第十章伺服系统设计闪明才

第十章伺服系统设计闪明才第一页，共八十页，编辑于2023年，星期五5月12号课程：8-405期末考试时间:7月5号晚7点问题1、描述步进电机工作原理

2、失步现象

3、伺服系统工作过程第二页，共八十页，编辑于2023年，星期五基本概念：伺服系统也叫随动系统，是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作从而得精确的位置、速度或力输出的自动控制系统。伺服系统是一种反馈控制系统。第三页，共八十页，编辑于2023年，星期五按被控量不同分：位置伺服系统、速度伺服系统、力伺服系统。1.1伺服系统的基本类型：位置伺服系统第四页，共八十页，编辑于2023年，星期五速度伺服系统力伺服系统第五页，共八十页，编辑于2023年，星期五按执行元件不同分：电气伺服系统、液压伺服系统、气压伺服系统。第六页，共八十页，编辑于2023年，星期五第七页，共八十页，编辑于2023年，星期五气压伺服机构电气伺服机构第八页，共八十页，编辑于2023年，星期五按控制方式不同分：开环伺服系统、闭环伺服系统、半闭环伺服系统第九页，共八十页，编辑于2023年，星期五第十页，共八十页，编辑于2023年，星期五闭环伺服系统第十一页，共八十页，编辑于2023年，星期五1.2伺服系统构成将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得控制系统动作的偏差信号。对比较元件输出的偏差信号进行变换、放大，以控制执行元件按要求动作。在控制信号的作用下将输入的各种形式的能量转换成机械能，驱动被控对象工作。直接实现目的功能或主功能的主体，其行为质量反映着整个伺服系统的性能。实时监测被控对象的输出量并将其反馈到比较元件。整个结构使被控对象输出始终跟踪输入值。第十二页，共八十页，编辑于2023年，星期五1.3伺服系统设计方法

（1）设计要求分析，系统方案设计

（2）系统性能分析第十三页，共八十页，编辑于2023年，星期五（3）执行元件及传感器的选择根据具体速度、负载级精度要求来具体确定执行元件及传感器的参数和型号。（4）机械系统设计机械系统设计包括机械传动机构及执行机构的具体结构及参数的设计，设计中应注意消除各种传动间隙，尽量提高系统刚度、减小惯量及摩擦，尤其在涉及执行机构的导轨时要防止产生“爬行”现象。（5）控制系统设计控制系统设计包括信号处理及放大电路、校正装置、伺服电机驱动电路等的详细设计，如果采用计算机数字控制，还应包括接口电路及控制器算法软件的设计。控制系统设计中应注意各环节参数的匹配，以使系统具有足够的稳定裕度和快速响应性，并满足精度要求。第十四页，共八十页，编辑于2023年，星期五（6）系统性能复查重新列出系统精确的传递函数，经过复查如果发现性能不够理想，则可调整控制系统的参数或修改算法，甚至重新设计，直到满意为止。（7）系统测试实验测试试验可在模型试验系统上进行，也可以在试制的样机上进行。通过测试实验，往往还会发现一些问题，必须采取措施加以解决。（8）系统设计定案多次反复得到满意的结果后，将设计方案确定下来。然后整理设计图样及设计说明书等技术文件准备投产。第十五页，共八十页，编辑于2023年，星期五1.4伺服系统基本要求

是伺服系统提供的最高速与最低速之比，即：调速范围是衡量伺服系统动态性能的重要指标响应速度输入指令信号的形式结构形式2、系统本身1、组成元件本身误差各元器件的非线性因素等机械装置反向间隙和传动误差伺服放大器的零点漂移和死区误差传感器的灵敏度和精度指输出量复现输入指令信号的精确程度，通常用稳态误差表示影响伺服系统精度的因素：精度第十六页，共八十页，编辑于2023年，星期五交流伺服电机(ACServoMotor)直流伺服电机(DCServoMotor)步进电机（SteppingMotor）伺服驱动电机一般是指：机电一体化系统中较多的采用电气伺服驱动装置，即伺服电机驱动系统。1.5、电气伺服驱动装置

过载能力指在低速大转矩时，能承受较长时间的过载而不致损坏应变能力指能承受频繁的启动、制动、加速、减速的冲击；应变能力和过载能力

Rn要大，并且在该范围内，速度稳定；无论高速低速下，输出力或力矩稳定，低速驱动时，能输出额定的力或力矩；在零速时，伺服系统处于“锁定”

状态，即惯性小。要求：第十七页，共八十页，编辑于2023年，星期五1、性能密度大机电一体化系统对伺服电机的基本要求：无接触换向器件，维护方便具有DC伺服电机的全部优点3、AC伺服电机换向器件需维护可实现高精度的数字控制高响应、高功率密度2、DC伺服电机控制系统控制较简单构成廉价的开环系统转角与数字脉冲成比例，可构成直接数字控制需要磁极位置检测器1、步进电机三种电机驱动的特点：第十八页，共八十页，编辑于2023年，星期五因此，比功率为：因为，电机转动时的动力学方程为：比功率指功率对时间微分：功率密度指单位重量的输出功率：功率密度大（PW）比功率大（dP/dt）两方面含义第十九页，共八十页，编辑于2023年，星期五2、快速性好；调速范围宽（1：1000以上）；适应启停频繁的工作要求等。第二十页，共八十页，编辑于2023年，星期五12步进电机伺服驱动一、步进电机工作原理步进电机是将电脉冲信号转变为角位移的电气执行元件，电机绕组每接受一个脉冲，转子转过相应的角度（即步距角），低频率运行时，明显可见电机轴是一步一步转动的，故称为步进电动机。以反应式步进电机为例说明工作原理：反应式步进电机利用定子绕组通电励磁，产生反应磁阻转矩实现转动。如图示，定子有三对磁极A-A，B-B，C-C，若转子有40个齿，则转子的齿距角为：定子每相磁极有5个齿，其齿距宽度与转子一样，则相邻两个齿的夹角必定是9°。第二十一页，共八十页，编辑于2023年，星期五当A相磁极与转子的齿对齐时，即定子齿与转子齿对齐时，磁导率最大，磁阻最小，就会产生右图所示的B、C相磁极错齿情况：在B相磁极中心线上应是m号齿：显然，B相磁极中心线是转子的第13个齿再过3°的地方，即B相磁极的齿与转子齿相差3°同理，C相磁极中心线上应是n号齿：即C相磁极中心线是转子的第26个齿再过6°的地方，换而言之，C相磁极的齿与转子齿相差6°依次按A-B-C-，A-B-C…通电流，转子就跟随磁场一步一步转动，若需反向转动，只需改变通电相序A-C-B，A-C-B…。2第二十二页，共八十页，编辑于2023年，星期五3三相反应式步进电机的三种运行方式：单三拍时：A—B—C,—A—B—C…第二十三页，共八十页，编辑于2023年，星期五4双三拍时：单双拍（即六拍）时：AB—BC—CA,—AB—BC—CA…A—AB—B—BC—C—CA,--A—AB—B—BC—C—CA…第二十四页，共八十页，编辑于2023年，星期五步进电动机的运行特点是跟随电脉冲作步进运动，运动方式是断续的不是连续的，因转子惯量关系，每一步都有振荡过程。转子转动惯量越大，运动速度越高，振荡越厉害。因此，步进电动机的转轴上，一般都要加机械阻尼器消振，以使电机工作稳定。另外，除机械阻尼外，改变通电方式也可起电阻尼作用，如3相步进电动机双三拍和六拍通电方式就有电阻尼作用，所以运行更平稳，单3拍通电方式则没有电阻尼作用，所以运行不平稳。原因是3拍和6拍运行时，电机任何一瞬间换相，都有一相始终通电，这通电相便可起阻尼作用。单3拍运行，电机换相瞬间，绕组全部断电，所以不存在电阻尼。3相步进电动机，为什么双3拍和6拍通电方式比单3拍通电方式更稳定?第二十五页，共八十页，编辑于2023年，星期五第二十六页，共八十页，编辑于2023年，星期五二、步进电机的种类按转子结构分为三种：反应式(VR，VariableReluctance）永磁式(PM，PermanentMagnet)混合式(HB,Hybrid)按励磁相数分：有三相、四相、五相等步进电机按运转方式分：有旋转式步进电机和直线式步进电机反应式步进电机利用磁阻转矩转动，结构简单，步矩角小，性价比高，应用广泛，但动态性差永磁式步进电机用永久磁钢作为电机的定子或转子，电磁阻尼大，步矩角大，启动频率低，功率小混合式步进电机在永磁和变磁阻原理共同作用下，输出转矩大，步矩角小结构复杂，成本高步进电机型号表示：第二十七页，共八十页，编辑于2023年，星期五BF励磁绕组相数或代号反应式(BY永磁式、BYG混合式)步进电机电机外径（mm)三、步进电机的性能参数1、齿距角αz：转子相邻两齿的夹角2、步距角α：步进电机每接受一个脉冲，转子转过一个固定的角度3、最大静转矩Tmax：在规定的通电相数下，转矩的最大值m：定子绕组相数Z：转子的齿数k：通电状态系数K=1单拍或双拍K=2单双拍定子绕组每改变一次通电的方式，称为“一拍”第二十八页，共八十页，编辑于2023年，星期五四、步进电机的运行特性1、距角特性：单相通入额定通电时，其静转矩与失调角的关系2、启动转矩：相邻两通电状态时，矩角特性交点的静转矩，反映了电机的承载能力5、最高启动频率fqmax：步进电机由静止状态不失步达到稳速所允许的最高输入脉冲频率（可以是空载下或有负载下）4、最高运行频率fmax：步进电机不失步运行时，输入脉冲的最高频率绕组的电流越大，静转矩越大，一般取TL=（30～50%）Tmax失步丢步：齿距数少于脉冲数越步：齿距数多于脉冲数6、失调角θ：单相定子通电时，该相定子齿与转子齿的中心线不重合所夹角第二十九页，共八十页，编辑于2023年，星期五3、矩频特性：步进电机运行时，输出转矩与输入脉冲频率的关系高速时，负载能力变差，这是其应用受到限制的原因之一由图看出：动态转矩随脉冲频率的升高而降低原因：定子控制绕组有一定的电感量，回路有电气时间常数，电感电流变化有一个过渡过程，达不到电流稳态值。第三十页，共八十页，编辑于2023年，星期五五、步进电机参数设计1、脉冲当量δ：步进电机每接受一个脉冲时，工作台走过的位移单位为mm/pulseδ=

0.001～0.0025精密机床0.005～0.01数控机床

0.1～0.15一般机床角脉冲当量δα：就是步距角α(°/pulse)当通过中间传动装置时，角脉冲当量δα为：M驱动器指令脉冲如下图，步进电机通过丝杠螺母副带动工作台运动时，其脉冲当量δ为：Z1Z2第三十一页，共八十页，编辑于2023年，星期五设计时，先根据运动精度选定δ，再根据负载确定步进电机的参数α，并选定丝杠的导程p,计算出传动比i后，最后设计传动齿轮的各参数等。2、最大静转矩Tmax与相数、拍数一般根据TL

≤（30～50%）Tmax选择Tmax其中TL为把负载折合到步进电机轴的负载力矩，若相数、拍数较多，可选0.5，否则选0.3，考虑控制回路的复杂和经济程度，一般取相数较少的。3、最高运行频率与速度关系.根据工作台的最高速度vmax选择步进电机最高运行频率fmax由第三十二页，共八十页，编辑于2023年，星期五4、转动惯量与加减速性能步进电机的加减速性能与转动惯量所产生的惯性力矩有关惯性力矩：转动惯量和角加速度越大，步进电机的启动频率越低，加减速性能越差，越容易失步。通过减小步距角和减小转动惯量改善启动、加减速性能5、电机负载转矩计算作用在步进电机轴的总的负载转矩按下式计算：第三十三页，共八十页，编辑于2023年，星期五6、等效转动惯量的计算其中：Jm是电机轴自身的转动惯量（Kg.m2）Jd是系统折算到电机轴的总的转动惯量（Kg.m2）是电机启动、制动时的角加速度（rad/s2）F作用在工作台的摩擦力（N）FW作用在工作台的外力（N）伺服系统传动链的总效率（取0.7—0.85）丝杠螺母预紧时的传动效率（取0.9）F0丝杠螺母预紧时的力（N）P是丝杠螺距（mm）i是总传动比基本公式圆柱体其中：第三十四页，共八十页，编辑于2023年，星期五

Jd的计算对上图所示的的系统，折算到电机轴的转动惯量Jd由几部分组成：电机轴的转动惯量Jm齿轮Z1的转动惯量JZ1齿轮Z2的转动惯量JZ2和丝杠的转动惯量JS折算到电机轴的转动惯量工作台折算到电机轴的转动惯量对于直线移动的工作台，折算到丝杠轴的转动惯量为：丝杠轴折算到电机轴的转动惯量为：因此，折算到电机轴的等效转动惯量Jd为：第三十五页，共八十页，编辑于2023年，星期五对于齿轮齿条传动的工作台，折算到驱动轴的转动惯量为：对于带传动的工作台，折算到驱动轴的转动惯量为：R为齿轮分度圆半径为驱动轴的角速度v为工作台的速度六、步进电机的驱动控制电路步进电机使用脉冲电源工作，其驱动电路方式有多种：第三十六页，共八十页，编辑于2023年，星期五单电压驱动单电压驱动方式是指步进电机绕组上加上恒定的电压，这种驱动方式的电路相当简单，流经绕组中的电流以时间常数为指数规律上升，直到达到额定电流。当电机高速运行时，流经绕组的电流还未上升到额定电流就被关断，相应的平均电流减少而导致输出转矩下降。为改善高速运行的电机转矩特性，通常在连接电机绕组的线路中串联一个无感电阻来减少电气时间常数，同时成比例的增加电源电压以保持额定电流不变。单电压驱动电路的优点是电路结构简单、元件少、成本低、可靠性高。缺点是串入电阻将加大功耗，降低功放电路的功率，必须具备相应的散热条件才能保证电路稳定可靠的工作。所以这种单电压驱动方式是指步进电机绕组上加上恒定的电压，这种驱动方式的电路相当简单，流经绕组中的电流以时间常数为指数规律上升，直到达到额定电流。当电机高速运行时，流经绕组的电流还未上升到额定电流就被关断，相应的平均电流减少而导致输出转矩下降。为改善高速运行的电机转矩特性，通常在连接电机绕组的线路中串联一个无感电阻来减少电气时间常数，同时成比例的增加电源电压以保持额定电流不变。单电压驱动电路的优点是电路结构简单、元件少、成本低、可靠性高。缺点是串入电阻将加大功耗，降低功放电路的功率，必须具备相应的散热条件才能保证电路稳定可靠的工作。所以这种电路一般仅适合于驱动小功率步进电机或对步进电机运行性能要求不高的情况。第三十七页，共八十页，编辑于2023年，星期五双电压驱动高低电压驱动是针对单电压驱动电源效率低而提出的一种驱动方式。有高低两种电压供电，绕组上电时先提供高电压，使绕组中的电流迅速建立，再改为低电压维持绕组中的电流。这样实现了步进电机驱动低频低功耗，避免了常用驱动电路低频热耗散大的缺点。第三十八页，共八十页，编辑于2023年，星期五恒流驱动恒流控制的基本思想是通过控制主电路中MOSFET的导通时间，即调节MOSFET触发信号的脉冲宽度，来达到控制输出驱动电压进而控制电机绕组电流的目的。H桥恒频斩波恒相流驱动电路原理框图电流PWM细分驱动电路示意图

第三十九页，共八十页，编辑于2023年，星期五三驱动方式的探讨电机运转所需要的转矩都是由电机绕组中的电流产生的，步进电机的控制归根结底都是控制电机绕组中的电流。电机绕组中的电流不仅要满足负载转矩的要求，而且换相时电流泄放速度要快，电流维持期要平稳。步进电机的各种驱动方法各有各的特点，最大的不同就是绕组中的电流。各种驱动方式绕组中的电流比较因为电机绕组是感性负载，通电后绕组中的电流不能立即上升。根据各种不同的供电方式可画出不同供电方式绕组中的电流，如下图所示。由图可见，各种驱动方式所不同的就是电机绕组中的电流，单电压及高低电压驱动由于绕组中的电流变化较大，力矩不稳，造成电机的振动和运转噪音较大。而斩波恒流驱动是一种较理想的驱动方式，绕组中的电流较平稳，所以电机运转也较平稳，振动和噪音都比较小第四十页，共八十页，编辑于2023年，星期五微步（细分）驱动微步驱动技术是一种电流波形控制技术。其基本思想是控制每相绕组电流的波形，使其阶梯上升或下降，即在0和最大值之间给出多个稳定的中间状态，定子磁场的旋转过程中也就有了多个稳定的中间状态，对应于电机转子旋转的步数增多、步距角减小。采用微步驱动技术可以大大提高步进电机的步矩分辨率，减小转矩波动，避免低频共振及降低运行噪声

步进电动机微步驱动电路基本结构框图

第四十一页，共八十页，编辑于2023年，星期五步距角：控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。V：电机转速（R/S）；P：脉冲频率（Hz）；θe：电机固有步距角；实用公式：转速(r/s）=脉冲频率/（电机每转整步数*细分数）

m：细分数（整步为1，半步为2）电机固有步距角所用驱动器类型及工作状态

电机运行时的真正步距角

0.9°/1.8°

驱动器工作在半步状态0.9°0.9°/1.8°驱动器工作在5细分状态0.36°0.9°/1.8°驱动器工作在10细分状态

0.18°0.9°/1.8°驱动器工作在20细分状态

0.09°0.9°/1.8°驱动器工作在40细分状态

0.045°第四十二页，共八十页，编辑于2023年，星期五电机绕组电流波形分析第四十三页，共八十页，编辑于2023年，星期五六、步进电机的单片机控制步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机（或计算机）产生，其基本控制作用如下：控制换相顺序（也称脉冲分配）控制转向（正反序通电）控制速度（由单片机发出的脉冲频率的大小决定）第四十四页，共八十页，编辑于2023年，星期五步进电动机的闭环伺服控制

步进电动机矢量控制位置伺服系统框图系统硬件结构原理图

第四十五页，共八十页，编辑于2023年，星期五七、电机选型计算方法电机最大速度选择电机定位精度的选择电机力矩选择第四十六页，共八十页，编辑于2023年，星期五电机选型计算方法选择电机一般应遵循以下步骤：电机最大速度选择

步进电机最大速度一般在600～1200rpm。交流伺服电机额定速度一般在3000rpm，最大转速为5000rpm。机械传动系统要根据此参数设计。

第四十七页，共八十页，编辑于2023年，星期五2.电机定位精度的选择机械传动比确定后，可根据控制系统的定位精度选择步进电机的步距角及驱动器的细分等级。一般选电机的一个步距角对应于系统定位精度的1/2或更小。注意：当细分等级大于1/4后，步距角的精度不能保证。伺服电机编码器的分辨率选择：分辨率要比定位精度高一个数量级。3.电机力矩选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）①转动惯量计算物体的转动惯量为：式中：dV为体积元，为物体密度，r为体积元与转轴的距离。单位：kgm2第四十八页，共八十页，编辑于2023年，星期五将负载质量换算到电机输出轴上转动惯量，常见传动机构与公式如下：第四十九页，共八十页，编辑于2023年，星期五加速度计算控制系统要定位准确，物体运动必须有加减速过程，如右图所示。已知加速时间、最大速度Vmax，可得电机的角加速度：

(rad/s2)电机力矩计算力矩计算公式为：式中：TL为系统外力折算到电机上的力矩；

为传动系统的效率。第五十页，共八十页，编辑于2023年，星期五八、计算例题（直线运动）运动学计算动力学计算选择同步带直径Φ和步进电机细分数m计算电机力矩，选择电机型号第五十一页，共八十页，编辑于2023年，星期五计算例题（直线运动）已知：直线平台水平往复运动，最大行程L＝400mm，同步带传动；往复运动周期为T＝4s；重复定位误差

0.05mm；平台运动质量M＝10kg，无外力。求：电机型号、同步带轮直径、最大细分数。

平台结构简图运动学计算

平均速度为：设加速时间为0.1S；(步进电机一般取加速时间为：0.1~1秒)(伺服电机一般取加速时间为：0.05~0.5秒)

则加减速时间共为0.2S，且加减速过程的平均速度为最大速度的一半。

第五十二页，共八十页，编辑于2023年，星期五故有：L＝0.2Vmax/2＋1.8Vmax

＝0.4m得：Vmax

＝0.4/（0.2/2＋1.8）＝0.211m/s所以，加速度为：加速距离：匀速距离：减速距离和加速距离相同，

动力学计算

同步带上需要拉力：

F＝Ma+f摩擦力：f＝

Mg设导轨摩擦系数＝0.1

则摩擦力：f＝0.1109.8＝9.8N惯性力:F1

＝Ma＝102.11＝21.1N故：同步带上要有拉力F＝F1+f＝21.1＋9.8＝30.9N

第五十三页，共八十页，编辑于2023年，星期五选择同步带直径Φ和步进电机细分数m

设同步带直径Φ＝30mm周长为C＝3.14Φ＝3.1430＝94.2mm

核算定位精度：脉冲当量δ＝C/(200m)<0.05；

m>C/(2000.05)=94.2/(2000.05)=9.42核算最大转速：nmax

＝Vmax/C＝0.211/(94.2/1000)＝2.24r/s第2级主动轮直径仍取：Φ3＝30mm；第1级主动轮直径取：Φ1＝25mm；减速比取：i＝1：3；显然，细分数太大，最大转速太低。但是，同步带直径也不可能小2倍，所以只能增加一级减速第五十四页，共八十页，编辑于2023年，星期五则第1级从动轮直径为取：Φ2＝75mm；电机最大转速为：驱动器细分数：故，取4细分就很合适了。实际脉冲当量：

计算电机力矩，选择电机型号

第2级主动轮上的力矩：T2＝FΦ3/2

第1级主动轮上，即电机轴上的力矩：T1＝T2i＝FΦ3/2i=0.155Nm由于没有考虑同步带的效率、导轨和滑块装配误差造成的摩擦、同步带轮的摩擦和转动惯量等因素，同时，步进电机在高速时扭矩要大幅度下降；所以，取安全系数为3比较保险。故，电机力矩To＝0.1553＝0.465Nm第五十五页，共八十页，编辑于2023年，星期五九、步进驱动系统的常见问题

1、什么是步进电机？在何种情况下该使用步进电机？

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。

您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达调速的目的。因此在需要准确定位或调速控制时均可考虑使用步进电机。2、步进电机分哪几种？有什么区别？

步进电机分三种：永磁式（ＰＭ），反应式（ＶＲ）和混合式（ＨＢ）

永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；

反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家８０年代已被淘汰。

混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相四相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。3、什么是保持转矩(HOLDINGTORQUE）？

保持转矩（ＨＯＬＤＩＮＧＴＯＲＱＵＥ)是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。保持转矩越大则电机带负载能力越强。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。

第五十六页，共八十页，编辑于2023年，星期五4、步进电机的驱动方式有几种？

一般来说，步进电机有恒压，恒流驱动两种，恒压驱动已近淘汰，目前普遍使用恒流驱动。

5、步进电机精度为多少？是否累积？

一般步进电机的精度为步进角的3-5%。步进电机单步的偏差并不会影响到下一步的精度因此步进电机精度不累积。

6、步进电机的外表温度允许达到多少？

步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降甚至于丢失。因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来说，磁性材料的退磁点都在摄氏１３０度以上，因此步进电机外表温度在摄氏８０－９０度完全正常。7、为什么步进电机的力矩会随转速升高而下降？

当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。8、为什么步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声?

步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。我们建议空载启动频率选定为电机运转一圈所需脉冲数的２倍。第五十七页，共八十页，编辑于2023年，星期五9、如何克服两相混合式步进电机在低速运转时的振动和噪声？

步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，一般可采用以下方案来克服：

A、如步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比提高步进电机运行速度。

Ｂ、采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的，最简便的方法。因为细分型驱动器电机的相电流变流较半步型平缓。

Ｃ、换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机，或两相细分型步进电机。

Ｄ、换成直流或交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高。

Ｅ、在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较大。10、细分驱动器的细分数是否能代表精度？

步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术（请参考有关文献），其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。比如对于步进角为1.8度的两相混合式步进电机，如果细分驱动器的细分数设置为４，那么电机的运转分辨率为每个脉冲0.45度，电机的精度能否达到或接近0.45度，还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度越难控制。11、四相驱动合式步进电机与驱动器的串联接法和并联接法有什么区别？

四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱动，因此，连接时可以采用串联接法或并联接法将四相电机接成两相使用。串联接法一般在电机转速较的场合使用。此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的0.7倍，因而电机发热小；并联接法一般在电机转速较高的场合使用（又称高速接法），所需要的驱动器输出电流为电机相电流的1.4倍，因而电机发热较大。第五十八页，共八十页，编辑于2023年，星期五12、如何确定步进电机驱动器直流供电电源？

Ａ、供电电源供电电压的确定

混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围，电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。如果电机工作转速较高或响应要求较快，那么电压取值也高，但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器。如果电机工作转速较低，则可以考虑电压选取较低值。

Ｂ、供电电源输出电流的确定

供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流Ｉ来确定。如果采用线性电源，电源电流一般可取Ｉ的1.1-1.3倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取Ｉ的1.5-2.0倍。如果一个供电源同时给几个驱动器供电，则应考虑供电电源的电流应适当加倍。13、混合式步进电机驱动器的使能信号Ｅna一般在什么情况下使用？

当使能信号Ｅna为低电平时，驱动器输出到电机的电流被切断，电机转子处于自由状态（脱机状态）。在有些自动化设备中，如果在驱动器不断电的情况下要求可以用手动直接转动电机轴，就可以将Ｅna置低，使电机脱机，进行手动操作或调节。手动完成后，再将Ｅna信号置高，以继续自动控制。14、如何用简单的方法调整两相步进电机通电后的转动方向？

只需将电机与驱动器接线的Ａ+和A-（或者B+和B-)对调即可。第五十九页，共八十页，编辑于2023年，星期五十、步进电动机与交流伺服电动机的性能比较

控制精度不同两相步进电机步距角为1.8°；德国百格拉公司生产的三相混合式步进电机及驱动器，可以细分控制来实现步距角为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相步进电机的步距角。交流伺服电动机的控制精度由电动机后端的编码器保证。如对带标准2500线编码器的电动而言，驱动器内部采用4倍频率技术，则其脉冲当量为360°/10000=0.036°；对于带17位编码器的电动机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电动机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=0.00274658°，是步距角为1.8°的步进电机脉冲当量的1/655。第六十页，共八十页，编辑于2023年，星期五低频特性不同两相混合式步进电动机在低速运转时易出现低频振动现象。交流伺服电动机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现低频振动现象。矩频特性不同步进电动机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高速是会急剧下降。交流伺服电动机为恒力矩输出，即在额定转速（如3000RPM）以内，都能输出额定转矩。过载能力不同步进电动机一般不具有过载能力，而交流伺服电动机有较强的过载能力，一般最大转矩可为额定转矩的3倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电动机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电动机，便出现了力矩浪费的现象。第六十一页，共八十页，编辑于2023年，星期五运行性能不同步进电动机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象；停止时如转速过高，易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，内部构成位置环和速度环，一般不会出现丢步或过冲现象，控制性能更为可靠。速度响应性能不同

步进电动机从静止加速到工作速度（一般为几百RPM）需要200~400ms。交流伺服驱动系统的加速性能较好，从静止加速到工作速度（如3000RPM），一般仅需几毫秒，可用于快速启动的控制场合。效率指标不同步进电动机的效率比较低，一般60%以下。交流伺服电机的效率比较高，一般80%以上。因此步进电动机的温升也比交流伺服电机的高。第六十二页，共八十页，编辑于2023年，星期五4伺服机械传动系统设计一、系统方案确定典型的开环控制位置伺服系统是数控机床的伺服进给系统、数控x、y工作台、机器人的关节移动等。其结构原理如图所示：包括开环伺服传动系统设计和闭环伺服传动系统设计，重点介绍前者PC机驱动器执行元件传动机构执行机构方案确定实质是对上述各构成环节的选择设计

执行元件的选择

传动机构方案的选择开环伺服系统中可以采用步进电机、液压伺服阀控制的液压马达和液压缸、气压伺服阀控制的气压马达和气压缸等作为执行元件，其中步进电机应用最广泛，当负载能力不够时，考虑后者。总之，要考虑负载能力、调速范围、体积、成本等因素。第六十三页，共八十页，编辑于2023年，星期五

执行机构方案的选择传动机构实质上是执行元件和执行机构之间的一个机械接口，用于对运动和力进行变换和传递，伺服系统中执行元件以输出转速和转矩为主，而执行机构多为直线运动或旋转运动，将旋转运动转换为直线运动的传动机构有：丝杠螺母传动同步齿型带传动齿轮齿条传动直线电机传动最常用步进电机与丝杠螺母间的运动传递可能有多种形式：采用同步齿型带传动丝杠：中心距较大通过减速器传动丝杠：减速器作用是配凑脉冲当量、转矩放大、惯量匹配等通过联轴器直接相连：结构简单，可获得高速，对电机负载能力要求较高执行机构是伺服系统中的被控对象，是进行实际操作的机构，执行机构中一般含有导向机构，执行机构方案的选择主要是指导向机构的选择，即第六十四页，共八十页，编辑于2023年，星期五二、开环伺服机械系统设计计算

确定脉冲当量，初选步进电机

控制系统方案的选择导轨的选择：滚动导轨气浮导轨、液体导轨塑料贴面滑动导轨包括微机、步进电机控制方式、驱动电路、接口电路等的选择和设计根据系统精度要求确定，对于开环伺服系统，一般取

=0.005-0.01mm/pulse初选步进电机指：选择步进电机的类型和步矩角混合式：兼以上二者优点，但价格高反应式：小、f高、价格低，功耗大永磁式：大、f低，功耗小，断电后仍有制动力矩第六十五页，共八十页，编辑于2023年，星期五

计算系统转动惯量

确定减速传动比按产品样本中给出的主要技术参数选用传动比公式：计算出的传动比较小时，采用一级齿轮传动或同步带传动传动比较大时，采用多级齿轮传动齿轮传动级数增加时，使齿隙和静摩擦增加，传动效率降低，故传动级数一般不超过3级。传动级数的分配原则：传动比逐级增加（或前小后大原则），使输出轴转角误差最小。目的：为选择步进电机动力参数及进行系统动态分析做基础圆柱体转动惯量计算公式：第六十六页，共八十页，编辑于2023年，星期五

确定步进电机动力参数折算到电机轴的等效转动惯量Jd计算公式为：步进电机负载转矩计算：步进电机最大静转矩确定：第六十七页，共八十页，编辑于2023年，星期五验算惯量匹配步进电机最大启动频率确定：步进电机最大运行频率确定：根据启动频率特性曲线：Tq对应的fqmax

，实际运行的fq<fqmax根据运行频率特性曲线：TL对应的fmax

，实际运行的f

<fmax电机轴上的总等效转动惯量与电机轴自身的转动惯量应控制在：小惯量电机（Jm=0.00005kgm2）大惯量电机（Jm=0.1--0.6kgm2）比值太大，系统动特性受负载变化干扰；比值太小，不经济，大马拉小车。第六十八页，共八十页，编辑于2023年，星期五

计算传动系统刚度通过减速传动比i和丝杠导程p的合理搭配，使惯量匹配趋于合理。传动系统的力学模型可以简化成如下图所示的弹簧质量系统图示丝杠副传动系统的力学模型m2KBKCminKBRKNKNR传动系统的传动刚度为：此公式计算的主要是拉压刚度，而丝杠本身的扭转刚度比拉压刚度大的多，一般不予考虑扭转刚度计算公式为：G为切变摸量第六十九页，共八十页，编辑于2023年，星期五

计算死区误差

计算定位误差死区误差又称之为失动量，指启动或反向时，系统的输入与输出运动间的差值产生死区误差的原因电气系统和执行元件的启动死区（不灵敏区）传动机构中的间隙导轨副间的摩擦力由综合拉压刚度而产生的死区误差：F为轴向负载力由于传动刚度变化引起定位误差为：对于开环系统为系统允许的定位精度第七十页，共八十页，编辑于2023年，星期五

验算固有频率固有频率的计算公式为：m是工作台质量或工作台丝杠第七十一页，共八十页，编辑于2023年，星期五三、开环伺服机械系统误差分析误差来源误差校正步进电机：步进电机的步距误差，一般在左右，突然启动时有滞后，停止时有超前，从整个系统的误差看，这一误差较小，通常忽略不计；齿轮传动：齿轮副的传动误差和间隙会对系统造成误差；滚珠丝杠副传动：滚珠丝杠副的轴向间隙产生误差，而且由于综合拉压刚度不足，会产生传动误差；其它传动装置：联轴器、齿型带传动和谐波齿轮传动等都会对系统造成传动误差。1、机械校正：提高机械装置自身的精度，减少误差，如消隙、减少等效转动惯量、提高传动刚度、提高固有频率等；2、电子校正：反向死区补偿：利用反向死区补偿电路调整拨码开关进行补偿，补偿电路第七十二页，共八十页，编辑于2023年，星期五电路具有自动判断方向的改变，并在反向时发出补偿命令的功能，补偿脉冲可以达到几百个。例:测量得到的反向死区误差为0.016mm，系统的脉冲当量为0.005mm/pulse,试问拨码开关应预置到哪一档才能实现死区的补偿？数字仿真误差校正：预先将误差的数学模型输入计算机，计算机一边输出工作指令，一方面计算误差，输出校正指令，形成附加运动，用以校正位移误差。反馈补偿误差校正：采用反馈补偿型的开环控制系统减小系统的误差，提高精度。拨码开关应预置到3档，消除误差为3*0.005=0.015mm反馈