步进电动机伺服系统介绍

第六章数控机床的进给伺服系统6.1概述6.1.1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→由伺服驱动电路作一定的转换和放大后→经伺服驱动装置(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—液压马达等)→机械传动机构→驱动机床的工作台、主轴头架等执行部件实现工作进给和快速运动。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。数控进给伺服系统是一个位置控制系统。6.1.2数控机床对伺服系统的要求

准确、可靠地执行指令

调速范围宽-----10000：1以上，且稳定性好带负载能力强------负载特性硬；足够大的加（减）速力矩

动态响应快-----快速跟随指令脉冲，可频繁起、停、反向；尽快消除负载扰动

误差无累积

位置精度高

返回下一页上一页6.2步进电动机伺服系统CNC步进电机

伺服驱动电路

工作台

结构简单特点：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速特性6.2.1步进电机的结构及工作原理1.定义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（或线位移）的电—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。2.分类

永磁式按工作原理分反应式工作原理不同，结构不同永磁感应式混合式♣按励磁相数分：3相、4相、5相、6相等

快速步进电机♣按功率分：功率步进电机3.反应式步进电机的结构

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

定子上线圈的绕法下一页上一页返回

2)转子

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：下一页上一页返回下一页上一页步进电机返回步进电机功功率驱动器器下一页上一页返回下一页上一页步进电机功功率驱动器器返回5.工作原理三拍通电激磁，步距角θs

==3o一般θs=m——绕组相数；Z——转子齿数。六拍通电激磁，步距角θs

==1.5o下一页上一页返回定子绕组通断电顺序序→转子转向定子绕组通断电转换换频率→转子转速定子绕组通断电次数数→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）

通断电方式式下一页上一页6.步进电机的主要特征

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θ之间的关系，即T＝f(θ)

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θ，当T＝TL时平衡。θ（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θ≠0，但只要θ≠±π时，当TL撤除后，在电磁力矩的作用下，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Tq≥TL。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θs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启动转矩3）最高工工作频率步进电机工工作频率连连续上升时时，电动机机不失步运运行的最高频率称为为最高工作作频率。它的值也和和负载有关关。很显然然，在同样样负载下，，最高工作频率远大大于己于启启动频率.在连续运行行状态下，，步进电机机的电磁力力矩随频率率的升高而而急剧剧下下降降，，这这两两者者的的关关系系称称为为矩矩频频特特性性.4））矩矩频频特特性性4)步距距角角（（θ））及步步距距误误差差步距距角角是是两两个个相相临临脉脉冲冲时时间间内内转转子子转转过过的的角角度度,一一般般来来说步步距距角角越越小小,控控制制越越精精确确。。步距距误误差差直直接接影影响响执执行行部部件件的的定定位位精精度度.步进进电电动动机机单单相相通通电电时时,步步距距误误差差取取决决于于定定子子和和转转子子的的分分齿齿精度度,和和各各相相定定子子错错位位角角度度的的精精度度。。多相相通通电电时时,其其不不仅仅与与上上述述因因素素有有关关,还还和和各各相相电电流流大大小小,磁磁路性性能能有有关关。。返回回下一一页页上一一页页（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0～fmax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。

7.步进电机的基本工作状态（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）过过渡渡态态指步步进进电电机机从从一一种种工工作作状状态态进进入入另另一一种种工工作作状状态态。。如如，，从从静静止止到到转转动动、、从从转转动动到到静静止止、、从从正正传传到到反反转转等等。。这这些些状状态态转转变变的的过过渡渡过过程程为为过过渡渡态态。。a.启动动电机机频频率率从从0增大大到到fst,转子子转转速速从从0增大到nst,当fst高时，指令中中止。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，产生过过冲制动。采采用不断降速速后制动。c.反转从正到反，从从反到正。8计算式（另一种表达）步距角：例：ABC为三相三拍，ABBCCA双三拍AABBBCCCA三相六拍或：例：一步进电机，Zr＝40，若按三相六拍运行，θs？若电机输出轴带动导程6mm的驱动机构，δp?解：驱动模型为根据式步进伺服驱动动电路下一页上一页

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.环形脉冲分配器

（1）硬环分（以三相六拍为例）

CBA通电状态“1”，断点“0”初始状态001A

第一脉冲011AB实现了三相六拍

第二脉冲010B正转的通电拍序第三脉冲110BC

第四脉冲100C第五脉冲101CA第六脉冲001A

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YB014YB015及YB016均为18引脚直插式封装。例：YB016A－F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

00单六拍(ABCDEF)

01三二相十二拍(ABCBCBCDCDABFABFAEFAEFDEFDECDE)10三相六拍(ABCBCDCDEDEFEFAFABT)

11三四相十二拍(ABCABCDBCDBCDECDECDEFDEFFABCFABEFABEFADEFA)（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：OFFF8H~OFFFEH,依次从PB0~PB2

输入01H03H02H06H04H05H01H,即可实现与硬环分同样的效果。

MOVAL,80HMOVDX,OFFFEHOUTDX,AL；8255初始，A、B、Cn均为输出方式MOVCL,06；L1:MOVSI,3800H；数据指针L2:MOVAL,[SI]；从数据表中取数

MOVDX,OFFFAHOUTDX,AL；从Bn端口输出数据CALLDELAY；调延时子程序INCSIDECCLJNZL2

JMPL1DELAY:CALL20MS；调用20ms子程序

RET2步进电机驱动动电源（1）．对驱动电源源的要求实际上，步进进电机是感性负载，绕组中电流流不能突变，而是按指数规律上升或下降,从而使整个通通电周期内，，绕组电流平均值下降，电机输出转矩下降降。理想驱动电源使电电机绕组电流尽量接近矩形波。而当电机运行频率很高高时，电流峰值值显著小于额定定励磁电流，从从而导致电机机转矩进一步下下降，严重时时不能启动。。下一页上一页上升时电流时时间常数Ti=L/RL——步进电机绕组组平均电感量量R——通电回路电阻阻，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时间常数Td=L/RDRD——放大回路电阻阻为了提高步进进电机动态特特性，必须改改善电流波形形，使前后沿陡度度增大，方法法有：下一页上一页1)电阻法从Ti=L/R知，为Ti，可R，故可在进电机机绕组回路中中串联一个电阻Ro此时，Ti=L/(r+R0)特点：线路简单，但但Ro(10Ω)上消耗一定功功率，发热量大，也降低了放放大器的效率，只适于小功率步进电机。下一页上一页2)电压法电感绕组通电电状态时，绕绕组上电流为为Im=(E/r)(1-e-t/Ti)E——电源电电压电流增增长率率为dIm/dt=Im=(E/r)(1-e-t/Ti)可见，，增大大电源源电压压可以以有效效地改改善电电流上上升陡陡度特点：：线路复复杂，需采采用双双电源源，但但效率较较高，效果好好，适于中小型型功率率步进电电机。。下一页页上一页页返回下一页页上一页页（2）．单电电压型型驱动动电源源电容C:在接通通瞬间间短接接R电流由由ULCVT故C称加速电电容电阻R:在电流流达到到恒定后后还起限流作作用，此时电电流由由ULRVT输入脉冲为“0”时，VT截止，il=0

输入脉冲为“1”时，VT导通

返回下一页页上一页页输入脉冲消消失后，VT截止，，L两端将将产生生一感感应电电压。。V=L(di/dt)，由于VT关断时时间dt很短，，故感应电电压U很大，，将击击穿晶晶体管管，为此增增加二二极管管D续流，续流流电流流:LRDL而VT2在高压压控制制电路路下导通时间t1较短(100-600s)绕组在在高压EH下电流流迅速增增大至至额定值值，此时低压EL无效。（3）．高低低压双双压型型驱动动电源源输入脉脉冲信信号为为“0”时，VT1、VT2均截止止，iL=0输入信信号为为“1”时，VT1导通t1之后，，VT2截止，低压供供压，维持绕组所所需的的额定电电流IeEHEL下一页页上一页页输入脉脉冲信号消消失(为“0”)，VT1、VT2均截止止，L上电流流经放电回回路：LRoVD2EHELVD1L迅速下下降EH供电，，励磁磁电流流前沿电电流Ip=[EH/(r+R0)](1-e-t/Ti)由此计计算t1t1=T/n{EH/[EH+In(r+R0)]}In—要求高高压通通电，，电流达达到的的数值值下页上一页页绕组上上电流流Il随外加加电压压(EH、EL)变化而而变化化，当外加加电压压变化化时，，电机机特性性变差差，工工作不不稳定定2)双电压压功放放电路路缺点点是在在高低低压处处电流流出现现凹点点，这这样必必然引引起力力矩在在尖点点电下下降，，而斩斩波型型可克克服这这一缺缺点。。EH

EL返回存在的的问题题：下一页页上一页页（4）．恒恒流斩斩波型型（5）．调调频调调压型型如果能能设法法使绕绕组的的供电电电压压随着着运行行频率率的升升高而而升高高，以以维持持绕组组在不不同频频率的的导电电周期期内电电流平平均值值基本本相同同，这这样就就可以以达到到在高高频