开环伺服系统

开环伺服系统第1页/共83页二、对伺服系统的基本要求伺服驱动系统的选用1）精度要求：定位精度、重复定位精度、加工精度2）稳定性：达到平衡状态的能力3）响应速度：跟踪指令信号的速度4）调速范围：最高转速与最低转速之比Rn=nmax/nmin5）低速转距特性:低速时转距输出能力关于定位精度和重复定位精度定位精度：移动件到达指令位置的准确度重复定位精度：移动件在任意定位点的定位一致性第2页/共82页第2页/共83页第二节开环伺服系统

一、组成

伺服驱动单元、执行元件、传动机构

二、步进电机将电脉冲转变成机械角位移的装置第六章伺服驱动系统

CNC步进电机

驱动放大

工作台

返回下一页上一页第3页/共82页第3页/共83页1.分类第六章伺服驱动系统按输出转矩分：伺服步进电机、功率

步进电机。

按励磁相数分：

三相、六相、五相、六相、八相

等

按工作原理分：

反应式、激磁式、混合式（永磁反应式）返回下一页上一页第4页/共82页第4页/共83页2.步进电机的结构第六章伺服驱动系统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。左图为三相定子：AA’,BB’,CC’A、B、C三相每相两极，每极上五个齿1)定子五个极齿第5页/共82页第5页/共83页2.步进电机的结构第六章伺服驱动系统定子上线圈的绕法下一页上一页返回第6页/共82页第6页/共83页2.步进电机的结构2)转子第六章伺服驱动系统转子上有均匀分布的齿，没有绕组。转子齿间夹角为9o左图为一转子示意图：以四十齿为例来说明步进电机的原理下一页上一页返回第7页/共82页第7页/共83页3.步进电机的实物图

第六章伺服驱动系统第8页/共82页第8页/共83页3.步进电机的实物图

第六章伺服驱动系统第9页/共82页第9页/共83页3.步进电机的实物图

第六章伺服驱动系统第10页/共82页第10页/共83页3.步进电机的实物图

第六章伺服驱动系统第11页/共82页第11页/共83页3.步进电机的实物图

第六章伺服驱动系统第12页/共82页第12页/共83页3.步进电机的实物图

第六章伺服驱动系统第13页/共82页第13页/共83页3.步进电机的实物图

第六章伺服驱动系统第14页/共82页第14页/共83页3.步进电机的实物图

第六章伺服驱动系统第15页/共82页第15页/共83页3.步进电机的实物图

第六章伺服驱动系统第16页/共82页第16页/共83页3.步进电机的实物图

第六章伺服驱动系统第17页/共82页第17页/共83页4.工作原理如果A相通电则转子齿与A相极齿对齐，这时在B相两极下定子齿与转子齿中心线并不对齐，而是转子齿中心线较定子齿中心线反时针方向落后1/3齿距，即3o。因此，当通电状态由A相变为B相时，转子顺时针方向转过3o，C相通电再转3o。C相下，转子齿超前6o。第六章伺服驱动系统第18页/共82页第18页/共83页4.工作原理第六章伺服驱动系统三拍通电激磁，步距角α==3o一般α=m——绕组相数；Z——转子齿数，单拍k=1,双拍k=2。六拍通电激磁，步距角α

==1.5o下一页上一页返回第19页/共82页第19页/共83页4.工作原理第六章伺服驱动系统定子绕组通断电顺序→转子转向

定子绕组通断电转换频率→转子转速

定子绕组通断电次数→转子转角

三相单三拍

A→B→C→A（K=1）

三相双三拍

AB→BC→CA→AB（K=1）

三相六拍

A→AB→B→BC→C→CA→A（K=2）

通断电方式下一页上一页第20页/共82页第20页/共83页5.主要控制特性第六章伺服驱动系统最高工作频率（fmax）

加减速特性

矩频特性

启动频率（fst）

步距角（θ）及步距误差

下一页上一页静态转矩与矩角特性最大启动转矩Mq第21页/共82页第21页/共83页1)步距角（θ）及步距误差

步距角是两个相临脉冲时间内转子转过的角度,一般来说步距角越小,控制越精确。第六章伺服驱动系统5.主要控制特性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,步距误差取决于定子和转子的分齿精度,和各相定子错位角度的精度。多相通电时,其不仅与上述因素有关,还和各相电流大小,磁路性能有关。返回下一页上一页第22页/共82页第22页/共83页

2）静态转矩与矩角特性

当步进电机上某相定子绕组通电之后，转子齿将力求与定子齿对齐，使磁路中的磁阻最小，转子处在平衡位置不动（θ＝0）。如果在电机轴上外加一个负载转矩Mz，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度θ，角度θ称为失调角。有失调角之后，步进电机就产生一个静态转矩（也称为电磁转矩），这时静态转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角θ的关系叫矩角特性，如图6-6所示，近似为正弦曲线。该矩角特性上的静态转矩最大值称为最大静转矩。在静态稳定区内，当外加负载转矩除去时，转子在电磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置（θ＝0）。第六章伺服驱动系统图6-6静态矩角特性第23页/共82页第23页/共83页3）最大启动转矩Mq

图6-7为三相单三拍矩角特性曲线，图中的A、B分别是相邻A相和B相的静态矩角特性曲线，它们的交点所对应的转矩是步进电机的最大启动转矩Mq。如果外加负载转矩大于Mq，电机就不能启动。如图6-7所示,当A相通电时，若外加负载转矩Ma>Mq，对应的失调角为θa

，当励磁电流由A相切换到B相时，对应角θb

，B相的静转矩为Mb。从图中看出Mb<Mq,电机不能带动负载做步进运动，因而启动转矩是电机能带动负载转动的极限转矩。

bABC图6-6三相单三拍步进电机的启动转矩MbMqMaMθθa第24页/共82页第24页/共83页4）最高启动频率第六章伺服驱动系统空载时，步进电机由静止突然启动，并不失步的进入稳速运行，所允许的启动频率的最高值为最高启动频率.启动时频率大于最高启动频率时步进电机不能正常工作，最高启动频率与步进电机的惯性负载有关.5）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，最高工作频率远大于启动频率.第25页/共82页第25页/共83页第六章伺服驱动系统在连续运行状态下，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.6）矩频特性第26页/共82页第26页/共83页7)加减速特性步进电机的加减速特性是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突跳频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升同样,当要求步进电机从最高工作频率或高于突跳频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降逐渐上升或下降的加速时间、减速时间不能过小，否则会出现失步或超步一般用加速时间常数Ta和减速时间常数Td来描述步进电机的升速和降速特性第六章伺服驱动系统第27页/共82页第27页/共83页步进电机开环伺服应用实例步进电机转子有80个齿，采用三相六拍驱动方式，经丝杠螺母传动副驱动工作台做直线运动，丝杠的导程为5mm，工作台移动最大速度为6mm/s。求：(1)步进电机的步距角=？(2)工作点的脉冲当量？(3)步进电机的最高工作频率？解：(1) (2) 丝杠导程×步距角/360° =5×0.75°/360°=0.01(mm/脉冲)(3) 第28页/共82页第28页/共83页6.步进电机的选择第六章伺服驱动系统1)步进电机选择原则：

①步矩角与机械系统相匹配，以得到系统所需的

②保证电机输出转矩，大于负载所需转矩

③能与机械系统的负载惯量相匹配

为使电机具有良好的起动性能及较快的响应速度推荐Jleq/Jm<=4式中Jleq为系统等效负载转动惯量

Jm

为电机转动惯量

④电机运行速度和最高工作频率能满足工作台切削加工和快移要求。

=

t/360i下一页上一页第29页/共82页第29页/共83页2)步进电机选择步骤第六章伺服驱动系统

①

初定步进电机步距角，计算减速比，确定齿轮副

初选步进电机型号，根据其工作方式，初定步距角

i=Z1/Z2=

t/360

确定齿轮副齿数时，尽量选择一级降速;若需二级，则降速比大的齿轮副应远离电机，以利于提高传动系统的刚度和精度。下一页上一页θ:步进电机步距角,(o)/脉冲t:滚珠丝杆导程，mmδ:脉冲当量，mm/脉冲第30页/共82页第30页/共83页第六章伺服驱动系统

②

计算惯量

下一页上一页2)步进电机选择步骤设传动系统如右图所示：伺服系统总惯量JG为

JG=Jm+Jleq式中：Jm——步进电机转子转动惯量

Jleq——换算到电机轴上的等效负载转动惯量第31页/共82页第31页/共83页第六章伺服驱动系统2)步进电机选择步骤②计算惯量

nm

——步进电机速度

r/minni

——第i个转动部件的转速r/minJi

——第i个转动部件的转动惯量

kg.m2Vj

——第j个移动部件的移动速度

m/minMj——第j个移动部件的质量kg第32页/共82页第32页/共83页②计算惯量第六章伺服驱动系统2)步进电机选择步骤图示的一级齿轮减速系统V=nz2.t式中V——工作台移动速度m/min

t——丝杆导程m第33页/共82页第33页/共83页②计算惯量第六章伺服驱动系统2)步进电机选择步骤式中Jz1——齿轮1的转动惯量kg.m2

Jz2——齿轮2的转动惯量kg.m2

Js

——丝杆2的转动惯量kg.m2

Mw

——工作台的质量kg第34页/共82页第34页/共83页②计算惯量

第六章伺服驱动系统2)步进电机选择步骤其中，齿轮、丝杆的转动惯量（J）可按圆柱体转动惯量计算Kg/cm3式中D——齿轮分度圆直径或丝杆名义直径mmL——齿轮宽度或丝杆长度mmγ——材料比重kg/cm3第35页/共82页第35页/共83页②计算惯量第六章伺服驱动系统2)步进电机选择步骤对下图所示的二级齿轮减速系统第36页/共82页第36页/共83页③

计算转矩

系统所需转矩包括加速转矩和等效负载转矩

快速空载启动时所需转矩M

M=Mamax+Mf式中:

Mamax——快速空载启动时产生最大加速度所需转矩Nm

Mf

——克服摩擦力所需转矩

Nm2)步进电机选择步骤第六章伺服驱动系统第37页/共82页第37页/共83页③

计算转矩

2)步进电机选择步骤第六章伺服驱动系统由动力学知：式中：J——系统总惯量

N·m·s2

ε——步进电机转子的角加速度

r/s2

ωo——初速度

r/s

ωt——末速度

r/s

T——加速时间

s第38页/共82页第38页/共83页③

计算转矩

2)步进电机选择步骤第六章伺服驱动系统对于空载启动时ω0=0，T为升速时间常数，则ωt为升速T秒后电机的角速度此时的等效负载转矩主要是T作台移动的磨擦力引起的。式中μ工作台与导轨之间的磨擦系数

W为工作台和工件的总重量

N第39页/共82页第39页/共83页③

计算转矩

2)步进电机选择步骤第六章伺服驱动系统式中μ工作台与导轨之间的磨擦系数

W为工作台和工件的总重量

NNm为电机转速

r/mint为丝杆导程

mmVw为工作台的移动速度

m/min第40页/共82页第40页/共83页③

计算转矩

2)步进电机选择步骤第六章伺服驱动系统最大切削力时所需转矩M为了安全，此时不仅要考虑最大切削力，而且还应考虑在切削过程中产生相庆加速度所需转矩，这时所需转矩M为：式中Mat为切削时产生加速度所需加速转矩

N·mMf为克服磨擦所需转矩

N·mMt为克服切削力所需转矩

N·m第41页/共82页第41页/共83页③

计算转矩

2)步进电机选择步骤第六章伺服驱动系统设与运动方向相反的最大切削力为,垂直于等轨的切削分力为。

则：第42页/共82页第42页/共83页第六章伺服驱动系统④

计算步进电机运行频率

工作台快速空载速度Vmax

电机最高工作频率fmax

工作台工作进给时的最低速度Vmin电机最小运行频率fmin

工作台工作进给时的最高速度VF电机最大运行频率fF

伺服系统在fmin–

fF范围内可用软件实现无级调速

步进电机运行频率f(Hz)

f=V/60式中,V——工作台进给速度mm/min下一页上一页2)步进电机选择步骤第43页/共82页第43页/共83页确定步进电机型号第六章伺服驱动系统根据步进电机最高工作频率fmax和正常工作进给频率fmin~fF，以及快速空载启动和最大切削力时所需转矩，选择步进电机型号，主要从两方面考虑:

ⅰ)步进电机启动矩频特性定否能满足要求

查电机启动矩频特性曲线，得到对应于最高工作频率fmax，电机能提供的启动力矩Mq。若Mq

大于计算出的快速空载启动所需力矩，则说明所选步进电机能满足快速空载启动时所需启动力矩要求。下一页上一页2)步进电机选择步骤第44页/共82页第44页/共83页ⅱ)步进电机运行矩频特性是否能满足要求第六章伺服驱动系统

查电机运行矩频特性曲线，得到对应于正常工作进给最大运行频率fF电机所能提供的力矩M。若M大于计算出的最大切削力所需转矩，则说明所选电机能满足伺服系统正常工作时所需力矩要求。

下一页上一页2)步进电机选择步骤第45页/共82页第45页/共83页3)步进电机选择实例第六章伺服驱动系统例：一个工作台驱动系统如图所示，已知参数见表1，工作台与导轨磨擦系数为0.04，加速时间0.25s，求转换到电机轴上的等效转动惯量和等效力矩。第46页/共82页第46页/共83页3)步进电机选择实例第六章伺服驱动系统例：一个工作台驱动系统如图所示，已知参数见表1，工作台与导轨磨擦系数为0.04，加速时间0.25s，求转换到电机轴上的等效转动惯量和等效力矩。第47页/共82页第47页/共83页3)步进电机选择实例第六章伺服驱动系统例：一个工作台驱动系统如图所示，已知参数见表1，工作台与导轨磨擦系数为0.04，加速时间0.25s，求转换到电机轴上的等效转动惯量和等效力矩。计算转矩：第48页/共82页第48页/共83页三.步进伺服驱动电路第六章伺服驱动系统下一页上一页

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，硬件环形分配器是根据步进电机的相数和控制方式设计的，数控机床上常用三相、四相、五相及六相步进电机。第49页/共82页第49页/共83页三.步进伺服驱动电路第六章伺服驱动系统（一）脉冲分配

按一定的规律将进给脉冲分配给步进电机定子绕组的各相。实现方法：1.硬件集成脉冲分配器TTL:B013,BY014BY015,BY016CMOS:CH250下一页上一页第50页/共82页第50页/共83页如图6-8所示，该线路由与非门和J－K触发器组成。指令脉冲加到三个触发器的时钟输入端CP，旋转方向由正、反控制端的状态决定。QA,QB,QC为三个触发器的Q端输出，连到A、B、C三相功率放大器。若“1”表示通电，“0”表示断电，对于三相六拍步进电机正向旋转，正向控制端状态置“1”，反向控制端状态置“0”。初始时，在预置端加上预置脉冲，将三个触发器置为100状态，。当在CP端送入一个脉冲时，环形分配器就由100状态变为110状态，随着指令脉冲的不断到来，各相通电状态不断变化，按照100→110→010→011→001→101即A→AB→B→BC→C→CA次序通电。步进电机反转时，由反向控制信号“1”状态控制（正向控制为“0”），通电次序为A→CA→C→CB→B→BA→A。JA

KA

JB

KB

JC

KC

SA相B相C相RRCP指令脉冲置零正反第51页/共82页第51页/共83页三.步进伺服驱动电路第六章伺服驱动系统（一）脉冲分配

2.软件移位法查表法C

BA00000001初始通电→A01000000右移三次 10111111按位取反00001001清无关位→AB

D7D6D5D4D3D2D1D0

CY返回下一页上一页第52页/共82页第52页/共83页

查表法软件脉冲分配在计算机控制的步进电动机驱动系统中，通常采用软件的方法实现环形脉冲分配。下图所示是一个8031单片机与步进电动机驱动电路接口的框图。P1口的三个引脚经过光电隔离/功率放大后，分别与电动机的A、B、C三相连接。当采用三相六拍方式时，电动机正转的通常顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A；电动机反转的顺序为A-AC-C-CB-B-BA-A。它们的环形分配如表6-4所示。设P1的某口为高电平时，相应的电动机相通电。第六章伺服驱动系统第53页/共82页第53页/共83页步序导电相工作状态数值（16进制）程序的数据表正转反转CBATAB

A001

01HTAB0DB01HAB011

03HDB03HB010

02H

DB02HBC110

06HDB06H

C100

04HDB04HCA101

05HTAB5DB05H第六章伺服驱动系统第54页/共82页第54页/共83页把表中的数值按顺序存入内存的EPROM中，并分别设定表头的地址为TAB0。计算机的P1口按从表头开始逐步加1的顺序变化，电动机正相旋转，如果按从TAB5，逐步减1的顺序变化，电动机则反转。控制电动机方向、速度的子程序流程图和源程序如下所示。子程序的入口、出口如下：入口：R6：步进电动机步数；

R5：正反转控制，R5=0时为正，R5>0或R5<0时为反；

R7：TAB数据表指针。以上参数在主程序中给定。出口：R7：子程序结束时电动机的状态，供下次调用时参考。第55页/共82页第55页/共83页源程序如下：SBU1：MOVDPTR，#TABAJMPREDO；转移去判断正反转DRIVER：MOV，R7；驱动步进电动机

MOVA，·A+DPTRMOVP1，AACALLDELAY；调延时子程序

DJNZR6，REDO；距离不为0转移

MOVR7，A；为0保存指针后返回

RETREDO：CJNER5，#00，NON；如为反转则转移

CJNER7，#05，L1；正转：指针不到数组尾转移

MOVR7，#00H；否则指针清零

AJMPDRIVERL1：INCR7；指针加1AJMPDRIVERNON：CJNER7，#00H，L2；反转：指针不在数组首转移

MOVR7，#05H；否则指针置5AJMPDRIVERL2：DECR7；指针减1TAB：DB01H，03H，02H，06H，04H，05H第56页/共82页第56页/共83页这里省略了延时子程序，通过改变延时时间的长短来控制电动机的速度。在以计算机为控制核心的经济型数控机床中采用软件进行脉冲分配已形成趋势。虽然软件脉冲分配增加了编程的复杂程度，但它省去了环形脉冲分配器，系统减少了器件，降低了成本，也提高了系统的可靠性。

第57页/共82页第57页/共83页（二）步进电机驱动电源第六章伺服驱动系统1．对驱动电源的要求

实际上，步进电机是感性负载，绕组中电流不能突变，而是按指数规律上升或下降,从而使整个通电周期内，绕组电流平均值下降，电机输出转矩下降。

理想驱动电源使电机绕组电流尽量接近矩形波。而当电机运行频率很高时，电流峰值显著小于额定励磁电流，从而导致电机转矩进一步下降，严重时不能启动。

下一页上一页第58页/共82页第58页/共83页第六章伺服驱动系统上升时电流时间常数Ti=L/R

L——步进电机绕组平均电感量

R——通电回路电阻，包括：

绕组内阻、功率放大器输出级内阻、串联电阻

下降时电流时间常数Td=L/RDRD——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，使前后沿陡度增大，方法有：

下一页上一页第59页/共82页第59页/共83页1)电阻法第六章伺服驱动系统

从Ti=L/R知，为，可R，故可在进电机绕组回路中串联一个电阻Ro此时，Ti

=L/(r+R0

)

特点：线路简单，但

Ro(10Ω)上消耗一定功率，发热量大，也降低了放大器的效率，只适于小功率步进电机。

下一页上一页第60页/共82页第60页/共83页2)电压法

第六章伺服驱动系统

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

电流增长率为

dE/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

特点：线路复杂，需采用双电源，但效率较高，效果好，适于中小型功率步进电机。下一页上一页第61页/共82页第61页/共83页返回下一页上一页2．单电压型驱动电源第六章伺服驱动系统

电容C:

在接通瞬间短接R

电流由ELCT1

故C称加速电容

电阻Rc:

在电流达到恒定后还起限流作用，改变了时间常数，提高了响应速度，此时电流由ELRcT1

输入脉冲为“0”时，T1截止，il=0输入脉冲为“1”时，T1导通

RaRcRL第62页/共82页第62页/共83页返回下一页上一页第六章伺服驱动系统输入脉冲消失后，T1截止，L两端将产生一感应电压。V=L(di/dt)，由于T1关断时间dt很短，故感应电压U很大，将击穿晶体管，为此增加二极管D续流，续流电流:LRcDL

2．单电压型驱动电源Rc第63页/共82页第63页/共83页第六章伺服驱动系统而T2在高压控制电路下导通时间t1较短(100-600s)绕组在高压EH下电流迅速增大至额定值，此时低压EL无效。3．高低压双压型驱动电源输入脉冲信号为“0”时，

T1、T2均截止，IL=0输入信号为“1”时，T1导通t1之后，T2截止，低压供压，维持绕组所需的额定电流IeEHEL下一页上一页第64页/共82页第64页/共83页第六章伺服驱动系统

输入脉冲信号消失(为“0”)，

T1、T2均截止，L上电流经放电回路：

LRoD2EHELD1L

迅速下降EH供电，励磁电流前沿电流Ip=[EH/(r+R0)](1-e-t/Ti)

由此计算t1

t1=T/n{EH/[EH+In(r+R0)]}In—要求高压通电，电流达到的数值3．高低压双压型驱动电源EHEL下一页上一页第65页/共82页第65页/共83页第六章伺服驱动系统绕组上电流Il随外加电压(EH、EL)变化而变化，当外加电压变化时，电机特性变差，工作不稳定绕组电流波形下凹，使电机输出转矩降低

3)

R的存在使效率降低

EHELEHEL返回存在的问题：下一页上一页第66页/共82页第66页/共83页4．电流斩波型第六章伺服驱动系统

在绕组回路中串接电流检测电路：当绕组电流下降至一定下限时，由检测电路发生信号、控制

高压管再度接通，使绕组

电流回升；当电流增至某一上限时，再次断开高压源。下一页上一页特点：结构复杂、响应速度快、驱动能力强、功耗低、噪声大。应用：大（中）型功率步进电机的驱动第67页/共82页第67页/共83页返回下一页上一页第六章伺服驱动系统第68页/共82页第68页/共83页5．细分驱动电源第六章伺服驱动系统若励磁电流以方波达到额定值，则转子转过一个步距角；而若励磁电流以若干级上升到额定值，则转子以同样的若干级转过一个步距角，即可使步进电机步距变小。细分即使电机通电电流由矩形波转变为阶梯波，即使励磁电流以若干个等幅、等宽的阶梯上升到额定值，并以同样的阶梯从额定值下降到零。下一页上一页细分技术的关键是如何获得阶梯波。下面介绍应用单片机进行细分驱动的技术。第69页/共82页第69页/共83页步进电机细分驱动：

切换时，绕组电流并非全部切除或通入，只改变额定值的一部分（如1/4)，转子也只转动步距角的一部分（如1/4)。第70页/共82页第70页/共83页下一页上一页第六章伺服驱动系统第71页/共82页第71页/共83页第六章伺服驱动系统返回下一页上一页第72页/共82页第72页/共83页四、提高步进电机伺服系统精度的措施存在的问题：无位移检测元件，定位精度主要取决于传动精度改善措施反向间隙补偿：在换向时通过附加脉冲进行补偿螺距误差补偿：采用机械样板或附加脉冲进行补偿反馈补偿：通过检测器进行系统误差检测，周期性地发出补偿脉冲。第六章