(完整版)2011-數(shù)控技術—第六章

1、2021-11-20 henan polytechnic university 主主 講：秦講：秦 歌歌答疑時間：周二晚答疑時間：周二晚j202a機械與動力工程學院機械與動力工程學院2012-04數(shù)數(shù) 控控 技技 術術school of mechanical and power engineering2021-11-20第六章第六章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 本章內容：本章內容： 概述概述 開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)開環(huán)步進式伺服系統(tǒng) 位置檢測裝置位置檢測裝置閉環(huán)（交直流）伺服系統(tǒng)閉環(huán)（交直流）伺服系統(tǒng)2021-11-20 伺服來自英文單詞伺服來自英文單詞servo， “ “伺服（伺服（s

2、ervo）”在中英文里一在中英文里一個音、意都相同的詞，顧名思義，它表示個音、意都相同的詞，顧名思義，它表示“伺候服侍伺候服侍”，指系統(tǒng)跟隨指系統(tǒng)跟隨外部指令進行人們所期望的運動。外部指令進行人們所期望的運動。在數(shù)控機床中，伺服是指在數(shù)控機床中，伺服是指有關的傳動或運動參數(shù)均嚴格按照數(shù)控裝置的控制指令實現(xiàn)，有關的傳動或運動參數(shù)均嚴格按照數(shù)控裝置的控制指令實現(xiàn)，這些參數(shù)主要包括運動的速度、運動的方向和運動的起停位這些參數(shù)主要包括運動的速度、運動的方向和運動的起停位置等。置等。伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從液壓、氣動到電氣的過程，伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從液壓、氣動到電氣的過程，而電氣伺服系統(tǒng)包括伺服電機、反

3、饋裝置和控制器。而電氣伺服系統(tǒng)包括伺服電機、反饋裝置和控制器。 在在2020世紀世紀6060年代，最早是直流電機作為主要執(zhí)行部件。年代，最早是直流電機作為主要執(zhí)行部件。 在在7070年代以后，交流伺服電機的性價比不斷提高，逐漸取代年代以后，交流伺服電機的性價比不斷提高，逐漸取代直流電機成為伺服系統(tǒng)的主導執(zhí)行電機。直流電機成為伺服系統(tǒng)的主導執(zhí)行電機。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述2021-11-20 現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)最早被應用到宇航和軍事領域，比如火炮、雷達控制?，F(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)最早被應用到宇航和軍事領域，比如火炮、雷達控制。逐漸進入到工業(yè)領域和民用領域。工業(yè)應用主要包括高精度數(shù)控機床、機逐漸進入到工業(yè)

4、領域和民用領域。工業(yè)應用主要包括高精度數(shù)控機床、機器人和其他廣義的數(shù)控機械。器人和其他廣義的數(shù)控機械。伺服用量最大的行業(yè)依次是：機床、食品包伺服用量最大的行業(yè)依次是：機床、食品包裝、紡織、電子半導體、塑料、印刷和橡膠機械，合計超過裝、紡織、電子半導體、塑料、印刷和橡膠機械，合計超過7575。在數(shù)控機床中使用永磁無刷伺服電機代替步進電機做進給已經(jīng)成為標準，在數(shù)控機床中使用永磁無刷伺服電機代替步進電機做進給已經(jīng)成為標準，部分高端產(chǎn)品開始采用永磁交流直線伺服系統(tǒng)。在主軸傳動中采用高速永部分高端產(chǎn)品開始采用永磁交流直線伺服系統(tǒng)。在主軸傳動中采用高速永磁交流伺服取代異步變頻驅動來提高效率和速度也成為熱點

5、。磁交流伺服取代異步變頻驅動來提高效率和速度也成為熱點。9090年代以來，年代以來，歐、美、日各國爭相開發(fā)應用新一代高速數(shù)控機床，高速電主軸單元轉數(shù)歐、美、日各國爭相開發(fā)應用新一代高速數(shù)控機床，高速電主軸單元轉數(shù)在在30000rpm30000rpm100000rpm100000rpm，工作臺的進給速度在分辨率為，工作臺的進給速度在分辨率為1m1m時達到時達到100m/min100m/min，甚至，甚至200m/min200m/min以上以上, , 在分辨率為在分辨率為0.1m0.1m時，在時，在24m/min24m/min以上。以上。當今數(shù)控機床突出高速、高精、高動態(tài)、高剛性的特點，對位置系統(tǒng)

6、的要當今數(shù)控機床突出高速、高精、高動態(tài)、高剛性的特點，對位置系統(tǒng)的要求包括求包括: :定位速度和輪廓切削進給速度；定位精度和輪廓切削精度；精加定位速度和輪廓切削進給速度；定位精度和輪廓切削精度；精加工的表面粗糙度；在外界干擾下的穩(wěn)定性。這些要求的滿足主要取決于伺工的表面粗糙度；在外界干擾下的穩(wěn)定性。這些要求的滿足主要取決于伺服系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)特性。服系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)特性。2021-11-20 現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)最早被應用到宇航和軍事領域，比如火炮、雷達控制?，F(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)最早被應用到宇航和軍事領域，比如火炮、雷達控制。逐漸進入到工業(yè)領域和民用領域。工業(yè)應用主要包括高精度數(shù)控機床、機逐漸進入到工

7、業(yè)領域和民用領域。工業(yè)應用主要包括高精度數(shù)控機床、機器人和其他廣義的數(shù)控機械。器人和其他廣義的數(shù)控機械。伺服用量最大的行業(yè)依次是：機床、食品包伺服用量最大的行業(yè)依次是：機床、食品包裝、紡織、電子半導體、塑料、印刷和橡膠機械，合計超過裝、紡織、電子半導體、塑料、印刷和橡膠機械，合計超過7575。在數(shù)控機床中使用永磁無刷伺服電機代替步進電機做進給已經(jīng)成為標準，在數(shù)控機床中使用永磁無刷伺服電機代替步進電機做進給已經(jīng)成為標準，部分高端產(chǎn)品開始采用永磁交流直線伺服系統(tǒng)。在主軸傳動中采用高速永部分高端產(chǎn)品開始采用永磁交流直線伺服系統(tǒng)。在主軸傳動中采用高速永磁交流伺服取代異步變頻驅動來提高效率和速度也成為熱

8、點。磁交流伺服取代異步變頻驅動來提高效率和速度也成為熱點。9090年代以來，年代以來，歐、美、日各國爭相開發(fā)應用新一代高速數(shù)控機床，高速電主軸單元轉數(shù)歐、美、日各國爭相開發(fā)應用新一代高速數(shù)控機床，高速電主軸單元轉數(shù)在在30000rpm30000rpm100000rpm100000rpm，工作臺的進給速度在分辨率為，工作臺的進給速度在分辨率為1m1m時達到時達到100m/min100m/min，甚至，甚至200m/min200m/min以上以上, , 在分辨率為在分辨率為0.1m0.1m時，在時，在24m/min24m/min以上。以上。當今數(shù)控機床突出高速、高精、高動態(tài)、高剛性的特點，對位置系

9、統(tǒng)的要當今數(shù)控機床突出高速、高精、高動態(tài)、高剛性的特點，對位置系統(tǒng)的要求包括求包括: :定位速度和輪廓切削進給速度；定位精度和輪廓切削精度；精加定位速度和輪廓切削進給速度；定位精度和輪廓切削精度；精加工的表面粗糙度；在外界干擾下的穩(wěn)定性。這些要求的滿足主要取決于伺工的表面粗糙度；在外界干擾下的穩(wěn)定性。這些要求的滿足主要取決于伺服系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)特性。服系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)特性。2021-11-20 國產(chǎn)伺服系統(tǒng)比如廣數(shù)的產(chǎn)品在經(jīng)濟型數(shù)控機床上的廣泛應用，國產(chǎn)伺服系統(tǒng)比如廣數(shù)的產(chǎn)品在經(jīng)濟型數(shù)控機床上的廣泛應用，但是在中高檔數(shù)控機床上采用國產(chǎn)伺服系統(tǒng)仍然面臨困難，性能是但是在中高檔數(shù)控機床上采用國產(chǎn)伺

10、服系統(tǒng)仍然面臨困難，性能是一個重要方面，還有就是穩(wěn)定性和可靠性。一個重要方面，還有就是穩(wěn)定性和可靠性。 近幾十年來，伺服技術得到突飛猛進的發(fā)展和越來越廣泛的應近幾十年來，伺服技術得到突飛猛進的發(fā)展和越來越廣泛的應用。用。數(shù)控伺服系統(tǒng)是指以機床運動部件數(shù)控伺服系統(tǒng)是指以機床運動部件( (如工作臺、主軸和刀具等如工作臺、主軸和刀具等) )的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)，又稱為隨動系統(tǒng)。的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)，又稱為隨動系統(tǒng)。數(shù)控數(shù)控伺服系統(tǒng)的作用在于接受來自數(shù)控裝置的進給脈沖信號，經(jīng)過一定伺服系統(tǒng)的作用在于接受來自數(shù)控裝置的進給脈沖信號，經(jīng)過一定的信號變換及電壓、功率放大，驅動

11、機床運動部件實現(xiàn)運動，并保的信號變換及電壓、功率放大，驅動機床運動部件實現(xiàn)運動，并保證動作的快速性和準確性。證動作的快速性和準確性。 數(shù)控伺服系統(tǒng)作為數(shù)控裝置和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機床的數(shù)控伺服系統(tǒng)作為數(shù)控裝置和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機床的重要組成部分，數(shù)控機床的精度和速度等技術指標很大程度上取決重要組成部分，數(shù)控機床的精度和速度等技術指標很大程度上取決于伺服系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。因此，對高性能伺服系統(tǒng)的研究和開發(fā)一于伺服系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。因此，對高性能伺服系統(tǒng)的研究和開發(fā)一直是現(xiàn)代數(shù)控機床的關鍵技術之一。直是現(xiàn)代數(shù)控機床的關鍵技術之一。 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述2021-11-20 伺服驅動系統(tǒng)伺服

12、驅動系統(tǒng)與一般機床進給系統(tǒng)的區(qū)別與一般機床進給系統(tǒng)的區(qū)別 進給系統(tǒng)的作用在于保證切削過程能夠連續(xù)進行，不能控進給系統(tǒng)的作用在于保證切削過程能夠連續(xù)進行，不能控制執(zhí)行件的位移和軌跡；制執(zhí)行件的位移和軌跡； 伺服系統(tǒng)將指令信號加以轉換和放大，不僅能控制執(zhí)行件伺服系統(tǒng)將指令信號加以轉換和放大，不僅能控制執(zhí)行件的速度、方向，而且能精確控制其位置、以及幾個執(zhí)行件按一的速度、方向，而且能精確控制其位置、以及幾個執(zhí)行件按一定的運動規(guī)律合成的軌跡。定的運動規(guī)律合成的軌跡。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述2021-11-20 一、伺服系統(tǒng)的組成、作用和特點一、伺服系統(tǒng)的組成、作用和特點: : 組成組成伺服系統(tǒng)一般由伺服系

13、統(tǒng)一般由驅動控制單元驅動控制單元、驅動元件驅動元件、機械傳動部件機械傳動部件、執(zhí)行元件和檢測反饋環(huán)節(jié)執(zhí)行元件和檢測反饋環(huán)節(jié)等組成。驅動控制單元和驅動元件等組成。驅動控制單元和驅動元件組成伺服驅動系；機械傳動部件和執(zhí)行件組成機械傳動系。組成伺服驅動系；機械傳動部件和執(zhí)行件組成機械傳動系。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述數(shù)控伺服系統(tǒng)的基本組成數(shù)控伺服系統(tǒng)的基本組成 2021-11-20 伺服系統(tǒng)的作用伺服系統(tǒng)的作用: : 接受數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進給位移和速度指令信號，經(jīng)過一接受數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進給位移和速度指令信號，經(jīng)過一定的信號轉換和電壓、功率放大后，經(jīng)伺服驅動裝置和機械定的信號轉換和電壓、功率放大后，經(jīng)伺服驅

14、動裝置和機械傳動機構，驅動機床的工作臺、刀架等執(zhí)行部件進行工作進傳動機構，驅動機床的工作臺、刀架等執(zhí)行部件進行工作進給和快速進給。主要通過給和快速進給。主要通過步進電機、交步進電機、交/ /直流伺服電動機直流伺服電動機等進等進給驅動元件來實現(xiàn)。給驅動元件來實現(xiàn)。 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)可被看作是一個獨立部分，與可被看作是一個獨立部分，與數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)和和機床機床本體本體并列為數(shù)控數(shù)控機床的三大組成部分。并列為數(shù)控數(shù)控機床的三大組成部分。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述2021-11-20特點：特點： 能根據(jù)指令信號自動精確的控制執(zhí)行部件運動的能根據(jù)指令信號自動精確的控制執(zhí)行部件運動的位移、方向和速度，使數(shù)個

15、執(zhí)行部件按一定的規(guī)律運位移、方向和速度，使數(shù)個執(zhí)行部件按一定的規(guī)律運動以合成一定的運動軌跡動以合成一定的運動軌跡。性能：性能： 最高移動速度、跟蹤精度、定位精度等動態(tài)和靜最高移動速度、跟蹤精度、定位精度等動態(tài)和靜態(tài)性能態(tài)性能, 取決于各個組成環(huán)節(jié)的特性和各個環(huán)節(jié)性能取決于各個組成環(huán)節(jié)的特性和各個環(huán)節(jié)性能參數(shù)的合理匹配。參數(shù)的合理匹配。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述2021-11-20 數(shù)控機床技術水平的提高首先依賴于進給和主軸驅動特性數(shù)控機床技術水平的提高首先依賴于進給和主軸驅動特性的改善以及功能的擴大，為此數(shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)的位的改善以及功能的擴大，為此數(shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)的位置控制、速度控制

16、、伺服電機、機械傳動等方面都有很高的置控制、速度控制、伺服電機、機械傳動等方面都有很高的要求。要求。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述二、二、 數(shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)的要求數(shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)的要求1 1可逆運行可逆運行 可逆運行要求能靈活地可逆運行要求能靈活地正反向運行正反向運行。在加工過程中，機床在加工過程中，機床工作臺處于隨動狀態(tài)，根據(jù)加工軌跡的要求，隨時實現(xiàn)正向工作臺處于隨動狀態(tài)，根據(jù)加工軌跡的要求，隨時實現(xiàn)正向或反向運動。或反向運動。 要求在方向變化時，要求在方向變化時，不應有反向間隙和運動損失不應有反向間隙和運動損失。 從能量角度看，應該實現(xiàn)從能量角度看，應該實現(xiàn)能量的可逆轉換能量的可逆轉換

17、，即在加工運行即在加工運行時，電動機從電網(wǎng)吸收能量改變?yōu)闄C械能；在制動時應把電時，電動機從電網(wǎng)吸收能量改變?yōu)闄C械能；在制動時應把電動機的機械慣性能量變?yōu)殡娔芑仞伣o電網(wǎng)，以實現(xiàn)快速制動。動機的機械慣性能量變?yōu)殡娔芑仞伣o電網(wǎng)，以實現(xiàn)快速制動。2021-11-202 2高精度高精度 數(shù)控機床是按預定的程序自動進行加工的，不數(shù)控機床是按預定的程序自動進行加工的，不同于普通機床用手動操作來調整和補償各種因素對同于普通機床用手動操作來調整和補償各種因素對加工精度的影響，故要求加工精度的影響，故要求數(shù)控機床的實際位移與指數(shù)控機床的實際位移與指令位移之差令位移之差要小。現(xiàn)代數(shù)控機床的位移精度一般為要小?，F(xiàn)代數(shù)

18、控機床的位移精度一般為0.010.001，甚至可高達甚至可高達0.1m，以保證加工質，以保證加工質量的一致性，保證復雜曲線、曲面零件的加工精度。量的一致性，保證復雜曲線、曲面零件的加工精度。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述二、數(shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)的要求二、數(shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)的要求2021-11-203 3調速范圍寬調速范圍寬 調速范圍是指調速范圍是指最高進給速度和最低進給速度之比最高進給速度和最低進給速度之比。由于加由于加工所用刀具、被加工零件材質以及零件加工要求的變化范工所用刀具、被加工零件材質以及零件加工要求的變化范圍很廣，為了保證在所有加工情況下都能得到最佳的切削圍很廣，為了保證在所有加工情

19、況下都能得到最佳的切削條件和加工質量，要求進給速度能在很大的范圍內變化，條件和加工質量，要求進給速度能在很大的范圍內變化，即有很大的調速范圍。即有很大的調速范圍。 目前最先進水平是在脈沖當量或最小設定單位為目前最先進水平是在脈沖當量或最小設定單位為1m1m的情的情況下，進給速度能在況下，進給速度能在0240mmin的范圍內連續(xù)可調。在的范圍內連續(xù)可調。在這一調速范圍內，要求速度均勻、穩(wěn)定，低速時無爬行。這一調速范圍內，要求速度均勻、穩(wěn)定，低速時無爬行。還要求在零速時伺服電機處于電磁鎖住狀態(tài)，以保證定位還要求在零速時伺服電機處于電磁鎖住狀態(tài)，以保證定位精度不變。精度不變。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述二

20、、數(shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)的要求二、數(shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)的要求2021-11-204 4快速響應并無超調快速響應并無超調 要求有要求有良好的快速響應特性良好的快速響應特性，即要求跟蹤指令信號即要求跟蹤指令信號的響應要快。的響應要快。 伺服系統(tǒng)處于頻繁地啟動、制動、加速、減速等動伺服系統(tǒng)處于頻繁地啟動、制動、加速、減速等動態(tài)過程中，為了提高生產(chǎn)率和保證加工質量，則態(tài)過程中，為了提高生產(chǎn)率和保證加工質量，則要要求加、減速度足夠大求加、減速度足夠大，以縮短過渡過程時間以縮短過渡過程時間。 當負載突變時，當負載突變時，過渡過程前沿要陡，恢復時間要短，過渡過程前沿要陡，恢復時間要短，且無振蕩且無振蕩。這

21、樣才能得到光滑的加工表面。這樣才能得到光滑的加工表面。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述二、數(shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)的要求二、數(shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)的要求2021-11-205 5低速大轉矩低速大轉矩 機床加工，大多是低速時進行切削，即機床加工，大多是低速時進行切削，即在低速時在低速時進給驅動要有大的轉矩輸出進給驅動要有大的轉矩輸出。 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述二、數(shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)的要求二、數(shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)的要求2021-11-20 1 1按按控制方式和有無檢測反饋環(huán)節(jié)分類控制方式和有無檢測反饋環(huán)節(jié)分類（1 1）開環(huán)伺服系統(tǒng)）開環(huán)伺服系統(tǒng) （2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)）閉環(huán)伺服系統(tǒng) （3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)）半閉

22、環(huán)伺服系統(tǒng)指令指令驅動電路驅動電路步進電機步進電機工作臺工作臺脈沖脈沖伺服電機伺服電機速度檢測速度檢測速度控制速度控制位置控制位置控制位置檢測位置檢測伺服電機伺服電機速度控制速度控制位置控制位置控制工作臺工作臺脈沖編碼器脈沖編碼器指令指令第一節(jié)第一節(jié) 概述概述三、伺服系統(tǒng)的分類三、伺服系統(tǒng)的分類2021-11-202 2按使用的執(zhí)行元件分類按使用的執(zhí)行元件分類 （1 1）電液伺服系統(tǒng)）電液伺服系統(tǒng)電液脈沖馬達和電液伺服馬達。電液脈沖馬達和電液伺服馬達。 優(yōu)點：在低速下可以得到很高的輸出力矩，剛性好，時間優(yōu)點：在低速下可以得到很高的輸出力矩，剛性好，時間常數(shù)小、反應快和速度平穩(wěn)。常數(shù)小、反應快和

23、速度平穩(wěn)。 缺點：液壓系統(tǒng)需要供油系統(tǒng)，體積大。噪聲、漏油。缺點：液壓系統(tǒng)需要供油系統(tǒng)，體積大。噪聲、漏油。（2 2）電氣伺服系統(tǒng)）電氣伺服系統(tǒng)伺服電機（步進電機、直流電機和交伺服電機（步進電機、直流電機和交流電機）流電機） 優(yōu)點：操作維護方便，可靠性高。優(yōu)點：操作維護方便，可靠性高。 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述三、伺服系統(tǒng)的分類三、伺服系統(tǒng)的分類2021-11-202 2按使用的執(zhí)行元件分類按使用的執(zhí)行元件分類 （2 2）電氣伺服系統(tǒng)）電氣伺服系統(tǒng) 1 1）直流伺服系統(tǒng)）直流伺服系統(tǒng) 進給運動系統(tǒng)采用大慣量寬調速永磁直流伺服電機和中小進給運動系統(tǒng)采用大慣量寬調速永磁直流伺服電機和中小慣量直流伺服

24、電機；主運動系統(tǒng)采用他激直流伺服電機。慣量直流伺服電機；主運動系統(tǒng)采用他激直流伺服電機。 優(yōu)點：調速性能好。缺點：有電刷，速度不高。優(yōu)點：調速性能好。缺點：有電刷，速度不高。 2 2）交流伺服系統(tǒng)）交流伺服系統(tǒng) 交流感應異步伺服電機（一般用于主軸伺服系統(tǒng)）和永磁交流感應異步伺服電機（一般用于主軸伺服系統(tǒng)）和永磁同步伺服電機（一般用于進給伺服系統(tǒng)）。同步伺服電機（一般用于進給伺服系統(tǒng)）。 優(yōu)點：結構簡單、不需維護、適合于在惡劣環(huán)境下工作。優(yōu)點：結構簡單、不需維護、適合于在惡劣環(huán)境下工作。動態(tài)響應好、轉速高和容量大。動態(tài)響應好、轉速高和容量大。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述三、伺服系統(tǒng)的分類三、伺服系統(tǒng)的

25、分類2021-11-202 2、按執(zhí)行元件的類別分類、按執(zhí)行元件的類別分類 分為直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)。分為直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)。 2020世紀世紀7070年代，數(shù)控機床大多采用直流伺服驅動年代，數(shù)控機床大多采用直流伺服驅動。具有良好的寬調速性能，輸出轉矩大，過載能力強；適應數(shù)控機床對頻繁具有良好的寬調速性能，輸出轉矩大，過載能力強；適應數(shù)控機床對頻繁啟動、制動，以及快速定位、切削的要求。但直流電動機的電刷和機械換啟動、制動，以及快速定位、切削的要求。但直流電動機的電刷和機械換向器限制了它向大容量、高電壓、高速度方向的發(fā)展。向器限制了它向大容量、高電壓、高速度方向的發(fā)展。 2020世

26、紀世紀8080年代年代，交流伺服系統(tǒng)。，交流伺服系統(tǒng)。最大優(yōu)點是交流電動機容易維修，制造簡單，易于向大容量、高速度方向最大優(yōu)點是交流電動機容易維修，制造簡單，易于向大容量、高速度方向發(fā)展，適合于在較惡劣的環(huán)境中使用。同時，從減少伺服驅動系統(tǒng)外形尺發(fā)展，適合于在較惡劣的環(huán)境中使用。同時，從減少伺服驅動系統(tǒng)外形尺寸和提高可靠性角度來看，采用交流電動機比直流電動機將更合理。寸和提高可靠性角度來看，采用交流電動機比直流電動機將更合理。 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述三、伺服系統(tǒng)的分類三、伺服系統(tǒng)的分類2021-11-203 3、按伺服系統(tǒng)的用途和功能分類、按伺服系統(tǒng)的用途和功能分類分為進給驅動系統(tǒng)和主軸驅動系

27、統(tǒng)。分為進給驅動系統(tǒng)和主軸驅動系統(tǒng)。 進給驅動系統(tǒng)進給驅動系統(tǒng)用于數(shù)控機床工作臺或刀架坐標的控制系統(tǒng)，用于數(shù)控機床工作臺或刀架坐標的控制系統(tǒng)，來控制機床各坐標軸的切削進給運動，并提供切削過程所需來控制機床各坐標軸的切削進給運動，并提供切削過程所需的轉矩。的轉矩。 主軸驅動系統(tǒng)主軸驅動系統(tǒng)控制機床主軸的旋轉運動，為機床主軸提供控制機床主軸的旋轉運動，為機床主軸提供驅動功率和所需的切削力。驅動功率和所需的切削力。 一般地，對于進給驅動系統(tǒng)，主要關心它的轉矩大小、一般地，對于進給驅動系統(tǒng)，主要關心它的轉矩大小、調節(jié)范圍的大小和調節(jié)精度的高低，以及動態(tài)響應速度的快調節(jié)范圍的大小和調節(jié)精度的高低，以及動

28、態(tài)響應速度的快慢。對于主軸驅動系統(tǒng)，主要關心其是否具有足夠的功率、慢。對于主軸驅動系統(tǒng)，主要關心其是否具有足夠的功率、寬的恒功率調節(jié)范圍及速度調節(jié)范圍。寬的恒功率調節(jié)范圍及速度調節(jié)范圍。 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述三、伺服系統(tǒng)的分類三、伺服系統(tǒng)的分類2021-11-20（1 1）數(shù)控脈沖比較伺服系統(tǒng)）數(shù)控脈沖比較伺服系統(tǒng) 該系統(tǒng)是閉環(huán)伺服系統(tǒng)中的一種控制方式。它是將數(shù)控裝該系統(tǒng)是閉環(huán)伺服系統(tǒng)中的一種控制方式。它是將數(shù)控裝置發(fā)出的數(shù)字（或脈沖）指令信號與檢測裝置測得的以數(shù)字置發(fā)出的數(shù)字（或脈沖）指令信號與檢測裝置測得的以數(shù)字（或脈沖）形式表示的反饋信號直接進行比較，獲得位置誤差，（或脈沖）形式表示的

29、反饋信號直接進行比較，獲得位置誤差，實現(xiàn)閉環(huán)控制。結構簡單，容易實現(xiàn)，整機工作穩(wěn)定，在一般實現(xiàn)閉環(huán)控制。結構簡單，容易實現(xiàn)，整機工作穩(wěn)定，在一般數(shù)控伺服系統(tǒng)中應用十分普遍。數(shù)控伺服系統(tǒng)中應用十分普遍。 （2 2）鑒相式伺服系統(tǒng)）鑒相式伺服系統(tǒng) 位置檢測裝置采取相位工作方式，指令信號與反饋信號都位置檢測裝置采取相位工作方式，指令信號與反饋信號都變成某個載波的相位，然后通過兩者相位的比較，獲得實際位變成某個載波的相位，然后通過兩者相位的比較，獲得實際位置與指令位置的偏差，實現(xiàn)閉環(huán)控制。適用于感應式檢測元件置與指令位置的偏差，實現(xiàn)閉環(huán)控制。適用于感應式檢測元件（如旋轉變壓器、感應同步器）的工作狀態(tài)，

30、可得到滿意的精（如旋轉變壓器、感應同步器）的工作狀態(tài)，可得到滿意的精度。此外，由于載波頻率較高，響應塊，抗干擾性強，更適于度。此外，由于載波頻率較高，響應塊，抗干擾性強，更適于連續(xù)控制的伺服系統(tǒng)。連續(xù)控制的伺服系統(tǒng)。4、按反饋比較控制方式分類、按反饋比較控制方式分類三、伺服系統(tǒng)的分類三、伺服系統(tǒng)的分類2021-11-20（3 3）鑒幅式伺服系統(tǒng)）鑒幅式伺服系統(tǒng) 鑒幅式伺服系統(tǒng)是以位置檢測信號的幅值大小來反映機鑒幅式伺服系統(tǒng)是以位置檢測信號的幅值大小來反映機械位移的數(shù)值，并以此信號作為位置反饋信號，一般還要將械位移的數(shù)值，并以此信號作為位置反饋信號，一般還要將此幅值信號轉換成信號才與指令數(shù)字信號

31、進行比較，從而獲此幅值信號轉換成信號才與指令數(shù)字信號進行比較，從而獲得位置偏差信號構成閉環(huán)控制系統(tǒng)。得位置偏差信號構成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 （4 4）全數(shù)字伺服系統(tǒng)）全數(shù)字伺服系統(tǒng) 隨著微電子技術、計算機技術和伺服控制技術的發(fā)展，隨著微電子技術、計算機技術和伺服控制技術的發(fā)展，數(shù)控伺服系統(tǒng)已開始采用高速度、高精度的全數(shù)字伺服系統(tǒng)，數(shù)控伺服系統(tǒng)已開始采用高速度、高精度的全數(shù)字伺服系統(tǒng)，使伺服控制技術從模擬方式、混合方式走向全數(shù)字方式。如使伺服控制技術從模擬方式、混合方式走向全數(shù)字方式。如由位置、速度和電流構成的三環(huán)反饋全部數(shù)字化、軟件處理由位置、速度和電流構成的三環(huán)反饋全部數(shù)字化、軟件處理數(shù)字數(shù)字pi

32、dpid等，使用靈活，柔性好。數(shù)字伺服系統(tǒng)采用了許多等，使用靈活，柔性好。數(shù)字伺服系統(tǒng)采用了許多新的控制技術和改進伺服性能的措施，使控制精度和品質大新的控制技術和改進伺服性能的措施，使控制精度和品質大大提高。大提高。 2021-11-20 此外，還可按驅動方式分類，將伺服系統(tǒng)分此外，還可按驅動方式分類，將伺服系統(tǒng)分為液壓伺服驅動系統(tǒng)、電氣伺服驅動系統(tǒng)和氣壓為液壓伺服驅動系統(tǒng)、電氣伺服驅動系統(tǒng)和氣壓伺服驅動系統(tǒng)；伺服驅動系統(tǒng)； 按控制信號分類，將伺服系統(tǒng)分為數(shù)字伺服按控制信號分類，將伺服系統(tǒng)分為數(shù)字伺服系統(tǒng)、模擬伺服系統(tǒng)和數(shù)字模擬混合伺服系統(tǒng)等。系統(tǒng)、模擬伺服系統(tǒng)和數(shù)字模擬混合伺服系統(tǒng)等。 第一

33、節(jié)第一節(jié) 概述概述三、伺服系統(tǒng)的分類三、伺服系統(tǒng)的分類2021-11-20第二節(jié)第二節(jié) 開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)開環(huán)步進式伺服系統(tǒng) 2021-11-20 步進控制系統(tǒng)的結構步進控制系統(tǒng)的結構 控制器控制器：plc、定位控制模塊、單片機，產(chǎn)生脈沖，、定位控制模塊、單片機，產(chǎn)生脈沖，進行方向信號的產(chǎn)生；進行方向信號的產(chǎn)生； 步進驅動器步進驅動器：收到脈沖，分配脈沖和功率放大，控制：收到脈沖，分配脈沖和功率放大，控制電機每一項的線圈是否通電；電機每一項的線圈是否通電； 步進電機步進電機：旋轉，拖動工作臺。：旋轉，拖動工作臺。控制器控制器 步進驅動器步進驅動器 步進電機和工作臺步進電機和工作臺 第二節(jié)第二節(jié)

34、 開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)2021-11-20應用范圍：簡易型數(shù)控機床、普通機床的數(shù)控改造。應用范圍：簡易型數(shù)控機床、普通機床的數(shù)控改造。第二節(jié)第二節(jié) 開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)2021-11-20第二節(jié)第二節(jié) 開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)2021-11-20 步進電機流行于步進電機流行于7070年代，該系統(tǒng)結構簡單、年代，該系統(tǒng)結構簡單、控制容易、維修方面，且控制為全數(shù)字化。隨著控制容易、維修方面，且控制為全數(shù)字化。隨著計算機技術的發(fā)展，除功率驅動電路之外，其它計算機技術的發(fā)展，除功率驅動電路之外，其它部分均可由軟件實現(xiàn)，從而進一步簡化結構。因部分均可由軟件實現(xiàn)

35、，從而進一步簡化結構。因此，這類系統(tǒng)目前仍有相當?shù)氖袌觥Ｄ壳安竭M電此，這類系統(tǒng)目前仍有相當?shù)氖袌?。目前步進電機僅用于小容量、低速、精度要不高的場合，如機僅用于小容量、低速、精度要不高的場合，如經(jīng)濟型數(shù)控；打印機、繪圖機等計算機的外部設經(jīng)濟型數(shù)控；打印機、繪圖機等計算機的外部設備。備。第二節(jié)第二節(jié) 開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)2021-11-202021-11-20 步進電機是一種將電脈沖信號轉化為機械角位移的電步進電機是一種將電脈沖信號轉化為機械角位移的電磁機械裝置。由于所用電源是脈沖電源，所以也稱為磁機械裝置。由于所用電源是脈沖電源，所以也稱為脈沖脈沖馬達馬達。 步進電機和一般電機不

36、同，一般電機通電后連續(xù)轉動步進電機和一般電機不同，一般電機通電后連續(xù)轉動，而步進電機則隨輸入的脈沖按節(jié)拍一步一步地轉動。對，而步進電機則隨輸入的脈沖按節(jié)拍一步一步地轉動。對步進電機施加一個電脈沖信號時，步進電機就旋轉一個固步進電機施加一個電脈沖信號時，步進電機就旋轉一個固定的角度，稱為一步。每一步所轉過的角度叫做定的角度，稱為一步。每一步所轉過的角度叫做步距角步距角。 步進電機步進電機第二節(jié)第二節(jié) 開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)2021-11-20 一、步進電機的分類一、步進電機的分類按運動方式分：按運動方式分： 旋轉運動、直線運動式步進電機；旋轉運動、直線運動式步進電機；按工作原理分：

37、按工作原理分： 反應式（磁阻式）反應式（磁阻式）、電磁式、永磁式；、電磁式、永磁式；按結構分：按結構分： 單段式（徑向式）、多段式（軸向式）；單段式（徑向式）、多段式（軸向式）；按使用場合分：按使用場合分： 功率步進電機功率步進電機和控制步進電機；和控制步進電機；按使用頻率分：按使用頻率分： 高頻率和低頻步進電機；高頻率和低頻步進電機；不同的步進電機，其工作原理、驅動裝置也不完全一樣。不同的步進電機，其工作原理、驅動裝置也不完全一樣。第二節(jié)第二節(jié) 開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)2021-11-20按其按其輸出轉矩的大小輸出轉矩的大小來分，可以分為來分，可以分為快速步進電動機快速步進電動機

38、和和功率步進功率步進電動機電動機?？焖俨竭M電動機連續(xù)工作頻率高而輸出轉矩較小，一般。快速步進電動機連續(xù)工作頻率高而輸出轉矩較小，一般在在ncmncm級，可以作為控制小型精密機床的工作臺級，可以作為控制小型精密機床的工作臺( (例線切割機床例線切割機床) )也可以和液壓轉矩放大器組成電液脈沖馬達去驅動數(shù)控機床的工也可以和液壓轉矩放大器組成電液脈沖馬達去驅動數(shù)控機床的工作臺，而功率步進電動機的輸出轉矩就比較大是作臺，而功率步進電動機的輸出轉矩就比較大是nmnm級的，可以級的，可以直接去驅動機床的移動部件。直接去驅動機床的移動部件。 按按其勵磁相數(shù)其勵磁相數(shù)，可以分為，可以分為三相、四相、五相、六相

39、甚至八相三相、四相、五相、六相甚至八相。一。一般來說隨著相數(shù)的增加，在相同頻率的情況下，每相導通電流般來說隨著相數(shù)的增加，在相同頻率的情況下，每相導通電流的時間增加，各相平均電流增大，從而使電動機的轉速的時間增加，各相平均電流增大，從而使電動機的轉速轉矩轉矩特性會好些，步距角亦小。但是隨著相數(shù)的增加，電動機的尺特性會好些，步距角亦小。但是隨著相數(shù)的增加，電動機的尺寸就增加，結構亦復雜，目前多用寸就增加，結構亦復雜，目前多用3 36 6相的步進電動機。相的步進電動機。 一、步進電機的分類一、步進電機的分類2021-11-20 目前我國使用的步進電機多為徑向反應式步進電機。目前我國使用的步進電機多

40、為徑向反應式步進電機。反應式步進電機結構（徑向分布）反應式步進電機結構（徑向分布）第二節(jié)第二節(jié) 開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)2021-11-20 二、步進驅動的原理：二、步進驅動的原理： 步進電機步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的電磁裝置，是一種將電脈沖轉化為角位移的電磁裝置，是一種特殊的電動機。是一種特殊的電動機。 步進電動機有步進電動機有定位定位和和運轉運轉兩種基本狀態(tài)，當有脈沖兩種基本狀態(tài)，當有脈沖輸入時步進電動機一步一步地轉動，每給它一個脈沖信輸入時步進電動機一步一步地轉動，每給它一個脈沖信號，它就轉過一定的角度。步進電動機的角位移量和輸號，它就轉過一定的角度。步進電動機的角

41、位移量和輸入脈沖的個數(shù)嚴格成正比，在時間上與輸入脈沖同步，入脈沖的個數(shù)嚴格成正比，在時間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動機繞組通電因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動機繞組通電的相序，便可獲得所需的轉角、轉速及轉動方向。在沒的相序，便可獲得所需的轉角、轉速及轉動方向。在沒有脈沖輸入時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉子有脈沖輸入時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉子保持原有位置處于定位狀態(tài)。保持原有位置處于定位狀態(tài)。 2021-11-20 步進電機的結構（橫向視圖）步進電機的結構（橫向視圖）第二節(jié)第二節(jié) 開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)開環(huán)步進式伺服系統(tǒng) 由轉子和定子組成由轉子和定

42、子組成。定子上有。定子上有a a、b b、c c三三對磁極繞組，分別為對磁極繞組，分別為a a相、相、b b相、相、c c相。相。 轉子是硅鋼片軟磁轉子是硅鋼片軟磁材料迭合成的帶齒廓形材料迭合成的帶齒廓形狀的鐵心。狀的鐵心。2021-11-20三相三拍的原理介紹三相三拍的原理介紹模擬步進電機的動作步驟模擬步進電機的動作步驟: : 三相是指步進電機有三相定子三相是指步進電機有三相定子繞組，三拍是指每三次轉換為一繞組，三拍是指每三次轉換為一個循環(huán)。個循環(huán)。 三相步進電機，定子有六個磁三相步進電機，定子有六個磁極，分為三對，每個磁極上裝有極，分為三對，每個磁極上裝有控制繞組。一對磁極通電后，對控制繞

43、組。一對磁極通電后，對應產(chǎn)生應產(chǎn)生n/sn/s極磁場；轉子為帶齒的極磁場；轉子為帶齒的鐵心（反應式）或磁鋼（混合鐵心（反應式）或磁鋼（混合式）。式）。 當定子三相依次通電時，三對當定子三相依次通電時，三對磁極依次產(chǎn)生氣隙磁場，吸引轉磁極依次產(chǎn)生氣隙磁場，吸引轉子一步步轉動。子一步步轉動。2021-11-20 步進電機的工作原理：電磁鐵作用原理步進電機的工作原理：電磁鐵作用原理如圖所示為三相反應式步進電機工作原理圖。如圖所示為三相反應式步進電機工作原理圖。如果在定子上如果在定子上的三對繞組中的三對繞組中某相通直流電某相通直流電流，就會產(chǎn)生流，就會產(chǎn)生磁場。磁場。b b相通電相通電a a相通電相通

44、電c c相通電相通電工作原理演示工作原理演示工作原理演示工作原理演示aabccb1234aabccb1234aabccb1234abca工作原理演示工作原理演示2021-11-20 步進電機的工作原理：步進電機的工作原理：a-b-c-a a-b-c-a 反轉反轉 若按若按a b ca b c。通電相序連續(xù)通電，則步進電機就連續(xù)地。通電相序連續(xù)通電，則步進電機就連續(xù)地沿逆時針方向轉動，每換接一次相序，步進電機沿逆時針方向轉動沿逆時針方向轉動，每換接一次相序，步進電機沿逆時針方向轉動30300 0，即步距角為即步距角為30300 0。2021-11-20 步進電機的工作原理：步進電機的工作原理：a

45、-c-b-a a-c-b-a 正轉正轉工工作作原原理理演演示示 若按若按a a c c b b。進行，則轉子沿順時針方向旋。進行，則轉子沿順時針方向旋轉。轉。2021-11-20aabccb12341234aabccbaabccb1234abbccaab工作原理工作原理演示演示2021-11-20 電機正轉：電機正轉：a-c-b-aa-c-b-a 電機反轉：電機反轉：a-b-c-aa-b-c-a結論：結論：（1 1）電機運行方向和通電的相序有關，改變通電的相序，）電機運行方向和通電的相序有關，改變通電的相序，電機的運行方向也就改變。電機的運行方向也就改變。 改變電機正反轉的話，就是改變通電方向

46、。改變電機正反轉的話，就是改變通電方向。（2 2）電機轉速和相序切換頻率有關，切換的越快，電機轉）電機轉速和相序切換頻率有關，切換的越快，電機轉動的越快。動的越快。（3 3）電機每拍轉動的角度，稱為步距角）電機每拍轉動的角度，稱為步距角。步距角和。步距角和電機結構有關。電機結構有關。 步進電機的工作原理：步進電機的工作原理：第二節(jié)第二節(jié) 開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)2021-11-20 步進電機的步距角大小不僅與通電方式有關，還步進電機的步距角大小不僅與通電方式有關，還與轉子的齒數(shù)有關。與轉子的齒數(shù)有關。計算公式為：計算公式為：mzk360=式中：式中：mm定子勵磁繞組相數(shù)定子勵磁繞組

47、相數(shù); ;三相時，三相時，m=3m=3；zz轉子齒數(shù)轉子齒數(shù); ;kk通電方式，單為通電方式，單為1 1，雙為，雙為2.2.第二節(jié)第二節(jié) 開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)三相三拍：三相三拍：m=3, z=4, k=1, 則則=30。2021-11-20上述通電方式稱為上述通電方式稱為三相單三拍三相單三拍通電方式。通電方式。所謂所謂“單單”是指每次只有一相繞組通電的意思。是指每次只有一相繞組通電的意思。“一拍一拍”從一相通電換接到另一相通電稱為一拍。從一相通電換接到另一相通電稱為一拍?！叭娜摹泵恳慌霓D子轉過一個步距角，每一拍轉子轉過一個步距角，“三拍三拍”是指是指通電換接三次后完成一個通

48、電周期。通電換接三次后完成一個通電周期。第二節(jié)第二節(jié) 開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)2021-11-20 三相三拍的通電次序為：三相三拍的通電次序為：a-b-c-a;ab-bc-ca-aba-b-c-a;ab-bc-ca-ab 三相六拍的通電次序為：三相六拍的通電次序為：a-ab-b-bc-c-ca-aa-ab-b-bc-c-ca-a 可見三相三拍與三相六拍相比較，可見三相三拍與三相六拍相比較， 六拍的步距角小，精度高。六拍的步距角小，精度高。 設設a a相首先通電，轉子齒與定子相首先通電，轉子齒與定子a a、aa對齊（圖對齊（圖a a）。然后在）。然后在a a相繼續(xù)通電的相繼續(xù)通電的情

49、況下接通情況下接通b b相。這時定子相。這時定子b b、bb極對轉極對轉子齒子齒2 2、4 4產(chǎn)生磁拉力，使轉子順時針方向產(chǎn)生磁拉力，使轉子順時針方向轉動，但是轉動，但是a a、aa極繼續(xù)拉住齒極繼續(xù)拉住齒1 1、3 3，因，因此，轉子轉到兩個磁拉力平衡為止。這時此，轉子轉到兩個磁拉力平衡為止。這時轉子的位置如圖轉子的位置如圖3b3b所示，即轉子從圖所示，即轉子從圖(a)(a)位置順時針轉過了位置順時針轉過了1515。接著。接著a a相斷電，相斷電，b b相繼續(xù)通電。這時轉子齒相繼續(xù)通電。這時轉子齒2 2、4 4和定子和定子b b、bb極對齊（圖極對齊（圖c c），轉子從圖），轉子從圖(b)(

50、b)的位置的位置又轉過了又轉過了15 15 三相六拍通電方式三相六拍通電方式 即按即按a ab b bc c caa ab b bc c ca相序通電。（見下圖）相序通電。（見下圖）2021-11-20aabccb12341234aabccbaabccb1234aabccb1234aabccb1234aabccb1234a ab b bc c ca a2021-11-20轉子又逆時針轉轉子又逆時針轉15150 0，2 2、4 4齒與齒與b b相磁極對齊相磁極對齊，如果繼續(xù)按，如果繼續(xù)按bc c ca abc c ca a。相序通電，步進電機就沿著相序通電，步進電機就沿著逆時針方向，以逆時針方向

51、，以15150 0的步距角一步一步移動。的步距角一步一步移動。這種通電方式采用這種通電方式采用單、雙相輪流通電單、雙相輪流通電，在通電換接時，在通電換接時，總有一相通電，所以工作較平穩(wěn)?？傆幸幌嗤?，所以工作較平穩(wěn)。實際使用的步進電機，一般都要求有較小的步距角，因實際使用的步進電機，一般都要求有較小的步距角，因為步距角越小所達到的位置精度越高。為步距角越小所達到的位置精度越高。工作原理：工作原理： 當當a a相通電，相通電，1 1、3 3齒齒與與a a相磁極對齊相磁極對齊。當。當a a、b b兩相同時通電，因兩相同時通電，因a a極吸引極吸引1 1、3 3齒，齒，b b極吸引極吸引2 2、4

52、4齒，轉齒，轉子逆時針旋轉子逆時針旋轉15150 0。隨后。隨后a a相斷電，只有相斷電，只有b b相通電。相通電。工作原理工作原理演示演示2021-11-20 通電方式通電方式 三相雙三拍：三相雙三拍：(正轉正轉) abbccaab (反轉反轉) accbbaac 三相六拍：三相六拍： (正轉正轉) a ab b bc c ca a (反轉反轉) a ac c cb b ba a三相單三拍：三相單三拍：(正轉正轉) abca (反轉反轉) acba第二節(jié)第二節(jié) 開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)2021-11-20m m相步進電機通電方式相步進電機通電方式 m相單相單m拍：拍：例例 abc

53、 d ea m相雙相雙m拍拍： 例例 abbccd deea ab 或或 abcbcdcde deaeab abc m相相2m拍：拍：例例 a ab b bc c cd d dee ea a 或或 ab abc bc bcd cd cde de dea ea eab ab 三種通電方式的特點：三種通電方式的特點： 單單m m拍：拍：每次一相通電每次一相通電, ,切換瞬間失去自鎖力矩易失步切換瞬間失去自鎖力矩易失步, ,在平衡位置易在平衡位置易振蕩；振蕩； 雙雙m m拍：拍：每次同時有二相通電每次同時有二相通電, ,切換瞬間仍有一相保持通電切換瞬間仍有一相保持通電, ,運行穩(wěn)定；運行穩(wěn)定； 2m

54、2m拍：步距角小一半，拍：步距角小一半，切換瞬間仍有一相保持通電，運行穩(wěn)定；切換瞬間仍有一相保持通電，運行穩(wěn)定；第二節(jié)第二節(jié) 開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)2021-11-20步進電機轉速計算步進電機轉速計算：360o=n60f=6fo式中：式中：nn轉速（轉速（r/min);r/min);ff脈沖頻率，即每秒輸入步進脈沖頻率，即每秒輸入步進電機的脈沖數(shù)；電機的脈沖數(shù)； 用度數(shù)表示的步距角。用度數(shù)表示的步距角。式中，式中，當轉子的步距角一定時，步進電機的轉速與輸入的脈當轉子的步距角一定時，步進電機的轉速與輸入的脈沖頻率成正比。沖頻率成正比。第二節(jié)第二節(jié) 開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)開環(huán)步進式伺服系

55、統(tǒng)2021-11-20關于步進電機概念關于步進電機概念 步距角：步距角：步進電機每接受一個指令脈沖，轉子相應的轉角步進電機每接受一個指令脈沖，轉子相應的轉角 脈沖當量：脈沖當量：步進電機每接受一個指令脈沖，工作臺相應的位步進電機每接受一個指令脈沖，工作臺相應的位移移 轉速、轉角和轉向的決定因素轉速、轉角和轉向的決定因素：脈沖頻率、脈沖數(shù)和通電相：脈沖頻率、脈沖數(shù)和通電相序。序。 最大靜轉矩：最大靜轉矩：步進電機最大的承載能力。步進電機最大的承載能力。 啟動頻率：啟動頻率：步進電機由靜止突然啟動，進入不失步的正常運步進電機由靜止突然啟動，進入不失步的正常運行的最高頻率。超過了啟動頻率，轉子跟不上

56、定子的磁場旋行的最高頻率。超過了啟動頻率，轉子跟不上定子的磁場旋轉，會產(chǎn)生失步。轉，會產(chǎn)生失步。 連續(xù)運行頻率：連續(xù)運行頻率：當電機當電機啟動后，能逐漸不失步連續(xù)升速的最啟動后，能逐漸不失步連續(xù)升速的最高頻率。高頻率。第二節(jié)第二節(jié) 開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)2021-11-204.4.步進電機的主要特性步進電機的主要特性1 1）步距角和靜態(tài)步距誤差）步距角和靜態(tài)步距誤差步距角：步距角： m: m: 線圈相數(shù)；線圈相數(shù)； z: z: 轉子齒數(shù)；轉子齒數(shù)； q: 2mq: 2m拍拍 q=2 q=2 ，其它，其它 q=1q=1。步距誤差：步距誤差：實際步距角與理論步距角之差，一般實際步距角

57、與理論步距角之差，一般為為1010。2 2）輸出扭矩輸出扭矩：必須大于負載轉距。：必須大于負載轉距。3 3）最高啟動、停止脈沖頻率最高啟動、停止脈沖頻率： 步進電機所能接受的最高啟、停脈沖頻率，此值步進電機所能接受的最高啟、停脈沖頻率，此值必須大于負載實際啟、停所需的脈沖頻率。必須大于負載實際啟、停所需的脈沖頻率。mzq360=2021-11-204.4.步進電機的主要特性步進電機的主要特性4 4）連續(xù)運行的最高工作頻率：連續(xù)運行的最高工作頻率： 步進電機連續(xù)運行所能接受的最高工作頻率，此值必須步進電機連續(xù)運行所能接受的最高工作頻率，此值必須小于步進電機實際運行的最高工作頻率。小于步進電機實際

58、運行的最高工作頻率。5 5）步進運行和低頻振蕩步進運行和低頻振蕩 步進運行：步進運行：當脈沖間隔大于步進電機的過渡過程時，電機當脈沖間隔大于步進電機的過渡過程時，電機呈步進運行狀態(tài)呈步進運行狀態(tài) 低頻振蕩：低頻振蕩：當脈沖頻率接近步進電機的固有頻率時，將產(chǎn)當脈沖頻率接近步進電機的固有頻率時，將產(chǎn)生振蕩（必要時可設可調阻尼器）生振蕩（必要時可設可調阻尼器）第二節(jié)第二節(jié) 開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)2021-11-205.5.步進電機的優(yōu)點步進電機的優(yōu)點1 1）由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不會將一步由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不會將一步的誤差積累到下一步因而有較好的

59、位置精度和運動的重復性；的誤差積累到下一步因而有較好的位置精度和運動的重復性； 2 2） 優(yōu)秀的起停和反轉響應；優(yōu)秀的起停和反轉響應； 3 3） 由于沒有電刷，可靠性較高，因此電機的壽命僅僅取決于由于沒有電刷，可靠性較高，因此電機的壽命僅僅取決于軸承的壽命；軸承的壽命； 4 4） 電機的響應僅由數(shù)字輸入脈沖確定，因而可以采用開環(huán)控電機的響應僅由數(shù)字輸入脈沖確定，因而可以采用開環(huán)控制，這使得電機的結構可以比較簡單而且控制成本；制，這使得電機的結構可以比較簡單而且控制成本；5 5） 僅僅將負載直接連接到電機的轉軸上也可以極低速的同步僅僅將負載直接連接到電機的轉軸上也可以極低速的同步旋轉。旋轉。 6

60、 6） 由于速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉速范圍。由于速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉速范圍。 第二節(jié)第二節(jié) 開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)2021-11-206.6.步進電機的缺點步進電機的缺點1 1） 如果控制不當容易產(chǎn)生共振；如果控制不當容易產(chǎn)生共振； 2 2） 難以運轉到較高的轉速；難以運轉到較高的轉速； 3 3） 難以獲得較大的轉矩；難以獲得較大的轉矩； 4 4） 在體積重量方面沒有優(yōu)勢，能源利用率低；在體積重量方面沒有優(yōu)勢，能源利用率低； 5 5） 超過負載時會破壞同步，高速工作時會發(fā)出振動和噪聲。超過負載時會破壞同步，高速工作時會發(fā)出振動和噪聲。第二節(jié)第二節(jié) 開環(huán)