开环步进式伺服系统.ppt

CNC 第二节 一、开环步进伺服系统的工作原理 书本171面 CNC 6.2 步进电机及其驱动控制系统 CNC 6.2.1步进电机工作原理 按电磁吸引原理工作（以反应式步进电机为例） 反应式步进电机的定子上有磁极，每个磁极上有 激磁绕组，转子无绕组，有周向均布的齿，依靠 磁极对齿的吸合工作。 6.2 步进电机及其驱动控制系统 定子 转子 定子绕组 CNC6.2 步进电机及其驱动控制系统 A B 定子 转子 IA IB IC 两个相对的磁 极组成一相。 注意：这里的 “相”和三相交 流电中的“相” 的概念不同。 步进电机通的 是电脉冲，主 要是指线图的 联接和组数的 区别。 CNC 1根据相数分类 有三、四、五、六相等，相数越多，步距角越小， 通电方式采用m相m拍、双m拍和m相2m拍，m相m 拍和m相2m拍通电方式中，可采用一/二相、二三 相转换通电， 如五相步进电机，五相十拍的二三相转换方式： ABABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEAB 6.2.3 步进电机的分类 6.2 步进电机及其驱动控制系统 CNC 根据定子与转子间磁场建立方式，可分：反应 式、永磁反应式（混合式）两类。 反应式步进电机：定子有多相磁极，其上有励磁绕 组，转子无绕组，用软磁材料制成，由被励磁的定 子绕组产生反应力矩实现步进运行 永磁反应式步进电机：定子结构与反应式相似，转 子用永磁材料制成或有励磁绕组、由电磁力矩实现 步进运行。 2根据产生力矩的原理分类 6.2 步进电机及其驱动控制系统 CNC 可将步进电机分两类：伺服步进电机 功率步进电机 伺服步进电机（快速步进电机），输出力矩在几 十数百Nm，只能带动小负载，加上液压扭矩 放大器可驱动工作台。 功率步进电机输出力矩在550Nm以上，能直接 驱动工作台。 3根据输出力矩的大小分类 6.2 步进电机及其驱动控制系统 CNC6.2 步进电机及其驱动控制系统 4根据结构分类 步进电机可制成 轴向分相式（多段式） 径向分相式（单段式） CNC6.2 步进电机及其驱动控制系统 步进电机的工作方式(通电顺序)可分为： 三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。 1）三相单三拍： （1）三相绕组联接方式：Y 型 （2）三相绕组中的通电顺序为： A 相 B 相 C 相 通电顺序也可以为： A 相 C 相 B 相 CNC6.2 步进电机及其驱动控制系统 1）三相单三拍工作方式： CNC6.2 步进电机及其驱动控制系统 B A C CB A 3 4 1 2 A 相通电使 转子1、3 齿和 AA 对齐 B A C CB A 3 4 1 2 B B A C C AB相通电， 转子2、4 齿和B相轴 线对齐 C C相通电， 转子1、3 齿和C相轴 线对齐 3 4 1 2 A B C 1 3 2 4 A B C 1 3 24 A CNC6.2 步进电机及其驱动控制系统 三相单三拍的特点： （1）每来一个电脉冲，转子转过 30。 （2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序。 （3）每次定子绕组只有一相通电，在切换瞬间失 去自锁转矩，容易产生失步，只有一相绕组产生力 矩吸引转子，在平衡位置易产生振荡 。 CNC6.2 步进电机及其驱动控制系统 2)三相六拍工作方式 通电顺序为：AABBBCCCAA 六拍。 CNC 通电顺序 AABBBCCCAA（逆时针） AACCBCBCAA（顺时针） 每步转过15，步距角是三相三拍工作方式的一半， 特点：电机运转中始终有一相定子绕组通电，运转比 较平稳。 6.2 步进电机及其驱动控制系统 CNC 3)双三拍工作方式 定子绕组通电顺序为 ABBCCAAB（转子逆时针旋转） ACBCCA（转子顺时针旋转） 有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，每步仍 旋转30。 特点：始终有一相定子绕组通电，工作比较平稳。 避免了单三拍通电方式的缺点 6.2 步进电机及其驱动控制系统 CNC 实际上步进电机转子齿数很多，齿数越多，步 距角越小 6.2 步进电机及其驱动控制系统 为改善运行性能，定子磁极上的齿的齿距与转子的 齿距相同，但各极的齿依次与转子的齿错开齿距的1 m（m电机相数）。每次定子绕组通电状态改变时 ，转子只转过齿距的1m（如三相三拍）或12m（ 如三相六拍）达到新的平衡位置。 CNC6.2 步进电机及其驱动控制系统 齿距的1m（m电机相数） 3600/ Z CNC 转子40个齿，若通电为三相三拍，当转子齿与 A相定子齿对齐时，转子齿与B相定子齿相差（3） ，与C相定子齿相差（6）。 6.2 步进电机及其驱动控制系统 CNC 结论 课本173面中间 CNC 每给一个脉冲信号，电机转子转过角度的理论值。 6.2.2 步进电机的主要特性 1步距角 m定子相数；z转子齿数；k通电系数， m相m拍，k1；m相2m拍，k2。 一般很小，如：31.5，1.50.75， 0.720.36等 6.2 步进电机及其驱动控制系统 CNC 静态：步进电机处于通电状态，转子处在不动状态。 静态转矩Mj ：在电机轴上施加一个负载转矩M，转 子会在载荷方向上转过一个角度（失调角），转子因 而受到一个电磁转矩Mj的作用与负载平衡。 2矩角特性、最大静态转矩Mjmax和启动转矩Mq 6.2 步进电机及其驱动控制系统 矩角特性：步进电机 单相通电的静态转矩 Mj随失调角的变化 曲线。 CNC 启动频率或突跳频率fq：空载时，步进电机由静止突 然启动并进入不丢步的正常运行状态所允许的最高频 率。 高于启动频率，将不能正常起动。 启动时的惯频特性：是指电机带动纯惯性负载时启动 频率和负载转动惯量之间的关系。 3启动频率fq和启动时的惯频特性 6.2 步进电机及其驱动控制系统 步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频 率比空载要低。 CNC 连续运行最高工作频率 步进电机启动之后，控制脉冲的频率可进 一步提高。能够跟上控制脉冲的频率而不失 步的最高频率，称为连续运行最高频率。它 随负载的增加而下降，它比最高启动频率大 许多，因它不需克服惯性力矩。它代表着步 进电机的最高转速。目前世界最高值可达 7000rmin。 CNC 步进电机的加减速特性描述步进电机由静止到工作频 率和由工作频率到静止的加、减速过程中，定子绕组通电 状态的变化频率与时间的关系。 当要求步进电机启动到大于启动频率的工作频率时， 变化速度必须逐渐上升；从最高工作频率或高于启动频率 的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和 下降的加速、减速时间不能过小，否则会失步或超步。 4加、减速特性 6.2 步进电机及其驱动控制系统 CNC 连续运行频率：步进电机启动后，其运行速度能跟踪 指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率。其 值远大于启动频率。 运行矩频特性：是描述步进电机在连续运行时，输出 转矩与连续运行频率之间的关系。 5运行矩频特性 6.2 步进电机及其驱动控制系统 CNC 五、步进电机的驱动控制线路 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f、一定数量和一定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。电平信号的变化 频率、变化次数和通断电顺序要与进给指令脉冲的 频率、数量和 方向对应。 一个较完善的步进电机的驱动控制线路组成： 负向进给 脉冲 正向进给 脉冲 脉冲 混合 电路 加减 脉冲 分配 电路 加 减 速 电 路 环 形 分 配 器 功 率 放 大 器 进 给 脉 冲 加 减 至步进 电机绕 组 CNC 负向进给 脉冲 正向进给 脉冲 脉冲 混合 电路 加减 脉冲 分配 电路 加 减 速 电 路 环 形 分 配 器 功 率 放 大 器 进 给 脉 冲 加 减 至步进 电机绕 组 1、脉冲混合电路 无论是来自于数控系统的插补信号，还是各种类型的误差补偿 信号、手动进给信号及手动回原点信号等，它们的目的无非是使 工作台作正向进给或负向进给。 通过脉冲混合电路可将上述信号混合为使工作台正向进给的“ 正向进给”信号或使工作台负向进结的“负向进给”信号。 CNC 负向进给 脉冲 正向进给 脉冲 脉冲 混合 电路 加减 脉冲 分配 电路 加 减 速 电 路 环 形 分 配 器 功 率 放 大 器 进 给 脉 冲 加 减 至步进 电机绕 组 当机床在正向进给脉冲的控制下正在沿正方向进给时，由于各种 补偿脉冲的存在，可能还会出现极个别的负向进给脉冲；同样，当 机床在负向进给脉冲的控制下正在沿负方向进给时，还可能会出现 极个别的正向进给脉冲。 2、加减脉冲分配电路 在实际的机床进给控制中，这些与某个进给方向相反的个别脉冲指 令的出现，意味着步进电机正在沿着一个方向旋转时，再向相反的 方向旋转极个别几个步距角。 CNC 负向进给 脉冲 正向进给 脉冲 脉冲 混合 电路 加减 脉冲 分配 电路 加 减 速 电 路 环 形 分 配 器 功 率 放 大 器 进 给 脉 冲 加 减 至步进 电机绕 组 根据步进电机的工作原理，要做到这一点（即电机正在沿着某个方向旋转时， 再向相反的方向旋转极个别几个步距角），必须首先使步进电机从该旋转方向静 止下来，然后才能向相反的方向旋转，待旋转极个别几个步距角后，再恢复至原 来的方向继续旋转进给。这从机械加工工艺性方面来看是不允许的即使是允许 ，控制线路也相当复杂。 一般采用的方法是，通过加减脉冲分配电路从该进给方向的进给脉冲指令中抵 消相同数量的相反方向补偿脉冲，如图所示。 CNC 负向进给 脉冲 正向进给 脉冲 脉冲 混合 电路 加减 脉冲 分配 电路 加 减 速 电 路 环 形 分 配 器 功 率 放 大 器 进 给 脉 冲 加 减 至步进 电机绕 组 3加减速电路(自动升降速电路) 根据步进电机加减速特性，进入步进电 机定子绕组的电平信号的频率变化要平滑 而且应有一定的时间常数。但由加减脉 冲分配电路来的进给脉冲频率的变化是有 跃变的。 为了保证步进电机能够正常、可靠地工 作，上述跃变频率必须首先进行缓冲， 使之变成符合步进电机加减速特性的脉 冲频率，然后再送入步进电机的定子绕 组。加减速电路就是为此而设置的。 t0 t1 t2 t t0 t1 t2 t3 t f b fa 经过该电路后，输出脉冲的个数与输入的 进给脉冲的个数相等，以保证电机不会丢步 。 CNC 负向进给 脉冲 正向进给 脉冲 脉冲 混合 电路 加减 脉冲 分配 电路 加 减 速 电 路 环 形 分 配 器 功 率 放 大 器 进 给 脉 冲 加 减 至步进 电机绕 组 4环形分配器 作用：把来自于加减速电路的一系列进给脉冲指令，转换成控制 步进电机定子绕组通、断电的电平信号，电平信号状态的改变次数 及顺序与进给脉冲的个数及方向对应。 五相十拍通电顺序 ： AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA- EA-EAB-AB 要求五相电机正转 环形分配器可以由硬件逻辑线路构成，也可以用软件来实现 CNC 负向进给 脉冲 正向进给 脉冲 脉冲 混合 电路 加减 脉冲 分配 电路 加 减 速 电 路 环 形 分 配 器 功 率 放 大 器 进 给 脉 冲 加 减 至步进 电机绕 组 从环形分配器来的进给控制信号的电流只有几毫安，而步进 电机的定子绕组需要几安培电流。因此，需要对从环形分配 器来的信号进行功率放大，以提供幅值足够，前后沿较好的 励磁电流。 5.功率放大器 CNC 环形分配器的主要功能：将数控装置送来的一串指 令脉冲，按步进电机所要求的通电顺序分配给步进电 机驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的通断， 实现步进电机的运行及换向。 6.2.4 步进电机的环形分配器 6.2 步进电机及其驱动控制系统 CNC 1硬件环形分配器 可由D触发器或JK触发器构成，亦可用专用集成芯片 或通用可编程逻辑器件。 CNC 装置 电源 环形 分配器 A相驱动 B相驱动 C相驱动 FULL/HALF DIR CLK M 6.2 步进电机及其驱动控制系统 硬件环形分配驱动与数控装置的连接 CNC CH250是国产三相反应式步进电机环形分配器专用 集成电路芯片，通过控制端的不同接法可组成三相 双三拍和三相六拍的工作方式 6.2 步进电机及其驱动控制系统 三相六拍接线图: CNC 2软件环形分配器 由数控装置中的软件完成环形分配，直接 驱动步进电机各绕组的通、断电。 用软件环形分配器只需编制不同的环形分 配程序，可使线路简化，成本下降，可灵活地 改变步进电机的控制方案。 CNC 装置 电源A相驱动 B相驱动 C相驱动 C B A M 6.2 步进电机及其驱动控制系统 CNC 步进电机的速度控制 进给脉冲频率f 定子绕组通电/断电状态变化 频率f 步进电机转速 工作台的进给速度V。 V=60f 6.2 步进电机及其驱动控制系统 CNC 作用： 是将环形分配器或微处理机送来的弱电信号变为 强电信号，以得到步进电机控制绕组所需要的脉冲电 流及所需要的脉冲波形。 6.2 步进电机及其驱动控制系统 6.2.5 功率放大电路 CNC 6.2.5 功率放大电路 种类： 就其采用的功率放大器件分，有中功率晶体管、大功 率晶体管、大功率达林顿晶体管、可控硅等； 就其工作原理分，有单电压驱动、高低电压驱动、恒 流斩波、调频调压、细分电路等。 步进电机有几相，就需要几组功率放大电路。 6.2 步进电机及其驱动控制系统 CNC 2. 提高步进电机开环伺服系统传动 精度的措施 概述 影响步进电机开环系统传动精度的因素： 步进电机的步距角精度； 机械传动部件的精度； 丝杆等机械传动部件、支承的传动间隙； 传动件和支承件的变形。 提高步进电机开环系统传动精度的措施 适当提高系统组成环节的精度； 采取各种精度补偿措施。 CNC 传动间隙补偿 在整个行程范围内测量传动机构传动间隙，取其 平均值存放在数控系统中的间隙补偿单元，当进给系 统反向运动时，数控系统自动将补偿值加到进给指令 中，从而达到补偿目的。 CNC 螺距误差补偿 利用计算机的运算处理能力，可以补偿滚珠丝杠的 螺距累积误差，以提高进给位移精度。 方法：首先测量出进给丝杠螺距误差曲线(规律)， 然后可采用下列两种方法实现误差补偿：硬件补偿、 软件补偿。 CNC 细分线路 CNC 1. 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 螺距(mm) 脉冲当量（mm） 步进电 机 Z 1 Z 2 t f， CNC 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、 、t之间有如下关 系： 步距角， 脉冲当量， t丝杠导程。 CNC 例1： = 0.01mm, t = 6 mm, = 0.75 步进电机 Z1 Z2 t f， CNC 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。 CNC 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1.50，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？ CNC (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/ =400/0.02083=19200步 解： （1）由计算脉冲当量： 360 = L0 已知， L0=5mm， =1.50求脉冲当量=？ =5/360 1.5=0.02083(mm) CNC 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 CNC 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