步进电机系统

1、*1 开环控制系统与步进电机驱动线路一、系统构成电脉冲机械角位移大小 输入脉冲个数速度 输入脉冲频率方向：绕组通电顺序*2没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置进给系统），故系统稳定性好。电机机械执行部件A相、B相C相、f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大开环数控系统*3二、步进电机的选择 1、步距角的选择 =S / 360 i (mm / 脉冲） -脉冲当量 S 丝杠螺距 -步距角 （） i-电机与丝杠间的传动比， I是大于1的数2、最大静态转距Tjmax 的选择TF = (F+W)S 10 2i(N.m)F-运动方向的阻抗切削力 （N) 导轨摩擦系数W工

2、件及工作台重量（N) 齿轮和丝杠的总效率I减速比 TF（0.20.4) Tjmax(相数较多、突跳频率不高系数取大值步进电机的伺服进给传动示意图*43、启动频率fq的选择fq：空载启动频率（Hz) ，查电动机样本；fqF：设计要求的负载启动频率（Hz) ，TF未知时，取fqF =fq /2 ； T：空载启动频率下由矩频特性决定的力矩（N.m），查曲线；J：电机转子转动惯量，查电动机样本（N.m.s)；JF：电机轴上的等效负载转动惯量（N.m.s)；J1、J2、 J3 ：齿轮Z1、Z2及丝杠的转动惯量（N.m.s) ；*5v：进给速度(m/min)。若要求工进时（ve，Te)，快进时（vk，Tk

3、)，则选择步进电动机（fe，Te)和（fk，Tk)，使Te Te， Tk Tk 。4、fmax 的选择 选择步进电机的连续运行频率fmax 应能满足机床工作台最高运行速度的要求。*6 驱动及控制系统组成：环形脉冲分配器+功率放大器对驱动电源的要求 （1）电源的相数、通电方式、电压、电流应与步进电机的基本参数相适应； （2）能满足步进电机启动频率和运行频率的要求； （3）工作可靠，抗干扰能力强； （4）成本低，效率高，安装和维护方便。三、步进电动机的驱动及控制系统（驱动电源）*71. 环形脉冲分配器 作用与分类 作用：将数控装置发出的脉冲分配给步进电动机的各相输 入端， 使步进电动机各绕组按一定

4、的顺序和时间通电和断 电，并使电机正转或反转。 硬件环形分配器逻辑电路CH250 三相反应式步进电机环形分配器的专用集成电路芯片环形分配器硬件环形分配：I/O线少，速度高，专用集成电路 芯片；软件环形分配：线路简化，灵活性大，成本低， I/O线多， 速度慢*8123456789181716151413121110CP-+CVCCBAYB013SG选通输出控制清零3，4 励磁方式控制A0=0, A1=0 三相单三拍A0=0, A1=1 三相双三拍A0=1 三相六拍5，6 选通输入控制9 接地时钟输入（脉冲频率）12，11 正、反转控制13 出错报警输出18，17，15 A，B，C相输出16 电源

5、*9 控制字X X向E0 Z R Z向E0 PA4 PA3 PA2 PA1 PA0PA0PA18155PA2PA5PA6PA7PA3PA4TMOUT光电隔离功率放大Z向光电隔离功率放大X向GNDVccA0A1E0E1E2RABCDE+-CPA0A1E0E1E2RABC+-CPVccGNDVccGND+5V+5VYB015YB013*10UD J3L J3r C B A R* R CH250 J6r J6L EN CL Us 16 15 14 13 12 11 10 9 1 2 3 4 5 6 7 8A、B、C- A、B、C 相输出端 UD 、US-电源端J3L J3r J6r J6L -分别为

6、控制三拍、六拍工作的控制端R、R*-确定初始励磁相；若为“10”，则为A相；若为“01”，则为A、B相。环分工作时应为“00”状态。CL、CN-进给脉冲输入端，若EN=1，进给脉冲接CL,脉冲上升沿使环形分配器工作；若CL=0，进给脉冲接EN,脉冲下降沿使环形分配器工作。不符合上述规定则为环形分配器状态锁定（保持）。*11（2）软件环形分配器 查表法原理（比较法、移位寄存器法等） 软件环形分配器控制流程框图8031PA0PA1 PA2 PA3PA4 PA5 PA6 PA7 光电隔离电路功率放大电路XZABCabc8155*12 X向步进电机 Z向步进电机节拍 C B A存储单元方向节拍 c b

7、 a 存储单元方向PA2PA1PA0地址内容PA5PA4PA3地址内容10012A00H01H逆转 正转10012A10H08H逆转正转20112A01H03H20112A11H18H30102A02H02H30102A12H10H41102A03H06H41102A13H30H51002A04H04H51002A14H20H61012A05H05H61012A15H28H两步进电机软件环形分配器输出状态表 *132、功率放大器（功率驱动器） 作用及分类 作用：将环形分配器或I/O口输出的弱电信号放大，给步进电 机每相绕组提供脉冲励磁电流（1）单电压与高低压驱动电路功率放大器按驱动方式：单压驱

8、动、双压（高低压）驱动按功率开关元件：功率晶体管驱动、晶闸管驱动按控制方式：高低压定时控制、恒流斩波控制、 脉宽控制绕组上升电流电流变化率上升时间常数下降时间常数*14单电压驱动电路高低压驱动电路*15斩波驱动电路三种驱动电路电流波形（2）斩波驱动电路*16四、开环系统设计开环进给伺服系统(Open-Loop System)不带位置测量反馈装置的系统；驱动电机只能用步进电机；主要用于经济型数控或普通机床的数控化改造A相、B相C相、A相、B相C相、f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大步进电机*17 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

9、* 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Z1Z2tf，*18 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： 例： = 0.01 t = 6 mm = 0.75*19 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。*20五、提高步进电机开环伺服系统传动精度的措施 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。*21 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，从而达到补偿的目的。 螺矩误差补偿 滚珠丝杆在数控机床