第4章数控机床伺服课件

第第4章章数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统4.1概概述述一、伺服的基本概念一、伺服的基本概念1.伺服系统的含义和组成伺服系统的含义和组成数控机床的数控机床的伺服系统是以机械位置和角度作为伺服系统是以机械位置和角度作为控制对象的自动控制系统，控制对象的自动控制系统，也可称为位置随动系统，也可称为位置随动系统，简称为伺服系统。简称为伺服系统。伺服系统接受伺服系统接受CNC插补器生成的进给脉冲或进插补器生成的进给脉冲或进给位移量指令，经变换和功率放大驱动给位移量指令，经变换和功率放大驱动机械机械运动。运动。1)含义：含义：2)作用：作用：1进给伺服系统是进给伺服系统是以机床以机床坐标移动部件移动部件(如工作台如工作台)的位置和速度作为控制量的位置和速度作为控制量。通常由。通常由伺服驱动装置、伺服驱动装置、伺服电机、机械传动机构及执行部件伺服电机、机械传动机构及执行部件组成。组成。CNC机床伺服系统机床伺服系统包括：包括：进给伺服系统和主轴进给伺服系统和主轴伺服系统两部分。伺服系统两部分。3)组成：组成：如果把如果把CNC比作数控机床的比作数控机床的“大脑大脑”，是发布，是发布“命令命令”的指挥机构，那么，伺服系统就是的指挥机构，那么，伺服系统就是CNC机机床床的的“四肢四肢”，是执行，是执行“命令命令”的机构，它是的机构，它是一个一个不折不扣的跟随者不折不扣的跟随者。21)精度高精度高伺服系统的精度伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的是指输出量能复现输入量的精确程度精确程度。伺服系统的位移精度是指指令脉冲要伺服系统的位移精度是指指令脉冲要求机床工作台进给的位移量和该指令脉冲经伺服求机床工作台进给的位移量和该指令脉冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度符合程度，两者误差愈小，位移精度愈高两者误差愈小，位移精度愈高。2.对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求2)稳定性好稳定性好稳定性是指系统在给定外界干扰作用下，能稳定性是指系统在给定外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来平衡状态的能力。平衡状态的能力。要求伺服系统具有较强的抗干要求伺服系统具有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳定性稳定性直接直接影响影响CNC加工精度加工精度。33)快速响应快速响应 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统跟踪精度。反映了系统跟踪精度。为保证轮廓切削形状精度和为保证轮廓切削形状精度和低的表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响低的表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快，跟随误差小。对应要快，跟随误差小。对指令的响应时间一般要求指令的响应时间一般要求在在200ms以内，甚至小于几十以内，甚至小于几十ms。4)调速范围宽调速范围宽 调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。转速和最低转速之比。在数控机床中，由于所用刀具、加工材料及零在数控机床中，由于所用刀具、加工材料及零件加工要求的不同，件加工要求的不同，为保证在各种情况下都能得到为保证在各种情况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速最佳切削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。范围。4CNC系统系统速度单元速度单元5)低速大扭矩低速大扭矩机床加工的特点是，在机床加工的特点是，在低速时进行重切削低速时进行重切削。因。因此，伺服系统在低速时要求有大的转矩输出。此，伺服系统在低速时要求有大的转矩输出。3.电气伺服系统的控制结构电气伺服系统的控制结构位置位置PID速度速度PID电流电流PID伺服电机伺服电机速度反馈速度反馈位置反馈位置反馈给定给定电气伺服系统的三环结构电气伺服系统的三环结构电流环电流环速度环速度环位置环位置环5二、伺服系统的分类二、伺服系统的分类 1.按控制方式分为：按控制方式分为：1)开环伺服系统；开环伺服系统；2)闭环伺服系统；闭环伺服系统；开环伺服系统开环伺服系统6半半闭闭环环闭闭环环闭环伺服系统闭环伺服系统72.按功能分为：按功能分为：1)进给驱动系统进给驱动系统2)主轴驱动系统；主轴驱动系统；进给伺服系统进给伺服系统包括速度控制环和位置控制环，包括速度控制环和位置控制环，用于数控机床坐标轴的切削进给运动控制，并提供用于数控机床坐标轴的切削进给运动控制，并提供切削过程所需转矩切削过程所需转矩。主轴伺服系统主轴伺服系统只是一个速度控制系统，控制只是一个速度控制系统，控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力，且保证任意转速的调节。和所需的切削力，且保证任意转速的调节。现代现代CNC主轴也具备位置控制环，以实现主主轴也具备位置控制环，以实现主轴的定位和轮廓跟踪功能。轴的定位和轮廓跟踪功能。83.按驱动电机分为：按驱动电机分为：1)步进电机伺服系统；步进电机伺服系统；2)直流电机伺服系统；直流电机伺服系统；3)交流电机伺服系统；交流电机伺服系统；4)直接驱动电机伺服系统；直接驱动电机伺服系统；（如：直线电机）（如：直线电机）94.2检测元件检测元件一、对检测装置的要求与分类一、对检测装置的要求与分类1.位置检测装置的要求位置检测装置的要求在闭环数控系统中，在闭环数控系统中，位置检测装置的作位置检测装置的作用是检测机床运动部件的位置和速度，发送用是检测机床运动部件的位置和速度，发送反馈信号，构成闭环控制系统。反馈信号，构成闭环控制系统。检测系统的检测系统的精度决定了精度决定了CNC的精度和分辨率。的精度和分辨率。1)能满足精度和速度的要求；能满足精度和速度的要求；2)高能可靠性和高抗干扰能力强；高能可靠性和高抗干扰能力强；3)使用、维护简单方便；使用、维护简单方便；4)成本低；成本低；通常通常，检测装置的分辨率，检测装置的分辨率(即检测的最小位移量即检测的最小位移量)在在0.0110微米内；微米内；运动速度为运动速度为024m/min。102.位置检测装置的分类位置检测装置的分类由于工作条件和测量要求不同，由于工作条件和测量要求不同，数控机床常数控机床常用以下几种测量方式：用以下几种测量方式：1)绝对值测量方式和增量测量方式绝对值测量方式和增量测量方式绝对值测量方式是任一被测量点位置都由一绝对值测量方式是任一被测量点位置都由一个固定的零点（即坐标原点）算起，每一测量点，个固定的零点（即坐标原点）算起，每一测量点，都有一个相应的对原点的测量值。都有一个相应的对原点的测量值。增量测量方式检测的是相对位移量，有多个增量测量方式检测的是相对位移量，有多个测量基准，任何一个对中点都可作为测量起点，测量基准，任何一个对中点都可作为测量起点，因而检测装置比较简单。因而检测装置比较简单。轮廓控制数控机床大都采用增量测量方式。轮廓控制数控机床大都采用增量测量方式。典型元件如感应同步器、光栅、磁尺等。典型元件如感应同步器、光栅、磁尺等。112)数字式测量和模拟式测量数字式测量和模拟式测量数字式测量数字式测量是将被测量量化后以数字量表示，是将被测量量化后以数字量表示，可直接送到可直接送到CNC进行比较、处理。进行比较、处理。如光栅、编码器等，如光栅、编码器等，特点是：特点是：(1)被测量量化成脉冲个数，便于处理；被测量量化成脉冲个数，便于处理；(2)结构比较简单，脉冲信号抗干扰强。结构比较简单，脉冲信号抗干扰强。模拟式测量模拟式测量是将被测量用连续的变量（如相是将被测量用连续的变量（如相位变化、电压幅值变化）来表示的。在数控机床位变化、电压幅值变化）来表示的。在数控机床上模拟式测量主要用于小量程的测量。上模拟式测量主要用于小量程的测量。如旋转变压器、感应同步器等，如旋转变压器、感应同步器等，特点是：特点是：(1)直接测量被测量，无须量化；直接测量被测量，无须量化；(2)在小量程内可以实现高精度测量。在小量程内可以实现高精度测量。123)直接测量和间接测量直接测量和间接测量直接测量直接测量是将检测装置直接安装在直线运动部件是将检测装置直接安装在直线运动部件上，测量直线位移量。上，测量直线位移量。常用光栅，感应同步器等。常用光栅，感应同步器等。优点优点是直接反映运动部件的直线位移量；是直接反映运动部件的直线位移量；缺点缺点是检测装置要和行程等长。是检测装置要和行程等长。间接测量间接测量是通过测量与运动部件直线运动相关是通过测量与运动部件直线运动相关联的回转角度间接地测量直线位移。联的回转角度间接地测量直线位移。常用编码器、常用编码器、旋转变压器等。旋转变压器等。优点优点是使用可靠方便，无长度限制；是使用可靠方便，无长度限制；缺点缺点是测量信号加入机械传动链误差，从而影是测量信号加入机械传动链误差，从而影响测量精度。响测量精度。13二、脉冲编码器二、脉冲编码器脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，它将，它将机械几何转角转换成脉冲或数字量的传感器。可机械几何转角转换成脉冲或数字量的传感器。可用于位置和速度的检测，是目前应用最多的传感用于位置和速度的检测，是目前应用最多的传感器，根据检测原理，脉冲编码器可分为器，根据检测原理，脉冲编码器可分为光电式光电式、电磁感应式电磁感应式和和接触式接触式三种。三种。脉冲编码器是一种增量检测元件。脉冲编码器是一种增量检测元件。1.脉冲编码器分类脉冲编码器分类142.光电脉冲编码器结构原理光电脉冲编码器结构原理 光电编码器光电编码器是由是由圆光栅圆光栅、扇扇形指示光栅形指示光栅、光光电检测装置电检测装置组成。组成。圆光栅盘是圆光栅盘是在一定直径圆盘在一定直径圆盘的圆周上等分地的圆周上等分地开通若干个长方开通若干个长方形孔，形孔，圆盘与电圆盘与电动机同轴动机同轴。15 光电编码器光电编码器优点优点是原理构造简单，机械平均寿是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。适合于长距离传输。缺点缺点是无法输出轴转动的绝对是无法输出轴转动的绝对位置信息。位置信息。16三、绝对值编码器三、绝对值编码器 绝对值编码器是一种直接编码直接测量的传绝对值编码器是一种直接编码直接测量的传感器，它直接输出数字量。感器，它直接输出数字量。结构与脉冲编码器类似，只是其圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，直接形成二进制数直接形成二进制数。绝对值绝对值编码器也编码器也分为分为光电式光电式、电磁式电磁式和和接触接触式式三种。常用为光电式，其码盘三种。常用为光电式，其码盘如图。如图。17光电绝对值编码器光电绝对值编码器光电绝对值编码器光电绝对值编码器 18二进制自然码盘二进制自然码盘二进制格雷循环码盘二进制格雷循环码盘19 绝对值编码器是利用自然二进制或循环二进制绝对值编码器是利用自然二进制或循环二进制（格雷码）方式进行光电转换的。它（格雷码）方式进行光电转换的。它与增量式编码与增量式编码器的区别是不要计数器，在转轴的任意位置都可器的区别是不要计数器，在转轴的任意位置都可读读出一个固定的与位置相对应的数字码，根据码盘上出一个固定的与位置相对应的数字码，根据码盘上读出的编码确定转轴的绝对位置读出的编码确定转轴的绝对位置。其特点是：其特点是：1)可以直接读出角度坐标的绝对值；可以直接读出角度坐标的绝对值；2)没有累积误差；没有累积误差；3)电源切除后位置信息不会丢失。电源切除后位置信息不会丢失。绝对值编码器分辨率是由二进制的位数来决定绝对值编码器分辨率是由二进制的位数来决定的，即其精度取决于码道数的，即其精度取决于码道数N，码道越多，分辨率，码道越多，分辨率就越高。目前有就越高。目前有10位、位、14位、位、16位等绝对值编码器位等绝对值编码器产品。产品。20四、光栅四、光栅按光线按光线可可分反射、透射光栅；分反射、透射光栅；按原理按原理可分透射直线式、莫尔条纹式光栅；可分透射直线式、莫尔条纹式光栅；按形状按形状还可分为圆光栅和长光栅。还可分为圆光栅和长光栅。圆光栅用于角位移的检测，长光栅用于直线位圆光栅用于角位移的检测，长光栅用于直线位移的检测。移的检测。光栅是一种非接触式测量，它将机械位移或光栅是一种非接触式测量，它将机械位移或模拟量转变成数字脉冲，测量精度高模拟量转变成数字脉冲，测量精度高(微米级微米级)。光栅的测量原理是将光栅移动时产生的光线光栅的测量原理是将光栅移动时产生的光线明暗变化转化成脉冲电信号变化而工作的。明暗变化转化成脉冲电信号变化而工作的。21 光栅光栅由光栅尺和光栅读数头由光栅尺和光栅读数头两部分组成。光栅两部分组成。光栅尺包括标尺光栅和指示光栅。光栅的结构如图。尺包括标尺光栅和指示光栅。光栅的结构如图。1.光栅检测装置组成光栅检测装置组成 标尺光栅标尺光栅固定在机床运动部件上，固定在机床运动部件上，指示光栅指示光栅在光栅读数在光栅读数头内部，装在机床固定件上头内部，装在机床固定件上，两者间隙，两者间隙0.050.051mm1mm。(1)光栅结构光栅结构光栅读数头光栅读数头22对于长光栅：线纹等距平行线，间距称栅距对于长光栅：线纹等距平行线，间距称栅距p p。对于圆光栅：线纹是等栅距角的向心条纹。对于圆光栅：线纹是等栅距角的向心条纹。栅距栅距p和栅距角是决定光栅性质的基本参数。和栅距角是决定光栅性质的基本参数。常见长光栅的线纹密度为常见长光栅的线纹密度为25250条条/mm。圆光栅，。圆光栅，若直径为若直径为110mm，一周内刻线达，一周内刻线达6001024条，甚条，甚至更高。至更高。同一个光栅元件，其标尺光栅和指示光栅的线纹同一个光栅元件，其标尺光栅和指示光栅的线纹密度必须相同。密度必须相同。(2)光栅尺线纹光栅尺线纹 光栅是用真空镀膜的方法在透明玻璃片或长光栅是用真空镀膜的方法在透明玻璃片或长条形金属镜面上光刻均匀密集线纹形成的条形金属镜面上光刻均匀密集线纹形成的。23光栅检测装置结构示意图光栅检测装置结构示意图(3)光栅检测装置构成光栅检测装置构成242.透射直线式透射直线式光栅检测装置光栅检测装置 这种光栅这种光栅只能透过单个透明间隔只能透过单个透明间隔，光强度弱，光强度弱，脉冲信号也不强，适用于线纹较粗的场合。脉冲信号也不强，适用于线纹较粗的场合。结构特点：结构特点：指示光栅与指示光栅与标尺光栅线标尺光栅线纹平行纹平行25指示光栅指示光栅3.莫尔条纹式莫尔条纹式光栅检测装置光栅检测装置结构特点：结构特点：指示光栅与指示光栅与标尺光栅线标尺光栅线纹交叉纹交叉角角wp26WP/莫尔条纹莫尔条纹特点：特点：1)1)光强近似余弦分布；光强近似余弦分布；2)2)放大光栅栅距；放大光栅栅距；3)3)平均栅距误差；平均栅距误差；4)4)莫尔条纹的移动与栅莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例。距之间的移动成比例。（标尺走过一个（标尺走过一个p p，莫，莫尔条纹移动一个尔条纹移动一个w w）wp271 1）响应速度快、量程宽、测量精度高；）响应速度快、量程宽、测量精度高；测直线位移，精度可达测直线位移，精度可达0.50.53m(300mm3m(300mm范围内范围内)，分辨率可达分辨率可达0.1m0.1m；测角位移，精度可达；测角位移，精度可达0.150.15，分辨率可达分辨率可达0.10.1，甚至更高。，甚至更高。2 2）可实现动态测量，易于自动化；）可实现动态测量，易于自动化；3 3）具有较强的抗干扰能力；）具有较强的抗干扰能力；4 4）怕振动、怕油污，高精度光栅的制作成本高。）怕振动、怕油污，高精度光栅的制作成本高。4.光栅测量特点光栅测量特点284.3步进电机开环控制步进电机开环控制 步进电机在驱动单元控制下步进电机在驱动单元控制下将进给脉冲转换成将进给脉冲转换成机械的角位移机械的角位移，并通过滚珠丝杠带动工作台移动。，并通过滚珠丝杠带动工作台移动。一、步进电机工作原理一、步进电机工作原理1.步进开环系统的工作原理步进开环系统的工作原理29 步进电动机步进电动机将脉冲转换成机械角位移，通过步将脉冲转换成机械角位移，通过步进驱动器带动，精度高，惯性小。进驱动器带动，精度高，惯性小。f代表驱动速度；代表驱动速度；n代表位移量；代表位移量；运动方向是电机各相通电顺序来决定。运动方向是电机各相通电顺序来决定。步进步进电机各相保持通电状态就能使电机自锁。电机各相保持通电状态就能使电机自锁。30 步进电机也由步进电机也由定定子和转子子和转子组成。分组成。分反反应式、永磁式，混合应式、永磁式，混合式式三种。三种。反应式反应式反应式反应式的的定子上定子上有六个磁极有六个磁极，每个磁，每个磁极上绕有励磁绕组，极上绕有励磁绕组，每相对的两个磁极组每相对的两个磁极组成一相，成一相，分成分成A、B、C三相。三相。接成接成Y型。型。转子无绕组，由转子无绕组，由带齿的铁心制成。带齿的铁心制成。2.步进电机的结构步进电机的结构三相反应式步进电机结构三相反应式步进电机结构6031 步进电机是按步进电机是按电磁吸引的原理进电磁吸引的原理进行工作的。行工作的。当定子当定子绕组按顺序轮流通绕组按顺序轮流通电时，电时，A、B、C三三对磁极就依次产生对磁极就依次产生磁场，磁场，每次将离开每次将离开最近的某一对转子最近的某一对转子齿吸引，齿吸引，从而使转从而使转子一步步转动。子一步步转动。3.步进电机的工作原理步进电机的工作原理 步进电机对应每个脉冲每次所转过的角度称步进电机对应每个脉冲每次所转过的角度称为为步距角步距角。321)三相单三拍运行三相单三拍运行 假设转子有四齿，假设转子有四齿，三相单三拍三相单三拍是指定子按：是指定子按：正转：正转：ABCA顺序通电；顺序通电；或：或：反转：反转：ACBA顺序通电；顺序通电；每切换一次，转子就顺每切换一次，转子就顺(逆逆)时针转过时针转过30(步距角步距角)。30333)三相六拍通电顺序：三相六拍通电顺序：正转：正转：AABBBCCCAA反转：反转：AACCCBBBAA步距角为步距角为15，特点是旋转精度高，且转换过，特点是旋转精度高，且转换过程中始终保证有一相绕组通电，工作稳定，因此这程中始终保证有一相绕组通电，工作稳定，因此这种方式被大量采用。种方式被大量采用。2)三相双三拍通电顺序：三相双三拍通电顺序：正转：正转：ABBCCAAB反转：反转：ACCBBAAC步距角仍为步距角仍为30，特点是，特点是切换时总保持一相通电切换时总保持一相通电，所以工作比较稳定。所以工作比较稳定。34 步距角步距角和步进电机的相数、通电方式及电机和步进电机的相数、通电方式及电机转子齿数的关系如下：转子齿数的关系如下：式中式中步进电机的步距角；步进电机的步距角；m电机相数；电机相数；Z转子齿数；转子齿数；K系数，相邻两次通电相数相同，系数，相邻两次通电相数相同，K1；相邻两次通电相数不同，相邻两次通电相数不同，K2。同一相数的步进电机可有两种步距角同一相数的步进电机可有两种步距角，通常，通常为为1.2/0.6、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。度等。二、步进电机的主要性能指标二、步进电机的主要性能指标1.步距角和步距误差步距角和步距误差35 步距误差步距误差是指步进电机运行时，转子每一步是指步进电机运行时，转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差值。通常控制实际转过的角度与理论步距角之差值。通常控制在在10以内。以内。连续走若干步时，步距误差的累积值称为连续走若干步时，步距误差的累积值称为步步距的累积误差距的累积误差。由于步进电机转过一转后，将重复上一转的稳由于步进电机转过一转后，将重复上一转的稳定位置，所以定位置，所以步距累积误差将以一转为周期重复出步距累积误差将以一转为周期重复出现现。362.静态转矩与矩角特性静态转矩与矩角特性1)失调角失调角当步进电机某当步进电机某相定子绕组通电并相定子绕组通电并带上负载之后，转带上负载之后，转子齿与定子齿之间子齿与定子齿之间会产生偏离。会产生偏离。转子偏离平衡转子偏离平衡转子偏离平衡转子偏离平衡位置向负载转矩方位置向负载转矩方位置向负载转矩方位置向负载转矩方向转过的向转过的向转过的向转过的角度角度角度角度 称为称为称为称为失调角失调角失调角失调角。A相偏离相偏离37失调角使步进电失调角使步进电机产生一个静态转矩机产生一个静态转矩（电磁转矩），它与（电磁转矩），它与失调角失调角的大小呈近的大小呈近似正弦关系，且等于似正弦关系，且等于负载转矩。被称为负载转矩。被称为矩矩角特性角特性。矩角特性矩角特性的静态转矩最大值称为最大静转矩。的静态转矩最大值称为最大静转矩。在静态稳定区内，当外加负载转矩除去时，转子在在静态稳定区内，当外加负载转矩除去时，转子在电磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置电磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置(0)2)矩角特性矩角特性38如图所示为三相单三拍的矩角特性曲线，图中如图所示为三相单三拍的矩角特性曲线，图中的的A相、相、B相曲线的交点相曲线的交点所对应的转矩是步进电机所对应的转矩是步进电机的的最大启动转矩最大启动转矩Tq。如果外加负载转矩大于。如果外加负载转矩大于Tq，电机就不能启动。启动转矩是电机能带动负载转动电机就不能启动。启动转矩是电机能带动负载转动的极限转矩。的极限转矩。3.最大启动转矩最大启动转矩Tq392设：设：TL=TaA相通电，失调角相通电，失调角1，平衡；，平衡；B相通电时，相通电时，TbTa，旋转，当，旋转，当TbTL时，失调时，失调角为角为2，新的平衡建立，新的平衡建立404.启动频率启动频率空载时，步进电机由静止状态突然起动，并进空载时，步进电机由静止状态突然起动，并进入不失步的正常运行的最高频率，称为启动频率或入不失步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率。突跳频率。指令脉冲的频率如大于启动频率，电机指令脉冲的频率如大于启动频率，电机就不能正常工作。步进电机在带负载（尤其是惯性就不能正常工作。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，而且随着负载加负载）下的启动频率比空载要低，而且随着负载加大（在允许范围内），启动频率会进一步降低。大（在允许范围内），启动频率会进一步降低。5.连续运行频率连续运行频率步进电机起动后，其运行速度能根据指令脉冲步进电机起动后，其运行速度能根据指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。运行频率。其值远大于启动频率，它也随着电机所其值远大于启动频率，它也随着电机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。系。41Tf6.矩频特性与动态转矩矩频特性与动态转矩矩频特性是描述步进电机矩频特性是描述步进电机连续稳定运行时连续稳定运行时输出转矩与连输出转矩与连续运行频率之间的关系续运行频率之间的关系，该特，该特性上性上每一个频率对应的转矩称每一个频率对应的转矩称为动态转矩为动态转矩。当步进电机正常运行时，当步进电机正常运行时，若输入脉冲频率逐渐增加，则若输入脉冲频率逐渐增加，则电动机所能带动负载转矩将逐电动机所能带动负载转矩将逐渐下降。渐下降。在使用时，一定要考在使用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的虑动态转矩随连续运行频率的上升而下降的特点。上升而下降的特点。矩频特性42步进电机驱动线路步进电机驱动线路完成由弱电到强电的转换和完成由弱电到强电的转换和放大，功能是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需放大，功能是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需的具有一定功率的电流脉冲信号的具有一定功率的电流脉冲信号。它包含。它包含环形分配环形分配器和功率放大器。器和功率放大器。三、步进电机功率驱动电路三、步进电机功率驱动电路环形分配器环形分配器是用于控制步进电机的通电方式。是用于控制步进电机的通电方式。其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按照一其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按照一定的顺序和分配方式加到功率放大器上，控制各相定的顺序和分配方式加到功率放大器上，控制各相绕组的通电、断电。绕组的通电、断电。环形分配器功能可由硬件或软件产生，硬环分环形分配器功能可由硬件或软件产生，硬环分是根据步进电机的相数和控制方式设计的逻辑时序是根据步进电机的相数和控制方式设计的逻辑时序电路。电路。1.环形分配器环形分配器43软件环形分配器实现较软件环形分配器实现较为简单、方便。计算机控制为简单、方便。计算机控制的步进电机驱动系统中，使的步进电机驱动系统中，使用软件实现脉冲分配，用软件实现脉冲分配，常用常用的是查表法的是查表法。例如对于三相六拍环形例如对于三相六拍环形分配器，每当接收到一个进分配器，每当接收到一个进给脉冲指令，环形分配器软给脉冲指令，环形分配器软件根据翻转真值表，按顺序件根据翻转真值表，按顺序及方向控制微机输出接口将及方向控制微机输出接口将A、B、C的值输出即可。的值输出即可。软件环形分配器软件环形分配器序号A B C 方向 1 1 0 0 2 1 1 0 3 0 1 0 4 0 1 1 5 0 0 1 6 1 0 1 反转 正转44功率放大器的作用是将环形分配器发出的电功率放大器的作用是将环形分配器发出的电平信号放大至几安培几十安培的电流送至步进平信号放大至几安培几十安培的电流送至步进电机各相绕组。电机各相绕组。2.功率放大器功率放大器45步进电机微机控制步进电机微机控制利用微机对步进电机进行控制，有利用微机对步进电机进行控制，有串行串行和和并行并行两两种方式。种方式。1.1.串行控制串行控制 该方式使单片机系统与步进电动机驱动电源该方式使单片机系统与步进电动机驱动电源之间具有较少的连线。单片机通过之间具有较少的连线。单片机通过I/OI/O接口将信号接口将信号送入步进电动机驱动电源的环形分配器，所以在这送入步进电动机驱动电源的环形分配器，所以在这种系统中，驱动电源中种系统中，驱动电源中必须含有环形分配器必须含有环形分配器。46步进电动机的串行控制步进电动机的串行控制47 CP CP脉冲用来控制步进电动机转动的脉冲用来控制步进电动机转动的角度，每输入一个脉冲，步进电动机转角度，每输入一个脉冲，步进电动机转动一个步距角。动一个步距角。方向信号方向信号CWCW为电平输入信号端，用为电平输入信号端，用来控制电动机转动的方向，来控制电动机转动的方向，CWCW为高电平为高电平时，步进电动机在时，步进电动机在CPCP端输入脉冲时顺时端输入脉冲时顺时针转动；针转动；CWCW为低电平时，步进电动机在为低电平时，步进电动机在CPCP端输入脉冲时逆时针转动。端输入脉冲时逆时针转动。482 2.并行控制并行控制 用微机系统的数条端口线用微机系统的数条端口线直线直线去控制步进电动去控制步进电动机各相驱动电路的方法称为并行控制。在电动机驱动机各相驱动电路的方法称为并行控制。在电动机驱动电源内，电源内，不包括环形分配器，而其功能必须由微机系不包括环形分配器，而其功能必须由微机系统完成统完成。计算机系统实现环形分配器的功能又有两种方法：计算机系统实现环形分配器的功能又有两种方法：1 1）纯软件方法）纯软件方法 即完全用软件来实现相序的分即完全用软件来实现相序的分配，直接输出各相导通或截止的信号，主要由寄存器配，直接输出各相导通或截止的信号，主要由寄存器移位法和查表法。移位法和查表法。2 2）软、硬件相结合的方法）软、硬件相结合的方法 专门设计的一种编专门设计的一种编程器接口，计算机向接口输出简单形式的代码数据，程器接口，计算机向接口输出简单形式的代码数据，而接口输出的是步进电动机各相导通或截止的信号。而接口输出的是步进电动机各相导通或截止的信号。49步进电动机的并行控制步进电动机的并行控制503 3.步进电动机速度控制步进电动机速度控制 实际上就是控制系统发出时钟脉冲的频率实际上就是控制系统发出时钟脉冲的频率或者换相的周期。系统可用两种办法来确定或者换相的周期。系统可用两种办法来确定时钟脉冲的周期：时钟脉冲的周期：1 1）软件延时）软件延时 通过调用延时子程序的方法来实现，占通过调用延时子程序的方法来实现，占用用CPUCPU时间。时间。2 2）定时器）定时器 通过设置定时时间常数的方法来实现。通过设置定时时间常数的方法来实现。514 4.步进电动机的加减速控制步进电动机的加减速控制 在点位控制系统中，系统极限起动频率是在点位控制系统中，系统极限起动频率是比较低的，而要求的运行速度往往较高，如果比较低的，而要求的运行速度往往较高，如果系统要以要求的速度直接起动，可能发生丢步系统要以要求的速度直接起动，可能发生丢步或根本不能运行的情况。系统运行起来之后，或根本不能运行的情况。系统运行起来之后，如果达到终点时停发脉冲串，令其立即停止，如果达到终点时停发脉冲串，令其立即停止，则因为系统的惯性原因，会发生冲过终点的则因为系统的惯性原因，会发生冲过终点的“超程超程”现象，使点位控制发生偏差。现象，使点位控制发生偏差。因此在点位控制过程中，运行速度都需因此在点位控制过程中，运行速度都需要有一个加速要有一个加速恒速恒速减速减速低恒速低恒速停止的过程。停止的过程。52步进电动机点位控制的加减速过程步进电动机点位控制的加减速过程各种系统在工作过程中，都要求加减速过各种系统在工作过程中，都要求加减速过程时间尽量短，恒速时间尽量长。特别是在程时间尽量短，恒速时间尽量长。特别是在要求快速响应的工作中，从起点至终点运行要求快速响应的工作中，从起点至终点运行的时间要求最短，这就必须要求升速、减速的时间要求最短，这就必须要求升速、减速的过程最短，恒速时的速度最高。的过程最短，恒速时的速度最高。53 用微机读步进电动机进行加减速控制，实际上，用微机读步进电动机进行加减速控制，实际上，就是改变输出时钟脉冲的时间间隔。升速时，使就是改变输出时钟脉冲的时间间隔。升速时，使脉冲串逐渐加密；减速时，使脉冲串逐渐稀疏。脉冲串逐渐加密；减速时，使脉冲串逐渐稀疏。系统在执行升降速控制过程中，对加减速的控系统在执行升降速控制过程中，对加减速的控制还需准备下列数据：制还需准备下列数据：1 1）加减速的斜率；）加减速的斜率；2 2）升速过程的总步数；）升速过程的总步数；3 3）恒速运行总步数；）恒速运行总步数；4 4）减速运行的总步数。）减速运行的总步数。544.4位置控制位置控制 根据位置环比较的方式不同，又将闭环、半闭根据位置环比较的方式不同，又将闭环、半闭环系统分为环系统分为数字脉冲比较伺服系统、相位比较伺服数字脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统和幅值比较伺服系统系统和幅值比较伺服系统。一一.数字脉冲比较伺服系统数字脉冲比较伺服系统 1.1.特点特点 指令位置信号与位置检测装置的反馈信号在指令位置信号与位置检测装置的反馈信号在位置控制单元中，是以位置控制单元中，是以脉冲、数字脉冲、数字的形式进行比的形式进行比较的。比较后得到的位置偏差经较的。比较后得到的位置偏差经D/AD/A转换，发送转换，发送给速度控制单元。给速度控制单元。55半闭环数字比较系统结构框图半闭环数字比较系统结构框图562.2.工作原理工作原理 采用光电编码器产生位置反馈脉冲信号采用光电编码器产生位置反馈脉冲信号P Pt t，实现指令脉冲实现指令脉冲F F与反馈脉冲与反馈脉冲P Pt t的脉冲比较，以取得的脉冲比较，以取得位置偏差信号位置偏差信号e e，以位置偏差信号以位置偏差信号e e作为速度给定作为速度给定的伺服电动机速度调节系统。的伺服电动机速度调节系统。3.3.位置检测装置位置检测装置 常采用光电编码器、光栅。常采用光电编码器、光栅。57二二.相位比较伺服系统相位比较伺服系统 1.1.特点特点 指令脉冲信号和位置检测反馈信号都转换为指令脉冲信号和位置检测反馈信号都转换为相应相应的的同频率同频率的的某一载波某一载波的的不同相位不同相位的脉冲信号，的脉冲信号，在位置控制单元中进行相位的比较。它们的相位在位置控制单元中进行相位的比较。它们的相位差差反映了该指令位置与实际位置的偏差。反映了该指令位置与实际位置的偏差。58相位比较伺服系统原理框图相位比较伺服系统原理框图592.2.工作原理工作原理 设设F=0F=0，工作台静止；此时工作台静止；此时P PA A()和和P PB B()为两个同频为两个同频同相的脉冲信号；经鉴相器进行相位判别，输出的相位差同相的脉冲信号；经鉴相器进行相位判别，输出的相位差=0=0。此时，伺服放大器的速度给定为此时，伺服放大器的速度给定为0 0，它输出到伺，它输出到伺服电动机的电枢电压也为服电动机的电枢电压也为0 0，工作台维持在，工作台维持在静止状态静止状态。若若F F00：1 1）F F为为“+”，P PA A()+)+；工作台静止，则工作台静止，则P PB B()=0)=0；=+0=+0，工作台工作台正向移动正向移动。2 2）F F为为“-”，P PA A()-)-；工作台静止，则工作台静止，则P PB B()=0)=0；=-0=-0，工作台工作台反向移动反向移动。3.3.位置检测装置位置检测装置 采用感应同步器。采用感应同步器。60三三.幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 1.1.特点特点 幅值比较伺服系统是以位置检测信号的幅值比较伺服系统是以位置检测信号的幅值幅值大小大小来反映机械位移的数值，并以此作为位置来反映机械位移的数值，并以此作为位置反馈信号与指令信号进行比较构成的闭环控制反馈信号与指令信号进行比较构成的闭环控制系统。其特点是所用的位置检测元件应系统。其特点是所用的位置检测元件应工作在工作在幅值工作方式幅值工作方式。61幅值比较伺服系统原理框图幅值比较伺服系统原理框图622.2.工作原理工作原理 其工作原理与相位伺服系统基本相同，不同其工作原理与相位伺服系统基本相同，不同之处在于幅值伺服系统的位置检测器将测量出之处在于幅值伺服系统的位置检测器将测量出的实际位置转换成测量信号的幅值的大小，再的实际位置转换成测量信号的幅值的大小，再通过测量信号处理电路，将幅值的大小转换成通过测量信号处理电路，将幅值的大小转换成反馈脉冲频率的高低。反馈脉冲频率的高低。3.3.位置检测装置位置检测装置 采用感应同步器和旋转变压器。采用感应同步器和旋转变压器。63