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：伺服电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件。,作用：接受数控系统发出的进给速度和位移指令信号由伺服驱动电路作一定的转换和放大后经伺服驱动装置,(,直流、交流伺服电机、电液脉冲马达、功率步进电机、电液伺服阀,液压马达等,),机械传动机构驱动机床的工作台、主轴头架等执行部件实现工作进给和快速运动。,数控进给伺服系统的性能，取决于组成它的伺服驱动系统与机械传动机构中各环节的特性，也取决于系统中各环节性能参数的合理匹配。,数控进给伺服系统是一个位置控制系统,。,6.1.2,数控机床对伺服系统的,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,步进电动机伺服系统,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,步进电机的结构及工作原理,1.,定义,步进电机亦称脉冲电机（控制电机），是把电脉冲信号转换为相应的角位移（或线位移）的电,机械装置，是一种输出与输入的数字脉冲对应的增量驱动元件。,2.,分类,永磁式,按工作原理分 反应式,工作原理不同，结构不同,永磁感应式,混合式,按励磁相数分：,3,相、,4,相、,5,相、,6,相等,快速步进电机,按功率分：,功率步进电机,3.,反应式,步进电机的结构,步进电机由转子和定子两部分组成,定子上有绕组分为若干相，每相磁极上有极齿。,左图为三相定子：,AA,BB,CC,A、B、C,三相每相两极，,每极上五个齿,1)定子,五个极齿,定子上线圈的绕法,下一页,上一页,返回,2)转子,转子上有均匀分布的,齿，没有绕组。,转子齿间夹角为9,o,左图为一转子示意图：,下一页,上一页,返回,下一页,上一页,步进电机,返回,步进电机,功,功率驱动,器,器,下一页,上一页,返回,下一页,上一页,步进电机,功,功率驱动,器,器,返回,5.,工作原理,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,定子绕组通断电顺,序,序 转子转向,定子绕组通断电转,换,换频率 转子转速,定子绕组通断电次,数,数 转子转角,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,式,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,工,工作频率,步进电机,工,工作频率,连,连续上升,时,时，电动,机,机不失步,运,运行的最,高频率称,为,为最高工,作,作频率。,它的值也,和,和负载有,关,关。很显,然,然，在同,样,样负载下,，,，最高工,作频率远,大,大于己于,启,启动频率.,在连续运,行,行状态下,，,，步进电,机,机的电磁,力,力矩随频,率,率的升高,而,而,急,剧,剧,下,下,降,降,，,，,这,这,两,两,者,者,的,的,关,关,系,系,称,称,为,为,矩,矩,频,频,特,特,性,性.,4,）,）,矩,矩,频,频,特,特,性,性,4),步,距,距,角,角,（,（,）,）,及,步,步,距,距,误,误,差,差,步,距,距,角,角,是,是,两,两,个,个,相,相,临,临,脉,脉,冲,冲,时,时,间,间,内,内,转,转,子,子,转,转,过,过,的,的,角,角,度,度,一,一,般,般,来,来,说,步,步,距,距,角,角,越,越,小,小,控,控,制,制,越,越,精,精,确,确,。,。,步,距,距,误,误,差,差,直,直,接,接,影,影,响,响,执,执,行,行,部,部,件,件,的,的,定,定,位,位,精,精,度,度.,步,进,进,电,电,动,动,机,机,单,单,相,相,通,通,电,电,时,时,步,步,距,距,误,误,差,差,取,取,决,决,于,于,定,定,子,子,和,和,转,转,子,子,的,的,分,分,齿,齿,精,度,度,和,和,各,各,相,相,定,定,子,子,错,错,位,位,角,角,度,度,的,的,精,精,度,度,。,。,多,相,相,通,通,电,电,时,时,其,其,不,不,仅,仅,与,与,上,上,述,述,因,因,素,素,有,有,关,关,还,还,和,和,各,各,相,相,电,电,流,流,大,大,小,小,磁,磁,路,性,性,能,能,有,有,关,关,。,。,返,回,回,下,一,一,页,页,上,一,一,页,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,过,渡,渡,态,态,指,步,步,进,进,电,电,机,机,从,从,一,一,种,种,工,工,作,作,状,状,态,态,进,进,入,入,另,另,一,一,种,种,工,工,作,作,状,状,态,态,。,。,如,如,，,，,从,从,静,静,止,止,到,到,转,转,动,动,、,、,从,从,转,转,动,动,到,到,静,静,止,止,、,、,从,从,正,正,传,传,到,到,反,反,转,转,等,等,。,。,这,这,些,些,状,状,态,态,转,转,变,变,的,的,过,过,渡,渡,过,过,程,程,为,为,过,过,渡,渡,态,态,。,。,a.,启,动,动,电,机,机,频,频,率,率,从,从,0,增,大,大,到,到,f,st,转,子,子,转,转,速,速,从,从,0,增大到,n,st,当,f,st,高时，指令,中,中止。,b.,制动,从稳步状态,f,n,减小到,0,时，转子从,n,n,减小到,0,，当,f,高时，产生,过,过冲制动。,采,采用不断降,速,速后制动。,c.,反转,从正到反，,从,从反到正。,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,步进伺服驱,动,动电路,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,步进电机驱,动,动电源,（,1,）,对驱动电,源,源的要求,实际上，步,进,进电机是感性负载，绕组中电,流,流不能突变，而是按,指数规律上升或下降,从而使整个,通,通电周期内,，,，绕组电流平均值下降，电机输出转矩下,降,降。,理想驱动电源使,电,电机绕组电流,尽量接近矩形波。,而当电机运行频率很,高,高时，电流峰,值,值,显著小于额,定,定励磁电流，,从,从而导致电