步进电机(步进电机的工作原理).ppt

西南科技大学品牌课程 数控技术基础 主讲教师 马有良 联系邮箱 mayouliang 第一节概述第二节伺服系统速度控制第三节伺服系统位置控制 西南科技大学品牌课程 第五章伺服系统 西南科技大学品牌课程 伺服系统是以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统 伺服系统是连接数控系统与数控设备的枢纽 它的性能是影响数控设备精度 稳定性 可靠性 加工效率以及价格等方面的重要因素 1 伺服系统的特点和要求特点 1 伺服系统的运动来源与偏差信号 2 伺服系统具有负反馈回路 3 伺服运动始终处于过渡过程状态 4 伺服系统具有力 转矩 的放大作用 第一节概述 西南科技大学品牌课程 数控机床对伺服系统的要求 1 位置精度高 2 调速范围宽 3 快速响应 4 稳定性好 5 低速大转矩2 伺服系统的组成常用的伺服系统有电气伺服系统和液压伺服系统 数控伺服系统由伺服电机 驱动系统 速度检测器 位置检测器以及位置比较电路组成 驱动系统包括从给定值输入到伺服电机或液动机的输出 即伺服电机及其驱动部分 西南科技大学品牌课程 主轴伺服系统一般为速度控制系统 除具有上述的一般要求外 还应具有以下控制功能 1 准停控制 2 主轴与进给驱动同步控制 3 分度控制 3 伺服系统的分类按调节理论分类 1 开环伺服系统 2 闭环伺服系统 3 半闭环系统 西南科技大学品牌课程 开环伺服系统简图 西南科技大学品牌课程 西南科技大学品牌课程 半闭环伺服系统简图 西南科技大学品牌课程 按使用的驱动元件分类 1 电液伺服系统 2 电气伺服系统按使用的伺服电机分类 1 直流伺服系统 2 交流伺服系统按进给驱动和主轴驱动分类 1 进给伺服系统 2 主轴伺服系统按位置控制方式分类 1 脉冲 数字比较伺服系统 2 相位比较伺服系统 3 幅值比较伺服系统 4 全数字伺服系统 西南科技大学品牌课程 第二节伺服系统速度控制 为了能够调节机床的切削速度和进给量 机床的主运动 进给运动和辅助运动都需要变速控制 都要求在变速范围内 速度变化连续可调 且精度高 稳定性好 速度控制系统是伺服系统中的重要组成部分 它由速度控制单元 伺服电机 速度检测装置等构成 1 直流伺服系统速度控制 直流伺服电机的特性 直流电机的机械特性 静特性 机械特性是指调速系统的输出转速和输出转矩之间的关系 它是衡量调速系统在承受负载时的转速与空载是相比下降的程度的一种指标 西南科技大学品牌课程 机械特性方程为 2 交流伺服系统速度控制 由于直流电机存在许多缺点 结构复杂 制造困难 换向器需要维护 电机高速受到限制等 但交流电机 特别是感应电机没有上述缺点 且转子惯量小 动态特性好 交流同步电动机的转速与所接的电源频率之间存在一种严格的关系 可以方便的改变频率获得可变的速度 和非常硬的机械特性 鼓得到更广泛的应用 西南科技大学品牌课程 第三节伺服系统位置控制 开环控制系统 西南科技大学品牌课程 步进电机又称脉冲电机 它是一种将数字脉冲信号转换成为具有一角位移或线位移即转变为一种模拟信号的电磁装置 步进电机是开环驱动机构中的一个关键元件 常见的步进电机有反应式步进电机与混合式步进电机两种 1 步进电机的特点 1 步进电机输出的角位移或线位移与输入脉冲数成正比 即每输入一个脉冲 经分配装置使电机转子相应转动一步 且在时间上与输入脉冲同步 2 转速与脉冲频率成正比 3 能快速地起动 制动和反转 西南科技大学品牌课程 4 转子的转动惯量小 起动 停止时间短 5 无积累误差 所以定位精度高 右图为三相反应式步进电机结构图 西南科技大学品牌课程 2 步进电机的工作原理1 工作原理 步进电机的工作原理是按电磁吸引的原理工作的 错齿是其工作的关键 是推动其工作的根本原因 反应式三相步进电机为例加以说明 定子上有六个磁极 每个磁极上绕有励磁绕组 每相对的两个磁极组成一相 分成A B C三相 转子无绕组 它是由带齿的铁心做成的 步进电机是按电磁吸引的原理进行工作的 当定子绕组按顺序轮流通电时 A B C三对磁极就依次产生磁场 并每次对转子的某一对齿产生电磁引力 将其吸引过来 而使转子一步步转动 西南科技大学品牌课程 若开始是A相通电 B相 C相断电 由于定子磁场吸引转子 使转子齿与定子A相磁极上的齿对齐 由于电机的结构使三相磁极的在周向相互错开1 3齿距 西南科技大学品牌课程 随后B相通电 A相 C相断电 于是定子磁场吸引转子回转1 3齿距 西南科技大学品牌课程 再使C相通电 转子又转过1 3齿距 依次通电 步进电机就会按通电顺序方向旋转 西南科技大学品牌课程 2 步进电机的通电方式 a 三相单三拍通电顺序为A B C A B C由于每次只有一相绕组通电 在切换瞬间将失去自锁转矩 容易失步 易在平衡位置附近产生振荡 稳定性不佳 故实际应用中不采用单三拍工作方式 b 三相双三拍通电顺序为AB BC CA或反之AC CB BA由于双三拍控制每次有二相绕组通电 而且切换时总保持一相绕组通电 所以工作比较稳定 西南科技大学品牌课程 步矩角 频率 和转速n的关系 c 三相六拍通电顺序为A AB B BC C CA A或反之 A AC C CB B BA它比三相三拍控制方式步距角小一半 因而精度更高 且转换过程中始终保证有一个绕组通电 工作稳定 因此这种方式被大量采用 西南科技大学品牌课程 步距角和步距误差步距角和步进电机的相数 通电方式及电机转子齿数的关系如下 式中 步进电机的步距角 m 电机相数 Z 转子齿数 K 系数 相邻两次通电相数相同 K 1 相邻两次通电相数不同 K 2 西南科技大学品牌课程 3 步进电机的主要特征 1 最大静转矩Tmax 2 启动频率 3 连续运行频率 4 矩频特性 5 静态步矩误差空载时 以单脉冲输入 步进电机的实际步矩角与理论步矩角之差 称为静态步矩误差 以分表示 西南科技大学品牌课程 静态矩角特性 矩频特性 西南科技大学品牌课程 4 步进电机功率驱动步进电机驱动线路完成由弱电到强电的转换和放大 也就是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需的具有一定功率的电流脉冲信号 驱动控制电路由环形分配器和功率放大器组成 环形分配器是用于控制步进电机的通电方式的 其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按照一定的顺序和分配方式加到功率放大器上 控制各相绕组的通电 断电 环形分配器功能可由硬件或软件产生 西南科技大学品牌课程 功率放大器 西南科技大学品牌课程 西南科技大学品牌课程 西南科技大学品牌课程 5 开环控制步进式伺服系统的工作原理1 工作台位移量的控制数控装置发出N个脉冲 经驱动线路放大后 使步进电机定子绕组通电状态变化N次 如果一个脉冲使步进电机转过的角度为 则步进电机转过的角位移量 N 再经减速齿轮 丝杠 螺母之后转变为工作台的位移量L 即进给脉冲数决定了工作台的直线位移量L 西南科技大学品牌课程 2 工作台进给速度的控制数控装置发出的进给脉冲频率为f 经驱动控制线路 表现为控制步进电机定子绕组的通电 断电状态的电平信号变化频率 定子绕组通电状态变化频率决定步进电机的转速 该转速经过减速齿