第6開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)

1、一、一、 伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)的組成 數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)按其功能可分為：進(jìn)給伺服系統(tǒng)和主軸伺服系統(tǒng)。 主軸伺服系統(tǒng)用于控制機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。 進(jìn)給伺服系統(tǒng)是以機(jī)床移動(dòng)部件（如工作臺(tái)）的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，通常由伺服驅(qū)動(dòng)裝置、伺服電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及執(zhí)行部件組成。 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的作用：接受數(shù)控裝置發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號(hào)，由伺服驅(qū)動(dòng)裝置作一定的轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服電機(jī)（直流、交流伺服電機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)等）和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺(tái)等執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給或快速運(yùn)動(dòng)。 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)能根據(jù)指令信號(hào)精確地控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)速度與位置，以及幾個(gè)執(zhí)行部件按一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)所合

2、成的運(yùn)動(dòng)軌跡。 如果把數(shù)控裝置比作數(shù)控機(jī)床的“大腦”，是發(fā)布“命令”的指揮機(jī)構(gòu)，那么伺服系統(tǒng)就是數(shù)控機(jī)床的“四肢”，是執(zhí)行“命令”的機(jī)構(gòu)，它是一個(gè)不折不扣的跟隨者。圖6-1 閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)位置控制模塊速度控制單元伺 服 電機(jī) 工作臺(tái) 位置檢測(cè)測(cè)量反饋 伺服驅(qū)動(dòng)裝置速度環(huán)速度檢測(cè)位置環(huán) 數(shù)控機(jī)床閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖，這是一個(gè)雙閉環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)為速度環(huán)，外環(huán)為位置環(huán)。速度環(huán)由速度控制單元、速度檢測(cè)裝置等構(gòu)成。速度控制單元是一個(gè)獨(dú)立的單元部件，它是用來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的，是速度控制系統(tǒng)的核心。速度檢測(cè)裝置有測(cè)速發(fā)電機(jī)、脈沖編碼器等。位置環(huán)是由cnc裝置中的位置控制模塊、速度控制單元、位置檢測(cè)及

3、反饋控制等部分組成。 由速度檢測(cè)裝置提供速度反饋值的速度環(huán)控制在進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置內(nèi)完成，而裝在電動(dòng)機(jī)軸上或機(jī)床工作臺(tái)上的位置反饋裝置提供位置反饋值構(gòu)成的位置環(huán)由數(shù)控裝置來(lái)完成。伺服系統(tǒng)從外部來(lái)看，是一個(gè)以位置指令輸入和位置控制為輸出的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。但從內(nèi)部的實(shí)際工作來(lái)看，它是先把位置控制指令轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的速度信號(hào)后，通過(guò)調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，才實(shí)現(xiàn)實(shí)際位移的。二、對(duì)伺服系統(tǒng)的基本要求二、對(duì)伺服系統(tǒng)的基本要求l伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選用伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選用l1）精度要求：定位精度、重復(fù)定位精度、加工精度）精度要求：定位精度、重復(fù)定位精度、加工精度l2）穩(wěn)定性：達(dá)到平衡狀態(tài)的能力）穩(wěn)定性：達(dá)到平衡狀態(tài)的能力l

4、3）響應(yīng)速度：跟蹤指令信號(hào)的速度）響應(yīng)速度：跟蹤指令信號(hào)的速度l4）調(diào)速范圍：最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比）調(diào)速范圍：最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比rn=nmax/nminl5）低速轉(zhuǎn)距特性）低速轉(zhuǎn)距特性:低速時(shí)轉(zhuǎn)距輸出能力低速時(shí)轉(zhuǎn)距輸出能力l關(guān)于定位精度和重復(fù)定位精度關(guān)于定位精度和重復(fù)定位精度l 定位精度：移動(dòng)件到達(dá)指令位置的準(zhǔn)確度定位精度：移動(dòng)件到達(dá)指令位置的準(zhǔn)確度l 重復(fù)定位精度：移動(dòng)件在任意定位點(diǎn)的定位一致性重復(fù)定位精度：移動(dòng)件在任意定位點(diǎn)的定位一致性l一、組成一、組成 伺服驅(qū)動(dòng)單元、執(zhí)行元件、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)伺服驅(qū)動(dòng)單元、執(zhí)行元件、傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 二、步進(jìn)電機(jī)二、步進(jìn)電機(jī)將將電脈沖電脈沖轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)變成機(jī)械角位移機(jī)

5、械角位移的裝置的裝置 第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) cnc步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)放大驅(qū)動(dòng)放大 工作臺(tái)工作臺(tái) 1.1.分類分類第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)v按按輸出轉(zhuǎn)矩輸出轉(zhuǎn)矩分：分： 伺服伺服步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)、功率功率 步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)。 v按按勵(lì)磁相數(shù)勵(lì)磁相數(shù)分：分： 三相三相、六相六相、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： 反應(yīng)式反應(yīng)式、激磁式激磁式、混合式混合式（永磁反應(yīng)式永磁反應(yīng)式） 2.2.步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)v步進(jìn)電機(jī)由步進(jìn)電機(jī)由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子和和定子定子兩部分組成兩部分組成定子定子上有繞組

6、分為上有繞組分為若干相若干相，每相每相磁極上有磁極上有極齒極齒。左圖為左圖為三相三相定子：定子：aa,bb,cca、b、c三相每相兩極，三相每相兩極，每極上五個(gè)齒每極上五個(gè)齒1) 定子定子五個(gè)極齒五個(gè)極齒2.2.步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)定子上線圈的繞法定子上線圈的繞法a相a相b相b相c相c相2.2.步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)2) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子上有上有均勻分布均勻分布的的齒，沒(méi)有繞組。齒，沒(méi)有繞組。轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)子齒間夾角為間夾角為9o左圖為一轉(zhuǎn)子示意圖：左圖為一轉(zhuǎn)子示意圖：以以四十齒四十齒為例來(lái)說(shuō)明為例來(lái)說(shuō)明步進(jìn)電

7、機(jī)的原理步進(jìn)電機(jī)的原理第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4.4.工作原理工作原理a a相相轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 子子9 9o ob b相相轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 子子3 3o oc c相相轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子6 6o o如果如果a相通電則轉(zhuǎn)子齒與相通電則轉(zhuǎn)子齒與a相極齒對(duì)齊，這時(shí)在相極齒對(duì)齊，這時(shí)在

8、b相兩極下相兩極下定子齒與轉(zhuǎn)子齒中心線并不對(duì)齊，而是轉(zhuǎn)子齒中心線較定定子齒與轉(zhuǎn)子齒中心線并不對(duì)齊，而是轉(zhuǎn)子齒中心線較定子齒中心線反時(shí)針?lè)较蜃育X中心線反時(shí)針?lè)较蚵浜舐浜?/3齒齒距，即距，即3o。因此，當(dāng)通電狀態(tài)由因此，當(dāng)通電狀態(tài)由a相變?yōu)橄嘧優(yōu)閎相時(shí)，轉(zhuǎn)子順時(shí)針?lè)较蛳鄷r(shí)，轉(zhuǎn)子順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)轉(zhuǎn)過(guò)3o，c相通電再轉(zhuǎn)相通電再轉(zhuǎn)3o。c相下，轉(zhuǎn)子齒超前相下，轉(zhuǎn)子齒超前6o。第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4.4.工作原理工作原理第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三拍三拍通電激磁，步距角通電激磁，步距角= = 3= 3o o3 4 40 00631 . . 一般一般 =m繞組相數(shù)；繞組相數(shù)；z

9、轉(zhuǎn)子齒數(shù)，單拍轉(zhuǎn)子齒數(shù)，單拍k=1,雙拍雙拍k=2。mzk063六拍六拍通電激磁，步距角通電激磁，步距角 = = 1.5o3 40402 . . 0634.4.工作原理工作原理第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)定子繞組定子繞組通斷電順序通斷電順序 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向 定子繞組定子繞組通斷電轉(zhuǎn)換頻率通斷電轉(zhuǎn)換頻率 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速 定子繞組定子繞組通斷電次數(shù)通斷電次數(shù) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角 三相單三拍三相單三拍 a b c a a b c a （k=1k=1） 三相雙三拍三相雙三拍 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

10、 a ab b bc c ca a （k=2k=2） v 通斷電方式通斷電方式5 5. .主要控制特性主要控制特性第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最高工作頻率（最高工作頻率（f fmaxmax） 加減速特性加減速特性 矩頻特性矩頻特性 啟動(dòng)頻率（啟動(dòng)頻率（f fstst） 步距角（步距角（）及步距誤差及步距誤差 靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與矩角特性靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與矩角特性最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩mq1) 1) 步距角（步距角（）及步距誤差及步距誤差 步距角步距角是兩個(gè)是兩個(gè)相臨脈沖時(shí)間相臨脈沖時(shí)間內(nèi)內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度轉(zhuǎn)過(guò)的角度, ,一般來(lái)一般來(lái)說(shuō)說(shuō)步距角越小步距角越小, ,控制越精確。控制越精確。 第六章第六

11、章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)5 5. .主要控制特性主要控制特性步距誤差步距誤差直接影響執(zhí)行部件的直接影響執(zhí)行部件的定位精度定位精度. .步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單相通電時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單相通電時(shí), ,步距誤差步距誤差取決于取決于定子和轉(zhuǎn)子定子和轉(zhuǎn)子的的分齒分齒精度精度, ,和各相定子和各相定子錯(cuò)位角度的精度錯(cuò)位角度的精度。多相通電時(shí)多相通電時(shí), ,其不僅與上述因素有關(guān)其不僅與上述因素有關(guān), ,還和還和各相電流大小各相電流大小, ,磁磁路性能路性能有關(guān)。有關(guān)。 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)上某相定子繞組通電之后，轉(zhuǎn)子齒將力求與定子齒對(duì)齊，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)上某相定子繞組通電之后，轉(zhuǎn)子齒將力求與定

12、子齒對(duì)齊，使磁路中的磁阻最小，轉(zhuǎn)子處在平衡位置不動(dòng)（使磁路中的磁阻最小，轉(zhuǎn)子處在平衡位置不動(dòng)（0）。）。如果在電機(jī)軸上外如果在電機(jī)軸上外加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩mz，轉(zhuǎn)子會(huì)偏離平衡位置向負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度轉(zhuǎn)子會(huì)偏離平衡位置向負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，角度角度稱為失調(diào)角。有失調(diào)角之后，步進(jìn)電機(jī)就產(chǎn)生一個(gè)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩（也稱為稱為失調(diào)角。有失調(diào)角之后，步進(jìn)電機(jī)就產(chǎn)生一個(gè)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩（也稱為電磁轉(zhuǎn)矩），這時(shí)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角電磁轉(zhuǎn)矩），這時(shí)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系叫矩的關(guān)系叫矩角特性，如圖角特性，如圖6-6所示，近似為正弦曲線。該矩角特性上的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大值所示

13、，近似為正弦曲線。該矩角特性上的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。在靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，當(dāng)外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩除去時(shí)，轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。在靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，當(dāng)外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩除去時(shí)，轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)矩作用下，仍能回到穩(wěn)定平衡點(diǎn)位置（矩作用下，仍能回到穩(wěn)定平衡點(diǎn)位置（0）。）。第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) o mjmax m 靜態(tài)穩(wěn)定區(qū) - -/2 /2 圖6-6 靜態(tài)矩角特性3）最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩mq 圖6-7為三相單三拍矩角特性曲線，圖中的a、b分別是相鄰a相和b相的靜態(tài)矩角特性曲線，它們的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩是步進(jìn)電機(jī)的最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩mq 。如果外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于mq ，電機(jī)就不能啟動(dòng)。如圖6-7所示,當(dāng)a相通電

14、時(shí)，若外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩ma mq ，對(duì)應(yīng)的失調(diào)角為a ，當(dāng)勵(lì)磁電流由a相切換到b相時(shí)，對(duì)應(yīng)角b ，b相的靜轉(zhuǎn)矩為mb。從圖中看出mb mq,電機(jī)不能帶動(dòng)負(fù)載做步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，因而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩是電機(jī)能帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)的極限轉(zhuǎn)矩。 ba b c圖6-6 三相單三拍步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩mbmqmama4 4）最高啟動(dòng)頻率）最高啟動(dòng)頻率第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)空載時(shí)空載時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由，步進(jìn)電機(jī)由靜止突然啟動(dòng)靜止突然啟動(dòng)，并，并不失步不失步的進(jìn)入穩(wěn)速運(yùn)行，的進(jìn)入穩(wěn)速運(yùn)行，所允許的所允許的啟動(dòng)頻率的最高值啟動(dòng)頻率的最高值為為最高啟動(dòng)頻率最高啟動(dòng)頻率. .啟動(dòng)時(shí)頻率啟動(dòng)時(shí)頻率大于最高啟動(dòng)頻率時(shí)步進(jìn)電機(jī)不能正常工作

15、，大于最高啟動(dòng)頻率時(shí)步進(jìn)電機(jī)不能正常工作，最高最高啟動(dòng)頻率啟動(dòng)頻率與步進(jìn)電機(jī)的與步進(jìn)電機(jī)的慣性負(fù)載有關(guān)慣性負(fù)載有關(guān). .5 5）最高工作頻率）最高工作頻率步進(jìn)電機(jī)工作頻率連續(xù)上升時(shí)，電動(dòng)機(jī)不失步運(yùn)行的最步進(jìn)電機(jī)工作頻率連續(xù)上升時(shí)，電動(dòng)機(jī)不失步運(yùn)行的最高頻率稱為高頻率稱為最高工作頻率最高工作頻率。它的值也和它的值也和負(fù)載負(fù)載有關(guān)。很顯然，在同樣負(fù)載下，有關(guān)。很顯然，在同樣負(fù)載下，最高工最高工作頻率遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率作頻率遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率. .第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在在連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下，步進(jìn)電機(jī)的下，步進(jìn)電機(jī)的電磁力矩電磁力矩隨隨頻率頻率的的升高升高而而急劇下降急劇下降，這兩者

16、的關(guān)系稱為，這兩者的關(guān)系稱為矩頻特性矩頻特性. .6 6）矩頻特性）矩頻特性md / nmmd / nmf /hzf /hz16*100016*10000 01 12 23 34 44 48 812127)加減速特性加減速特性 步進(jìn)電機(jī)的加減速特性是描述步進(jìn)電機(jī)由靜止到工作頻率步進(jìn)電機(jī)的加減速特性是描述步進(jìn)電機(jī)由靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過(guò)程中，定子繞組通電狀態(tài)的和由工作頻率到靜止的加減速過(guò)程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時(shí)間的關(guān)系變化頻率與時(shí)間的關(guān)系. 當(dāng)要求步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)到大于突跳頻率的工作頻率時(shí)，變化速度當(dāng)要求步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)到大于突跳頻率的工作頻率時(shí)，變化速度必須逐漸上升必須

17、逐漸上升 同樣同樣,當(dāng)要求步進(jìn)電機(jī)從最高工作頻率或高于突跳頻率的工作當(dāng)要求步進(jìn)電機(jī)從最高工作頻率或高于突跳頻率的工作頻率停止時(shí)，變化速度必須逐漸下降頻率停止時(shí)，變化速度必須逐漸下降 逐漸上升或下降的加速時(shí)間、減速時(shí)間不能過(guò)小，否則會(huì)逐漸上升或下降的加速時(shí)間、減速時(shí)間不能過(guò)小，否則會(huì)出現(xiàn)失步或超步出現(xiàn)失步或超步一般用加速時(shí)間常數(shù)一般用加速時(shí)間常數(shù)ta和減速時(shí)間常數(shù)和減速時(shí)間常數(shù)td來(lái)來(lái)描描述步進(jìn)電機(jī)的升速和降述步進(jìn)電機(jī)的升速和降速特性速特性第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)l步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子有80個(gè)齒，采用三相六拍驅(qū)動(dòng)方式，經(jīng)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)做直線運(yùn)動(dòng)，絲杠的導(dǎo)程為5mm，工作臺(tái)移動(dòng)最大

18、速度為6mm/s。求：l(1)步進(jìn)電機(jī)的步距角=？l(2)工作點(diǎn)的脈沖當(dāng)量？l(3)步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率？l解：(1) l(2) 絲杠導(dǎo)程步距角/360 =50.75/360=0.01(mm/脈沖)l(3) 75. 08023360360mkz)(60001. 0/6/hzvf6.6.步進(jìn)電機(jī)的選擇步進(jìn)電機(jī)的選擇第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1)1)步進(jìn)電機(jī)選擇原則：步進(jìn)電機(jī)選擇原則： 步矩角步矩角 與機(jī)械系統(tǒng)相匹配，以得到系統(tǒng)所需的與機(jī)械系統(tǒng)相匹配，以得到系統(tǒng)所需的 保證電機(jī)保證電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩輸出轉(zhuǎn)矩，大于負(fù)載所需轉(zhuǎn)矩，大于負(fù)載所需轉(zhuǎn)矩 能與機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載能與機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載慣量相匹配

19、慣量相匹配 為使電機(jī)具有良好的為使電機(jī)具有良好的起動(dòng)起動(dòng)性能及較快的性能及較快的響應(yīng)響應(yīng)速度速度 推薦推薦 j jleqleq/jm/jm=40或r50時(shí)為反； r7：tab數(shù)據(jù)表指針。 以上參數(shù)在主程序中給定。l出口：r7：子程序結(jié)束時(shí)電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)，供下次調(diào)用時(shí)參考。l源程序如下：lsbu1： mov dptr，#tabl ajmp redo ；轉(zhuǎn)移去判斷正反轉(zhuǎn)ldriver： mov，r7 ；驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)l mov a，a+dptrl mov p1，al acall delay ；調(diào)延時(shí)子程序 l djnz r6，redo ；距離不為0轉(zhuǎn)移 l mov r7，a ；為0保存指針后返回l

20、retlredo： cjne r5，#00，non ；如為反轉(zhuǎn)則轉(zhuǎn)移l cjne r7，#05，l1 ；正轉(zhuǎn)：指針不到數(shù)組尾轉(zhuǎn)移l mov r7，#00h ；否則指針清零l ajmp driverll1： inc r7 ；指針加1l ajmp driverlnon： cjne r7，#00h，l2 ；反轉(zhuǎn)：指針不在數(shù)組首轉(zhuǎn)移l mov r7，#05h ；否則指針置5l ajmp driverll2： dec r7 ；指針減1ltab： db 01h，03h，02h，06h，04h，05hl這里省略了延時(shí)子程序，通過(guò)改變延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的速度。在以計(jì)算機(jī)為控制核心的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中采用

21、軟件進(jìn)行脈沖分配已形成趨勢(shì)。雖然軟件脈沖分配增加了編程的復(fù)雜程度，但它省去了環(huán)形脈沖分配器，系統(tǒng)減少了器件，降低了成本，也提高了系統(tǒng)的可靠性。 （二）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源（二）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的要求對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的要求 實(shí)際上，步進(jìn)電機(jī)是實(shí)際上，步進(jìn)電機(jī)是感性負(fù)載感性負(fù)載，繞組中電流繞組中電流不能突變不能突變，而是按，而是按指數(shù)規(guī)律指數(shù)規(guī)律上升或下降上升或下降, ,從而使整個(gè)從而使整個(gè)通電周期內(nèi)，繞組通電周期內(nèi)，繞組電流平均值電流平均值下降，下降，電機(jī)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩下降輸出轉(zhuǎn)矩下降。 理想理想驅(qū)動(dòng)電源使電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源使電機(jī)繞組電流繞組電流 盡量接近盡量接近

22、矩形波矩形波。 而當(dāng)電機(jī)而當(dāng)電機(jī)運(yùn)行頻率很高運(yùn)行頻率很高時(shí)，電流峰值時(shí)，電流峰值顯著小于顯著小于額定額定勵(lì)磁電流，從而導(dǎo)致電機(jī)勵(lì)磁電流，從而導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)一步下降，嚴(yán)重時(shí)不能啟動(dòng)。轉(zhuǎn)矩進(jìn)一步下降，嚴(yán)重時(shí)不能啟動(dòng)。 第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 上升時(shí)電流時(shí)間常數(shù)上升時(shí)電流時(shí)間常數(shù) ti = l/r l步進(jìn)電機(jī)繞組平均電感量步進(jìn)電機(jī)繞組平均電感量 r通電回路電阻，包括：通電回路電阻，包括： 繞組內(nèi)阻繞組內(nèi)阻、功率放大器、功率放大器輸出級(jí)內(nèi)阻輸出級(jí)內(nèi)阻、串聯(lián)電阻串聯(lián)電阻 下降時(shí)電流時(shí)間常數(shù)下降時(shí)電流時(shí)間常數(shù) td = l/rd rd放大回路電阻放大回路電阻 為了提高步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性，必須

23、改善電流波形，為了提高步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性，必須改善電流波形，使前后沿陡度增大，方法有：使前后沿陡度增大，方法有： 1) 電阻法電阻法第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 從從 t ti i=l/r =l/r 知，為知，為 ， 可可 r r，故可在進(jìn)電機(jī)繞組回路中故可在進(jìn)電機(jī)繞組回路中串聯(lián)串聯(lián)一個(gè)電阻一個(gè)電阻roro此時(shí)，此時(shí)， t ti i = l/( r+= l/( r+r r0 0 ) ) 特點(diǎn)：特點(diǎn)：線路簡(jiǎn)單，但線路簡(jiǎn)單，但 r ro o ( ( 10 10)上消耗一定功率，上消耗一定功率，發(fā)熱量大發(fā)熱量大，也降低了放大器的，也降低了放大器的效率效率，只，只適于小功率適于小功率步進(jìn)電機(jī)。

24、步進(jìn)電機(jī)。 2) 電壓法電壓法 第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 電感繞組通電狀態(tài)時(shí)，繞組上電流為電感繞組通電狀態(tài)時(shí)，繞組上電流為 im=(e/r) (1-e-t/ti ) e電源電壓電源電壓 電流增長(zhǎng)率為電流增長(zhǎng)率為 de/dt= im=(e/r) (1-e-t/ti )可見(jiàn)，增大電源電壓可以有效地改善電流上升陡度可見(jiàn)，增大電源電壓可以有效地改善電流上升陡度 特點(diǎn)：特點(diǎn)：線路復(fù)雜線路復(fù)雜，需采用雙電源，但，需采用雙電源，但效率較高效率較高，效果好，效果好，適于適于中小型功率中小型功率步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)。 2單電壓型驅(qū)動(dòng)電源單電壓型驅(qū)動(dòng)電源第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 電容電容

25、c: 在接通瞬間短接在接通瞬間短接r r 電流由電流由 elct1 故故c c稱稱 加速電容加速電容 電阻電阻rc: 在電流達(dá)到在電流達(dá)到恒定后恒定后還起還起限流作用限流作用， 改變了時(shí)間常數(shù)改變了時(shí)間常數(shù) ，提高了響，提高了響 應(yīng)速度，此時(shí)電流由應(yīng)速度，此時(shí)電流由 elrct1 輸入脈沖為輸入脈沖為“0 0”時(shí)，時(shí)，t1t1截止截止，il=0 輸入脈沖為輸入脈沖為“1 1”時(shí)，時(shí)，t1t1導(dǎo)通導(dǎo)通 ralclrrrcrl第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 輸入輸入脈沖消失脈沖消失后，后，t t1 1截止，截止， l l兩端將產(chǎn)生一感應(yīng)電壓。兩端將產(chǎn)生一感應(yīng)電壓。 v=l(di/dt)，由

26、于由于t t1 1關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間dtdt很短，很短，故故感應(yīng)電壓感應(yīng)電壓u u很大，將擊穿晶體管，很大，將擊穿晶體管，為此增加二極管為此增加二極管 d d 續(xù)流續(xù)流，續(xù)流電流，續(xù)流電流: : lrcdl 2單電壓型驅(qū)動(dòng)電源單電壓型驅(qū)動(dòng)電源rc第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 而而t2t2在在高壓控制電路高壓控制電路下下導(dǎo)通導(dǎo)通 時(shí)間時(shí)間t t1 1較短較短 (100-600 (100-600 s) s) 繞組在繞組在高壓高壓 eheh下電流下電流 迅速增大迅速增大至至額定值額定值， 此時(shí)此時(shí)低壓低壓 elel無(wú)效無(wú)效。3高低壓雙壓型驅(qū)動(dòng)電源高低壓雙壓型驅(qū)動(dòng)電源 輸入脈沖信號(hào)為輸入脈沖信

27、號(hào)為“0”“0”時(shí)，時(shí)， t1t1、t2t2均截止，均截止，i il l=0=0 輸入信號(hào)為輸入信號(hào)為“1”“1”時(shí)，時(shí)，t1t1 導(dǎo)導(dǎo)通通 t t1 1之后之后，t2t2截止截止，低壓供壓低壓供壓，維持維持繞組所需的繞組所需的額定電流額定電流ieieehel第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 輸入脈沖輸入脈沖信號(hào)消失信號(hào)消失( (為為“0”)“0”)， t1t1、t2t2均截止均截止， l l上電流經(jīng)上電流經(jīng)放電回路放電回路： lrod2eheld1l 迅速下降迅速下降 eh供電，勵(lì)磁電流供電，勵(lì)磁電流前沿電流前沿電流 ip=eh/(r+r0)(1-e-t/ti ) 由此計(jì)算由此計(jì)算t1

28、 t1=t/n eh/eh+ in (r+r0)in要求高壓通電，要求高壓通電， 電流達(dá)到的數(shù)值電流達(dá)到的數(shù)值3高低壓雙壓型驅(qū)動(dòng)電源高低壓雙壓型驅(qū)動(dòng)電源ehel第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1)1) 繞組上電流繞組上電流i il l 隨外加電壓隨外加電壓( (e eh h、e el l) )變化而變化變化而變化， 當(dāng)外加電壓變化時(shí)，電機(jī)特性變差，工作不穩(wěn)定當(dāng)外加電壓變化時(shí)，電機(jī)特性變差，工作不穩(wěn)定 2) 繞組電流繞組電流波形下凹波形下凹， 使電機(jī)使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩降低輸出轉(zhuǎn)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存在的問(wèn)題：存在的問(wèn)題：4電流斬波型電流斬波

29、型第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 在繞組回路中在繞組回路中串接電流檢測(cè)電路：串接電流檢測(cè)電路： 當(dāng)繞組電流當(dāng)繞組電流下降至一定下降至一定下限下限時(shí)，時(shí)， 由檢測(cè)電路發(fā)生信號(hào)、控制由檢測(cè)電路發(fā)生信號(hào)、控制 高壓管高壓管再度接通再度接通，使繞組，使繞組 電流回升電流回升； 當(dāng)電流當(dāng)電流增至某一增至某一上限上限時(shí)，時(shí)，再次再次斷開(kāi)斷開(kāi)高壓源高壓源。特點(diǎn)：特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、響應(yīng)速度快、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、功耗低、噪聲大。應(yīng)用：應(yīng)用：大（中）型功率步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)5細(xì)分驅(qū)動(dòng)電源細(xì)分驅(qū)動(dòng)電源 第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)若勵(lì)磁電流若勵(lì)磁電流以方波以方波達(dá)到額定值

30、，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)達(dá)到額定值，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角一個(gè)步距角；而若勵(lì)磁電流以而若勵(lì)磁電流以若干級(jí)若干級(jí)上升上升到額定值，則轉(zhuǎn)子以到額定值，則轉(zhuǎn)子以同樣同樣的的若干級(jí)若干級(jí)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，即可使步進(jìn)電機(jī)步距變小。轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，即可使步進(jìn)電機(jī)步距變小。 細(xì)分即使電機(jī)通電電流由細(xì)分即使電機(jī)通電電流由矩形波矩形波轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)殡A梯波階梯波，即使勵(lì)磁，即使勵(lì)磁電流以電流以若干個(gè)等幅、等寬若干個(gè)等幅、等寬的階梯上升到額定值，并以同樣的階梯上升到額定值，并以同樣的階梯從額定值下降到零。的階梯從額定值下降到零。 細(xì)分技術(shù)的關(guān)鍵是如何獲得階梯波。下面介紹應(yīng)用單片機(jī)細(xì)分技術(shù)的關(guān)鍵是如何獲得階梯波。下面介紹應(yīng)用單片機(jī)進(jìn)行

31、細(xì)分驅(qū)動(dòng)的技術(shù)。進(jìn)行細(xì)分驅(qū)動(dòng)的技術(shù)。 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)： 切換時(shí)，繞組電流并非全部切除或通入，只改變額定值的一部分（如1/4)，轉(zhuǎn)子也只轉(zhuǎn)動(dòng)步距角的一部分（如1/4)。第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)四、提高步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)精度的措施l存在的問(wèn)題：無(wú)位移檢測(cè)元件，定位精度主要取決于傳動(dòng)精度l改善措施1.反向間隙補(bǔ)償：在換向時(shí)通過(guò)附加脈沖進(jìn)行補(bǔ)償2.螺距誤差補(bǔ)償：采用機(jī)械樣板或附加脈沖進(jìn)行補(bǔ)償3.反饋補(bǔ)償：通過(guò)檢測(cè)器進(jìn)行系統(tǒng)誤差檢測(cè)，周期性周期性地發(fā)出補(bǔ)償脈沖。第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)器第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)器4.4. 步距角越小，意味著它所能達(dá)到的步距角越小，意味著它所能達(dá)到的位置精度位置精度越越 ；1.1. 步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)電機(jī)的步距角步距角計(jì)算公式為計(jì)算公式為 ；2.2. 齒距角齒距角的計(jì)算公式為的計(jì)算公式為 ；3.3. 一個(gè)齒距角的電角度是一個(gè)齒距角的電角度是 ；5.5. 一個(gè)步距角的一個(gè)步距角的電角度電角度是是 ；6.6. 在數(shù)控制機(jī)床中常采用的步距角是在數(shù)控制機(jī)床中常采用的步距角是 。 習(xí) 題 =360o