步进电机及调速.ppt

4.1 进给伺服系统的概述（1学时） 4.2 伺服电机及其调速（2学时） 4.3 位置检测装置（2学时） 4.4 进给伺服系统的分析（1学时） 第四章 进给伺服系统 * 4.2 伺服电机及其调速 一 步进电机的结构与工作原理 二 直流伺服电机及其调速 三 交流伺服电机及其调速 Date 一 步进电机的结构与工作原理 步进电机流行于70年代，该系统结构简 单、控制容易、维修方面，且控制为全数字 化。随着计算机技术的发展，除功率驱动电 路之外，其它部分均可由软件实现，从而进 一步简化结构。因此，这类系统目前仍有相 当的市场。目前步进电机仅用于小容量、低 速、精度要不高的场合，如经济型数控、打 印机、绘图机等计算机的外部设备。 Date 步进电机是一种将电脉冲信号转化为机械 角位移的电磁机械装置。 步进电机和一般电机不同，一般电机通电 后连续转动，而步进电机则随输入的脉冲按 节拍一步一步地转动。对步进电机施加一个 电脉冲信号时，步进电机就旋转一个固定的 角度，称为一步。每一步所转过的角度叫做 步距角。 一 步进电机的结构与工作原理 Date 步进电机的角位移量和输入的脉冲数成正比。在 时间上与输入的脉冲同步。 因此，只需要控制输入脉冲的数量、频率及电机 绕组通电相序，便可以获得所需要的转角、转速及转 动方向。 在无脉冲输入时，步进电机在绕组电源激励下， 气隙磁场能使转子保持原有的位置而处于定位状态。 一 步进电机的结构与工作原理 Date 步进电机结构： 定子 转子 Date 1 步进电机的工作原理 如图所示，三相反应式步进电机工作原理图。 由转子和定子组成。定子上有A、B、C三对磁极绕组 ，分别为A相、B相、C相。 转子是硅钢片软磁材料迭 合成的带齿廓形状的铁心。 如果在定子上的 三对绕组中通直流电 流，就会产生磁场。 B相通电 A相通电 C相通电 Date B A C B C A B A C B C A B A C BC A 1 2 3 4 1 2 3 4 逆时针回转300 逆时针回转300 当A、B、C三对磁极的绕组依次轮流通电，则A、B 、C三对磁极依次产生磁场吸引转子转动。 当A相通电时，B相和C相不通电，电机铁心的AA轴 方向产生磁通，在磁拉力的作用下，转子1、3齿与A 相磁极对齐，2、4两齿与B、C两磁极相对错开300 Date 当B相通电时，C相和A相断电，电机铁心的BB轴方 向产生磁通，在磁拉力的作用下，转子沿逆时针方向 旋转300，2、4齿与B相磁极对齐。1、3两齿与C、A两 磁极相对错开300 当C相通电时，A相和B相断电，电机铁心的CC轴方 向产生磁通，在磁拉力的作用下，转子沿逆时针方向 旋转300，1、3齿与C相磁极对齐。2、4两齿与A、B两 磁极相对错开300 若按A B C。通电相序连续通电，则步进电 机就连续地沿逆时针方向转动，每换接一次相序，步 进电机沿逆时针方向转动300，即步距角为300。 Date 若按A C B。进行，则转子沿顺时针方向旋 转。 上述通电方式称为三相单三拍通电方式。 所谓“单”是指每次只有一相绕组通电的意思。 “一拍”从一相通电换接到另一相通电称为一拍。 “三拍”每一拍转子转过一个步距角，这样“三拍” 是指通电换接三次后完成一个通电周期。 三相六拍通电方式 即按A AB B BC C CA 相序通电。（见下图） Date B相通电 BC相通电C相通电 AB相通电A相通电 CA相通电 工作原理： 当A相通电，1、3齿与A相磁极对齐。当A 、B两相同时通电，因A极吸引1、3齿，B极吸引2、4 齿，转子逆时针旋转150。随着A相断电，只有B相通电 1 3 A吸1、3两齿 A吸1、3两齿 B吸2、4两齿 B吸2、4两齿 B吸2、4两齿 C吸1、3 24 C吸1、3 A吸2、4 C吸1、3 Date 转子又逆时针转150，2、4齿与B相磁极对齐，如果继 续按BC C CA A。相序通电，步进电机就 沿着逆时针方向，以150的步距角一步一步移动。 这种通电方式采用单、双相轮流通电，在通电换接时 ，总有一相通电，所以工作较平稳。 实际使用的步进电机，一般都要求有较小的步 距角，因为步距角越小所达到的位置精度越高 。 以上所述，步进电机的步距角大小不仅与通电方式有 关，还与转子的齿数有关。 计算公式为： mzk 360 = m定子励磁绕组相数 Z转子齿数 K通电方式，单为1 ，双为2 Date 2 步进电机的分类 按运动方式分： 旋转运动、直线运动式步进电机 按工作原理分： 反应式（磁阻式）、电磁式、永磁式； 按结构分： 单段式（径向式）、多段式（轴向式） 按使用场合分： 功率步进电机和控制步进电机； 按相数分： 三相、四相、五相、六相、八相等 按使用频率分： 高频率和低频步进电机 不同的步进电机，其工作原理、驱动装置也不完 全一样。 Date 3 步进电机的特点： （1）步进电机的输出转角与脉冲频率严格成正比，所 以控制输入步进电机的脉冲个数就能控制位移量。 （2）步进电机的转速与输入的脉冲频率成正比，只要 控制脉冲频率就能调节步进电机的转速。 （3）当停止送入脉冲时，只要维持绕组内电流不变， 电机轴可以保持在某固定位置上，不需要机械装制装 置。 （4）改变通电相序即可改变电机转向。 （5）步进电机存在齿间相邻误差，但不存在累积误差 Date 4 步进电机转速计算 360 o =n 60f= 6 f o 式中：n转速（r/min); f脉冲频率，即每秒输入 步进电机的脉冲数； 用度数表示的步距角。 式中，当转子的步距角一定时，步进电机的转速与输 入的脉冲频率成正比。 Date 进给速度F： 一般步进电机： 若：=0.01 mm 则： 若 =0.001mm 则： 因此，当 一定时， 与成正比，故 我们在谈到步进电机开环系统的最高速度时，都 应指明是在多大的脉冲当量下的,否则是没有意 义的。 Date 5 步进电机开环系统设计 要解决的主要问题： 动力计算 传动计算 驱动电路设计或选择 目的：传动计算选择合适的参数以满足脉冲当量 和进给速度F的要求。 图中：f 脉冲频率（HZ ） 步距角 （度） Z1、Z2 传动齿轮齿数 t 导程(mm/r) 脉冲当量（mm） 步进电机 Z1 Z2 t f， Date 传动比选择： 为了凑脉冲当量mm，也为了增大传 递的扭矩，在步进电机与丝杆之间，要增 加一对齿轮传动副，那么，传动比 i=Z1/Z2与、 、P之间有如下关系： 步距角， 脉冲当量， P丝杠导程。 Date 例1： = 0.01mm, t = 6 mm, = 0.75 步进电机 Z1 Z2 t f， Date 例2 设X-Y 工作台由步进电机直接经丝杆螺母副驱动 ，丝杆螺距为5mm，步进电机步距角为0.90，工作方 式三相六拍，工作台最大行程为400mm，求： （1）脉冲当量； （2）微机发出的脉冲总数是多少？ 步进电机 Z1 Z2 t f， Date (2)计算脉冲数n，由 n =L(工作台最大行程） 所以，脉冲数为： n =L/ =400/0.0125=32000步 解： （1）由计算脉冲当量： 360 = L0 已知， L0=5mm， =0.90求脉冲当量=？ =5/360 0.9=0.0125(mm/p) Date 例3 步进电机直接经丝杆螺母驱动工作台，步进电机 步距角0.720,工作台质量为100kg，负载质量为50kg， 切削负载为4000N，丝杆螺距为5mm，如果步进电机 从500Hz线性加速到2000Hz，加速时间为0.2S，求步 进电机的驱动转距？ 解：（1）忽略滚珠丝扛及电机的转动惯量，则折算 到电机轴上等效转动惯量： V=f =500 0.01=5mm/s 360 = L0 =0.01mm J=m( V ) 2 Date J=m( V ) 2 所以， =（100+50） （5/2）=95.08 10-6(kg.m) 2 2 (2)求电机轴的等效转矩： T =F（ ） V F为切削负载4000N; V5mm/s =4000（5/2 ）=3184.7 N.mm=3.184 N.M (3)步进电动机的角加速度： = d dt = df dt = (t 0 ) t 2 360 0.72. = 2000 500 0.2 2 360 0.72=94.2 rad/s 2 Date 所以，步进电机的启动转矩为： T q T + J T等效转矩； J 空载启动时, 产生最大加速度所需的转矩; 步进电动机的角加速度。 所以， T q T + J =3.184+95.08 10-6 94.2 = 3.27 Nm Date 例4 一台五相步进电机，五相五拍运行时其步距角是 1.50，此电动机转子上应有几个齿？齿距角是多少？ 此电动机若按十拍运行，齿距角度是多少度？ 解：（1）步距角： 360 = mKz 0 Z齿数；m相数；K 1 五拍（单拍） 2 十拍（双拍） Date 所以，五拍运行时： 360 = mKz 0 =1.5 0 K=1 m=5 Z=360 0/5 1=48齿 十拍运行时： 360 = 5 2 48 0 =0.75 0 (2)齿距角： c= 360 48 0 =7.5 0 Date 例5 设有一步进电机驱动的工作台，步进电机通过 减速齿轮副驱动滚珠丝杆，其参数符号如下：脉冲 当量，滚珠丝杆的基