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1、数控技术第四章开环伺服系统第1页，共81页，编辑于2022年，星期六提要v本本章章介介绍绍进进给给伺伺服服系系统统的的构构成成及及工工作作原原理理，叙叙述述步步进进电电机机、直直流流伺伺服服电电机机、交交流流伺伺服服电电机机等等伺伺服服驱驱动动元元件件的的结结构构及及调调速速方方法法，阐阐述述开开环环伺伺服服系系统统、闭闭环环伺伺服服系系统统的的构构成成及及控控制制原理。原理。返回返回提要提要第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统下一页下一页上一页上一页第2页，共81页，编辑于2022年，星期六目标 掌握伺服系统的功能、分类及其特点：数控机床掌握伺服系统的功能、分类及其特点：数控机床 对伺服系
2、统的要求对伺服系统的要求 掌握开环伺服系统的组成及工作原理掌握开环伺服系统的组成及工作原理 步进电机的工作原理、脉冲分配方式、驱动电源步进电机的工作原理、脉冲分配方式、驱动电源 的类型及工作原理的类型及工作原理 掌握感应同步器、光栅等检测元件的工作原理掌握感应同步器、光栅等检测元件的工作原理 掌握直流伺服电机位置控制原理掌握直流伺服电机位置控制原理 了解交流伺服电机位置控制原理了解交流伺服电机位置控制原理 了解提高步进开环伺服系统精度的措施了解提高步进开环伺服系统精度的措施返回返回目标目标第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统下一页下一页上一页上一页第3页，共81页，编辑于2022年，星期六建
3、议v本本章章内内容容既既有有理理论论分分析析，又又有有实实验验研研究究，同同时时还还涉涉及及设设计计计计算算方方法法。学学习习中中，应应特特别别注注意意各各种种伺伺服服驱驱动动元元件件的的调调速速方方法法和和调调速速原原理理，了了解解各各种种驱驱动动元元件件之之间间的的性性能能比比较较及其应用场合及其应用场合。返回返回建议建议第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统下一页下一页上一页上一页第4页，共81页，编辑于2022年，星期六第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统l第一节第一节概述概述一、作用一、作用 以以位置位置和和速度速度作为控制量的作为控制量的自动控制系统自动控制系统CNCCNC装置与
4、机床的装置与机床的联系环节联系环节其性能直接决定和影响其性能直接决定和影响CNCCNC系统的系统的快速性快速性、稳定性稳定性、精确性精确性返回返回下一页下一页上一页上一页第5页，共81页，编辑于2022年，星期六第一节 概述ll指令信息指令信息动作动作l 位置、速度位置、速度 位移、速度位移、速度 CNC伺服系统伺服系统 机床机床第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统 步进伺服系统步进伺服系统 伺服系统构成伺服系统构成 CNC步进电机步进电机 驱动放大驱动放大 工作台工作台返回返回一一.构成构成下一页下一页上一页上一页第6页，共81页，编辑于2022年，星期六二二.要求要求第四章第四章 进给伺
5、服系统进给伺服系统准确、可靠地执行指令准确、可靠地执行指令调速范围宽调速范围宽-1000010000：1 1以上，且稳定性好以上，且稳定性好 带负载能力强带负载能力强-负载特性硬；足够大的加（减）速力矩负载特性硬；足够大的加（减）速力矩 动态响应快动态响应快-快速跟随指令脉冲，可频繁起、停、反向；快速跟随指令脉冲，可频繁起、停、反向；尽快消除负载扰动尽快消除负载扰动 误差无累积误差无累积 位置精度高位置精度高 返回返回下一页下一页上一页上一页第7页，共81页，编辑于2022年，星期六开环进给伺服系统开环进给伺服系统闭环进给伺服系统闭环进给伺服系统半闭环进给伺服系统半闭环进给伺服系统三三.分类分
6、类第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统返回返回按按有有无无反反馈馈分分下一页下一页上一页上一页第8页，共81页，编辑于2022年，星期六三三.分类分类按按控控制制信信号号分分按按控控制制元元件件分分数字伺服系统数字伺服系统模拟伺服系统模拟伺服系统数字模拟混合伺服系统数字模拟混合伺服系统步进伺服系统步进伺服系统直流伺服系统直流伺服系统交流伺服系统交流伺服系统第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统下一页下一页上一页上一页返回返回第9页，共81页，编辑于2022年，星期六第一节第一节 概述概述习 题第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统1.1.数控机床对伺服驱动系统有哪些要求？数控机床对伺服驱动系
7、统有哪些要求？返回返回(1)调速范围宽并有良好的稳定性，尤其是低速时的平稳性；调速范围宽并有良好的稳定性，尤其是低速时的平稳性；(2)负载特性硬，即使在低速时也应有足够的负载能力；负载特性硬，即使在低速时也应有足够的负载能力；(3)动态响应速度快；动态响应速度快；(4)高的位移精度；高的位移精度；(5)能够频繁地启动；能够频繁地启动；下一页下一页上一页上一页第10页，共81页，编辑于2022年，星期六2.伺服系统伺服系统按按有无反馈有无反馈可分为可分为、三类。三类。习 题开环进给伺服系统开环进给伺服系统闭环进给伺服系统闭环进给伺服系统半闭环进给伺服系统半闭环进给伺服系统3.伺服系统伺服系统按按
8、控制信号控制信号可分为可分为、三类。三类。数字伺服系统数字伺服系统模拟伺服系统模拟伺服系统数字模拟混合伺服系统数字模拟混合伺服系统第一节第一节 概述概述下一页下一页上一页上一页返回返回第11页，共81页，编辑于2022年，星期六4.伺服系统伺服系统按按控制元件控制元件可分为可分为、三类。三类。第一节第一节 概述概述习 题步进伺服系统步进伺服系统直流伺服系统直流伺服系统交流伺服系统交流伺服系统下一页下一页上一页上一页返回返回第12页，共81页，编辑于2022年，星期六第二节第二节 开环伺服系统开环伺服系统 l一、组成一、组成 伺服驱动单元、执行元件、传动机构伺服驱动单元、执行元件、传动机构 二、
9、步进电机二、步进电机将将电脉冲电脉冲转变成转变成机械角位移机械角位移的装置的装置 第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统 CNC步进电机步进电机 驱动放大驱动放大 工作台工作台返回返回下一页下一页上一页上一页第13页，共81页，编辑于2022年，星期六1.1.分类分类第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统v按按输出转矩输出转矩分：分：快速快速步进电机步进电机、功率功率步进电机。步进电机。v按按励磁相数励磁相数分：分：三相三相、四相四相、五相五相、六相六相、八相八相 等等 v按按工作原理工作原理分：分：反应式反应式、激磁式激磁式、混合式混合式（永磁反应式永磁反应式）返回返回下一页下一页上一页上一
10、页第14页，共81页，编辑于2022年，星期六2.2.步进电机的结构步进电机的结构第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统v步进电机由步进电机由转子转子和和定子定子两部分组成两部分组成定子定子上有绕组分为上有绕组分为若干相若干相，每相每相磁极上有磁极上有极齿极齿。左图为左图为三相三相定子：定子：AA,BB,CCA、B、C三相每相两极，三相每相两极，每极上五个齿每极上五个齿1)定子定子五个极齿五个极齿第15页，共81页，编辑于2022年，星期六2.2.步进电机的结构步进电机的结构第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统定子上线圈的绕法定子上线圈的绕法下一页下一页上一页上一页返回返回第16页，共81页
11、，编辑于2022年，星期六2.2.步进电机的结构步进电机的结构2)2)转子转子转子转子第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统转子转子上有上有均匀分布均匀分布的的齿，没有绕组。齿，没有绕组。转子齿转子齿间夹角为间夹角为9o左图为一转子示意图：左图为一转子示意图：以以四十齿四十齿为例来说明步为例来说明步进电机的原理进电机的原理下一页下一页上一页上一页返回返回第17页，共81页，编辑于2022年，星期六3.3.3.3.步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图 第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统第18页，共81页，编辑于2022年，星期六3.3.3.3.步进电机的实物图步进
12、电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图 第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统第19页，共81页，编辑于2022年，星期六3.3.步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图 第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统第20页，共81页，编辑于2022年，星期六3.3.步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图 第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统第21页，共81页，编辑于2022年，星期六3.3.步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图 第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统第22页，共81页，编辑于2022年，星期六3.
13、3.3.3.步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图 第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统第23页，共81页，编辑于2022年，星期六3.3.3.3.步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图 第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统第24页，共81页，编辑于2022年，星期六3.3.3.3.步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图 第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统第25页，共81页，编辑于2022年，星期六3.3.3.3.步进电机的实物图步进电机的实物图 第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统第26页，共81页，编辑
14、于2022年，星期六3.3.3.3.步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图 第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统第27页，共81页，编辑于2022年，星期六4.4.工作原理工作原理如果如果A相通电则转子齿与相通电则转子齿与A相极齿对齐，这时在相极齿对齐，这时在B相两极下相两极下定子齿与转子齿中心线并不对齐，而是转子齿中心线较定定子齿与转子齿中心线并不对齐，而是转子齿中心线较定子齿中心线反时针方向子齿中心线反时针方向落后落后1/3齿齿距，即距，即3o。因此，当通电状态由因此，当通电状态由A相变为相变为B相时，转子顺时针方向相时，转子顺时针方向转过转过3o，C相通电再转
15、相通电再转3o。C相下，转子齿超前相下，转子齿超前6o。第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统第28页，共81页，编辑于2022年，星期六4.4.工作原理工作原理第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统三拍三拍通电激磁，步距角通电激磁，步距角=3=3o o一般一般=m绕组相数；绕组相数；Z转子齿数，单拍转子齿数，单拍k=1,双拍双拍k=2。六拍六拍通电激磁，步距角通电激磁，步距角=1.5o下一页下一页上一页上一页返回返回第29页，共81页，编辑于2022年，星期六4.4.工作原理工作原理第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统定子绕组定子绕组通断电顺序通断电顺序 转子转子转向转向定子绕组定子绕组通
16、断电转换频率通断电转换频率 转子转子转速转速 定子绕组定子绕组通断电次数通断电次数 转子转子转角转角三相单三拍三相单三拍 A B C A A B C A （K=1K=1）三相双三拍三相双三拍 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 通断电方式通断电方式下一页下一页上一页上一页第30页，共81页，编辑于2022年，星期六5 5 5 5.主要控制特性主要控制特性主要控制特性主要控制特性第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统最高工作频率（最高工作频率（f fmaxmax）加
17、减速特性加减速特性 启动矩频特性启动矩频特性 运行矩频特性运行矩频特性 启动频率（启动频率（f fstst）步距角（步距角（）及步距误差及步距误差下一页下一页上一页上一页第31页，共81页，编辑于2022年，星期六1)1)1)1)步距角（步距角（步距角（步距角（）及步距误差及步距误差及步距误差及步距误差 步距角步距角是两个是两个相临脉冲时间相临脉冲时间内内转子转子转过的角度转过的角度,一般来一般来说说步距角越小步距角越小,控制越精确。控制越精确。第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统5 5.主要控制特性主要控制特性步距误差步距误差直接影响执行部件的直接影响执行部件的定位精度定位精度.步进电动机
18、单相通电时步进电动机单相通电时,步距误差步距误差取决于取决于定子和转子定子和转子的的分齿分齿精度精度,和各相定子和各相定子错位角度的精度错位角度的精度。多相通电时多相通电时,其不仅与上述因素有关其不仅与上述因素有关,还和还和各相电流大小各相电流大小,磁磁路性能路性能有关。有关。返回返回下一页下一页上一页上一页第32页，共81页，编辑于2022年，星期六2 2 2 2）最高启动频率）最高启动频率）最高启动频率）最高启动频率第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统5 5.主要控制特性主要控制特性空载时空载时，步进电机由，步进电机由静止突然启动静止突然启动，并，并不失步不失步的进入稳速的进入稳速运行，
19、所允许的运行，所允许的启动频率的最高值启动频率的最高值为为最高启动频率最高启动频率.启动频率启动频率大于比值时步进电机不能正常工作，大于比值时步进电机不能正常工作，最高启动频率最高启动频率与与步进电机的步进电机的惯性负载有关惯性负载有关.第33页，共81页，编辑于2022年，星期六3 3 3 3）最高工作频率）最高工作频率）最高工作频率）最高工作频率步进电机工作频率连续上升时，电动机不失步运行的最步进电机工作频率连续上升时，电动机不失步运行的最高频率称为高频率称为最高工作频率最高工作频率。它的值也和它的值也和负载负载有关。很显然，在同样负载下，有关。很显然，在同样负载下，最高工最高工作频率远大
20、于己于启动频率作频率远大于己于启动频率.第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统5 5.主要控制特性主要控制特性在在连续运行状态连续运行状态下，步进电机的下，步进电机的电磁力矩电磁力矩随随频率频率的的升高升高而而急剧下降急剧下降，这两者的关系称为，这两者的关系称为矩频特性矩频特性.4 4）矩频特性）矩频特性第34页，共81页，编辑于2022年，星期六第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统5 5.主要控制特性主要控制特性4 4 4 4）矩频特性）矩频特性）矩频特性）矩频特性第35页，共81页，编辑于2022年，星期六6.6.步进电机的选择步进电机的选择第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统1)1)
21、步进电机选择原则：步进电机选择原则：步矩角步矩角 与机械系统相匹配，以得到系统所需的与机械系统相匹配，以得到系统所需的 保证电机保证电机输出转矩输出转矩，大于负载所需转矩，大于负载所需转矩 能与机械系统的负载能与机械系统的负载惯量相匹配惯量相匹配 为使电机具有良好的为使电机具有良好的起动起动性能及较快的性能及较快的响应响应速度速度 推荐推荐 J Jleqleq/Jm=4/Jm=4 式中式中 J Jleqleq为系统为系统等效负载等效负载转动惯量转动惯量 JmJm 为为电机电机转动惯量转动惯量 电机电机运行速度运行速度和和最高工作频率最高工作频率能满足工作台切削加工能满足工作台切削加工 和快移要
22、求。和快移要求。=t/360it/360i下一页下一页上一页上一页第36页，共81页，编辑于2022年，星期六2)2)2)2)步进电机选择步骤步进电机选择步骤步进电机选择步骤步进电机选择步骤第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统 初定步进电机初定步进电机步距角步距角，计算，计算减速比减速比，确定，确定齿轮副齿轮副初选步进电机型号，根据其工作方式，初定步距角初选步进电机型号，根据其工作方式，初定步距角 i=Z1/Z2=t/360 q 确定齿轮副齿数时，尽量选择确定齿轮副齿数时，尽量选择一级降速一级降速;q若需二级，则若需二级，则降速比大的降速比大的齿轮副应齿轮副应远离电机远离电机，以利于提高传动
23、系统的刚度和精度。以利于提高传动系统的刚度和精度。下一页下一页上一页上一页:步进电机步距角步进电机步距角,(o)/脉冲脉冲t:滚珠丝杆导程滚珠丝杆导程，mm:脉冲当量脉冲当量，mm/脉冲脉冲第37页，共81页，编辑于2022年，星期六第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统 计算惯量计算惯量 下一页下一页上一页上一页2)2)2)2)步进电机选择步骤步进电机选择步骤步进电机选择步骤步进电机选择步骤设设传动系统传动系统如右图所示：如右图所示：伺服系统总惯量伺服系统总惯量JG为为JG=Jm+Jleq式中：式中：Jm步进电机步进电机转子转动惯量转子转动惯量Jleq换算到电机轴上的换算到电机轴上的等效负载
24、转动惯量等效负载转动惯量第38页，共81页，编辑于2022年，星期六第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统2)2)步进电机选择步骤步进电机选择步骤 计算惯量计算惯量计算惯量计算惯量nm步进步进电机速度电机速度r/minni第第i个个转动部件的转速转动部件的转速r/minJi第第i个转动部件的个转动部件的转动惯量转动惯量kg.m2Vj第第j个移动部件的个移动部件的移动速度移动速度m/minMj第第j个移动部件的个移动部件的质量质量kg第39页，共81页，编辑于2022年，星期六 计算惯量计算惯量计算惯量计算惯量第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统2)2)步进电机选择步骤步进电机选择步骤i.图示
25、的图示的一级一级齿轮减速系统齿轮减速系统V=nz2.t式中式中V工作台移动速度工作台移动速度m/mint丝杆导程丝杆导程m第40页，共81页，编辑于2022年，星期六 计算惯量计算惯量计算惯量计算惯量第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统2)2)步进电机选择步骤步进电机选择步骤式中式中Jz1齿轮齿轮1的转动惯量的转动惯量kg.m2Jz2齿轮齿轮2的转动惯量的转动惯量kg.m2Js丝杆丝杆2的转动惯量的转动惯量kg.m2Mw工作台的质量工作台的质量kg第41页，共81页，编辑于2022年，星期六 计算惯量计算惯量计算惯量计算惯量第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统2)2)步进电机选择步骤步进电
26、机选择步骤其中其中，齿轮、丝杆的，齿轮、丝杆的转动惯量转动惯量（J）可按圆柱体转动惯量计算可按圆柱体转动惯量计算Kg/cm3式中式中D齿轮分度圆直径或丝杆名义直径齿轮分度圆直径或丝杆名义直径mmL齿轮宽度或丝杆长度齿轮宽度或丝杆长度mm材料比重材料比重kg/cm3第42页，共81页，编辑于2022年，星期六 计算惯量计算惯量计算惯量计算惯量第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统2)2)步进电机选择步骤步进电机选择步骤ii.对下图所示的对下图所示的二级二级齿轮减速系统齿轮减速系统第43页，共81页，编辑于2022年，星期六 计算转矩计算转矩 系统所需转矩包括系统所需转矩包括加速转矩加速转矩和和等
27、效负载转矩等效负载转矩i.快速空载启动时所需转矩快速空载启动时所需转矩M M=Mamax+Mf式中式中:Mamax快速空载启动时快速空载启动时产生最大加速度产生最大加速度所需转矩所需转矩N mMf克服摩擦力克服摩擦力所需转矩所需转矩N m2)2)步进电机选择步骤步进电机选择步骤第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统第44页，共81页，编辑于2022年，星期六 计算转矩计算转矩计算转矩计算转矩 2)2)步进电机选择步骤步进电机选择步骤第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统由由动力学动力学知：知：式中式中：J系统总惯量系统总惯量Nms2步进电机转子的步进电机转子的角加速度角加速度r/s2o初速度初
28、速度r/st末速度末速度r/sT加速时间加速时间s第45页，共81页，编辑于2022年，星期六 计算转矩计算转矩计算转矩计算转矩 2)2)步进电机选择步骤步进电机选择步骤第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统v对于空载启动时对于空载启动时0=0，T为升速为升速时间常数，则时间常数，则t为升速为升速T秒后电机的角速度此时的秒后电机的角速度此时的等效负载转矩等效负载转矩主要是主要是T作台移作台移动的动的磨擦力磨擦力引起的。引起的。式中式中工作台与导轨之间的工作台与导轨之间的磨擦系数磨擦系数W为工作台和工件的为工作台和工件的总重量总重量N第46页，共81页，编辑于2022年，星期六 计算转矩计算转矩
29、计算转矩计算转矩 2)2)步进电机选择步骤步进电机选择步骤第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统式中式中工作台与导轨之间的工作台与导轨之间的磨擦系数磨擦系数W为工作台和工件的为工作台和工件的总重量总重量NNm为为电机转速电机转速r/mint为为丝杆导程丝杆导程mmVw为工作台的为工作台的移动速度移动速度m/min第47页，共81页，编辑于2022年，星期六 计算转矩计算转矩计算转矩计算转矩 2)步进电机选择步骤步进电机选择步骤第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统ii.最大切削力时所需转矩最大切削力时所需转矩M为了安全，此时不仅要考虑为了安全，此时不仅要考虑最大切削力最大切削力，而且还应考虑在
30、切，而且还应考虑在切削过程中产生相庆加速度所需转矩，这时所需削过程中产生相庆加速度所需转矩，这时所需转矩转矩M为：为：式中式中Mat为切削时为切削时产生加速度所需加速转矩产生加速度所需加速转矩NmMf为为克服磨擦所需转矩克服磨擦所需转矩NmMt为为克服切削力所需转矩克服切削力所需转矩Nm第48页，共81页，编辑于2022年，星期六 计算转矩计算转矩计算转矩计算转矩 2)步进电机选择步骤步进电机选择步骤第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统设与运动方向相反的最大切削力为设与运动方向相反的最大切削力为,垂直于等轨的垂直于等轨的切削分力为切削分力为。则：则：第49页，共81页，编辑于2022年，星期
31、六第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统 计算步进电机运行频率计算步进电机运行频率 工作台工作台快速空载速度快速空载速度Vmax 电机电机最高工作频率最高工作频率fmax 工作台工作台工作进给时的工作进给时的最低速度最低速度Vmin 电机电机最小运行频率最小运行频率fmin工作台工作台工作进给时的工作进给时的最高速度最高速度VF 电机电机最大运行频率最大运行频率fF伺服系统在伺服系统在 f fmin min f fF F 范围内可用范围内可用软件实现无级调速软件实现无级调速 步进电机运行频率步进电机运行频率f(Hz)f=V/60 式中式中,V 工作台进给速度工作台进给速度mm/min下一页下一
32、页上一页上一页2)步进电机选择步骤步进电机选择步骤第50页，共81页，编辑于2022年，星期六确定步进电机型号确定步进电机型号确定步进电机型号确定步进电机型号第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统根据步进电机根据步进电机最高工作频率最高工作频率f fmaxmax和正常工作和正常工作进给频率进给频率f fminminffF F，以及以及快速空载启动快速空载启动和和最大切削力最大切削力时所需时所需转矩转矩，选择步进电机，选择步进电机型号，主要从两方面考虑型号，主要从两方面考虑:)步进电机步进电机启动矩频特性启动矩频特性定否能满足要求定否能满足要求查电机查电机启动矩频特性曲线启动矩频特性曲线，得到对
33、应于，得到对应于最高工作频率最高工作频率f fmaxmax，电机能提供的电机能提供的启动力矩启动力矩M Mq q。若若M Mq q 大于大于计算出计算出的快速空载启动的快速空载启动所需所需力矩力矩，则说明所选步进电机能满足快速空载启动时所需启，则说明所选步进电机能满足快速空载启动时所需启动力矩要求。动力矩要求。下一页下一页上一页上一页2)步进电机选择步骤步进电机选择步骤第51页，共81页，编辑于2022年，星期六)步进电机步进电机步进电机步进电机运行矩频特性运行矩频特性运行矩频特性运行矩频特性是否能满足要求是否能满足要求是否能满足要求是否能满足要求第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统 查电机
34、查电机运行矩频特性曲线运行矩频特性曲线，得到对应于正常工作进给最大运行频，得到对应于正常工作进给最大运行频率率f fF F电机所能提供的电机所能提供的力矩力矩M M。若若M M大于大于计算出计算出的最大切削力所需的最大切削力所需转矩转矩，则说明所选电机，则说明所选电机能满足伺服系统正常工作时所需力矩要求。能满足伺服系统正常工作时所需力矩要求。下一页下一页上一页上一页2)步进电机选择步骤步进电机选择步骤第52页，共81页，编辑于2022年，星期六3)3)步进电机选择实例步进电机选择实例步进电机选择实例步进电机选择实例第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统例：一个工作台驱动系统如图所示，例：一个工
35、作台驱动系统如图所示，已知参数见表已知参数见表1，工作台与导轨磨擦系，工作台与导轨磨擦系数为数为0.04，加速时间，加速时间0.25s，求转换到求转换到电机轴上的等效转动惯量和等效电机轴上的等效转动惯量和等效力矩。力矩。第53页，共81页，编辑于2022年，星期六3)3)步进电机选择实例步进电机选择实例步进电机选择实例步进电机选择实例第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统例：一个工作台驱动系统如图所示，已知参数见表例：一个工作台驱动系统如图所示，已知参数见表1，工作台与导，工作台与导轨磨擦系数为轨磨擦系数为0.04，加速时间，加速时间0.25s，求转换到电机轴上的等效转动求转换到电机轴上的等效
36、转动惯量和等效力矩。惯量和等效力矩。第54页，共81页，编辑于2022年，星期六3)3)步进电机选择实例步进电机选择实例步进电机选择实例步进电机选择实例第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统例：一个工作台驱动系统如图所示，已知参数见表例：一个工作台驱动系统如图所示，已知参数见表1，工作台与，工作台与导轨磨擦系数为导轨磨擦系数为0.04，加速时间，加速时间0.25s，求转换到电机轴上的等效转求转换到电机轴上的等效转动惯量和等效力矩。动惯量和等效力矩。计算转矩：计算转矩：第55页，共81页，编辑于2022年，星期六三三三三.步进伺服驱动电路步进伺服驱动电路步进伺服驱动电路步进伺服驱动电路第四章第四
37、章 进给伺服系统进给伺服系统下一页下一页上一页上一页第56页，共81页，编辑于2022年，星期六三三三三.步进伺服驱动电路步进伺服驱动电路步进伺服驱动电路步进伺服驱动电路第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统（一）脉冲分配（一）脉冲分配 按一定的规律将按一定的规律将进给脉冲进给脉冲分配分配给给步进电机步进电机定子绕组定子绕组的的各相各相v实现方法：实现方法：1.1.硬件硬件集成脉冲分配器集成脉冲分配器TTL:B013,BY014 BY015,BY016CMOS:CH250PA=P+PB+P_ PCPB=P+PC+P_ PAPC=P+PA+P_ PB各相通电状态各相通电状态CBA正正反反0 0
38、1 A0 1 1 AB0 1 0 B1 1 0 BC1 0 0 C1 0 1 CA下一页下一页上一页上一页第57页，共81页，编辑于2022年，星期六三三三三.步进伺服驱动电路步进伺服驱动电路步进伺服驱动电路步进伺服驱动电路第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统（一）脉冲分配（一）脉冲分配 1.1.软件软件移位法移位法查表法查表法50 C BA0 0 0 0 0 0 0 1 初始通电A0 1 0 0 0 0 0 0 右移三次1 0 1 1 1 1 1 1 按位取反0 0 0 0 1 0 0 1 清无关位AB D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 CY返回返回下一页下一页上一页上一页第
39、58页，共81页，编辑于2022年，星期六（二）步进电机驱动电源（二）步进电机驱动电源（二）步进电机驱动电源（二）步进电机驱动电源第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统1对驱动电源的要求对驱动电源的要求 实际上，步进电机是实际上，步进电机是感性负载感性负载，绕，绕组中电流组中电流不能突变不能突变，而是按，而是按指数规律指数规律上升或下降上升或下降,从而使整个通电周从而使整个通电周期内，绕组期内，绕组电流平均值电流平均值下降，电机下降，电机输出输出转矩下降转矩下降。理想理想驱动电源使电机驱动电源使电机绕组电流绕组电流 尽量接近尽量接近矩形波矩形波。而当电机而当电机运行频率很高运行频率很高时，电流
40、峰值时，电流峰值显著小于显著小于额定额定励磁电流，从而导致电机励磁电流，从而导致电机转矩进一步下降，严重时不能启动。转矩进一步下降，严重时不能启动。下一页下一页上一页上一页第59页，共81页，编辑于2022年，星期六第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统上升时电流时间常数上升时电流时间常数Ti=L/R L步进电机绕组平均电感量步进电机绕组平均电感量 R通电回路电阻，包括：通电回路电阻，包括：绕组内阻绕组内阻、功率放大器、功率放大器输出级内阻输出级内阻、串联电阻串联电阻 下降时电流时间常数下降时电流时间常数 Td=L/RDRD放大回路电阻放大回路电阻 为了提高步进电机动态特性，必须改善电流波形，
41、为了提高步进电机动态特性，必须改善电流波形，使前后沿陡度增大，方法有：使前后沿陡度增大，方法有：下一页下一页上一页上一页第60页，共81页，编辑于2022年，星期六1)1)电阻法电阻法电阻法电阻法第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统 从从 T Ti i=L/R=L/R 知，为知，为 ，可可 R R，故可在进电机绕组回路中故可在进电机绕组回路中串联串联一个电阻一个电阻RoRo此时，此时，T Ti i =L/(r+=L/(r+R R0 0 )特点：特点：线路简单，但线路简单，但 R Ro o(10 10)上消耗一定功率，上消耗一定功率，发热量大发热量大，也降低了放大器的，也降低了放大器的效率效率
42、，只，只适于小功率适于小功率步进电机。步进电机。下一页下一页上一页上一页第61页，共81页，编辑于2022年，星期六2)2)电压法电压法电压法电压法 第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统 电感绕组通电状态时，绕组上电流为电感绕组通电状态时，绕组上电流为Im=(E/r)(1-e-t/Ti)E电源电压电源电压电流增长率为电流增长率为dIm/dt=Im=(E/r)(1-e-t/Ti)可见，增大电源电压可以有效地改善电流上升陡度可见，增大电源电压可以有效地改善电流上升陡度 特点：特点：线路复杂线路复杂，需采用双电源，但，需采用双电源，但效率较高效率较高，效果好，效果好，适于适于中小型功率中小型功率步
43、进电机。步进电机。下一页下一页上一页上一页第62页，共81页，编辑于2022年，星期六返回返回下一页下一页上一页上一页2 2单电压型驱动电源单电压型驱动电源单电压型驱动电源单电压型驱动电源第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统 电容电容C:在接通瞬间短接在接通瞬间短接R R电流由电流由ELCT1故故C C称称 加速电容加速电容 电阻电阻Rc:在电流达到在电流达到恒定后恒定后还起还起限流作用限流作用，此时电流由此时电流由ELtRoT1 输入脉冲为输入脉冲为“0 0”时，时，T1T1截止截止，il=0 输入脉冲为输入脉冲为“1 1”时，时，T1T1导通导通 第63页，共81页，编辑于2022年，星
44、期六返回返回下一页下一页上一页上一页第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统 输入输入脉冲消失脉冲消失后，后，T T1 1截止，截止，L L两端将产生一感应电压。两端将产生一感应电压。V=L(di/dt)，由于由于T T1 1关断时间关断时间dtdt很短，很短，故故感应电压感应电压U U很大，将击穿晶体管，很大，将击穿晶体管，为此增加二极管为此增加二极管 D D 续流续流，续流电流，续流电流:LRoDL2单电压型驱动电源单电压型驱动电源第64页，共81页，编辑于2022年，星期六第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统 而而T2T2在在高压控制电路高压控制电路下下导通导通 时间时间t t1 1较短
45、较短(100-600 (100-600 s)s)绕组在绕组在高压高压 EHEH下电流下电流 迅速增大迅速增大至至额定值额定值，此时此时低压低压 ELEL无效无效。3 3高低压双压型驱动电源高低压双压型驱动电源高低压双压型驱动电源高低压双压型驱动电源 输入脉冲信号为输入脉冲信号为“0 0”时，时，T1T1、T2T2均截止，均截止，I IL L=0=0 输入信号为输入信号为“1 1”时，时，T1T1 导通导通 t t1 1之后之后，T2T2截止截止，低压供压低压供压，维维持持绕组所需的绕组所需的额定电流额定电流IeIeEHEL下一页下一页上一页上一页第65页，共81页，编辑于2022年，星期六第四
46、章第四章 进给伺服系统进给伺服系统输入脉冲输入脉冲信号消失信号消失(为为“0 0”)，T1T1、T2T2均截止均截止，L L上电流经上电流经放电回路放电回路：LRoD2EHELD1L迅速下降迅速下降EH供电，励磁电流供电，励磁电流前沿电流前沿电流Ip=EH/(r+R0)(1-e-t/Ti)由此计算由此计算t1t1=T/nEH/EH+In(r+R0)In要求高压通电，要求高压通电，电流达到的数值电流达到的数值3 3高低压双压型驱动电源高低压双压型驱动电源高低压双压型驱动电源高低压双压型驱动电源EHEL下一页下一页上一页上一页第66页，共81页，编辑于2022年，星期六第四章第四章 进给伺服系统进
47、给伺服系统1)1)绕组上电流绕组上电流I Il l 随外加电压随外加电压(E EH H、E EL L)变化而变化变化而变化，当外加电压变化时，电机特性变差，工作不稳定当外加电压变化时，电机特性变差，工作不稳定 2)绕组电流绕组电流波形下凹波形下凹，使电机使电机输出转矩降低输出转矩降低 3)R R的存在使的存在使效率降低效率降低 EH ELEH EL返回返回存在的问题：存在的问题：存在的问题：存在的问题：下一页下一页上一页上一页第67页，共81页，编辑于2022年，星期六4 4电流斩波型电流斩波型电流斩波型电流斩波型第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统 在绕组回路中在绕组回路中串接电流检测电路
48、：串接电流检测电路：当绕组电流当绕组电流下降至一定下降至一定下限下限时，时，由检测电路发生信号、控制由检测电路发生信号、控制 高压管高压管再度接通再度接通，使绕组，使绕组 电流回升电流回升；当电流当电流增至某一增至某一上限上限时，再时，再次次断开断开高压源高压源。下一页下一页上一页上一页第68页，共81页，编辑于2022年，星期六返回返回下一页下一页上一页上一页第四章第四章 进给伺服系进给伺服系统统第69页，共81页，编辑于2022年，星期六5 5细分驱动电源细分驱动电源细分驱动电源细分驱动电源 第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统若励磁电流若励磁电流以方波以方波达到额定值，则转子转过达到额
49、定值，则转子转过一个步距角一个步距角；而若励磁电流以而若励磁电流以若干级若干级上升上升到额定值，则转子以到额定值，则转子以同样同样的的若干级若干级转过一个步距角，即可使步进电机步距变小。转过一个步距角，即可使步进电机步距变小。细分即使电机通电电流由细分即使电机通电电流由矩形波矩形波转变为转变为阶梯波阶梯波，即使励磁，即使励磁电流以电流以若干个等幅、等宽若干个等幅、等宽的阶梯上升到额定值，并以同样的阶梯上升到额定值，并以同样的阶梯从额定值下降到零。的阶梯从额定值下降到零。下一页下一页上一页上一页第70页，共81页，编辑于2022年，星期六下一页下一页上一页上一页第四章第四章 进给伺服系统进给伺服
50、系统第71页，共81页，编辑于2022年，星期六第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统返回返回下一页下一页上一页上一页第72页，共81页，编辑于2022年，星期六下一页下一页上一页上一页第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统步进电机步进电机返回返回第73页，共81页，编辑于2022年，星期六第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统步进电机功率驱动器步进电机功率驱动器下一页下一页上一页上一页返回返回第74页，共81页，编辑于2022年，星期六下一页下一页上一页上一页第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统步进电机功率驱动器步进电机功率驱动器返回返回第75页，共81页，编辑于2022年，星期六4.4.