数控_12(伺服1)

1、6.16.1概概述述6.1.16.1.1伺服系统的组成伺服系统的组成 组成：伺服电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执组成：伺服电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件。行部件。作用：接受数控系统发出的进给速度和位移指令信号作用：接受数控系统发出的进给速度和位移指令信号由伺服驱动电路作一定的转换和放大后由伺服驱动电路作一定的转换和放大后经伺服驱经伺服驱动装置动装置(直流、交流伺服电机、电液脉冲马达、功率直流、交流伺服电机、电液脉冲马达、功率步进电机、电液伺服阀步进电机、电液伺服阀液压马达等液压马达等)机械传动机机械传动机构构驱动机床的工作台、主轴头架等执行部件实现工驱动机床的工作台、主轴头架等

2、执行部件实现工作进给和快速运动。作进给和快速运动。 数控进给伺服系统的性能，取决于组成它的伺服数控进给伺服系统的性能，取决于组成它的伺服驱动系统与机械传动机构中各环节的特性，也取决于驱动系统与机械传动机构中各环节的特性，也取决于系统中各环节性能参数的合理匹配。系统中各环节性能参数的合理匹配。 数控进给伺服系统是一个位置控制系统数控进给伺服系统是一个位置控制系统。6.1.2 6.1.2 数控机床对伺服系统的数控机床对伺服系统的要求要求 准确、可靠地执行指令准确、可靠地执行指令 调速范围宽调速范围宽 - 1000010000：1 1以上，且稳定性好以上，且稳定性好 带负载能力强带负载能力强 - 负

3、载特性硬；足够大的加（减）速力矩负载特性硬；足够大的加（减）速力矩 动态响应快动态响应快 - 快速跟随指令脉冲，可频繁起、停、反向；快速跟随指令脉冲，可频繁起、停、反向； 尽快消除负载扰动尽快消除负载扰动 误差无累积误差无累积 位置精度高位置精度高 6.2 6.2 步进电动机伺服系统CNC步进电机步进电机 伺服驱动电路伺服驱动电路 工作台工作台 结构简单结构简单特点：适用于速度不高及精度较低场合特点：适用于速度不高及精度较低场合 可采用细分驱动技术提高定位精度及低可采用细分驱动技术提高定位精度及低 速特性速特性6.2.1 步进电机的结构及工作原理步进电机的结构及工作原理 步进电机亦称脉冲电机（

4、控制电机），步进电机亦称脉冲电机（控制电机），是把电脉冲信号转换为相应的角位移（或线是把电脉冲信号转换为相应的角位移（或线位移）的电位移）的电机械装置，是一种输出与输入机械装置，是一种输出与输入的数字脉冲对应的增量驱动元件。的数字脉冲对应的增量驱动元件。 永磁式永磁式 按工作原理分按工作原理分 反应式反应式 工作原理不同，结构不同工作原理不同，结构不同 永磁感应式永磁感应式 混合式混合式 按励磁相数分：按励磁相数分： 3 3相、相、4 4相、相、5 5相、相、6 6相等相等 快速步进电机快速步进电机 按功率分：按功率分： 功率步进电机功率步进电机3.3.反应式反应式步进电机的结构步进电机的结构

5、 v步进电机由转子和定子两部分组成步进电机由转子和定子两部分组成定子上有绕组分为若干相，每相磁极上有极齿。定子上有绕组分为若干相，每相磁极上有极齿。左图为三相定子：左图为三相定子：AA,BB,CCA、B、C三相每相两极，三相每相两极，每极上五个齿每极上五个齿1) 定子定子五个极齿五个极齿 定子上线圈的绕法定子上线圈的绕法A相A相B相B相C相C相 2) 转子转子 转子上有均匀分布的转子上有均匀分布的齿，没有绕组。齿，没有绕组。转子齿间夹角为转子齿间夹角为9o左图为一转子示意图：左图为一转子示意图：步进电机步进电机步进电机功率驱动器步进电机功率驱动器步进电机功率驱动器步进电机功率驱动器5.5.工作

6、原理工作原理 三拍通电激磁，步距角三拍通电激磁，步距角s = = 3= 3o o3 4 40 00631 . . 一般一般 s s=m绕组相数；绕组相数；Z转子齿数转子齿数。mzk063六拍通电激磁，步距角六拍通电激磁，步距角s = = 1.5o3 40402 . . 063定子绕组定子绕组通断电顺序通断电顺序 转子转子转向转向 定子绕组定子绕组通断电转换频率通断电转换频率 转子转子转速转速 定子绕组定子绕组通断电次数通断电次数 转子转子转角转角 三相单三拍三相单三拍 A B C A A B C A （K=1K=1） 三相双三拍三相双三拍 AB BC CA AB AB BC CA AB （K=

7、1K=1） 三相六拍三相六拍 A AB B BC C CA A A AB B BC C CA A （K=2K=2） v 通断电方式通断电方式 a. 步距误差不积累，转一圈后，步距误差为0步进电机有两个特点： b.转速与脉冲频率f 成正比1）静态距角特征 定义：静态时（步进电机某相绕组通电时，转子处于不动状态），电磁转矩T与失调角之间的关系，即Tf() 当某相绕组通电时有， 转子无力矩输出，加一负载力矩TL。 转子瞬时针转过一个角度，当TTL时平衡。（失调角）经大量的实验，步进电机绕组的矩角特性为正弦曲线。 静态距角特性的物理意义： 在静态下，转子受TL作用0，但只要时，当TL撤除后，在电磁力矩

8、的作用下，转子必然回到其稳态平衡点0。 一般，步进电机各相绕组的距角特性必须大致相同，否则会引起低频振动使精度下降。常采用调整相电流的方法，使距角特性大致相同。2）启动频率 定义：步进电机在带载状态下，能够不失步 启动的最高频率fst。一般空载启动频率比带载高。 一般在fst下的最大转矩称为启动转矩Tq，设计中TqTL。 在步进电机产品说明书中给定了Tmax，可以通过上表查出Tq，反过来核算其带载的能力。 从下图可以看出s减小两绕组距角特性之交点Tq增大。0.8660.8660.9510.8090.7070.7070.8660.5Tq/Tmax1261058463拍数6543相数反应式步进电机

9、启动转矩3 3）最高工作频率）最高工作频率步进电机工作频率连续上升时，电动机不失步运行的最步进电机工作频率连续上升时，电动机不失步运行的最高频率称为最高工作频率。高频率称为最高工作频率。它的值也和负载有关。很显然，在同样负载下，最高工它的值也和负载有关。很显然，在同样负载下，最高工作频率远大于己于启动频率作频率远大于己于启动频率. . 在连续运行状态下，步进电机的电磁力矩随频率的升高而在连续运行状态下，步进电机的电磁力矩随频率的升高而急剧下降，这两者的关系称为矩频特性急剧下降，这两者的关系称为矩频特性. .4 4）矩频特性）矩频特性4) 4) 步距角（步距角（）及步距误差及步距误差 步距角是两

10、个相临脉冲时间内转子转过的角度步距角是两个相临脉冲时间内转子转过的角度, ,一般来一般来说步距角越小说步距角越小, ,控制越精确。控制越精确。 步距误差直接影响执行部件的定位精度步距误差直接影响执行部件的定位精度. .步进电动机单相通电时步进电动机单相通电时, ,步距误差取决于定子和转子的分齿步距误差取决于定子和转子的分齿精度精度, ,和各相定子错位角度的精度。和各相定子错位角度的精度。多相通电时多相通电时, ,其不仅与上述因素有关其不仅与上述因素有关, ,还和各相电流大小还和各相电流大小, ,磁磁路性能有关。路性能有关。（2） 稳态 即步进电机的换相频率为恒定的情况，即换相频率较宽，是从0f

11、max之间，在这个频率范围中分为三个区。 a.低频区即低于共振区间，在这个频率范围内，步进电机转子转一步的时间周期比换相周期短。转子每一步表现为衰减振动，最后稳定于平衡位置，转子从0增大到amax启动，然后以衰减振动形成停在新的平衡位置；引起步进电机较大的振动从而影响精度。 b.共振区 当换相频率接近转子共振频率或是共振频率整倍数的区域为共振 区。在该区域内产生较大的振动。 c.高频区 即高于共振的频率区间，该区间步进电机工作正常，很少产生 振动。 （1）静态 指步进电机某相（某n相）绕组中通以恒定的电流，转子处于固定的位置而不动的状态。静态时，绕组电流imax,故绕组有发热现象。（3）过渡态

12、 指步进电机从一种工作状态进入另一种工作状态。如，从静止到转动、从转动到静止、从正传到反转等。这些状态转变的过渡过程为过渡态。a.启动电机频率从0增大到fst,转子转速从0增大到nst,当fst高时，指令中止。b.制动从稳步状态fn减小到0时，转子从nn减小到0，当f高时，产生过冲制动。采用不断降速后制动。c.反转从正到反，从反到正。步距角：例：A B C 为三相三拍，AB BC CA 双三拍A AB B BC C CA 三相六拍或：例：一步进电机，Zr40，若按三相六拍运行，s？若电机输出轴带动导程 6mm的驱动机构，p?解：驱动模型为根据式min)/(360rNZrs5 . 1640360

13、3600NZrsspt360mmts025. 03605 . 16360kmZrs3606.2.2 6.2.2 步进伺服驱动电路步进伺服驱动电路 用3个D触发 组成，初始状态从置复位端输入一个 , A、B、C状态分别为： （1）硬环分（以三相六拍为例） C B A 通电状态“1”，断点“0” 初始状态 0 0 1 A 第一脉冲 0 1 1 AB实现了三相六拍 第二脉冲 0 1 0 B正转的通电拍序 第三脉冲 1 1 0 BC 第四脉冲 1 0 0 C 第五脉冲 1 0 1 CA 第 六脉冲 0 0 1 A 目前硬环分已形成集成电路，按电路结构结构不同分为TTL.CMOS，国产的YB系列有YB0

14、14YB015及YB016均为18引脚直插式封装。例：YB016 AF相：六相绕组输出端（输出低电平0.4V，输出高电平2.4V）。 ：选通控制输出。控制分配器是否输出一定顺序的脉冲。 、 ：选通输出控制端，决定步进电机的旋转方向。 ：正反转控制端，决定步进电机的旋转方向。 S：出错报告输出。 CP：时钟输出端，决定分配器输出脉冲的频率。 ：清零，对分配器清零，以使正常工作 A0、A1：励磁控制，确定通电方式。例： A0 A1 0 0 单六拍(A B C D E F ) 0 1三二相十二拍(ABC BC BCD CD AB FAB FA EFA EF DEF DE CDE ) 1 0三相六拍(

15、ABC BCD CDE DEF EFA FABT ) 1 1三四相十二拍(ABC ABCD BCD BCDE CDE CDEF DEF FABC FAB EFAB EFA DEFA )0E1E2ER（2）软还分 上述硬环分的逻辑功能用软件可以模拟实现，按三相六拍的通电顺序，依次向步进电机绕组输入“0”或“1”两种状态。硬件电路如下： 设8255n地止为：OFFF8HOFFFEH,依次从PB0PB2 输入01H 03H 02H 06H 04H 05H 01H,即可实现与硬环分同样的效果。 MOV AL, 80H MOV DX, OFFFEH OUT DX, AL ；8255初始 ，A、B、Cn均

16、为输出方式 MOV CL, 06 ； L1: MOV SI, 3800H ； 数据指针 L2: MOV AL,SI ；从数据表中取数 MOV DX,OFFFAH OUT DX,AL ；从Bn端口输出数据 CALL DELAY ；调 延时子程序 INC SI DEC CL JNZ L2 JMP L1DELAY: CALL 20MS ；调用20ms子程序 RET2 2 步进电机驱动电源步进电机驱动电源 （1）对驱动电源的要求对驱动电源的要求 实际上，步进电机是实际上，步进电机是感性负载感性负载，绕组中电流绕组中电流不能突变不能突变，而是按，而是按指数规律指数规律上升或下降上升或下降, ,从而使整个

17、从而使整个通电周期内，绕组通电周期内，绕组电流平均值电流平均值下降，下降，电机电机输出转矩下降。输出转矩下降。 理想理想驱动电源使电机驱动电源使电机绕组电流绕组电流 尽量接近尽量接近矩形波矩形波。 而当电机而当电机运行频率很高运行频率很高时，电流峰值时，电流峰值显著小于额定显著小于额定励磁电流，从而导致电机励磁电流，从而导致电机转矩进一步下降，严重时不能启动。转矩进一步下降，严重时不能启动。 上升时电流时间常数上升时电流时间常数 Ti = L/R L步进电机绕组平均电感量步进电机绕组平均电感量 R通电回路电阻，包括：通电回路电阻，包括： 绕组内阻、绕组内阻、功率放大器功率放大器输出级内阻、串联

18、电阻输出级内阻、串联电阻 下降时电流时间常数下降时电流时间常数 Td = L/RD RD放大回路电阻放大回路电阻 为了提高步进电机动态特性，必须改善电流波形，为了提高步进电机动态特性，必须改善电流波形，使前后沿陡度增大，方法有：使前后沿陡度增大，方法有： 1) 电阻法电阻法 从从 T Ti i=L/R=L/R 知，为知，为 T Ti i ， 可可 R R，故可在进电机绕组回路中故可在进电机绕组回路中串联串联一个电阻一个电阻RoRo此时，此时， T Ti i = L/( = L/( r+r+R R0 0 ) ) 特点：特点：线路简单，但线路简单，但 R Ro o ( ( 10) 10)上消耗一定

19、功率，上消耗一定功率，发热量大发热量大，也降低了放大器的，也降低了放大器的效率效率，只，只适于小功率适于小功率步进电机。步进电机。 2) 电压法电压法 电感绕组通电状态时，绕组上电流为电感绕组通电状态时，绕组上电流为 Im=(E/r) (1-e-t/Ti ) E电源电压电源电压 电流增长率为电流增长率为 dIm/dt= Im=(E/r) (1-e-t/Ti )可见，增大电源电压可以有效地改善电流上升陡度可见，增大电源电压可以有效地改善电流上升陡度 特点：特点：线路复杂线路复杂，需采用双电源，但，需采用双电源，但效率较高效率较高，效果好，效果好，适于适于中小型功率中小型功率步进电机。步进电机。

20、（2）单电压型驱动电源单电压型驱动电源 电容电容C: 在接通瞬间短接在接通瞬间短接R R 电流由电流由 ULCVT 故故C C称称 加速电容加速电容 电阻电阻R: 在电流达到在电流达到恒定后恒定后还起还起限流作用限流作用， 此时电流由此时电流由 ULRVT 输入脉冲为输入脉冲为“0 0”时，时，VT T截止截止，il=0 输入脉冲为输入脉冲为“1”1”时，时，VTVT导通导通 输入输入脉冲消失脉冲消失后，后，VTVT截止，截止， L L两端将产生一感应电压。两端将产生一感应电压。 V=L(di/dt)，由于由于VTVT关断时间关断时间dtdt很短，很短，故故感应电压感应电压U U很大，将击穿晶

21、体管，很大，将击穿晶体管，为此增加二极管为此增加二极管 D D 续流续流，续流电流，续流电流: : LRDL 而而V VT2T2在高压控制电路下在高压控制电路下导通导通 时间时间t t1 1较短较短 (100-600 (100-600 s) s) 绕组在绕组在高压高压 E EH H下电流下电流 迅速增大至迅速增大至额定值额定值， 此时此时低压低压 E EL L无效无效。（3）高低压双压型驱动电源高低压双压型驱动电源 输入脉冲信号为输入脉冲信号为“0”0”时，时， V VT1T1、VT2VT2均截止，均截止，i iL L=0=0 输入信号为输入信号为“1”1”时，时，V VT1 T1 导导通通

22、t t1 1之后，之后，V VT2T2截止截止，低压供压低压供压，维持维持绕组所需的绕组所需的额定电流额定电流IeIeEHEL 输入脉冲输入脉冲信号消失信号消失( (为为“0”)0”)， V VT1T1、VT2VT2均截止均截止， L L上电流经上电流经放电回路放电回路： LRoVD2EHELVD1L 迅速下降迅速下降 EH供电，励磁电流供电，励磁电流前沿电流前沿电流 Ip=EH/(r+R0)(1-e-t/Ti ) 由此计算由此计算t1 t1=T/n EH/EH+ In (r+R0)In要求高压通电，要求高压通电， 电流达到的数值电流达到的数值1)1) 绕组上电流绕组上电流I Il l 随外加

23、电压随外加电压(E(EH H、E EL L) )变化而变化变化而变化，2)2) 当外加电压变化时，电机特性变差，工作不稳定当外加电压变化时，电机特性变差，工作不稳定 2) 2) 双电压功放电路缺点是在高低压处电流出现凹点，这样必然引起力矩在尖点电下降，而斩波型可克服这一缺点。EH EL存在的问题：存在的问题：（4 4）恒流斩波型）恒流斩波型（5 5）调频调压型）调频调压型如果能设法使绕组的供电电压随着运行频率的升高而升高，以维持如果能设法使绕组的供电电压随着运行频率的升高而升高，以维持绕组在不同频率的导电周期内电流平均值基本相同，这样就可以达绕组在不同频率的导电周期内电流平均值基本相同，这样就可以达到在高频运行时，动态转矩不明显下降的目的到在高频运行时，动态转矩不明显下降的目的。步进电动机在运行的过程中，定子齿和转子齿相对位置不断发生变步进电动机在运行的过程中，定子齿和转子齿相对位置不断发生变化，因而在绕组中产生了旋转电动势，这将导致电流波形的顶部下化，因而在绕组中产生了旋转电动势，这将导致电流波形的顶部下凹凹。6.2.3 步进电机细分驱动技术步进电机细分驱动技术 步进电机对应于一个电脉冲，转子转动一步；即步进电机对应于一个电脉冲，转子转动一步；即一个步距角一个步距角s。 若每次输入脉冲切换时，只改变对应绕组额定电流若每次输