第5章進(jìn)給伺服系統(tǒng)

1、提提要要本章介紹進(jìn)給伺服系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理，敘本章介紹進(jìn)給伺服系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理，敘述步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)等述步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)等伺服驅(qū)動(dòng)元件的結(jié)構(gòu)及調(diào)速方法，闡述開環(huán)伺伺服驅(qū)動(dòng)元件的結(jié)構(gòu)及調(diào)速方法，闡述開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)的構(gòu)成及控制原理。服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)的構(gòu)成及控制原理。學(xué)時(shí)：學(xué)時(shí)：4 4學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)目目標(biāo)標(biāo) 掌握伺服系統(tǒng)的功能、分類及其特點(diǎn)：數(shù)控機(jī)床掌握伺服系統(tǒng)的功能、分類及其特點(diǎn)：數(shù)控機(jī)床 對(duì)伺服系統(tǒng)的要求對(duì)伺服系統(tǒng)的要求v 掌握開環(huán)伺服系統(tǒng)的組成及工作原理掌握開環(huán)伺服系統(tǒng)的組成及工作原理v 了解和掌握步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理、脈沖分配了解和

2、掌握步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理、脈沖分配v 方式方式v了解直流和交流伺服電機(jī)位置控制原理了解直流和交流伺服電機(jī)位置控制原理建建議議本章內(nèi)容既有理論分析，又有實(shí)驗(yàn)研本章內(nèi)容既有理論分析，又有實(shí)驗(yàn)研究。學(xué)習(xí)中，應(yīng)特別注意各種伺服驅(qū)究。學(xué)習(xí)中，應(yīng)特別注意各種伺服驅(qū)動(dòng)元件的調(diào)速方法和調(diào)速原理，了解動(dòng)元件的調(diào)速方法和調(diào)速原理，了解各種驅(qū)動(dòng)元件之間的性能比較及其應(yīng)各種驅(qū)動(dòng)元件之間的性能比較及其應(yīng)用場合。用場合。第一節(jié) 概 述 伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它接受來自數(shù)控裝置的進(jìn)給指令信號(hào)，動(dòng)控制系統(tǒng)。它接受來自數(shù)控裝置的進(jìn)給指令信號(hào)，經(jīng)變

3、換、調(diào)節(jié)和放大后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行件，轉(zhuǎn)化為直線或旋經(jīng)變換、調(diào)節(jié)和放大后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行件，轉(zhuǎn)化為直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、伺服機(jī)構(gòu)或伺服單元。該系統(tǒng)包括了大量的電力統(tǒng)、伺服機(jī)構(gòu)或伺服單元。該系統(tǒng)包括了大量的電力電子器件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，綜合性強(qiáng)電子器件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，綜合性強(qiáng)。 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的定義及組成進(jìn)給伺服系統(tǒng)的定義及組成1. . 定義：定義： 進(jìn)給伺服系統(tǒng)進(jìn)給伺服系統(tǒng)(Feed (Feed Servo S

4、ystem)Servo System)以移動(dòng)部件的以移動(dòng)部件的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)。一、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的定義及組成一、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的定義及組成 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的作用進(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)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)。 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)所合成的運(yùn)動(dòng)軌跡。 如把數(shù)控裝置比作數(shù)控機(jī)床“大腦”，是發(fā)布“命令”的指揮機(jī)構(gòu)，則伺服系統(tǒng)就是數(shù)控機(jī)床的“四肢”，是執(zhí)行“命

5、令”的機(jī)構(gòu)。 組成： 進(jìn)給伺服系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：位置控制單元；速度控制單元；驅(qū)動(dòng)元件(電機(jī))；檢測與反饋單元；機(jī)械執(zhí)行部件。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元+-電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋第一節(jié) 概 述 圖5-1 進(jìn)給伺服系統(tǒng)組成 NC NC機(jī)床對(duì)數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求機(jī)床對(duì)數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求q 調(diào)速范圍要寬且要有良好的穩(wěn)定性調(diào)速范圍要寬且要有良好的穩(wěn)定性( (在調(diào)速范圍內(nèi)在調(diào)速范圍內(nèi)) ) 調(diào)速范圍：調(diào)速范圍： 一般要求：一般要求： 穩(wěn)定性：指輸出速度的波動(dòng)要少，尤其是在穩(wěn)定性：指輸出速度的波動(dòng)要少，尤其是在低速時(shí)

6、的平穩(wěn)性顯得特別重要。低速時(shí)的平穩(wěn)性顯得特別重要。minmaxnnRn 輸出位置精度要高輸出位置精度要高 靜態(tài)靜態(tài)：定位精度和重復(fù)定位精度要高，即定位誤差：定位精度和重復(fù)定位精度要高，即定位誤差和重復(fù)定位誤差要小。和重復(fù)定位誤差要小。( (尺寸精度尺寸精度) ) 動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)：跟隨精度，這是動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，用跟隨誤差：跟隨精度，這是動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，用跟隨誤差表示。表示。 ( (輪廓精度輪廓精度) ) 靈敏度靈敏度要高，有足夠高的分辯率。要高，有足夠高的分辯率。 負(fù)載特性要硬負(fù)載特性要硬 在系統(tǒng)負(fù)載范圍內(nèi)，在系統(tǒng)負(fù)載范圍內(nèi)，q當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，輸出速當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，輸出速度應(yīng)基本不變。即度應(yīng)基本不變。即F F

7、盡盡可能??；可能?。籷當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，要求速當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，要求速度的恢復(fù)時(shí)間短且無振度的恢復(fù)時(shí)間短且無振蕩。即蕩。即t t盡可能短；盡可能短；q應(yīng)有足夠的過載能力。應(yīng)有足夠的過載能力。 這是要求伺服系統(tǒng)有良好的這是要求伺服系統(tǒng)有良好的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)剛度。靜態(tài)與動(dòng)態(tài)剛度。 t F t F 響應(yīng)速度快且無超調(diào)響應(yīng)速度快且無超調(diào) 這是對(duì)伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的這是對(duì)伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的要求，即在無超調(diào)的前提下，執(zhí)要求，即在無超調(diào)的前提下，執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)速度的建立時(shí)間行部件的運(yùn)動(dòng)速度的建立時(shí)間 t tp p 應(yīng)盡可能短。應(yīng)盡可能短。 通常要求從通常要求從 0F0Fmaxmax（F Fmaxmax00），其時(shí)間應(yīng)小于

8、），其時(shí)間應(yīng)小于200ms200ms，且不能有超調(diào)，否則對(duì)機(jī)械部件且不能有超調(diào)，否則對(duì)機(jī)械部件不利，有害于加工質(zhì)量。不利，有害于加工質(zhì)量。 t F tp 能可逆運(yùn)行和頻繁靈活啟停能可逆運(yùn)行和頻繁靈活啟停。 系統(tǒng)的可靠性高系統(tǒng)的可靠性高，維護(hù)使用方便，成本低。，維護(hù)使用方便，成本低。 綜上所述：綜上所述：q對(duì)伺服系統(tǒng)的要求包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性兩方面；對(duì)伺服系統(tǒng)的要求包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性兩方面；q對(duì)高精度的數(shù)控機(jī)床，對(duì)其動(dòng)態(tài)性能的要求更對(duì)高精度的數(shù)控機(jī)床，對(duì)其動(dòng)態(tài)性能的要求更嚴(yán)。嚴(yán)。 數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)按其控制原理和有無位數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)按其控制原理和有無位置反饋裝置分為置反饋裝置分為開環(huán)開環(huán)和和閉

9、環(huán)閉環(huán)伺服系統(tǒng)；伺服系統(tǒng)； 按其用途和功能分為按其用途和功能分為進(jìn)給伺服系統(tǒng)進(jìn)給伺服系統(tǒng)和和主軸伺主軸伺服系統(tǒng)服系統(tǒng)； 按其驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的動(dòng)作原理分為按其驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的動(dòng)作原理分為電液伺服電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和和電氣伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電氣伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 電氣伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)又分為電氣伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)又分為直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及及直線電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)直線電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)。第二節(jié)第二節(jié) 伺服系統(tǒng)的分類伺服系統(tǒng)的分類 開環(huán)伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，沒有位置反饋回路開環(huán)伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，沒有位置反饋回路和速度反饋回路，因此設(shè)備投資低，調(diào)試維修方便

10、，但精度差，和速度反饋回路，因此設(shè)備投資低，調(diào)試維修方便，但精度差，高速扭矩小，主要用于中、低檔數(shù)控機(jī)床及普通機(jī)床改造。高速扭矩小，主要用于中、低檔數(shù)控機(jī)床及普通機(jī)床改造。 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度與指令脈沖個(gè)數(shù)成正比，其速度由進(jìn)給脈步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度與指令脈沖個(gè)數(shù)成正比，其速度由進(jìn)給脈沖的頻率決定。沖的頻率決定。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：沒有位置測量裝置，信號(hào)流是單向的沒有位置測量裝置，信號(hào)流是單向的（數(shù)控裝置（數(shù)控裝置進(jìn)給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。進(jìn)給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。電機(jī)電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件機(jī)械執(zhí)行部件A A相、相、B B相相C C相、相、f f、n nCNCCNC插補(bǔ)指令插補(bǔ)指令脈沖頻率脈沖頻率f f脈

11、沖個(gè)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)n n換算換算脈沖環(huán)脈沖環(huán)形分配形分配變換變換功率功率放大放大開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng) 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖所示，是從驅(qū)動(dòng)半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖所示，是從驅(qū)動(dòng)裝置裝置( (常用伺服電機(jī)常用伺服電機(jī)) )或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測，不是直接檢測運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置。行檢測，不是直接檢測運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置。位置控制調(diào)位置控制調(diào)節(jié)器節(jié)器速度控制速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)檢測與反饋單檢測與反饋單元元位置控制單元位置控制單元速度控制單元速度控制單元+ + +- - -電機(jī)電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件機(jī)械執(zhí)行部件CNCCNC

12、插插補(bǔ)補(bǔ)指令指令實(shí)際實(shí)際位置位置反饋反饋實(shí)際實(shí)際速度速度反饋反饋 全閉環(huán)伺服系統(tǒng)全閉環(huán)伺服系統(tǒng) 全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖的虛線所示，全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖的虛線所示，直接對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置進(jìn)行檢測。直接對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置進(jìn)行檢測。位置控制調(diào)位置控制調(diào)節(jié)器節(jié)器速度控制速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)檢測與反饋檢測與反饋單元單元位置控制單元位置控制單元速度控制單元速度控制單元+ + +- - -電機(jī)電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件機(jī)械執(zhí)行部件CNCCNC插插補(bǔ)補(bǔ)指令指令實(shí)際實(shí)際位置位置反饋反饋實(shí)際實(shí)際速度速度反饋反饋 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 進(jìn)給伺服系統(tǒng)包括速度控制環(huán)和

13、位置控制環(huán)，用進(jìn)給伺服系統(tǒng)包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)，用于數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)或刀架坐標(biāo)的控制系統(tǒng)，控制機(jī)床于數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)或刀架坐標(biāo)的控制系統(tǒng)，控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并提供切削過程所需轉(zhuǎn)矩。各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并提供切削過程所需轉(zhuǎn)矩。主軸伺服系統(tǒng)只是一個(gè)速度控制系統(tǒng)，控制機(jī)床主軸主軸伺服系統(tǒng)只是一個(gè)速度控制系統(tǒng)，控制機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為機(jī)床主軸提供驅(qū)動(dòng)功率和所需的切削的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為機(jī)床主軸提供驅(qū)動(dòng)功率和所需的切削力，且保證任意轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。力，且保證任意轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。 直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)與直線電直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)與直線電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng) 直流伺服系統(tǒng)就是控制直流

14、電機(jī)的系統(tǒng)。目前使直流伺服系統(tǒng)就是控制直流電機(jī)的系統(tǒng)。目前使用比較多的是永磁式直流伺服電機(jī)。永磁直流伺服電用比較多的是永磁式直流伺服電機(jī)。永磁直流伺服電機(jī)（也稱為大慣量寬調(diào)速直流伺服電機(jī)），調(diào)速范圍機(jī)（也稱為大慣量寬調(diào)速直流伺服電機(jī)），調(diào)速范圍寬，輸出轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)，而且電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較寬，輸出轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)，而且電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，應(yīng)用較方便。大，應(yīng)用較方便。 但直流電機(jī)有電刷，限制了轉(zhuǎn)速的提高，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格也高。進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，由于交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)的突破，交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入電氣傳動(dòng)調(diào)速控制的各個(gè)領(lǐng)域。交流伺服電機(jī)，轉(zhuǎn)子慣量比直流電機(jī)小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。而且容易維修，制造簡單

15、，適合于在較惡劣環(huán)境中使用，易于向大容量、高速度方向發(fā)展，其性能更加優(yōu)異，已達(dá)到或超過直流伺服系統(tǒng)，交流伺服電機(jī)已在數(shù)控機(jī)床中得到廣泛應(yīng)用。 直線電動(dòng)機(jī)的實(shí)質(zhì)是把旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)沿徑向剖開，然后拉直演變而成，利用電磁作用原理，將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的一種推力裝置，是一種較為理想的驅(qū)動(dòng)裝置。 在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，采用直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的最大區(qū)別是取消了從電動(dòng)機(jī)到工作臺(tái)之間的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，把機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長度縮短為零。正由于這種傳動(dòng)方式，帶來了旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式無法達(dá)到的性能指標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)。對(duì)應(yīng)每一個(gè)指令脈沖，步步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)。對(duì)應(yīng)每一個(gè)指令脈沖，步進(jìn)電

16、機(jī)就旋轉(zhuǎn)一個(gè)規(guī)定角度進(jìn)電機(jī)就旋轉(zhuǎn)一個(gè)規(guī)定角度( (步距角步距角) )。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出角位移量步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出角位移量與輸入指令脈沖數(shù)與輸入指令脈沖數(shù)K K成正比；成正比；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n n與脈沖指令脈沖與脈沖指令脈沖f f頻率成正比。頻率成正比。第三節(jié)第三節(jié) 步進(jìn)電機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)及特性步進(jìn)電機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)及特性在步進(jìn)電機(jī)負(fù)載能力允許下，這種線性關(guān)系隨著負(fù)載變化等因素而變化，可在較寬范圍內(nèi)；通過對(duì)指令脈沖頻率和數(shù)量的控制，控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)速度和位置。機(jī)理機(jī)理：步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵原理，將脈沖信號(hào)步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵原理，將脈沖信號(hào) 轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機(jī)。每來一個(gè)轉(zhuǎn)換成

17、線位移或角位移的電機(jī)。每來一個(gè) 電脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，帶動(dòng)機(jī)械移電脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，帶動(dòng)機(jī)械移 動(dòng)一小段距離。動(dòng)一小段距離。特點(diǎn)特點(diǎn)：(1)(1)來一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。來一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。 (2)(2)控制脈沖頻率，可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速?？刂泼}沖頻率，可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 (3)(3)改變脈沖順序，改變方向。改變脈沖順序，改變方向。步進(jìn)電機(jī)的實(shí)物圖步進(jìn)電機(jī)的實(shí)物圖種類種類： 有勵(lì)磁式和反應(yīng)式兩種。兩種的區(qū)別在于勵(lì)磁式步有勵(lì)磁式和反應(yīng)式兩種。兩種的區(qū)別在于勵(lì)磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上有勵(lì)磁線圈，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上有勵(lì)磁線圈，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒有勵(lì)磁線圈。上沒有勵(lì)磁線圈。

18、應(yīng)用：應(yīng)用： 步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用廣泛。如數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)繪圖儀等步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用廣泛。如數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)繪圖儀等設(shè)備中都得到應(yīng)用。設(shè)備中都得到應(yīng)用。 下面以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例說明步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)下面以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例說明步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。和工作原理。 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)主要由兩部分構(gòu)成：定子和轉(zhuǎn)子。它們均步進(jìn)電機(jī)主要由兩部分構(gòu)成：定子和轉(zhuǎn)子。它們均由磁性材料構(gòu)成，其上分別有六個(gè)、四個(gè)磁極由磁性材料構(gòu)成，其上分別有六個(gè)、四個(gè)磁極 。定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子定子繞組定子繞組定子上有繞組分為若干相，每相磁極上有極齒。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：左圖為三相定子：AA,BB,CCAA,BB

19、,CCA A、B B、C 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)齒定子定子五個(gè)極齒五個(gè)極齒 定子的六個(gè)磁極上有控制繞組，兩個(gè)相對(duì)的磁極定子的六個(gè)磁極上有控制繞組，兩個(gè)相對(duì)的磁極組成一相。組成一相。 注意：注意：這里的相和三相交流電中的這里的相和三相交流電中的“相相”的概念的概念不同。步進(jìn)電機(jī)通的是直流電脈沖，這主要是指線不同。步進(jìn)電機(jī)通的是直流電脈沖，這主要是指線圖的聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。圖的聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。A AB BC C定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子I IA AI IB BI IC C定子上線圈的繞法定子上線圈的繞法轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子上有均勻分布的轉(zhuǎn)子上有均勻分布的齒，沒有繞組。齒，沒有繞組。轉(zhuǎn)

20、子齒間夾角為轉(zhuǎn)子齒間夾角為9 9o o后面以四十齒為例來后面以四十齒為例來說明步進(jìn)電機(jī)的原理說明步進(jìn)電機(jī)的原理工作方式工作方式 步進(jìn)電機(jī)的工作方式可分為：步進(jìn)電機(jī)的工作方式可分為：三相單三拍、三相三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍等。單雙六拍、三相雙三拍等。（一）、三相單三拍（一）、三相單三拍（1 1）三相繞組聯(lián)接方式：）三相繞組聯(lián)接方式：Y Y 型型（2 2）三相繞組中的通電順序?yàn)椋海┤嗬@組中的通電順序?yàn)椋篈 A 相相 B B 相相 C C 相相通電順序也可以為：通電順序也可以為： A A 相相 C C 相相 B B 相相 （3 3）工作過程）工作過程吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的位置力圖使通電相磁

21、路的吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的位置力圖使通電相磁路的磁阻最小，使轉(zhuǎn)、定子的齒對(duì)齊停止轉(zhuǎn)動(dòng)。磁阻最小，使轉(zhuǎn)、定子的齒對(duì)齊停止轉(zhuǎn)動(dòng)。A A 相通電，相通電，A A 方向的磁通方向的磁通經(jīng)轉(zhuǎn)子形成閉合回路。若經(jīng)轉(zhuǎn)子形成閉合回路。若轉(zhuǎn)子和磁場軸線方向原有轉(zhuǎn)子和磁場軸線方向原有一定角度，則在磁場的作一定角度，則在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子被磁化，用下，轉(zhuǎn)子被磁化，A A 相通電使轉(zhuǎn)子相通電使轉(zhuǎn)子1 1、3 3齒和齒和 AA AA 對(duì)齊對(duì)齊。C CAAB BBBCCA A3 34 41 12 2C CAAB BBBCCA A3 34 41 12 2同理，同理，B B相通電，轉(zhuǎn)子相通電，轉(zhuǎn)子2 2、4 4齒和齒和B B相軸

22、線對(duì)齊，相相軸線對(duì)齊，相對(duì)對(duì)A A相通電位置轉(zhuǎn)相通電位置轉(zhuǎn)3030 ；C C相通電再轉(zhuǎn)相通電再轉(zhuǎn)3030 。1 1CC3 34 42 2C CAAB BBBA A 這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，而且，一個(gè)循環(huán)周期共包括三個(gè)脈沖，所以稱三相而且，一個(gè)循環(huán)周期共包括三個(gè)脈沖，所以稱三相單三拍。單三拍。三相單三拍的特點(diǎn)：三相單三拍的特點(diǎn)：（1 1）每來一個(gè)電脈沖，）每來一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 3030 。此角稱為。此角稱為步距角，用步距角，用 S S表示。表示。（2 2）轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序，）轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相

23、線圈通電的順序，改變通電順序即可改變轉(zhuǎn)向。改變通電順序即可改變轉(zhuǎn)向。（二）、三相單雙六拍（二）、三相單雙六拍三相繞組的通電順序?yàn)椋喝嗬@組的通電順序?yàn)椋?A AABABB BBCBCC CCACAA A 共六拍。共六拍。工作過程：工作過程：A A 相通電，相通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子1 1、3 3齒和齒和A A相對(duì)齊。相對(duì)齊。C CAAB BBBCCA A3 34 41 12 2所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。相對(duì)所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。相對(duì)AA AA 通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了1515。（1 1）BB BB 磁場對(duì)磁場對(duì) 2 2、4 4 齒有磁拉力，該拉力齒有磁拉力，該拉力使轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向

24、轉(zhuǎn)動(dòng)。使轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。A A、B B 相同時(shí)通電相同時(shí)通電（2 2）AA AA 磁場繼續(xù)對(duì)磁場繼續(xù)對(duì)1 1、3 3齒有拉力。齒有拉力。C CAAB BBBCCA A3 34 41 12 2總之，每個(gè)循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，所以稱總之，每個(gè)循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，所以稱為三相六拍，步距角為為三相六拍，步距角為1515 。C CAAB BBBCCA A3 34 41 12 2B B 相通電，相通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子2 2、4 4齒和齒和B B相對(duì)齊，又轉(zhuǎn)了相對(duì)齊，又轉(zhuǎn)了1515 。（三）、三相雙三拍（三）、三相雙三拍三相繞組的通電順序?yàn)椋喝嗬@組的通電順序?yàn)椋?ABAB BCBC CACA AB

25、AB 共三拍。共三拍。AB AB 通電通電C CAAB BBBCCA A3 34 41 12 2C CAAB BBBCCA A3 34 41 12 2BC BC 通電通電以上三種工作方式，三相雙三拍和三相單雙以上三種工作方式，三相雙三拍和三相單雙六拍較三相單三拍穩(wěn)定，因此較常采用。六拍較三相單三拍穩(wěn)定，因此較常采用。工作方式為三相雙三工作方式為三相雙三拍時(shí)，每通入一個(gè)電拍時(shí)，每通入一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子也是轉(zhuǎn)脈沖，轉(zhuǎn)子也是轉(zhuǎn)3030 ，即，即 S S = 30= 30 。CACA通電通電C CAAB BBBCCA A3 34 41 12 2小步距角的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)小步距角的步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 實(shí)際采用的步進(jìn)電機(jī)

26、的步距角多為實(shí)際采用的步進(jìn)電機(jī)的步距角多為3 3度和度和1.51.5度，步距角越小，機(jī)加工的精度越高。度，步距角越小，機(jī)加工的精度越高。為產(chǎn)生小步距角，定、轉(zhuǎn)子都做成多齒的，為產(chǎn)生小步距角，定、轉(zhuǎn)子都做成多齒的，圖中轉(zhuǎn)子圖中轉(zhuǎn)子4040個(gè)齒，定子仍是個(gè)齒，定子仍是 6 6個(gè)磁極，但每個(gè)磁個(gè)磁極，但每個(gè)磁極上也有五個(gè)齒。極上也有五個(gè)齒。轉(zhuǎn)子的齒距轉(zhuǎn)子的齒距等于等于360360 / 40=9/ 40=9 ，齒寬、齒槽各，齒寬、齒槽各4.54.5 。 為使轉(zhuǎn)、定子的齒對(duì)齊，定子磁極上的小齒，為使轉(zhuǎn)、定子的齒對(duì)齊，定子磁極上的小齒，齒寬和齒槽和轉(zhuǎn)子相同。齒寬和齒槽和轉(zhuǎn)子相同。結(jié)論：1.1.步進(jìn)電機(jī)定子

27、繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的轉(zhuǎn)子步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過一個(gè)確定的角度便轉(zhuǎn)過一個(gè)確定的角度即步進(jìn)電機(jī)的步距角即步進(jìn)電機(jī)的步距角；2.2.改變步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向改變步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向?qū)㈦S之改變；將隨之改變；3.3.步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)的變換頻率越高，轉(zhuǎn)子的步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)的變換頻率越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高；轉(zhuǎn)速越高；4.4.步進(jìn)電機(jī)的步距角步進(jìn)電機(jī)的步距角與定子繞組的相數(shù)與定子繞組的相數(shù)m m，轉(zhuǎn)子的齒，轉(zhuǎn)子的齒數(shù)數(shù)z z，通電方式，通電方式K K有關(guān)，由如下關(guān)系：有關(guān)，由如下關(guān)系：式中，三相三拍時(shí)（式中，三相

28、三拍時(shí)（m m相相m m拍）時(shí)：拍）時(shí)：K K1 1； 三相六拍（三相六拍（m m相相2m2m拍）時(shí)：拍）時(shí)：K K2 2。 )(3600mzK如右圖所示步進(jìn)電機(jī)，若轉(zhuǎn)子齒數(shù)如右圖所示步進(jìn)電機(jī)，若轉(zhuǎn)子齒數(shù)z z4040，以三相三拍通電時(shí)，步距角為以三相三拍通電時(shí)，步距角為圖圖4 432 32 反應(yīng)式三相步進(jìn)電機(jī)工作原理圖反應(yīng)式三相步進(jìn)電機(jī)工作原理圖031403360360mzK 相數(shù) 分配方式 名稱狀態(tài)數(shù)K步距角33344445555：mmAB CAB B C C AAAB B B C C CAAB C DAB B C C DDAAAB B B C C C DDDAAB AB C BC B C

29、 DC DC DADADABAB C DEAB B C C DDE E AAB B B C C C DDDE E E AAABABCBCBCDCDCDE DE DEAEA E AB三相單三狀態(tài)三相雙三狀態(tài)三相六狀態(tài)四相單四狀態(tài)四相雙四狀態(tài)四相八狀態(tài)四相八狀態(tài)五相單五狀態(tài)五相雙五狀態(tài)五相十狀態(tài)五相十狀態(tài)：m相m狀態(tài)m相2 m狀態(tài)3364488551 01 0m2 m11211221122123 6 00/ 3 z3 6 00/ 3 z3 6 00/ 6 z3 6 00/ 4 z3 6 00/ 4 z3 6 00/ 8 z3 6 00/ 8 z3 6 00/ 5 z3 6 00/ 5 z3 6 0

30、0/ 1 0 z3 6 00/ 1 0 z3 6 00/ mz3 6 00/ 2 mz以三相六拍通電時(shí)，以三相六拍通電時(shí)，步距角為步距角為 各種步進(jìn)電機(jī)的不同分配方式及相應(yīng)的步距角各種步進(jìn)電機(jī)的不同分配方式及相應(yīng)的步距角is0360 步距角是兩個(gè)相臨脈沖時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。一般步距角是兩個(gè)相臨脈沖時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。一般來說步距角越小來說步距角越小, ,控制越精確。同一相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)可控制越精確。同一相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)可有兩種步距角。有兩種步距角。 通常為通常為1.2/0.61.2/0.6、1.5/0.751.5/0.75、1.8/0.91.8/0.9、3/1.53/1.5度等。度等。步距誤差

31、直接影響執(zhí)行部件的定位精度步距誤差直接影響執(zhí)行部件的定位精度. .步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單相通電時(shí)相通電時(shí), ,步距誤差取決于定子和轉(zhuǎn)子的分齒精度步距誤差取決于定子和轉(zhuǎn)子的分齒精度, ,和和各相定子錯(cuò)位角度的精度。各相定子錯(cuò)位角度的精度。二、步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo)二、步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo) 1.1. 步距角和步距誤差步距角和步距誤差 步距誤差是指步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子每一步實(shí)際轉(zhuǎn)步距誤差是指步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子每一步實(shí)際轉(zhuǎn)過的角度與理論步距角之差值。連續(xù)走若干步時(shí)，上過的角度與理論步距角之差值。連續(xù)走若干步時(shí)，上述步距誤差的累積值稱為步距的累積誤差。由于步進(jìn)述步距誤差的累積值稱為步距的累積誤差。

32、由于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)后，將重復(fù)上一轉(zhuǎn)的穩(wěn)定位置，步進(jìn)電電機(jī)轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)后，將重復(fù)上一轉(zhuǎn)的穩(wěn)定位置，步進(jìn)電機(jī)的步距累積誤差將以一轉(zhuǎn)為周期重復(fù)出現(xiàn)。機(jī)的步距累積誤差將以一轉(zhuǎn)為周期重復(fù)出現(xiàn)。 2. 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)當(dāng)步進(jìn)電機(jī)上某相定子繞組通電之后，轉(zhuǎn)子齒力求與定子齒對(duì)齊，使磁路中磁阻最小，子齒力求與定子齒對(duì)齊，使磁路中磁阻最小，轉(zhuǎn)子處在平衡位置不動(dòng)（轉(zhuǎn)子處在平衡位置不動(dòng)（0 0）。）。 如在電機(jī)軸上外加一負(fù)載轉(zhuǎn)矩如在電機(jī)軸上外加一負(fù)載轉(zhuǎn)矩M Mz z，轉(zhuǎn)子會(huì)，轉(zhuǎn)子會(huì)偏離平衡位置向負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)過一個(gè)角度偏離平衡位置向負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)過一個(gè)角度

33、，稱為失調(diào)角。稱為失調(diào)角。有失調(diào)角之后，步進(jìn)電機(jī)就產(chǎn)生有失調(diào)角之后，步進(jìn)電機(jī)就產(chǎn)生一個(gè)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，這時(shí)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。一個(gè)靜態(tài)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)角靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系叫矩角特性，如圖的關(guān)系叫矩角特性，如圖5-35-3，近似為正弦曲線。近似為正弦曲線。該矩角特性上的靜態(tài)該矩角特性上的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩MjmaxMjmax。在靜態(tài)穩(wěn)。在靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，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（轉(zhuǎn)矩作用下，仍能回到穩(wěn)定平衡點(diǎn)位置（0 0）。）。 圖5-3 靜態(tài)矩角特性

34、O Mjmax M 靜態(tài)穩(wěn)定區(qū) - -/2 /2 3.3.最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 圖圖5-45-4為三相單三拍矩角特性曲線，圖中為三相單三拍矩角特性曲線，圖中的的A A、B B分別是相鄰分別是相鄰A A相和相和B B相的靜態(tài)矩角特性曲相的靜態(tài)矩角特性曲線，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)矩大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。如果外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于，電機(jī)就。如果外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于，電機(jī)就不能啟動(dòng)。如圖不能啟動(dòng)。如圖5-45-4所示所示, ,當(dāng)當(dāng)A A相通電時(shí)，若外相通電時(shí)，若外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩，對(duì)應(yīng)的失調(diào)角為，當(dāng)勵(lì)磁電流由加負(fù)載轉(zhuǎn)矩，對(duì)應(yīng)的失調(diào)角為，當(dāng)勵(lì)磁電流由A A相切換到

35、相切換到B B相時(shí)，對(duì)應(yīng)角，相時(shí)，對(duì)應(yīng)角，B B相的靜轉(zhuǎn)矩為。相的靜轉(zhuǎn)矩為。從圖中看出從圖中看出, ,電機(jī)不能帶動(dòng)負(fù)載做步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，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)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。矩。a bA B C圖5-4 步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 4. 4. 啟動(dòng)頻率啟動(dòng)頻率 空載時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)突然起動(dòng)，空載時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)突然起動(dòng)，并進(jìn)入不失步的正常運(yùn)行的最高頻率，稱為并進(jìn)入不失步的正常運(yùn)行的最高頻率，稱為啟啟動(dòng)頻率或突跳頻率動(dòng)頻率或突跳頻率， 加給步進(jìn)電機(jī)的指令脈沖頻率如大于啟動(dòng)加給步進(jìn)電機(jī)的指令脈沖頻率如大于啟動(dòng)頻率，就不能正常工

36、作。步進(jìn)電機(jī)在帶負(fù)載下頻率，就不能正常工作。步進(jìn)電機(jī)在帶負(fù)載下的啟動(dòng)頻率比空載要低。而且，隨著負(fù)載加大的啟動(dòng)頻率比空載要低。而且，隨著負(fù)載加大啟動(dòng)頻率會(huì)進(jìn)一步降低。啟動(dòng)頻率會(huì)進(jìn)一步降低。 5. 5. 連續(xù)運(yùn)行頻率連續(xù)運(yùn)行頻率 步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)后，其運(yùn)行速度能根據(jù)指令步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)后，其運(yùn)行速度能根據(jù)指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率，脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率，稱為連續(xù)運(yùn)行頻率。其值遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率，它稱為連續(xù)運(yùn)行頻率。其值遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率，它也隨著電機(jī)所帶負(fù)載的性質(zhì)和大小而異，與驅(qū)也隨著電機(jī)所帶負(fù)載的性質(zhì)和大小而異，與驅(qū)動(dòng)電源也有很大關(guān)系。動(dòng)電源也有很大關(guān)系。 6. 6. 矩頻特性

37、與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩矩頻特性與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩 矩頻特性是描述步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)矩頻特性是描述步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系（見下輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系（見下圖），圖），該特性上每一個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為動(dòng)該特性上每一個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。態(tài)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，若輸入脈沖當(dāng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，若輸入脈沖頻率逐漸增加，則電動(dòng)機(jī)所能帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩將頻率逐漸增加，則電動(dòng)機(jī)所能帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩將逐漸下降。在使用時(shí)，一定要考慮動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩隨逐漸下降。在使用時(shí)，一定要考慮動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩隨連續(xù)運(yùn)行頻率的上升而下降的特點(diǎn)。連續(xù)運(yùn)行頻率的上升而下降的特點(diǎn)。 M M 矩頻特性矩頻特性 f f 典

38、型進(jìn)給伺服系統(tǒng)典型進(jìn)給伺服系統(tǒng)( (位置控制位置控制) )一. 開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)(Open-Loop System)(Open-Loop System)q 不帶位置測量反饋裝置的系統(tǒng)；不帶位置測量反饋裝置的系統(tǒng)；q 驅(qū)動(dòng)電機(jī)只能用步進(jìn)電機(jī)；驅(qū)動(dòng)電機(jī)只能用步進(jìn)電機(jī)；q 主要用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控或普通機(jī)床的數(shù)控化改造主要用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控或普通機(jī)床的數(shù)控化改造A相、B相C相、A相、B相C相、f、nCNC插補(bǔ)指令脈沖頻率f脈沖個(gè)數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要解決的主要問題：步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要解決的主要問題： 動(dòng)力計(jì)算

39、動(dòng)力計(jì)算 、傳動(dòng)計(jì)算、傳動(dòng)計(jì)算、 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)或選擇驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)或選擇 目的：傳動(dòng)計(jì)算選擇合適的參數(shù)以滿足脈沖當(dāng)量目的：傳動(dòng)計(jì)算選擇合適的參數(shù)以滿足脈沖當(dāng)量 和進(jìn)和進(jìn) 給速度給速度F F的要求。的要求。 圖中：圖中：f f 脈沖頻率（脈沖頻率（H HZ Z ） 步距角步距角 （度）（度） Z Z1 1、Z Z2 2 傳動(dòng)齒輪齒數(shù)傳動(dòng)齒輪齒數(shù) t t 螺距螺距( (mmmm) ) 脈沖當(dāng)量（脈沖當(dāng)量（mmmm）步進(jìn)電機(jī)Z1Z2tf，脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量是指數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)指令脈沖，工作臺(tái)所移動(dòng)的距離。是指數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)指令脈沖，工作臺(tái)所移動(dòng)的距離。它決定了數(shù)控機(jī)床的加工精度和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最高工作頻率

40、。它決定了數(shù)控機(jī)床的加工精度和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最高工作頻率。 1 1傳動(dòng)計(jì)算傳動(dòng)計(jì)算 如下圖所示的直線進(jìn)給系統(tǒng)，進(jìn)給系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量為如下圖所示的直線進(jìn)給系統(tǒng)，進(jìn)給系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量為(mm)(mm)，步進(jìn)電機(jī)的步距角為，步進(jìn)電機(jī)的步距角為，齒輪傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)比為，齒輪傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)比為i i，滾珠絲杠的導(dǎo)程為，滾珠絲杠的導(dǎo)程為t(mm)t(mm)，它們之間的關(guān)系如下：，它們之間的關(guān)系如下：si0360則有則有 對(duì)于圖(b)所示的圓周進(jìn)給系統(tǒng)(如數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)等)，設(shè)脈沖當(dāng)量為0，蝸桿為Zk頭，蝸輪為Zw齒，則有021wkzzzz 步進(jìn)電機(jī)開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量一般取為步進(jìn)電機(jī)開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量一般取為0.01

41、mm0.01mm或或0.0010.0010 0，也有選用，也有選用0.005-0.002mm0.005-0.002mm或者或者0.0050.0050 0-0.002-0.0020 0，這時(shí)，這時(shí)脈沖位移的分辨率和精度較高，但是由于進(jìn)給速度脈沖位移的分辨率和精度較高，但是由于進(jìn)給速度 v=60fmm/min v=60fmm/min 或或60f(60f(0 0)/min, )/min, 在同樣的最高工作在同樣的最高工作頻率頻率f f時(shí)時(shí)越小則最大進(jìn)給速度之值也越小。越小則最大進(jìn)給速度之值也越小。 步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)使用齒輪傳動(dòng)，不僅是為了求得必步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)使用齒輪傳動(dòng)，不僅是為了求得必需的脈

42、沖當(dāng)量，而且還有滿足結(jié)構(gòu)要求和增大轉(zhuǎn)矩作用。需的脈沖當(dāng)量，而且還有滿足結(jié)構(gòu)要求和增大轉(zhuǎn)矩作用。 2 2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇 總體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)工件加工精度及表面粗糙度、工總體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)工件加工精度及表面粗糙度、工件尺寸，最高和最低運(yùn)行速度等要求，初步確定機(jī)械傳動(dòng)件尺寸，最高和最低運(yùn)行速度等要求，初步確定機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)，如滾珠絲杠的尺寸及螺距系統(tǒng)的參數(shù)，如滾珠絲杠的尺寸及螺距S(mm)S(mm)；電機(jī)與絲杠；電機(jī)與絲杠聯(lián)接的減速箱的傳動(dòng)比聯(lián)接的減速箱的傳動(dòng)比i i。(1) (1) 步距角選擇及脈沖當(dāng)量的設(shè)定步距角選擇及脈沖當(dāng)量的設(shè)定 步距角選擇及脈沖當(dāng)步距角選擇及脈沖當(dāng)量設(shè)

43、定的原則已如前述。量設(shè)定的原則已如前述。(2)(2)負(fù)載力矩計(jì)算及最大靜轉(zhuǎn)矩的選擇負(fù)載力矩計(jì)算及最大靜轉(zhuǎn)矩的選擇 負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算，考負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算，考慮伺服系統(tǒng)等因素的影響，并留有一定裕度慮伺服系統(tǒng)等因素的影響，并留有一定裕度 (3)(3)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量估算負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量估算 依照機(jī)床要求的起動(dòng)頻率，參照電依照機(jī)床要求的起動(dòng)頻率，參照電機(jī)的起動(dòng)慣頻特性、并留有一定裕度，以滿足伺服系統(tǒng)的機(jī)的起動(dòng)慣頻特性、并留有一定裕度，以滿足伺服系統(tǒng)的快速響應(yīng)及最高運(yùn)行速度要求。快速響應(yīng)及最高運(yùn)行速度要求。 第四節(jié)第四節(jié) 伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī) 直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)等。直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)等。2 2、

44、伺服電動(dòng)機(jī)分類、伺服電動(dòng)機(jī)分類： 伺服電動(dòng)機(jī)的作用是驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。被控對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的作用是驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。被控對(duì)象的轉(zhuǎn)距和轉(zhuǎn)速受信號(hào)電壓控制，信號(hào)電壓的大象的轉(zhuǎn)距和轉(zhuǎn)速受信號(hào)電壓控制，信號(hào)電壓的大小和極性改變時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和方向也跟小和極性改變時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和方向也跟著變化著變化。1 1、伺服電動(dòng)機(jī)的作用、伺服電動(dòng)機(jī)的作用一一 直流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 直流電機(jī)的工作原理是建立在電磁力定律基礎(chǔ)上的，電磁力的大直流電機(jī)的工作原理是建立在電磁力定律基礎(chǔ)上的，電磁力的大小正比于電機(jī)中的氣隙磁場，直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組所建立的磁場是小正比于電機(jī)中的氣隙磁場，直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組所建立的

45、磁場是電機(jī)的主磁場，按對(duì)勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁方式不同，直流電機(jī)可分為：電機(jī)的主磁場，按對(duì)勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁方式不同，直流電機(jī)可分為：他激式、并激式、串激式、復(fù)激式、永磁式。他激式、并激式、串激式、復(fù)激式、永磁式。2020世紀(jì)世紀(jì)80-9080-90年代中年代中期，永磁式直流伺服電機(jī)在期，永磁式直流伺服電機(jī)在NCNC機(jī)床中廣泛采用。機(jī)床中廣泛采用。功率步進(jìn)電機(jī)用作開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)裝置。由它組功率步進(jìn)電機(jī)用作開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)裝置。由它組成的開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)，性能不能滿足使用要求，而且它的性成的開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)，性能不能滿足使用要求，而且它的性能的提高也受到了很大的限制。因此，從能的提高也受到了很大的限制

46、。因此，從2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代初年代初期出現(xiàn)了小慣量直流伺服電機(jī)，期出現(xiàn)了小慣量直流伺服電機(jī)，7070年代初出現(xiàn)了大慣量直年代初出現(xiàn)了大慣量直流伺服電機(jī)（又稱寬調(diào)速電機(jī)）。目前許多數(shù)控機(jī)床均采流伺服電機(jī)（又稱寬調(diào)速電機(jī)）。目前許多數(shù)控機(jī)床均采用了大慣量直流伺服電機(jī)組成的閉環(huán)或半閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)用了大慣量直流伺服電機(jī)組成的閉環(huán)或半閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)直流伺服電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)直流伺服電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng) 直流伺服電動(dòng)機(jī)與一般直流電機(jī)的基本原理是完全直流伺服電動(dòng)機(jī)與一般直流電機(jī)的基本原理是完全相同的，所示轉(zhuǎn)子上的載流導(dǎo)體（即電樞繞組）在定子相同的，所示轉(zhuǎn)子上的載流導(dǎo)體（即電樞繞組）在定子磁場中，受到電磁轉(zhuǎn)距磁場

47、中，受到電磁轉(zhuǎn)距M M的作用，使電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。的作用，使電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速：1.1.改變電樞電阻改變電樞電阻U;U;2.2.改變磁通量改變磁通量; ;改變激磁回路的電阻改變激磁回路的電阻R RJ J以改變激磁電流以改變激磁電流I Ij, j, 可以達(dá)到改變磁通的目的可以達(dá)到改變磁通的目的; ;3.3.在電樞回路串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻在電樞回路串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻; ;4.4.在激磁回路串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻在激磁回路串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻. .結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：與直流電動(dòng)機(jī)基本相同。為減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量做與直流電動(dòng)機(jī)基本相同。為減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量做得細(xì)長一些。得細(xì)長一些。工作原理：工作原理：與直流電動(dòng)機(jī)相同。與直

48、流電動(dòng)機(jī)相同。供電方式：供電方式：他勵(lì)。勵(lì)磁繞組和電樞他勵(lì)。勵(lì)磁繞組和電樞( (繞組繞組) )由兩個(gè)由兩個(gè)獨(dú)立電源供電：獨(dú)立電源供電：M MU U1 1I If fI Ia aU U2 2放放大大器器U UU U1 1為勵(lì)磁電壓，為勵(lì)磁電壓，U U2 2為電樞電壓。為電樞電壓。由機(jī)械特性可知：由機(jī)械特性可知：(1)(1)勵(lì)磁電壓勵(lì)磁電壓U U1 1（即磁通（即磁通 ）不變時(shí)，一定的負(fù)載下，電樞電壓）不變時(shí)，一定的負(fù)載下，電樞電壓U U2 2 , ,n n 。(2)(2)電樞電壓電樞電壓U U2 2=0=0時(shí)，電機(jī)立即停轉(zhuǎn)。時(shí)，電機(jī)立即停轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)：反轉(zhuǎn)：電樞電壓的極性改變，電機(jī)反轉(zhuǎn)。電樞電壓的極

49、性改變，電機(jī)反轉(zhuǎn)。直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性公式與他勵(lì)直流電機(jī)一樣：公式與他勵(lì)直流電機(jī)一樣：TKKRKUnTEaE22機(jī)械特性曲線機(jī)械特性曲線U U2 20.8U0.8U2 20.6U0.6U2 20.4U0.4U2 2n nT T 直流伺服電機(jī)的特性較交流伺服直流伺服電機(jī)的特性較交流伺服電機(jī)硬。經(jīng)常用在功率稍大的系統(tǒng)中，電機(jī)硬。經(jīng)常用在功率稍大的系統(tǒng)中，它的輸出功率一般為它的輸出功率一般為1-600W1-600W。其用途。其用途很多，如隨動(dòng)系統(tǒng)中的位置控制等。很多，如隨動(dòng)系統(tǒng)中的位置控制等。應(yīng)用：應(yīng)用：直流伺服電機(jī)的特點(diǎn)過載倍數(shù)大，時(shí)間長； 具有大的轉(zhuǎn)矩/慣量比，電機(jī)的加速

50、大，響應(yīng)快。低速轉(zhuǎn)矩大，慣量大，可與絲桿直接相聯(lián)，省去了齒輪等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)?？商岣吡藱C(jī)床的加工精度。調(diào)速范圍大，與高性能的速度控制單元組成速度控制系統(tǒng)時(shí)，調(diào)速范圍超過12000。帶有高精度的檢測元件(包括速度和轉(zhuǎn)子位置檢測元件)； 電機(jī)允許溫度可達(dá)150180，由于轉(zhuǎn)子溫度高，它可通過軸傳到機(jī)械上去，這會(huì)影響機(jī)床的精度由于轉(zhuǎn)子慣性較大，因此電源裝置的容量以及機(jī)械傳動(dòng)件等的剛度都需相應(yīng)增加。電刷、維護(hù)不便二、交流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)二、交流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 由于直流伺服電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能，由于直流伺服電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能， 8080年代初至年代初至9090年代中，在要求調(diào)速性能較高的年代中，在要求調(diào)速

51、性能較高的場合，直流伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用一直占據(jù)場合，直流伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用一直占據(jù)主導(dǎo)地位。但其卻存在一些固有的缺點(diǎn)，即：主導(dǎo)地位。但其卻存在一些固有的缺點(diǎn)，即：電刷和換向器易磨損，維護(hù)麻煩電刷和換向器易磨損，維護(hù)麻煩結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高 而交流伺服電機(jī)則沒有上述缺點(diǎn)。特別是而交流伺服電機(jī)則沒有上述缺點(diǎn)。特別是在同樣體積下，交流伺服電機(jī)的輸出功率比直在同樣體積下，交流伺服電機(jī)的輸出功率比直流電機(jī)提高流電機(jī)提高10%10%70%70%，且可達(dá)到的轉(zhuǎn)速比直流，且可達(dá)到的轉(zhuǎn)速比直流電機(jī)高。因此，人們一直在尋求交流電機(jī)調(diào)速電機(jī)高。因此，人們一直在尋求交流電機(jī)調(diào)速

52、方案來取代直流電機(jī)調(diào)速的方案。方案來取代直流電機(jī)調(diào)速的方案。 在交流伺服系統(tǒng)中，按電機(jī)種類可分在交流伺服系統(tǒng)中，按電機(jī)種類可分為同步型和異步型（感應(yīng)電機(jī)）兩種。為同步型和異步型（感應(yīng)電機(jī)）兩種。 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中多采用永磁數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中多采用永磁式同步電機(jī)，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由供電式同步電機(jī)，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由供電頻率所決定的，即在電源電壓和頻率固頻率所決定的，即在電源電壓和頻率固定不變時(shí)，其轉(zhuǎn)速穩(wěn)定不變。由變頻電定不變時(shí)，其轉(zhuǎn)速穩(wěn)定不變。由變頻電源供電給同步電機(jī)時(shí)，能方便地獲得與源供電給同步電機(jī)時(shí)，能方便地獲得與頻率成正比的可變速度，可以得到非常頻率成正比的可變速度，可以得到非常硬的機(jī)械特性及寬的調(diào)速范圍。硬的機(jī)械特性及寬的調(diào)速范圍。 交流伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī) 原理原理與兩相交流異步電機(jī)相同，定子上裝有兩與兩相交流異步電機(jī)相同，定子上裝有兩個(gè)繞組個(gè)繞組 勵(lì)磁繞組和控制繞組。勵(lì)磁繞組和控制繞組。勵(lì)磁繞組和控制繞組在空間相隔勵(lì)磁繞組和控制繞組在空間相隔9090 ?？刂评@組控制繞組勵(lì)磁繞組勵(lì)磁繞組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組中串聯(lián)電容勵(lì)磁繞組中串聯(lián)電容C C 的目的是為了產(chǎn)生兩相旋的目的是為了產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)磁場。接線：接線：勵(lì)磁繞組的接線勵(lì)磁繞組的接線放放大大器器控制繞組的接線控制繞組的接線檢檢測測元元件件控制信號(hào)控制信號(hào)UI1U1UUcU2I2