伺服驅(qū)動系統(tǒng)東大ppt課件

1、6 6 伺服驅(qū)動系統(tǒng)伺服驅(qū)動系統(tǒng) n伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械位置或角度作為控制對象的自動控制系伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。它接受來自數(shù)控裝置的進(jìn)給指令信號，經(jīng)變換、調(diào)節(jié)和統(tǒng)。它接受來自數(shù)控裝置的進(jìn)給指令信號，經(jīng)變換、調(diào)節(jié)和放大后驅(qū)動執(zhí)行件，轉(zhuǎn)化為直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。放大后驅(qū)動執(zhí)行件，轉(zhuǎn)化為直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。n伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置( (計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)) )和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機(jī)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。床的重要組成部分。n數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、伺服機(jī)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、伺服機(jī)構(gòu)或伺服單元。構(gòu)或伺

2、服單元。n系統(tǒng)包括大量的電力電子器件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、綜合性強(qiáng)。系統(tǒng)包括大量的電力電子器件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、綜合性強(qiáng)。6 伺服驅(qū)動系統(tǒng)伺服驅(qū)動系統(tǒng) （1）進(jìn)給驅(qū)動進(jìn)給驅(qū)動n控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動，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)動系統(tǒng)。（2）主軸驅(qū)動主軸驅(qū)動n控制機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和切削過程中的轉(zhuǎn)矩和功率，一般以速度控制為主。對C坐標(biāo)功能的主軸驅(qū)動也需要位置控制。（3）輔助驅(qū)動輔助驅(qū)動n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。6.1.1 伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)的組成 組成：組成：伺服電機(jī)伺服電機(jī) 驅(qū)動信號控制轉(zhuǎn)換電路驅(qū)動

3、信號控制轉(zhuǎn)換電路 電子電力驅(qū)動放大模塊電子電力驅(qū)動放大模塊 位置調(diào)節(jié)單元位置調(diào)節(jié)單元 速度調(diào)節(jié)單元速度調(diào)節(jié)單元 電流調(diào)節(jié)單元電流調(diào)節(jié)單元 檢測裝置檢測裝置一般閉環(huán)系統(tǒng)為三環(huán)結(jié)構(gòu)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)。：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。6.1.1 伺服系統(tǒng)的組成 位置調(diào)解位置調(diào)解速度調(diào)解速度調(diào)解電流調(diào)解電流調(diào)解轉(zhuǎn)換驅(qū)動轉(zhuǎn)換驅(qū)動工作臺工作臺電流反饋電流反饋速度反饋速度反饋位置反饋位置反饋MGw位置、速度和電流環(huán)均由位置、速度和電流環(huán)均由調(diào)節(jié)控制模塊調(diào)節(jié)控制模塊、檢測檢測和和反饋反饋部分組成。部分組成。電力電子驅(qū)動裝置由電力電子驅(qū)動裝置由驅(qū)動信號產(chǎn)生電路驅(qū)動信號產(chǎn)生電路和和功率放大器

4、功率放大器組成。組成。w嚴(yán)格來說：嚴(yán)格來說：w位置控制包括位置、速度和電流控制；位置控制包括位置、速度和電流控制；w速度控制包括速度和電流控制。速度控制包括速度和電流控制。1精度高精度高 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) 快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動態(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。024m / mi

5、n。5低速大轉(zhuǎn)矩低速大轉(zhuǎn)矩 進(jìn)給坐標(biāo)的伺服控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制，在整個速度范圍內(nèi)都要保持這個轉(zhuǎn)矩；主軸坐標(biāo)的伺服控制在低速時為恒轉(zhuǎn)矩控制，能提供較大轉(zhuǎn)矩。在高速時為恒功率控制，具有足夠大的輸出功率。6.1.2 對伺服系統(tǒng)的基本要求 對伺服電機(jī)的要求：（1）調(diào)運(yùn)范圍寬且有良好的穩(wěn)定性，低速時的速度平穩(wěn)性（2）電機(jī)應(yīng)具有大的、較長時間的過載能力，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)動慣量、較大的 轉(zhuǎn)矩、盡可能小的機(jī)電時間常數(shù)和很大的加速度 (400rad / s2以上)。（4）能承受頻繁的起動、制動和正反轉(zhuǎn)。 6.1.2 6.1.2 對伺服系統(tǒng)的基本要求對伺服系統(tǒng)的基本要

6、求 （7 7）伺服系統(tǒng)對伺服電機(jī)的要求）伺服系統(tǒng)對伺服電機(jī)的要求 由于數(shù)控對伺服系統(tǒng)提出了如上的嚴(yán)格技術(shù)要求，伺服系統(tǒng)對其自身的執(zhí)行機(jī)構(gòu)-電動機(jī)-提出了嚴(yán)格的要求。 從最低速到最高速電機(jī)都要平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)距波動要小，尤其是在低速如0.1r/min或更低轉(zhuǎn)速時，仍有穩(wěn)定的速度而無爬行現(xiàn)象。 電機(jī)應(yīng)具有大的較長時間的過載能力，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。 為了滿足快速響應(yīng)的要求，電機(jī)應(yīng)該有較小的轉(zhuǎn)動慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并且有盡可能小的時間常數(shù)和啟動電壓。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。

7、電機(jī)應(yīng)能承受頻繁啟動、制動和反轉(zhuǎn)。6.1.2 6.1.2 對主軸伺服系統(tǒng)的要求對主軸伺服系統(tǒng)的要求 對主軸伺服系統(tǒng)，除上述要求外，還應(yīng)滿足如下要求： （1 1）主軸與進(jìn)給驅(qū)動的同步控制）主軸與進(jìn)給驅(qū)動的同步控制 該功能使數(shù)控機(jī)床具有螺紋和螺旋槽加工的能力。 （2 2）準(zhǔn)?？刂疲?zhǔn)停控制 在加工中心上，為了實(shí)現(xiàn)自動換刀，要求主軸能進(jìn)行高精確位置的停止。 （3 3）角度分度控制）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。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

8、控制?！癈”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)。6.1.3 6.1.3 伺服系統(tǒng)的分類伺服系統(tǒng)的分類 （1 1）按調(diào)節(jié)理論分類）按調(diào)節(jié)理論分類 閉環(huán) 半閉環(huán) 開環(huán)（2 2）按驅(qū)動部件的動作原理）按驅(qū)動部件的動作原理 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，其前一級為電氣元件。驅(qū)動元件為液動機(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

9、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)。 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 3）按伺服電機(jī)類型）按伺服電機(jī)類型直流伺服系統(tǒng)直流伺服系統(tǒng)a.a.小慣量直流電機(jī)、細(xì)長電機(jī)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)動慣量，所以能獲得最

10、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，要經(jīng)過中間機(jī)械傳動，才能夠與絲杠連接。 齒輪或齒型帶降速，滿足慣性匹配要求 b. b.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)（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裝置。此外，它還有一個特點(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)

11、的直流伺服系統(tǒng)。 缺點(diǎn)：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、價格昂貴 c.c.步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī) 電磁吸合原理電磁吸合原理交流伺服系統(tǒng)交流伺服系統(tǒng) a.a.交流異步電動機(jī)（一般用于主軸伺服電機(jī)）交流異步電動機(jī)（一般用于主軸伺服電機(jī)） b.b.永磁同步伺服電機(jī)永磁同步伺服電機(jī) （一般用于進(jìn)給伺服電機(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

12、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)。 (4)按進(jìn)給驅(qū)動和主軸驅(qū)動分類按進(jìn)給驅(qū)動和主軸驅(qū)動分類 進(jìn)給伺服系統(tǒng)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)速度控制環(huán)和位置控制環(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，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。 主軸伺服系統(tǒng)主軸伺服系統(tǒng) 嚴(yán)格地說、一般主軸控制只是一個速度控制系統(tǒng)。主要完成主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，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

13、級變速。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)。（5 5）按反饋比較控制方式）按反饋比較控制方式 （1 1）脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)）脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng) 將數(shù)控裝置發(fā)出的數(shù)控裝置發(fā)出的數(shù)字（或脈沖）指令與檢測反饋得檢測反饋得的以數(shù)字（或脈沖）形式表示的信號進(jìn)行比較進(jìn)行比較， 以產(chǎn)生位置誤差，達(dá)到閉環(huán)控制。 （2 2）相位比較伺服系統(tǒng)）相位比較伺服系統(tǒng) 在相位比較伺服系統(tǒng)中，位置檢測裝置工作在鑒相工作方式，將指令信號指令信號和反饋信號反饋信號都變換成

14、某種載波相位信號變換成某種載波相位信號，通過兩個載波信號的相位比較，獲得對應(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 3）幅值比較伺服系統(tǒng)（鑒幅式）幅值比較伺服系統(tǒng)（鑒幅式） 以位置檢測信號得幅值大小位置檢測信號得幅值大小來反映機(jī)械位移得數(shù)值；指令位移信號同反饋位移信號進(jìn)行比較(將此信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號才能與指令數(shù)字信號進(jìn)行比較) （4 4）全數(shù)字伺服系統(tǒng)）全數(shù)字伺服系統(tǒng) 6.2 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動控制系統(tǒng) n開環(huán)位置伺服系統(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

15、化的輸入指令脈沖對應(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)動控制電路結(jié)為一體。n隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，除功率驅(qū)動電路之外，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，最高移動僅僅為2m/min，且功率越大，移動速度越低，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。6.2.1 步進(jìn)電機(jī)的工作原理及類型 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(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)又稱脈沖電動機(jī)或電脈沖馬達(dá)。 其角位移量與電脈沖數(shù)成正比

16、，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累積。 步進(jìn)電機(jī)的最大缺點(diǎn)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、PWM驅(qū)動、微步驅(qū)動、超微步驅(qū)動及其他們的綜合運(yùn)用，使得步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動能力有很大提高 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)動部件的位移沒有檢測反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的信號是單向的。）（1 1） 步進(jìn)電機(jī)的分類步進(jìn)電機(jī)的分類 按運(yùn)動方式分：有旋轉(zhuǎn)式、直線運(yùn)動式、平面運(yùn)動式

17、和滾動運(yùn)動式。 按工作原理分：有反應(yīng)式（磁阻式）有反應(yīng)式（磁阻式）、電磁式、永磁式、永磁感應(yīng)式永磁感應(yīng)式（混合式）（混合式）。 按使用場合分：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)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)和永磁感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)永磁感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（2 2）步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理）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)，每接受一個脈沖信號轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個角度，稱為步距角。步距角。 脈

18、沖數(shù)目：位移大??；脈沖頻率：速度大??；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)）：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：工作原理：電磁吸合 轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子：開槽形成齒 定子：定子：有磁極 以三相單三拍為例說明工作原理： 第一拍：第一拍：A相勵磁繞組通電，B、C勵磁繞組斷電。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)子齒與之對齊。 第二拍：第二拍：B相勵磁繞組通電，C、A勵磁繞組斷電。 第三拍：第三拍：C相勵磁繞組通電，A、B勵磁繞組斷電。 如通電順序：A、B、C逆時針旋轉(zhuǎn)；如通電順序相反，則順時針旋轉(zhuǎn) 通電順序也可以A-AB-B

19、-BC-C-CA 同一臺步進(jìn)電機(jī)，因通電方式的不同，運(yùn)行時的步距角也是不同的，采用單、雙拍通電方式時，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)用就會影響到加工工件的精度。實(shí)際中采用的是小步實(shí)際中采用的是小步距角的步進(jìn)電機(jī)。距角的步進(jìn)電機(jī)。6.2.2 步進(jìn)電機(jī)的主要特性 （1 1）步距角和靜態(tài)步距角（誤差）步距角和

20、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，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，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)。mzK360 圖所示為步進(jìn)電動機(jī)的展開圖。其中定子有6個極，轉(zhuǎn)子有40個齒。當(dāng)A極下的定、轉(zhuǎn)子齒對齊時，B極和C極下的齒就分別和轉(zhuǎn)子齒相錯三分之一的轉(zhuǎn)子齒距。 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(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“自動錯位”，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

21、的相時，在某一極下若定子和轉(zhuǎn)子的齒對齊時，則要求在相鄰極下的定子和轉(zhuǎn)子之間應(yīng)錯開轉(zhuǎn)子齒距的1/m。（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)不改變通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子處于不動狀態(tài)，如果在電機(jī)軸上外加一個負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子按一定的方向轉(zhuǎn)過一個角度，此時轉(zhuǎn)子所受的電磁轉(zhuǎn)矩，稱為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，角度稱為失調(diào)角失調(diào)角。描述靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與的關(guān)系叫作步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)矩角特性矩角特性。 各項(xiàng)的矩角特性差異不應(yīng)該太大，否則會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，使電動機(jī)矩角特性大致相同。 兩個齒中心線之間的距離叫齒距齒距，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距，矩角特性就變化一個周期，相當(dāng)于22電角度。 在

22、定子、轉(zhuǎn)子齒槽對準(zhǔn)時，定、轉(zhuǎn)子槽中心線重合在定子、轉(zhuǎn)子齒槽對準(zhǔn)時，定、轉(zhuǎn)子槽中心線重合，失調(diào)角為=0，電磁轉(zhuǎn)矩T=0。若轉(zhuǎn)子齒的中心線對準(zhǔn)定子槽中心線轉(zhuǎn)子齒的中心線對準(zhǔn)定子槽中心線，失調(diào)角=，這時相鄰兩定子齒對這轉(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)角在失調(diào)角=/2/2（即（即1/41/4齒距處）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)角小于當(dāng)失調(diào)角小于-或大或大雨雨+時時，該轉(zhuǎn)子齒已進(jìn)入了另一個定子齒的拉力范圍，轉(zhuǎn)矩方向趨于使轉(zhuǎn)子齒與下一個齒對齊。當(dāng)當(dāng)=22，轉(zhuǎn)子齒與另一個定子齒對齊，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)穩(wěn)

23、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=0，而=處為不穩(wěn)定平不穩(wěn)定平衡點(diǎn)衡點(diǎn)。穩(wěn)定平衡點(diǎn)只有一個。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)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)。（3 3）最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩）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。最大靜轉(zhuǎn)矩特性。 當(dāng)控制電流很小時，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，受磁路飽和的影響，最大轉(zhuǎn)矩Tmax上升變緩，電流很

24、大時曲線趨向飽和。（4）起動轉(zhuǎn)矩）起動轉(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)值為起動轉(zhuǎn)矩。它表示步進(jìn)電機(jī)單相激勵時所能帶動的極限負(fù)載轉(zhuǎn)矩。（5 5）連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)時的動特性）連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)時的動特性_工作頻率工作頻率 步進(jìn)電機(jī)的工作頻率是指電動機(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，即一個脈沖移動一個步距角。所謂失步的內(nèi)容包括：丟步和越步丟步和越步。 步進(jìn)電動機(jī)的工作頻率，通常分為啟動頻率、制動頻率及啟動頻率、制動頻率及連續(xù)工作頻率連續(xù)工作頻率。對于同樣負(fù)載轉(zhuǎn)矩來說，正、反向起動頻率和制動頻率都是一樣的，而連續(xù)工作頻率要

25、高得多。 一般步進(jìn)電動機(jī)的技術(shù)參數(shù)中只給出起動頻率和連續(xù)工作頻率。 起動頻率起動頻率 空載時，步進(jìn)電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)突然啟動，并進(jìn)入不丟步的正常運(yùn)行的最高頻率，稱為空載起動頻率?？蛰d起動頻率。加給步進(jìn)電機(jī)的指令脈沖頻率如果大于起動頻率，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）時啟動頻率比空載要低。而且隨著負(fù)載加大（在允許的范圍內(nèi)），起動頻率會進(jìn)一步降低。 起動頻率的大小由許多因素決定，繞組時間常數(shù)越小，負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量越小、步距角越小，則起動頻率越高。 連續(xù)運(yùn)行頻率連續(xù)運(yùn)行頻率 步進(jìn)電機(jī)啟動后，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)行頻率運(yùn)行頻率。其值遠(yuǎn)大于起

26、動頻率，其值遠(yuǎn)大于起動頻率，它也隨著電動機(jī)所帶負(fù)載得性質(zhì)和大小而異，與驅(qū)動電源也有很大關(guān)系。 （5 5）連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)時的動特性）連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)時的動特性_矩頻特性矩頻特性 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)電動機(jī)在連續(xù)運(yùn)行時，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)電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時承載能力的動態(tài)指標(biāo)。 下頁圖中每一頻率所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為動態(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)電動機(jī)便無法工作。 對矩頻特性曲線進(jìn)一步說明 因步進(jìn)電動機(jī)的控制繞組中存在電感，相應(yīng)地有一定的電氣時間常數(shù)，所以控制繞組中

27、電流增長也有一個過程。當(dāng)脈沖頻率很高時控制繞組中的電流不能達(dá)到穩(wěn)定值,故電動機(jī)的最大動態(tài)轉(zhuǎn)矩小于最大靜轉(zhuǎn)矩。而且脈沖頻率越高，最大動態(tài)轉(zhuǎn)矩也就越小，在步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行時，對應(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態(tài)轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)才能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。6.2.4 6.2.4 步進(jìn)電機(jī)的控制方法步進(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。 硬件環(huán)行分配器硬件環(huán)行分配器 目前已經(jīng)有很多可靠性高、尺

28、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個管角的直插式封裝。 CMOS型：如CH250為16個管角的直插式封裝6.2.5 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電源 高低壓驅(qū)動電路（3）斬波驅(qū)動電路 三種驅(qū)動電路電流波形 三種驅(qū)動電路電流波形比較 單電壓驅(qū)動電路單電壓驅(qū)動電路的優(yōu)點(diǎn)是線路簡單，缺點(diǎn)是電流上升不夠快，高頻時帶負(fù)載能力低。 高低壓驅(qū)動電路高低壓驅(qū)動電路的優(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)動電路斬波驅(qū)動電路雖然復(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

29、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?。ㄒ话?.2左右），所以整個系統(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。（4）調(diào)頻調(diào)壓電路 在電源電壓一定時，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)時的輸出轉(zhuǎn)矩就需要提高供電電壓。 從上述的驅(qū)動電路來看，為了提高驅(qū)動系統(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，步進(jìn)電機(jī)的振

30、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)動電源對繞組提供的電壓與電動機(jī)運(yùn)行頻率建立直接關(guān)系，即低頻時用較低的電壓供電，高頻時用較高電壓供電低頻時用較低的電壓供電，高頻時用較高電壓供電。 電壓隨頻率可以由不同的方法實(shí)現(xiàn)，如分頻來調(diào)壓、隨電壓頻率線分頻來調(diào)壓、隨電壓頻率線性地變化性地變化等。（5 5）步進(jìn)電動機(jī)細(xì)分的驅(qū)動原理）步進(jìn)電動機(jī)細(xì)分的驅(qū)動原理 在前述步進(jìn)電動機(jī)工作原理中，講到步距角由步進(jìn)電動機(jī)的齒距角及繞組相數(shù)等電動機(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)動的分辨率，要求對步距角進(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。此時電流分成多個臺階，則轉(zhuǎn)子就以同樣的步數(shù)轉(zhuǎn)過一個步進(jìn)電機(jī)的固定步距角。這樣將一個步距角細(xì)分成若干步的驅(qū)動方法稱為細(xì)分驅(qū)動細(xì)分驅(qū)動。 獲得階梯電流一般有兩種方法獲得階梯電流一般有兩種方法： 一是先產(chǎn)生時序脈沖，放大后在電動機(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。