伺服驅(qū)動系統(tǒng)ppt課件.ppt

1、2020/7/30,1,第六章 數(shù)控伺服系統(tǒng),6.1 概述 6.1.1 伺服系統(tǒng)的概念 伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動系統(tǒng), 簡稱為伺服系統(tǒng)。 常見的伺服系統(tǒng)有開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)之分，直流與交流伺服系統(tǒng)之分，進(jìn)給伺服與主軸驅(qū)動系統(tǒng)之分，電液伺服與電氣伺服系統(tǒng)之分。 伺服系統(tǒng)是一種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它接受來自數(shù)控裝置的進(jìn)給指令信號，經(jīng)變換、調(diào)節(jié)和放大后驅(qū)動執(zhí)行件，轉(zhuǎn)化為直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。,2020/7/30,2,伺服驅(qū)動系統(tǒng),（1）進(jìn)給驅(qū)動 控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動，是一種精密的位置跟蹤與定位系統(tǒng)，它包括速度控制，也是一般概念的伺服驅(qū)動系統(tǒng)。 （2

2、）主軸驅(qū)動 控制機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和切削過程中的轉(zhuǎn)矩和功率，一般以速度控制為主。對C坐標(biāo)功能的主軸驅(qū)動也需要位置控制。 （3）輔助驅(qū)動 在各類加工中心或多功能數(shù)控機(jī)床中，控制刀庫、料庫等輔助系統(tǒng)，多采用簡易的位置控制。,2020/7/30,3,伺服系統(tǒng)的組成,組成：伺服電機(jī) 驅(qū)動信號控制轉(zhuǎn)換電路 電子電力驅(qū)動放大模塊 位置調(diào)節(jié)單元 速度調(diào)節(jié)單元 電流調(diào)節(jié)單元 檢測裝置 一般閉環(huán)系統(tǒng)為三環(huán)結(jié)構(gòu)：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。,2020/7/30,4,6.1.1 伺服系統(tǒng)的組成,位置、速度和電流環(huán)均由調(diào)節(jié)控制模塊、檢測和反饋部分組成。電力電子驅(qū)動裝置由驅(qū)動信號產(chǎn)生電路和功率放大器組成。 嚴(yán)格來說： 位置

3、控制包括位置、速度和電流控制； 速度控制包括速度和電流控制。,2020/7/30,5,(1)精度高 伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。包括定位精度和輪廓加工精度。 (2)穩(wěn)定性好 穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。直接影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度。 (3)快速響應(yīng) 快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。 (4)調(diào)速范圍寬 調(diào)速范圍是指生產(chǎn)機(jī)械要求電機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。030m/min。 (5)低速大轉(zhuǎn)矩 進(jìn)給坐標(biāo)的伺服控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制，在整個速度范圍內(nèi)都要保持這個轉(zhuǎn)矩；主軸坐標(biāo)

4、的伺服控制在低速時為恒轉(zhuǎn)矩控制，能提供較大轉(zhuǎn)矩。在高速時為恒功率控制，具有足夠大的輸出功率。,6.1.2 數(shù)控機(jī)床對伺服系統(tǒng)的要求,2020/7/30,6,伺服驅(qū)動電機(jī)是伺服系統(tǒng)的重要驅(qū)動元件。為滿足上述要求，對伺服電動機(jī)的要求應(yīng)該是： 從最低速到最高速電機(jī)都要平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)距波動要小，尤其是在低速如0.1r/min或更低轉(zhuǎn)速時，仍有穩(wěn)定的速度而無爬行現(xiàn)象。 電機(jī)應(yīng)具有大的較長時間的過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電機(jī)要求在數(shù)分鐘內(nèi)過載4-6倍而不損壞。 為了滿足快速響應(yīng)的要求，電機(jī)應(yīng)該有較小的轉(zhuǎn)動慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并且有盡可能小的時間常數(shù)和啟動電壓。電機(jī)應(yīng)具有耐受4000rad

5、/s2以上角加速度的能力，才能保證電機(jī)在0.2s以內(nèi)從靜止到額定轉(zhuǎn)速。 電機(jī)應(yīng)能承受頻繁啟動、制動和反轉(zhuǎn)。,6.1.2 數(shù)控機(jī)床對伺服系統(tǒng)的要求(續(xù)),2020/7/30,7,6.2 步進(jìn)電動機(jī)伺服系統(tǒng),開環(huán)位置伺服系統(tǒng)也叫步進(jìn)式伺服系統(tǒng)，其驅(qū)動元件為步進(jìn)電機(jī)。 功率步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)最簡單，控制最容易，維修最方便，控制為全數(shù)字化，這完全符合數(shù)字化控制技術(shù)的要求，控制系統(tǒng)與步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制電路結(jié)為一體。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，除功率驅(qū)動電路之外，其它硬件電路均可由軟件實(shí)現(xiàn)，從而簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。 而步進(jìn)電機(jī)的功耗太多，速度也不高。 目前的步進(jìn)電機(jī)在脈沖當(dāng)量為1

6、微米時，最高移動僅僅為2m/min，且功率越大，移動速度越低，故主要用于速度與精度要求不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床及舊設(shè)備改造中。,2020/7/30,8,6.2.1 步進(jìn)電機(jī)的工作原理及類型,步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的機(jī)械角位移或直線位移的控制電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電動機(jī)或電脈沖馬達(dá)。 其角位移量與電脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與電脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率就可以調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。 最大缺點(diǎn)是容易失步，特別是在大負(fù)載和速度較高的情況下，失步更容易發(fā)生。 但是近年來發(fā)展起來的恒流斬波驅(qū)動、PWM驅(qū)動、微步驅(qū)動、超微步驅(qū)動及其他們的綜合運(yùn)用，使得步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動能力有很大提高 主要用于數(shù)控機(jī)床的

7、開環(huán)伺服系統(tǒng)。,2020/7/30,9,（1）步進(jìn)電機(jī)的分類,按運(yùn)動方式分：有旋轉(zhuǎn)式、直線運(yùn)動式、平面運(yùn)動式和滾動運(yùn)動式。 按工作原理分：有反應(yīng)式（磁阻式）、電磁式、永磁式、永磁感應(yīng)式（混合式）。 按使用場合分：有功率步進(jìn)電機(jī)和控制步進(jìn)電機(jī)。 按電機(jī)結(jié)構(gòu)分：有單段式（徑向式）、多段式（軸向式）、印刷繞組式。 按工作相數(shù)分：有三相、四相、五相等。 按使用頻率分：有高頻步進(jìn)電機(jī)和低頻步進(jìn)電機(jī)。 數(shù)控機(jī)床中使用較多的是反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)和永磁感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī),2020/7/30,10,2020/7/30,11,（2）步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理,步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電機(jī)，每接受一個脈沖信號轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個角度，稱為步

8、距角。 脈沖數(shù)目：位移大??；脈沖頻率：速度大??；通電順序：方向控制。 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)：（單段式三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)）： 工作原理：電磁吸合 轉(zhuǎn)子：開槽形成齒 定子：有磁極 以三相單三拍為例說明工作原理： 第一拍：A相勵磁繞組通電，B、C勵磁繞組斷電。A相定子繞組的磁力線為保持磁阻最小，給轉(zhuǎn)子施加力矩，使相鄰轉(zhuǎn)子齒與之對齊。 第二拍：B相勵磁繞組通電，C、A勵磁繞組斷電。 第三拍：C相勵磁繞組通電，A、B勵磁繞組斷電。 如通電順序：A、B、C逆時針旋轉(zhuǎn)；如通電順序相反，則順時針旋轉(zhuǎn) 通電順序也可以A-AB-B-BC-C-CA,2020/7/30,12,2020/7/30,13,2020/7/3

9、0,14,同一臺步進(jìn)電機(jī)，因通電方式的不同，運(yùn)行時的步距角也是不同的，采用單、雙拍通電方式時，步距角要比單拍通電方式減小一半。 實(shí)際使用中，單三拍通電方式由于在切換時一相繞組斷電，而另一相繞組開始通電容易造成失步。此外，由單一繞組通電吸引轉(zhuǎn)子，也容易使轉(zhuǎn)子在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩，運(yùn)行的穩(wěn)定性差，所以很少采用。通常將它改成“雙三拍通電方式”。 上述這種簡單結(jié)構(gòu)的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的步距角較大，如在數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用就會影響到加工工件的精度。實(shí)際中采用的是小步距角的步進(jìn)電機(jī)。,2020/7/30,15,6.2.2 步進(jìn)電機(jī)的主要特性,（1）步距角和靜態(tài)步距角（誤差） 步距角計(jì)算公式：,式中：m定子磁極項(xiàng)數(shù)

10、 z轉(zhuǎn)子齒數(shù) k通電方式相鄰兩次通電項(xiàng)數(shù)相同取k=1；否則k=2。 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)空載且以單脈沖輸入時，其實(shí)際步距角與理論步距角之差稱為靜態(tài)步距角誤差，它隨步進(jìn)電機(jī)制造精度而變化。一般在10-30 的范圍內(nèi)。,2020/7/30,16,圖所示為步進(jìn)電動機(jī)的展開圖。其中定子有6個極，轉(zhuǎn)子有40個齒。當(dāng)A極下的定、轉(zhuǎn)子齒對齊時，B極和C極下的齒就分別和轉(zhuǎn)子齒相錯三分之一的轉(zhuǎn)子齒距。 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)Zr，基本上由步距角的要求所決定。但是為了能實(shí)現(xiàn)上述“自動錯位”，轉(zhuǎn)子的齒數(shù)就必須滿足一定條件，而不能為任意數(shù)值。當(dāng)定子的相鄰極屬于不同的相時，在某一極下若定子和轉(zhuǎn)子的齒對齊時，則要求在相鄰極下的

11、定子和轉(zhuǎn)子之間應(yīng)錯開轉(zhuǎn)子齒距的1/m。,2020/7/30,17,（2）靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與矩角特性,當(dāng)步進(jìn)電機(jī)不改變通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子處于不動狀態(tài)，如果在電機(jī)軸上外加一個負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子按一定的方向轉(zhuǎn)過一個角度，此時轉(zhuǎn)子所受的電磁轉(zhuǎn)矩，稱為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，角度稱為失調(diào)角。描述靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與的關(guān)系叫作步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)矩角特性。,2020/7/30,18,各項(xiàng)的矩角特性差異不應(yīng)該太大，否則會影響步距精度及引起低頻振蕩。可以通過調(diào)整相電流的方法，使電動機(jī)矩角特性大致相同。 兩個齒中心線之間的距離叫齒距，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距，矩角特性就變化一個周期，相當(dāng)于2電角度。,2020/7/30,19,在定子、轉(zhuǎn)子齒槽對準(zhǔn)時，定、轉(zhuǎn)子槽

12、中心線重合，失調(diào)角為=0，電磁轉(zhuǎn)矩T=0。 若轉(zhuǎn)子齒的中心線對準(zhǔn)定子槽中心線，失調(diào)角=，這時相鄰兩定子齒對這轉(zhuǎn)子齒有同樣的拉力，但方向相反，故電磁轉(zhuǎn)矩T=0。 在失調(diào)角=/2（即1/4齒距處），轉(zhuǎn)矩最大，轉(zhuǎn)矩方向是使轉(zhuǎn)子位置趨向失調(diào)角為零。 當(dāng)失調(diào)角小于-或大雨+時，該轉(zhuǎn)子齒已進(jìn)入了另一個定子齒的拉力范圍，轉(zhuǎn)矩方向趨于使轉(zhuǎn)子齒與下一個齒對齊。當(dāng)=2，轉(zhuǎn)子齒與另一個定子齒對齊，轉(zhuǎn)矩又為零。,2020/7/30,20,如上所述，在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子有一定的穩(wěn)定平衡點(diǎn)。 如果步進(jìn)電機(jī)空載，則穩(wěn)定在平衡點(diǎn)為=0，而=處為不穩(wěn)定平衡點(diǎn)。 穩(wěn)定平衡點(diǎn)只有一個。 在靜態(tài)情況下，如受外負(fù)載轉(zhuǎn)矩的作用，使轉(zhuǎn)

13、子偏離它的平衡點(diǎn)，但沒有超過相鄰的不穩(wěn)定平衡點(diǎn)，則當(dāng)外轉(zhuǎn)矩除去后，轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，仍能回到原來的平衡點(diǎn)。,2020/7/30,21,（3）最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩,步進(jìn)電機(jī)矩角特性曲線上電磁轉(zhuǎn)矩的最大值稱為最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩。它與通電狀態(tài)及繞組內(nèi)電流值有關(guān)。在一定的通電狀態(tài)下，最大靜轉(zhuǎn)矩與繞組內(nèi)電流的關(guān)系，稱為最大靜轉(zhuǎn)矩特性。 當(dāng)控制電流很小時，最大靜轉(zhuǎn)矩與電流的平方成正比地增大，當(dāng)電流稍大時，受磁路飽和的影響，最大轉(zhuǎn)矩Tmax上升變緩，電流很大時曲線趨向飽和。,2020/7/30,22,（4）起動轉(zhuǎn)矩,下圖為三相步進(jìn)電機(jī)的矩角特性曲線，則A相和B相的矩角特性交點(diǎn)的縱坐標(biāo)值為起動轉(zhuǎn)矩。它表示步進(jìn)電機(jī)單相

14、激勵時所能帶動的極限負(fù)載轉(zhuǎn)矩。,2020/7/30,23,（5）連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)時的動特性_工作頻率,步進(jìn)電機(jī)的工作頻率是指電動機(jī)按指令的要求進(jìn)行正常工作的最大脈沖頻率。 所謂正常工作就是指步進(jìn)電機(jī)不失步地工作，即一個脈沖移動一個步距角。所謂失步的內(nèi)容包括：丟步和越步。 步進(jìn)電動機(jī)的工作頻率，通常分為啟動頻率、制動頻率及連續(xù)工作頻率。對于同樣負(fù)載轉(zhuǎn)矩來說，正、反向起動頻率和制動頻率都是一樣的，而連續(xù)工作頻率要高得多。 一般步進(jìn)電動機(jī)的技術(shù)參數(shù)中只給出起動頻率和連續(xù)工作頻率。,2020/7/30,24,起動頻率 空載時，步進(jìn)電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)突然啟動，并進(jìn)入不丟步的正常運(yùn)行的最高頻率，稱為空載起動頻率。

15、 加給步進(jìn)電機(jī)的指令脈沖頻率如果大于起動頻率，就不能正常工作。步進(jìn)電機(jī)加負(fù)載時啟動頻率比空載要低。而且隨著負(fù)載加大，起動頻率會進(jìn)一步降低。 起動頻率的大小由許多因素決定，繞組時間常數(shù)越小，負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量越小、步距角越小，則起動頻率越高。,2020/7/30,25,連續(xù)運(yùn)行頻率 步進(jìn)電機(jī)啟動后，其運(yùn)行速度能跟蹤指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高頻率，稱為連續(xù)運(yùn)行頻率。其值遠(yuǎn)大于起動頻率，它也隨著電動機(jī)所帶負(fù)載得性質(zhì)和大小而異，與驅(qū)動電源也有很大關(guān)系。 連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)時的動特性_矩頻特性 描述連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系 運(yùn)行矩頻特性是描述步進(jìn)電動機(jī)在連續(xù)運(yùn)行時，輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)

16、行頻率之間的關(guān)系，它是衡量步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時承載能力的動態(tài)指標(biāo)。 下頁圖中每一頻率所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為動態(tài)轉(zhuǎn)矩。從圖中可以看出，隨著運(yùn)行頻率的上升，輸出轉(zhuǎn)矩下降，承載能力下降。當(dāng)運(yùn)行頻率超過最高頻率是，步進(jìn)電動機(jī)便無法工作。,2020/7/30,26,2020/7/30,27,對矩頻特性曲線進(jìn)一步說明,因步進(jìn)電動機(jī)的控制繞組中存在電感，相應(yīng)地有一定的電氣時間常數(shù)，所以控制繞組中電流增長也有一個過程。 當(dāng)脈沖頻率很高時控制繞組中的電流不能達(dá)到穩(wěn)定值,故電動機(jī)的最大動態(tài)轉(zhuǎn)矩小于最大靜轉(zhuǎn)矩。 而且脈沖頻率越高，最大動態(tài)轉(zhuǎn)矩也就越小，在步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行時，對應(yīng)于某一頻率，只有當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于它在該頻率的最大動態(tài)

17、轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)才能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。,2020/7/30,28,2020/7/30,29,2020/7/30,30,2020/7/30,31,2020/7/30,32,2020/7/30,33,2020/7/30,34,2020/7/30,35,2020/7/30,36,6.2.4 步進(jìn)電機(jī)的控制方法,由步進(jìn)電機(jī)的工作原理知道，要使步進(jìn)電機(jī)正常一步一步地運(yùn)行，控制脈沖必須按一定的順序分別供給電動機(jī)各項(xiàng)脈沖分配。實(shí)現(xiàn)脈沖分配可以采用如下兩種形式：一種是硬件脈沖分配（或稱脈沖分配器），另一種是軟件脈沖分配器，是由計(jì)算機(jī)的軟件完成的。 硬件環(huán)行分配器 目前已經(jīng)有很多可靠性高、尺寸小、使用方便的集成電路脈沖分

18、配器。 TTL脈沖分配器：YB013、YB014、YB015、YB016，均為18個管角的直插式封裝。 CMOS型：如CH250為16個管角的直插式封裝,2020/7/30,37,2020/7/30,38,2020/7/30,39,2020/7/30,40,2020/7/30,41,6.2.5 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電源,2020/7/30,42,高低壓驅(qū)動電路,2020/7/30,43,斬波驅(qū)動電路,2020/7/30,44,三種驅(qū)動電路電流波形,三種驅(qū)動電路電流波形比較,2020/7/30,45,單電壓驅(qū)動電路的優(yōu)點(diǎn)是線路簡單，缺點(diǎn)是電流上升不夠快，高頻時帶負(fù)載能力低。 高低壓驅(qū)動電路的優(yōu)點(diǎn)是在較

19、寬的頻率范圍有較大的平均電流，能產(chǎn)生較大且穩(wěn)定的平均轉(zhuǎn)矩，其缺點(diǎn)是電流波頂有谷點(diǎn)。 斬波驅(qū)動電路雖然復(fù)雜，但它的優(yōu)點(diǎn)比較突出： （1）繞組的脈沖電流邊沿陡，快速響應(yīng)好。 （2）功率小，效率高。因?yàn)殡娐窡o外接電阻Rc，而采樣電阻Re又很?。ㄒ话?.2左右），所以整個系統(tǒng)的功耗下降很多，相應(yīng)地提高了效率。 （3）輸出轉(zhuǎn)矩恒定。由于采樣電阻Re的反饋?zhàn)饔?，使繞組中電流可以恒定在額定電流數(shù)值左右，而且不隨步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速而變化，從而保證在很大的頻率范圍內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)都能輸出恒定的轉(zhuǎn)矩。,2020/7/30,46,（4）調(diào)頻調(diào)壓電路,在電源電壓一定時，步進(jìn)電機(jī)繞組電流的上沖值是隨工作頻率的升高而降低的，使輸

20、出轉(zhuǎn)矩隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而下降。要保證步進(jìn)時的輸出轉(zhuǎn)矩就需要提高供電電壓。 從上述的驅(qū)動電路來看，為了提高驅(qū)動系統(tǒng)的快速響應(yīng)，采用提高供電電壓、加快電流上升的措施。但在低頻工作時，步進(jìn)電機(jī)的振蕩加劇，甚至失步。 從原理上講，為了減小低頻振蕩，應(yīng)使低速時繞組中的電流上升沿較平緩，這樣才能使轉(zhuǎn)子在到達(dá)新的穩(wěn)定平衡位置時不產(chǎn)生過沖。而在高速使則用使電流前沿陡，以產(chǎn)生足夠的繞組電流，才能提高步進(jìn)電機(jī)的帶負(fù)載能力。這就要求驅(qū)動電源對繞組提供的電壓與電動機(jī)運(yùn)行頻率建立直接關(guān)系，即低頻時用較低的電壓供電，高頻時用較高電壓供電。 電壓隨頻率可以由不同的方法實(shí)現(xiàn)，如分頻來調(diào)壓、隨電壓頻率線性地變化等。,2020/

21、7/30,47,（5）步進(jìn)電動機(jī)細(xì)分的驅(qū)動原理,在前述步進(jìn)電動機(jī)工作原理中，講到步距角由步進(jìn)電動機(jī)的齒距角及繞組相數(shù)等電動機(jī)結(jié)構(gòu)所決定。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高進(jìn)給運(yùn)動的分辨率，要求對步距角進(jìn)一步細(xì)分。在不改變步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)的前提下，為了達(dá)到這一目的，將額定電流以階梯波的方式輸入。此時電流分成多個臺階，則轉(zhuǎn)子就以同樣的步數(shù)轉(zhuǎn)過一個步進(jìn)電機(jī)的固定步距角。這樣將一個步距角細(xì)分成若干步的驅(qū)動方法稱為細(xì)分驅(qū)動。 獲得階梯電流一般有兩種方法： 一是先產(chǎn)生時序脈沖，放大后在電動機(jī)電樞內(nèi)疊加，電樞繞組是它們的公共負(fù)載； 二是先在加法器內(nèi)將時序脈沖疊加成階梯電壓，后進(jìn)行放大，在電樞內(nèi)獲得階梯電流波形。 細(xì)分驅(qū)動的

22、優(yōu)點(diǎn)是使步距角減小、運(yùn)行平穩(wěn)，提高勻速性，并能減弱或消除振蕩。,2020/7/30,48,*提高步進(jìn)式伺服驅(qū)動系統(tǒng)精度的措施,步進(jìn)式伺服驅(qū)動系統(tǒng)是一個開環(huán)系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的質(zhì)量、機(jī)械傳動部分的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量以及控制電路的完善與否，減小步距角，采用精密傳動副，減小傳動鏈中傳動間隙等。但這些因素往往由于結(jié)構(gòu)和工藝的關(guān)系而受到一定的限制。為此，需要從控制方法上采取一些措施，彌補(bǔ)其不足。 1.細(xì)分線路 所謂細(xì)分線路，是把步進(jìn)電機(jī)的一步再分得細(xì)一些。如十細(xì)分線路，將原來輸入一個進(jìn)給脈沖步進(jìn)電機(jī)走一步變?yōu)檩斎?0個脈沖才走一步。換句話說，采用十細(xì)分線路后，在進(jìn)給速度不變的情況下，可使脈沖當(dāng)量縮小到原

23、來的110。,2020/7/30,49,若無細(xì)分，定子繞組的電流是由零躍升到額定值的，相應(yīng)的角位移如圖(a)所示。采用細(xì)分后，定子繞組的電流要經(jīng)過若干小步的變化，才能達(dá)到額定值，相應(yīng)的角位移如圖(b)所示。,2020/7/30,50,2.齒隙補(bǔ)償 齒隙補(bǔ)償又稱反向間隙補(bǔ)償。 機(jī)械傳動鏈在改變轉(zhuǎn)向時，由于齒隙的存在，會引起步進(jìn)電機(jī)的空走，而無工作臺的實(shí)際移動。 在開環(huán)伺服系統(tǒng)中，這種齒隙誤差對于機(jī)床加工精度具有很大的影響，必須加以補(bǔ)償。 齒隙補(bǔ)償?shù)脑硎牵合葴y出齒隙的大小，在加工過程中，每當(dāng)檢測到工作臺的進(jìn)給方向改變時，在改變后的方向增加進(jìn)給脈沖指令，用以克服因步進(jìn)電機(jī)的空走而造成的齒隙誤差。,

24、2020/7/30,51,3.螺距誤差補(bǔ)償 在步進(jìn)式開環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，絲杠的螺距積累誤差直接影響著工作臺的位移精度，若想提高開環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)的精度，就必須予以補(bǔ)償。 補(bǔ)償原理: 通過對絲杠的螺距進(jìn)行實(shí)測，得到絲杠全程的誤差分布曲線。 誤差有正有負(fù)，當(dāng)誤差為正時，表明實(shí)際的移動距離大于理論的移動距離，應(yīng)該采用扣除進(jìn)給脈沖指令的方式進(jìn)行誤差的補(bǔ)償，使步進(jìn)電機(jī)少走一步； 當(dāng)誤差為負(fù)時，表明實(shí)際的移動距離小于理論的移動距離，應(yīng)該采取增加進(jìn)給脈沖指令的方式進(jìn)行誤差的補(bǔ)償，使步進(jìn)電機(jī)多走一步。,2020/7/30,52,具體的做法是： (1)安置兩個補(bǔ)償桿分別負(fù)責(zé)正誤差和負(fù)誤差的補(bǔ)償； (2)在兩個補(bǔ)償

25、桿上，根據(jù)絲杠全程的誤差分布情況及如上所述螺距誤差的補(bǔ)償原理，設(shè)補(bǔ)償開關(guān)或擋塊； (3)當(dāng)機(jī)床工作臺移動時，安裝在機(jī)床上的微動開關(guān)每與擋塊接觸一次，就發(fā)出一個誤差補(bǔ)償信號，對螺距誤差進(jìn)行補(bǔ)償，以消除螺距的積累誤差。,2020/7/30,53,2020/7/30,54,*步進(jìn)電機(jī)與微機(jī)的接口技術(shù),2020/7/30,55,6.3 直流伺服電動機(jī)的調(diào)速原理,6.3.1 直流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 直流伺服電動機(jī)的種類很多，但在機(jī)床系統(tǒng)中，目前使用最多的是永磁式的直流寬調(diào)速電動機(jī)。,2020/7/30,56,永磁直流伺服電動機(jī)的工作原理與普通他勵直流電動機(jī)的工作原理相同。只不過他勵直流電動機(jī)的定

26、子磁動勢由勵磁電流if產(chǎn)生，而永磁直流伺服電動機(jī)的定子磁動勢由永磁體產(chǎn)生。 圖所示為他勵直流電動機(jī)原理圖。,2020/7/30,57,根據(jù)他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性： 改變電樞電壓、勵磁電流或電樞回路電阻即可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。調(diào)速方法：改變電樞供電電壓；改變勵磁磁通；改變電樞回路電阻調(diào)速。,2020/7/30,58,6.3.2 直流電動機(jī)的PWM調(diào)速原理,永磁式寬調(diào)速直流伺服電動機(jī)的磁場磁通是恒定的，只能按電壓控制方式調(diào)速，目前有兩種驅(qū)動方式，一種是晶閘管驅(qū)動(SCR)方式，另一種是晶體管脈寬調(diào)制方式（PWM）. 所謂脈寬調(diào)速，其原理是利用脈寬調(diào)制器對大功率晶體管開關(guān)時間進(jìn)行控制，將直流電壓轉(zhuǎn)換成

27、某一頻率的方波電壓，加到直流電動機(jī)電樞兩端，通過對方波脈沖寬度的控制，改變電樞兩端的平均電壓，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。 脈寬調(diào)制速度控制單元的核心由兩部分構(gòu)成：一是主回路，即脈寬調(diào)制式的開關(guān)放大器，二是脈寬調(diào)制器，這兩部分也是PWM控制方式的核心。,2020/7/30,59,1PWM系統(tǒng)功率轉(zhuǎn)換電路主回路 PWM系統(tǒng)功率轉(zhuǎn)換電路有多種方式，這里僅以H形 雙極可逆功率轉(zhuǎn)換電路為例說明其工作原理。如圖所示，它由四個大功率晶體管和四個續(xù)流二極管組成，四個大功率管分為兩組，VT1和VT4為一組，VT2和VT3為另一組。同一組中的兩個晶體管同時導(dǎo)通或同時關(guān)斷，兩組交替導(dǎo)通和關(guān)斷。把一組控制方波加到一組大功率晶體管的基極上，同時把反向后的該組方波加到另一組的基極上，就能達(dá)到上述目的。,2020/7/30,60,2.脈寬調(diào)制器,脈寬調(diào)制的任務(wù)是將連續(xù)控制信號變成方波脈沖信號，作為功率轉(zhuǎn)換電路的基極輸入信號，控制直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。方波脈沖信號可由脈寬調(diào)制器生成，也可由全數(shù)字軟件生成。 脈寬調(diào)制器是PWM控制方式的另一個核心部分。脈寬調(diào)制器由調(diào)制脈沖發(fā)生器和比較放大器組成。調(diào)制脈沖發(fā)生器有三角波發(fā)生器和鋸形波發(fā)生器。 （1）三角波發(fā)生器 （2）比較放大器,2020/7/30,61,6.4 交流伺服電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng),6.4.1 交流伺服電動機(jī) 直流伺服電動機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能，但由于它的電