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1、YCF（中职）数控系统第4章教学课件第第4章章 伺服系统伺服系统第一节第一节 概述概述第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统第三节第三节 交流电动机伺服系统交流电动机伺服系统第四节第四节 直流伺服电动机直流伺服电动机第一节第一节 概述概述 数控机床伺服系统是指以机床移动部件数控机床伺服系统是指以机床移动部件(如工作台、动力如工作台、动力头等，本书仅以工作台为例头等，本书仅以工作台为例)的位置和速度作为控制量的自的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称拖动系统。在数控机床上，伺服系统接收动控制系统，又称拖动系统。在数控机床上，伺服系统接收来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令，经
2、过一定的来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及电压、功率放大，将其转化为机床工作台相对于信号变换及电压、功率放大，将其转化为机床工作台相对于切削刀具的运动。目前，这主要通过对交、直流伺服电机或切削刀具的运动。目前，这主要通过对交、直流伺服电机或步进电机等进给驱动元件的控制来实现。步进电机等进给驱动元件的控制来实现。下一页返回第一节第一节 概述概述 数控机床的伺服系统作为一种实现切削刀具与工件间运动数控机床的伺服系统作为一种实现切削刀具与工件间运动的进给驱动和执行机构，是数控机床的一个重要组成部分，的进给驱动和执行机构，是数控机床的一个重要组成部分，它在很大程度上决定了数
3、控机床的性能，如数控机床的最高它在很大程度上决定了数控机床的性能，如数控机床的最高移动速度、跟踪精度、定位精度等一系列重要指标取决于伺移动速度、跟踪精度、定位精度等一系列重要指标取决于伺服驱动系统性能的优劣。因此，随着数控机床的发展，研究服驱动系统性能的优劣。因此，随着数控机床的发展，研究和开发高性能的伺服驱动系统，一直是现代数控机床研究的和开发高性能的伺服驱动系统，一直是现代数控机床研究的关键技术之一。关键技术之一。下一页返回上一页第一节第一节 概述概述一、伺服系统的性能一、伺服系统的性能 根据机械切削加工的特点，数控机床对进给驱动有如下要根据机械切削加工的特点，数控机床对进给驱动有如下要求
4、求:1.位移精度高位移精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。伺伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。伺服系统的位移精度是指服系统的位移精度是指CNC装置发出的指令脉冲要求机床工装置发出的指令脉冲要求机床工作台进给的理论位移量和该指令脉冲经伺服系统转化为机床作台进给的理论位移量和该指令脉冲经伺服系统转化为机床工作台实际位移量之间的符合程度。两者误差愈小，位移精工作台实际位移量之间的符合程度。两者误差愈小，位移精度愈高。一般为度愈高。一般为0.010.001 mm。下一页返回上一页第一节第一节 概述概述 2.调速范围宽调速范围宽 调速范围是指数控机床要求电动机所能提供的
5、最高转速与调速范围是指数控机床要求电动机所能提供的最高转速与最低转速之比。一般要求速比为最低转速之比。一般要求速比为24 000:1。低速时应保证运。低速时应保证运行平稳无爬行。在数控机床中，由于所用刀具、加工材料及行平稳无爬行。在数控机床中，由于所用刀具、加工材料及零件加工要求的差异，为保证数控机床在任何情况下都能得零件加工要求的差异，为保证数控机床在任何情况下都能得到最佳切削速度，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。到最佳切削速度，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。下一页返回上一页第一节第一节 概述概述 3.响应速度快响应速度快 响应速度是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统响应速度
6、是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统跟随精度。机床进给伺服系统实际上就是一种高精度的位置跟随精度。机床进给伺服系统实际上就是一种高精度的位置随动系统，为保证轮廓切削形状精度和低的表面粗糙度，伺随动系统，为保证轮廓切削形状精度和低的表面粗糙度，伺服系统应具有良好的快速响应性。服系统应具有良好的快速响应性。下一页返回上一页第一节第一节 概述概述 4.稳定性好稳定性好 稳定性是指系统在给定外界干扰作用下，能在短暂的调节稳定性是指系统在给定外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或恢复到原来平衡状态的能力。稳定性直过程后，达到新的或恢复到原来平衡状态的能力。稳定性直接影响数控加工精度和表面
7、粗糙度，因此要求伺服系统应具接影响数控加工精度和表面粗糙度，因此要求伺服系统应具有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。5.低速大转矩低速大转矩 数控机床加工的特点是，在低速时进行重切削，因此伺服数控机床加工的特点是，在低速时进行重切削，因此伺服系统在低速时要求有大的输出转矩，保证低速切削正常进行。系统在低速时要求有大的输出转矩，保证低速切削正常进行。下一页返回上一页第一节第一节 概述概述 另外，数控机床对主轴驱动也有一定要求另外，数控机床对主轴驱动也有一定要求:.能提供大的切削功率能提供大的切削功率;.调速范围达调速范围达200:1，以利于选择
8、合适的主轴转速，以利于选择合适的主轴转速;.能满足不同的加工要求，在一定速度范围内保持恒转矩或能满足不同的加工要求，在一定速度范围内保持恒转矩或恒功率切削。恒功率切削。下一页返回上一页第一节第一节 概述概述二、伺服系统的组成与分类二、伺服系统的组成与分类 1.伺服系统的组成伺服系统的组成 数控机床伺服系统的基本组成如数控机床伺服系统的基本组成如图图4-1所示。数控机床的伺所示。数控机床的伺服系统按有无反馈检测单元分为开环和闭环两种类型，这两服系统按有无反馈检测单元分为开环和闭环两种类型，这两种类型的伺服驱动系统的基本组成不完全相同。但不管是哪种类型的伺服驱动系统的基本组成不完全相同。但不管是哪
9、种类型，执行元件及其驱动控制单元都必不可少。驱动控制种类型，执行元件及其驱动控制单元都必不可少。驱动控制单元的作用是将进给指令转化为驱动执行元件所需要的信号单元的作用是将进给指令转化为驱动执行元件所需要的信号形式，执行元件则将该信号转化为相应的机械位移。形式，执行元件则将该信号转化为相应的机械位移。下一页返回上一页第一节第一节 概述概述 在在CNC系统中，由于计算机的引入，比较控制环节的功能系统中，由于计算机的引入，比较控制环节的功能由软件完成，从而导致系统结构的一些改变，但基本上还是由软件完成，从而导致系统结构的一些改变，但基本上还是由执行元件、反馈检测单元、比较控制环节、驱动控制单元由执行
10、元件、反馈检测单元、比较控制环节、驱动控制单元和机床组成。和机床组成。下一页返回上一页第一节第一节 概述概述 2.伺服系统的分类伺服系统的分类 机床的伺服系统按其功能可分为机床的伺服系统按其功能可分为:主轴伺服系统和进给伺主轴伺服系统和进给伺服系统。主轴伺服系统用于控制机床主轴的运动，提供机床服系统。主轴伺服系统用于控制机床主轴的运动，提供机床的切削动力。进给伺服系统通常由伺服驱动电路、伺服电动的切削动力。进给伺服系统通常由伺服驱动电路、伺服电动机和进给机械传动机构等部件组成。进给机械传动机构由减机和进给机械传动机构等部件组成。进给机械传动机构由减速齿轮、滚珠丝杠副、导轨和工作台等组成。速齿轮
11、、滚珠丝杠副、导轨和工作台等组成。进给伺服系统按有无位置检测和反馈以及检测装置的安装进给伺服系统按有无位置检测和反馈以及检测装置的安装位置的不同，可分为开环控制、半闭环和闭环控制系统。位置的不同，可分为开环控制、半闭环和闭环控制系统。下一页返回上一页第一节第一节 概述概述 (1)开环伺服系统开环伺服系统只能采用步进电动机作为驱开环伺服系统开环伺服系统只能采用步进电动机作为驱动元件，它没有任何位置反馈和速度反馈回路，因此设备投动元件，它没有任何位置反馈和速度反馈回路，因此设备投资少，调试维修方便，但精度较低，高速转矩小，被广泛用资少，调试维修方便，但精度较低，高速转矩小，被广泛用于中、低档数控机
12、床及普通机床的数控化改造。它由驱动电于中、低档数控机床及普通机床的数控化改造。它由驱动电路、步进电动机和进给机械传动机构组成，如路、步进电动机和进给机械传动机构组成，如图图4-2所示。所示。开环伺服系统将数字脉冲转换角位移，靠驱动装置本身定开环伺服系统将数字脉冲转换角位移，靠驱动装置本身定位。步进电动机转过的角度与指令脉冲个数成正比，转速与位。步进电动机转过的角度与指令脉冲个数成正比，转速与脉冲频率成正比，转向取决于电动机绕组通电顺序。脉冲频率成正比，转向取决于电动机绕组通电顺序。下一页返回上一页第一节第一节 概述概述 (2)闭环伺服系统闭环伺服系统将直线位移检测装置安装在闭环伺服系统闭环伺服
13、系统将直线位移检测装置安装在机床的工作台上，将检测装置测出的实际位移量或者实际所机床的工作台上，将检测装置测出的实际位移量或者实际所处的位置反馈给处的位置反馈给CNC装置，并与指令值进行比较，求得差值，装置，并与指令值进行比较，求得差值，实现位置控制，如实现位置控制，如图图4-3所示。闭环所示。闭环(半闭环半闭环)伺服系统均为双伺服系统均为双闭环系统，内环为速度环，外环为位置环。速度环由速度控闭环系统，内环为速度环，外环为位置环。速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成。速度控制单元是一个独立的制单元、速度检测装置等构成。速度控制单元是一个独立的单元部件，用来控制电动机的转速，是速度控制单元的
14、核心。单元部件，用来控制电动机的转速，是速度控制单元的核心。速度检测装置有测速发电机、脉冲编码器等。位置环是由速度检测装置有测速发电机、脉冲编码器等。位置环是由CNC装置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反装置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组成。馈控制等部分组成。下一页返回上一页第一节第一节 概述概述 由速度检测装置提供速度反馈值的速度环控制在进给驱动由速度检测装置提供速度反馈值的速度环控制在进给驱动装置内完成，而装在电动机轴上装置内完成，而装在电动机轴上(丝杠末端丝杠末端)或机床工作台上或机床工作台上的位置反馈装置提供位置反馈值构成的位置环由数控装置来的位置
15、反馈装置提供位置反馈值构成的位置环由数控装置来完成。伺服系统从外部看，是一个以位置指令输入和位置控完成。伺服系统从外部看，是一个以位置指令输入和位置控制为输出的位置闭环控制系统。从内部的实际工作来看，它制为输出的位置闭环控制系统。从内部的实际工作来看，它是先将位置控制指令转换成相应的速度信号后，通过调速系是先将位置控制指令转换成相应的速度信号后，通过调速系统驱动电动机才实现位置控制的。统驱动电动机才实现位置控制的。下一页返回上一页第一节第一节 概述概述 (3)半闭环伺服系统半闭环伺服系统一般将角位移检测装置半闭环伺服系统半闭环伺服系统一般将角位移检测装置安装在电动机轴或滚珠丝杠末端，用以精确控
16、制电动机或丝安装在电动机轴或滚珠丝杠末端，用以精确控制电动机或丝杠的角度，然后转换成工作台的位移。它可以将部分传动链杠的角度，然后转换成工作台的位移。它可以将部分传动链的误差检测出来并得到补偿，因而它的精度比开环伺服系统的误差检测出来并得到补偿，因而它的精度比开环伺服系统高。目前，在精度要求适中的中小型数控机床上，使用半闭高。目前，在精度要求适中的中小型数控机床上，使用半闭环系统较多，如环系统较多，如图图4-4所示。所示。返回上一页第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统 步进式伺服驱动系统是典型的开环控制系统。在此系统中，步进式伺服驱动系统是典型的开环控制系统。在此系统中，执行元件
17、是步进电机。步进电动机是一种将电脉冲信号转换执行元件是步进电机。步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件。步进电动机的输入量是脉冲成角位移或线位移的机电元件。步进电动机的输入量是脉冲序列，输出量则为相应的增量位移或步进运动。正常运动情序列，输出量则为相应的增量位移或步进运动。正常运动情况下，它每转一周具有固定的步数况下，它每转一周具有固定的步数;做连续步进运动时，其旋做连续步进运动时，其旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接受数字量的动和负载变化的影响。由于步进电动机
18、能直接接受数字量的控制，所以特别适宜采用微机进行控制。控制，所以特别适宜采用微机进行控制。下一页返回第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统一、步进电动机的种类一、步进电动机的种类 步进电机的分类方式很多，常见的分类方式有按产生力矩步进电机的分类方式很多，常见的分类方式有按产生力矩的原理、按输出力矩的大小以及按定子和转子的数量进行分的原理、按输出力矩的大小以及按定子和转子的数量进行分类等。根据不同的分类方式，可将步进电机分为多种类型，类等。根据不同的分类方式，可将步进电机分为多种类型，如如表表4-1所示。所示。下一页返回上一页第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统二、步进
19、电动机的工作原理和主要特性二、步进电动机的工作原理和主要特性 1.步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理 图图4-5为三相反应式步进电动机的结构图。它是由转子、定为三相反应式步进电动机的结构图。它是由转子、定子及定子绕组所组成。定子上有六个均布的磁极，直径方向子及定子绕组所组成。定子上有六个均布的磁极，直径方向相对的两个极上的线圈串联，构成电动机的一相控制绕组。相对的两个极上的线圈串联，构成电动机的一相控制绕组。下一页返回上一页第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统 图图4-6为三相反应式步进电动机工作原理图。定子上有为三相反应式步进电动机工作原理图。定子上有A、B、C三对磁极，
20、转子上有四个齿，转子上无绕组，由带齿的三对磁极，转子上有四个齿，转子上无绕组，由带齿的铁心做成。如果先将电脉冲加到铁心做成。如果先将电脉冲加到A相励磁绕组，相励磁绕组，B、C相不加相不加电脉冲，电脉冲，A相磁极便产生磁场，在磁场力矩作用下，转子相磁极便产生磁场，在磁场力矩作用下，转子1、3两个齿与两个齿与图图4-4三相反应式步进电动机的结构图定子三相反应式步进电动机的结构图定子A相磁极相磁极对齐对齐;如果将电脉冲加到如果将电脉冲加到B相励磁绕组，相励磁绕组，A、C相不加电脉冲，相不加电脉冲，B相磁极便产生磁场，这时转子相磁极便产生磁场，这时转子2、4两个齿与定子两个齿与定子B相磁极靠相磁极靠得
21、最近，转子便沿逆时针方向转过得最近，转子便沿逆时针方向转过30，使转子，使转子2、4两个齿与两个齿与定子定子B相对齐相对齐;下一页返回上一页第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统 如果将电脉冲加到如果将电脉冲加到C相励磁绕组，相励磁绕组，A、B相不加电脉冲，相不加电脉冲，C相磁极便产生磁场，这时转子相磁极便产生磁场，这时转子1、3两个齿与定子两个齿与定子C相磁极靠得相磁极靠得最近，转子再沿逆时针方向转过最近，转子再沿逆时针方向转过30，使转子，使转子1、3两个齿与定两个齿与定子子C相对齐。如果按照相对齐。如果按照A BCA的顺序通电，步进的顺序通电，步进电动机就按逆时针方向转动电动
22、机就按逆时针方向转动;如果按照如果按照ACBA的顺的顺序通电，步进电动机就按顺时针方向转动，且每步转序通电，步进电动机就按顺时针方向转动，且每步转30。如。如果控制电路连续地按一定方向切换定子绕组各相的通电顺序，果控制电路连续地按一定方向切换定子绕组各相的通电顺序，转子便按一定方向不停地转动。转子便按一定方向不停地转动。下一页返回上一页第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统 步进电动机定子绕组从一种通电状态换接到另一种通电状步进电动机定子绕组从一种通电状态换接到另一种通电状态称为一拍，每拍转子转过的角度，称为步距角。上述通电态称为一拍，每拍转子转过的角度，称为步距角。上述通电方式称
23、为三相单三拍，即三相励磁绕组依次单独通电运行，方式称为三相单三拍，即三相励磁绕组依次单独通电运行，换相三次完成一个通电循环。由于每种状态只有一相绕组通换相三次完成一个通电循环。由于每种状态只有一相绕组通电，转子容易在平衡位置附近产生振荡，并且在绕组通电切电，转子容易在平衡位置附近产生振荡，并且在绕组通电切换瞬间，电动机失去自锁转矩，易产生丢步。换瞬间，电动机失去自锁转矩，易产生丢步。下一页返回上一页第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统 通常采用三相双三拍控制方式，即通常采用三相双三拍控制方式，即ABBC CA AB 或或AC CB BA AC 的顺序通电，定位精度增的顺序通电，定
24、位精度增高且不易失步。如果步进电动机按照高且不易失步。如果步进电动机按照A AB B BC C CA A 或或A AC C CB B BA A 的的顺序通电，根据其原理图分析可知，其步距角比三相三拍工顺序通电，根据其原理图分析可知，其步距角比三相三拍工作方式减小一半，称这种方式为三相六拍工作方式。综上述，作方式减小一半，称这种方式为三相六拍工作方式。综上述，步距角按下式计算步距角按下式计算下一页返回上一页第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统 式中式中 s s步距角步距角;m电动机相数电动机相数;z转子齿数转子齿数;k通电方式系数，通电方式系数，k=拍数拍数/相数。相数。下一页返回
25、上一页第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统 从上式可知，电动机相数的多少受结构限制，减小步距角从上式可知，电动机相数的多少受结构限制，减小步距角的主要方法是增加转子齿数的主要方法是增加转子齿数:。如。如图图4-6所示，电动机相邻两所示，电动机相邻两个极与极之间的夹角为个极与极之间的夹角为60，图示的转子只有，图示的转子只有4个齿，因此齿个齿，因此齿与齿之间的夹角为与齿之间的夹角为90，经上述分析可知，当电动机以三相三，经上述分析可知，当电动机以三相三拍方式工作时，步距角为拍方式工作时，步距角为30;以三相六拍方式工作时，步距角以三相六拍方式工作时，步距角为为15。在一个循环过程中
26、，即通电从。在一个循环过程中，即通电从A.A，转子正好，转子正好转过一个齿间夹角。如果将转子齿变为转过一个齿间夹角。如果将转子齿变为40个，转子齿间夹角个，转子齿间夹角为为9那么当电动机以三相三拍方式工作时，步距角则为那么当电动机以三相三拍方式工作时，步距角则为3;以以三相六拍方式工作时，步距角则为三相六拍方式工作时，步距角则为1.5。通过改变定子绕组。通过改变定子绕组的通电顺序，就可改变电动机的旋转方向，实现机床运动部的通电顺序，就可改变电动机的旋转方向，实现机床运动部件进给方向的改变。件进给方向的改变。下一页返回上一页第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统 步进电动机转子角位移
27、的大小取决于来自步进电动机转子角位移的大小取决于来自CNC装置发出的装置发出的电脉冲个数，其转速电脉冲个数，其转速n取决于电脉冲频率取决于电脉冲频率f，即，即 式中式中 n电动机转速电动机转速(r/min);f电脉冲频率电脉冲频率(Hz)。综上所述，步进电动机的角位移大小与脉冲个数成正比综上所述，步进电动机的角位移大小与脉冲个数成正比;转转速与脉冲频率成正比速与脉冲频率成正比;转动方向取决于定子绕组的通电顺序。转动方向取决于定子绕组的通电顺序。下一页返回上一页第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统 2.步进电动机的主要特性步进电动机的主要特性 (1)步距角步距角s s和步距误差和步
28、距误差 s s 步进电动机的步距角步进电动机的步距角s s是是定子绕组的通电状态每改变一次，如定子绕组的通电状态每改变一次，如AB或或AAB，其转子，其转子转过的一个确定的角度。步距角越小，机床运动部件的位置转过的一个确定的角度。步距角越小，机床运动部件的位置精度越高。精度越高。下一页返回上一页第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统 步距误差步距误差 s s是指步进电动机运行时理论的步距角是指步进电动机运行时理论的步距角s s与转与转子每一步实际的步距角子每一步实际的步距角 之差，即之差，即 。它直接影响。它直接影响执行部件的定位精度。步距误差主要由步进电动机齿距制造执行部件的定位
29、精度。步距误差主要由步进电动机齿距制造误差，定子和转子气隙不均匀，各相电磁转矩不均匀等因素误差，定子和转子气隙不均匀，各相电磁转矩不均匀等因素造成。步进电动机连续走若干步时，步距误差的累积值称为造成。步进电动机连续走若干步时，步距误差的累积值称为步距的累积误差，由于步进电动机每转一转又恢复到原来位步距的累积误差，由于步进电动机每转一转又恢复到原来位置，所以误差不会无限累积。伺服步进电动机的步距误差置，所以误差不会无限累积。伺服步进电动机的步距误差 s s一般为一般为 ，功率步进电动机的步距误差，功率步进电动机的步距误差 s s一般一般为为 。下一页返回上一页第二节第二节 开环步进式伺服系统开环
30、步进式伺服系统 (2)静态转矩和矩角特性静态转矩和矩角特性 当步进电动机定子绕组处于某种当步进电动机定子绕组处于某种通电状态时，如果在电动机轴上外加一个负载转矩，使转子通电状态时，如果在电动机轴上外加一个负载转矩，使转子按一定方向转过一个角度按一定方向转过一个角度，此时转子所受的电磁转矩，此时转子所受的电磁转矩M称称为静态转矩，角度为静态转矩，角度称为失调角。当外加转矩撤销时，转子称为失调角。当外加转矩撤销时，转子在电磁转矩作用下回到稳定平衡点位置在电磁转矩作用下回到稳定平衡点位置(=0)。用来描述静。用来描述静态转矩态转矩M与与之间关系的曲线称为矩角特性，如之间关系的曲线称为矩角特性，如图图
31、4-7所示。所示。该矩角特性曲线上的静态转矩最大值称为最大静态转距该矩角特性曲线上的静态转矩最大值称为最大静态转距Mimax。下一页返回上一页第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统 (3)最大启动转矩最大启动转矩Ma 图图4-8为三相单三拍矩角特性曲线，为三相单三拍矩角特性曲线，图中的图中的A、B分别是相邻分别是相邻A相和相和B相的静态特性曲线，它们的相的静态特性曲线，它们的交点所对应的转矩交点所对应的转矩Ma是步进电动机的最大启动转矩。如果外是步进电动机的最大启动转矩。如果外加负载转矩大于加负载转矩大于Ma，电动机就不能启动。如，电动机就不能启动。如图图4-7所示，当所示，当A相
32、通电时，若外加负载转矩相通电时，若外加负载转矩Mb Ma，对应的失调角为，对应的失调角为a，当励磁电流由，当励磁电流由A相切换到相切换到B相时，对应角相时，对应角a,B相的静态转相的静态转矩为矩为Mb。从图中看出。从图中看出Mb Ma,电动机不能带动负载做步进运电动机不能带动负载做步进运动，因而启动转矩是电动机能带动负载转动的极限转矩。动，因而启动转矩是电动机能带动负载转动的极限转矩。)下一页返回上一页第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统 (4)最高启动频率最高启动频率fa 空载时，步进电动机由静止突然启动，空载时，步进电动机由静止突然启动，并不失步地进入稳速运行，所允许的启动频
33、率的最高值称为并不失步地进入稳速运行，所允许的启动频率的最高值称为最高启动频率最高启动频率fa。步进电动机在启动时，既要克服负载转矩，。步进电动机在启动时，既要克服负载转矩，又要克服惯性转矩又要克服惯性转矩(电动机和负载的总惯量电动机和负载的总惯量)，所以启动频率，所以启动频率不能过高。如果加给步进电动机的指令脉冲频率大于最高启不能过高。如果加给步进电动机的指令脉冲频率大于最高启动频率，就不能正常工作，会造成丢步。而且，随着负载加动频率，就不能正常工作，会造成丢步。而且，随着负载加大启动频率会进一步降低。大启动频率会进一步降低。下一页返回上一页第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统
34、 (5)连续运行的最高工作频率连续运行的最高工作频率fmax 步进电动机连续运行时步进电动机连续运行时且在不丢步的情况下所能接受的最高频率称为最高工作频率且在不丢步的情况下所能接受的最高频率称为最高工作频率fmax。最高工作频率远大于启动频率，它表明步进电动机所能。最高工作频率远大于启动频率，它表明步进电动机所能达到的最高速度。达到的最高速度。(6)矩频特性步进电动机在连续运行时，用来描述输出转矩矩频特性步进电动机在连续运行时，用来描述输出转矩和运行频率之间关系的特性称为矩频特性，如和运行频率之间关系的特性称为矩频特性，如图图4-9所示。当所示。当输入脉冲的频率大于临界值时，步进电动机的输出转
35、矩加速输入脉冲的频率大于临界值时，步进电动机的输出转矩加速下降，带负载能力迅速降低。下降，带负载能力迅速降低。下一页返回上一页第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统三、步进电动机的驱动控制三、步进电动机的驱动控制 根据步进式伺服系统的工作原理，步进电机驱动控制线路根据步进式伺服系统的工作原理，步进电机驱动控制线路的功能是，将具有一定频率的功能是，将具有一定频率f、一定数量、一定数量N和方向的进给脉冲和方向的进给脉冲转换成控制步进电机各相定子绕组通断电的电平信号。电平转换成控制步进电机各相定子绕组通断电的电平信号。电平信号的变化频率、变化次数和通断电顺序与进给指令脉冲的信号的变化频率
36、、变化次数和通断电顺序与进给指令脉冲的频率、数量和方向对应。频率、数量和方向对应。下一页返回上一页第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统 为了能够实现该功能，一个较完整的步进电机的驱动控制为了能够实现该功能，一个较完整的步进电机的驱动控制线路应包括脉冲混合电路、加减脉冲分配电路、加减速电路、线路应包括脉冲混合电路、加减脉冲分配电路、加减速电路、环形分配器和功率放大器环形分配器和功率放大器(见见图图4-10，并应能接收和处理各种，并应能接收和处理各种类型的进给指令控制信号如自动进给信号、手动信号和补偿类型的进给指令控制信号如自动进给信号、手动信号和补偿信号等。脉冲混合电路、加减脉冲分
37、配电路、加减速电路和信号等。脉冲混合电路、加减脉冲分配电路、加减速电路和环形分配器可用硬件线路来实现，也可用软件来实现。环形分配器可用硬件线路来实现，也可用软件来实现。)下一页返回上一页第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统 1.环形分配器环形分配器 环形分配器是用于控制步进电动机的通电方式的，其作用环形分配器是用于控制步进电动机的通电方式的，其作用是将是将CNC装置送来的一系列指令脉冲按照一定的循环规律依装置送来的一系列指令脉冲按照一定的循环规律依次分配给电动机的各相绕组，控制各相绕组的通电和断电。次分配给电动机的各相绕组，控制各相绕组的通电和断电。环形分配可采用硬件和软件两种方
38、法实现。硬件按其电路结环形分配可采用硬件和软件两种方法实现。硬件按其电路结构不同，可分为构不同，可分为TTL集成电路和集成电路和CMOS集成电路。集成电路。下一页返回上一页第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统 市场上提供的国产市场上提供的国产TTL脉冲分配器有三相脉冲分配器有三相(YB013)、四相、四相(YB014)、五相、五相(YB015等等;CMOS集成脉冲分配器也有不同型号，集成脉冲分配器也有不同型号，例如例如CH250型用来驱动三相步进电动机。目前，脉冲分配大型用来驱动三相步进电动机。目前，脉冲分配大多采用软件的方法来实现。当采用三相六拍方式时，电动机多采用软件的方法来
39、实现。当采用三相六拍方式时，电动机正转的通电顺序为正转的通电顺序为AABBBCCCAA;电动机反转电动机反转的通电顺序为的通电顺序为AACCCBBBAA。它们的环形分。它们的环形分配如配如表表4-3所示。设某相为高电平时通电。所示。设某相为高电平时通电。下一页返回上一页第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统 2.步进电动机驱动电源步进电动机驱动电源(功率放大器功率放大器)环形脉冲分配器输出的电流一般只有几毫安，而步进电动环形脉冲分配器输出的电流一般只有几毫安，而步进电动机的励磁绕组则需要几安培甚至几十安培的电流，所以必须机的励磁绕组则需要几安培甚至几十安培的电流，所以必须经过功率放
40、大。功率放大器的作用是将脉冲分配器发出的电经过功率放大。功率放大器的作用是将脉冲分配器发出的电平信号放大后送至步进电动机的各相绕组，驱动电动机运转，平信号放大后送至步进电动机的各相绕组，驱动电动机运转，每一相绕组分别有一组功率放大电路。过去采用单电压驱动每一相绕组分别有一组功率放大电路。过去采用单电压驱动电源，后来常采用高低压驱动电路，现在则较多地采用恒流电源，后来常采用高低压驱动电路，现在则较多地采用恒流斩波和调频调压型的驱动电路。斩波和调频调压型的驱动电路。下一页返回上一页第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统 (1)单电压驱动电路如单电压驱动电路如图图4-11所示，所示，L为
41、步进电动机励磁绕组为步进电动机励磁绕组的电感，的电感，Ra为绕组电阻，为绕组电阻，Re为外接电阻，为外接电阻，Rc与与C并联是为了并联是为了减小回路的时间常数，以提高电动机的快速响应能力和启动减小回路的时间常数，以提高电动机的快速响应能力和启动性能。续流二极管性能。续流二极管VD和阻容吸收回路和阻容吸收回路R C，用来保护功率管，用来保护功率管VT。单电压驱动电路的优点是线路简单，缺点是电流上升速度慢，单电压驱动电路的优点是线路简单，缺点是电流上升速度慢，高频时带负载能力较差，波形如高频时带负载能力较差，波形如图图4-13 (a)所示。所示。下一页返回上一页第二节第二节 开环步进式伺服系统开环
42、步进式伺服系统 (2)高低压驱动电路如高低压驱动电路如图图4-12所示，该电路由两种电压给步所示，该电路由两种电压给步进电动机绕组供电进电动机绕组供电:一种是高电压一种是高电压U1,，一般为，一般为80V甚至更高甚至更高;另一种是低电压另一种是低电压U2,，即步进电动机绕组额定电压，一般为，即步进电动机绕组额定电压，一般为几伏，不超过几伏，不超过20V。当相序输入脉冲信号。当相序输入脉冲信号IH、IL到来时，到来时，VT1、VT2同时导通，励磁绕组同时导通，励磁绕组L上加高电压上加高电压U1,，以提高绕组中电，以提高绕组中电流上升速率，当电流达到规定值时，流上升速率，当电流达到规定值时，VT1
43、关断、关断、VT2仍然导通，仍然导通，绕组切换到低电压绕组切换到低电压U2供电，维持电动机正常运行。该电路可供电，维持电动机正常运行。该电路可谓谓“高压建流，低压稳流高压建流，低压稳流”。该电路的优点是在较宽的频率范围内有较大的平均电流，该电路的优点是在较宽的频率范围内有较大的平均电流，能产生较大而且较稳定的电磁转矩，缺点是电流有波谷，波能产生较大而且较稳定的电磁转矩，缺点是电流有波谷，波形如形如图图4-13 (b)所示。所示。下一页返回上一页第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统 (3)恒流斩波驱动电路高低压驱动电路的电流在高低压切换恒流斩波驱动电路高低压驱动电路的电流在高低压切
44、换处出现了谷点，造成高频输出转矩谷点下降，为了使励磁绕处出现了谷点，造成高频输出转矩谷点下降，为了使励磁绕组中的电流维持在额定值附近，需采用斩波驱动电路，恒流组中的电流维持在额定值附近，需采用斩波驱动电路，恒流波形如波形如图图4-13 (c)所示。所示。在如在如图图4-14所示的恒流斩波驱动电路中，环形分配器输出所示的恒流斩波驱动电路中，环形分配器输出的脉冲作为输入信号，若为正脉冲，则的脉冲作为输入信号，若为正脉冲，则VT1、VT2导通，因为导通，因为U1为高电压，励磁绕组又没串联电阻，所以通过绕组的电流为高电压，励磁绕组又没串联电阻，所以通过绕组的电流迅速上升，当绕组中的电流上升到额定值以上
45、某个数值时，迅速上升，当绕组中的电流上升到额定值以上某个数值时，由于采样电阻由于采样电阻Re的反馈作用，经整形、放大后将信号传送至的反馈作用，经整形、放大后将信号传送至VT1的基极，使的基极，使VT1截止。截止。下一页返回上一页第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统 此时，励磁绕组切换成由低电压此时，励磁绕组切换成由低电压U2供电，绕组中的电流立供电，绕组中的电流立即下降，当下降至额定值以下时，由于采样电阻即下降，当下降至额定值以下时，由于采样电阻Re的反馈作的反馈作用，经整形、放大后将信号传送至用，经整形、放大后将信号传送至VT1的基极，使的基极，使VT1截止。截止。此时，励磁绕
46、组切换成由低电压此时，励磁绕组切换成由低电压U2供电，绕组中的电流立即供电，绕组中的电流立即下降，当下降至额定值以下时，由于采样电阻下降，当下降至额定值以下时，由于采样电阻Re的反馈作用，的反馈作用，使整形电路无信号输出，此时高压前置放大电路又使使整形电路无信号输出，此时高压前置放大电路又使VT1导通导通，绕组中电流又上升。按此规律反复进行，形成一个在额定，绕组中电流又上升。按此规律反复进行，形成一个在额定电流值附近振幅很小的绕组电流波形，近似恒流，如电流值附近振幅很小的绕组电流波形，近似恒流，如图图4-13 (c)所示。所以斩波电路亦称恒流斩波驱动电路。电流波的频所示。所以斩波电路亦称恒流斩
47、波驱动电路。电流波的频率可通过采样电阻尺率可通过采样电阻尺.和整形电路的电位器调整。和整形电路的电位器调整。下一页返回上一页第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统 恒流斩波驱动电路虽然较复杂，但它的优点尤为突出。恒流斩波驱动电路虽然较复杂，但它的优点尤为突出。.绕组的脉冲电流上升沿和下降沿较陡，快速响应性好绕组的脉冲电流上升沿和下降沿较陡，快速响应性好;该电路功耗小，效率高。因为绕组电路中无外接电阻该电路功耗小，效率高。因为绕组电路中无外接电阻Rc，且电路中采样电阻且电路中采样电阻Re很小很小;.该电路能愉出恒定转矩，由于采样电阻该电路能愉出恒定转矩，由于采样电阻Re的反馈作用，使
48、的反馈作用，使绕组中的电流几乎恒定，且不随步进电动机的转速而变化，绕组中的电流几乎恒定，且不随步进电动机的转速而变化，从而保证在很大的频率范围内，步进电动机都能愉出恒定转从而保证在很大的频率范围内，步进电动机都能愉出恒定转矩。使进给驱动装置运行平稳。矩。使进给驱动装置运行平稳。下一页返回上一页第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统四、开环控制步进电动机伺服系统的工作四、开环控制步进电动机伺服系统的工作原理原理 步进式伺服驱动系统主要由步进电机驱动控制线路和步进步进式伺服驱动系统主要由步进电机驱动控制线路和步进电机两部分组成，如电机两部分组成，如图图4-15所示。驱动控制线路接收来自
49、数所示。驱动控制线路接收来自数控机床控制系统的进给脉冲信号控机床控制系统的进给脉冲信号(指令信号指令信号)，并把此信号转，并把此信号转换为控制步进电机各相定子绕组依此通电、断电的信号，使换为控制步进电机各相定子绕组依此通电、断电的信号，使步进电机运转。步进电机的转子与机床丝杠连在一起，转子步进电机运转。步进电机的转子与机床丝杠连在一起，转子带动丝杠转动，丝杠再带动工作台移动。带动丝杠转动，丝杠再带动工作台移动。下一页返回上一页第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统 下面从步进式伺服系统如何实现对机床工作台移动的移动量、下面从步进式伺服系统如何实现对机床工作台移动的移动量、速度和移动
50、方向进行控制三个方面，对其工作原理进行介绍。速度和移动方向进行控制三个方面，对其工作原理进行介绍。1.工作台位移量的控制工作台位移量的控制 数控机床控制系统发出的数控机床控制系统发出的N个进给脉冲，经驱动线路之后，个进给脉冲，经驱动线路之后，变成控制步进电机定子绕组通电、断电的电平信号变化次数变成控制步进电机定子绕组通电、断电的电平信号变化次数N，使步进电机定子绕组的通电状态变化，使步进电机定子绕组的通电状态变化N次。由步进电机工作次。由步进电机工作原理可知，定子绕组通电状态的变化次数原理可知，定子绕组通电状态的变化次数N决定了步进电机的决定了步进电机的角位移角位移，=Na(a即步距角即步距角