開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)

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1、第二節(jié),一、開環(huán)步進伺服系統(tǒng)的工作原理 書本171面,,,6.2 步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng),,6.2.1步進電機工作原理 按電磁吸引原理工作（以反應(yīng)式步進電機為例） 反應(yīng)式步進電機的定子上有磁極，每個磁極上有激磁繞組，轉(zhuǎn)子無繞組，有周向均布的齒，依靠磁極對齒的吸合工作。,6.2 步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng),,,6.2 步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng),兩個相對的磁極組成一相。,注意：這里的“相”和三相交流電中的“相”的概念不同。步進電機通的是電脈沖，主要是指線圖的聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。,1根據(jù)相數(shù)分類 有三、四、五、六相等，相數(shù)越多，步距角越小， 通電方式采用m相m拍、雙m拍和m相2m拍，m相m拍和m相2

2、m拍通電方式中，可采用一/二相、二三相轉(zhuǎn)換通電， 如五相步進電機，五相十拍的二三相轉(zhuǎn)換方式：ABABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEAB,,,6.2.3 步進電機的分類,6.2 步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng),根據(jù)定子與轉(zhuǎn)子間磁場建立方式，可分：反應(yīng)式、永磁反應(yīng)式（混合式）兩類。 反應(yīng)式步進電機：定子有多相磁極，其上有勵磁繞組，轉(zhuǎn)子無繞組，用軟磁材料制成，由被勵磁的定子繞組產(chǎn)生反應(yīng)力矩實現(xiàn)步進運行 永磁反應(yīng)式步進電機：定子結(jié)構(gòu)與反應(yīng)式相似，轉(zhuǎn)子用永磁材料制成或有勵磁繞組、由電磁力矩實現(xiàn)步進運行。,,,,2根據(jù)產(chǎn)生力矩的原理分類,6.2 步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng),可將步進電機分兩類：伺服步進電機

3、 功率步進電機 伺服步進電機（快速步進電機），輸出力矩在幾十數(shù)百Nm，只能帶動小負載，加上液壓扭矩放大器可驅(qū)動工作臺。 功率步進電機輸出力矩在550Nm以上，能直接驅(qū)動工作臺。,,,3根據(jù)輸出力矩的大小分類,6.2 步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng),,,,,6.2 步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng),4根據(jù)結(jié)構(gòu)分類,步進電機可制成 軸向分相式（多段式） 徑向分相式（單段式）,,,6.2 步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng),步進電機的工作方式(通電順序)可分為： 三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍等。,1）三相單三拍：,（1）三相繞組聯(lián)接方式：Y 型,,,6.2 步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng),1）三相單三拍工作方式

4、：,,6.2 步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng),,,A 相通電使轉(zhuǎn)子1、3齒和 AA 對齊,,,,,,,B,B,A,C,C,A,,,,,,,B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相軸線對齊,C,C相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒和C相軸線對齊,,,,,,,,,,A,B,C,1,3,2,4,,,,,,A,B,C,1,3,2,4,A,,,6.2 步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng),三相單三拍的特點：,（1）每來一個電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 30。,（2）轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序。,（3）每次定子繞組只有一相通電，在切換瞬間失去自鎖轉(zhuǎn)矩，容易產(chǎn)生失步，只有一相繞組產(chǎn)生力矩吸引轉(zhuǎn)子，在平衡位置易產(chǎn)生振蕩 。,,6.2 步進電機及其驅(qū)動控

5、制系統(tǒng),,,2)三相六拍工作方式 通電順序為：AABBBCCCAA 六拍。,,,,,,,,,,,,,,,通電順序 AABBBCCCAA（逆時針） AACCBCBCAA（順時針） 每步轉(zhuǎn)過15，步距角是三相三拍工作方式的一半， 特點：電機運轉(zhuǎn)中始終有一相定子繞組通電，運轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)。,6.2 步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng),,,3)雙三拍工作方式 定子繞組通電順序為 ABBCCAAB（轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)） ACBCCA（轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)） 有兩對磁極同時對轉(zhuǎn)子的兩對齒進行吸引，每步仍旋轉(zhuǎn)30。 特點：始終有一相定子繞組通電，工作比較平穩(wěn)。避免了單三拍通電方式的缺點,6.2 步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng),,,實際上

6、步進電機轉(zhuǎn)子齒數(shù)很多，齒數(shù)越多，步距角越小,6.2 步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng),為改善運行性能，定子磁極上的齒的齒距與轉(zhuǎn)子的齒距相同，但各極的齒依次與轉(zhuǎn)子的齒錯開齒距的1m（m電機相數(shù)）。每次定子繞組通電狀態(tài)改變時，轉(zhuǎn)子只轉(zhuǎn)過齒距的1m（如三相三拍）或12m（如三相六拍）達到新的平衡位置。,,6.2 步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng),齒距的1m（m電機相數(shù)）,,3600/ Z,,,轉(zhuǎn)子40個齒，若通電為三相三拍，當轉(zhuǎn)子齒與A相定子齒對齊時，轉(zhuǎn)子齒與B相定子齒相差（3），與C相定子齒相差（6）。,,,6.2 步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng),結(jié)論,課本173面中間,每給一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過角度的理論值。,,

7、6.2.2 步進電機的主要特性 1步距角,m定子相數(shù)；z轉(zhuǎn)子齒數(shù)；k通電系數(shù)， m相m拍，k1；m相2m拍，k2。,一般很小，如：31.5，1.50.75，0.720.36等,6.2 步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng),靜態(tài)：步進電機處于通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子處在不動狀態(tài)。 靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mj ：在電機軸上施加一個負載轉(zhuǎn)矩M，轉(zhuǎn)子會在載荷方向上轉(zhuǎn)過一個角度（失調(diào)角），轉(zhuǎn)子因而受到一個電磁轉(zhuǎn)矩Mj的作用與負載平衡。,,,2矩角特性、最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mjmax和啟動轉(zhuǎn)矩Mq,,6.2 步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng),矩角特性：步進電機單相通電的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mj隨失調(diào)角的變化曲線。,啟動頻率或突跳頻率fq：空載時，步進電機由靜止突然啟動

8、并進入不丟步的正常運行狀態(tài)所允許的最高頻率。 高于啟動頻率，將不能正常起動。 啟動時的慣頻特性：是指電機帶動純慣性負載時啟動頻率和負載轉(zhuǎn)動慣量之間的關(guān)系。,,,3啟動頻率fq和啟動時的慣頻特性,6.2 步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng),步進電機在帶負載（尤其是慣性負載）下的啟動頻率比空載要低。,連續(xù)運行最高工作頻率 步進電機啟動之后，控制脈沖的頻率可進一步提高。能夠跟上控制脈沖的頻率而不失步的最高頻率，稱為連續(xù)運行最高頻率。它隨負載的增加而下降，它比最高啟動頻率大許多，因它不需克服慣性力矩。它代表著步進電機的最高轉(zhuǎn)速。目前世界最高值可達7000rmin。,步進電機的加減速特性描述步進電機由靜止到工作頻

9、率和由工作頻率到靜止的加、減速過程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時間的關(guān)系。 當要求步進電機啟動到大于啟動頻率的工作頻率時，變化速度必須逐漸上升；從最高工作頻率或高于啟動頻率的工作頻率停止時，變化速度必須逐漸下降。逐漸上升和下降的加速、減速時間不能過小，否則會失步或超步。,,,4加、減速特性,6.2 步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng),連續(xù)運行頻率：步進電機啟動后，其運行速度能跟蹤指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率。其值遠大于啟動頻率。 運行矩頻特性：是描述步進電機在連續(xù)運行時，輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運行頻率之間的關(guān)系。,,5運行矩頻特性,,6.2 步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng),五、步進電機的驅(qū)動控制線

10、路,根據(jù)步進式伺服系統(tǒng)的工作原理，步進電機驅(qū)動控制線路的功能是，將具有一定頻率f、一定數(shù)量和一定方向的進給脈沖轉(zhuǎn)換成控制步進電機各相定子繞組通斷電的電平信號。電平信號的變化頻率、變化次數(shù)和通斷電順序要與進給指令脈沖的 頻率、數(shù)量和方向?qū)?yīng)。,一個較完善的步進電機的驅(qū)動控制線路組成：,1、脈沖混合電路,無論是來自于數(shù)控系統(tǒng)的插補信號，還是各種類型的誤差補償信號、手動進給信號及手動回原點信號等，它們的目的無非是使工作臺作正向進給或負向進給。,通過脈沖混合電路可將上述信號混合為使工作臺正向進給的“正向進給”信號或使工作臺負向進結(jié)的“負向進給”信號。,,當機床在正向進給脈沖的控制下正在沿正方向進給時，

11、由于各種補償脈沖的存在，可能還會出現(xiàn)極個別的負向進給脈沖；同樣，當機床在負向進給脈沖的控制下正在沿負方向進給時，還可能會出現(xiàn)極個別的正向進給脈沖。,2、加減脈沖分配電路,,在實際的機床進給控制中，這些與某個進給方向相反的個別脈沖指令的出現(xiàn)，意味著步進電機正在沿著一個方向旋轉(zhuǎn)時，再向相反的方向旋轉(zhuǎn)極個別幾個步距角。,,,根據(jù)步進電機的工作原理，要做到這一點（即電機正在沿著某個方向旋轉(zhuǎn)時，再向相反的方向旋轉(zhuǎn)極個別幾個步距角），必須首先使步進電機從該旋轉(zhuǎn)方向靜止下來，然后才能向相反的方向旋轉(zhuǎn)，待旋轉(zhuǎn)極個別幾個步距角后，再恢復(fù)至原來的方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)進給。這從機械加工工藝性方面來看是不允許的即使是允許，控

12、制線路也相當復(fù)雜。,一般采用的方法是，通過加減脈沖分配電路從該進給方向的進給脈沖指令中抵消相同數(shù)量的相反方向補償脈沖，如圖所示。,,,,3加減速電路(自動升降速電路),根據(jù)步進電機加減速特性，進入步進電機定子繞組的電平信號的頻率變化要平滑而且應(yīng)有一定的時間常數(shù)。但由加減脈沖分配電路來的進給脈沖頻率的變化是有躍變的。,為了保證步進電機能夠正常、可靠地工作，上述躍變頻率必須首先進行緩沖，使之變成符合步進電機加減速特性的脈沖頻率，然后再送入步進電機的定子繞組。加減速電路就是為此而設(shè)置的。,,,,,,,,,t0 t1 t2 t,t0 t1 t2 t3 t,,f b,f

13、a,,經(jīng)過該電路后，輸出脈沖的個數(shù)與輸入的進給脈沖的個數(shù)相等，以保證電機不會丟步。,4環(huán)形分配器,作用：把來自于加減速電路的一系列進給脈沖指令，轉(zhuǎn)換成控制步進電機定子繞組通、斷電的電平信號，電平信號狀態(tài)的改變次數(shù)及順序與進給脈沖的個數(shù)及方向?qū)?yīng)。,五相十拍通電順序：,AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB-AB ,要求五相電機正轉(zhuǎn),環(huán)形分配器可以由硬件邏輯線路構(gòu)成，也可以用軟件來實現(xiàn),從環(huán)形分配器來的進給控制信號的電流只有幾毫安，而步進電機的定子繞組需要幾安培電流。因此，需要對從環(huán)形分配器來的信號進行功率放大，以提供幅值足夠，前后沿較好的勵磁電流。,5.功率放大器

14、,環(huán)形分配器的主要功能：將數(shù)控裝置送來的一串指令脈沖，按步進電機所要求的通電順序分配給步進電機驅(qū)動電源的各相輸入端，以控制勵磁繞組的通斷，實現(xiàn)步進電機的運行及換向。,,,,6.2.4 步進電機的環(huán)形分配器,6.2 步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng),1硬件環(huán)形分配器 可由D觸發(fā)器或JK觸發(fā)器構(gòu)成，亦可用專用集成芯片或通用可編程邏輯器件。,,,,,6.2 步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng),硬件環(huán)形分配驅(qū)動與數(shù)控裝置的連接,CH250是國產(chǎn)三相反應(yīng)式步進電機環(huán)形分配器專用集成電路芯片，通過控制端的不同接法可組成三相雙三拍和三相六拍的工作方式,,,,,6.2 步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng),三相六拍接線圖:,,2軟件環(huán)形分

15、配器 由數(shù)控裝置中的軟件完成環(huán)形分配，直接驅(qū)動步進電機各繞組的通、斷電。 用軟件環(huán)形分配器只需編制不同的環(huán)形分配程序，可使線路簡化，成本下降，可靈活地改變步進電機的控制方案。,,,,6.2 步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng),步進電機的速度控制 進給脈沖頻率f 定子繞組通電/斷電狀態(tài)變化頻率f 步進電機轉(zhuǎn)速 工作臺的進給速度V。 V=60f,,,,,6.2 步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng),作用： 是將環(huán)形分配器或微處理機送來的弱電信號變?yōu)閺婋娦盘枺缘玫讲竭M電機控制繞組所需要的脈沖電流及所需要的脈沖波形。,,,,6.2 步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng),6.2.5 功率放大電路,6.2.5 功率放大電路

16、種類： 就其采用的功率放大器件分，有中功率晶體管、大功率晶體管、大功率達林頓晶體管、可控硅等； 就其工作原理分，有單電壓驅(qū)動、高低電壓驅(qū)動、恒流斬波、調(diào)頻調(diào)壓、細分電路等。 步進電機有幾相，就需要幾組功率放大電路。,,,,6.2 步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng),. 提高步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)傳動精度的措施, 概述 影響步進電機開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的因素： 步進電機的步距角精度； 機械傳動部件的精度； 絲桿等機械傳動部件、支承的傳動間隙； 傳動件和支承件的變形。 提高步進電機開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的措施 適當提高系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)的精度； 采取各種精度補償措施。, 傳動間隙補償 在整個行程范圍內(nèi)測量傳動機構(gòu)傳動間隙

17、，取其平均值存放在數(shù)控系統(tǒng)中的間隙補償單元，當進給系統(tǒng)反向運動時，數(shù)控系統(tǒng)自動將補償值加到進給指令中，從而達到補償目的。, 螺距誤差補償 利用計算機的運算處理能力，可以補償滾珠絲杠的螺距累積誤差，以提高進給位移精度。 方法：首先測量出進給絲杠螺距誤差曲線(規(guī)律)，然后可采用下列兩種方法實現(xiàn)誤差補償：硬件補償、軟件補償。,, 細分線路,. 步進電機開環(huán)系統(tǒng)設(shè)計,要解決的主要問題： 動力計算 傳動計算 驅(qū)動電路設(shè)計或選擇 目的：傳動計算選擇合適的參數(shù)以滿足脈沖當量和進給速度F的要求。 圖中：f 脈沖頻率（HZ ） 步距角 （度） Z1、Z2 傳動齒輪齒數(shù) t 螺距(mm)

18、脈沖當量（mm）,傳動比選擇： 為了湊脈沖當量mm，也為了增大傳遞的扭矩，在步進電機與絲桿之間，要增加一對齒輪傳動副，那么，傳動比 i=Z1/Z2與、 、t之間有如下關(guān)系： 步距角， 脈沖當量， t絲杠導程。,,例1： = 0.01mm, t = 6 mm, = 0.75,進給速度F： 一般步進電機： 若：=0.01 mm 則： 若 =0.001mm 則： 因此，當 一定時， 與成正比，故我們在談到步進電機開環(huán)系統(tǒng)的最高速度時，都應(yīng)指明是在多大的脈沖當量下的,否則是沒有意義的。,例2 設(shè)X-Y 工作臺由步進電機直接經(jīng)絲桿螺母副驅(qū)動，絲桿螺距為5mm，步進電機步距角為1.5

19、0，工作方式三相六拍，工作臺最大行程為400mm，求：,（1）脈沖當量； （2）微機發(fā)出的脈沖總數(shù)是多少？,(2)計算脈沖數(shù)n，由 n =L(工作臺最大行程）,所以，脈沖數(shù)為： n =L/ =400/0.02083=19200步,解： （1）由計算脈沖當量：,,360,,=,,,L0,,已知，,L0=5mm， =1.50求脈沖當量=？,=5/360 1.5=0.02083(mm),,例3 步進電機直接經(jīng)絲桿螺母驅(qū)動工作臺，步進電機步距角0.720,工作臺質(zhì)量為100kg，負載質(zhì)量為50kg，切削負載為4000N，絲桿螺距為5mm，如果步進電機從500Hz線性加速到2000Hz，加速時間為0.

20、2S，求步進電機的驅(qū)動轉(zhuǎn)距？,解：（1）忽略滾珠絲扛及電機的轉(zhuǎn)動慣量，則折算到電機軸上等效轉(zhuǎn)動慣量：,V=f =500 0.01=5mm/s,J=m(,V,,,),2,所以，,=（100+50） （5/2）=95.08 10-6(kg.m),2,2,(2)求電機軸的等效轉(zhuǎn)矩： T =F（ ）,,V,,F為切削負載4000N;,V5mm/s,=4000（5/2 ）=3184.7 N.mm=3.184 N.M,(3)步進電動機的角加速度：,=,d ,,dt,=,df,dt,,,=,(t 0 ),,t,2 ,,360,0.72,.,=,2000 500,,0.2,,2 ,360,,,0.72,=

21、94.2 rad/s,2,所以，步進電機的啟動轉(zhuǎn)矩為：,T q T + J ,T等效轉(zhuǎn)矩； J 空載啟動時, 產(chǎn)生最大加速度所需的轉(zhuǎn)矩; 步進電動機的角加速度。,所以，,T q T + J =3.184+95.08 10-6 94.2,= 3.27 Nm,例4 一臺五相步進電機，五相五拍運行時其步距角是1.50，此電動機轉(zhuǎn)子上應(yīng)有幾個齒？齒距角是多少？此電動機若按十拍運行，齒距角度是多少度？按五拍和十拍運行時，每走一步對應(yīng)的電角度是多少？ 解：（1）步距角：,Z齒數(shù)；m相數(shù)；K,,1 五拍（單拍）,2 十拍（雙拍）,所以，五拍運行時：,,360,=,mKz,,,0,=1.5,0,K=1,m=5

22、,Z=,360,0,/5 1,=48齒,十拍運行時：,360,=,5 2 48,,,0,=0.75,0,(2)齒距角：,c,=,360,48,,0,=7.5,0,齒距角的電角度：,e,=,360,m K,,0,五拍運行時：,e,=,360,5 1,,0,=72,0,十拍運行時：,e,=,360,5 2,=36,,0,0,例5 設(shè)有一步進電機驅(qū)動的工作臺，步進電機通過減速齒輪副驅(qū)動滾珠絲桿，其參數(shù)符號如下：脈沖當量，滾珠絲桿的基本導程為L。步進電機的步距角為，減速齒輪比為1：i。問題： （1）試寫出、 、 L、i之間 的關(guān)系； （2）若=0.001mm， L。=5mm;減速比為1：5，問選擇步進電機的步距角應(yīng)為多少？,解：（1）求脈沖當量：,(2) 步進電機的步距角,