数控技术第6章

1、第六章第六章 伺服驱动系统伺服驱动系统2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 6.1 概述概述概念概念: :以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统，以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统，又称随动系统、拖动系统或伺服机构又称随动系统、拖动系统或伺服机构 数控伺服分进给伺服控制和主运动的伺服控制数控伺服分进给伺服控制和主运动的伺服控制数控机床的最高运动速度、跟踪及定位精度、加工表面质量、数控机床的最高运动速度、跟踪及定位精度、加工表面质量、生产率及工作可靠性等技术指标，主要决定于伺服系统的动态生产率及工作可靠性等技术指标，主要决定于伺服系统的动态和静态性能。和静态

2、性能。 2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 伺服系统的基本要求伺服系统的基本要求(1) (1) 高精度高精度: :数控机床伺服系统的精度是指机床工作的实际位置复现插补器指数控机床伺服系统的精度是指机床工作的实际位置复现插补器指令信号的精确程度。令信号的精确程度。 (2) (2) 稳定性好稳定性好: :指系统在突变的指令信号或外界扰动的作用下，能够以最大的指系统在突变的指令信号或外界扰动的作用下，能够以最大的速度达到新的或恢复到原有的平衡位置的能力。稳定性是直接影响数控加速度达到新的或恢复到原有的平衡位置的能力。稳定性是直接影响数控加工精度和表面粗糙度的重要指标。工精度和表面粗糙

3、度的重要指标。(3) (3) 响应速度快：快速响应是伺服系统动态品质的一项重要指标，它反映了系响应速度快：快速响应是伺服系统动态品质的一项重要指标，它反映了系统对插补指令的跟踪精度。统对插补指令的跟踪精度。 (4) (4) 电机调速范围宽电机调速范围宽: :调速范围是指数控机床要求电机能提供的最高转速和最调速范围是指数控机床要求电机能提供的最高转速和最低转速之比低转速之比(5) (5) 低速大转矩：机床加工的特点是低速时进行重切削，这就要求伺服系统在低速大转矩：机床加工的特点是低速时进行重切削，这就要求伺服系统在低速时提供较大的输出转矩低速时提供较大的输出转矩 (6) (6) 可靠性高：对环境

4、（如温度、湿度、粉尘、油污、振动、电磁干扰等）的可靠性高：对环境（如温度、湿度、粉尘、油污、振动、电磁干扰等）的适应性强，性能稳定，使用寿命长，平均无故障时间间隔长适应性强，性能稳定，使用寿命长，平均无故障时间间隔长 2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 数控机床主轴驱动伺服系统性能数控机床主轴驱动伺服系统性能(1) (1) 主轴与进给驱动的同步控制功能主轴与进给驱动的同步控制功能(2) (2) 准停控制功能准停控制功能(3)(3)角度分度控制角度分度控制: :角度分度控制有两种类型：一是固定的角度分度控制有两种类型：一是固定的等分角度控制；二是连续的任意角度控制。任意角度等分角

5、度控制；二是连续的任意角度控制。任意角度控制是带有角位移反馈的位置伺服系统，这种主轴坐控制是带有角位移反馈的位置伺服系统，这种主轴坐标具有进给坐标的功能，称为标具有进给坐标的功能，称为“C C”轴控制。轴控制。 2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 数控机床伺服系统结构构成数控机床伺服系统结构构成驱动控制单元执行元件机床比较控制环节反馈检测单元进给指令把驱动线路的表示位移量的电信号转换把驱动线路的表示位移量的电信号转换为机械运动为机械运动 调速范围宽而有良好的稳定性，尤调速范围宽而有良好的稳定性，尤其是低速时的速度平稳其是低速时的速度平稳 负载特性硬负载特性硬 具有快速响应特性具

6、有快速响应特性 能够频繁启、停及换向能够频繁启、停及换向电液、电气、电液脉冲马电液、电气、电液脉冲马达、直流、交流电机达、直流、交流电机2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 数控机床伺服系统的分类数控机床伺服系统的分类数控机床伺服系统的分类数控机床伺服系统的分类(1)(1)按用途和功能分：进给驱动系统和主轴驱动系统按用途和功能分：进给驱动系统和主轴驱动系统(2)(2)按其控制原理和有无位置检测反馈环节分：开环按其控制原理和有无位置检测反馈环节分：开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统(3)(3)按驱动执行元件分：步进式伺服系统、直流电机按

7、驱动执行元件分：步进式伺服系统、直流电机伺服系统和交流电机伺服系统伺服系统和交流电机伺服系统2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 6.2 6.2 步进电机及其驱动控制系统步进电机及其驱动控制系统步进电机是一种用电脉冲信号进行控制、并将电脉冲信号转换成相步进电机是一种用电脉冲信号进行控制、并将电脉冲信号转换成相应的机械角位移的执行器，故也称脉冲电机。应的机械角位移的执行器，故也称脉冲电机。每给步进电机输入一个电脉冲信号，其转轴就转过一个角度，称为每给步进电机输入一个电脉冲信号，其转轴就转过一个角度，称为步距角。步距角。步进电机输出的角位移量与输入的电脉冲个数成正比，在时间上与步进电

8、机输出的角位移量与输入的电脉冲个数成正比，在时间上与输入脉冲同步，其转速与输入电脉冲信号的频率成正比。输入脉冲同步，其转速与输入电脉冲信号的频率成正比。 控制输入脉冲的数量、频率和电动机绕组的通电顺序，便可获得所控制输入脉冲的数量、频率和电动机绕组的通电顺序，便可获得所需的转角、转速以及转动方向。需的转角、转速以及转动方向。无脉冲输入时，在绕组电流的激励下，步进电机可以自锁。无脉冲输入时，在绕组电流的激励下，步进电机可以自锁。2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 步进电机的分类步进电机的分类步进电机有许多的结构类型，主要是根据相数、产生力矩的原理、步进电机有许多的结构类型，主要是

9、根据相数、产生力矩的原理、输出力矩的大小和结构进行分类。输出力矩的大小和结构进行分类。1 1、根据相数分类：主要分为三、四、五、六相等几种。另外还可以、根据相数分类：主要分为三、四、五、六相等几种。另外还可以根据工作节拍，分为根据工作节拍，分为mm相相mm拍，双拍，双mm拍和拍和mm相双相双mm拍等。拍等。2 2、根据产生力矩的原理分类：根据磁场建立方式，主要可分为反、根据产生力矩的原理分类：根据磁场建立方式，主要可分为反应式、永磁反应式（激磁式）和混合式三类。应式、永磁反应式（激磁式）和混合式三类。3 3、根据输出力矩的大小分类：伺服步进电机和功率步进电机。、根据输出力矩的大小分类：伺服步进

10、电机和功率步进电机。4 4、根据结构分类：轴向分相式和径向分相式，轴向分相式又称之、根据结构分类：轴向分相式和径向分相式，轴向分相式又称之为多段式，径向分相式又称为单段式。为多段式，径向分相式又称为单段式。 BF 反应式反应式 BC 磁阻式磁阻式 BY 永磁式永磁式 BYG 永磁感应式永磁感应式电动机外径电动机外径励磁绕组的相励磁绕组的相数或其他代号数或其他代号2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 反应式步进电动机反应式步进电动机定子和转子不含永久磁铁，定子上绕有一定数量的绕组定子和转子不含永久磁铁，定子上绕有一定数量的绕组线圈，线圈轮流通电时，便产生一个旋转的磁场，吸引线圈，线

11、圈轮流通电时，便产生一个旋转的磁场，吸引转子一步一步地转动。绕组线圈一旦断电，磁场即消失，转子一步一步地转动。绕组线圈一旦断电，磁场即消失，该种步进电机掉电后不能自锁。该种步进电机掉电后不能自锁。此类电动机结构简单、材料成本低、驱动容易，定子和此类电动机结构简单、材料成本低、驱动容易，定子和转子加工方便，步距角可以做的较小，但动态性能差一转子加工方便，步距角可以做的较小，但动态性能差一些，容易出现低频振荡现象，电动机温升较高。些，容易出现低频振荡现象，电动机温升较高。2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 永磁式步进电动机永磁式步进电动机转子由永久磁钢制成，定子上的绕组线圈在换相通

12、电时，转子由永久磁钢制成，定子上的绕组线圈在换相通电时，不需要太大的电流，绕组断电时具有自锁能力。不需要太大的电流，绕组断电时具有自锁能力。该类电机动态性能好、输出转矩大、驱动电流小、电动该类电机动态性能好、输出转矩大、驱动电流小、电动机不易发热，但制造成本较高。机不易发热，但制造成本较高。由于转子受磁钢加工的限制，步距角较大，与之配套的由于转子受磁钢加工的限制，步距角较大，与之配套的驱动电源一般要求具有细分功能。驱动电源一般要求具有细分功能。2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 混合式步进电动机混合式步进电动机转子上嵌有永久磁钢，可以说是永磁型，但是从转子上嵌有永久磁钢，可以说

13、是永磁型，但是从定子和转子的导磁体来看，又和反应式相似，所定子和转子的导磁体来看，又和反应式相似，所以是永磁式和反应式的结合。以是永磁式和反应式的结合。该类电动机输出转矩大、动态性能好、步距角小、该类电动机输出转矩大、动态性能好、步距角小、驱动电源电流小、功耗低，但结构稍复杂，成本驱动电源电流小、功耗低，但结构稍复杂，成本相当较高。性价比较高，目前得到了广泛的应用。相当较高。性价比较高，目前得到了广泛的应用。2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 三相径向反应式步进电机结构图三相径向反应式步进电机结构图AACBSNSNCB绕 组定 子 铁 心转 子 铁 心A相 磁 通A相各 相 定

14、 子936顺 时 针 方 向转 子 齿 展 开B相C相定子有六个均匀的磁定子有六个均匀的磁极，每两个相对的磁极，每两个相对的磁极组成一组相极组成一组相2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 定子上有绕组分为若干相，每相磁极上有齿定子上有绕组分为若干相，每相磁极上有齿三相定子：三相定子：AAAA,BB,BB,CC,CCA A、B B、C 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五个极齿五个极齿2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 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2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 转子转子转子上有均匀分布

15、转子上有均匀分布的齿，没有绕组。的齿，没有绕组。以四十齿为例以四十齿为例, ,转转子齿间夹角为子齿间夹角为9 9o o2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 步进电机的实物图 2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 永磁式步进电机永磁式步进电机2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 ABC外 壳C段 绕 组转 轴空 气 隙C段 定 子C段 转 子ABC主 磁 通 通 路转 子齿 距铁 心绕 组定 子 磁 极转 子三段轴向反应式步进电机结构示意图三段轴向反应式步进电机结构示意图2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 6.2.1 6.2.1 步进电机

16、工作原理步进电机工作原理步进电机是按电磁吸引的原理进行工作的步进电机是按电磁吸引的原理进行工作的ABCAB逆 时 针 旋 转 30逆 时 针 旋 转 30B相 通 电逆 时 针 旋 转 30A相 通 电C相 通 电ABCABC1234C1234ABCABC1234从一相绕组从一相绕组通电转换到通电转换到另一相绕组另一相绕组通电为一拍通电为一拍2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 ABCABB相 通 电CA相 通 电ABCABC1234C相 通 电ABCABCABCABBC相 通 电CABCABC A相 通 电CABCABAB相 通 电C12341234123412341234三相

17、反应式步进电机三相六拍工作原理图三相反应式步进电机三相六拍工作原理图2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 AACBSNSNCB绕组定子铁心转子铁心A相磁通A相各相定子936顺时针方向转子齿展开B相C相若通电为三相三拍，转子齿数为若通电为三相三拍，转子齿数为4040时时, ,当转子齿与当转子齿与A A相定子齿对齐时，转子相定子齿对齐时，转子齿与齿与B B相定子齿相差相定子齿相差1/31/3齿距，即齿距，即3 3，与，与C C相定子齿相差相定子齿相差2/32/3齿距，即齿距，即6 6。 三相反应式步进电机的结构示意图和展开后步进电机齿距三相反应式步进电机的结构示意图和展开后步进电机齿

18、距2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 规律规律n定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过一个步距角一个步距角n定子绕组的通电顺序决定转子的旋转方向定子绕组的通电顺序决定转子的旋转方向n通电状态的变化频率，决定转子的旋转速度通电状态的变化频率，决定转子的旋转速度2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 6.2.2 6.2.2 步进电机的主要特性步进电机的主要特性1. 1.步距角步距角定义定义: :每给一个脉冲信号每给一个脉冲信号, ,电机转子应转过角度电机转子应转过角度的理论值。步距角取决于电机结构和控制的理论值。步距角取决于电机结构

19、和控制方式。方式。式中式中 mm定子相数；定子相数；z z 转子齿数；转子齿数；k k 通电方式，纯单拍通电方式，纯单拍或纯双拍时取或纯双拍时取1 1，单、双拍，单、双拍交替时取交替时取2 2。360 /mzk常见步距角：常见步距角：0.36， 0.45， 0. 6， 0.72， 0.75， 0.9， 1.2， 1.5， 1.8等等电动机一旦选定以后，其步距角就固定不电动机一旦选定以后，其步距角就固定不变，要改变，只能通过驱动电源的细分功变，要改变，只能通过驱动电源的细分功能来实现。能来实现。2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 n当步进电机处于通电状态时，转子处在不动状态，即静

20、态。当步进电机处于通电状态时，转子处在不动状态，即静态。如果在电机轴上施加一个负载转矩如果在电机轴上施加一个负载转矩MM，转子会在载荷方向，转子会在载荷方向上转过一个角度上转过一个角度，转子因而受到一个电磁转矩，转子因而受到一个电磁转矩MMj j的作用的作用与负载平衡，该电磁转矩与负载平衡，该电磁转矩MMj j称为静态转矩，该角度称为静态转矩，该角度称为称为失调角。失调角。n步进电机单相通电的静态转矩步进电机单相通电的静态转矩MMj j随失调角随失调角的变化曲线称的变化曲线称为矩角特性为矩角特性 CBAOMjMjmaxMqa2. 矩角特性、最大静态转矩矩角特性、最大静态转矩 Mjmax和和Mq

21、2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 n矩角特性曲线上的电磁转矩的最大值称为最大矩角特性曲线上的电磁转矩的最大值称为最大静转矩静转矩MMjmaxjmax（保持转矩），（保持转矩），MMjmaxjmax是代表电机承是代表电机承载能力的重要指标，载能力的重要指标，MMjmaxjmax越大，电机带负载的越大，电机带负载的能力越强，运行的快速性和稳定性越好。能力越强，运行的快速性和稳定性越好。n例如：一台步进电机的转矩是例如：一台步进电机的转矩是12N12Nmm时，通常是时，通常是指该电动机的最大静转矩指该电动机的最大静转矩CBAOMjMjmaxMqa2022-3-2南京理工大学 机械工

22、程学院 黄新燕 n相邻两条曲线的交点所对应的静态转矩是电机运行状态相邻两条曲线的交点所对应的静态转矩是电机运行状态的最大启动转距的最大启动转距MMq q，当负载力矩小于，当负载力矩小于MMq q时，步进电机时，步进电机才能正常启动运行，否则将会造成失步。才能正常启动运行，否则将会造成失步。n一般地，电机相数的增加会使矩角特性曲线变密，相邻一般地，电机相数的增加会使矩角特性曲线变密，相邻两条曲线的交点上移，会使两条曲线的交点上移，会使MMq q增加；采用多相通电方式，增加；采用多相通电方式，即变即变mm相相mm拍通电方式为拍通电方式为mm相相2m2m拍通电方式，会使启动拍通电方式，会使启动转距转

23、距MMq q增加。增加。 CBAOMjMjmaxMqa2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 3. 3. 启动频率启动频率n空载空载时，步进电机由静止突然启动、并进入时，步进电机由静止突然启动、并进入不丢步不丢步的正常运行的正常运行状态所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率状态所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率f fq q，是反映，是反映步进电机快速性能的重要指标。步进电机快速性能的重要指标。n空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该启动频率。原因是频率越高，电机绕组的感抗（该启动频率。原因是频率越高，电

24、机绕组的感抗（X XL L22f f L L）越大，使绕组中的电流脉冲变尖，幅值下降，从而使电机输出越大，使绕组中的电流脉冲变尖，幅值下降，从而使电机输出力矩下降。力矩下降。n电动机带载后，启动频率要下降。这时起动频率主要取决于负电动机带载后，启动频率要下降。这时起动频率主要取决于负载的转动惯量，可以用起动惯频特性曲线来描述。载的转动惯量，可以用起动惯频特性曲线来描述。n用户选型时可以根据厂家提供的起动惯频特性曲线来决定带载用户选型时可以根据厂家提供的起动惯频特性曲线来决定带载时的起动频率。时的起动频率。2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 n步进电机启动后，其运行速度能跟踪指令

25、脉冲频率连步进电机启动后，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，称为连续运行频率。续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。其值远大于启动频率。其值远大于启动频率。n运行矩频特性是描述步进电机在运行矩频特性是描述步进电机在连续运行连续运行时，输出转时，输出转矩与连续运行频率之间的关系，它是衡量步进电机运矩与连续运行频率之间的关系，它是衡量步进电机运转时承载能力的动态指标。转时承载能力的动态指标。510154812141620T/(N?m)of/ kHz各种频率下的负载力矩各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的必须在矩频特性曲线的范围内范围内4. 矩频特性矩频特性步

26、进电机的输出转矩与运行频率步进电机的输出转矩与运行频率的关系。分：起动矩频特性和运的关系。分：起动矩频特性和运行矩频特性行矩频特性2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 n步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到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，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。定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。n当要求步进电机启动到大于启动频率的工作频率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；同样，从最高工作时，变化速度必须逐渐上升；同样，从最

27、高工作频率或高于启动频率的工作频率停止时，变化速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。逐渐上升和逐渐下降的加速时度必须逐渐下降。逐渐上升和逐渐下降的加速时间、减速时间不能过小，否则会出现失步或超步。间、减速时间不能过小，否则会出现失步或超步。5. 加、减速特性加、减速特性2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 加、减速的方法加、减速的方法n直线加减速：以恒定的加速度进行升降，平直线加减速：以恒定的加速度进行升降，平稳性好，一般适用速度变化范围较大的快速稳性好，一般适用速度变化范围较大的快速定位方式中。加速时间虽然长，但软件实现定位方式中。加速时间虽然长，但软件实

28、现比较简单。比较简单。n指数曲线加减速：指数规律加减速控制一般指数曲线加减速：指数规律加减速控制一般适用于跟踪响应要求较高的切削加工中。从适用于跟踪响应要求较高的切削加工中。从步进电动机的运行矩频特性出发，根据转矩步进电动机的运行矩频特性出发，根据转矩随频率的变化规律推导出来的，它符合步进随频率的变化规律推导出来的，它符合步进电动机加减速过程的运动规律，能充分利用电动机加减速过程的运动规律，能充分利用步进电动机的有效转矩，快速响应好，升降步进电动机的有效转矩，快速响应好，升降时间短。时间短。n抛物线加减速：将直线加减速和指数曲线加抛物线加减速：将直线加减速和指数曲线加减速融为一体，充分利用步进

29、电机低速时的减速融为一体，充分利用步进电机低速时的有效转矩，使加减速的时间大大缩短，同时有效转矩，使加减速的时间大大缩短，同时又具有较强的跟踪能力。又具有较强的跟踪能力。2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 6.2.4 6.2.4 步进电机的驱动控制系统步进电机的驱动控制系统步进电机驱动控制系统结构图步进电机驱动控制系统结构图电机电机机械执行部件机械执行部件A A相相B B相相C C相相f、nCNCCNC插补指令插补指令脉冲频率脉冲频率f f脉冲个数脉冲个数n n换算换算脉冲环脉冲环形分配形分配变换变换功率功率放大放大光隔光隔离离360hPi传动比传动比60 360 fnmzk步

30、进电机转速步进电机转速2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 1 1、环形分配器、环形分配器n 环形分配器的主要功能是将数控装置送来的一串指令环形分配器的主要功能是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脉冲，按步进电机所要求的通电顺序分配给步进电机的驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的通断，的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。实现步进电机的运行及换向。n 当步进电机在一个方向上连续运行时，其各相通、断当步进电机在一个方向上连续运行时，其各相通、断的脉冲分配是一个循环，因此称为环形分配器。的脉冲分配是一个循环，因此

31、称为环形分配器。n环形分配的功能可由硬件或软件的方法来实现，分别环形分配的功能可由硬件或软件的方法来实现，分别称为硬件环形分配器和软件环形分配器。称为硬件环形分配器和软件环形分配器。 环形分配器环形分配器光隔离电路光隔离电路功率放大电路功率放大电路2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 n 硬件环形分配器：一般放在驱动器的内部，分配脉冲硬件环形分配器：一般放在驱动器的内部，分配脉冲速度快，不占用速度快，不占用CPU的时间，但缺点是不易实现变的时间，但缺点是不易实现变拍驱动，增加的硬件电路降低了驱动器的可靠性拍驱动，增加的硬件电路降低了驱动器的可靠性n软件环形分配器：易于实现变拍驱动

32、，节省了硬件电软件环形分配器：易于实现变拍驱动，节省了硬件电路，提高了系统的可靠性路，提高了系统的可靠性2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 硬件环形分配器与数控装置的连接硬件环形分配器与数控装置的连接CNC装置电源环型分配器A相驱动B相驱动C相驱动MCLKDIRFULL/HALF三相步进电动机驱动装置方向方向Step motor2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 16151413121110912345678CH250CH250UDJ3LJ3rJ6rJ6LABCR*CLENR*RJ6LJ6rABCJ3LJ3rUSUDCLEN91071214 1581312116

33、16+12V1F100kCP1方向RUS硬件环形分配器硬件环形分配器 CH250专门用来控制三相反应式步进电机专门用来控制三相反应式步进电机 L297和和PMM8713用于两相步进电机用于两相步进电机 PMM8714用于五相步进电机用于五相步进电机CH250CH250外形和三相六拍接线图外形和三相六拍接线图CMOSCMOS型型2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 TTLTTL型型2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 软件环形分配器软件环形分配器n软件环形分配指由数控装置中的计算机软件完软件环形分配指由数控装置中的计算机软件完成环形分配的任务，直接驱动步进电机各绕组成

34、环形分配的任务，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通、断电。用软件环形分配器只需编制不同的环形分配程序，将其存入数控装置的的环形分配程序，将其存入数控装置的EPROMEPROM中即可。中即可。n软件环形分配器的设计方法有多种，如查表法、软件环形分配器的设计方法有多种，如查表法、比较法、移位寄存器法等，最常用的是查表法。比较法、移位寄存器法等，最常用的是查表法。 2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 F7H, F3H, FBH, F9H, FDH, F5HBFH, 9FH, DFH, CFH, EFH, AFHF BAC 11 CAB FD7D6D5D

35、4D3D2D1D02022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 PIOPA0PA1PA2PA3PA4PA5光电偶合器光电偶合器放大放大 X 向步进电机 Z 向步进电机abcABC两坐标步进电机伺服进给系统框图两坐标步进电机伺服进给系统框图2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 n以光为媒介传输信号的以光为媒介传输信号的器件，输入输出在电气器件，输入输出在电气上是完全隔离的上是完全隔离的n光电隔离电路主要是为光电隔离电路主要是为了在接口电路和功率放了在接口电路和功率放大电路之间实现电气隔大电路之间实现电气隔离的。离的。输入输出

36、光电耦合电路光电耦合电路1+12V+5VTLP52112、光电隔离电路、光电隔离电路发光源发光源受光器受光器两端电源不共地两端电源不共地2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 光电隔离器的常见结构形式光电隔离器的常见结构形式温度补偿与检测温度补偿与检测光敏二极管加高速光敏二极管加高速开关管开关管放大晶体管放大晶体管晶闸管晶闸管2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 3 3、功率放大电路、功率放大电路n 功率放大电路的作用就是对从环形分配器输出功率放大电路的作用就是对从环形分配器输出的信号进行功率放大并送至步进电机的各相绕的信号进行功率放大并送至步进电机的各相绕组。组。n

37、 功率放大电路的控制方式很多，最早采用单功率放大电路的控制方式很多，最早采用单电压驱动电路，后来出现了高低电压切换驱动电压驱动电路，后来出现了高低电压切换驱动电路、恒流斩波电路、调频调压和细分电路等。电路、恒流斩波电路、调频调压和细分电路等。n所采用的功率半导体元件可以是大功率晶体管所采用的功率半导体元件可以是大功率晶体管GTRGTR，也可以是功率场效应晶体管，也可以是功率场效应晶体管MOSFETMOSFET或或可关断晶闸管可关断晶闸管GTOGTO。 2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 步进电机功率放大器步进电机功率放大器（驱动电源）的要求（驱动电源）的要求 实际上，步进电机是

38、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，电流峰值显著小于显著小于额定额定励磁电流，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。 2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 rRLm11上升

39、时间上升时间rRLm22下降时间下降时间由于电流缓慢地上升和下降，由于电流缓慢地上升和下降，使电流波形前、后沿不陡，使使电流波形前、后沿不陡，使得每相导通工作时电流的平均得每相导通工作时电流的平均幅值大大下降，磁通量减小，幅值大大下降，磁通量减小，输出转矩降低。输出转矩降低。2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 1lnmHHHLEtRrEI r上升时间上升时间电流上升到电流上升到1.3IH时翻转时翻转2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 若为三相步进电机则需三组电路供电，即步进电机有几相就需要几组高低若为三相步进电机则需三组电路供电，即步进电机有几相就需要几组高低电

40、压切换驱动电路。电压切换驱动电路。2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 1+5V+5VUcgUsUWVTgUdUcdVTdUCPVD1VT1RRPRfUfR2R3D1VD2VD3UCPtOUcdtOUcgtOUwtOiwOtUd-UgiwUg驱 动 电 路Q+-驱 动 电 路恒流斩波电路恒流斩波电路Uf0UcD(t)e(t)e(t)Uc0e(t)e(t)+VUc-VD(t) 2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 PWM-M PWM-M系统组成及工作原理系统组成及工作原理电压电压脉宽调制器脉宽调制器 比较器比较器 功率放大器功率放大器 伺服伺服电机电机 调制信号发生器

41、调制信号发生器 Uc Uc+D(t) e(t) u4 D(t) + PWM-M PWM-M 特点：特点： 开关频率高，仅靠电枢的电感作用，即开关频率高，仅靠电枢的电感作用，即可获得满意的滤波作用，近似直流。无论高速或低速电机转可获得满意的滤波作用，近似直流。无论高速或低速电机转速和扭矩平滑均匀，调速比可以做得很大，且发热小，寿命速和扭矩平滑均匀，调速比可以做得很大，且发热小，寿命长。长。2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 SPWMSPWM正弦波变频器正弦波变频器 SPWM逆变器是用来产生正弦脉逆变器是用来产生正弦脉宽调制波。正弦脉宽调制波的形成原宽调制波。正弦脉宽调制波的形成原

42、理是把一个正弦半波分成理是把一个正弦半波分成NN等分，然等分，然后把每一等分的正弦曲线与横坐标所后把每一等分的正弦曲线与横坐标所包围的面积都用一个与此面积相等的包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，这样可得到等高矩形脉冲来代替，这样可得到NN个等高而不等宽的脉冲。这个等高而不等宽的脉冲。这NN个脉冲个脉冲对应着一个正弦波的半周。对正弦波对应着一个正弦波的半周。对正弦波的负半周也采取同样处理，得到相应的负半周也采取同样处理，得到相应的的2N2N个脉冲，这就是与正弦波等效个脉冲，这就是与正弦波等效的正弦脉宽调制波，即的正弦脉宽调制波，即SPWMSPWM波。波。 t tOOUUPUR2

43、022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 nSPWMSPWM波形可采用模拟波形可采用模拟电路、以电路、以“调制调制”方法方法实现。实现。nSPWMSPWM调制是用脉冲宽调制是用脉冲宽度不等的一系列矩形脉度不等的一系列矩形脉冲去逼近一个所需要的冲去逼近一个所需要的电压信号，它是利用三电压信号，它是利用三角波电压与正弦参考电角波电压与正弦参考电压相比较，以确定各分压相比较，以确定各分段矩形脉冲的宽度。段矩形脉冲的宽度。 Q+-URUUP2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 三相三相SPWMSPWM控制电路框图控制电路框图三角波频率为正弦波频率的三角波频率为正弦波频率的3 3倍

44、的整数倍，所以保证了三路脉冲调制波形倍的整数倍，所以保证了三路脉冲调制波形U U0A0A、U U0B0B、U U0C0C和时间轴所组成的面积随时间的变化互成和时间轴所组成的面积随时间的变化互成1201200相位角。相位角。三相三相SPWM控制电路控制电路UAUBU0AU0BU0C三相正弦控制信号三角波发生器SPWMASPWMBSPWMC驱动VT1VT6+UC+-123UUB1UB2UB3UB4UB5UB6Ub4Ub6Ub22022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 LdVT1VT4VT3VT5VT6VT2三相交流电整流器逆变器VD1VD3VD5VD4VD6VD2Cd M3桥式整流电路桥

45、式整流电路逆变器电路逆变器电路双极性双极性SPWMSPWM变频器主电路变频器主电路三相逆变电路由三相逆变电路由6只具有单向导电只具有单向导电性的大功率开关管性的大功率开关管VT1VT6组成。组成。每只功率开关上反并联一只续流二每只功率开关上反并联一只续流二极管，极管，VD1VD6，为负载的电，为负载的电流滞后提供一条反馈到电源的通路。流滞后提供一条反馈到电源的通路。6只功率开关管每隔只功率开关管每隔60电角度导电角度导通一只，相邻两只的功率开关导通通一只，相邻两只的功率开关导通时间相差时间相差1202022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 SPWMSPWM变频调速系统框图变频调速系统

46、框图TM3速度（频率）给定器平稳启动回路函数发生器电压调节器电压频率变换器三角波发生器分频器环形计数器电流检测器调制回路电压检测器PWM主回路基极回路SPWM2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 6.6 6.6 位置控制位置控制位 置 比 较 器Pe位 置 偏 差Pc来 自 插 补 器 的 位 置 指 令Un速 度 控 制 指令 至 驱 动 装 置位 置 /速 度变 换*+-C N CPf来 自 位 置 检 测装 置 的 实 际 位 置数控机床进给伺服系统是位置随动系统，需要对位置数控机床进给伺服系统是位置随动系统，需要对位置和速度进行精确控制。通过对位置环、速度环的控制和速度进

47、行精确控制。通过对位置环、速度环的控制来实现。位置环和速度环紧密相连，速度环的给定值，来实现。位置环和速度环紧密相连，速度环的给定值，就是来自位置环。而位置环的输入一方面有来自轮廓就是来自位置环。而位置环的输入一方面有来自轮廓插补器在每一个插补周期内插补运算输出的位置指令；插补器在每一个插补周期内插补运算输出的位置指令；另一方面有来自位置检测元件测得的机床移动部件的另一方面有来自位置检测元件测得的机床移动部件的实际位置信号。插补得到的指令位移和位置检测元件实际位置信号。插补得到的指令位移和位置检测元件得到的机床移动部件的实际位移在位置比较器中进行得到的机床移动部件的实际位移在位置比较器中进行比

48、较，得到位置偏差，位置控制单元再根据速度指令比较，得到位置偏差，位置控制单元再根据速度指令的要求及各环节的放大倍数（称增益）对位置数据进的要求及各环节的放大倍数（称增益）对位置数据进行处理，把处理的结果送给速度环，作为速度环的给行处理，把处理的结果送给速度环，作为速度环的给定值。定值。 2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 n根据对位置环、速度环和电流环的控制是用软件还是硬件根据对位置环、速度环和电流环的控制是用软件还是硬件来实现，可将伺服系统分为混合式伺服系统和全数字式伺来实现，可将伺服系统分为混合式伺服系统和全数字式伺服系统。服系统。n混合式伺服系统是通过软件实现位置环控制，

49、通过硬件实混合式伺服系统是通过软件实现位置环控制，通过硬件实现速度环和电流环的控制，是一种软硬结合、数字信号和现速度环和电流环的控制，是一种软硬结合、数字信号和模拟信号结合的混合系统。对于混合式伺服系统，根据位模拟信号结合的混合系统。对于混合式伺服系统，根据位置比较方式的不同，分为数字置比较方式的不同，分为数字脉冲比较伺服系统、相脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统和幅值比较伺服系统。位比较伺服系统和幅值比较伺服系统。n全数字伺服系统是用计算机软件实现数控系统中位置环、全数字伺服系统是用计算机软件实现数控系统中位置环、速度环和电流环的控制，即系统中的控制信息全用数字量速度环和电流环的控制，即系统

50、中的控制信息全用数字量处理。处理。 2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 n 相位比较伺服系统是将指令脉冲信号和位置检测反馈相位比较伺服系统是将指令脉冲信号和位置检测反馈信号都转换为相应的同频率的某一载波的不同相位的信号都转换为相应的同频率的某一载波的不同相位的脉冲信号，在位置控制单元进行相位的比较，它们的脉冲信号，在位置控制单元进行相位的比较，它们的相位差就反映了指令位置与实际位置的偏差。相位差就反映了指令位置与实际位置的偏差。n相位比较伺服系统的位置检测元件采用旋转变压器、相位比较伺服系统的位置检测元件采用旋转变压器、感应同步器或磁栅，这些装置工作在相位工作状态。感应同步器或

51、磁栅，这些装置工作在相位工作状态。 6.4.1 6.4.1 相位比较伺服系统相位比较伺服系统2022-3-2南京理工大学 机械工程学院 黄新燕 Fc基 准 信 号发 生 器滤 波 放 大鉴 相 器伺 服放 大 器滤 波 放 大 器脉 冲 调 相 器伺 服电 机定 尺滑尺感 应 同 步 器位 置 检 测 信 号指 令 脉 冲f0P0cPPfUd相位比较伺服系统原理框图相位比较伺服系统原理框图脉冲脉冲相位变换器。相位变换器。 通过对基准脉冲通过对基准脉冲f f0 0进行分频，产生基准相位脉冲进行分频，产生基准相位脉冲P P00，由该脉冲形成的正、余弦励磁绕组的励磁电压由该脉冲形成的正、余弦励磁绕组的励磁电压UsUs、UcUc的的频率与频率与P P00频率相同，感应电压频率相同，感应电压U Ud d的相位的相位f f随着工作台随着工作台的移动而相对于基准相位的移动而相对于基准相位0 0有超前或滞后；有超前或滞后； 通过对指令脉冲通过对指令脉冲FcFc的加、减，再通过分频产生相位超的加、减，再通过分频产生相位超前或滞后于前或滞后于P P00的的指令相位脉冲指令相位脉冲P Pcc。由于指令相位脉冲。由于指令相位脉冲P Pcc的相位的相位c c和实际相位脉冲和实际相位脉冲P Pff的相位的