第6章開環(huán)伺服系統(tǒng)ppt課件

1、一、一、 伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)的組成 數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)按其功能可分為：進(jìn)給伺服系統(tǒng)和主軸伺服系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)按其功能可分為：進(jìn)給伺服系統(tǒng)和主軸伺服系統(tǒng)。 主軸伺服系統(tǒng)用于控制機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。主軸伺服系統(tǒng)用于控制機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。 進(jìn)給伺服系統(tǒng)是以機(jī)床移動(dòng)部件如工作臺的位置和速度作為控制進(jìn)給伺服系統(tǒng)是以機(jī)床移動(dòng)部件如工作臺的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，通常由伺服驅(qū)動(dòng)裝置、伺服電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及執(zhí)量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，通常由伺服驅(qū)動(dòng)裝置、伺服電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及執(zhí)行部件組成。行部件組成。 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，進(jìn)給伺服系統(tǒng)的作用：接受數(shù)控裝置

2、發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號，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)直流、交流伺服電由伺服驅(qū)動(dòng)裝置作一定的轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服電機(jī)直流、交流伺服電機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)等和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺等執(zhí)行部件實(shí)機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)等和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺等執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給或快速運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)工作進(jìn)給或快速運(yùn)動(dòng)。 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)能根據(jù)指令信號精確地控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)能根據(jù)指令信號精確地控制執(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。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。 如果把數(shù)控裝置比作數(shù)控機(jī)床的如果把

3、數(shù)控裝置比作數(shù)控機(jī)床的“大腦大腦”，是發(fā)布，是發(fā)布“命令的指揮機(jī)命令的指揮機(jī)構(gòu)，那么伺服系統(tǒng)就是數(shù)控機(jī)床的構(gòu)，那么伺服系統(tǒng)就是數(shù)控機(jī)床的“四肢四肢”，是執(zhí)行，是執(zhí)行“命令的機(jī)構(gòu)，它命令的機(jī)構(gòu)，它是一個(gè)不折不扣的跟隨者。是一個(gè)不折不扣的跟隨者。圖6-1 閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)位置控制模塊速度控制單元伺 服 電機(jī) 工作臺 位置檢測測量反饋 伺服驅(qū)動(dòng)裝置速度環(huán)速度檢測位置環(huán) 數(shù)控機(jī)床閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖，這是一個(gè)雙閉環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)為速度環(huán)，外環(huán)為位置環(huán)。速度環(huán)由速度控制單元、速度檢測裝置等構(gòu)成。速度控制單元是一個(gè)獨(dú)立的單元部件，它是用來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的，是速度控制系統(tǒng)的核心。速度檢測裝置有測速發(fā)電機(jī)

4、、脈沖編碼器等。位置環(huán)是由CNC裝置中的位置控制模塊、速度控制單元、位置檢測及反饋控制等部分組成。 由速度檢測裝置提供速度反饋值的速度環(huán)控制在進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置內(nèi)完成，而裝在電動(dòng)機(jī)軸上或機(jī)床工作臺上的位置反饋裝置提供位置反饋值構(gòu)成的位置環(huán)由數(shù)控裝置來完成。伺服系統(tǒng)從外部來看，是一個(gè)以位置指令輸入和位置控制為輸出的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。但從內(nèi)部的實(shí)際工作來看，它是先把位置控制指令轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的速度信號后，通過調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，才實(shí)現(xiàn)實(shí)際位移的。二、對伺服系統(tǒng)的基本要求二、對伺服系統(tǒng)的基本要求l伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選用伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選用l1精度要求：定位精度、重復(fù)定位精度、加工精度精度要求：定位精度、重復(fù)定位精

5、度、加工精度l2穩(wěn)定性：達(dá)到平衡狀態(tài)的能力穩(wěn)定性：達(dá)到平衡狀態(tài)的能力l3響應(yīng)速度：跟蹤指令信號的速度響應(yīng)速度：跟蹤指令信號的速度l4調(diào)速范圍：最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比調(diào)速范圍：最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比Rn=nmax/nminl5低速轉(zhuǎn)距特性低速轉(zhuǎn)距特性:低速時(shí)轉(zhuǎn)距輸出能力低速時(shí)轉(zhuǎn)距輸出能力l關(guān)于定位精度和重復(fù)定位精度關(guān)于定位精度和重復(fù)定位精度l 定位精度：移動(dòng)件到達(dá)指令位置的準(zhǔn)確度定位精度：移動(dòng)件到達(dá)指令位置的準(zhǔn)確度l 重復(fù)定位精度：移動(dòng)件在任意定位點(diǎn)的定位一致性重復(fù)定位精度：移動(dòng)件在任意定位點(diǎn)的定位一致性l一、組成一、組成 伺服驅(qū)動(dòng)單元、執(zhí)行元件、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)伺服驅(qū)動(dòng)單元、執(zhí)行元件、傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 二、步

6、進(jìn)電機(jī)二、步進(jìn)電機(jī)將電脈沖轉(zhuǎn)變成機(jī)械角位移的裝置將電脈沖轉(zhuǎn)變成機(jī)械角位移的裝置 第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) CNC步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)放大驅(qū)動(dòng)放大 工作臺工作臺 第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)v按輸出轉(zhuǎn)矩分：按輸出轉(zhuǎn)矩分： 伺服步進(jìn)電機(jī)、功率伺服步進(jìn)電機(jī)、功率 步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)。 v按勵(lì)磁相數(shù)分：按勵(lì)磁相數(shù)分： 三相、六相、五相、六相、八相三相、六相、五相、六相、八相 等等 v按工作原理分：按工作原理分： 反應(yīng)式、激磁式、混合式永磁反應(yīng)式）反應(yīng)式、激磁式、混合式永磁反應(yīng)式） 第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)v步進(jìn)電機(jī)由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成步進(jìn)電機(jī)由轉(zhuǎn)子和定子兩部分

7、組成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,CCA、B、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1) 定子定子五個(gè)極齒五個(gè)極齒第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)定子上線圈的繞法定子上線圈的繞法A相A相B相B相C相C相2.2.步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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9o左圖為一轉(zhuǎn)子示意圖：左圖為一轉(zhuǎn)子示意圖：以四十齒為例來說明以四十齒為例來說明步進(jìn)電機(jī)的原理步進(jìn)電機(jī)的原理第六

8、章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)A A相相轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 子子9 9o oB B相相轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 子子3 3o oC C相相轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子6 6o o如果如果A相通電則轉(zhuǎn)子齒與相通電則轉(zhuǎn)子齒與A相極齒對齊，這時(shí)在相極齒對齊，這時(shí)在B相兩極下相兩極下定子齒與轉(zhuǎn)子齒中心線并不對齊，而

9、是轉(zhuǎn)子齒中心線較定定子齒與轉(zhuǎn)子齒中心線并不對齊，而是轉(zhuǎn)子齒中心線較定子齒中心線反時(shí)針方向落后子齒中心線反時(shí)針方向落后1/3齒距，即齒距，即3o。因而，當(dāng)通電狀態(tài)由因而，當(dāng)通電狀態(tài)由A相變?yōu)橄嘧優(yōu)锽相時(shí)，轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向相時(shí)，轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)過3o，C相通電再轉(zhuǎn)相通電再轉(zhuǎn)3o。C相下，轉(zhuǎn)子齒超前相下，轉(zhuǎn)子齒超前6o。第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三拍通電激磁，步距角三拍通電激磁，步距角= = 3o3 4 40 00631 . . 一般一般 =m繞組相數(shù)；繞組相數(shù)；Z轉(zhuǎn)子齒數(shù)，單拍轉(zhuǎn)子齒數(shù)，單拍k=1,雙拍雙拍k=2。mzk063六拍通電激磁，步距角

10、六拍通電激磁，步距角 = = 1.5o3 40402 . . 063第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)定子繞組通斷電順序定子繞組通斷電順序 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向 定子繞組通斷電轉(zhuǎn)換頻率定子繞組通斷電轉(zhuǎn)換頻率 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 定子繞組通斷電次數(shù)定子繞組通斷電次數(shù) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角 三相單三拍三相單三拍 A B C A A B C A （K=1K=1） 三相雙三拍三相雙三拍 AB BC CA AB AB BC CA AB （K=1K=1） 三相六拍三相六拍 A AB B BC C CA A A AB B BC C CA A （K=2K=2） v 通斷電方式通斷電方式第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服

11、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最高工作頻率最高工作頻率fmaxfmax） 加減速特性加減速特性 矩頻特性矩頻特性 啟動(dòng)頻率啟動(dòng)頻率fstfst） 步距角步距角及步距誤差及步距誤差 靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與矩角特性靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與矩角特性最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mq 步距角是兩個(gè)相臨脈沖時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度步距角是兩個(gè)相臨脈沖時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度, ,一般來一般來說步距角越小說步距角越小, ,控制越精確?？刂圃骄_。 第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)5.5.主要控制特性主要控制特性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)單相通電時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單相通電時(shí), ,步距誤差取決于定子和轉(zhuǎn)子的分齒步

12、距誤差取決于定子和轉(zhuǎn)子的分齒精度精度, ,和各相定子錯(cuò)位角度的精度。和各相定子錯(cuò)位角度的精度。多相通電時(shí)多相通電時(shí), ,其不僅與上述因素有關(guān)其不僅與上述因素有關(guān), ,還和各相電流大小還和各相電流大小, ,磁磁路性能有關(guān)。路性能有關(guān)。 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)子齒將力求當(dāng)步進(jìn)電機(jī)上某相定子繞組通電之后，轉(zhuǎn)子齒將力求與定子齒對齊，使磁路中的磁阻最小，轉(zhuǎn)子處在平衡位與定子齒對齊，使磁路中的磁阻最小，轉(zhuǎn)子處在平衡位置不動(dòng)置不動(dòng)0）。如果在電機(jī)軸上外加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩）。如果在電機(jī)軸上外加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩Mz，轉(zhuǎn)子會(huì)偏離平衡位置向負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)過一個(gè)角度轉(zhuǎn)子會(huì)

13、偏離平衡位置向負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，角，角度度稱為失調(diào)角。有失調(diào)角之后，步進(jìn)電機(jī)就產(chǎn)生一個(gè)靜稱為失調(diào)角。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)矩也稱為電磁轉(zhuǎn)矩），這時(shí)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)態(tài)轉(zhuǎn)矩也稱為電磁轉(zhuǎn)矩），這時(shí)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角矩。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6-6所示，所示，近似為正弦曲線。該矩角特性上的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大值稱為近似為正弦曲線。該矩角特性上的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。在靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，當(dāng)外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩除去時(shí)，最大靜轉(zhuǎn)矩。在靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，當(dāng)外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩除去時(shí)，轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)矩作用下，仍能回到穩(wěn)定平衡點(diǎn)位置轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)矩作用下，仍

14、能回到穩(wěn)定平衡點(diǎn)位置0）。）。第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) O Mjmax M 靜態(tài)穩(wěn)定區(qū) - -/2 /2 圖6-6 靜態(tài)矩角特性3最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mq 圖6-7為三相單三拍矩角特性曲線，圖中的A、B分別是相鄰A相和B相的靜態(tài)矩角特性曲線，它們的交點(diǎn)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩是步進(jìn)電機(jī)的最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mq 。如果外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于Mq ，電機(jī)就不能啟動(dòng)。如圖6-7所示,當(dāng)A相通電時(shí)，若外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩Ma Mq ，對應(yīng)的失調(diào)角為a ，當(dāng)勵(lì)磁電流由A相切換到B相時(shí)，對應(yīng)角b ，B相的靜轉(zhuǎn)矩為Mb。從圖中看出Mb Mq,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)矩。 bA B C圖6-

15、6 三相單三拍步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩MbMqMaMa第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)空載時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止突然啟動(dòng)，并不失步的進(jìn)入穩(wěn)速運(yùn)行，空載時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止突然啟動(dòng)，并不失步的進(jìn)入穩(wěn)速運(yùn)行，所允許的啟動(dòng)頻率的最高值為最高啟動(dòng)頻率所允許的啟動(dòng)頻率的最高值為最高啟動(dòng)頻率. .啟動(dòng)時(shí)頻率大于最高啟動(dòng)頻率時(shí)步進(jìn)電機(jī)不能正常工作，最高啟動(dòng)時(shí)頻率大于最高啟動(dòng)頻率時(shí)步進(jìn)電機(jī)不能正常工作，最高啟動(dòng)頻率與步進(jìn)電機(jī)的慣性負(fù)載有關(guān)啟動(dòng)頻率與步進(jìn)電機(jī)的慣性負(fù)載有關(guān). .步進(jìn)電機(jī)工作頻率連續(xù)上升時(shí)，電動(dòng)機(jī)不失步運(yùn)行的最步進(jìn)電機(jī)工作頻率連續(xù)上升時(shí)，電動(dòng)機(jī)不失步運(yùn)行的最高頻率稱為最高工作頻率。高頻率稱為最高工作頻率

16、。它的值也和負(fù)載有關(guān)。很顯然，在同樣負(fù)載下，最高工它的值也和負(fù)載有關(guān)。很顯然，在同樣負(fù)載下，最高工作頻率遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率作頻率遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率. .第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下，步進(jìn)電機(jī)的電磁力矩隨頻率的升高而在連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下，步進(jìn)電機(jī)的電磁力矩隨頻率的升高而急劇下降，這兩者的關(guān)系稱為矩頻特性急劇下降，這兩者的關(guān)系稱為矩頻特性. .6 6矩頻特性矩頻特性Md / NmMd / Nmf /Hzf /Hz16*100016*10000 01 12 23 34 44 48 812127)加減速特性加減速特性 步進(jìn)電機(jī)的加減速特性是描述步進(jìn)電機(jī)由靜止到工作頻率步進(jìn)電機(jī)的加減速特性

17、是描述步進(jìn)電機(jī)由靜止到工作頻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(shí)間的關(guān)系變化頻率與時(shí)間的關(guān)系. 當(dāng)要求步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)到大于突跳頻率的工作頻率時(shí)，變化速度當(dāng)要求步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)到大于突跳頻率的工作頻率時(shí)，變化速度必須逐漸上升必須逐漸上升 同樣同樣,當(dāng)要求步進(jìn)電機(jī)從最高工作頻率或高于突跳頻率的工作當(dāng)要求步進(jìn)電機(jī)從最高工作頻率或高于突跳頻率的工作頻率停止時(shí)，變化速度必須逐漸下降頻率停止時(shí)，變化速度必須逐漸下降 逐漸上升或下降的加速時(shí)間、減速時(shí)間不能過小，否則會(huì)逐漸上升或下降的加速時(shí)間、減速時(shí)間不能過小，否則會(huì)出現(xiàn)失步或超步出

18、現(xiàn)失步或超步一般用加速時(shí)間常數(shù)一般用加速時(shí)間常數(shù)Ta和減速時(shí)間常數(shù)和減速時(shí)間常數(shù)Td來描來描述步進(jìn)電機(jī)的升速和降述步進(jìn)電機(jī)的升速和降速特性速特性第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)l步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子有80個(gè)齒，采用三相六拍驅(qū)動(dòng)方式，經(jīng)絲杠螺母傳動(dòng)副驅(qū)動(dòng)工作臺做直線運(yùn)動(dòng)，絲杠的導(dǎo)程為5mm，工作臺移動(dòng)最大速度為6mm/s。求：l(1)步進(jìn)電機(jī)的步距角=？l(2)工作點(diǎn)的脈沖當(dāng)量？l(3)步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率？l解：(1) l(2) 絲杠導(dǎo)程步距角/360l =50.75/360=0.01(mm/脈沖)l(3) 75. 08023360360mkz)(60001. 0/6/Hzvf第六章第六章 伺

19、服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1)1)步進(jìn)電機(jī)選擇原則：步進(jìn)電機(jī)選擇原則： 步矩角步矩角與機(jī)械系統(tǒng)相匹配，以得到系統(tǒng)所需的與機(jī)械系統(tǒng)相匹配，以得到系統(tǒng)所需的 保證電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，大于負(fù)載所需轉(zhuǎn)矩保證電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，大于負(fù)載所需轉(zhuǎn)矩 能與機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載慣量相匹配 為使電機(jī)具有良好的起動(dòng)性能及較快的響應(yīng)速度 推薦 Jleq/Jm0或R50時(shí)為反；l R7：TAB數(shù)據(jù)表指針。l 以上參數(shù)在主程序中給定。l出口：R7：子程序結(jié)束時(shí)電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)，供下次調(diào)用時(shí)參考。l源程序如下：lSBU1： MOV DPTR，#TABl AJMP REDO ；轉(zhuǎn)移去判斷正反轉(zhuǎn)lDRIVER： MOV，R7 ；驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)l MOV

20、 A，A+DPTRl MOV P1，Al ACALL DELAY ；調(diào)延時(shí)子程序 l DJNZ R6，REDO ；距離不為0轉(zhuǎn)移 l MOV R7，A ；為0保存指針后返回l RETlREDO： CJNE R5，#00，NON ；如為反轉(zhuǎn)則轉(zhuǎn)移l CJNE R7，#05，L1 ；正轉(zhuǎn)：指針不到數(shù)組尾轉(zhuǎn)移l MOV R7，#00H ；否則指針清零l AJMP DRIVERlL1： INC R7 ；指針加1l AJMP DRIVERlNON： CJNE R7，#00H，L2 ；反轉(zhuǎn)：指針不在數(shù)組首轉(zhuǎn)移l MOV R7，#05H ；否則指針置5l AJMP DRIVERlL2： DEC R7 ；指針

21、減1lTAB： DB 01H，03H，02H，06H，04H，05Hl這里省略了延時(shí)子程序，通過改變延時(shí)時(shí)間的長短來控制電動(dòng)機(jī)的速度。在以計(jì)算機(jī)為控制核心的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中采用軟件進(jìn)行脈沖分配已形成趨勢。雖然軟件脈沖分配增加了編程的復(fù)雜程度，但它省去了環(huán)形脈沖分配器，系統(tǒng)減少了器件，降低了成本，也提高了系統(tǒng)的可靠性。l 第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1對驅(qū)動(dòng)電源的要求對驅(qū)動(dòng)電源的要求 實(shí)際上，步進(jìn)電機(jī)是感性負(fù)載，實(shí)際上，步進(jìn)電機(jī)是感性負(fù)載，繞組中電流不能突變，而是按繞組中電流不能突變，而是按指數(shù)規(guī)律上升或下降指數(shù)規(guī)律上升或下降, ,從而使整個(gè)從而使整個(gè)通電周期內(nèi)，繞組電流平均值下降，通

22、電周期內(nèi)，繞組電流平均值下降，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩下降。電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩下降。 q 理想驅(qū)動(dòng)電源使電機(jī)繞組電流理想驅(qū)動(dòng)電源使電機(jī)繞組電流q 盡量接近矩形波。盡量接近矩形波。 而當(dāng)電機(jī)運(yùn)行頻率很高時(shí)，電流峰值而當(dāng)電機(jī)運(yùn)行頻率很高時(shí)，電流峰值顯著小于額定勵(lì)磁電流，從而導(dǎo)致電機(jī)顯著小于額定勵(lì)磁電流，從而導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)一步下降，嚴(yán)重時(shí)不能啟動(dòng)。轉(zhuǎn)矩進(jìn)一步下降，嚴(yán)重時(shí)不能啟動(dòng)。 第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 上升時(shí)電流時(shí)間常數(shù)上升時(shí)電流時(shí)間常數(shù) Ti = L/R L步進(jìn)電機(jī)繞組平均電感量步進(jìn)電機(jī)繞組平均電感量 R通電回路電阻，包括： 繞組內(nèi)阻、功率放大器輸出級內(nèi)阻、串聯(lián)電阻 下降時(shí)電流時(shí)間常數(shù)下降時(shí)電流時(shí)

23、間常數(shù) Td = L/RD Td = L/RD RD RD放大回路電阻放大回路電阻 為了提高步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性，必須改善電流波形，使前后沿陡度增大，方法有： 第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 從 Ti=L/R 知，為 ， 可 R，故可在進(jìn)電機(jī)繞組回路中串聯(lián)一個(gè)電阻Ro此時(shí)， Ti = L/( r+R0 ) 特點(diǎn)：線路簡單，但 Ro ( 10)上消耗一定功率，發(fā)熱量大，也降低了放大器的效率，只適于小功率步進(jìn)電機(jī)。 第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 電感繞組通電狀態(tài)時(shí)，繞組上電流為 Im=(E/r) (1-e-t/Ti ) E電源電壓 電流增長率為 dE/dt= Im=(E/r) (1-

24、e-t/Ti )可見，增大電源電壓可以有效地改善電流上升陡度可見，增大電源電壓可以有效地改善電流上升陡度 特點(diǎn)：線路復(fù)雜，需采用雙電源，但效率較高，效果好，特點(diǎn)：線路復(fù)雜，需采用雙電源，但效率較高，效果好，適于中小型功率步進(jìn)電機(jī)。適于中小型功率步進(jìn)電機(jī)。 第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 電容C: 在接通瞬間短接R 電流由 ELCT1 故C稱 加速電容 電阻Rc: 在電流達(dá)到恒定后還起限流作用， 改變了時(shí)間常數(shù) ，提高了響 應(yīng)速度，此時(shí)電流由 ELRcT1 輸入脈沖為輸入脈沖為“0時(shí)，時(shí)，T1截止，截止，il=0 輸入脈沖為輸入脈沖為“1時(shí)，時(shí)，T1導(dǎo)通導(dǎo)通 RaLCLRRRcRL第六章

25、第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 輸入脈沖消失后，輸入脈沖消失后，T1T1截止，截止， L L兩端將產(chǎn)生一感應(yīng)電壓。兩端將產(chǎn)生一感應(yīng)電壓。 V=L(di/dt)，由于，由于T1關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間dt很短，很短，故感應(yīng)電壓故感應(yīng)電壓U很大，將擊穿晶體管，很大，將擊穿晶體管，為此增加二極管為此增加二極管 D 續(xù)流，續(xù)流電流續(xù)流，續(xù)流電流: LRcDL 2單電壓型驅(qū)動(dòng)電源單電壓型驅(qū)動(dòng)電源Rc第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 而而T2T2在高壓控制電路下導(dǎo)通在高壓控制電路下導(dǎo)通 時(shí)間時(shí)間t1t1較短較短 (100-600 (100-600 s) s) 繞組在高壓繞組在高壓 EH EH下電流下電流

26、迅速增大至額定值，迅速增大至額定值， 此時(shí)低壓此時(shí)低壓 EL EL無效。無效。 輸入脈沖信號為輸入脈沖信號為“0“0時(shí)，時(shí)， T1 T1、T2T2均截止，均截止，IL=0IL=0 輸入信號為輸入信號為“1“1時(shí)，時(shí)，T1 T1 導(dǎo)導(dǎo)通通 t1 t1之后，之后，T2T2截止，低壓供壓，截止，低壓供壓，維持繞組所需的額定電流維持繞組所需的額定電流IeIeEHEL第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 輸入脈沖信號消失輸入脈沖信號消失(為為“0”)， T1、T2均截止，均截止， L上電流經(jīng)放電回路：上電流經(jīng)放電回路： LRoD2EHELD1L 迅速下降迅速下降 EH供電，勵(lì)磁電流前沿電流供電，勵(lì)磁電

27、流前沿電流 Ip=EH/(r+R0)(1-e-t/Ti ) 由此計(jì)算t1 t1=T/n EH/EH+ In (r+R0)In要求高壓通電，要求高壓通電， 電流達(dá)到的數(shù)值電流達(dá)到的數(shù)值EHEL第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)繞組上電流繞組上電流Il Il 隨外加電壓隨外加電壓(EH(EH、EL)EL)變化而變化，變化而變化， 當(dāng)外加電壓變化時(shí)，電機(jī)特性變差，工作不穩(wěn)定當(dāng)外加電壓變化時(shí)，電機(jī)特性變差，工作不穩(wěn)定 繞組電流波形下凹，繞組電流波形下凹， 使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩降低使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩降低 3) R的存在使效率降低 EH ELEH EL第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 在繞組回路中串接電流

28、檢測電路： 當(dāng)繞組電流下降至一定下限時(shí)， 由檢測電路發(fā)生信號、控制 高壓管再度接通，使繞組 電流回升； 當(dāng)電流增至某一上限時(shí)，當(dāng)電流增至某一上限時(shí)，再次斷開高壓源。再次斷開高壓源。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、響應(yīng)速度快、驅(qū)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、響應(yīng)速度快、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、功耗低、噪聲大。動(dòng)能力強(qiáng)、功耗低、噪聲大。應(yīng)用：大中型功率步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用：大中型功率步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)若勵(lì)磁電流以方波達(dá)到額定值，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角；若勵(lì)磁電流以方波達(dá)到額定值，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角；而若勵(lì)磁電流以若干級上升到額定值，則轉(zhuǎn)子以同樣的而若勵(lì)磁電流以若干級上升

29、到額定值，則轉(zhuǎn)子以同樣的若干級轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，即可使步進(jìn)電機(jī)步距變小。若干級轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，即可使步進(jìn)電機(jī)步距變小。 細(xì)分即使電機(jī)通電電流由矩形波轉(zhuǎn)變?yōu)殡A梯波，即使勵(lì)磁細(xì)分即使電機(jī)通電電流由矩形波轉(zhuǎn)變?yōu)殡A梯波，即使勵(lì)磁電流以若干個(gè)等幅、等寬的階梯上升到額定值，并以同樣電流以若干個(gè)等幅、等寬的階梯上升到額定值，并以同樣的階梯從額定值下降到零。的階梯從額定值下降到零。 細(xì)分技術(shù)的關(guān)鍵是如何獲得階梯波。下面介紹應(yīng)用單片機(jī)細(xì)分技術(shù)的關(guān)鍵是如何獲得階梯波。下面介紹應(yīng)用單片機(jī)進(jìn)行細(xì)分驅(qū)動(dòng)的技術(shù)。進(jìn)行細(xì)分驅(qū)動(dòng)的技術(shù)。 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)： 切換時(shí)，繞組電流并非全部切除或通入，只改變額定值的一部分如1/4)，轉(zhuǎn)

30、子也只轉(zhuǎn)動(dòng)步距角的一部分如1/4)。第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)四、提高步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)精度的措施存在的問題：無位移檢測元件，定位精度主要取決于傳動(dòng)精度改善措施反向間隙補(bǔ)償：在換向時(shí)通過附加脈沖進(jìn)行補(bǔ)償螺距誤差補(bǔ)償：采用機(jī)械樣板或附加脈沖進(jìn)行補(bǔ)償反饋補(bǔ)償：通過檢測器進(jìn)行系統(tǒng)誤差檢測，周期性地發(fā)出補(bǔ)償脈沖。第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)步距角越小，意味著它所能達(dá)到的位置精度越步距角越小，意味著它所能達(dá)到的位置精度越 ；步進(jìn)電機(jī)的步距角計(jì)算公式步進(jìn)電機(jī)的步距角計(jì)算公式為為 ；齒距角的計(jì)算公式為齒距角的計(jì)算公式為 ；一個(gè)齒距角的電角度是一個(gè)齒距角的電角度是 ；一個(gè)步距角的電角度是一個(gè)步距角的電角度是 ；在數(shù)控制機(jī)床中常采用的步距角是在數(shù)控制機(jī)床中常采用的步距角是 。 =360o/mzk =360o/mzk z=360/zz=360/z360o =360o/mk=360o/mk高高3o 1.