
二、容量匹配：
（一）. 等效转矩的计算
1.等效负载转矩[tl]的计算
根据能量守恒原理：
有些机械装置中有负载作用的轴不止一个，此时
2.等效摩擦转矩[tf]的计算
由于机械装置大部分损失的功率是克服摩擦力做功，等效摩擦力矩根据机械效率做近似 估算：
3.等效惯性力矩[ta]的计算
电机在变速时，需要一定的加速力矩。
（二）. 伺服电机容量匹配原则
1.步进电机的容量匹配
2.交直流伺服电机的容量匹配：
直流伺服电机的转矩-速度特性曲线分成连续工作区、断续工作区、加减速工作区，三个区用途不同，电机转矩的选择方法也不一样。工程上常根据电机发热条件的等效原则，将重复短时工作制等效于连续工作制的电机来选择。
三、速度匹配
同样功率的电机，额定转速高则电机尺寸小，重量轻；电机转速越高，传动比就会越大，这对于减小伺服电机等效转动惯量，提高电机负载能力有利。电机常工作在高转速低扭矩状态。机械装置工作在低转速高扭矩状态，要在伺服电机和机械装置之间需要减速器匹配。应该在对负载分析的基础上，合理选择减速器的减速比。
四、伺服电机选择实例：
（一）步进电机选择实例
工作台（拖板）重量w=2000n，拖板导轨之间摩擦系数μ=0.06，车削是大切削负载fz=2150n，y向切削分力fy=2fz=4300n（垂直于导轨），要求刀具切削使得进给速度v1=10-500mm/min，快速行程速度v2=3000mm/min，滚珠丝杠名义直径d0=32mm，导程tsp=6mm，丝杠总长l=1400mm，拖板大行程为1150mm，定位精度±0.01mm，试选择合适的步进电机。
图4.18 步进电机带动工作台
1.脉冲当量的选择：
初选三相步进电机的步距角为0.75°/1.5°，当三相六拍运行时，步距角θ=0.75°，其每转脉冲数s=360°/θ=480。初选脉冲当量δ=0.01mm，根据脉冲当量的定义，可得中间齿轮传动比i为
选小齿轮齿数z1=20，z2=25。模数m=2
2.等效负载转矩的计算
（1）空载时的等效摩擦转矩tf
（2）车削加工时的等效负载转矩tl
3.等效转动惯量
（1）滚珠丝杠的转动惯量jsp
（2）拖板运动惯量换算到电机轴上的转动惯量jw
（3）大齿轮的转动惯量jg2
（4）小齿轮的转动惯量jg1
4.初选电机型号
已知tl=241.4（n.cm），jl=7.76（n.cm. s2），初选电机型号为110bf003，
其大静转矩tmax=800，转子惯量jm=4.7 （n.cm. s2）由此可得
满足惯量匹配和容量匹配的条件
5.速度验算
（1）快进速度验算
查步进电机运行矩频曲线得当fmax=6000hz时，
电机转矩tm=90（ncm）>;tf=11.46,可按此频率计算大进给速度v2
（2）工进速度的验算
可选择此型号的电机
（二）直流伺服电机选择实例
线位移脉冲当量δ=0.01mm，大进给速度v2=6000mm/min，加速时间0.2s，移动体重量w=2000n，移动速度6m/min，拖板导轨之间摩擦系数μ=0.065，电机直接驱动丝杠。丝杠外径55mm，试选择合适的直流伺服电机。
图4.19 直流伺服电机带动工作台
1.根据脉冲当量确定丝杠导程和齿轮传动比：
已知δ和编码器分辨率，可知步距角
换算到电机轴上
2.所需电机转速的计算
编码器轴上转速
3.等效负载转矩的计算
预紧力f2=f1/3=433.33（n）
4.等效转动惯量的计算
移动体
传动体
5.初选电机型号
已知tl=200.45（n.cm），jl=245（kg.cm2），初选电机型号为cn-800-10，
其大静转矩tr=830 （n.cm）， 转子惯量jm=91 （kg.cm2）由此可得
6.计算电机所需转矩tm