內(nèi)工大 數(shù)控和技術(shù) 第五章 進(jìn)給伺服系統(tǒng)

1、 提提 要要 本章介紹進(jìn)給伺服系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理，敘本章介紹進(jìn)給伺服系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理，敘 述步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)等述步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)等 伺服驅(qū)動(dòng)元件的結(jié)構(gòu)及調(diào)速方法，闡述開環(huán)伺伺服驅(qū)動(dòng)元件的結(jié)構(gòu)及調(diào)速方法，闡述開環(huán)伺 服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)的構(gòu)成及控制原理。服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)的構(gòu)成及控制原理。 學(xué)時(shí)：學(xué)時(shí)：4 4學(xué)時(shí)學(xué)時(shí) 目目 標(biāo)標(biāo) 掌握伺服系統(tǒng)的功能、分類及其特點(diǎn)：數(shù)控機(jī)床掌握伺服系統(tǒng)的功能、分類及其特點(diǎn)：數(shù)控機(jī)床 對(duì)伺服系統(tǒng)的要求對(duì)伺服系統(tǒng)的要求 v 掌握開環(huán)伺服系統(tǒng)的組成及工作原理掌握開環(huán)伺服系統(tǒng)的組成及工作原理 v 了解和掌握步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工

2、作原理、脈沖分配了解和掌握步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理、脈沖分配 v 方式方式 v了解直流和交流伺服電機(jī)位置控制原理了解直流和交流伺服電機(jī)位置控制原理 建建 議議 本章內(nèi)容既有理論分析，又有實(shí)驗(yàn)研本章內(nèi)容既有理論分析，又有實(shí)驗(yàn)研 究。學(xué)習(xí)中，應(yīng)特別注意各種伺服驅(qū)究。學(xué)習(xí)中，應(yīng)特別注意各種伺服驅(qū) 動(dòng)元件的調(diào)速方法和調(diào)速原理，了解動(dòng)元件的調(diào)速方法和調(diào)速原理，了解 各種驅(qū)動(dòng)元件之間的性能比較及其應(yīng)各種驅(qū)動(dòng)元件之間的性能比較及其應(yīng) 用場(chǎng)合。用場(chǎng)合。 第一節(jié) 概 述 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)，動(dòng)控制

3、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)化為直線或旋經(jīng)變換、調(diào)節(jié)和放大后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行件，轉(zhuǎn)化為直線或旋 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機(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)床的重要組成部分。 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)、伺服機(jī)構(gòu)或伺服單元。該系統(tǒng)包括了大量的電力統(tǒng)、伺服機(jī)構(gòu)或伺服單元。該系統(tǒng)包括了大量的電力 電子器件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，綜合性強(qiáng)電子器件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，綜合性強(qiáng)。 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的定義及組成進(jìn)給伺服系統(tǒng)的定義及組成 1. . 定義：定義： 進(jìn)給伺

4、服系統(tǒng)進(jìn)給伺服系統(tǒng)(Feed (Feed Servo System)Servo System)以移動(dòng)部件的以移動(dòng)部件的 位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制 系統(tǒng)系統(tǒng)。 一、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的定義及組成一、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的定義及組成 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的作用進(jìn)給伺服系統(tǒng)的作用 接受數(shù)控裝置發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令 信號(hào)，由伺服驅(qū)動(dòng)裝置作一定的轉(zhuǎn)換和放大后， 經(jīng)伺服電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作 臺(tái)等執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給或快速運(yùn)動(dòng)。 進(jìn)給伺服系統(tǒng)能根據(jù)指令信號(hào)精確地控制 執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)速度與位置，以及幾個(gè)執(zhí)行部 件按一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)所合成的運(yùn)動(dòng)軌跡。 如把數(shù)控裝置比作數(shù)控機(jī)床“大腦”

5、，是 發(fā)布“命令”的指揮機(jī)構(gòu)，則伺服系統(tǒng)就是數(shù) 控機(jī)床的“四肢”，是執(zhí)行“命令”的機(jī)構(gòu)。 組成： 進(jìn)給伺服系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分 組成：位置控制單元；速度控制單元；驅(qū)動(dòng)元 件(電機(jī))；檢測(cè)與反饋單元；機(jī)械執(zhí)行部件。 位置控制調(diào)節(jié) 器 速度控制 調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng) 檢測(cè)與反饋單 元 位置控制單元速度控制單元 + + - 電機(jī) 機(jī)械執(zhí)行部件 CNC插 補(bǔ) 指令 實(shí)際 位置 反饋 實(shí)際 速度 反饋 第一節(jié) 概 述 圖5-1 進(jìn)給伺服系統(tǒng)組成 NC NC機(jī)床對(duì)數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求機(jī)床對(duì)數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求 q 調(diào)速范圍要寬且要有良好的穩(wěn)定性調(diào)速范圍要寬且要有良好的穩(wěn)定性( (在調(diào)速范圍內(nèi)在調(diào)速范圍內(nèi)) )

6、 調(diào)速范圍：調(diào)速范圍： 一般要求：一般要求： 穩(wěn)定性：指輸出速度的波動(dòng)要少，尤其是在穩(wěn)定性：指輸出速度的波動(dòng)要少，尤其是在 低速時(shí)的平穩(wěn)性顯得特別重要。低速時(shí)的平穩(wěn)性顯得特別重要。 min max n n Rn 輸出位置精度要高輸出位置精度要高 靜態(tài)靜態(tài)：定位精度和重復(fù)定位精度要高，即定位誤差：定位精度和重復(fù)定位精度要高，即定位誤差 和重復(fù)定位誤差要小。和重復(fù)定位誤差要小。( (尺寸精度尺寸精度) ) 動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)：跟隨精度，這是動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，用跟隨誤差：跟隨精度，這是動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，用跟隨誤差 表示。表示。 ( (輪廓精度輪廓精度) ) 靈敏度靈敏度要高，有足夠高的分辯率。要高，有足夠高的分辯率。

7、 負(fù)載特性要硬負(fù)載特性要硬 在系統(tǒng)負(fù)載范圍內(nèi)，在系統(tǒng)負(fù)載范圍內(nèi)， q當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，輸出速當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，輸出速 度應(yīng)基本不變。即度應(yīng)基本不變。即F F盡盡 可能?。豢赡苄?； q當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，要求速當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，要求速 度的恢復(fù)時(shí)間短且無(wú)振度的恢復(fù)時(shí)間短且無(wú)振 蕩。即蕩。即t t盡可能短；盡可能短； q應(yīng)有足夠的過(guò)載能力。應(yīng)有足夠的過(guò)載能力。 這是要求伺服系統(tǒng)有良好的這是要求伺服系統(tǒng)有良好的 靜態(tài)與動(dòng)態(tài)剛度。靜態(tài)與動(dòng)態(tài)剛度。 t F t F 響應(yīng)速度快且無(wú)超調(diào)響應(yīng)速度快且無(wú)超調(diào) 這是對(duì)伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的這是對(duì)伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的 要求，即在無(wú)超調(diào)的前提下，執(zhí)要求，即在無(wú)超調(diào)的前提下，執(zhí) 行部件的運(yùn)動(dòng)

8、速度的建立時(shí)間行部件的運(yùn)動(dòng)速度的建立時(shí)間 t tp p 應(yīng)盡可能短。應(yīng)盡可能短。 通常要求從通常要求從 0F0Fmax max （F Fmax max0 0），其時(shí)間應(yīng)小于），其時(shí)間應(yīng)小于200ms200ms， 且不能有超調(diào)，否則對(duì)機(jī)械部件且不能有超調(diào)，否則對(duì)機(jī)械部件 不利，有害于加工質(zhì)量。不利，有害于加工質(zhì)量。 t F t p 能可逆運(yùn)行和頻繁靈活啟停能可逆運(yùn)行和頻繁靈活啟停。 系統(tǒng)的可靠性高系統(tǒng)的可靠性高，維護(hù)使用方便，成本低。，維護(hù)使用方便，成本低。 綜上所述：綜上所述： q對(duì)伺服系統(tǒng)的要求包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性兩方面；對(duì)伺服系統(tǒng)的要求包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性兩方面； q對(duì)高精度的數(shù)控機(jī)床，對(duì)其動(dòng)

9、態(tài)性能的要求更對(duì)高精度的數(shù)控機(jī)床，對(duì)其動(dòng)態(tài)性能的要求更 嚴(yán)。嚴(yán)。 數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)按其控制原理和有無(wú)位數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)按其控制原理和有無(wú)位 置反饋裝置分為置反饋裝置分為開環(huán)開環(huán)和和閉環(huán)閉環(huán)伺服系統(tǒng)；伺服系統(tǒng)； 按其用途和功能分為按其用途和功能分為進(jìn)給伺服系統(tǒng)進(jìn)給伺服系統(tǒng)和和主軸伺主軸伺 服系統(tǒng)服系統(tǒng)； 按其驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的動(dòng)作原理分為按其驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的動(dòng)作原理分為電液伺服電液伺服 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和和電氣伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電氣伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 電氣伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)又分為電氣伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)又分為直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、 交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及及直線電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)直線電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)。 第

10、二節(jié)第二節(jié) 伺服系統(tǒng)的分類伺服系統(tǒng)的分類 開環(huán)伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，沒有位置反饋回路開環(huán)伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，沒有位置反饋回路 和速度反饋回路，因此設(shè)備投資低，調(diào)試維修方便，但精度差，和速度反饋回路，因此設(shè)備投資低，調(diào)試維修方便，但精度差， 高速扭矩小，主要用于中、低檔數(shù)控機(jī)床及普通機(jī)床改造。高速扭矩小，主要用于中、低檔數(shù)控機(jī)床及普通機(jī)床改造。 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度與指令脈沖個(gè)數(shù)成正比，其速度由進(jìn)給脈步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度與指令脈沖個(gè)數(shù)成正比，其速度由進(jìn)給脈 沖的頻率決定。沖的頻率決定。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：沒有位置測(cè)量裝置，信號(hào)流是單向的沒有位置測(cè)量裝置，信號(hào)流是單向的 （數(shù)控裝置

11、（數(shù)控裝置進(jìn)給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。進(jìn)給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。 電機(jī)電機(jī) 機(jī)械執(zhí)行部件機(jī)械執(zhí)行部件 A A相、相、B B相相 C C相、相、 f f、n n CNCCNC 插補(bǔ)指令插補(bǔ)指令 脈沖頻率脈沖頻率f f 脈沖個(gè)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)n n 換算換算 脈沖環(huán)脈沖環(huán) 形分配形分配 變換變換 功率功率 放大放大 開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng) 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖所示，是從驅(qū)動(dòng)半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖所示，是從驅(qū)動(dòng) 裝置裝置( (常用伺服電機(jī)常用伺服電機(jī)) )或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進(jìn) 行檢測(cè)，不是直接檢測(cè)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置。行檢測(cè)

12、，不是直接檢測(cè)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置。 位置控制調(diào)位置控制調(diào) 節(jié)器節(jié)器 速度控制速度控制 調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng) 檢測(cè)與反饋單檢測(cè)與反饋單 元元 位置控制單元位置控制單元速度控制單元速度控制單元 + + + + - - - 電機(jī)電機(jī) 機(jī)械執(zhí)行部件機(jī)械執(zhí)行部件 CNCCNC插插 補(bǔ)補(bǔ) 指令指令 實(shí)際實(shí)際 位置位置 反饋反饋 實(shí)際實(shí)際 速度速度 反饋反饋 全閉環(huán)伺服系統(tǒng)全閉環(huán)伺服系統(tǒng) 全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖的虛線所示，全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖的虛線所示， 直接對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置進(jìn)行檢測(cè)。直接對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置進(jìn)行檢測(cè)。 位置控制調(diào)位置控制調(diào) 節(jié)器節(jié)器 速度控制速度控制 調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)與

13、驅(qū)動(dòng) 檢測(cè)與反饋檢測(cè)與反饋 單元單元 位置控制單元位置控制單元速度控制單元速度控制單元 + + + + - - - 電機(jī)電機(jī) 機(jī)械執(zhí)行部件機(jī)械執(zhí)行部件 CNCCNC插插 補(bǔ)補(bǔ) 指令指令 實(shí)際實(shí)際 位置位置 反饋反饋 實(shí)際實(shí)際 速度速度 反饋反饋 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 進(jìn)給伺服系統(tǒng)包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)，用進(jìn)給伺服系統(tǒng)包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)，用 于數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)或刀架坐標(biāo)的控制系統(tǒng)，控制機(jī)床于數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)或刀架坐標(biāo)的控制系統(tǒng)，控制機(jī)床 各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并提供切削過(guò)程所需轉(zhuǎn)矩。各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并提供切削過(guò)程所需轉(zhuǎn)矩。 主軸伺服系統(tǒng)只是一個(gè)速

14、度控制系統(tǒng)，控制機(jī)床主軸主軸伺服系統(tǒng)只是一個(gè)速度控制系統(tǒng)，控制機(jī)床主軸 的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為機(jī)床主軸提供驅(qū)動(dòng)功率和所需的切削的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為機(jī)床主軸提供驅(qū)動(dòng)功率和所需的切削 力，且保證任意轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。力，且保證任意轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。 直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)與直線電直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)與直線電 動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng) 直流伺服系統(tǒng)就是控制直流電機(jī)的系統(tǒng)。目前使直流伺服系統(tǒng)就是控制直流電機(jī)的系統(tǒng)。目前使 用比較多的是永磁式直流伺服電機(jī)。永磁直流伺服電用比較多的是永磁式直流伺服電機(jī)。永磁直流伺服電 機(jī)（也稱為大慣量寬調(diào)速直流伺服電機(jī)），調(diào)速范圍機(jī)（也稱為大慣量寬調(diào)速直流伺服電機(jī)），調(diào)速范圍 寬，輸出轉(zhuǎn)

15、矩大，過(guò)載能力強(qiáng)，而且電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較寬，輸出轉(zhuǎn)矩大，過(guò)載能力強(qiáng)，而且電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較 大，應(yīng)用較方便。大，應(yīng)用較方便。 但直流電機(jī)有電刷，限制了轉(zhuǎn)速的提高， 而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格也高。進(jìn)入20世紀(jì)80年代 后，由于交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)的突破，交流伺服 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入電氣傳動(dòng)調(diào)速控制的各個(gè)領(lǐng)域。 交流伺服電機(jī)，轉(zhuǎn)子慣量比直流電機(jī)小，動(dòng)態(tài) 響應(yīng)好。而且容易維修，制造簡(jiǎn)單，適合于在 較惡劣環(huán)境中使用，易于向大容量、高速度方 向發(fā)展，其性能更加優(yōu)異，已達(dá)到或超過(guò)直流 伺服系統(tǒng)，交流伺服電機(jī)已在數(shù)控機(jī)床中得到 廣泛應(yīng)用。 直線電動(dòng)機(jī)的實(shí)質(zhì)是把旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī) 沿徑向剖開，然后拉直演變而成，利用 電磁作用原理，將電能直接

16、轉(zhuǎn)換成直線 運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的一種推力裝置，是一種較為 理想的驅(qū)動(dòng)裝置。 在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，采用直線電動(dòng) 機(jī)直接驅(qū)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的最大區(qū)別是 取消了從電動(dòng)機(jī)到工作臺(tái)之間的機(jī)械傳 動(dòng)環(huán)節(jié)，把機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短 為零。正由于這種傳動(dòng)方式，帶來(lái)了旋 轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式無(wú)法達(dá)到的性能指標(biāo) 和優(yōu)點(diǎn)。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)。對(duì)應(yīng)每一個(gè)指令脈沖，步步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)。對(duì)應(yīng)每一個(gè)指令脈沖，步 進(jìn)電機(jī)就旋轉(zhuǎn)一個(gè)規(guī)定角度進(jìn)電機(jī)就旋轉(zhuǎn)一個(gè)規(guī)定角度( (步距角步距角) )。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出角位移量步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出角位移量與輸入指令脈沖數(shù)與輸入指令脈沖數(shù)K K成正比；成正比； 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n n

17、與脈沖指令脈沖與脈沖指令脈沖f f頻率成正比。頻率成正比。 第三節(jié)第三節(jié) 步進(jìn)電機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)及特性步進(jìn)電機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)及特性 在步進(jìn)電機(jī)負(fù)載 能力允許下，這 種線性關(guān)系隨著 負(fù)載變化等因素 而變化，可在較 寬范圍內(nèi)；通過(guò) 對(duì)指令脈沖頻率 和數(shù)量的控制， 控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)速 度和位置。 機(jī)理機(jī)理：步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵原理，將脈沖信號(hào)步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵原理，將脈沖信號(hào) 轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機(jī)。每來(lái)一個(gè)轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機(jī)。每來(lái)一個(gè) 電脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，帶動(dòng)機(jī)械移電脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，帶動(dòng)機(jī)械移 動(dòng)一小段距離。動(dòng)一小段距離。 特點(diǎn)特點(diǎn)：(1)(1)來(lái)一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)一個(gè)步距角

18、。來(lái)一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。 (2)(2)控制脈沖頻率，可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速?？刂泼}沖頻率，可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 (3)(3)改變脈沖順序，改變方向。改變脈沖順序，改變方向。 步進(jìn)電機(jī)的實(shí)物圖步進(jìn)電機(jī)的實(shí)物圖 種類種類： 有勵(lì)磁式和反應(yīng)式兩種。兩種的區(qū)別在于勵(lì)磁式步有勵(lì)磁式和反應(yīng)式兩種。兩種的區(qū)別在于勵(lì)磁式步 進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上有勵(lì)磁線圈，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上有勵(lì)磁線圈，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子 上沒有勵(lì)磁線圈。上沒有勵(lì)磁線圈。 應(yīng)用：應(yīng)用： 步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用廣泛。如數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)繪圖儀等步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用廣泛。如數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)繪圖儀等 設(shè)備中都得到應(yīng)用。設(shè)備中都得到應(yīng)用。 下面以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例說(shuō)明步進(jìn)

19、電機(jī)的結(jié)構(gòu)下面以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例說(shuō)明步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu) 和工作原理。和工作原理。 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 步進(jìn)電機(jī)主要由兩部分構(gòu)成：定子和轉(zhuǎn)子。它們均步進(jìn)電機(jī)主要由兩部分構(gòu)成：定子和轉(zhuǎn)子。它們均 由磁性材料構(gòu)成，其上分別有六個(gè)、四個(gè)磁極由磁性材料構(gòu)成，其上分別有六個(gè)、四個(gè)磁極 。 定子定子 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 定子繞組定子繞組 定子上有繞組分為若干相，每相磁極上有極齒。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：左圖為三相定子：AA,BB,CCAA,BB,CC A A、B B、C C三相每相兩極，三相每相兩極， 每極上五個(gè)齒每極上五個(gè)齒 定子定子 五個(gè)極齒五個(gè)極齒 定子的六個(gè)磁極上有控制繞組，兩個(gè)相對(duì)的

20、磁極定子的六個(gè)磁極上有控制繞組，兩個(gè)相對(duì)的磁極 組成一相。組成一相。 注意：注意：這里的相和三相交流電中的這里的相和三相交流電中的“相相”的概念的概念 不同。步進(jìn)電機(jī)通的是直流電脈沖，這主要是指線不同。步進(jìn)電機(jī)通的是直流電脈沖，這主要是指線 圖的聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。圖的聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。 A A B B C C 定子定子 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 I IA A I IB B I IC C 定子上線圈的繞法定子上線圈的繞法 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子上有均勻分布的轉(zhuǎn)子上有均勻分布的 齒，沒有繞組。齒，沒有繞組。 轉(zhuǎn)子齒間夾角為轉(zhuǎn)子齒間夾角為9 9o o 后面以四十齒為例來(lái)后面以四十齒為例來(lái) 說(shuō)明步進(jìn)電機(jī)的原理說(shuō)明步進(jìn)電機(jī)的原

21、理 工作方式工作方式 步進(jìn)電機(jī)的工作方式可分為：步進(jìn)電機(jī)的工作方式可分為：三相單三拍、三相三相單三拍、三相 單雙六拍、三相雙三拍等。單雙六拍、三相雙三拍等。 （一）、三相單三拍（一）、三相單三拍 （1 1）三相繞組聯(lián)接方式：）三相繞組聯(lián)接方式：Y Y 型型 （2 2）三相繞組中的通電順序?yàn)椋海┤嗬@組中的通電順序?yàn)椋?A A 相相 B B 相相 C C 相相 通電順序也可以為：通電順序也可以為： A A 相相 C C 相相 B B 相相 （3 3）工作過(guò)程）工作過(guò)程 吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的位置力圖使通電相磁路的吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的位置力圖使通電相磁路的 磁阻最小，使轉(zhuǎn)、定子的齒對(duì)齊停止轉(zhuǎn)動(dòng)。磁阻最小

22、，使轉(zhuǎn)、定子的齒對(duì)齊停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 A A 相通電，相通電，A A 方向的磁通方向的磁通 經(jīng)轉(zhuǎn)子形成閉合回路。若經(jīng)轉(zhuǎn)子形成閉合回路。若 轉(zhuǎn)子和磁場(chǎng)軸線方向原有轉(zhuǎn)子和磁場(chǎng)軸線方向原有 一定角度，則在磁場(chǎng)的作一定角度，則在磁場(chǎng)的作 用下，轉(zhuǎn)子被磁化，用下，轉(zhuǎn)子被磁化， A A 相通電使轉(zhuǎn)子相通電使轉(zhuǎn)子1 1、3 3齒和齒和 AA AA 對(duì)齊對(duì)齊。 C C AA B B BBCC A A 3 3 4 4 1 1 2 2 C C AA B B BBCC A A 3 3 4 4 1 1 2 2 同理，同理，B B相通電，轉(zhuǎn)子相通電，轉(zhuǎn)子2 2、4 4齒和齒和B B相軸線對(duì)齊，相相軸線對(duì)齊，相 對(duì)對(duì)A A相通

23、電位置轉(zhuǎn)相通電位置轉(zhuǎn)3030 ；C C相通電再轉(zhuǎn)相通電再轉(zhuǎn)3030 。 1 1 CC 3 3 4 42 2 C C AA B B BB A A 這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電， 而且，一個(gè)循環(huán)周期共包括三個(gè)脈沖，所以稱三相而且，一個(gè)循環(huán)周期共包括三個(gè)脈沖，所以稱三相 單三拍。單三拍。 三相單三拍的特點(diǎn)：三相單三拍的特點(diǎn)： （1 1）每來(lái)一個(gè)電脈沖，）每來(lái)一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò) 3030 。此角稱為。此角稱為 步距角，用步距角，用 S S表示。表示。 （2 2）轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序，）轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電

24、的順序， 改變通電順序即可改變轉(zhuǎn)向。改變通電順序即可改變轉(zhuǎn)向。 （二）、三相單雙六拍（二）、三相單雙六拍 三相繞組的通電順序?yàn)椋喝嗬@組的通電順序?yàn)椋?A AABABB BBCBCC CCACAA A 共六拍。共六拍。 工作過(guò)程：工作過(guò)程： A A 相通電，相通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子1 1、3 3齒和齒和A A相對(duì)齊。相對(duì)齊。 C C AA B B BBCC A A 3 3 4 4 1 1 2 2 所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。相對(duì)所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。相對(duì)AA AA 通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了1515。 （1 1）BB BB 磁場(chǎng)對(duì)磁場(chǎng)對(duì) 2 2、4 4 齒有磁拉力，該拉力齒有磁拉力

25、，該拉力 使轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。使轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 A A、B B 相同時(shí)通電相同時(shí)通電 （2 2）AA AA 磁場(chǎng)繼續(xù)對(duì)磁場(chǎng)繼續(xù)對(duì)1 1、3 3齒有拉力。齒有拉力。 C C AA B B BBCC A A 3 3 4 4 1 1 2 2 總之，每個(gè)循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，所以稱總之，每個(gè)循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，所以稱 為三相六拍，步距角為為三相六拍，步距角為1515 。 C C AA B B BBCC A A 3 3 4 4 1 1 2 2 B B 相通電，相通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子2 2、4 4齒和齒和B B相對(duì)齊，又轉(zhuǎn)了相對(duì)齊，又轉(zhuǎn)了1515 。 （三）、三相雙三拍（三）、三相雙三拍 三相

26、繞組的通電順序?yàn)椋喝嗬@組的通電順序?yàn)椋?ABAB BCBC CACA ABAB 共三拍。共三拍。 AB AB 通電通電 C C AA B B BBCC A A 3 3 4 4 1 1 2 2 C C AA B B BBCC A A 3 3 4 4 1 1 2 2 BC BC 通電通電 以上三種工作方式，三相雙三拍和三相單雙以上三種工作方式，三相雙三拍和三相單雙 六拍較三相單三拍穩(wěn)定，因此較常采用。六拍較三相單三拍穩(wěn)定，因此較常采用。 工作方式為三相雙三工作方式為三相雙三 拍時(shí)，每通入一個(gè)電拍時(shí)，每通入一個(gè)電 脈沖，轉(zhuǎn)子也是轉(zhuǎn)脈沖，轉(zhuǎn)子也是轉(zhuǎn) 3030 ，即，即 S S = 30 = 30 。

27、 CACA通電通電 C C AA B B BBCC A A 3 3 4 4 1 1 2 2 小步距角的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)小步距角的步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 實(shí)際采用的步進(jìn)電機(jī)的步距角多為實(shí)際采用的步進(jìn)電機(jī)的步距角多為3 3度和度和1.51.5 度，步距角越小，機(jī)加工的精度越高。度，步距角越小，機(jī)加工的精度越高。 為產(chǎn)生小步距角，定、轉(zhuǎn)子都做成多齒的，為產(chǎn)生小步距角，定、轉(zhuǎn)子都做成多齒的， 圖中轉(zhuǎn)子圖中轉(zhuǎn)子4040個(gè)齒，定子仍是個(gè)齒，定子仍是 6 6個(gè)磁極，但每個(gè)磁個(gè)磁極，但每個(gè)磁 極上也有五個(gè)齒。極上也有五個(gè)齒。 轉(zhuǎn)子的齒距轉(zhuǎn)子的齒距等于等于360360 / 40=9/ 40=9 ，齒寬、齒槽各，齒寬、齒槽各4.5

28、4.5 。 為使轉(zhuǎn)、定子的齒對(duì)齊，定子磁極上的小齒，為使轉(zhuǎn)、定子的齒對(duì)齊，定子磁極上的小齒， 齒寬和齒槽和轉(zhuǎn)子相同。齒寬和齒槽和轉(zhuǎn)子相同。 結(jié)論： 1.1.步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的轉(zhuǎn)子步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的轉(zhuǎn)子 便轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)確定的角度便轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)確定的角度即步進(jìn)電機(jī)的步距角即步進(jìn)電機(jī)的步距角； 2.2.改變步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向改變步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向 將隨之改變；將隨之改變； 3.3.步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)的變換頻率越高，轉(zhuǎn)子的步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)的變換頻率越高，轉(zhuǎn)子的 轉(zhuǎn)速越高；轉(zhuǎn)速越高； 4.4.步進(jìn)電機(jī)的

29、步距角步進(jìn)電機(jī)的步距角與定子繞組的相數(shù)與定子繞組的相數(shù)m m，轉(zhuǎn)子的齒，轉(zhuǎn)子的齒 數(shù)數(shù)z z，通電方式，通電方式K K有關(guān)，由如下關(guān)系：有關(guān)，由如下關(guān)系： 式中，三相三拍時(shí)（式中，三相三拍時(shí)（m m相相m m拍）時(shí)：拍）時(shí)：K K1 1； 三相六拍（三相六拍（m m相相2m2m拍）時(shí)：拍）時(shí)：K K2 2。 )( 360 0 mzK 如右圖所示步進(jìn)電機(jī)，若轉(zhuǎn)子齒數(shù)如右圖所示步進(jìn)電機(jī)，若轉(zhuǎn)子齒數(shù)z z4040， 以三相三拍通電時(shí)，步距角為以三相三拍通電時(shí)，步距角為 圖圖4 432 32 反應(yīng)式三相步進(jìn)電機(jī)工作原理圖反應(yīng)式三相步進(jìn)電機(jī)工作原理圖 0 3 1403 360360 mzK 相 數(shù) 分配

30、方式 名稱 狀 態(tài) 數(shù) K步距角 3 3 3 4 4 4 4 5 5 5 5 ： m m AB C AB B C C A AAB B B C C CA AB C D AB B C C DDA AAB B B C C C DDDA AB AB C BC B C DC DC DADADAB AB C DE AB B C C DDE E A AB B B C C C DDDE E E AA ABABCBCBCDCDCDE DE DEAEA E AB 三相單三狀態(tài) 三相雙三狀態(tài) 三相六狀態(tài) 四相單四狀態(tài) 四相雙四狀態(tài) 四相八狀態(tài) 四相八狀態(tài) 五相單五狀態(tài) 五相雙五狀態(tài) 五相十狀態(tài) 五相十狀態(tài) ： ：

31、m相m狀態(tài) m相2 m狀態(tài) 3 3 6 4 4 8 8 5 5 1 0 1 0 m 2 m 1 1 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 2 3 6 0 0/ 3 z 3 6 0 0/ 3 z 3 6 0 0/ 6 z 3 6 0 0/ 4 z 3 6 0 0/ 4 z 3 6 0 0/ 8 z 3 6 0 0/ 8 z 3 6 0 0/ 5 z 3 6 0 0/ 5 z 3 6 0 0/ 1 0 z 3 6 0 0/ 1 0 z 3 6 0 0/ m z 3 6 0 0/ 2 m z 以三相六拍通電時(shí)，以三相六拍通電時(shí)， 步距角為步距角為 各種步進(jìn)電機(jī)的不同分配方式及相應(yīng)的步距角各種步進(jìn)電

32、機(jī)的不同分配方式及相應(yīng)的步距角 is 0 360 步距角是兩個(gè)相臨脈沖時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度。一般步距角是兩個(gè)相臨脈沖時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度。一般 來(lái)說(shuō)步距角越小來(lái)說(shuō)步距角越小, ,控制越精確。同一相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)可控制越精確。同一相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)可 有兩種步距角。有兩種步距角。 通常為通常為1.2/0.61.2/0.6、1.5/0.751.5/0.75、1.8/0.91.8/0.9、3/1.53/1.5度等。度等。 步距誤差直接影響執(zhí)行部件的定位精度步距誤差直接影響執(zhí)行部件的定位精度. .步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單 相通電時(shí)相通電時(shí), ,步距誤差取決于定子和轉(zhuǎn)子的分齒精度步距誤差取決于定子和轉(zhuǎn)子的分齒

33、精度, ,和和 各相定子錯(cuò)位角度的精度。各相定子錯(cuò)位角度的精度。 二、步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo)二、步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo) 1.1. 步距角和步距誤差步距角和步距誤差 步距誤差是指步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子每一步實(shí)際轉(zhuǎn)步距誤差是指步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子每一步實(shí)際轉(zhuǎn) 過(guò)的角度與理論步距角之差值。連續(xù)走若干步時(shí)，上過(guò)的角度與理論步距角之差值。連續(xù)走若干步時(shí)，上 述步距誤差的累積值稱為步距的累積誤差。由于步進(jìn)述步距誤差的累積值稱為步距的累積誤差。由于步進(jìn) 電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一轉(zhuǎn)后，將重復(fù)上一轉(zhuǎn)的穩(wěn)定位置，步進(jìn)電電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一轉(zhuǎn)后，將重復(fù)上一轉(zhuǎn)的穩(wěn)定位置，步進(jìn)電 機(jī)的步距累積誤差將以一轉(zhuǎn)為周期重復(fù)出現(xiàn)。機(jī)的步距累積誤差將以一轉(zhuǎn)

34、為周期重復(fù)出現(xiàn)。 2. 2. 靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與矩角特性靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與矩角特性 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)上某相定子繞組通電之后，轉(zhuǎn)當(dāng)步進(jìn)電機(jī)上某相定子繞組通電之后，轉(zhuǎn) 子齒力求與定子齒對(duì)齊，使磁路中磁阻最小，子齒力求與定子齒對(duì)齊，使磁路中磁阻最小， 轉(zhuǎn)子處在平衡位置不動(dòng)（轉(zhuǎn)子處在平衡位置不動(dòng)（0 0）。）。 如在電機(jī)軸上外加一負(fù)載轉(zhuǎn)矩如在電機(jī)軸上外加一負(fù)載轉(zhuǎn)矩M Mz z，轉(zhuǎn)子會(huì)，轉(zhuǎn)子會(huì) 偏離平衡位置向負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度偏離平衡位置向負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度， 稱為失調(diào)角。稱為失調(diào)角。有失調(diào)角之后，步進(jìn)電機(jī)就產(chǎn)生有失調(diào)角之后，步進(jìn)電機(jī)就產(chǎn)生 一個(gè)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，這時(shí)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。一個(gè)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，這時(shí)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩等于負(fù)

35、載轉(zhuǎn)矩。 靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系叫矩角特性，如圖的關(guān)系叫矩角特性，如圖 5-35-3，近似為正弦曲線。近似為正弦曲線。該矩角特性上的靜態(tài)該矩角特性上的靜態(tài) 轉(zhuǎn)矩最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩MjmaxMjmax。在靜態(tài)穩(wěn)。在靜態(tài)穩(wěn) 定區(qū)內(nèi)，定區(qū)內(nèi)，當(dāng)外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩除去時(shí)，轉(zhuǎn)子在電磁當(dāng)外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩除去時(shí)，轉(zhuǎn)子在電磁 轉(zhuǎn)矩作用下，仍能回到穩(wěn)定平衡點(diǎn)位置（轉(zhuǎn)矩作用下，仍能回到穩(wěn)定平衡點(diǎn)位置（ 0 0）。）。 圖5-3 靜態(tài)矩角特性 O Mjmax M 靜態(tài)穩(wěn)定區(qū) - -/2 /2 3.3.最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 圖圖5-45-4為三相單三拍矩角特性曲線，圖中為三相單三拍

36、矩角特性曲線，圖中 的的A A、B B分別是相鄰分別是相鄰A A相和相和B B相的靜態(tài)矩角特性曲相的靜態(tài)矩角特性曲 線，線，它們的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩是步進(jìn)電機(jī)的最它們的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩是步進(jìn)電機(jī)的最 大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。如果外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于，電機(jī)就。如果外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于，電機(jī)就 不能啟動(dòng)。如圖不能啟動(dòng)。如圖5-45-4所示所示, ,當(dāng)當(dāng)A A相通電時(shí)，若外相通電時(shí)，若外 加負(fù)載轉(zhuǎn)矩，對(duì)應(yīng)的失調(diào)角為，當(dāng)勵(lì)磁電流由加負(fù)載轉(zhuǎn)矩，對(duì)應(yīng)的失調(diào)角為，當(dāng)勵(lì)磁電流由 A A相切換到相切換到B B相時(shí)，對(duì)應(yīng)角，相時(shí)，對(duì)應(yīng)角，B B相的靜轉(zhuǎn)矩為。相的靜轉(zhuǎn)矩為。 從圖中看出從圖中看出, ,電機(jī)不能帶動(dòng)負(fù)載做步進(jìn)運(yùn)動(dòng)

37、，電機(jī)不能帶動(dòng)負(fù)載做步進(jìn)運(yùn)動(dòng)， 因而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩是電機(jī)能帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)的極限轉(zhuǎn)因而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩是電機(jī)能帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)的極限轉(zhuǎn) 矩。矩。 a b A B C 圖5-4 步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 4. 4. 啟動(dòng)頻率啟動(dòng)頻率 空載時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)突然起動(dòng)，空載時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)突然起動(dòng)， 并進(jìn)入不失步的正常運(yùn)行的最高頻率，稱為并進(jìn)入不失步的正常運(yùn)行的最高頻率，稱為啟啟 動(dòng)頻率或突跳頻率動(dòng)頻率或突跳頻率， 加給步進(jìn)電機(jī)的指令脈沖頻率如大于啟動(dòng)加給步進(jìn)電機(jī)的指令脈沖頻率如大于啟動(dòng) 頻率，就不能正常工作。步進(jìn)電機(jī)在帶負(fù)載下頻率，就不能正常工作。步進(jìn)電機(jī)在帶負(fù)載下 的啟動(dòng)頻率比空載要低。而且，隨著負(fù)載加大的啟動(dòng)頻

38、率比空載要低。而且，隨著負(fù)載加大 啟動(dòng)頻率會(huì)進(jìn)一步降低。啟動(dòng)頻率會(huì)進(jìn)一步降低。 5. 5. 連續(xù)運(yùn)行頻率連續(xù)運(yùn)行頻率 步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)后，其運(yùn)行速度能根據(jù)指令步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)后，其運(yùn)行速度能根據(jù)指令 脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率，脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率， 稱為連續(xù)運(yùn)行頻率。其值遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率，它稱為連續(xù)運(yùn)行頻率。其值遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率，它 也隨著電機(jī)所帶負(fù)載的性質(zhì)和大小而異，與驅(qū)也隨著電機(jī)所帶負(fù)載的性質(zhì)和大小而異，與驅(qū) 動(dòng)電源也有很大關(guān)系。動(dòng)電源也有很大關(guān)系。 6. 6. 矩頻特性與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩矩頻特性與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩 矩頻特性是描述步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)矩頻特性是描述步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行

39、時(shí) 輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系（見下輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系（見下 圖），圖），該特性上每一個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為動(dòng)該特性上每一個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為動(dòng) 態(tài)轉(zhuǎn)矩。態(tài)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，若輸入脈沖當(dāng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，若輸入脈沖 頻率逐漸增加，則電動(dòng)機(jī)所能帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩將頻率逐漸增加，則電動(dòng)機(jī)所能帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩將 逐漸下降。在使用時(shí)，一定要考慮動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩隨逐漸下降。在使用時(shí)，一定要考慮動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩隨 連續(xù)運(yùn)行頻率的上升而下降的特點(diǎn)。連續(xù)運(yùn)行頻率的上升而下降的特點(diǎn)。 M M 矩頻特性矩頻特性 f f 典型進(jìn)給伺服系統(tǒng)典型進(jìn)給伺服系統(tǒng)( (位置控制位置控制) ) 一. 開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)開環(huán)進(jìn)

40、給伺服系統(tǒng)(Open-Loop System)(Open-Loop System) q 不帶位置測(cè)量反饋裝置的系統(tǒng)；不帶位置測(cè)量反饋裝置的系統(tǒng)； q 驅(qū)動(dòng)電機(jī)只能用步進(jìn)電機(jī)；驅(qū)動(dòng)電機(jī)只能用步進(jìn)電機(jī)； q 主要用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控或普通機(jī)床的數(shù)控化改造主要用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控或普通機(jī)床的數(shù)控化改造 A相、B 相 C相、 A相、B相 C相、 f、n CNC 插補(bǔ)指令 脈沖頻率f 脈沖個(gè)數(shù)n 換算 脈沖環(huán) 形分配 變換 功率 放大 步進(jìn) 電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要解決的主要問(wèn)題：步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要解決的主要問(wèn)題： 動(dòng)力計(jì)算動(dòng)力計(jì)算 、傳動(dòng)計(jì)算、傳動(dòng)計(jì)算、 驅(qū)動(dòng)電路

41、設(shè)計(jì)或選擇驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)或選擇 目的：傳動(dòng)計(jì)算選擇合適的參數(shù)以滿足脈沖當(dāng)量目的：傳動(dòng)計(jì)算選擇合適的參數(shù)以滿足脈沖當(dāng)量 和進(jìn)和進(jìn) 給速度給速度F F的要求。的要求。 圖中：圖中：f f 脈沖頻率（脈沖頻率（H HZ Z ） 步距角步距角 （度）（度） Z Z1 1、Z Z2 2 傳動(dòng)齒輪齒數(shù)傳動(dòng)齒輪齒數(shù) t t 螺距螺距( (mmmm) ) 脈沖當(dāng)量（脈沖當(dāng)量（mmmm） 步進(jìn)電機(jī) Z1 Z2 t f， 脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量是指數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)指令脈沖，工作臺(tái)所移動(dòng)的距離。是指數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)指令脈沖，工作臺(tái)所移動(dòng)的距離。 它決定了數(shù)控機(jī)床的加工精度和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最高工作頻率。它決定了數(shù)控機(jī)床的加工精度

42、和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最高工作頻率。 1 1傳動(dòng)計(jì)算傳動(dòng)計(jì)算 如下圖所示的直線進(jìn)給系統(tǒng)，進(jìn)給系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量為如下圖所示的直線進(jìn)給系統(tǒng)，進(jìn)給系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量為 (mm)(mm)，步進(jìn)電機(jī)的步距角為，步進(jìn)電機(jī)的步距角為，齒輪傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)比為，齒輪傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)比為 i i，滾珠絲杠的導(dǎo)程為，滾珠絲杠的導(dǎo)程為t(mm)t(mm)，它們之間的關(guān)系如下：，它們之間的關(guān)系如下： s i 0 360 則有則有 對(duì)于圖(b)所示的圓周進(jìn)給系統(tǒng)(如數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)等)，設(shè)脈 沖當(dāng)量為0，蝸桿為Zk頭，蝸輪為Zw齒，則有 0 2 1 w k z z z z 步進(jìn)電機(jī)開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量一般取為步進(jìn)電機(jī)開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量一般取為0

43、.01mm0.01mm或或 0.0010.0010 0，也有選用，也有選用0.005-0.002mm0.005-0.002mm或者或者0.0050.0050 0-0.002-0.0020 0，這時(shí)，這時(shí) 脈沖位移的分辨率和精度較高，但是由于進(jìn)給速度脈沖位移的分辨率和精度較高，但是由于進(jìn)給速度 v=60fmm/min v=60fmm/min 或或60f(60f(0 0)/min, )/min, 在同樣的最高工作在同樣的最高工作 頻率頻率f f時(shí)時(shí)越小則最大進(jìn)給速度之值也越小。越小則最大進(jìn)給速度之值也越小。 步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)使用齒輪傳動(dòng)，不僅是為了求得必步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)使用齒輪傳動(dòng)，不僅是為了

44、求得必 需的脈沖當(dāng)量，而且還有滿足結(jié)構(gòu)要求和增大轉(zhuǎn)矩作用。需的脈沖當(dāng)量，而且還有滿足結(jié)構(gòu)要求和增大轉(zhuǎn)矩作用。 2 2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇 總體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)工件加工精度及表面粗糙度、工總體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)工件加工精度及表面粗糙度、工 件尺寸，最高和最低運(yùn)行速度等要求，初步確定機(jī)械傳動(dòng)件尺寸，最高和最低運(yùn)行速度等要求，初步確定機(jī)械傳動(dòng) 系統(tǒng)的參數(shù)，如滾珠絲杠的尺寸及螺距系統(tǒng)的參數(shù)，如滾珠絲杠的尺寸及螺距S(mm)S(mm)；電機(jī)與絲杠；電機(jī)與絲杠 聯(lián)接的減速箱的傳動(dòng)比聯(lián)接的減速箱的傳動(dòng)比i i。 (1) (1) 步距角選擇及脈沖當(dāng)量的設(shè)定步距角選擇及脈沖當(dāng)量的設(shè)定 步距角選擇及脈沖當(dāng)

45、步距角選擇及脈沖當(dāng) 量設(shè)定的原則已如前述。量設(shè)定的原則已如前述。 (2)(2)負(fù)載力矩計(jì)算及最大靜轉(zhuǎn)矩的選擇負(fù)載力矩計(jì)算及最大靜轉(zhuǎn)矩的選擇 負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算，考負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算，考 慮伺服系統(tǒng)等因素的影響，并留有一定裕度慮伺服系統(tǒng)等因素的影響，并留有一定裕度 (3)(3)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量估算負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量估算 依照機(jī)床要求的起動(dòng)頻率，參照電依照機(jī)床要求的起動(dòng)頻率，參照電 機(jī)的起動(dòng)慣頻特性、并留有一定裕度，以滿足伺服系統(tǒng)的機(jī)的起動(dòng)慣頻特性、并留有一定裕度，以滿足伺服系統(tǒng)的 快速響應(yīng)及最高運(yùn)行速度要求?？焖夙憫?yīng)及最高運(yùn)行速度要求。 第四節(jié)第四節(jié) 伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī) 直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)等。直流伺服電

46、動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)等。 2 2、伺服電動(dòng)機(jī)分類、伺服電動(dòng)機(jī)分類： 伺服電動(dòng)機(jī)的作用是驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。被控對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的作用是驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。被控對(duì) 象的轉(zhuǎn)距和轉(zhuǎn)速受信號(hào)電壓控制，信號(hào)電壓的大象的轉(zhuǎn)距和轉(zhuǎn)速受信號(hào)電壓控制，信號(hào)電壓的大 小和極性改變時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和方向也跟小和極性改變時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和方向也跟 著變化著變化。 1 1、伺服電動(dòng)機(jī)的作用、伺服電動(dòng)機(jī)的作用 一一 直流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 直流電機(jī)的工作原理是建立在電磁力定律基礎(chǔ)上的，電磁力的大直流電機(jī)的工作原理是建立在電磁力定律基礎(chǔ)上的，電磁力的大 小正比于電機(jī)中的氣隙磁場(chǎng)，直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組所建立的磁場(chǎng)是小正比

47、于電機(jī)中的氣隙磁場(chǎng)，直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組所建立的磁場(chǎng)是 電機(jī)的主磁場(chǎng)，按對(duì)勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁方式不同，直流電機(jī)可分為：電機(jī)的主磁場(chǎng)，按對(duì)勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁方式不同，直流電機(jī)可分為： 他激式、并激式、串激式、復(fù)激式、永磁式。他激式、并激式、串激式、復(fù)激式、永磁式。2020世紀(jì)世紀(jì)80-9080-90年代中年代中 期，永磁式直流伺服電機(jī)在期，永磁式直流伺服電機(jī)在NCNC機(jī)床中廣泛采用。機(jī)床中廣泛采用。 功率步進(jìn)電機(jī)用作開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)裝置。由它組功率步進(jìn)電機(jī)用作開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)裝置。由它組 成的開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)，性能不能滿足使用要求，而且它的性成的開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)，性能不能滿足使用要求，而且它的性 能的

48、提高也受到了很大的限制。因此，從能的提高也受到了很大的限制。因此，從2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代初年代初 期出現(xiàn)了小慣量直流伺服電機(jī)，期出現(xiàn)了小慣量直流伺服電機(jī)，7070年代初出現(xiàn)了大慣量直年代初出現(xiàn)了大慣量直 流伺服電機(jī)（又稱寬調(diào)速電機(jī)）。目前許多數(shù)控機(jī)床均采流伺服電機(jī)（又稱寬調(diào)速電機(jī)）。目前許多數(shù)控機(jī)床均采 用了大慣量直流伺服電機(jī)組成的閉環(huán)或半閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)用了大慣量直流伺服電機(jī)組成的閉環(huán)或半閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng) 直流伺服電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)直流伺服電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng) 直流伺服電動(dòng)機(jī)與一般直流電機(jī)的基本原理是完全直流伺服電動(dòng)機(jī)與一般直流電機(jī)的基本原理是完全 相同的，所示轉(zhuǎn)子上的載流導(dǎo)體（即電樞繞組）在定子相同

49、的，所示轉(zhuǎn)子上的載流導(dǎo)體（即電樞繞組）在定子 磁場(chǎng)中，受到電磁轉(zhuǎn)距磁場(chǎng)中，受到電磁轉(zhuǎn)距M M的作用，使電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。的作用，使電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。 直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速： 1.1.改變電樞電阻改變電樞電阻U;U; 2.2.改變磁通量改變磁通量; ;改變激磁回路的電阻改變激磁回路的電阻R RJ J以改變激磁電流以改變激磁電流I Ij, j, 可以達(dá)到改變磁通的目的可以達(dá)到改變磁通的目的; ; 3.3.在電樞回路串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻在電樞回路串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻; ; 4.4.在激磁回路串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻在激磁回路串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻. . 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：與直流電動(dòng)機(jī)基本相同。為減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量做與直流電動(dòng)機(jī)基本相同。

50、為減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量做 得細(xì)長(zhǎng)一些。得細(xì)長(zhǎng)一些。 工作原理：工作原理：與直流電動(dòng)機(jī)相同。與直流電動(dòng)機(jī)相同。 供電方式：供電方式：他勵(lì)。勵(lì)磁繞組和電樞他勵(lì)。勵(lì)磁繞組和電樞( (繞組繞組) )由兩個(gè)由兩個(gè) 獨(dú)立電源供電：獨(dú)立電源供電： M M U U1 1 I If f I Ia a U U2 2 放放 大大 器器 U U U U1 1為勵(lì)磁電壓，為勵(lì)磁電壓，U U2 2為電樞電壓。為電樞電壓。 由機(jī)械特性可知：由機(jī)械特性可知： (1)(1)勵(lì)磁電壓勵(lì)磁電壓U U1 1（即磁通（即磁通 ）不變時(shí)，一定的負(fù)載下，電樞電壓）不變時(shí)，一定的負(fù)載下，電樞電壓U U2 2 , ,n n 。 (2)(2)電樞電壓電

51、樞電壓U U2 2=0=0時(shí)，電機(jī)立即停轉(zhuǎn)。時(shí)，電機(jī)立即停轉(zhuǎn)。 反轉(zhuǎn)：反轉(zhuǎn)：電樞電壓的極性改變，電機(jī)反轉(zhuǎn)。電樞電壓的極性改變，電機(jī)反轉(zhuǎn)。 直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性 公式與他勵(lì)直流電機(jī)一樣：公式與他勵(lì)直流電機(jī)一樣： T KK R K U n TE a E 2 2 機(jī)械特性曲線機(jī)械特性曲線 U U2 2 0.8U0.8U2 2 0.6U0.6U2 2 0.4U0.4U2 2 n n T T 直流伺服電機(jī)的特性較交流伺服直流伺服電機(jī)的特性較交流伺服 電機(jī)硬。經(jīng)常用在功率稍大的系統(tǒng)中，電機(jī)硬。經(jīng)常用在功率稍大的系統(tǒng)中， 它的輸出功率一般為它的輸出功率一般為1-600W1-600W。

52、其用途。其用途 很多，如隨動(dòng)系統(tǒng)中的位置控制等。很多，如隨動(dòng)系統(tǒng)中的位置控制等。 應(yīng)用：應(yīng)用： 直流伺服電機(jī)的特點(diǎn) 過(guò)載倍數(shù)大，時(shí)間長(zhǎng)； 具有大的轉(zhuǎn)矩/慣量比，電機(jī)的加速大，響應(yīng)快。 低速轉(zhuǎn)矩大，慣量大，可與絲桿直接相聯(lián)，省去了齒輪等 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。可提高了機(jī)床的加工精度。 調(diào)速范圍大，與高性能的速度控制單元組成速度控制系統(tǒng) 時(shí)，調(diào)速范圍超過(guò)12000。 帶有高精度的檢測(cè)元件(包括速度和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)元件)； 電機(jī)允許溫度可達(dá)150180，由于轉(zhuǎn)子溫度高，它 可通過(guò)軸傳到機(jī)械上去，這會(huì)影響機(jī)床的精度 由于轉(zhuǎn)子慣性較大，因此電源裝置的容量以及機(jī)械傳動(dòng)件 等的剛度都需相應(yīng)增加。 電刷、維護(hù)不便 二、交流

53、伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)二、交流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 由于直流伺服電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能，由于直流伺服電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能， 8080年代初至年代初至9090年代中，在要求調(diào)速性能較高的年代中，在要求調(diào)速性能較高的 場(chǎng)合，直流伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用一直占據(jù)場(chǎng)合，直流伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用一直占據(jù) 主導(dǎo)地位。但其卻存在一些固有的缺點(diǎn)，即：主導(dǎo)地位。但其卻存在一些固有的缺點(diǎn)，即： 電刷和換向器易磨損，維護(hù)麻煩電刷和換向器易磨損，維護(hù)麻煩 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高 而交流伺服電機(jī)則沒有上述缺點(diǎn)。特別是而交流伺服電機(jī)則沒有上述缺點(diǎn)。特別是 在同樣體積下，交流伺服電機(jī)的輸出功率比直在同樣體

54、積下，交流伺服電機(jī)的輸出功率比直 流電機(jī)提高流電機(jī)提高10%10%70%70%，且可達(dá)到的轉(zhuǎn)速比直流，且可達(dá)到的轉(zhuǎn)速比直流 電機(jī)高。因此，人們一直在尋求交流電機(jī)調(diào)速電機(jī)高。因此，人們一直在尋求交流電機(jī)調(diào)速 方案來(lái)取代直流電機(jī)調(diào)速的方案。方案來(lái)取代直流電機(jī)調(diào)速的方案。 在交流伺服系統(tǒng)中，按電機(jī)種類可分在交流伺服系統(tǒng)中，按電機(jī)種類可分 為同步型和異步型（感應(yīng)電機(jī)）兩種。為同步型和異步型（感應(yīng)電機(jī)）兩種。 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中多采用永磁數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中多采用永磁 式同步電機(jī)，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由供電式同步電機(jī)，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由供電 頻率所決定的，即在電源電壓和頻率固頻率所決定的，即在電源電壓

55、和頻率固 定不變時(shí)，其轉(zhuǎn)速穩(wěn)定不變。由變頻電定不變時(shí)，其轉(zhuǎn)速穩(wěn)定不變。由變頻電 源供電給同步電機(jī)時(shí)，能方便地獲得與源供電給同步電機(jī)時(shí)，能方便地獲得與 頻率成正比的可變速度，可以得到非常頻率成正比的可變速度，可以得到非常 硬的機(jī)械特性及寬的調(diào)速范圍。硬的機(jī)械特性及寬的調(diào)速范圍。 交流伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī) 原理原理與兩相交流異步電機(jī)相同，定子上裝有兩與兩相交流異步電機(jī)相同，定子上裝有兩 個(gè)繞組個(gè)繞組 勵(lì)磁繞組和控制繞組。勵(lì)磁繞組和控制繞組。 勵(lì)磁繞組和控制繞組在空間相隔勵(lì)磁繞組和控制繞組在空間相隔9090 。 控制繞組控制繞組 勵(lì)磁繞組勵(lì)磁繞組 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 勵(lì)磁繞組中串聯(lián)電容勵(lì)磁繞組中串聯(lián)電容C C 的目的是為了產(chǎn)生兩相旋的目的是為了產(chǎn)生兩相旋 轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 接線：接線： 勵(lì)磁繞組的接線勵(lì)磁繞組的接線 放放 大大 器器 控制繞組的接線控制繞組的接線 檢檢 測(cè)測(cè) 元元 件件 控制信號(hào)控制信號(hào) U I1 U1 U Uc U2 I2 適