开环步进式伺服系统

第二节,一、开环步进伺服系统的工作原理 书本171面,6.2 步进电机及其驱动控制系统,6.2.1步进电机工作原理 按电磁吸引原理工作（以反应式步进电机为例） 反应式步进电机的定子上有磁极，每个磁极上有激磁绕组，转子无绕组，有周向均布的齿，依靠磁极对齿的吸合工作。,6.2 步进电机及其驱动控制系统,6.2 步进电机及其驱动控制系统,两个相对的磁极组成一相。,注意：这里的“相”和三相交流电中的“相”的概念不同。步进电机通的是电脉冲，主要是指线图的联接和组数的区别。,1根据相数分类 有三、四、五、六相等，相数越多，步距角越小， 通电方式采用m相m拍、双m拍和m相2m拍，m相m拍和m相2m拍通电方式中，可采用一/二相、二三相转换通电， 如五相步进电机，五相十拍的二三相转换方式：ABABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEAB,6.2.3 步进电机的分类,6.2 步进电机及其驱动控制系统,根据定子与转子间磁场建立方式，可分：反应式、永磁反应式（混合式）两类。 反应式步进电机：定子有多相磁极，其上有励磁绕组，转子无绕组，用软磁材料制成，由被励磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行 永磁反应式步进电机：定子结构与反应式相似，转子用永磁材料制成或有励磁绕组、由电磁力矩实现步进运行。,2根据产生力矩的原理分类,6.2 步进电机及其驱动控制系统,可将步进电机分两类：伺服步进电机 功率步进电机 伺服步进电机（快速步进电机），输出力矩在几十数百Nm，只能带动小负载，加上液压扭矩放大器可驱动工作台。 功率步进电机输出力矩在550Nm以上，能直接驱动工作台。,3根据输出力矩的大小分类,6.2 步进电机及其驱动控制系统,6.2 步进电机及其驱动控制系统,4根据结构分类,步进电机可制成 轴向分相式（多段式） 径向分相式（单段式）,6.2 步进电机及其驱动控制系统,步进电机的工作方式(通电顺序)可分为： 三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。,1）三相单三拍：,（1）三相绕组联接方式：Y 型,6.2 步进电机及其驱动控制系统,1）三相单三拍工作方式：,6.2 步进电机及其驱动控制系统,A 相通电使转子1、3齿和 AA 对齐,B,B,A,C,C,A,B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐,C,C相通电，转子1、3齿和C相轴线对齐,A,B,C,1,3,2,4,A,B,C,1,3,2,4,A,6.2 步进电机及其驱动控制系统,三相单三拍的特点：,（1）每来一个电脉冲，转子转过 30。,（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序。,（3）每次定子绕组只有一相通电，在切换瞬间失去自锁转矩，容易产生失步，只有一相绕组产生力矩吸引转子，在平衡位置易产生振荡 。,6.2 步进电机及其驱动控制系统,2)三相六拍工作方式 通电顺序为：AABBBCCCAA 六拍。,通电顺序 AABBBCCCAA（逆时针） AACCBCBCAA（顺时针） 每步转过15，步距角是三相三拍工作方式的一半， 特点：电机运转中始终有一相定子绕组通电，运转比较平稳。,6.2 步进电机及其驱动控制系统,3)双三拍工作方式 定子绕组通电顺序为 ABBCCAAB（转子逆时针旋转） ACBCCA（转子顺时针旋转） 有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，每步仍旋转30。 特点：始终有一相定子绕组通电，工作比较平稳。避免了单三拍通电方式的缺点,6.2 步进电机及其驱动控制系统,实际上步进电机转子齿数很多，齿数越多，步距角越小,6.2 步进电机及其驱动控制系统,为改善运行性能，定子磁极上的齿的齿距与转子的齿距相同，但各极的齿依次与转子的齿错开齿距的1m（m电机相数）。每次定子绕组通电状态改变时，转子只转过齿距的1m（如三相三拍）或12m（如三相六拍）达到新的平衡位置。,6.2 步进电机及其驱动控制系统,齿距的1m（m电机相数）,3600/ Z,转子40个齿，若通电为三相三拍，当转子齿与A相定子齿对齐时，转子齿与B相定子齿相差（3），与C相定子齿相差（6）。,6.2 步进电机及其驱动控制系统,结论,课本173面中间,每给一个脉冲信号，电机转子转过角度的理论值。,6.2.2 步进电机的主要特性 1步距角,m定子相数；z转子齿数；k通电系数， 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 步进电机及其驱动控制系统,静态：步进电机处于通电状态，转子处在不动状态。 静态转矩Mj ：在电机轴上施加一个负载转矩M，转子会在载荷方向上转过一个角度（失调角），转子因而受到一个电磁转矩Mj的作用与负载平衡。,2矩角特性、最大静态转矩Mjmax和启动转矩Mq,6.2 步进电机及其驱动控制系统,矩角特性：步进电机单相通电的静态转矩Mj随失调角的变化曲线。,启动频率或突跳频率fq：空载时，步进电机由静止突然启动并进入不丢步的正常运行状态所允许的最高频率。 高于启动频率，将不能正常起动。 启动时的惯频特性：是指电机带动纯惯性负载时启动频率和负载转动惯量之间的关系。,3启动频率fq和启动时的惯频特性,6.2 步进电机及其驱动控制系统,步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率比空载要低。,连续运行最高工作频率 步进电机启动之后，控制脉冲的频率可进一步提高。能够跟上控制脉冲的频率而不失步的最高频率，称为连续运行最高频率。它随负载的增加而下降，它比最高启动频率大许多，因它不需克服惯性力矩。它代表着步进电机的最高转速。目前世界最高值可达7000rmin。,步进电机的加减速特性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，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。 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；从最高工作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。逐渐上升和下降的加速、减速时间不能过小，否则会失步或超步。,4加、减速特性,6.2 步进电机及其驱动控制系统,连续运行频率：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。其值远大于启动频率。 运行矩频特性：是描述步进电机在连续运行时，输出转矩与连续运行频率之间的关系。,5运行矩频特性,6.2 步进电机及其驱动控制系统,五、步进电机的驱动控制线路,根据步进式伺服系统的工作原理，步进电机驱动控制线路的功能是，将具有一定频率f、一定数量和一定方向的进给脉冲转换成控制步进电机各相定子绕组通断电的电平信号。电平信号的变化频率、变化次数和通断电顺序要与进给指令脉冲的 频率、数量和方向对应。,一个较完善的步进电机的驱动控制线路组成：,1、脉冲混合电路,无论是来自于数控系统的插补信号，还是各种类型的误差补偿信号、手动进给信号及手动回原点信号等，它们的目的无非是使工作台作正向进给或负向进给。,通过脉冲混合电路可将上述信号混合为使工作台正向进给的“正向进给”信号或使工作台负向进结的“负向进给”信号。,当机床在正向进给脉冲的控制下正在沿正方向进给时，由于各种补偿脉冲的存在，可能还会出现极个别的负向进给脉冲；同样，当机床在负向进给脉冲的控制下正在沿负方向进给时，还可能会出现极个别的正向进给脉冲。,2、加减脉冲分配电路,在实际的机床进给控制中，这些与某个进给方向相反的个别脉冲指令的出现，意味着步进电机正在沿着一个方向旋转时，再向相反的方向旋转极个别几个步距角。,根据步进电机的工作原理，要做到这一点（即电机正在沿着某个方向旋转时，再向相反的方向旋转极个别几个步距角），必须首先使步进电机从该旋转方向静止下来，然后才能向相反的方向旋转，待旋转极个别几个步距角后，再恢复至原来的方向继续旋转进给。这从机械加工工艺性方面来看是不允许的即使是允许，控制线路也相当复杂。,一般采用的方法是，通过加减脉冲分配电路从该进给方向的进给脉冲指令中抵消相同数量的相反方向补偿脉冲，如图所示。,3加减速电路(自动升降速电路),根据步进电机加减速特性，进入步进电机定子绕组的电平信号的频率变化要平滑而且应有一定的时间常数。但由加减脉冲分配电路来的进给脉冲频率的变化是有跃变的。,为了保证步进电机能够正常、可靠地工作，上述跃变频率必须首先进行缓冲，使之变成符合步进电机加减速特性的脉冲频率，然后再送入步进电机的定子绕组。加减速电路就是为此而设置的。,t0 t1 t2 t,t0 t1 t2 t3 t,f b,fa,经过该电路后，输出脉冲的个数与输入的进给脉冲的个数相等，以保证电机不会丢步。,4环形分配器,作用：把来自于加减速电路的一系列进给脉冲指令，转换成控制步进电机定子绕组通、断电的电平信号，电平信号状态的改变次数及顺序与进给脉冲的个数及方向对应。,五相十拍通电顺序：,AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB-AB ,要求五相电机正转,环形分配器可以由硬件逻辑线路构成，也可以用软件来实现,从环形分配器来的进给控制信号的电流只有几毫安，而步进电机的定子绕组需要几安培电流。因此，需要对从环形分配器来的信号进行功率放大，以提供幅值足够，前后沿较好的励磁电流。,5.功率放大器,环形分配器的主要功能：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。,6.2.4 步进电机的环形分配器,6.2 步进电机及其驱动控制系统,1硬件环形分配器 可由D触发器或JK触发器构成，亦可用专用集成芯片或通用可编程逻辑器件。,6.2 步进电机及其驱动控制系统,硬件环形分配驱动与数控装置的连接,CH250是国产三相反应式步进电机环形分配器专用集成电路芯片，通过控制端的不同接法可组成三相双三拍和三相六拍的工作方式,6.2 步进电机及其驱动控制系统,三相六拍接线图:,2软件环形分配器 由数控装置中的软件完成环形分配，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环形分配程序，可使线路简化，成本下降，可灵活地改变步进电机的控制方案。,6.2 步进电机及其驱动控制系统,步进电机的速度控制 进给脉冲频率f 定子绕组通电/断电状态变化频率f 步进电机转速 工作台的进给速度V。 V=60f,6.2 步进电机及其驱动控制系统,作用： 是将环形分配器或微处理机送来的弱电信号变为强电信号，以得到步进电机控制绕组所需要的脉冲电流及所需要的脉冲波形。,6.2 步进电机及其驱动控制系统,6.2.5 功率放大电路,6.2.5 功率放大电路 种类： 就其采用的功率放大器件分，有中功率晶体管、大功率晶体管、大功率达林顿晶体管、可控硅等； 就其工作原理分，有单电压驱动、高低电压驱动、恒流斩波、调频调压、细分电路等。 步进电机有几相，就需要几组功率放大电路。,6.2 步进电机及其驱动控制系统,. 提高步进电机开环伺服系统传动精度的措施, 概述 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。, 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，从而达到补偿目的。, 螺距误差补偿 利用计算机的运算处理能力，可以补偿滚珠丝杠的螺距累积误差，以提高进给位移精度。 方法：首先测量出进给丝杠螺距误差曲线(规律)，然后可采用下列两种方法实现误差补偿：硬件补偿、软件补偿。, 细分线路,. 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 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）,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： 步距角， 脉冲当量， t丝杠导程。,例1： = 0.01mm, t = 6 mm, = 0.75,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。,例2 设X-Y 工作台由步进电机直接经丝杆螺母副驱动，丝杆螺距为5mm，步进电机步距角为1.50，工作方式三相六拍，工作台最大行程为400mm，求：,（1）脉冲当量； （2）微机发出的脉冲总数是多少？,(2)计算脉冲数n，由 n =L(工作台最大行程）,所以，脉冲数为： n =L/ =400/0.02083=19200步,解： （1）由计算脉冲当量：,360,=,L0,已知，,L0=5mm， =1.50求脉冲当量=？,=5/360 1.5=0.02083(mm),例3 步进电机直接经丝杆螺母驱动工作台，步进电机步距角0.720,工作台质量为100kg，负载质量为50kg，切削负载为4000N，丝杆螺距为5mm，如果步进电机从500Hz线性加速到2000Hz，加速时间为0.2S，求步进电机的驱动转距？,解：（1）忽略滚珠丝扛及电机的转动惯量，则折算到电机轴上等效转动惯量：,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)求电机轴的等效转矩： T =F（ ）,V,F为切削负载4000N;,V5mm/s,=4000（5/2 ）=3184.7 N.mm=3.184 N.M,(3)步进电动机的角加速度：,=,d ,dt,=,df,dt,=,(t 0 ),t,2 ,360,0.72,.,=,2000 500,0.2,2 ,360,0.72,=94.2 rad/s,2,所以，步进电机的启动转矩为：,T q T + J ,T等效转矩； J 空载启动时, 产生最大加速度所需的转矩; 步进电动机的角加速度。,所以，,T q T + J =3.184+95.08 10-6 94.2,= 3.27 Nm,例4 一台五相步进电机，五相五拍运行时其步距角是1.50，此电动机转子上应有几个齿？齿距角是多少？此电动机若按十拍运行，齿距角度是多少度？按五拍和十拍运行时，每走一步对应的电角度是多少？ 解：（1）步距角：,Z齿数；m相数；K,1 五拍（单拍）,2 十拍（双拍）,所以，五拍运行时：,360,=,mKz,0,=1.5,0,K=1,m=5,Z=,360,0,/5 1,=48齿,十拍运行时：,360,=,5 2 48,0,=0.75,0,(2)齿距角：,c,=,360,48,0,=7.5,0,齿距角的电角度：,e,=,360,m K,0,五拍运行时：,e,=,360,5 1,0,=72,0,十拍运行时：,e,=,360,5 2,=36,0,0,例5 设有一步进电机驱动的工作台，步进电机通过减速齿轮副驱动滚珠丝杆，其参数符号如下：脉冲当量，滚珠丝杆的基本导程为L。步进电机的步距角为，减速齿轮比为1：i。问题： （1）试写出、 、 L、i之间 的关系； （2）若=0.001mm， L。=5mm;减速比为1：5，问选择步进电机的步距角应为多少？,解：（1）求脉冲当量：,(2) 步进电机的步距角,