西门子模块6ES7214-1BD23-0XB8规格说明
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jingque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。
一、的开环控制
1、步进电机的硬件控制
1）脉冲分配器
当方向电平为低时，脉冲分配器的输出按a-b-c的顺序循环产生脉冲。
当方向电平为高时，脉冲分配器的输出按a-c-b的顺序循环产生脉冲。
2）、加、减速控制：
3）.功率放大器
将脉冲分配器的输出信号进行电流放大后给的定子绕组供电，使电动机的转子产生输出转矩。
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。
二、步进电机的闭环控制
1.伺服系统的工作原理和特点
下图是一种液压进口节流阀式节流调速回路。在这种回路中，调定节流阀的开口量后，液压缸就以某一调定速度运动。通过前述章节分析可知，当负载、油温等参数发生变化时，这种回路将无法保证原有的运动速度，其速度精度较低且不能满足jingque地连续无级调速要求。
可以将节流阀的开口大小定义为输入量，将液压缸的运动速度定义为输出量或被调节量。在上述回路中，当负载、油温等参数的变化而引起输出量变化时，这个变化并不影响或改变输入量，这种输出量不影响输入量的控制系统被称为开环控制系统。开环控制系统不能修正由于外界干扰（如负载、油温等）变化而引起的输出量或被调节量的变化，控制精度较低。
伺服系统的特点如下：
（1）它是反馈系统把输出量的一部分或全部按一定方式回送到输入端，并和输入信号比较，这就是反馈作用。在上例中，反馈电压和给定电压是异号的，即反馈信号不断地抵消输入信号，这就是负反馈。自动控制系统中大多数反馈是负反馈。
（2）靠偏差工作要使执行元件输出一定的力和速度，伺服阀必须有一定的开口量，输入和输出之间必须有偏差信号。执行元件运动的结果又试图消除这个误差。但在伺服系统工作的任何时刻都不能完全消除这一偏差，伺服系统正是依靠这一偏差信号进行工作的。
（3）它是放大系统 执行元件输出的力和功率远远大于输入信号的力和功率。其输出的能量是液压能源供给的。
（4）它是跟踪系统 液压缸的输出量完全跟踪输入信号的变化。
2.伺服系统的分类
伺服系统可以从下面不同的角度加以分类。
（1）按输入信号变化规律分类有定值控制系统、程序控制系统和伺服控制系统三类。当系统输入信号为定值时，称为定值控制系统，其基本任务是提高系统的抗干扰能力。当系统的输入信号按预先给定的规律变化时，称为程序控制系统。伺服系统也称为随动系统，其输入信号是时间的未知函数，输出量能够准确、迅速地复现输入量的变化规律。
（2）按输入信号介质分类 有机液伺服系统、电液伺服系统、气液伺服系统等。
（3）按输出物理量分类 有位置伺服系统、速度伺服系统、力（或压力）伺服系统等。
在液压伺服系统中还可以按控制元件分为阀控系统和泵控系统两类。
3.伺服系统的优缺点
液压和气压伺服系统除具有其液压和气压传动所固有的一系列优点外，还具有控制精度高、响应速度快、自动化程度高等优点。伺服元件加工精度高，价格较贵；特别是液压伺服系统对油液的污染比较敏感，可靠性受到影响；在小功率系统中，液压伺服控制不如电器控制灵活。随着科学技术的发展，液压和气压伺服系统的缺点将不断地得到克服。在自动化技术领域中，液压和气压伺服控制有着广泛的应用前景。
图1 鉴幅型直流伺服系统的原理框图
1、位置检测与信号综合环节
（1）旋转变压器：是一种输出电压随转角变化的角位移测量装置。
（2）相敏放大器：将交流电压转换为与之成正比的直流电压，并使它的极性与输入的交流电压的相位相适应。
（3）位置检测与信号综合环节
2、脉宽调制型（pwm）功率放大
基本原理：利用大功率电器的开关作用，将直流电压转换成一定频率的方波电压，通过对方脉冲宽度的控制，改变输出电压的平均值。
（1）pwm变换器
图2 脉宽调速示意图
(4-1)
（2）双极型pwm变换器
图3 双极式h型可逆pwm变换器电路
图4 双极式pwm变换器电压和电流波形
根据图很容易导出双极式可逆pwm变换器电枢两端平均电压的表达式
(4-2)
双极式pwm变换器特点：
优点：
①电流连续；
②可使在四个象限中运行；
③电动机停止时，有微振电流，能消除摩擦死区；
④低速时，每个晶体管的驱动脉冲仍较宽，有个晶体管的可靠导通；
⑤低速时平稳性好，调速范围宽。
缺点：
在工作过程中，四个功率晶体管都处于开关状态，开关损耗大，且容易发生上、下两管直通的事故。为了防止上、下两管导通，在一管关断和另一管导通的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。
直流伺服系统的稳态误差分析
影响伺服系统的稳态精度，导致系统产生稳态误差的因素有以下几个方面：由检测元件引起的检测误差；由系统的结构和输入信号引起的原理误差；负载扰动引起的扰动误差。
1．检测误差
2．原理误差
3．扰动误差
直流伺服系统的动态校正
方法：
1、速度调节器的设计。
2、位置调节器的设计。