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1、第二節(jié),一、開環(huán)步進伺服系統(tǒng)的工作原理 書本171面,,,6.2 步進電機及其驅動控制系統(tǒng),,6.2.1步進電機工作原理 按電磁吸引原理工作（以反應式步進電機為例） 反應式步進電機的定子上有磁極，每個磁極上有激磁繞組，轉子無繞組，有周向均布的齒，依靠磁極對齒的吸合工作。,6.2 步進電機及其驅動控制系統(tǒng),,,6.2 步進電機及其驅動控制系統(tǒng),兩個相對的磁極組成一相。,注意：這里的“相”和三相交流電中的“相”的概念不同。步進電機通的是電脈沖，主要是指線圖的聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。,1根據(jù)相數(shù)分類 有三、四、五、六相等，相數(shù)越多，步距角越小， 通電方式采用m相m拍、雙m拍和m相2m拍，m相m拍和m相2
2、m拍通電方式中，可采用一/二相、二三相轉換通電， 如五相步進電機，五相十拍的二三相轉換方式：ABABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEAB,,,6.2.3 步進電機的分類,6.2 步進電機及其驅動控制系統(tǒng),根據(jù)定子與轉子間磁場建立方式，可分：反應式、永磁反應式（混合式）兩類。 反應式步進電機：定子有多相磁極，其上有勵磁繞組，轉子無繞組，用軟磁材料制成，由被勵磁的定子繞組產(chǎn)生反應力矩實現(xiàn)步進運行 永磁反應式步進電機：定子結構與反應式相似，轉子用永磁材料制成或有勵磁繞組、由電磁力矩實現(xiàn)步進運行。,,,,2根據(jù)產(chǎn)生力矩的原理分類,6.2 步進電機及其驅動控制系統(tǒng),可將步進電機分兩類：伺服步進電機
3、 功率步進電機 伺服步進電機（快速步進電機），輸出力矩在幾十數(shù)百Nm，只能帶動小負載，加上液壓扭矩放大器可驅動工作臺。 功率步進電機輸出力矩在550Nm以上，能直接驅動工作臺。,,,3根據(jù)輸出力矩的大小分類,6.2 步進電機及其驅動控制系統(tǒng),,,,,6.2 步進電機及其驅動控制系統(tǒng),4根據(jù)結構分類,步進電機可制成 軸向分相式（多段式） 徑向分相式（單段式）,,,6.2 步進電機及其驅動控制系統(tǒng),步進電機的工作方式(通電順序)可分為： 三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍等。,1）三相單三拍：,（1）三相繞組聯(lián)接方式：Y 型,,,6.2 步進電機及其驅動控制系統(tǒng),1）三相單三拍工作方式
4、：,,6.2 步進電機及其驅動控制系統(tǒng),,,A 相通電使轉子1、3齒和 AA 對齊,,,,,,,B,B,A,C,C,A,,,,,,,B相通電，轉子2、4齒和B相軸線對齊,C,C相通電，轉子1、3齒和C相軸線對齊,,,,,,,,,,A,B,C,1,3,2,4,,,,,,A,B,C,1,3,2,4,A,,,6.2 步進電機及其驅動控制系統(tǒng),三相單三拍的特點：,（1）每來一個電脈沖，轉子轉過 30。,（2）轉子的旋轉方向取決于三相線圈通電的順序。,（3）每次定子繞組只有一相通電，在切換瞬間失去自鎖轉矩，容易產(chǎn)生失步，只有一相繞組產(chǎn)生力矩吸引轉子，在平衡位置易產(chǎn)生振蕩 。,,6.2 步進電機及其驅動控
5、制系統(tǒng),,,2)三相六拍工作方式 通電順序為：AABBBCCCAA 六拍。,,,,,,,,,,,,,,,通電順序 AABBBCCCAA（逆時針） AACCBCBCAA（順時針） 每步轉過15，步距角是三相三拍工作方式的一半， 特點：電機運轉中始終有一相定子繞組通電，運轉比較平穩(wěn)。,6.2 步進電機及其驅動控制系統(tǒng),,,3)雙三拍工作方式 定子繞組通電順序為 ABBCCAAB（轉子逆時針旋轉） ACBCCA（轉子順時針旋轉） 有兩對磁極同時對轉子的兩對齒進行吸引，每步仍旋轉30。 特點：始終有一相定子繞組通電，工作比較平穩(wěn)。避免了單三拍通電方式的缺點,6.2 步進電機及其驅動控制系統(tǒng),,,實際上
6、步進電機轉子齒數(shù)很多，齒數(shù)越多，步距角越小,6.2 步進電機及其驅動控制系統(tǒng),為改善運行性能，定子磁極上的齒的齒距與轉子的齒距相同，但各極的齒依次與轉子的齒錯開齒距的1m（m電機相數(shù)）。每次定子繞組通電狀態(tài)改變時，轉子只轉過齒距的1m（如三相三拍）或12m（如三相六拍）達到新的平衡位置。,,6.2 步進電機及其驅動控制系統(tǒng),齒距的1m（m電機相數(shù)）,,3600/ Z,,,轉子40個齒，若通電為三相三拍，當轉子齒與A相定子齒對齊時，轉子齒與B相定子齒相差（3），與C相定子齒相差（6）。,,,6.2 步進電機及其驅動控制系統(tǒng),結論,課本173面中間,每給一個脈沖信號，電機轉子轉過角度的理論值。,,
7、6.2.2 步進電機的主要特性 1步距角,m定子相數(shù)；z轉子齒數(shù)；k通電系數(shù)， m相m拍，k1；m相2m拍，k2。,一般很小，如：31.5，1.50.75，0.720.36等,6.2 步進電機及其驅動控制系統(tǒng),靜態(tài)：步進電機處于通電狀態(tài)，轉子處在不動狀態(tài)。 靜態(tài)轉矩Mj ：在電機軸上施加一個負載轉矩M，轉子會在載荷方向上轉過一個角度（失調角），轉子因而受到一個電磁轉矩Mj的作用與負載平衡。,,,2矩角特性、最大靜態(tài)轉矩Mjmax和啟動轉矩Mq,,6.2 步進電機及其驅動控制系統(tǒng),矩角特性：步進電機單相通電的靜態(tài)轉矩Mj隨失調角的變化曲線。,啟動頻率或突跳頻率fq：空載時，步進電機由靜止突然啟動
8、并進入不丟步的正常運行狀態(tài)所允許的最高頻率。 高于啟動頻率，將不能正常起動。 啟動時的慣頻特性：是指電機帶動純慣性負載時啟動頻率和負載轉動慣量之間的關系。,,,3啟動頻率fq和啟動時的慣頻特性,6.2 步進電機及其驅動控制系統(tǒng),步進電機在帶負載（尤其是慣性負載）下的啟動頻率比空載要低。,連續(xù)運行最高工作頻率 步進電機啟動之后，控制脈沖的頻率可進一步提高。能夠跟上控制脈沖的頻率而不失步的最高頻率，稱為連續(xù)運行最高頻率。它隨負載的增加而下降，它比最高啟動頻率大許多，因它不需克服慣性力矩。它代表著步進電機的最高轉速。目前世界最高值可達7000rmin。,步進電機的加減速特性描述步進電機由靜止到工作頻
9、率和由工作頻率到靜止的加、減速過程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時間的關系。 當要求步進電機啟動到大于啟動頻率的工作頻率時，變化速度必須逐漸上升；從最高工作頻率或高于啟動頻率的工作頻率停止時，變化速度必須逐漸下降。逐漸上升和下降的加速、減速時間不能過小，否則會失步或超步。,,,4加、減速特性,6.2 步進電機及其驅動控制系統(tǒng),連續(xù)運行頻率：步進電機啟動后，其運行速度能跟蹤指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率。其值遠大于啟動頻率。 運行矩頻特性：是描述步進電機在連續(xù)運行時，輸出轉矩與連續(xù)運行頻率之間的關系。,,5運行矩頻特性,,6.2 步進電機及其驅動控制系統(tǒng),五、步進電機的驅動控制線
10、路,根據(jù)步進式伺服系統(tǒng)的工作原理，步進電機驅動控制線路的功能是，將具有一定頻率f、一定數(shù)量和一定方向的進給脈沖轉換成控制步進電機各相定子繞組通斷電的電平信號。電平信號的變化頻率、變化次數(shù)和通斷電順序要與進給指令脈沖的 頻率、數(shù)量和方向對應。,一個較完善的步進電機的驅動控制線路組成：,1、脈沖混合電路,無論是來自于數(shù)控系統(tǒng)的插補信號，還是各種類型的誤差補償信號、手動進給信號及手動回原點信號等，它們的目的無非是使工作臺作正向進給或負向進給。,通過脈沖混合電路可將上述信號混合為使工作臺正向進給的“正向進給”信號或使工作臺負向進結的“負向進給”信號。,,當機床在正向進給脈沖的控制下正在沿正方向進給時，
11、由于各種補償脈沖的存在，可能還會出現(xiàn)極個別的負向進給脈沖；同樣，當機床在負向進給脈沖的控制下正在沿負方向進給時，還可能會出現(xiàn)極個別的正向進給脈沖。,2、加減脈沖分配電路,,在實際的機床進給控制中，這些與某個進給方向相反的個別脈沖指令的出現(xiàn)，意味著步進電機正在沿著一個方向旋轉時，再向相反的方向旋轉極個別幾個步距角。,,,根據(jù)步進電機的工作原理，要做到這一點（即電機正在沿著某個方向旋轉時，再向相反的方向旋轉極個別幾個步距角），必須首先使步進電機從該旋轉方向靜止下來，然后才能向相反的方向旋轉，待旋轉極個別幾個步距角后，再恢復至原來的方向繼續(xù)旋轉進給。這從機械加工工藝性方面來看是不允許的即使是允許，控
12、制線路也相當復雜。,一般采用的方法是，通過加減脈沖分配電路從該進給方向的進給脈沖指令中抵消相同數(shù)量的相反方向補償脈沖，如圖所示。,,,,3加減速電路(自動升降速電路),根據(jù)步進電機加減速特性，進入步進電機定子繞組的電平信號的頻率變化要平滑而且應有一定的時間常數(shù)。但由加減脈沖分配電路來的進給脈沖頻率的變化是有躍變的。,為了保證步進電機能夠正常、可靠地工作，上述躍變頻率必須首先進行緩沖，使之變成符合步進電機加減速特性的脈沖頻率，然后再送入步進電機的定子繞組。加減速電路就是為此而設置的。,,,,,,,,,t0 t1 t2 t,t0 t1 t2 t3 t,,f b,f
13、a,,經(jīng)過該電路后，輸出脈沖的個數(shù)與輸入的進給脈沖的個數(shù)相等，以保證電機不會丟步。,4環(huán)形分配器,作用：把來自于加減速電路的一系列進給脈沖指令，轉換成控制步進電機定子繞組通、斷電的電平信號，電平信號狀態(tài)的改變次數(shù)及順序與進給脈沖的個數(shù)及方向對應。,五相十拍通電順序：,AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB-AB ,要求五相電機正轉,環(huán)形分配器可以由硬件邏輯線路構成，也可以用軟件來實現(xiàn),從環(huán)形分配器來的進給控制信號的電流只有幾毫安，而步進電機的定子繞組需要幾安培電流。因此，需要對從環(huán)形分配器來的信號進行功率放大，以提供幅值足夠，前后沿較好的勵磁電流。,5.功率放大器
14、,環(huán)形分配器的主要功能：將數(shù)控裝置送來的一串指令脈沖，按步進電機所要求的通電順序分配給步進電機驅動電源的各相輸入端，以控制勵磁繞組的通斷，實現(xiàn)步進電機的運行及換向。,,,,6.2.4 步進電機的環(huán)形分配器,6.2 步進電機及其驅動控制系統(tǒng),1硬件環(huán)形分配器 可由D觸發(fā)器或JK觸發(fā)器構成，亦可用專用集成芯片或通用可編程邏輯器件。,,,,,6.2 步進電機及其驅動控制系統(tǒng),硬件環(huán)形分配驅動與數(shù)控裝置的連接,CH250是國產(chǎn)三相反應式步進電機環(huán)形分配器專用集成電路芯片，通過控制端的不同接法可組成三相雙三拍和三相六拍的工作方式,,,,,6.2 步進電機及其驅動控制系統(tǒng),三相六拍接線圖:,,2軟件環(huán)形分
15、配器 由數(shù)控裝置中的軟件完成環(huán)形分配，直接驅動步進電機各繞組的通、斷電。 用軟件環(huán)形分配器只需編制不同的環(huán)形分配程序，可使線路簡化，成本下降，可靈活地改變步進電機的控制方案。,,,,6.2 步進電機及其驅動控制系統(tǒng),步進電機的速度控制 進給脈沖頻率f 定子繞組通電/斷電狀態(tài)變化頻率f 步進電機轉速 工作臺的進給速度V。 V=60f,,,,,6.2 步進電機及其驅動控制系統(tǒng),作用： 是將環(huán)形分配器或微處理機送來的弱電信號變?yōu)閺婋娦盘枺缘玫讲竭M電機控制繞組所需要的脈沖電流及所需要的脈沖波形。,,,,6.2 步進電機及其驅動控制系統(tǒng),6.2.5 功率放大電路,6.2.5 功率放大電路
16、種類： 就其采用的功率放大器件分，有中功率晶體管、大功率晶體管、大功率達林頓晶體管、可控硅等； 就其工作原理分，有單電壓驅動、高低電壓驅動、恒流斬波、調頻調壓、細分電路等。 步進電機有幾相，就需要幾組功率放大電路。,,,,6.2 步進電機及其驅動控制系統(tǒng),. 提高步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)傳動精度的措施, 概述 影響步進電機開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的因素： 步進電機的步距角精度； 機械傳動部件的精度； 絲桿等機械傳動部件、支承的傳動間隙； 傳動件和支承件的變形。 提高步進電機開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的措施 適當提高系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)的精度； 采取各種精度補償措施。, 傳動間隙補償 在整個行程范圍內測量傳動機構傳動間隙
17、，取其平均值存放在數(shù)控系統(tǒng)中的間隙補償單元，當進給系統(tǒng)反向運動時，數(shù)控系統(tǒng)自動將補償值加到進給指令中，從而達到補償目的。, 螺距誤差補償 利用計算機的運算處理能力，可以補償滾珠絲杠的螺距累積誤差，以提高進給位移精度。 方法：首先測量出進給絲杠螺距誤差曲線(規(guī)律)，然后可采用下列兩種方法實現(xiàn)誤差補償：硬件補償、軟件補償。,, 細分線路,. 步進電機開環(huán)系統(tǒng)設計,要解決的主要問題： 動力計算 傳動計算 驅動電路設計或選擇 目的：傳動計算選擇合適的參數(shù)以滿足脈沖當量和進給速度F的要求。 圖中：f 脈沖頻率（HZ ） 步距角 （度） Z1、Z2 傳動齒輪齒數(shù) t 螺距(mm)
18、脈沖當量（mm）,傳動比選擇： 為了湊脈沖當量mm，也為了增大傳遞的扭矩，在步進電機與絲桿之間，要增加一對齒輪傳動副，那么，傳動比 i=Z1/Z2與、 、t之間有如下關系： 步距角， 脈沖當量， t絲杠導程。,,例1： = 0.01mm, t = 6 mm, = 0.75,進給速度F： 一般步進電機： 若：=0.01 mm 則： 若 =0.001mm 則： 因此，當 一定時， 與成正比，故我們在談到步進電機開環(huán)系統(tǒng)的最高速度時，都應指明是在多大的脈沖當量下的,否則是沒有意義的。,例2 設X-Y 工作臺由步進電機直接經(jīng)絲桿螺母副驅動，絲桿螺距為5mm，步進電機步距角為1.5
19、0，工作方式三相六拍，工作臺最大行程為400mm，求：,（1）脈沖當量； （2）微機發(fā)出的脈沖總數(shù)是多少？,(2)計算脈沖數(shù)n，由 n =L(工作臺最大行程）,所以，脈沖數(shù)為： n =L/ =400/0.02083=19200步,解： （1）由計算脈沖當量：,,360,,=,,,L0,,已知，,L0=5mm， =1.50求脈沖當量=？,=5/360 1.5=0.02083(mm),,例3 步進電機直接經(jīng)絲桿螺母驅動工作臺，步進電機步距角0.720,工作臺質量為100kg，負載質量為50kg，切削負載為4000N，絲桿螺距為5mm，如果步進電機從500Hz線性加速到2000Hz，加速時間為0.
20、2S，求步進電機的驅動轉距？,解：（1）忽略滾珠絲扛及電機的轉動慣量，則折算到電機軸上等效轉動慣量：,V=f =500 0.01=5mm/s,J=m(,V,,,),2,所以，,=（100+50） （5/2）=95.08 10-6(kg.m),2,2,(2)求電機軸的等效轉矩： T =F（ ）,,V,,F為切削負載4000N;,V5mm/s,=4000（5/2 ）=3184.7 N.mm=3.184 N.M,(3)步進電動機的角加速度：,=,d ,,dt,=,df,dt,,,=,(t 0 ),,t,2 ,,360,0.72,.,=,2000 500,,0.2,,2 ,360,,,0.72,=
21、94.2 rad/s,2,所以，步進電機的啟動轉矩為：,T q T + J ,T等效轉矩； J 空載啟動時, 產(chǎn)生最大加速度所需的轉矩; 步進電動機的角加速度。,所以，,T q T + J =3.184+95.08 10-6 94.2,= 3.27 Nm,例4 一臺五相步進電機，五相五拍運行時其步距角是1.50，此電動機轉子上應有幾個齒？齒距角是多少？此電動機若按十拍運行，齒距角度是多少度？按五拍和十拍運行時，每走一步對應的電角度是多少？ 解：（1）步距角：,Z齒數(shù)；m相數(shù)；K,,1 五拍（單拍）,2 十拍（雙拍）,所以，五拍運行時：,,360,=,mKz,,,0,=1.5,0,K=1,m=5
22、,Z=,360,0,/5 1,=48齒,十拍運行時：,360,=,5 2 48,,,0,=0.75,0,(2)齒距角：,c,=,360,48,,0,=7.5,0,齒距角的電角度：,e,=,360,m K,,0,五拍運行時：,e,=,360,5 1,,0,=72,0,十拍運行時：,e,=,360,5 2,=36,,0,0,例5 設有一步進電機驅動的工作臺，步進電機通過減速齒輪副驅動滾珠絲桿，其參數(shù)符號如下：脈沖當量，滾珠絲桿的基本導程為L。步進電機的步距角為，減速齒輪比為1：i。問題： （1）試寫出、 、 L、i之間 的關系； （2）若=0.001mm， L。=5mm;減速比為1：5，問選擇步進電機的步距角應為多少？,解：（1）求脈沖當量：,(2) 步進電機的步距角,
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