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1、第五章开环伺服系统第1页，共25页，编辑于2022年，星期三5.1 概述概述第2页，共25页，编辑于2022年，星期三特点：特点：q 没有位置反馈和速度反馈回路；没有位置反馈和速度反馈回路；q 多使用步进电机作为驱动电机；多使用步进电机作为驱动电机；q 在工作频率范围内，系统每发出一个脉冲，步进在工作频率范围内，系统每发出一个脉冲，步进电机就转过一定的角度（步距角）；电机就转过一定的角度（步距角）；q 工作台的位移量由发送给步进电机的脉冲数量决工作台的位移量由发送给步进电机的脉冲数量决定；定；q 工作台的移动速度由发送给步进电机的脉冲频工作台的移动速度由发送给步进电机的脉冲频率决定；率决定；第
2、3页，共25页，编辑于2022年，星期三q 受到步距角的限制，并且对系统误差只能采用软受到步距角的限制，并且对系统误差只能采用软件补偿的方法解决，所以精度较低；件补偿的方法解决，所以精度较低；q 受到步进电机运行频率的限制，所以速度较慢。受到步进电机运行频率的限制，所以速度较慢。q 工作台的移动方向由步进电机绕组的通电顺序或工作台的移动方向由步进电机绕组的通电顺序或电流方向决定；电流方向决定；第4页，共25页，编辑于2022年，星期三5.2 步进电机步进电机(Stepper Motor)按照工作原理分：反应式按照工作原理分：反应式/变磁阻式变磁阻式永磁式、永磁感应子式永磁式、永磁感应子式/混合
3、式混合式按照相数分：三相、四相、五相等按照相数分：三相、四相、五相等5.2.1反应式步进电机反应式步进电机反应式步进电机又称为可变磁阻式反应式步进电机又称为可变磁阻式（Variable Reluctance）步进电机，简称）步进电机，简称为为VR步进电机。步进电机。第5页，共25页，编辑于2022年，星期三5.2.1.1 工作原理工作原理第6页，共25页，编辑于2022年，星期三第7页，共25页，编辑于2022年，星期三步进电机从一相通电换接到另一相通电，称为步进电机从一相通电换接到另一相通电，称为一拍一拍，每一拍，转子转过一个固定的角度，称为每一拍，转子转过一个固定的角度，称为步距角步距角。
4、例子中的步进电机绕阻通电顺序为例子中的步进电机绕阻通电顺序为A-C-B-A，则转，则转子顺时针转动，步距角为子顺时针转动，步距角为7.5；若绕阻通电顺序为；若绕阻通电顺序为A-B-C-A ，则转子逆时针转动。该种供电方式称为，则转子逆时针转动。该种供电方式称为单三拍方式单三拍方式。双三拍方式双三拍方式：AB-BC-CA-AB 三相六拍方式三相六拍方式：A-AB-B-BC-C-CA-A 第8页，共25页，编辑于2022年，星期三5.2.1.2 性能指标性能指标步距角步距角：步进电机每接收到一个控制脉冲转子转过：步进电机每接收到一个控制脉冲转子转过的角度。的角度。其中其中Z为转子齿数，为为转子齿数
5、，为N供电方式的拍数。供电方式的拍数。步距角决定了系统的分辨率。步进电机每转动步距角决定了系统的分辨率。步进电机每转动一个步距角引起的工作台移动距离称为一个步距角引起的工作台移动距离称为脉冲当脉冲当量量。第9页，共25页，编辑于2022年，星期三其中其中l为丝杠螺距，为丝杠螺距，i为减速齿轮副的传动比。为减速齿轮副的传动比。最大静态转矩最大静态转矩Mjmax：步进电机在不改变通电状：步进电机在不改变通电状态时（转子处在不动状态，即静态），在电机轴态时（转子处在不动状态，即静态），在电机轴上外加负载转矩，转子会转过一定的角度（失调上外加负载转矩，转子会转过一定的角度（失调角），负载撤销后，转子又
6、回到原来的位置。步角），负载撤销后，转子又回到原来的位置。步进电机所能够承受的该类负载转矩的最大值称为进电机所能够承受的该类负载转矩的最大值称为最大静态转矩。最大静态转矩。最大静态转矩反映了步进电机工作时的带载能力。最大静态转矩反映了步进电机工作时的带载能力。第10页，共25页，编辑于2022年，星期三空载启动（突跳）频率空载启动（突跳）频率fst：空载时步进电机由静：空载时步进电机由静止突然启动，进入不丢步的正常运行状态的最高控止突然启动，进入不丢步的正常运行状态的最高控制脉冲频率。制脉冲频率。最大运行频率最大运行频率fw：步进电机不丢步而正常连续运：步进电机不丢步而正常连续运行的最高控制脉
7、冲频率。行的最高控制脉冲频率。最大运行频率决定了系统的最大速度。最大运行频率决定了系统的最大速度。工作台移动速度：工作台移动速度：第11页，共25页，编辑于2022年，星期三5.2.1.3 步进电机的选型步进电机的选型分辨率分辨率脉冲当量脉冲当量步距角步距角最大速度最大速度最大运行频率最大运行频率最大加速度最大加速度空载启动（突跳）频率空载启动（突跳）频率额定转距额定转距最大静转矩最大静转矩（510倍额定转矩）倍额定转矩）第12页，共25页，编辑于2022年，星期三5.2.1.4 反应式步进电机的特点反应式步进电机的特点步距角小，运行频率高，控制方便；步距角小，运行频率高，控制方便；励磁电流大
8、，要求驱动电源的功率大，从而励磁电流大，要求驱动电源的功率大，从而效率较低；效率较低；电机的内部阻尼小，单步运行振荡时间长；电机的内部阻尼小，单步运行振荡时间长；断电后无定位转矩。断电后无定位转矩。第13页，共25页，编辑于2022年，星期三5.2.2永磁式步进电机永磁式步进电机永磁式（永磁式（Permanent Magnet）步进电机，简）步进电机，简称为称为PM步进电机，其定子或转子的某一方步进电机，其定子或转子的某一方为永久磁钢。其典型的特点为：为永久磁钢。其典型的特点为：步距角大；步距角大；要求驱动电源的功率小，从而效率较高；要求驱动电源的功率小，从而效率较高；电机的内部阻尼大，单步运
9、行振荡时间短；电机的内部阻尼大，单步运行振荡时间短；断电后有定位转矩。断电后有定位转矩。第14页，共25页，编辑于2022年，星期三5.3 步进电机的控制脉冲分配方法步进电机的控制脉冲分配方法硬件方法硬件方法通用硬件电路通用硬件电路专用硬件电路专用硬件电路软件方法软件方法移位寄存器法移位寄存器法查表法查表法第15页，共25页，编辑于2022年，星期三5.3.1 硬件脉冲分配方法硬件脉冲分配方法通用硬件电路通用硬件电路采用硬件方法进行脉冲分配，控制软件一侧只需要输出采用硬件方法进行脉冲分配，控制软件一侧只需要输出一路脉冲信号和一路方向控制信号，步进电机绕阻的供一路脉冲信号和一路方向控制信号，步进
10、电机绕阻的供电时序由硬件电路生成。电时序由硬件电路生成。例如三相六拍例如三相六拍第16页，共25页，编辑于2022年，星期三ABC100110010011001101正正转转反反转转X方向，方向，1正转，正转，0反转反转第17页，共25页，编辑于2022年，星期三由以上真值表，可得逻辑表达式为由以上真值表，可得逻辑表达式为使用通用使用通用IC即可以设计出如上脉冲分配电路。即可以设计出如上脉冲分配电路。第18页，共25页，编辑于2022年，星期三专用硬件电路专用硬件电路例如例如CH250、LCB052等。等。第19页，共25页，编辑于2022年，星期三5.3.2 软件脉冲分配方法软件脉冲分配方法
11、最常用的软件脉冲分配方法有移位寄存器法最常用的软件脉冲分配方法有移位寄存器法和查表法。和查表法。v移位寄存器法移位寄存器法100000000 CF D7 D0 C B A第20页，共25页，编辑于2022年，星期三 正向：正向：MOV CL,3RCR AL,CLNOT AL 负向：负向：MOV CL,3RCL AL,CLNOT AL第21页，共25页，编辑于2022年，星期三v查表法查表法0 0 0 0 0 1 0 10 0 0 0 0 1 0 00 0 0 0 0 1 1 00 0 0 0 0 0 1 00 0 0 0 0 0 1 10 0 0 0 0 0 0 1 C B A指针第22页，共
12、25页，编辑于2022年，星期三5.4 步进电机的驱动电源步进电机的驱动电源5.4.1 单电压单电压特点：特点：线路简单，但是电线路简单，但是电流上升不够快，高流上升不够快，高频时带负载的能力频时带负载的能力低。低。第23页，共25页，编辑于2022年，星期三5.4.2 高低电压高低电压特点：特点：在较大的频率范围在较大的频率范围内有较大的平均电内有较大的平均电流，能够得到较大流，能够得到较大的平均功率，但是的平均功率，但是电流波顶有凹陷，电流波顶有凹陷，电路较复杂。电路较复杂。第24页，共25页，编辑于2022年，星期三5.4.3 斩波驱动电路斩波驱动电路特点：电流波形比较理想，但是电路复杂。特点：电流波形比较理想，但是电路复杂。第25页，共25页，编辑于2022年，星期三