最新-6伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)東大-PPT精品課件

1、6 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它接受來(lái)自數(shù)控裝置的進(jìn)給指令信號(hào)，經(jīng)變換、調(diào)節(jié)和放大后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行件，轉(zhuǎn)化為直線(xiàn)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置(計(jì)算機(jī))和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)又稱(chēng)為位置隨動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、伺服機(jī)構(gòu)或伺服單元。系統(tǒng)包括大量的電力電子器件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、綜合性強(qiáng)。7/19/202216 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) （1）進(jìn)給驅(qū)動(dòng)控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，是一種精密的位置跟蹤與定位系統(tǒng)，它包括速度控制，也是一般概念的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。（2）主軸驅(qū)動(dòng)控制機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和切削過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩和功率，一般以速度控制為主。對(duì)C坐標(biāo)功

2、能的主軸驅(qū)動(dòng)也需要位置控制。（3）輔助驅(qū)動(dòng)在各類(lèi)加工中心或多功能數(shù)控機(jī)床中，控制刀庫(kù)、料庫(kù)等輔助系統(tǒng)，多采用簡(jiǎn)易的位置控制。7/19/202226.1.1 伺服系統(tǒng)的組成 組成：伺服電機(jī) 驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制轉(zhuǎn)換電路 電子電力驅(qū)動(dòng)放大模塊 位置調(diào)節(jié)單元 速度調(diào)節(jié)單元 電流調(diào)節(jié)單元 檢測(cè)裝置一般閉環(huán)系統(tǒng)為三環(huán)結(jié)構(gòu)：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。7/19/202236.1.1 伺服系統(tǒng)的組成 位置調(diào)解速度調(diào)解電流調(diào)解轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)電流反饋速度反饋位置反饋MG位置、速度和電流環(huán)均由調(diào)節(jié)控制模塊、檢測(cè)和反饋部分組成。電力電子驅(qū)動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路和功率放大器組成。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)：位置控制包括位置、速度和電流控制；速度

3、控制包括速度和電流控制。7/19/202241精度高 伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。包括定位精度和輪廓加工精度。2穩(wěn)定性好 穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過(guò)程后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來(lái)的平衡狀態(tài)。直接影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度。3快速響應(yīng) 快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。4調(diào)速范圍寬 調(diào)速范圍是指生產(chǎn)機(jī)械要求電機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。024m / min。5低速大轉(zhuǎn)矩 進(jìn)給坐標(biāo)的伺服控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制，在整個(gè)速度范圍內(nèi)都要保持這個(gè)轉(zhuǎn)矩；主軸坐標(biāo)的伺服控制在低速時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩控制，能提供較大轉(zhuǎn)矩。在高速時(shí)為恒功率控

4、制，具有足夠大的輸出功率。6.1.2 對(duì)伺服系統(tǒng)的基本要求 7/19/20225對(duì)伺服電機(jī)的要求：（1）調(diào)運(yùn)范圍寬且有良好的穩(wěn)定性，低速時(shí)的速度平穩(wěn)性（2）電機(jī)應(yīng)具有大的、較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載能力，以滿(mǎn)足低速 大轉(zhuǎn)矩的要求。（3）反應(yīng)速度快，電機(jī)必須具有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、較大的 轉(zhuǎn)矩、盡可能小的機(jī)電時(shí)間常數(shù)和很大的加速度 (400rad / s2以上)。（4）能承受頻繁的起動(dòng)、制動(dòng)和正反轉(zhuǎn)。 6.1.2 對(duì)伺服系統(tǒng)的基本要求 7/19/20226（7）伺服系統(tǒng)對(duì)伺服電機(jī)的要求 由于數(shù)控對(duì)伺服系統(tǒng)提出了如上的嚴(yán)格技術(shù)要求，伺服系統(tǒng)對(duì)其自身的執(zhí)行機(jī)構(gòu)-電動(dòng)機(jī)-提出了嚴(yán)格的要求。 從最低速到最高速電機(jī)都要平

5、穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)距波動(dòng)要小，尤其是在低速如0.1r/min或更低轉(zhuǎn)速時(shí)，仍有穩(wěn)定的速度而無(wú)爬行現(xiàn)象。 電機(jī)應(yīng)具有大的較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載能力，以滿(mǎn)足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電機(jī)要求在數(shù)分鐘內(nèi)過(guò)載4-6倍而不損壞。 為了滿(mǎn)足快速響應(yīng)的要求，電機(jī)應(yīng)該有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并且有盡可能小的時(shí)間常數(shù)和啟動(dòng)電壓。電機(jī)應(yīng)具有耐受4000rad/s2以上角加速度的能力，才能保證電機(jī)在0.2s以?xún)?nèi)從靜止到額定轉(zhuǎn)速。 電機(jī)應(yīng)能承受頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。7/19/202276.1.2 對(duì)主軸伺服系統(tǒng)的要求 對(duì)主軸伺服系統(tǒng)，除上述要求外，還應(yīng)滿(mǎn)足如下要求： （1）主軸與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的同步控制 該功能使數(shù)控機(jī)床具有螺

6、紋和螺旋槽加工的能力。 （2）準(zhǔn)?？刂?在加工中心上，為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀，要求主軸能進(jìn)行高精確位置的停止。 （3）角度分度控制 角度分度控制有兩種類(lèi)型：一是固定的等分角度控制；二是連續(xù)的任意角度控制。任意角度控制是帶有角位移反饋的位置伺服系統(tǒng)，這種主軸坐標(biāo)具有進(jìn)給坐標(biāo)的功能，稱(chēng)為“C”軸控制?！癈”軸控制可以用一般主軸控制與“C”控制切換的方法實(shí)現(xiàn)，也可以用大功率的進(jìn)給伺服系統(tǒng)代替主軸系統(tǒng)。7/19/202286.1.3 伺服系統(tǒng)的分類(lèi) （1）按調(diào)節(jié)理論分類(lèi) 閉環(huán) 半閉環(huán) 開(kāi)環(huán)（2）按驅(qū)動(dòng)部件的動(dòng)作原理 電液控制系統(tǒng) 電液伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件為液壓元件，其前一級(jí)為電氣元件。驅(qū)動(dòng)元件為液動(dòng)機(jī)和液壓缸

7、，常用的有電液脈沖馬達(dá)和電液伺服馬達(dá)。 數(shù)空機(jī)床發(fā)展的初期，多數(shù)采用電液伺服系統(tǒng)。電液伺服系統(tǒng)具有在低速下可以得到很高的輸出轉(zhuǎn)矩，以及剛性好、時(shí)間常數(shù)小、反映快速度平穩(wěn)等特點(diǎn)。 然而，液壓系統(tǒng)需要油箱、油管等供油系統(tǒng)，體積大。此外還有噪聲、漏油等問(wèn)題，故從20世紀(jì)70年代起逐步被電氣伺服系統(tǒng)代替。只是具有特殊要求，才采用電液伺服系統(tǒng)。7/19/20229 電氣控制系統(tǒng) 電氣伺服系統(tǒng)全部采用電子器件和電機(jī)部件，操作維護(hù)方便、可靠性高。電器伺服系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)元件主要有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。它們沒(méi)有液壓系統(tǒng)中的噪聲、污染和維修費(fèi)用高等問(wèn)題，但反應(yīng)速度和低速轉(zhuǎn)矩不如液壓系統(tǒng)高，現(xiàn)在電機(jī)的

8、驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)都得到很大改善，性能大大提高，已經(jīng)在更大范圍內(nèi)取代了液壓伺服系統(tǒng)。（3）按伺服電機(jī)類(lèi)型直流伺服系統(tǒng)a.小慣量直流電機(jī)、細(xì)長(zhǎng)電機(jī) 最大限度地減小電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，所以能獲得最好的快速性。小慣量伺服電機(jī)一般都設(shè)計(jì)成高的額定轉(zhuǎn)速和底的慣量，所以應(yīng)用時(shí)，要經(jīng)過(guò)中間機(jī)械傳動(dòng)，才能夠與絲杠連接。 齒輪或齒型帶降速，滿(mǎn)足慣性匹配要求7/19/202210 b.永磁直流伺服電機(jī)（大慣量寬調(diào)速直流伺服電機(jī)） 永磁直流伺服電機(jī)能在較大過(guò)載轉(zhuǎn)矩下長(zhǎng)時(shí)間工作以及電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量較大，能直接與絲杠相連而不需中間傳動(dòng)裝置。此外，它還有一個(gè)特點(diǎn)是可在低速下運(yùn)轉(zhuǎn)，如能在1r/min甚至在0.1r/min下

9、平穩(wěn)地運(yùn)轉(zhuǎn)。因此這種直流伺服系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床上獲得了廣泛的應(yīng)用。 自20世紀(jì)70年代至80年代中期，在數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用占絕對(duì)統(tǒng)治的地位，至今許多數(shù)控機(jī)床上仍然使用這種電機(jī)的直流伺服系統(tǒng)。 缺點(diǎn)：有電刷，限制了速度的提高一般額定轉(zhuǎn)速為1000-1500r/min ；結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴 c.步進(jìn)電機(jī) 電磁吸合原理7/19/202211交流伺服系統(tǒng) a.交流異步電動(dòng)機(jī)（一般用于主軸伺服電機(jī)） b.永磁同步伺服電機(jī) （一般用于進(jìn)給伺服電機(jī)） 由于直流電機(jī)存在一些固有的缺點(diǎn)，使其應(yīng)用環(huán)境受到限制。交流伺服電機(jī)沒(méi)有這些缺點(diǎn)，且轉(zhuǎn)子慣量較直流電機(jī)小，使得動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。 另外在同樣體積下，交流電機(jī)的輸出功率可比直流

10、電機(jī)高10%-70%。 還有交流電機(jī)的容量可以比直流電機(jī)造得大，達(dá)到更高的電壓和轉(zhuǎn)速。 因此交流電機(jī)得到了迅速發(fā)展，已經(jīng)形成潮流。從20世紀(jì)80年代后期開(kāi)始，大量使用交流伺服系統(tǒng)，到今天有些國(guó)家的廠家，已經(jīng)全部使用交流伺服系統(tǒng)。 7/19/202212(4)按進(jìn)給驅(qū)動(dòng)和主軸驅(qū)動(dòng)分類(lèi) 進(jìn)給伺服系統(tǒng) 進(jìn)給伺服系統(tǒng)是一般意義上的伺服系統(tǒng)，它包括：速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。進(jìn)給伺服系統(tǒng)完成各坐標(biāo)軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，具有定位和輪廓跟蹤功能，是數(shù)控機(jī)床中要求最高的伺服控制。 主軸伺服系統(tǒng) 嚴(yán)格地說(shuō)、一般主軸控制只是一個(gè)速度控制系統(tǒng)。主要完成主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，提供切削過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩和功率，且保證任意轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，完成轉(zhuǎn)速

11、范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)變速。具有C軸控制的主軸與進(jìn)給伺服系統(tǒng)一樣，為一般概念的位置伺服控制系統(tǒng)。 此外，刀庫(kù)位置控制是為了在刀庫(kù)的不同位置選擇刀具，與進(jìn)給坐標(biāo)軸的位置控制相比，性能要底得多，故稱(chēng)為簡(jiǎn)易位置伺服系統(tǒng)。7/19/202213（5）按反饋比較控制方式 （1）脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng) 將數(shù)控裝置發(fā)出的數(shù)字（或脈沖）指令與檢測(cè)反饋得的以數(shù)字（或脈沖）形式表示的信號(hào)進(jìn)行比較， 以產(chǎn)生位置誤差，達(dá)到閉環(huán)控制。 （2）相位比較伺服系統(tǒng) 在相位比較伺服系統(tǒng)中，位置檢測(cè)裝置工作在鑒相工作方式，將指令信號(hào)和反饋信號(hào)都變換成某種載波相位信號(hào)，通過(guò)兩個(gè)載波信號(hào)的相位比較，獲得對(duì)應(yīng)的位置偏差，給位置調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的

12、位置閉環(huán)控制 （3）幅值比較伺服系統(tǒng)（鑒幅式） 以位置檢測(cè)信號(hào)得幅值大小來(lái)反映機(jī)械位移得數(shù)值；指令位移信號(hào)同反饋位移信號(hào)進(jìn)行比較(將此信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)才能與指令數(shù)字信號(hào)進(jìn)行比較) （4）全數(shù)字伺服系統(tǒng) 7/19/2022146.2 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng) 開(kāi)環(huán)位置伺服系統(tǒng)也叫步進(jìn)式伺服系統(tǒng)，其驅(qū)動(dòng)元件為步進(jìn)電機(jī)。功率步進(jìn)盛行于20世紀(jì)70年代，且控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，控制最容易，維修最方便，控制為全數(shù)字化（即數(shù)字化的輸入指令脈沖對(duì)應(yīng)數(shù)字化的位置輸出），這完全符合數(shù)字化控制技術(shù)的要求，控制系統(tǒng)與步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制電路結(jié)為一體。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，除功率驅(qū)動(dòng)電路之外，其它硬件電路均可由軟件實(shí)

13、現(xiàn)，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。而步進(jìn)電機(jī)的功耗太多，速度也不高。目前的步進(jìn)電機(jī)在脈沖當(dāng)量為1微米時(shí)，最高移動(dòng)僅僅為2m/min，且功率越大，移動(dòng)速度越低，故主要用于速度與精度要求不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床及舊設(shè)備改造中。7/19/2022156.2.1 步進(jìn)電機(jī)的工作原理及類(lèi)型 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的機(jī)械角位移或直線(xiàn)位移的控制電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)又稱(chēng)脈沖電動(dòng)機(jī)或電脈沖馬達(dá)。 其角位移量與電脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與電脈沖頻率成正比，通過(guò)改變脈沖頻率就可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果停電后某些相的繞組仍然保持通電狀態(tài)，則還具有自鎖能力。步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，從理論上說(shuō)

14、其步距誤差不會(huì)累積。 步進(jìn)電機(jī)的最大缺點(diǎn)是容易失步，特別是在大負(fù)載和速度較高的情況下，失步更容易發(fā)生。但是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的恒流斬波驅(qū)動(dòng)、PWM驅(qū)動(dòng)、微步驅(qū)動(dòng)、超微步驅(qū)動(dòng)及其他們的綜合運(yùn)用，使得步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力有很大提高 主要用于數(shù)控機(jī)床的開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)（開(kāi)環(huán)伺服控制是指機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的位移沒(méi)有檢測(cè)反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的信號(hào)是單向的。）7/19/202216（1） 步進(jìn)電機(jī)的分類(lèi) 按運(yùn)動(dòng)方式分：有旋轉(zhuǎn)式、直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)式、平面運(yùn)動(dòng)式和滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)式。 按工作原理分：有反應(yīng)式（磁阻式）、電磁式、永磁式、永磁感應(yīng)式（混合式）。 按使用場(chǎng)合分：有功率步進(jìn)電機(jī)和控制步進(jìn)電機(jī)。 按電機(jī)結(jié)構(gòu)分：有單段式（徑向式）、多

15、段式（軸向式）、印刷繞組式。 按工作相數(shù)分：有三相、四相、五相、六相和八相等。 按使用頻率分：有高頻步進(jìn)電機(jī)和低頻步進(jìn)電機(jī)。 數(shù)控機(jī)床中使用較多的是反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)和永磁感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)7/19/2022177/19/202218（2）步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理 步進(jìn)電機(jī)又稱(chēng)脈沖電機(jī)，每接受一個(gè)脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，稱(chēng)為步距角。 脈沖數(shù)目：位移大??；脈沖頻率：速度大?。煌婍樞颍悍较蚩刂?。 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)：（單段式三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)）： 工作原理：電磁吸合 轉(zhuǎn)子：開(kāi)槽形成齒 定子：有磁極 以三相單三拍為例說(shuō)明工作原理： 第一拍：A相勵(lì)磁繞組通電，B、C勵(lì)磁繞組斷電。A相定子繞組的磁力線(xiàn)為保持

16、磁阻最小，給轉(zhuǎn)子施加力矩，使相鄰轉(zhuǎn)子齒與之對(duì)齊。 第二拍：B相勵(lì)磁繞組通電，C、A勵(lì)磁繞組斷電。 第三拍：C相勵(lì)磁繞組通電，A、B勵(lì)磁繞組斷電。 如通電順序：A、B、C逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；如通電順序相反，則順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 通電順序也可以A-AB-B-BC-C-CA7/19/2022197/19/2022207/19/202221 同一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，因通電方式的不同，運(yùn)行時(shí)的步距角也是不同的，采用單、雙拍通電方式時(shí)，步距角要比單拍通電方式減小一半。 實(shí)際使用中，單三拍通電方式由于在切換時(shí)一相繞組斷電，而另一相繞組開(kāi)始通電容易造成失步。此外，由單一繞組通電吸引轉(zhuǎn)子，也容易使轉(zhuǎn)子在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩，運(yùn)行的穩(wěn)定

17、性差，所以很少采用。通常將它改成“雙三拍通電方式”。 上述這種簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的步距角較大，如在數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用就會(huì)影響到加工工件的精度。實(shí)際中采用的是小步距角的步進(jìn)電機(jī)。7/19/2022226.2.2 步進(jìn)電機(jī)的主要特性 （1）步距角和靜態(tài)步距角（誤差） 步距角計(jì)算公式： 式中：m定子磁極項(xiàng)數(shù) z轉(zhuǎn)子齒數(shù) k通電方式相鄰兩次通電項(xiàng)數(shù)相同取k=1；否則k=2。 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)空載且以單脈沖輸入時(shí)，其實(shí)際步距角與理論步距角之差稱(chēng)為靜態(tài)步距角誤差，它隨步進(jìn)電機(jī)制造精度而變化。一般在10-30 的范圍內(nèi)。7/19/202223 圖所示為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的展開(kāi)圖。其中定子有6個(gè)極，轉(zhuǎn)子有40個(gè)齒。當(dāng)A極

18、下的定、轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊時(shí)，B極和C極下的齒就分別和轉(zhuǎn)子齒相錯(cuò)三分之一的轉(zhuǎn)子齒距。 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)Zr，基本上由步距角的要求所決定。但是為了能實(shí)現(xiàn)上述“自動(dòng)錯(cuò)位”，轉(zhuǎn)子的齒數(shù)就必須滿(mǎn)足一定條件，而不能為任意數(shù)值。當(dāng)定子的相鄰極屬于不同的相時(shí)，在某一極下若定子和轉(zhuǎn)子的齒對(duì)齊時(shí)，則要求在相鄰極下的定子和轉(zhuǎn)子之間應(yīng)錯(cuò)開(kāi)轉(zhuǎn)子齒距的1/m。7/19/202224（2）靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與矩角特性 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)不改變通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子處于不動(dòng)狀態(tài)，如果在電機(jī)軸上外加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子按一定的方向轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，此時(shí)轉(zhuǎn)子所受的電磁轉(zhuǎn)矩，稱(chēng)為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，角度稱(chēng)為失調(diào)角。描述靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與的關(guān)系叫作步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)矩角特性。7/

19、19/202225 各項(xiàng)的矩角特性差異不應(yīng)該太大，否則會(huì)影響步距精度及引起低頻振蕩。可以通過(guò)調(diào)整相電流的方法，使電動(dòng)機(jī)矩角特性大致相同。 兩個(gè)齒中心線(xiàn)之間的距離叫齒距，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距，矩角特性就變化一個(gè)周期，相當(dāng)于2電角度。 7/19/2022267/19/202227 在定子、轉(zhuǎn)子齒槽對(duì)準(zhǔn)時(shí)，定、轉(zhuǎn)子槽中心線(xiàn)重合，失調(diào)角為=0，電磁轉(zhuǎn)矩T=0。若轉(zhuǎn)子齒的中心線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)定子槽中心線(xiàn)，失調(diào)角=，這時(shí)相鄰兩定子齒對(duì)這轉(zhuǎn)子齒有同樣的拉力，但方向相反，故電磁轉(zhuǎn)矩T=0。在失調(diào)角=/2（即1/4齒距處），轉(zhuǎn)矩最大，轉(zhuǎn)矩方向是使轉(zhuǎn)子位置趨向失調(diào)角為零。當(dāng)失調(diào)角小于-或大雨+時(shí)，該轉(zhuǎn)子齒已進(jìn)入了另一個(gè)定子齒

20、的拉力范圍，轉(zhuǎn)矩方向趨于使轉(zhuǎn)子齒與下一個(gè)齒對(duì)齊。當(dāng)=2，轉(zhuǎn)子齒與另一個(gè)定子齒對(duì)齊，轉(zhuǎn)矩又為零。 如上所述，在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子有一定的穩(wěn)定平衡點(diǎn)。如果步進(jìn)電機(jī)空載，則穩(wěn)定在平衡點(diǎn)為=0，而=處為不穩(wěn)定平衡點(diǎn)。穩(wěn)定平衡點(diǎn)只有一個(gè)。在靜態(tài)情況下，如受外負(fù)載轉(zhuǎn)矩的作用，使轉(zhuǎn)子偏離它的平衡點(diǎn)，但沒(méi)有超過(guò)相鄰的不穩(wěn)定平衡點(diǎn)，則當(dāng)外轉(zhuǎn)矩除去后，轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，仍能回到原來(lái)的平衡點(diǎn)。7/19/202228（3）最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩 步進(jìn)電機(jī)矩角特性曲線(xiàn)上電磁轉(zhuǎn)矩的最大值稱(chēng)為最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩。它與通電狀態(tài)及繞組內(nèi)電流值有關(guān)。在一定的通電狀態(tài)下，最大靜轉(zhuǎn)矩與繞組內(nèi)電流的關(guān)系，稱(chēng)為最大靜轉(zhuǎn)矩特性。 當(dāng)控制電流很小

21、時(shí)，最大靜轉(zhuǎn)矩與電流的平方成正比地增大，當(dāng)電流稍大時(shí)，受磁路飽和的影響，最大轉(zhuǎn)矩Tmax上升變緩，電流很大時(shí)曲線(xiàn)趨向飽和。7/19/202229（4）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 右圖為三相步進(jìn)電機(jī)的矩角特性曲線(xiàn)，則相和B相的矩角特性交點(diǎn)的縱坐標(biāo)值為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。它表示步進(jìn)電機(jī)單相激勵(lì)時(shí)所能帶動(dòng)的極限負(fù)載轉(zhuǎn)矩。7/19/2022307/19/202231（5）連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的動(dòng)特性_工作頻率 步進(jìn)電機(jī)的工作頻率是指電動(dòng)機(jī)按指令的要求進(jìn)行正常工作的最大脈沖頻率。 所謂正常工作就是指步進(jìn)電機(jī)不失步地工作，即一個(gè)脈沖移動(dòng)一個(gè)步距角。所謂失步的內(nèi)容包括：丟步和越步。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作頻率，通常分為啟動(dòng)頻率、制動(dòng)頻率及連續(xù)工作

22、頻率。對(duì)于同樣負(fù)載轉(zhuǎn)矩來(lái)說(shuō)，正、反向起動(dòng)頻率和制動(dòng)頻率都是一樣的，而連續(xù)工作頻率要高得多。 一般步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)中只給出起動(dòng)頻率和連續(xù)工作頻率。7/19/202232 起動(dòng)頻率 空載時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)突然啟動(dòng)，并進(jìn)入不丟步的正常運(yùn)行的最高頻率，稱(chēng)為空載起動(dòng)頻率。加給步進(jìn)電機(jī)的指令脈沖頻率如果大于起動(dòng)頻率，就不能正常工作。步進(jìn)電機(jī)加負(fù)載（尤其是慣性負(fù)載）時(shí)啟動(dòng)頻率比空載要低。而且隨著負(fù)載加大（在允許的范圍內(nèi)），起動(dòng)頻率會(huì)進(jìn)一步降低。 起動(dòng)頻率的大小由許多因素決定，繞組時(shí)間常數(shù)越小，負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小、步距角越小，則起動(dòng)頻率越高。7/19/202233 連續(xù)運(yùn)行頻率 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)后，其

23、運(yùn)行速度能跟蹤指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高頻率，稱(chēng)為連續(xù)運(yùn)行頻率。其值遠(yuǎn)大于起動(dòng)頻率，它也隨著電動(dòng)機(jī)所帶負(fù)載得性質(zhì)和大小而異，與驅(qū)動(dòng)電源也有很大關(guān)系。 （5）連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的動(dòng)特性_矩頻特性 描述連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系 運(yùn)行矩頻特性是描述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在連續(xù)運(yùn)行時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系，它是衡量步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)承載能力的動(dòng)態(tài)指標(biāo)。 下頁(yè)圖中每一頻率所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱(chēng)為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。從圖中可以看出，隨著運(yùn)行頻率的上升，輸出轉(zhuǎn)矩下降，承載能力下降。當(dāng)運(yùn)行頻率超過(guò)最高頻率是，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)便無(wú)法工作。 7/19/2022347/19/202235對(duì)矩頻特性曲線(xiàn)進(jìn)一步說(shuō)明 因步

24、進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制繞組中存在電感，相應(yīng)地有一定的電氣時(shí)間常數(shù)，所以控制繞組中電流增長(zhǎng)也有一個(gè)過(guò)程。當(dāng)脈沖頻率很高時(shí)控制繞組中的電流不能達(dá)到穩(wěn)定值,故電動(dòng)機(jī)的最大動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩小于最大靜轉(zhuǎn)矩。而且脈沖頻率越高，最大動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩也就越小，在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，對(duì)應(yīng)于某一頻率，只有當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于它在該頻率的最大動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)才能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。7/19/2022367/19/2022377/19/2022387/19/2022397/19/2022407/19/2022417/19/2022427/19/2022437/19/2022446.2.4 步進(jìn)電機(jī)的控制方法 由步進(jìn)電機(jī)的工作原理知道，要使步進(jìn)電機(jī)正常一步一

25、步地運(yùn)行，控制脈沖必須按一定的順序分別供給電動(dòng)機(jī)各項(xiàng)脈沖分配。實(shí)現(xiàn)脈沖分配可以采用如下兩種形式：一種是硬件脈沖分配（或稱(chēng)脈沖分配器），另一種是軟件脈沖分配器，是由計(jì)算機(jī)的軟件完成的。 硬件環(huán)行分配器 目前已經(jīng)有很多可靠性高、尺寸小、使用方便的集成電路脈沖分配器。 TTL脈沖分配器：YB013、YB014、YB015、YB016，均為18個(gè)管角的直插式封裝。 CMOS型：如CH250為16個(gè)管角的直插式封裝7/19/2022457/19/2022467/19/2022477/19/2022487/19/2022496.2.5 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源 7/19/202250高低壓驅(qū)動(dòng)電路7/19/20

26、2251（3）斬波驅(qū)動(dòng)電路 7/19/202252三種驅(qū)動(dòng)電路電流波形 三種驅(qū)動(dòng)電路電流波形比較7/19/202253 單電壓驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)點(diǎn)是線(xiàn)路簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是電流上升不夠快，高頻時(shí)帶負(fù)載能力低。 高低壓驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)點(diǎn)是在較寬的頻率范圍有較大的平均電流，能產(chǎn)生較大且穩(wěn)定的平均轉(zhuǎn)矩，其缺點(diǎn)是電流波頂有谷點(diǎn)。 斬波驅(qū)動(dòng)電路雖然復(fù)雜，但它的優(yōu)點(diǎn)比較突出： （1）繞組的脈沖電流邊沿陡，快速響應(yīng)好。 （2）功率小，效率高。因?yàn)殡娐窡o(wú)外接電阻Rc，而采樣電阻Re又很?。ㄒ话?.2左右），所以整個(gè)系統(tǒng)的功耗下降很多，相應(yīng)地提高了效率。 （3）輸出轉(zhuǎn)矩恒定。由于采樣電阻Re的反饋?zhàn)饔?，使繞組中電流可以恒定在額定

27、電流數(shù)值左右，而且不隨步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速而變化，從而保證在很大的頻率范圍內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)都能輸出恒定的轉(zhuǎn)矩。7/19/202254（4）調(diào)頻調(diào)壓電路 在電源電壓一定時(shí)，步進(jìn)電機(jī)繞組電流的上沖值是隨工作頻率的升高而降低的，使輸出轉(zhuǎn)矩隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而下降。要保證步進(jìn)時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩就需要提高供電電壓。 從上述的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)看，為了提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的快速響應(yīng)，采用提高供電電壓、加快電流上升的措施。但在低頻工作時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的振蕩加劇，甚至失步。 從原理上講，為了減小低頻振蕩，應(yīng)使低速時(shí)繞組中的電流上升沿較平緩，這樣才能使轉(zhuǎn)子在到達(dá)新的穩(wěn)定平衡位置時(shí)不產(chǎn)生過(guò)沖。而在高速使則用使電流前沿陡，以產(chǎn)生足夠的繞組電流，才能提高

28、步進(jìn)電機(jī)的帶負(fù)載能力。這就要求驅(qū)動(dòng)電源對(duì)繞組提供的電壓與電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率建立直接關(guān)系，即低頻時(shí)用較低的電壓供電，高頻時(shí)用較高電壓供電。 電壓隨頻率可以由不同的方法實(shí)現(xiàn)，如分頻來(lái)調(diào)壓、隨電壓頻率線(xiàn)性地變化等。7/19/202255（5）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分的驅(qū)動(dòng)原理 在前述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理中，講到步距角由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的齒距角及繞組相數(shù)等電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)所決定。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的分辨率，要求對(duì)步距角進(jìn)一步細(xì)分。在不改變步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)的前提下，為了達(dá)到這一目的，將額定電流以階梯波的方式輸入。此時(shí)電流分成多個(gè)臺(tái)階，則轉(zhuǎn)子就以同樣的步數(shù)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)的固定步距角。這樣將一個(gè)步距角細(xì)分成若干步的驅(qū)動(dòng)方法稱(chēng)為細(xì)分驅(qū)動(dòng)。 獲得階梯電流一般有兩種方法： 一是先產(chǎn)生時(shí)序脈沖，放大后在電動(dòng)機(jī)電樞內(nèi)疊加，電樞繞組是它們的公共負(fù)載； 二是先在加法器內(nèi)將時(shí)序脈沖疊加成階梯電壓，后進(jìn)行放大，在電樞內(nèi)獲得階梯電流波形。 細(xì)分驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是使步距角減小、運(yùn)行平穩(wěn)，提高勻速性，并能減弱或消除振蕩。7/19/202256提高步進(jìn)式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)精度的措施 步進(jìn)式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)