連接與調(diào)試進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

1、模塊二 連接與調(diào)試進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)課題一 連接與調(diào)試步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)知識(shí)點(diǎn)：·步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類及主要特性·步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路及控制方式技能點(diǎn)：·看懂電氣控制原理圖，根據(jù)電氣控制原理圖能進(jìn)行步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、數(shù)控系統(tǒng)的線路連接及調(diào)試。一、任務(wù)引入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)器與hnc-21數(shù)控系統(tǒng)的連接電氣原理如圖21所示。試根據(jù)此原理圖，將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（57hsl3型）、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器（m535型）與數(shù)控系統(tǒng)（hnc-21tf）連接起來，并進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行。圖2-1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)器與hnc-21數(shù)控系統(tǒng)的連接二、任務(wù)分析 分析圖2-1所示的原理圖可知，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是通過步進(jìn)電動(dòng)

2、機(jī)驅(qū)動(dòng)器與數(shù)控系統(tǒng)連接起來的。那么什么是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)呢？它能實(shí)現(xiàn)哪些功能？步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的連接方法是什么？下面我們就先對(duì)這些問題進(jìn)行講解。三、相關(guān)知識(shí)1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功能步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種能將數(shù)字脈沖輸入轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)增量運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)脈沖，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)步距角增量，因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能很方便地將電脈沖轉(zhuǎn)換為角位移，具有定位精度好、無漂移和無積累定位誤差的優(yōu)點(diǎn)。它還能跟蹤一定頻率范圍的脈沖列，作為同步電動(dòng)機(jī)使用，廣泛地應(yīng)用于各種小型自動(dòng)化設(shè)備及儀器中。2.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的連接步進(jìn)電機(jī)與數(shù)控裝置是通過步進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置連接起來的。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置與華中hnc-21（脈沖型或全功能型）世紀(jì)星數(shù)控裝

3、置是通過xs30xs33脈沖接口控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，最多可控制4 個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置。華中hnc-21連接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的總體框圖如圖2-2所示。圖2-2 華中hnc-21采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的總體框圖圖2-3 華中hnc-21 控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的連接圖(以sh-50806a 五相步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器為例)圖2-4 華中hnc-21與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)單元的閉環(huán)連接(以sh-50806a 五相步進(jìn)驅(qū)動(dòng)為例)華中hnc-21與sh-50806a 五相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置連接示意圖如圖2-3所示。為防止步進(jìn)電機(jī)失步現(xiàn)象，可外接編碼器構(gòu)成閉環(huán)檢測(cè)，其連接如圖2-4所示。其他型號(hào)的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器與數(shù)控裝置連接時(shí)，可能使用

4、了對(duì)應(yīng)的控制開關(guān)量，具體的連接方法見相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器說明書。若使用的dc24v 直流電源是獨(dú)立的，必須與輸入輸出接口的直流電源共地。若與數(shù)控裝置的輸入輸出接口不匹配，需要使用中間繼電器轉(zhuǎn)接。使用步進(jìn)電機(jī)時(shí)，軸參數(shù)和硬件設(shè)置參數(shù)參見模塊八的參數(shù)設(shè)置。四、任務(wù)實(shí)施1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、數(shù)控系統(tǒng)的連接步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（57hsl3型）、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器（m535型）與數(shù)控系統(tǒng)（hnc-21tf）的連接如圖2-5所示。圖2-5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)器與hnc-21數(shù)控系統(tǒng)的連接2參數(shù)的設(shè)置與系統(tǒng)的調(diào)試完成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)器與hnc-21數(shù)控系統(tǒng)的連接后，就要設(shè)置參數(shù)和進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試。(1)hnc-21tf數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)

5、設(shè)置。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有關(guān)坐標(biāo)軸參數(shù)進(jìn)行設(shè)置見表2-1。硬件配置參數(shù)設(shè)置見表2-2。表2-1 坐標(biāo)軸參數(shù) 參數(shù)名 參數(shù)值 參數(shù)名 參數(shù)值 伺服驅(qū)動(dòng)型號(hào) 46 伺服內(nèi)部參數(shù)2 0 伺服驅(qū)動(dòng)器部件號(hào) o 伺服內(nèi)部參數(shù)3、4、5 o 最大跟蹤誤差 0 快移加、減速時(shí)間常數(shù) o 電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)脈沖數(shù) 400 快移加速度時(shí)間常數(shù) o 伺服內(nèi)部參數(shù)o 8 加工加、減速時(shí)間常數(shù) o 伺服內(nèi)部參數(shù)1 o 加工加速度時(shí)間常數(shù) o注：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)拍數(shù)。表2-2硬件配置參數(shù) 參數(shù)名型 號(hào) 標(biāo) 識(shí) 地 址 配 置0 配 置1 部 件o 5301 46 o 0 o 注：不帶反饋。 (2)m535步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置。 按驅(qū)動(dòng)器

6、前面板表格，將細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置為2，將電動(dòng)機(jī)電流設(shè)置為57hsl3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的額定電流。（3）系統(tǒng)的調(diào)試在線路和電源檢查無誤后，進(jìn)行通電試運(yùn)行，以手動(dòng)或手搖脈沖發(fā)生器方式發(fā)送脈沖，控制電動(dòng)機(jī)慢速轉(zhuǎn)動(dòng)和正、反轉(zhuǎn)，在沒有堵轉(zhuǎn)等異常情況下，逐漸提高電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。五、知識(shí)鏈接開環(huán)位置伺服系統(tǒng)亦稱步進(jìn)式伺服系統(tǒng)，其驅(qū)動(dòng)元件為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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)著數(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，數(shù)控系統(tǒng)與步進(jìn)電動(dòng)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(jiǎn)化了

7、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)電動(dòng)機(jī)的耗能太多，速度也不高。目前的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在脈沖當(dāng)量i為lm時(shí)，最高移動(dòng)速度僅有2mmmin，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。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，并將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的執(zhí)行器。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。如果停機(jī)后某些相的繞組仍保持通電狀態(tài)，則還具有自鎖能力。步進(jìn)電動(dòng)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)積累。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大缺點(diǎn)在于其容易失步。特別是在大負(fù)載和速度較高的情況下，失步更容

8、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)及其它們的綜合運(yùn)用，使得步進(jìn)電機(jī)的高頻出力得到很大提高，低頻振蕩得到顯著改善，特別是在隨著智能超微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，必將把步進(jìn)電機(jī)性能提高到一個(gè)新的水平。它將以極佳的性能價(jià)格比，獲得更為廣泛的應(yīng)用，在許多領(lǐng)域?qū)⑷〈绷魉欧姍C(jī)及其相應(yīng)伺服系統(tǒng)。目前，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)，一般采用開環(huán)的控制結(jié)構(gòu)。用于數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要有兩類：反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也稱為磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原理可分為反應(yīng)式、永磁式及混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；根據(jù)

9、控制繞組數(shù)量可分為二相、三相、四相、五相、六相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；根據(jù)電流的極性可分為單極性和雙極性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；根據(jù)運(yùn)動(dòng)的形式可分為旋轉(zhuǎn)、直線、平面步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。(1)反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱為變磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，它根據(jù)相數(shù)、磁路結(jié)構(gòu)的不同可形成很多種類，但其工作原理是一樣的。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子鐵芯都用軟磁材料制造，定位精度可以做得很高、氣隙可以做得很小，磁極也可以設(shè)計(jì)得比較窄(步矩角可以較小)。工作時(shí)完全靠磁阻(即磁力線的長(zhǎng)度)的變化產(chǎn)生工作轉(zhuǎn)矩，因此工作時(shí)定子繞組需要的勵(lì)磁電流較大。由于沒有恒磁場(chǎng)的作用，此類步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一旦斷電就完全失去工作力矩，在使用時(shí)應(yīng)注意這一特點(diǎn)。反應(yīng)式步

10、進(jìn)電動(dòng)機(jī)適用于小步距的應(yīng)用場(chǎng)合，其優(yōu)點(diǎn)是步距小，靜剛度大，但電感大，需要較高的電壓驅(qū)動(dòng)。我國生產(chǎn)反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的歷史很長(zhǎng)，最典型的是定型為bf系列的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，這種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的外形尺寸為28200mm，最大靜轉(zhuǎn)矩范圍是0.017615.68n·m，目前此類的應(yīng)用還十分廣泛。(2)永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子、轉(zhuǎn)子鐵芯的其中之一以永磁材料制造(大多數(shù)是轉(zhuǎn)子)，另一件用軟磁材料。永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的激磁繞組通電時(shí)需要規(guī)定它的激磁極性，如果使其激磁磁場(chǎng)作連續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)質(zhì)上它就成了一臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)。由此可見，永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的磁極只能做得比較寬、步矩角比較大，但它工作時(shí)所需要的激

11、磁電流比較小，斷電后永磁材料能產(chǎn)生一定程度的定位轉(zhuǎn)矩。由于結(jié)構(gòu)的原因，永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)只適用于大步距應(yīng)用場(chǎng)合，其優(yōu)點(diǎn)是電感小，可用較低電壓驅(qū)動(dòng)，但步距大，靜剛度小。(3)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)顧名思義，混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就是反應(yīng)式與永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的混合，它利用部分永磁材料的磁性來減小反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的激磁電流和在斷電以后獲得一定數(shù)量的剩余轉(zhuǎn)矩，但它的工作轉(zhuǎn)矩并不完全依靠永磁，所以步矩角可以與反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相近。正因?yàn)榛旌鲜讲竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)以上特點(diǎn)，它有逐步取代反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的趨向。2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特性(1)步距角和步距誤差轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過的空間機(jī)械角度，即步距角為 式中 z2轉(zhuǎn)子齒數(shù)； n運(yùn)行拍數(shù)。步進(jìn)

12、電動(dòng)機(jī)每走一步，轉(zhuǎn)子實(shí)際的角位移與設(shè)計(jì)的步距角之間都存在步距誤差。連續(xù)走若干步時(shí)，上述誤差形成累積值。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一圈后，回至上一轉(zhuǎn)的穩(wěn)定位置，因此步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距的積累誤差，是指一轉(zhuǎn)范圍內(nèi)步距誤差積累的最大值，步距誤差和積累誤差通常用度(°)、分()或者步距角的百分比表示。影響步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距誤差和積累誤差的主要因素有：齒與磁極的分度精度、鐵心疊壓及裝配精度、各相矩角特性之間差別的大小、氣隙的不均勻程度等。(2)靜態(tài)矩角特性和最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性所謂靜態(tài)，是指電動(dòng)機(jī)不改變通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)的工作狀態(tài)。空載時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)某相通以直流電流時(shí)，該相對(duì)應(yīng)的定、轉(zhuǎn)子齒

13、對(duì)齊，這時(shí)轉(zhuǎn)子無轉(zhuǎn)矩輸出。如在電動(dòng)機(jī)軸上加一順時(shí)針方向的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子將按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)過一個(gè)小角度口，稱為失調(diào)角；這時(shí)，轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩丁與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等。矩角特性是描述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)靜態(tài)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩丁與失調(diào)角口之間關(guān)系的曲線，也稱為靜轉(zhuǎn)矩特性，如圖2-6所示。 圖2-6步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩角特性 圖2-7步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性(3)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)矩頻特性是用來描述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系曲線。矩頻特性曲線上每一頻率所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩除了與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及材料有關(guān)外，還與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組的連接方式、驅(qū)動(dòng)電路、驅(qū)動(dòng)電壓有密切的關(guān)系。圖2-7

14、是混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)的典型矩頻特性曲線。3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路與控制方式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)需要采用按順序的脈沖或正余弦電壓信號(hào)進(jìn)行控制。在構(gòu)造位置或速度控制系統(tǒng)時(shí)，基本的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括開環(huán)和閉環(huán)兩種類型。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)如圖2-8所示。如圖2-8 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)(1) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路直接涉及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制的環(huán)節(jié)主要包括環(huán)形分配器和脈沖功率放大器。環(huán)形分配器負(fù)責(zé)輸出對(duì)應(yīng)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作方式的脈沖序列，功率放大器則主要將環(huán)形分配器輸出的信號(hào)進(jìn)行功率放大，使輸出脈沖能夠直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。不同的驅(qū)動(dòng)器還會(huì)結(jié)合實(shí)際需要而增加相應(yīng)的保護(hù)、調(diào)節(jié)或改善電機(jī)運(yùn)行性能的環(huán)節(jié)，其控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的方式也

15、各有不同。常見的驅(qū)動(dòng)方式如下，各驅(qū)動(dòng)方式的系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖2-9所示。a)單電壓驅(qū)動(dòng) b)雙電壓驅(qū)動(dòng) c) 高低壓驅(qū)動(dòng) d) 斬波恒流驅(qū)動(dòng) e)調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng) f)細(xì)分控制圖2-9 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)(l為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組)1) 單電壓驅(qū)動(dòng) 僅采用單極性脈沖電壓供電，這種方式線路簡(jiǎn)單，但效率低。2) 雙電壓驅(qū)動(dòng) 根據(jù)所使用的頻段分別采用高低電壓控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，高頻段運(yùn)行時(shí)采用高電壓控制，反之采用低電壓控制。3) 高低壓驅(qū)動(dòng) 在電機(jī)導(dǎo)通相的脈沖前沿施加高電壓，提高脈沖前沿的電流上升率。前沿過后，電壓迅速下降為低電壓，用以維持繞組中的電流。這種控制方式能夠提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的效率和運(yùn)行頻率。為補(bǔ)償脈沖后沿的

16、電流下凹，可采用高壓斷續(xù)施加，它能夠明顯改善電機(jī)的機(jī)械特性。4) 斬波恒流驅(qū)動(dòng) 使用帶電流反饋的斬波恒流控制裝置，能夠使導(dǎo)通相在各種工作方式下保持額定值，電機(jī)效率高，運(yùn)行特性好。5) 調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng) 根據(jù)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的脈沖頻率變化自動(dòng)調(diào)節(jié)電壓值。高頻時(shí)，采用高電壓加快脈沖前沿的電流上升速度，提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高頻響應(yīng)；低頻時(shí)，低電壓使繞組電流上升平緩，可以減少轉(zhuǎn)子的振蕩幅度，防止過沖。6) 細(xì)分控制 普通控制方式下，環(huán)形分配器給出的脈沖特征主要表現(xiàn)在脈沖的有無及其組合順序上。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)接受這些驅(qū)動(dòng)脈沖后所建立的磁場(chǎng)主要位于單相繞組的軸線或多相繞組軸線的平分線或?qū)ΨQ點(diǎn)上，電機(jī)運(yùn)行的步距角一般只能在b或b

17、2之上，即電機(jī)整步或半步工作。細(xì)分控制的思路是：以階梯波的形式逐漸增加或減少繞組電流，逐步實(shí)現(xiàn)脈沖在相鄰拍對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通相之間進(jìn)行切換。這種持續(xù)漸進(jìn)的切換方式使電機(jī)繞組合成磁場(chǎng)的方向也隨電流的漸增(減)而略有變化，這樣就可在原理上使轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)在細(xì)分?jǐn)?shù)為n的情況下達(dá)到對(duì)應(yīng)無細(xì)分步距角的1n。當(dāng)然，由于均勻階梯波細(xì)分時(shí)，合成磁場(chǎng)每步的偏移量與細(xì)分階梯之間沒有嚴(yán)格的線性關(guān)系，細(xì)分后電機(jī)的步距角不均勻，易引起電機(jī)的振動(dòng)和失步，降低其運(yùn)行的穩(wěn)定性。等步距角細(xì)分時(shí)需要根據(jù)步距角及各步所對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)空間矢量位置調(diào)整各階梯的電流值。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)多種功能齊全、適應(yīng)范圍寬的集成電路步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器，典型

18、產(chǎn)品包括：l293、l297(sds)；mc3479、saal042(motorola)等。由l297298配合微處理器控制時(shí)構(gòu)造的兩極步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路如圖2-10所示。圖2-10 l297/l298組成的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路ls297為控制芯片，能夠產(chǎn)生所需相序及相應(yīng)控制模式下的四相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，配合微處理器可控制兩相雙極或四相單極步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；l298為高電壓、大電流的雙全橋式驅(qū)動(dòng)器。(2) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制方式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制方式一般可分為開環(huán)控制和反饋補(bǔ)償閉環(huán)控制，如圖2-11所示。a)開環(huán)控制 b)反饋補(bǔ)償閉環(huán)控制圖2-11步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制方式 【實(shí)踐環(huán)節(jié)】步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的連接

19、及性能測(cè)定1實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求(1)熟悉步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的連接。(2)掌握步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能特性及其與驅(qū)動(dòng)器的關(guān)系。(3)了解步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)特性。2實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備(1)57hsl3型兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一臺(tái)。(2)m535型兩相雙極性細(xì)分驅(qū)動(dòng)器一臺(tái)。(3)cz-0.5型磁粉制動(dòng)器(5n·m)一臺(tái)。(4)光電編碼器(2500或3600線，a、b、z相信號(hào)，帶線驅(qū)動(dòng)器輸出)一只。(5)hnc-21tf數(shù)控系統(tǒng)一套。(6)可安裝于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸上的慣量圓盤。 (a) 57hs13型步進(jìn)電動(dòng)機(jī) (b) cz-0.5型磁粉制動(dòng)器 (c) m55型細(xì)分驅(qū)動(dòng)器 (d) 光電編碼器

20、圖2-12 實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(1)按圖2-1將57hsl3型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、m535型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器與hnc-21tf數(shù)控系統(tǒng)連接起來,并設(shè)置參數(shù), 進(jìn)行通電試運(yùn)行（此步驟參閱任務(wù)及實(shí)施）。(2)測(cè)定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角。以手動(dòng)方式發(fā)送單脈沖，從數(shù)控系統(tǒng)顯示屏上記錄工件實(shí)際坐標(biāo)值，計(jì)算步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角：計(jì)算每一個(gè)步脈沖的實(shí)際坐標(biāo)增量值，再按下式換算成實(shí)際步距角n ：由和n可算出步距精度(=(n-)，再將記錄和計(jì)算數(shù)據(jù)填入表2-3中。表2-3 步距精度脈沖列12345678910坐標(biāo)值(mm)實(shí)際步距角(°)步距精度(%)脈沖列11121314151617181920坐標(biāo)值(mm

21、)實(shí)際步距角(°)步距精度(%)(3)測(cè)定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的空載啟動(dòng)頻率。拆去光電編碼器，讓步進(jìn)電動(dòng)機(jī)空載。在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸伸出處作一個(gè)標(biāo)記，由數(shù)控系統(tǒng)設(shè)置步進(jìn)電動(dòng)機(jī)整數(shù)轉(zhuǎn)的位移和速度，且將加、減速時(shí)間常數(shù)也設(shè)置為零。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在鎖定狀態(tài)下，執(zhí)行上述命令。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)突然啟動(dòng)并突然停止后，根據(jù)軸伸出處標(biāo)記判斷步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是否失步。若啟動(dòng)成功，則提高速度參數(shù)再測(cè)試，直至某一臨界速度，并由此速度換算步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的空載啟動(dòng)頻率。(4)測(cè)定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)慣頻特性。在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸伸上安裝慣量圓盤，用上述“空載啟動(dòng)頻率測(cè)定的方法”測(cè)試其啟動(dòng)頻率。隨著慣量增加，啟動(dòng)頻率下降。將記錄和計(jì)算的數(shù)據(jù)填入表2-4中

22、。 表2-4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)慣頻特性負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·cm2)啟動(dòng)頻率(hz)(5)測(cè)定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性。將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與磁粉制動(dòng)器用聯(lián)軸器相連接。由數(shù)控系統(tǒng)設(shè)置步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度(即為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率)，且將加、減速時(shí)間常數(shù)設(shè)置為1s以上。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在鎖定狀態(tài)下，執(zhí)行啟動(dòng)命令，電動(dòng)機(jī)將加速至給定轉(zhuǎn)速。待速度穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)磁粉制動(dòng)器的激勵(lì)電流，逐漸加大負(fù)載，直至步進(jìn)電動(dòng)機(jī)失步停轉(zhuǎn)，記錄該激勵(lì)電流值。增加步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度給定值，重復(fù)上述步驟，記錄新轉(zhuǎn)速下使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)失步的激勵(lì)電流值。由磁粉制動(dòng)器特性曲線，獲取對(duì)應(yīng)激勵(lì)電流的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩值(n·m)，并由速度指令值換算為頻率值

23、，即可繪出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性。將記錄數(shù)據(jù)填入表2-5中。 表2-5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行矩頻特性運(yùn)行頻率(hz)負(fù)載轉(zhuǎn)矩(n·m)【思考與練習(xí)】1描述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制原理。 2簡(jiǎn)要說明步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)投入運(yùn)轉(zhuǎn)的操作步驟。3. 繪制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)電氣連接圖。4根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制啟動(dòng)慣頻特性圖。5. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制實(shí)驗(yàn)所用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性圖。課題二 連接與調(diào)試交流伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)知識(shí)點(diǎn)：·變頻電源的應(yīng)用與接線·交流伺服系統(tǒng)的種類·交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理·伺服驅(qū)動(dòng)的控制技術(shù)技能點(diǎn)： ·能根據(jù)控制線路進(jìn)行接線，能進(jìn)行參數(shù)設(shè)

24、置和交流伺服電動(dòng)機(jī)的性能測(cè)定一、任務(wù)引入將松下公司出品的minas系列交流伺服驅(qū)動(dòng)與交流伺服電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)電阻、電網(wǎng)等進(jìn)行連接與調(diào)試。二、任務(wù)分析交流伺服電動(dòng)機(jī)是由交流伺服驅(qū)動(dòng)器控制的。交流伺服電機(jī)有哪些控制方式？交流伺服系統(tǒng)由哪幾部分組成？minas交流伺服系統(tǒng)有哪些結(jié)構(gòu)和性能？下面我們就先對(duì)這些問題進(jìn)行講解。三、相關(guān)知識(shí)長(zhǎng)期以來，在要求調(diào)速性能較高的場(chǎng)合，一直占據(jù)主導(dǎo)地位的是應(yīng)用直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。但直流電動(dòng)機(jī)都存在一些固有的缺點(diǎn)，如電刷和換向器易磨損，需經(jīng)常維護(hù)；換向器換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花，使電動(dòng)機(jī)的最高速度受到限制，也使應(yīng)用環(huán)境受到限制；而且直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，所用鋼鐵材料消耗大

25、，制造成本高。而交流電動(dòng)機(jī)，特別是鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)沒有上述缺點(diǎn)，且轉(zhuǎn)子慣量較直流電機(jī)小，使得動(dòng)態(tài)響應(yīng)更好。在同樣體積下，交流電動(dòng)機(jī)輸出功率可比直流電動(dòng)機(jī)提高1070。此外，交流電動(dòng)機(jī)的容量可比直流電動(dòng)機(jī)造得大，達(dá)到更高的電壓和轉(zhuǎn)速。隨著新型大功率電力電子器件、新型變頻技術(shù)、現(xiàn)代控制理論以及微機(jī)數(shù)控等在實(shí)際應(yīng)用中取得的重要進(jìn)展，到了20世紀(jì)80年代，交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)已取得了突破性的進(jìn)展。在日本、歐、美等國形成了一個(gè)生產(chǎn)交流伺服電動(dòng)機(jī)的新興產(chǎn)業(yè)。德國1988年的機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)已占80，日本1985年銷售的交流與直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之比為3：1。機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)中，采用交流電動(dòng)機(jī)的占銷售

26、總量的90。1交流伺服電機(jī)的類型和特點(diǎn)（1）異步型交流伺服電動(dòng)機(jī)異步型交流伺服電動(dòng)機(jī)(im)指的是交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。它有三相和單相之分，也有鼠籠式和線繞式，通常多用鼠籠式三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與同容量的直流電動(dòng)機(jī)相比，質(zhì)量輕1/2，價(jià)格僅為直流電動(dòng)機(jī)的1/3。缺點(diǎn)是不能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)范圍很廣的平滑調(diào)速，必須從電網(wǎng)吸收滯后的勵(lì)磁電流。因而令電網(wǎng)功率因數(shù)變壞。這種鼠籠轉(zhuǎn)子的異步型交流伺服電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)稱為異步型交流伺服電動(dòng)機(jī)，用im表示。（2）同步型交流伺服電動(dòng)機(jī)同步型交流伺服電動(dòng)機(jī)(sm)雖比感應(yīng)電動(dòng)機(jī)復(fù)雜，但比直流電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單。它的定子與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)一樣，都在定子上裝有對(duì)稱三相繞組。而轉(zhuǎn)子卻不同，按不同

27、的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又分電磁式及非電磁式兩大類。非電磁式又分為磁滯式、永磁式和反應(yīng)式多種。其中磁滯式和反應(yīng)式同步電動(dòng)機(jī)存在效率低、功率因數(shù)較差、制造容量不大等缺點(diǎn)。數(shù)控機(jī)床中多用永磁式同步電動(dòng)機(jī)。與電磁式相比，永磁式優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、效率較高；缺點(diǎn)是體積大、啟動(dòng)特性欠佳。但永磁式同步電動(dòng)機(jī)采用高剩磁感應(yīng)，高矯頑力的稀土類磁鐵后，可比直流電動(dòng)外形尺寸約小1/2，質(zhì)量減輕60，轉(zhuǎn)子慣量減到直流電動(dòng)機(jī)的1/5。它與異步電動(dòng)機(jī)相比，由于采用了永磁鐵勵(lì)磁，消除了勵(lì)磁損耗及有關(guān)的雜散損耗，所以效率高。又因?yàn)闆]有電磁式同步電動(dòng)機(jī)所需的集電環(huán)和電刷等，其機(jī)械可靠性與感應(yīng)（異步）電動(dòng)機(jī)相同，而功率因數(shù)卻大大高于異

28、步電動(dòng)機(jī)，從而使永磁同步電動(dòng)機(jī)的體積比異步電動(dòng)機(jī)小些。這是因?yàn)樵诘退贂r(shí)，感應(yīng)（異步）電動(dòng)機(jī)由于功率因數(shù)低，輸出同樣的有功功率時(shí)，它的視在功率卻要大得多，而電動(dòng)機(jī)主要尺寸是據(jù)視在功率而定的。2永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)目前在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中采用的直流電動(dòng)機(jī)主要是70年代研制成功的大慣量寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)。這種電動(dòng)機(jī)分為電勵(lì)磁和永久磁鐵勵(lì)磁兩種，但占主導(dǎo)地位的是永久磁鐵勵(lì)磁式(永磁式)電動(dòng)機(jī)，本節(jié)將主要介紹這種電動(dòng)機(jī)。永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)即同步型交流伺服電動(dòng)機(jī)（sm），它是一臺(tái)機(jī)組，由永磁同步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子位置傳感器，速度傳感器等組成。（1）結(jié)構(gòu)如圖2-13所示，永磁同步電動(dòng)機(jī)主要由三部分組成：定子，轉(zhuǎn)子

29、和檢測(cè)元件（轉(zhuǎn)子位置傳感器和測(cè)速發(fā)電機(jī)）。其中定子有齒槽，內(nèi)有三相繞組，形狀與普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定子相同。但其外圓多呈多邊行，且無外殼，以利于散熱，避免電動(dòng)機(jī)發(fā)熱對(duì)機(jī)床精度的影響。(a) 永磁同步電動(dòng)機(jī)橫剖面圖 (b) 永磁同步電動(dòng)機(jī)縱剖面圖圖2-13 永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu) 圖2-14 永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理（2）工作原理如圖2-14所示，一個(gè)二極永磁轉(zhuǎn)子（也可以是多極），當(dāng)定子三相繞組通上交流電源后，就產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，圖中用另一對(duì)旋轉(zhuǎn)磁極表示，該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將以同步轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)。由于磁極同性相斥，異性相吸與轉(zhuǎn)子的永磁磁極互相吸引，并帶著轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，因此，轉(zhuǎn)子也將以同步轉(zhuǎn)速ns與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一起

30、。當(dāng)轉(zhuǎn)子加上負(fù)載轉(zhuǎn)矩之后，轉(zhuǎn)子磁極軸線將落后定子磁場(chǎng)軸線一個(gè)角，隨著負(fù)載增加，也隨之增大；負(fù)載減少時(shí)，角也減少；只要不超過一定限度，轉(zhuǎn)子始終跟著定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以恒定的同步轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子速度nr=ns=60/p，即由電源頻率和磁極對(duì)數(shù)p決定。當(dāng)負(fù)載超過一定極限后，轉(zhuǎn)子不再按同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，甚至可能不轉(zhuǎn)，這就是同步電動(dòng)機(jī)的失步現(xiàn)象，此負(fù)載的極限稱為最大同步轉(zhuǎn)矩。（3）永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的性能交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性比直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性要硬，其直線更為接近水平線。另外，斷續(xù)工作區(qū)范圍更大，尤其是高速區(qū)，這有利于提高電動(dòng)機(jī)的加，減速能力。高可靠性 。用電子逆變器取代了直流電動(dòng)機(jī)換向器和電刷，工

31、作壽命由軸承決定。因無換向器及電刷，也省去了此項(xiàng)目的保養(yǎng)和維護(hù)。主要損耗在定子繞組與鐵心上，故散熱容易，便于安裝熱保護(hù)；而直流電動(dòng)機(jī)損耗主要在轉(zhuǎn)子上，散熱困難。轉(zhuǎn)子慣量小，其結(jié)構(gòu)允許高速工作。體積小，質(zhì)量小。（4）交流調(diào)速的基本方法由電機(jī)學(xué)基本原理可知，交流電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為 n0=601/p （r/min） 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為n=601/p（1-s）=n0（1-s） （r/min） 式中：1定子供電頻率（hz）；p電機(jī)定子繞組磁極對(duì)數(shù)；s轉(zhuǎn)差率。由上式可見，要改變電機(jī)轉(zhuǎn)速可采用以下幾種方法：改變磁極對(duì)數(shù)p。這是一種有級(jí)的調(diào)速方法。它是通過對(duì)定子繞組接線的切換以改變磁極對(duì)數(shù)調(diào)速的。改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速

32、。這實(shí)際上是對(duì)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率的處理而獲得的調(diào)速方法。常用的是降低定子電壓調(diào)速，電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速，線繞式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻離速或串極調(diào)速等。變頻調(diào)速。變頻調(diào)速是平滑改變定子供電電壓頻率f1而使轉(zhuǎn)速平滑變化的調(diào)速方法。這是交流電動(dòng)機(jī)的一種理想調(diào)速方法。電機(jī)從高速到低速其轉(zhuǎn)差率都很小，因而變頻調(diào)速的效率和功率因數(shù)都很高。3.交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方式改變交流伺服電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱、橢圓度大小和磁場(chǎng)轉(zhuǎn)向能夠控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況，因此可采用幅值控制、相位控制和幅相控制三種方式控制交流兩相伺服電動(dòng)機(jī)。(1)幅值控制所謂“幅值”控制就是在勵(lì)磁繞組上加額定電壓，改變控制繞組的電壓，并在控制過程中始終保持兩繞

33、組有90°相位差。幅值控制交流伺服電動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)如圖2-15所示。控制電壓的變化直接影響了電機(jī)磁場(chǎng)的橢圓度或不對(duì)稱性，使機(jī)械特性發(fā)生偏移，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。(2)相位控制相位控制方式下，交流伺服電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組加額定電壓，控制繞組電壓值不變，通過移相器調(diào)節(jié)控制電壓uk和勵(lì)磁電壓uf之間的相位差。相位控制交流伺服電動(dòng)機(jī)如圖2-16所示。 圖2-15 幅值控制方式 圖2-16 相位控制方式 圖2-17 幅相控制方式(3)幅相控制幅相控制方式下，通過電容器改變勵(lì)磁電壓和控制電壓之間的相位差。在改變控制電壓時(shí)，控制繞組的電流及磁場(chǎng)均發(fā)生改變，通過磁路耦合，反過來又影響勵(lì)磁繞組和電容器間的電壓

34、分配，相位和幅值同時(shí)發(fā)生改變，這種控制又稱為電容移相控制。幅相控制方式如圖2-17所示。交流伺服電動(dòng)機(jī)無論采用哪種控制方式，電機(jī)旋轉(zhuǎn)均需要最小的控制電壓，即始動(dòng)電壓。始動(dòng)電壓與負(fù)載轉(zhuǎn)矩成正比。當(dāng)實(shí)際控制電壓小于始動(dòng)電壓時(shí)，電機(jī)無法起動(dòng)，此范圍稱為交流伺服電動(dòng)機(jī)死區(qū)，死區(qū)越小，電機(jī)響應(yīng)小控制信號(hào)的能力越強(qiáng)。4交流伺服系統(tǒng)的組成 交流伺服系統(tǒng)主要由下列幾個(gè)部分構(gòu)成，如圖2-18所示。圖2-18交流伺服系統(tǒng)的組成 交流伺服電動(dòng)機(jī)。它可分為永磁式同步交流伺服電動(dòng)機(jī)、永磁式無刷直流伺服電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)式伺服電動(dòng)機(jī)及磁阻式交流伺服電動(dòng)機(jī)。 pwm功率逆變器。可分為功率晶體管逆變器、功率場(chǎng)效應(yīng)管逆變器、igbt

35、逆變器(包括智能型igbt逆變器模塊)等。 微處理器控制器及邏輯門陣列?？煞譃閱纹瑱C(jī)、dsp(數(shù)字信號(hào)處理器)、dsp+cpu、多功能dsp(如tms320f240)等。 位置傳感器(含速度)?？煞譃樾D(zhuǎn)變壓器、磁性編碼器、光電編碼器等。 電源及能耗制動(dòng)電路。 鍵盤及顯示電路。 接口電路，包括模擬電壓、數(shù)字io及rs232串口通訊電路。故障檢測(cè)、保護(hù)電路。5松下minas系列交流伺服系統(tǒng)(1)總體性能介紹minas交流伺服系統(tǒng)應(yīng)用了32位數(shù)字信號(hào)處理器nec d73720及四個(gè)公司自行開發(fā)的專用ic芯片，其電流反饋回路及位置、速度反饋回路的采樣周期只有80gs和2401as，是通常伺服系統(tǒng)的一

36、半。minas系統(tǒng)可執(zhí)行的控制方式有以下三種。速度控制方式 輸入模擬電壓，供用戶方便靈活地設(shè)定運(yùn)行速度及其變化。位置控制方式 輸入信號(hào)是脈沖，可以是正/反轉(zhuǎn)脈沖、a/b相脈沖、脈沖/符號(hào)等三種形式。采用位置控制方式時(shí)，該交流伺服系統(tǒng)的使用就和用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一樣方便，用戶可以采用電子線路、單片機(jī)、pc機(jī)或其他方式非常簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)數(shù)控功能。轉(zhuǎn)矩控制方式 用電壓信號(hào)來限定伺服電機(jī)所能輸出的最大轉(zhuǎn)矩，單純選用 轉(zhuǎn)矩控制方式時(shí)，此時(shí)的交流伺服電機(jī)便可實(shí)現(xiàn)“力矩電機(jī)”的功能。以上三種基本控制方式還可以進(jìn)行復(fù)合控制，以便實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的控制功能。(2)自動(dòng)增益調(diào)節(jié)和電子齒輪 為使伺服系統(tǒng)表現(xiàn)出最理想的性能，系統(tǒng)中的

37、速度、位置增益參數(shù)的設(shè)計(jì)是十分重要的。因?yàn)闄C(jī)械系統(tǒng)往往比較復(fù)雜，所以包括機(jī)械系統(tǒng)在內(nèi)的系統(tǒng)控制參數(shù)之確定常常是一件非常困難的事情。minas系統(tǒng)配備有“自動(dòng)增益調(diào)整功能”，利用系統(tǒng)的自適應(yīng)控制方式，實(shí)時(shí)地對(duì)已集成的實(shí)際機(jī)電系統(tǒng)的增益參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，設(shè)定系統(tǒng)的最佳工作參數(shù)。具體實(shí)施過程為：以階躍信號(hào)方式輸入使電動(dòng)機(jī)正反各轉(zhuǎn)三次，并在每次轉(zhuǎn)動(dòng)中測(cè)量其實(shí)時(shí)的響應(yīng)，并根據(jù)實(shí)時(shí)響應(yīng)不斷自動(dòng)修正系統(tǒng)的增益參數(shù)(即：正反各三次)，過程結(jié)束時(shí)顯示經(jīng)過調(diào)節(jié)后的系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)供用戶確認(rèn)。該系統(tǒng)還裝有“電子齒輪”功能：它不需要真實(shí)地配備降速齒輪箱就可以實(shí)現(xiàn)各種不同輸出減速比檔位的直接電子切換，最大減速比可達(dá)1

38、：10000，使伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加緊湊。(3)伺服電動(dòng)機(jī)輕量化的結(jié)構(gòu)松下公司出品的minas系列交流伺服電機(jī)的體積和重量只有原來產(chǎn)品的二分之一。例如：電機(jī)功率為1.5kw時(shí)，重量可從普通產(chǎn)品的13.3kg降為5.1kg，而體積也由130×254減小到100×177。這種小型化、輕量化的結(jié)構(gòu)大幅度地減輕了伺服系統(tǒng)的慣性負(fù)載，提高了伺服系統(tǒng)的響應(yīng)頻率。一般情況下minas交流伺服電機(jī)的工作頻率可高達(dá)200hz，這是其他交流伺服電機(jī)所無法比擬的。圖2-19 minas交流伺服系統(tǒng)總體設(shè)備連線情況四、任務(wù)實(shí)施在交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的總體設(shè)備接線中，可以直接受個(gè)人計(jì)算機(jī)的控制，并通過輸出

39、電纜驅(qū)動(dòng)交流伺服電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)情況通過回輸電纜輸回控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)還可以由用戶接口對(duì)外接plc實(shí)施控制，使設(shè)備系統(tǒng)的整體控制十分方便。在圖2-19（minas系統(tǒng)主回路系統(tǒng)）的接線圖中，已經(jīng)明了地標(biāo)出控制系統(tǒng)與控制計(jì)算機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)及外接plc控制器的外部接線端口。五、知識(shí)鏈接1交流伺服系統(tǒng)的控制交流伺服系統(tǒng)中最常用的是pwm型變頻控制調(diào)速系統(tǒng)。pwm型變頻器有多種方式，如：正弦波pwm(spwm)、矢量角pwm、最佳開關(guān)角pwm、電流跟蹤pwm等。spwm是正弦波脈寬調(diào)制，是將速度控制的直流電壓經(jīng)電壓頻率變換后，成為頻率與直流電壓成正比的脈沖信號(hào)，再經(jīng)分頻器產(chǎn)生幅值一定的三角波和幅值可

40、調(diào)的正弦波，這二組波在比較器中比較，產(chǎn)生調(diào)制好的矩形脈沖。矩形脈沖等幅、等距，但不等寬。在一周期里，脈寬按正弦分布。在實(shí)際電路中，控制正弦波的幅值就可改變矩形脈沖的寬度，從而控制了逆變器(功率放大)輸出的波形與電動(dòng)機(jī)各相中的電流有效值，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。交流伺服系統(tǒng)控制框圖如圖2-20所示，交流伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的外形如圖2-21所示。圖2-20交流伺服系統(tǒng)框圖a)交流伺服驅(qū)動(dòng)單元外形 b) 交流伺服電機(jī)外形圖2-21交流伺服系統(tǒng)的交流伺服驅(qū)動(dòng)單元外形與交流伺服電機(jī)2交流伺服系統(tǒng)產(chǎn)品的種類交流伺服系統(tǒng)一般由交流伺服電動(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器兩部分配套而成。交流伺服電動(dòng)機(jī)可以是交流同步電動(dòng)機(jī)，也

41、可以為鼠籠型交流異步電動(dòng)機(jī)。伺服驅(qū)動(dòng)器通常采用電流型脈寬調(diào)制交直交變頻電源為基礎(chǔ)，并具有以電流環(huán)為內(nèi)環(huán)、速度環(huán)為外環(huán)的多環(huán)閉環(huán)控制系統(tǒng)。1)基于永磁交流同步伺服電動(dòng)機(jī)的永磁交流伺服系統(tǒng)永磁交流同步伺服電動(dòng)機(jī)是一臺(tái)由永磁同步電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子位置傳感器、速度傳感器組成的伺服機(jī)組。如果系統(tǒng)有位置控制要求時(shí)，還要求配置提供位置反饋信息的位置傳感器。某些速度伺服控制系統(tǒng)中還添加“安全制動(dòng)器”，即當(dāng)電動(dòng)機(jī)需要停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，安全制動(dòng)器“抱住”電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸，實(shí)現(xiàn)伺服機(jī)組的“停車鎖定”功能。永磁交流伺服系統(tǒng)有矩形波電流驅(qū)動(dòng)及正弦波電流驅(qū)動(dòng)兩種形式。通常，將使用矩形波電流驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)稱為無刷直流伺服電動(dòng)機(jī)，而

42、把正弦波驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)稱為無刷交流伺服電動(dòng)機(jī)。2)基于鼠籠型轉(zhuǎn)子的交流異步伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)交流異步伺服電動(dòng)機(jī)的鼠籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，過載能力強(qiáng)。在新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)的今天，感應(yīng)式鼠籠型交流異步伺服電動(dòng)機(jī)正在得到十分迅速的發(fā)展。3.脈沖接口伺服驅(qū)動(dòng)裝置的連接脈沖接口伺服驅(qū)動(dòng)裝置與華中hnc-21(脈沖型或全功能型) 世紀(jì)星數(shù)控裝置是通過xs30xs33 脈沖接口連接伺服驅(qū)動(dòng)裝置，最多可控制4個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)裝置。脈沖接口伺服驅(qū)動(dòng)裝置與華中hnc-21世紀(jì)星數(shù)控裝置連接的示意圖如圖2-22所示。圖2-22 脈沖接口伺服驅(qū)動(dòng)裝置與華中hnc-21世紀(jì)星數(shù)控

43、裝置連接的示意圖以panasonic 松下minas a 系列的交流伺服為例，在華中hnc-21采用脈沖接口伺服驅(qū)動(dòng)器的連接如圖2-23所示。圖2-23華中hnc-21采用脈沖接口伺服驅(qū)動(dòng)器的連接圖（以panasonic 松下minas a 系列的交流伺服為例）在連接脈沖接口伺服驅(qū)動(dòng)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。采用脈沖接口連接伺服驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)，位置閉環(huán)在伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部而不在數(shù)控裝置內(nèi)。脈沖接口串的位置反饋信號(hào)僅用于位置監(jiān)視而不用于位置閉環(huán)。需構(gòu)成全閉環(huán)控制時(shí)，必須選用帶全閉環(huán)接口的伺服驅(qū)動(dòng)裝置。伺服調(diào)節(jié)器參數(shù)，須參閱所選伺服驅(qū)動(dòng)裝置說明書在驅(qū)動(dòng)裝置內(nèi)設(shè)置。使用脈沖接口連接伺服驅(qū)動(dòng)的裝置時(shí)，軸參數(shù)和硬件配置

44、參數(shù)參見模塊八的參數(shù)設(shè)置?！緦?shí)踐環(huán)節(jié)】交流伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及其參數(shù)調(diào)整 1實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求 (1)熟悉交流伺服系統(tǒng)的構(gòu)成以及伺服電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、數(shù)控系統(tǒng)的互連。 (2)掌握交流伺服電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的控制特性。 (3)了解交流伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及其參數(shù)調(diào)整方法。 2實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備 (1交流伺服電動(dòng)機(jī)一臺(tái)（msma022a1a型）。 (2)伺服驅(qū)動(dòng)器一臺(tái)(msda023a1a型)。 (3)華中世紀(jì)星數(shù)控系統(tǒng)(hnc-21s)一套。 (4)x、y軸工作臺(tái)一套。 (5)負(fù)載試驗(yàn)臺(tái)一套。 (6)雙通道儲(chǔ)存示波器一臺(tái)。(7)音頻信號(hào)發(fā)生器一臺(tái)。 3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 (1)主回路接線按圖2-24連接(或檢查)r、t及

45、l1、l2、l3與電源的接線；連接(或檢查)伺服驅(qū)動(dòng)器u、v、w與伺服電動(dòng)機(jī)a、b、c之間的接線；連接(或檢查)伺服電動(dòng)機(jī)位置傳感器與伺服驅(qū)動(dòng)器的連接電纜(見圖2-25)；連接(或檢查)伺服on控制線及開關(guān)。(2)空載下試運(yùn)行電動(dòng)機(jī) 松開伺服電動(dòng)機(jī)與負(fù)載之間的聯(lián)軸器，接通伺服驅(qū)動(dòng)器的電源，按“panasonic交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器minasa系列使用說明書”中page-51的步驟，先設(shè)置用戶參數(shù)為“出廠設(shè)定”，用jog模式試運(yùn)行電動(dòng)機(jī)。接通驅(qū)動(dòng)器電源后，初始顯示“r-0”；按mode鍵及、鍵，顯示“af_og”；按set鍵后，再按住鍵直到出現(xiàn)“ready”；按住鍵直到出現(xiàn)“srv_on”。按鍵

46、，電動(dòng)機(jī)逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)；按鍵，電動(dòng)機(jī)順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，其速率由pa57參數(shù)來確定。圖2-24 主回路接線圖圖2-25 增量式編碼器接線圖 按照伺服驅(qū)動(dòng)器的控制前面板所示的操作方法，將控制方式設(shè)置為“速度控制方式”(pa02=1)，給定方式設(shè)置為“內(nèi)部給定”(pa05=1)，速度給定值設(shè)置為“100rmin”(pa53=100)，然后將參數(shù)保存到eeprom中(按mode鍵，直至顯示eeprom寫入模式；按set鍵，再按住鍵直到出現(xiàn)“finish”，斷開電源約30s后接通電源，使寫入的內(nèi)容生效)。在確認(rèn)沒有報(bào)警或異常情況后，接通伺服使能(伺服on)閉合，這時(shí)伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)在給定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)。在當(dāng)前監(jiān)視

47、器模式下，顯示伺服電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。將伺服驅(qū)動(dòng)器的控制前面板設(shè)置轉(zhuǎn)換至參數(shù)設(shè)置模式，修改轉(zhuǎn)速給定值(pa53)；再按set鍵生效后，伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)在新給定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)。記錄給定轉(zhuǎn)速及實(shí)際轉(zhuǎn)速，計(jì)算轉(zhuǎn)速誤差，填入表2-6。表2-6 空載轉(zhuǎn)速誤差給定轉(zhuǎn)速(rmin)實(shí)際轉(zhuǎn)速(rmin)誤差計(jì)算() （3）測(cè)試交流伺服電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)速誤差 接通伺服驅(qū)動(dòng)器電源，將給定方式設(shè)置為“內(nèi)部給定”(pa05=1)，將給定轉(zhuǎn)速設(shè)置為“3000r/min”(額定轉(zhuǎn)速)，即pa53=3000，然后保存參數(shù)到eeprom中，斷開伺服驅(qū)動(dòng)器電源。 將伺服電動(dòng)機(jī)與負(fù)載聯(lián)軸器連接起來，接通伺服驅(qū)動(dòng)器電源后，再接通伺服on，打開監(jiān)視

48、器模式；選擇轉(zhuǎn)矩項(xiàng)(dp_lrp)，按set鍵，顯示伺服電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩百分?jǐn)?shù)；逐漸增加電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩至(l=100o)額定轉(zhuǎn)矩(l=100，即100)，再轉(zhuǎn)換至顯示速度項(xiàng)，讀取伺服電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。調(diào)整主電源的輸入電壓至110(即220v)，保持負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，記錄伺服電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速；再將主電源輸入電壓調(diào)至85(即170v)，保持負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，記錄伺服電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。 計(jì)算電壓變化時(shí)伺服電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)速誤差n： n=(實(shí)際轉(zhuǎn)速-額定轉(zhuǎn)速)額定轉(zhuǎn)速×100 將相關(guān)數(shù)據(jù)填入表4-7中。表2-7 交流伺服電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)速誤差 項(xiàng) 目 110%額定電壓(220 v) 85%額定電壓(170 v)

49、伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速(r/min) 穩(wěn)速誤差(%) （4）測(cè)試位置閉環(huán)下伺服電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)剛度 接通伺服驅(qū)動(dòng)器電源，將控制方式設(shè)置為“位置控制方式”(pa02=o)，然后保存參數(shù)到eeprom，斷開伺服驅(qū)動(dòng)器電源。 連接伺服電動(dòng)機(jī)輸出軸與負(fù)載聯(lián)軸器。接通伺服驅(qū)動(dòng)器電源后，再接通伺服on，這時(shí)伺服電動(dòng)機(jī)靜止不動(dòng)，處于定位狀態(tài)。 將轉(zhuǎn)矩監(jiān)視器信號(hào)輸出端口im及g(控制系統(tǒng)前面板顯示器下方)接至示波器或萬用表電壓擋，打開監(jiān)視器模式，選擇位置偏差項(xiàng)(dp_eps)；按set鍵，顯示出位置偏差值(以脈沖數(shù)表示)。用手在聯(lián)軸器上施加扭矩，使轉(zhuǎn)矩達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩，即im輸出到3v，記錄該時(shí)刻的位置偏差值aps1；斷

50、開伺服on和伺服驅(qū)動(dòng)器電源，將伺服電動(dòng)機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)約120°后，接通伺服驅(qū)動(dòng)器電源和伺服on，對(duì)轉(zhuǎn)子軸施加額定轉(zhuǎn)矩，記錄其位置偏差值aps2；斷開伺服on及伺服驅(qū)動(dòng)器電源，轉(zhuǎn)子軸再經(jīng)過約120°，重復(fù)上述步驟，記錄下位置偏差值aps3。靜態(tài)剛度按下式計(jì)算： 靜態(tài)剛度=額定轉(zhuǎn)矩(n·m)最大位置偏差值(弧度) 將相關(guān)數(shù)據(jù)填入表2-8中。表2-8 交流伺服電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)剛度項(xiàng)目位置1位置2位置3位置偏差（脈沖數(shù)）靜態(tài)剛度（n·m/(°)）(5)位置控制方式運(yùn)行的測(cè)試將伺服驅(qū)動(dòng)器與數(shù)控系統(tǒng)連接起來，接線如圖2-24所示；按表2-9和表2-10分別對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的軸參數(shù)和硬件參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，修改伺服驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)設(shè)置，pa02=0為“位置控制方式”；再由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送控制軸的運(yùn)轉(zhuǎn)指令，把伺服驅(qū)動(dòng)器置于監(jiān)視器模式，分別讀取電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(dp spd)及位置(dp-eps)偏差。逐漸改變指令速度，記錄電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和位置偏差。提高伺服驅(qū)動(dòng)器的位置環(huán)增益(pal0參數(shù))，觀察速度和位置偏差的變化(增益設(shè)定愈高，定位時(shí)間愈快，但增益太高，將會(huì)發(fā)生位置超調(diào))。將相關(guān)數(shù)據(jù)填入表2-11和表2-12中。 表2-9 坐標(biāo)軸參數(shù)參數(shù)名參數(shù)值參數(shù)名參數(shù)值伺服驅(qū)動(dòng)器型號(hào)45最大力矩值0伺服驅(qū)動(dòng)器部件號(hào)o額定力矩值o位置環(huán)開環(huán)增益o最大跟蹤誤差o60000位置環(huán)前饋系數(shù)