步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)介紹

第六章數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)6.1概述6.1.1伺服系統(tǒng)的組成

組成：伺服電路、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及執(zhí)行部件。作用：接受數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號(hào)→由伺服驅(qū)動(dòng)電路作一定的轉(zhuǎn)換和放大后→經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)裝置(直流、交流伺服電機(jī)、電液脈沖馬達(dá)、功率步進(jìn)電機(jī)、電液伺服閥—液壓馬達(dá)等)→機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)→驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺(tái)、主軸頭架等執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給和快速運(yùn)動(dòng)。數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)的性能，取決于組成它的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中各環(huán)節(jié)的特性，也取決于系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)性能參數(shù)的合理匹配。數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)是一個(gè)位置控制系統(tǒng)。6.1.2數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)的要求

準(zhǔn)確、可靠地執(zhí)行指令

調(diào)速范圍寬-----10000：1以上，且穩(wěn)定性好帶負(fù)載能力強(qiáng)------負(fù)載特性硬；足夠大的加（減）速力矩

動(dòng)態(tài)響應(yīng)快-----快速跟隨指令脈沖，可頻繁起、停、反向；盡快消除負(fù)載擾動(dòng)

誤差無累積

位置精度高

返回下一頁上一頁6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)CNC步進(jìn)電機(jī)

伺服驅(qū)動(dòng)電路

工作臺(tái)

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單特點(diǎn)：適用于速度不高及精度較低場(chǎng)合

可采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)提高定位精度及低速特性6.2.1步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理1.定義步進(jìn)電機(jī)亦稱脈沖電機(jī)（控制電機(jī)），是把電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移（或線位移）的電—機(jī)械裝置，是一種輸出與輸入的數(shù)字脈沖對(duì)應(yīng)的增量驅(qū)動(dòng)元件。2.分類

永磁式按工作原理分反應(yīng)式工作原理不同，結(jié)構(gòu)不同永磁感應(yīng)式混合式?按勵(lì)磁相數(shù)分：3相、4相、5相、6相等

快速步進(jìn)電機(jī)?按功率分：功率步進(jìn)電機(jī)3.反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

步進(jìn)電機(jī)由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成定子上有繞組分為若干相，每相磁極上有極齒。左圖為三相定子：AA’,BB’,CC’A、B、C三相每相兩極，每極上五個(gè)齒1)定子五個(gè)極齒

定子上線圈的繞法下一頁上一頁返回

2)轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子上有均勻分布的齒，沒有繞組。轉(zhuǎn)子齒間夾角為9o左圖為一轉(zhuǎn)子示意圖：下一頁上一頁返回下一頁上一頁步進(jìn)電機(jī)返回步進(jìn)電機(jī)功功率驅(qū)動(dòng)器器下一頁上一頁返回下一頁上一頁步進(jìn)電機(jī)功功率驅(qū)動(dòng)器器返回5.工作原理三拍通電激磁，步距角θs

==3o一般θs=m——繞組相數(shù)；Z——轉(zhuǎn)子齒數(shù)。六拍通電激磁，步距角θs

==1.5o下一頁上一頁返回定子繞組通斷電順序序→轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向定子繞組通斷電轉(zhuǎn)換換頻率→轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速定子繞組通斷電次數(shù)數(shù)→轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角三相單三拍A→B→C→A（K=1）

三相雙三拍AB→BC→CA→AB（K=1）

三相六拍A→AB→B→BC→C→CA→A（K=2）

通斷電方式式下一頁上一頁6.步進(jìn)電機(jī)的主要特征

a.步距誤差不積累，轉(zhuǎn)一圈后，步距誤差為0步進(jìn)電機(jī)有兩個(gè)特點(diǎn)：

b.轉(zhuǎn)速與脈沖頻率f成正比1）靜態(tài)距角特征定義：靜態(tài)時(shí)（步進(jìn)電機(jī)某相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子處于不動(dòng)狀態(tài)），電磁轉(zhuǎn)矩T與失調(diào)角θ之間的關(guān)系，即T＝f(θ)

當(dāng)某相繞組通電時(shí)有，

轉(zhuǎn)子無力矩輸出，加一負(fù)載力矩TL。

轉(zhuǎn)子瞬時(shí)針轉(zhuǎn)過一個(gè)角度θ，當(dāng)T＝TL時(shí)平衡。θ（失調(diào)角）經(jīng)大量的實(shí)驗(yàn)，步進(jìn)電機(jī)繞組的矩角特性為正弦曲線。

靜態(tài)距角特性的物理意義：在靜態(tài)下，轉(zhuǎn)子受TL作用θ≠0，但只要θ≠±π時(shí)，當(dāng)TL撤除后，在電磁力矩的作用下，轉(zhuǎn)子必然回到其穩(wěn)態(tài)平衡點(diǎn)0。一般，步進(jìn)電機(jī)各相繞組的距角特性必須大致相同，否則會(huì)引起低頻振動(dòng)使精度下降。常采用調(diào)整相電流的方法，使距角特性大致相同。2）啟動(dòng)頻率定義：步進(jìn)電機(jī)在帶載狀態(tài)下，能夠不失步啟動(dòng)的最高頻率fst。一般空載啟動(dòng)頻率比帶載高。一般在fst下的最大轉(zhuǎn)矩稱為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq，設(shè)計(jì)中Tq≥TL。在步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品說明書中給定了Tmax，可以通過上表查出Tq，反過來核算其帶載的能力。從下圖可以看出θs減小兩繞組距角特性之交點(diǎn)Tq增大。0.8660.8660.9510.8090.7070.7070.8660.5Tq/Tmax1261058463拍數(shù)6543相數(shù)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩3）最高工工作頻率步進(jìn)電機(jī)工工作頻率連連續(xù)上升時(shí)時(shí)，電動(dòng)機(jī)機(jī)不失步運(yùn)運(yùn)行的最高頻率稱為為最高工作作頻率。它的值也和和負(fù)載有關(guān)關(guān)。很顯然然，在同樣樣負(fù)載下，，最高工作頻率遠(yuǎn)大大于己于啟啟動(dòng)頻率.在連續(xù)運(yùn)行行狀態(tài)下，，步進(jìn)電機(jī)機(jī)的電磁力力矩隨頻率率的升高而而急劇劇下下降降，，這這兩兩者者的的關(guān)關(guān)系系稱稱為為矩矩頻頻特特性性.4））矩矩頻頻特特性性4)步距距角角（（θ））及步步距距誤誤差差步距距角角是是兩兩個(gè)個(gè)相相臨臨脈脈沖沖時(shí)時(shí)間間內(nèi)內(nèi)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)過過的的角角度度,一一般般來來說步步距距角角越越小小,控控制制越越精精確確。。步距距誤誤差差直直接接影影響響執(zhí)執(zhí)行行部部件件的的定定位位精精度度.步進(jìn)進(jìn)電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)單單相相通通電電時(shí)時(shí),步步距距誤誤差差取取決決于于定定子子和和轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子的的分分齒齒精度度,和和各各相相定定子子錯(cuò)錯(cuò)位位角角度度的的精精度度。。多相相通通電電時(shí)時(shí),其其不不僅僅與與上上述述因因素素有有關(guān)關(guān),還還和和各各相相電電流流大大小小,磁磁路性性能能有有關(guān)關(guān)。。返回回下一一頁頁上一一頁頁（2）穩(wěn)態(tài)即步進(jìn)電機(jī)的換相頻率為恒定的情況，即換相頻率較寬，是從0～fmax之間，在這個(gè)頻率范圍中分為三個(gè)區(qū)。a.低頻區(qū)即低于共振區(qū)間，在這個(gè)頻率范圍內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一步的時(shí)間周期比換相周期短。轉(zhuǎn)子每一步表現(xiàn)為衰減振動(dòng)，最后穩(wěn)定于平衡位置，轉(zhuǎn)子從0增大到amax啟動(dòng)，然后以衰減振動(dòng)形成停在新的平衡位置；引起步進(jìn)電機(jī)較大的振動(dòng)從而影響精度。b.共振區(qū)當(dāng)換相頻率接近轉(zhuǎn)子共振頻率或是共振頻率整倍數(shù)的區(qū)域?yàn)楣舱駞^(qū)。在該區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生較大的振動(dòng)。c.高頻區(qū)即高于共振的頻率區(qū)間，該區(qū)間步進(jìn)電機(jī)工作正常，很少產(chǎn)生振動(dòng)。

7.步進(jìn)電機(jī)的基本工作狀態(tài)（1）靜態(tài)指步進(jìn)電機(jī)某相（某n相）繞組中通以恒定的電流，轉(zhuǎn)子處于固定的位置而不動(dòng)的狀態(tài)。靜態(tài)時(shí)，繞組電流imax,故繞組有發(fā)熱現(xiàn)象。（3）過過渡渡態(tài)態(tài)指步步進(jìn)進(jìn)電電機(jī)機(jī)從從一一種種工工作作狀狀態(tài)態(tài)進(jìn)進(jìn)入入另另一一種種工工作作狀狀態(tài)態(tài)。。如如，，從從靜靜止止到到轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)、、從從轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)到到靜靜止止、、從從正正傳傳到到反反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)等等。。這這些些狀狀態(tài)態(tài)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變變的的過過渡渡過過程程為為過過渡渡態(tài)態(tài)。。a.啟動(dòng)動(dòng)電機(jī)機(jī)頻頻率率從從0增大大到到fst,轉(zhuǎn)子子轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速從從0增大到nst,當(dāng)fst高時(shí)，指令中中止。b.制動(dòng)從穩(wěn)步狀態(tài)fn減小到0時(shí)，轉(zhuǎn)子從nn減小到0，當(dāng)f高時(shí)，產(chǎn)生過過沖制動(dòng)。采采用不斷降速速后制動(dòng)。c.反轉(zhuǎn)從正到反，從從反到正。8計(jì)算式（另一種表達(dá)）步距角：例：ABC為三相三拍，ABBCCA雙三拍AABBBCCCA三相六拍或：例：一步進(jìn)電機(jī)，Zr＝40，若按三相六拍運(yùn)行，θs？若電機(jī)輸出軸帶動(dòng)導(dǎo)程6mm的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，δp?解：驅(qū)動(dòng)模型為根據(jù)式步進(jìn)伺服驅(qū)動(dòng)動(dòng)電路下一頁上一頁

用3個(gè)D觸發(fā)組成，初始狀態(tài)從置／復(fù)位端輸入一個(gè),A、B、C狀態(tài)分別為：

1.環(huán)形脈沖分配器

（1）硬環(huán)分（以三相六拍為例）

CBA通電狀態(tài)“1”，斷點(diǎn)“0”初始狀態(tài)001A

第一脈沖011AB實(shí)現(xiàn)了三相六拍

第二脈沖010B正轉(zhuǎn)的通電拍序第三脈沖110BC

第四脈沖100C第五脈沖101CA第六脈沖001A

目前硬環(huán)分已形成集成電路，按電路結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)不同分為TTL.CMOS，國(guó)產(chǎn)的YB系列有YB014YB015及YB016均為18引腳直插式封裝。例：YB016A－F相：六相繞組輸出端（輸出低電平≤0.4V，輸出高電平≥2.4V）。：選通控制輸出?？刂品峙淦魇欠褫敵鲆欢樞虻拿}沖。、：選通輸出控制端，決定步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。

±△：正反轉(zhuǎn)控制端，決定步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。

S：出錯(cuò)報(bào)告輸出。

CP：時(shí)鐘輸出端，決定分配器輸出脈沖的頻率。：清零，對(duì)分配器清零，以使正常工作

A0、A1：勵(lì)磁控制，確定通電方式。例：A0

A1

00單六拍(ABCDEF)

01三二相十二拍(ABCBCBCDCDABFABFAEFAEFDEFDECDE)10三相六拍(ABCBCDCDEDEFEFAFABT)

11三四相十二拍(ABCABCDBCDBCDECDECDEFDEFFABCFABEFABEFADEFA)（2）軟還分上述硬環(huán)分的邏輯功能用軟件可以模擬實(shí)現(xiàn)，按三相六拍的通電順序，依次向步進(jìn)電機(jī)繞組輸入“0”或“1”兩種狀態(tài)。硬件電路如下：設(shè)8255n地止為：OFFF8H~OFFFEH,依次從PB0~PB2

輸入01H03H02H06H04H05H01H,即可實(shí)現(xiàn)與硬環(huán)分同樣的效果。

MOVAL,80HMOVDX,OFFFEHOUTDX,AL；8255初始，A、B、Cn均為輸出方式MOVCL,06；L1:MOVSI,3800H；數(shù)據(jù)指針L2:MOVAL,[SI]；從數(shù)據(jù)表中取數(shù)

MOVDX,OFFFAHOUTDX,AL；從Bn端口輸出數(shù)據(jù)CALLDELAY；調(diào)延時(shí)子程序INCSIDECCLJNZL2

JMPL1DELAY:CALL20MS；調(diào)用20ms子程序

RET2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)電源（1）．對(duì)驅(qū)動(dòng)電源源的要求實(shí)際上，步進(jìn)進(jìn)電機(jī)是感性負(fù)載，繞組中電流流不能突變，而是按指數(shù)規(guī)律上升或下降,從而使整個(gè)通通電周期內(nèi)，，繞組電流平均值下降，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩下降降。理想驅(qū)動(dòng)電源使電電機(jī)繞組電流盡量接近矩形波。而當(dāng)電機(jī)運(yùn)行頻率很高高時(shí)，電流峰值值顯著小于額定定勵(lì)磁電流，從從而導(dǎo)致電機(jī)機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)一步下下降，嚴(yán)重時(shí)時(shí)不能啟動(dòng)。。下一頁上一頁上升時(shí)電流時(shí)時(shí)間常數(shù)Ti=L/RL——步進(jìn)電機(jī)繞組組平均電感量量R——通電回路電阻阻，包括：繞組內(nèi)阻、功率放大器輸出級(jí)內(nèi)阻、、串聯(lián)電阻下降時(shí)電流時(shí)時(shí)間常數(shù)Td=L/RDRD——放大回路電阻阻為了提高步進(jìn)進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)特特性，必須改改善電流波形形，使前后沿陡度度增大，方法法有：下一頁上一頁1)電阻法從Ti=L/R知，為Ti，可R，故可在進(jìn)電機(jī)機(jī)繞組回路中中串聯(lián)一個(gè)電阻Ro此時(shí)，Ti=L/(r+R0)特點(diǎn)：線路簡(jiǎn)單，但但Ro(10Ω)上消耗一定功功率，發(fā)熱量大，也降低了放放大器的效率，只適于小功率步進(jìn)電機(jī)。下一頁上一頁2)電壓法電感繞組通電電狀態(tài)時(shí)，繞繞組上電流為為Im=(E/r)(1-e-t/Ti)E——電源電電壓電流增增長(zhǎng)率率為dIm/dt=Im=(E/r)(1-e-t/Ti)可見，，增大大電源源電壓壓可以以有效效地改改善電電流上上升陡陡度特點(diǎn)：：線路復(fù)復(fù)雜，需采采用雙雙電源源，但但效率較較高，效果好好，適于中小型型功率率步進(jìn)電電機(jī)。。下一頁頁上一頁頁返回下一頁頁上一頁頁（2）．單電電壓型型驅(qū)動(dòng)動(dòng)電源源電容C:在接通通瞬間間短接接R電流由由ULCVT故C稱加速電電容電阻R:在電流流達(dá)到到恒定后后還起限流作作用，此時(shí)電電流由由ULRVT輸入脈沖為“0”時(shí)，VT截止，il=0

輸入脈沖為“1”時(shí)，VT導(dǎo)通

返回下一頁頁上一頁頁輸入脈沖消消失后，VT截止，，L兩端將將產(chǎn)生生一感感應(yīng)電電壓。。V=L(di/dt)，由于VT關(guān)斷時(shí)時(shí)間dt很短，，故感應(yīng)電電壓U很大，，將擊擊穿晶晶體管管，為此增增加二二極管管D續(xù)流，續(xù)流流電流流:LRDL而VT2在高壓壓控制制電路路下導(dǎo)通時(shí)間t1較短(100-600s)繞組在在高壓EH下電流流迅速增增大至至額定值值，此時(shí)低壓EL無效。（3）．高低低壓雙雙壓型型驅(qū)動(dòng)動(dòng)電源源輸入脈脈沖信信號(hào)為為“0”時(shí)，VT1、VT2均截止止，iL=0輸入信信號(hào)為為“1”時(shí)，VT1導(dǎo)通t1之后，，VT2截止，低壓供供壓，維持繞組所所需的的額定電電流IeEHEL下一頁頁上一頁頁輸入脈脈沖信號(hào)消消失(為“0”)，VT1、VT2均截止止，L上電流流經(jīng)放電回回路：LRoVD2EHELVD1L迅速下下降EH供電，，勵(lì)磁磁電流流前沿電電流Ip=[EH/(r+R0)](1-e-t/Ti)由此計(jì)計(jì)算t1t1=T/n{EH/[EH+In(r+R0)]}In—要求高高壓通通電，，電流達(dá)達(dá)到的的數(shù)值值下頁上一頁頁繞組上上電流流Il隨外加加電壓壓(EH、EL)變化而而變化化，當(dāng)外加加電壓壓變化化時(shí)，，電機(jī)機(jī)特性性變差差，工工作不不穩(wěn)定定2)雙電壓壓功放放電路路缺點(diǎn)點(diǎn)是在在高低低壓處處電流流出現(xiàn)現(xiàn)凹點(diǎn)點(diǎn)，這這樣必必然引引起力力矩在在尖點(diǎn)點(diǎn)電下下降，，而斬?cái)夭ㄐ托涂煽丝朔@這一缺缺點(diǎn)。。EH

EL返回存在的的問題題：下一頁頁上一頁頁（4）．恒恒流斬?cái)夭ㄐ托停?）．調(diào)調(diào)頻調(diào)調(diào)壓型型如果能能設(shè)法法使繞繞組的的供電電電壓壓隨著著運(yùn)行行頻率率的升升高而而升高高，以以維持持繞組組在不不同頻頻率的的導(dǎo)電電周期期內(nèi)電電流平平均值值基本本相同同，這這樣就就可以以達(dá)到到在高高頻