步進電動機伺服系統(tǒng)介紹

步進電動機伺服系統(tǒng)介紹第六章數(shù)控機床的進給伺服系統(tǒng)6.1概述6.1.1伺服系統(tǒng)的組成

組成：伺服電路、伺服驅(qū)動裝置、機械傳動機構(gòu)及執(zhí)行部件。作用：接受數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進給速度和位移指令信號→由伺服驅(qū)動電路作一定的轉(zhuǎn)換和放大后→經(jīng)伺服驅(qū)動裝置(直流、交流伺服電機、電液脈沖馬達、功率步進電機、電液伺服閥—液壓馬達等)→機械傳動機構(gòu)→驅(qū)動機床的工作臺、主軸頭架等執(zhí)行部件實現(xiàn)工作進給和快速運動。數(shù)控進給伺服系統(tǒng)的性能，取決于組成它的伺服驅(qū)動系統(tǒng)與機械傳動機構(gòu)中各環(huán)節(jié)的特性，也取決于系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)性能參數(shù)的合理匹配。數(shù)控進給伺服系統(tǒng)是一個位置控制系統(tǒng)。6.1.2數(shù)控機床對伺服系統(tǒng)的要求

準(zhǔn)確、可靠地執(zhí)行指令

調(diào)速范圍寬-----10000：1以上，且穩(wěn)定性好帶負載能力強------負載特性硬；足夠大的加（減）速力矩

動態(tài)響應(yīng)快-----快速跟隨指令脈沖，可頻繁起、停、反向；盡快消除負載擾動

誤差無累積

位置精度高

返回下一頁上一頁6.2步進電動機伺服系統(tǒng)CNC步進電機

伺服驅(qū)動電路

工作臺

結(jié)構(gòu)簡單特點：適用于速度不高及精度較低場合

可采用細分驅(qū)動技術(shù)提高定位精度及低速特性6.2.1步進電機的結(jié)構(gòu)及工作原理1.定義步進電機亦稱脈沖電機（控制電機），是把電脈沖信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移（或線位移）的電—機械裝置，是一種輸出與輸入的數(shù)字脈沖對應(yīng)的增量驅(qū)動元件。2.分類

永磁式按工作原理分反應(yīng)式工作原理不同，結(jié)構(gòu)不同永磁感應(yīng)式混合式?按勵磁相數(shù)分：3相、4相、5相、6相等

快速步進電機?按功率分：功率步進電機3.反應(yīng)式步進電機的結(jié)構(gòu)

步進電機由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成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：AA’,BB’,CC’A、B、C三相每相兩極，每極上五個齒1)定子五個極齒

定子上線圈的繞法下一頁上一頁返回

2)轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子上有均勻分布的齒，沒有繞組。轉(zhuǎn)子齒間夾角為9o左圖為一轉(zhuǎn)子示意圖：下一頁上一頁返回下一頁上一頁步進電機返回步進電機功率驅(qū)動器下一頁上一頁返回下一頁上一頁步進電機功率驅(qū)動器返回5.工作原理

三拍通電激磁，步距角θs

==3o一般θs=m——繞組相數(shù)；Z——轉(zhuǎn)子齒數(shù)。六拍通電激磁，步距角θs

==1.5o下一頁上一頁返回定子繞組通斷電順序→轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向

定子繞組通斷電轉(zhuǎn)換頻率→轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

定子繞組通斷電次數(shù)→轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角

三相單三拍A→B→C→A（K=1）

三相雙三拍AB→BC→CA→AB（K=1）

三相六拍A→AB→B→BC→C→CA→A（K=2）

通斷電方式下一頁上一頁6.步進電機的主要特征a.步距誤差不積累，轉(zhuǎn)一圈后，步距誤差為0步進電機有兩個特點：

b.轉(zhuǎn)速與脈沖頻率f成正比1）靜態(tài)距角特征定義：靜態(tài)時（步進電機某相繞組通電時，轉(zhuǎn)子處于不動狀態(tài)），電磁轉(zhuǎn)矩T與失調(diào)角θ之間的關(guān)系，即T＝f(θ)

當(dāng)某相繞組通電時有，

轉(zhuǎn)子無力矩輸出，加一負載力矩TL。

轉(zhuǎn)子瞬時針轉(zhuǎn)過一個角度θ，當(dāng)T＝TL時平衡。θ（失調(diào)角）經(jīng)大量的實驗，步進電機繞組的矩角特性為正弦曲線。

靜態(tài)距角特性的物理意義：在靜態(tài)下，轉(zhuǎn)子受TL作用θ≠0，但只要θ≠±π時，當(dāng)TL撤除后，在電磁力矩的作用下，轉(zhuǎn)子必然回到其穩(wěn)態(tài)平衡點0。一般，步進電機各相繞組的距角特性必須大致相同，否則會引起低頻振動使精度下降。常采用調(diào)整相電流的方法，使距角特性大致相同。2）啟動頻率定義：步進電機在帶載狀態(tài)下，能夠不失步啟動的最高頻率fst。一般空載啟動頻率比帶載高。一般在fst下的最大轉(zhuǎn)矩稱為啟動轉(zhuǎn)矩Tq，設(shè)計中Tq≥TL。在步進電機產(chǎn)品說明書中給定了Tmax，可以通過上表查出Tq，反過來核算其帶載的能力。從下圖可以看出θs減小兩繞組距角特性之交點Tq增大。0.8660.8660.9510.8090.7070.7070.8660.5Tq/Tmax1261058463拍數(shù)6543相數(shù)反應(yīng)式步進電機啟動轉(zhuǎn)矩3）最高工作頻率步進電機工作頻率連續(xù)上升時，電動機不失步運行的最高頻率稱為最高工作頻率。它的值也和負載有關(guān)。很顯然，在同樣負載下，最高工作頻率遠大于己于啟動頻率.

在連續(xù)運行狀態(tài)下，步進電機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.4）矩頻特性4)步距角（θ）及步距誤差步距角是兩個相臨脈沖時間內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度,一般來說步距角越小,控制越精確。步距誤差直接影響執(zhí)行部件的定位精度.步進電動機單相通電時,步距誤差取決于定子和轉(zhuǎn)子的分齒精度,和各相定子錯位角度的精度。多相通電時,其不僅與上述因素有關(guān),還和各相電流大小,磁路性能有關(guān)。返回下一頁上一頁（2）穩(wěn)態(tài)即步進電機的換相頻率為恒定的情況，即換相頻率較寬，是從0～fmax之間，在這個頻率范圍中分為三個區(qū)。a.低頻區(qū)即低于共振區(qū)間，在這個頻率范圍內(nèi)，步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一步的時間周期比換相周期短。轉(zhuǎn)子每一步表現(xiàn)為衰減振動，最后穩(wěn)定于平衡位置，轉(zhuǎn)子從0增大到amax啟動，然后以衰減振動形成停在新的平衡位置；引起步進電機較大的振動從而影響精度。b.共振區(qū)當(dāng)換相頻率接近轉(zhuǎn)子共振頻率或是共振頻率整倍數(shù)的區(qū)域為共振區(qū)。在該區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生較大的振動。c.高頻區(qū)即高于共振的頻率區(qū)間，該區(qū)間步進電機工作正常，很少產(chǎn)生振動。

7.步進電機的基本工作狀態(tài)（1）靜態(tài)指步進電機某相（某n相）繞組中通以恒定的電流，轉(zhuǎn)子處于固定的位置而不動的狀態(tài)。靜態(tài)時，繞組電流imax,故繞組有發(fā)熱現(xiàn)象。（3）過渡態(tài)指步進電機從一種工作狀態(tài)進入另一種工作狀態(tài)。如，從靜止到轉(zhuǎn)動、從轉(zhuǎn)動到靜止、從正傳到反轉(zhuǎn)等。這些狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過渡過程為過渡態(tài)。a.啟動電機頻率從0增大到fst,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速從0增大到nst,當(dāng)fst高時，指令中止。b.制動從穩(wěn)步狀態(tài)fn減小到0時，轉(zhuǎn)子從nn減小到0，當(dāng)f高時，產(chǎn)生過沖制動。采用不斷降速后制動。c.反轉(zhuǎn)從正到反，從反到正。8計算式（另一種表達）步距角：例：ABC為三相三拍，ABBCCA雙三拍AABBBCCCA三相六拍或：例：一步進電機，Zr＝40，若按三相六拍運行，θs？若電機輸出軸帶動導(dǎo)程6mm的驅(qū)動機構(gòu)，δp?解：驅(qū)動模型為根據(jù)式6.2.2步進伺服驅(qū)動電路下一頁上一頁用3個D觸發(fā)組成，初始狀態(tài)從置／復(fù)位端輸入一個,A、B、C狀態(tài)分別為：

1.環(huán)形脈沖分配器

（1）硬環(huán)分（以三相六拍為例）

CBA通電狀態(tài)“1”，斷點“0”初始狀態(tài)001A

第一脈沖011AB實現(xiàn)了三相六拍

第二脈沖010B正轉(zhuǎn)的通電拍序第三脈沖110BC

第四脈沖100C第五脈沖101CA第六脈沖001A目前硬環(huán)分已形成集成電路，按電路結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)不同分為TTL.CMOS，國產(chǎn)的YB系列有YB014YB015及YB016均為18引腳直插式封裝。例：YB016A－F相：六相繞組輸出端（輸出低電平≤0.4V，輸出高電平≥2.4V）。：選通控制輸出?？刂品峙淦魇欠褫敵鲆欢樞虻拿}沖。、：選通輸出控制端，決定步進電機的旋轉(zhuǎn)方向。

±△：正反轉(zhuǎn)控制端，決定步進電機的旋轉(zhuǎn)方向。

S：出錯報告輸出。

CP：時鐘輸出端，決定分配器輸出脈沖的頻率。：清零，對分配器清零，以使正常工作

A0、A1：勵磁控制，確定通電方式。例：A0

A1

00單六拍(ABCDEF)

01三二相十二拍(ABCBCBCDCDABFABFAEFAEFDEFDECDE)10三相六拍(ABCBCDCDEDEFEFAFABT)

11三四相十二拍(ABCABCDBCDBCDECDECDEFDEFFABCFABEFABEFADEFA)（2）軟還分上述硬環(huán)分的邏輯功能用軟件可以模擬實現(xiàn)，按三相六拍的通電順序，依次向步進電機繞組輸入“0”或“1”兩種狀態(tài)。硬件電路如下：

設(shè)8255n地止為：OFFF8H~OFFFEH,依次從PB0~PB2

輸入01H03H02H06H04H05H01H,即可實現(xiàn)與硬環(huán)分同樣的效果。

MOVAL,80HMOVDX,OFFFEHOUTDX,AL；8255初始，A、B、Cn均為輸出方式MOVCL,06；L1:MOVSI,3800H；數(shù)據(jù)指針L2:MOVAL,[SI]；從數(shù)據(jù)表中取數(shù)

MOVDX,OFFFAHOUTDX,AL；從Bn端口輸出數(shù)據(jù)CALLDELAY；調(diào)延時子程序INCSIDECCLJNZL2

JMPL1DELAY:CALL20MS；調(diào)用20ms子程序

RET2步進電機驅(qū)動電源

（1）．對驅(qū)動電源的要求

實際上，步進電機是感性負載，繞組中電流不能突變，而是按指數(shù)規(guī)律上升或下降,從而使整個通電周期內(nèi)，繞組電流平均值下降，電機輸出轉(zhuǎn)矩下降。理想驅(qū)動電源使電機繞組電流盡量接近矩形波。而當(dāng)電機運行頻率很高時，電流峰值顯著小于額定勵磁電流，從而導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)矩進一步下降，嚴(yán)重時不能啟動。

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上升時電流時間常數(shù)Ti=L/R

L——步進電機繞組平均電感量

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

下降時電流時間常數(shù)Td=L/RDRD——放大回路電阻

為了提高步進電機動態(tài)特性，必須改善電流波形，使前后沿陡度增大，方法有：

下一頁上一頁1)電阻法

從Ti=L/R知，為

Ti

，可

R，故可在進電機繞組回路中串聯(lián)一個電阻Ro此時，Ti=L/(r+R0)

特點：線路簡單，但Ro(

10Ω)上消耗一定功率，發(fā)熱量大，也降低了放大器的效率，只適于小功率步進電機。

下一頁上一頁2)電壓法

電感繞組通電狀態(tài)時，繞組上電流為

Im=(E/r)(1-e-t/Ti)

E——電源電壓

電流增長率為

dIm/dt=Im=(E/r)(1-e-t/Ti)可見，增大電源電壓可以有效地改善電流上升陡度特點：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電機。下一頁上一頁返回下一頁上一頁（2）．單電壓型驅(qū)動電源

電容C:在接通瞬間短接R

電流由U

L

CVT

故C稱加速電容

電阻R:在電流達到恒定后還起限流作用，此時電流由U

L

RVT輸入脈沖為“0”時，VT截止，il=0

輸入脈沖為“1”時，VT導(dǎo)通

返回下一頁上一頁輸入脈沖消失后，VT截止，

L兩端將產(chǎn)生一感應(yīng)電壓。V=L(di/dt)，由于VT關(guān)斷時間dt很短，故感應(yīng)電壓U很大，將擊穿晶體管，為此增加二極管D續(xù)流，續(xù)流電流:L

R

D

L而VT2在高壓控制電路下導(dǎo)通時間t1較短(100-600

s)繞組在高壓EH下電流迅速增大至額定值，此時低壓EL無效。（3）．高低壓雙壓型驅(qū)動電源輸入脈沖信號為“0”時，

VT1、VT2均截止，iL=0輸入信號為“1”時，VT1導(dǎo)通

t1之后，VT2截止，低壓供壓，維持繞組所需的額定電流IeEHEL下一頁上一頁

輸入脈沖信號消失(為“0”)，

VT1、VT2均截止，

L上電流經(jīng)放電回路：

L

RoVD2

EH

ELVD1

L

迅速下降

EH供電，勵磁電流前沿電流

Ip=[EH/(r+R0)](1-e-t/Ti)

由此計算t1t1=T/n{EH/[EH+In(r+R0)]}In—要求高壓通電，電流達到的數(shù)值下頁上一頁繞組上電流Il隨外加電壓(EH、EL)變化而變化，當(dāng)外加電壓變化時，電機特性變差，工作不穩(wěn)