步进电动机伺服系统介绍

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,#,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,伺服电,路,路、伺,服,服驱动,装,装置、,机,机械传,动,动机构,及,及执行,部,部件。,作用：,接,接受数,控,控系统,发,发出的,进,进给速,度,度和位,移,移指令,信,信号,由,由伺服,驱,驱动电,路,路作一,定,定的转,换,换和放,大,大后,经,经伺服,驱,驱动装,置,置(直流、,交,交流伺,服,服电机,、,、电液,脉,脉冲马,达,达、功,率,率步进,电,电机、,电,电液伺,服,服阀液压马,达,达等)机械传,动,动机构,驱动,机,机床的,工,工作台,、,、主轴,头,头架等,执,执行部,件,件实现,工,工作进,给,给和快,速,速运动,。,。,数控进,给,给伺服,系,系统的,性,性能，,取,取决于,组,组成它,的,的伺服,驱,驱动系,统,统与机,械,械传动,机,机构中,各,各环节,的,的特性,，,，也取,决,决于系,统,统中各,环,环节性,能,能参数,的,的合理,匹,匹配。,数控进,给,给伺服,系,系统是,一,一个位,置,置控制,系,系统。,6.1,.,.2数控机,床,床对伺,服,服系统,的,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,动机伺,服,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,机的结,构,构及工,作,作原理,1.定义,步进电,机,机亦称,脉,脉冲电,机,机（控,制,制电机,）,），是,把,把电脉,冲,冲信号,转,转换为,相,相应的,角,角位移,（,（或线,位,位移）,的,的电机械装,置,置，是,一,一种输,出,出与输,入,入的数,字,字脉冲,对,对应的,增,增量驱,动,动元件,。,。,2.分类,永磁式,按工作,原,原理分,反,反,应,应式,工作原,理,理不同,，,，结构,不,不同,永磁感,应,应式,混合式,按励,磁,磁相数,分,分：3相、4相、5相、6相等,快速步,进,进电机,按功,率,率分：,功率步,进,进电机,3.反应式,步进电,机,机的结,构,构,步进电,机,机由转,子,子和定,子,子两部,分,分组成,定子上,有,有绕组,分,分为若,干,干相，,每,每相磁,极,极上有,极,极齿。,左图为,三,三相定,子,子：AA,BB,CC,A、B,、,、C三相每,相,相两极,，,，,每极上,五,五个齿,1),定,定子,五个极,齿,齿,定子上,线,线圈的,绕,绕法,下一页,上一页,返回,2),转,转子,转子上,有,有均匀,分,分布的,齿，没,有,有绕组,。,。,转子齿,间,间夹角,为,为9o,左图为,一,一转子,示,示意图,：,：,下一页,上一页,返回,下一页,上一页,步进电,机,机,返回,步进电,机,机功率,驱,驱动器,下一页,上一页,返回,下一页,上一页,步进电,机,机功率,驱,驱动器,返回,5.,工作原,理,理,三拍通电激磁，步距角,s,=,=3,o,一般,s,=,m,绕组相数；,Z,转子齿数,。,六拍通电激磁，步距角,s,=1.5,o,下一页,上一页,返回,定子绕,组,组通断电,顺,顺序 转,子,子转向,定子绕,组,组通断电,转,转换频,率,率 转,子,子转速,定子绕,组,组通断电,次,次数 转,子,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,方式,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,之间的关系，即,T,f(),当某相绕组通电时有，,转子无力矩输出，加一负载力矩,T,L,。,转子瞬时针转过一个角度,，当,T,T,L,时平衡。,（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,T,L,作用,0,，但只要,时，当,T,L,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,f,st,。一般空载启动频率比带载高。,一般在,f,st,下的最大转矩称为启动转矩,T,q,，设计中,T,q,T,L,。,在步进电机产品说明书中给定了,T,max,，可以通过上表查出,T,q,，反过来核算其带载的能力。,从下图可以看出,s,减小两绕组距角特性之交点,T,q,增大。,0.866,0.866,0.951,0.809,0.707,0.707,0.866,0.5,T,q,/T,max,12,6,10,5,8,4,6,3,拍数,6,5,4,3,相数,反应式步进电机启动转矩,3）最,高,高工作,频,频率,步进电,机,机工作,频,频率连,续,续上升,时,时，电,动,动机不,失,失步运,行,行的最,高频率,称,称为最,高,高工作,频,频率。,它的值,也,也和负,载,载有关,。,。很显,然,然，在,同,同样负,载,载下，,最,最高工,作频率,远,远大于,己,己于启,动,动频率,.,.,在连续,运,运行状,态,态下，,步,步进电,机,机的电,磁,磁力矩,随,随频率,的,的升高,而,而,急剧下,降,降，这,两,两者的,关,关系称,为,为矩频,特,特性.,4）矩,频,频特性,4)步距角,（,（）及步距,误,误差,步距角,是,是两个,相,相临脉,冲,冲时间,内,内转子,转,转过的,角,角度,一,一般来,说步距,角,角越小,控制,越,越精确,。,。,步距误,差,差直接,影,影响执,行,行部件,的,的定位,精,精度.,步进电,动,动机单,相,相通电,时,时,步,距,距误差,取,取决于,定,定子和,转,转子的,分,分齿,精度,和,和各相,定,定子错,位,位角度,的,的精度,。,。,多相通,电,电时,其,其不仅,与,与上述,因,因素有,关,关,还,和,和各相,电,电流大,小,小,磁,路性能,有,有关。,返回,下一页,上一页,（,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,f,max,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,a,max,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,i,max,故绕组有发热现象。,（3）过渡,态,态,指步进,电,电机从,一,一种工,作,作状态,进,进入另,一,一种工,作,作状态,。,。如，,从,从静止,到,到转动,、,、从转,动,动到静,止,止、从,正,正传到,反,反转等,。,。这些,状,状态转,变,变的过,渡,渡过程,为,为过渡,态,态。,a.启动,电机频,率,率从0增大到fst,转子转,速,速从0增大到nst,当fst高时，,指,指令中,止,止。,b.制动,从稳步,状,状态fn减小到0时，转,子,子从nn减小到0，当f高时，,产,产生过,冲,冲制动,。,。采用,不,不断降,速,速后制,动,动。,c.反转,从正到,反,反，从,反,反到正,。,。,8,计 算 式（另一种表达）,步距角：,例：,A B C,为三相三拍，,AB BC CA,双三拍,A AB B BC C CA,三相六拍,或：,例：一步进电机，,Z,r,40,，若按三相六拍运行，,s,？若电机输出轴带动导程,6mm,的驱动机构，,p,?,解：驱动模型为,根据式,6.2,.,.2步进伺,服,服驱动,电,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）,C B A,通电状态“,1”,，断点“,0”,初始状态,0 0 1 A,第一脉冲,0 1 1 AB,实现了三相六拍,第二脉冲,0 1 0 B,正转的通电拍序,第三脉冲,1 1 0 BC,第四脉冲,1 0 0 C,第五脉冲,1 0 1 CA,第 六脉冲,0 0 1 A,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：,YB016,A,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,A,0,、,A,1,：励磁控制，确定通电方式。,例：,A0,A1,0 0,单六拍,(A B C D E F ),0 1,三二相十二拍,(ABC BC BCD CD,AB FAB FA EFA EF DEF DE CDE),1 0,三相六拍,(ABC BCD CDE DEF EFA FABT ),1 1,三四相十二拍,(ABC ABCD BCD BCDE CDE CDEF DEF,FABC FAB EFAB EFA DEFA ),（,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：,OFFF8HOFFFEH,依次从,PB,0,PB,2,输入,01H 03H 02H 06H 04H 05H 01H,即可实现与硬环分同样的效果。,MOV AL,80H,MOV DX,OFFFEH,OUT DX,AL,；,8255,初始 ，,A,、,B,、,Cn,均为输出方式,MOV CL,06,；,L,1,:MOV SI,3800H,；数据指针,L,2,:MOV AL,SI,；从数据表中取数,MOV DX,OFFFAH,OUT DX,AL,；从,Bn,端口输出数据,CALL DELAY,；调 延时子程序,INC SI,DEC CL,JNZ L,2,JMP L,1,DELAY:CALL 20MS,；调用,20ms,子程序,RET,2步进电,机,机驱动,电,电源,（1）对驱,动,动电源,的,的要求,实际上,，,，步进,电,电机是感性负,载,载，绕组,中,中电流不能突,变,变，而是,按,按,指数规,律,律上升或,下,下降,从而使,整,整个通,电,电周期,内,内，绕,组,组电流平,均,均值下降，,电,电机输出转,矩,矩下降,。,。,理想驱动电,源,源使电,机,机绕组电,流,流,尽量接,