伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)東北大學(xué)

2023/9/216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)在各類加工中心或多功能數(shù)控機(jī)床中，控制刀庫、料庫等輔助系統(tǒng)，多采用簡易的位置控制。2023/9/226.1.1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)。2023/9/236.1.1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)格來說：位置控制包括位置、速度和電流控制；速度控制包括速度和電流控制。2023/9/241．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)過程后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來的平衡狀態(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。0～24m/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2023/9/25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、較長時(shí)間的過載能力，以滿足低速大轉(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2023/9/26（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。①從最低速到最高速電機(jī)都要平穩(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)定的速度而無爬行現(xiàn)象。②電機(jī)應(yīng)具有大的較長時(shí)間的過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電機(jī)要求在數(shù)分鐘內(nèi)過載4-6倍而不損壞。③為了滿足快速響應(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以內(nèi)從靜止到額定轉(zhuǎn)速。④電機(jī)應(yīng)能承受頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。2023/9/276.1.2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)床具有螺紋和螺旋槽加工的能力。

（2）準(zhǔn)?？刂圃诩庸ぶ行纳希瑸榱藢?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，稱為“C”軸控制。“C”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)。2023/9/286.1.3伺服系統(tǒng)的分類（1）按調(diào)節(jié)理論分類

①閉環(huán)

②半閉環(huán)③開環(huán)（2）按驅(qū)動(dòng)部件的動(dòng)作原理

①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，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)。2023/9/29

②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)。它們沒有液壓系統(tǒng)中的噪聲、污染和維修費(fèi)用高等問題，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)類型①直流伺服系統(tǒng)a.小慣量直流電機(jī)、細(xì)長電機(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，滿足慣性匹配要求2023/9/210b.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)能在較大過載轉(zhuǎn)矩下長時(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2023/9/211②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年代后期開始，大量使用交流伺服系統(tǒng)，到今天有些國家的廠家，已經(jīng)全部使用交流伺服系統(tǒng)。2023/9/212(4)按進(jìn)給驅(qū)動(dòng)和主軸驅(qū)動(dòng)分類

①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。

②主軸伺服系統(tǒng)嚴(yán)格地說、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)速范圍內(nèi)的無級(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，刀庫位置控制是為了在刀庫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，故稱為簡易位置伺服系統(tǒng)。2023/9/213（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)

2023/9/2146.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

開環(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)現(xiàn)，從而簡化了系統(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。2023/9/2156.2.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理及類型

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)械角位移或直線位移的控制電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電動(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。但是近年來發(fā)展起來的恒流斬波驅(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)床的開環(huán)伺服系統(tǒng)（開環(huán)伺服控制是指機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的位移沒有檢測(cè)反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的信號(hào)是單向的。）2023/9/216（1）步進(jìn)電機(jī)的分類

按運(yùn)動(dòng)方式分：有旋轉(zhuǎn)式、直線運(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)2023/9/2172023/9/218（2）步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電機(jī)，每接受一個(gè)脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，稱為步距角。脈沖數(shù)目：位移大小；脈沖頻率：速度大小；通電順序：方向控制。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：開槽形成齒定子：有磁極以三相單三拍為例說明工作原理：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為保持磁阻最小，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-CA2023/9/2192023/9/2202023/9/221

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)。2023/9/2226.2.2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)。2023/9/223

圖所示為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的展開圖。其中定子有6個(gè)極，轉(zhuǎn)子有40個(gè)齒。當(dāng)A極下的定、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)開轉(zhuǎn)子齒距的1/m。2023/9/224（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)過一個(gè)角度θ，此時(shí)轉(zhuǎn)子所受的電磁轉(zhuǎn)矩，稱為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，角度θ稱為失調(diào)角。描述靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與θ的關(guān)系叫作步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)矩角特性。2023/9/225

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?？梢酝ㄟ^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)齒中心線之間的距離叫齒距，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距，矩角特性就變化一個(gè)周期，相當(dāng)于2π電角度。2023/9/2262023/9/227

在定子、轉(zhuǎn)子齒槽對(duì)準(zhǔn)時(shí)，定、轉(zhuǎn)子槽中心線重合，失調(diào)角為θ=0°，電磁轉(zhuǎn)矩T=0。若轉(zhuǎn)子齒的中心線對(duì)準(zhǔn)定子槽中心線，失調(diào)角θ=±π，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θ=±π/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-π或大雨+π時(shí)，該轉(zhuǎn)子齒已進(jìn)入了另一個(gè)定子齒的拉力范圍，轉(zhuǎn)矩方向趨于使轉(zhuǎn)子齒與下一個(gè)齒對(duì)齊。當(dāng)θ=±2π，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θ=0，而θ=±π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)，但沒有超過相鄰的不穩(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，仍能回到原來的平衡點(diǎn)。2023/9/228（3）最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩

步進(jìn)電機(jī)矩角特性曲線上電磁轉(zhuǎn)矩的最大值稱為最大靜態(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，稱為最大靜轉(zhuǎn)矩特性。

當(dāng)控制電流很小時(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)曲線趨向飽和。2023/9/229（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，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。2023/9/2302023/9/231（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)工作頻率。對(duì)于同樣負(fù)載轉(zhuǎn)矩來說，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。2023/9/232

①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。2023/9/233

②連續(xù)運(yùn)行頻率步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)后，其運(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)。下頁圖中每一頻率所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為動(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)行頻率超過最高頻率是，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)便無法工作。2023/9/2342023/9/235對(duì)矩頻特性曲線進(jìn)一步說明

因步進(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也有一個(gè)過程。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)。2023/9/2362023/9/2372023/9/2382023/9/2392023/9/2402023/9/2412023/9/2422023/9/2432023/9/2446.2.4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。①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2023/9/2452023/9/2462023/9/2472023/9/2482023/9/2496.2.5步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源

2023/9/250高低壓驅(qū)動(dòng)電路2023/9/251（3）斬波驅(qū)動(dòng)電路

2023/9/252三種驅(qū)動(dòng)電路電流波形

三種驅(qū)動(dòng)電路電流波形比較2023/9/253

單電壓驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)點(diǎn)是線路簡單，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外接電阻Rc，而采樣電阻Re又很小（一般0.2Ω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。2023/9/254（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)，如分頻來調(diào)壓、隨電壓頻率線性地變化等。2023/9/255（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。2023/9/256提高步進(jìn)式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)精度的措施

步進(jìn)式