第6章開環(huán)伺服系統(tǒng).ppt

1、第6章 數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)6.1 概述,一、伺服系統(tǒng)的組成 數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)按其功能可分為：進(jìn)給伺服系統(tǒng)和主軸伺服系統(tǒng)。 主軸伺服系統(tǒng)用于控制機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。 進(jìn)給伺服系統(tǒng)是以機(jī)床移動(dòng)部件（如工作臺）的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，通常由伺服驅(qū)動(dòng)裝置、伺服電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及執(zhí)行部件組成。 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的作用：接受數(shù)控裝置發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號，由伺服驅(qū)動(dòng)裝置作一定的轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服電機(jī)（直流、交流伺服電機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)等）和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺等執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給或快速運(yùn)動(dòng)。 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)能根據(jù)指令信號精確地控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)速度與位置，以及幾個(gè)執(zhí)行部

2、件按一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)所合成的運(yùn)動(dòng)軌跡。 如果把數(shù)控裝置比作數(shù)控機(jī)床的“大腦”，是發(fā)布“命令”的指揮機(jī)構(gòu)，那么伺服系統(tǒng)就是數(shù)控機(jī)床的“四肢”，是執(zhí)行“命令”的機(jī)構(gòu)，它是一個(gè)不折不扣的跟隨者。,圖6-1 閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu),數(shù)控機(jī)床閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖，這是一個(gè)雙閉環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)為速度環(huán)，外環(huán)為位置環(huán)。速度環(huán)由速度控制單元、速度檢測裝置等構(gòu)成。速度控制單元是一個(gè)獨(dú)立的單元部件，它是用來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的，是速度控制系統(tǒng)的核心。速度檢測裝置有測速發(fā)電機(jī)、脈沖編碼器等。位置環(huán)是由CNC裝置中的位置控制模塊、速度控制單元、位置檢測及反饋控制等部分組成。,由速度檢測裝置提供速度反饋值的速度環(huán)控制在進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝

3、置內(nèi)完成，而裝在電動(dòng)機(jī)軸上或機(jī)床工作臺上的位置反饋裝置提供位置反饋值構(gòu)成的位置環(huán)由數(shù)控裝置來完成。伺服系統(tǒng)從外部來看，是一個(gè)以位置指令輸入和位置控制為輸出的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。但從內(nèi)部的實(shí)際工作來看，它是先把位置控制指令轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的速度信號后，通過調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，才實(shí)現(xiàn)實(shí)際位移的。,二、對伺服系統(tǒng)的基本要求,伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選用 1）精度要求：定位精度、重復(fù)定位精度、加工精度 2）穩(wěn)定性：達(dá)到平衡狀態(tài)的能力 3）響應(yīng)速度：跟蹤指令信號的速度 4）調(diào)速范圍：最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比Rn=nmax/nmin 5）低速轉(zhuǎn)距特性:低速時(shí)轉(zhuǎn)距輸出能力 關(guān)于定位精度和重復(fù)定位精度 定位精度：移動(dòng)件到達(dá)指令

4、位置的準(zhǔn)確度 重復(fù)定位精度：移動(dòng)件在任意定位點(diǎn)的定位一致性,第二節(jié) 開環(huán)伺服系統(tǒng),一、組成,伺服驅(qū)動(dòng)單元、執(zhí)行元件、傳動(dòng)機(jī)構(gòu),二、步進(jìn)電機(jī),將電脈沖轉(zhuǎn)變成機(jī)械角位移的裝置,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),返回,下一頁,上一頁,1.分類,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),按輸出轉(zhuǎn)矩分： 伺服步進(jìn)電機(jī)、功率 步進(jìn)電機(jī)。,按勵(lì)磁相數(shù)分： 三相、六相、五相、六相、八相 等,按工作原理分： 反應(yīng)式、激磁式、混合式（永磁反應(yīng)式）,返回,下一頁,上一頁,2.步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu),第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),步進(jìn)電機(jī)由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成,定子上有繞組分為若干相，每相磁極上有極齒。,左圖為三相定子：AA,BB,CC A、B、C三相每相兩極，

5、每極上五個(gè)齒,1) 定子,五個(gè)極齒,2.步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu),第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),定子上線圈的繞法,下一頁,上一頁,返回,2.步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu),2) 轉(zhuǎn)子,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),轉(zhuǎn)子上有均勻分布的 齒，沒有繞組。,轉(zhuǎn)子齒間夾角為9o,左圖為一轉(zhuǎn)子示意圖：,以四十齒為例來說明步進(jìn)電機(jī)的原理,下一頁,上一頁,返回,3. 步進(jìn)電機(jī)的實(shí)物圖,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),3. 步進(jìn)電機(jī)的實(shí)物圖,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),3. 步進(jìn)電機(jī)的實(shí)物圖,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),3. 步進(jìn)電機(jī)的實(shí)物圖,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),3. 步進(jìn)電機(jī)的實(shí)物圖,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),3. 步進(jìn)電機(jī)的實(shí)物圖,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),3. 步進(jìn)電機(jī)的實(shí)

6、物圖,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),3. 步進(jìn)電機(jī)的實(shí)物圖,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),3. 步進(jìn)電機(jī)的實(shí)物圖,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),3. 步進(jìn)電機(jī)的實(shí)物圖,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),4.工作原理,如果A相通電則轉(zhuǎn)子齒與A相極齒對齊，這時(shí)在B相兩極下 定子齒與轉(zhuǎn)子齒中心線并不對齊，而是轉(zhuǎn)子齒中心線較定 子齒中心線反時(shí)針方向落后1/3齒距，即3o。,因此，當(dāng)通電狀態(tài)由A相變?yōu)锽相時(shí)，轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向 轉(zhuǎn)過3o，C相通電再轉(zhuǎn)3o。,C相下，轉(zhuǎn)子齒超前6o。,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),4.工作原理,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),三拍通電激磁，步距角= = 3o,一般 = m繞組相數(shù)； Z轉(zhuǎn)子齒數(shù)，單拍k=1,雙拍k=2。,六拍通電

7、激磁，步距角 = = 1.5o,下一頁,上一頁,返回,4.工作原理,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),定子繞組通斷電順序 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向,定子繞組通斷電轉(zhuǎn)換頻率 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,定子繞組通斷電次數(shù) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角,通斷電方式,下一頁,上一頁,5.主要控制特性,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),下一頁,上一頁,1) 步距角（）及步距誤差,步距角是兩個(gè)相臨脈沖時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度,一般來 說步距角越小,控制越精確。,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),5.主要控制特性,步距誤差直接影響執(zhí)行部件的定位精度. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單相通電時(shí),步距誤差取決于定子和轉(zhuǎn)子的分齒 精度,和各相定子錯(cuò)位角度的精度。,多相通電時(shí),其不僅與上述因素有關(guān),還和各相電流大小,磁 路性

8、能有關(guān)。,返回,下一頁,上一頁,2）靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與矩角特性 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)上某相定子繞組通電之后，轉(zhuǎn)子齒將力求與定子齒對齊，使磁路中的磁阻最小，轉(zhuǎn)子處在平衡位置不動(dòng)（0）。如果在電機(jī)軸上外加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩Mz，轉(zhuǎn)子會偏離平衡位置向負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，角度稱為失調(diào)角。有失調(diào)角之后，步進(jìn)電機(jī)就產(chǎn)生一個(gè)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩（也稱為電磁轉(zhuǎn)矩），這時(shí)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系叫矩角特性，如圖6-6所示，近似為正弦曲線。該矩角特性上的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。在靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，當(dāng)外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩除去時(shí)，轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)矩作用下，仍能回到穩(wěn)定平衡點(diǎn)位置（0）。,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),圖6-6 靜態(tài)矩角特性,3）

9、最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mq 圖6-7為三相單三拍矩角特性曲線，圖中的A、B分別是相鄰A相和B相的靜態(tài)矩角特性曲線，它們的交點(diǎn)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩是步進(jìn)電機(jī)的最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mq 。如果外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于Mq ，電機(jī)就不能啟動(dòng)。如圖6-7所示,當(dāng)A相通電時(shí)，若外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩Ma Mq ，對應(yīng)的失調(diào)角為a ，當(dāng)勵(lì)磁電流由A相切換到B相時(shí)，對應(yīng)角b ，B相的靜轉(zhuǎn)矩為Mb。從圖中看出Mb Mq,電機(jī)不能帶動(dòng)負(fù)載做步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，因而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩是電機(jī)能帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)的極限轉(zhuǎn)矩。,b,A B C,圖6-6 三相單三拍步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,Mb,Mq,Ma,M,a,4）最高啟動(dòng)頻率,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),空載時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止突然啟動(dòng)，并不失步

10、的進(jìn)入穩(wěn)速運(yùn)行，所允許的啟動(dòng)頻率的最高值為最高啟動(dòng)頻率.,啟動(dòng)時(shí)頻率大于最高啟動(dòng)頻率時(shí)步進(jìn)電機(jī)不能正常工作，最高啟動(dòng)頻率與步進(jìn)電機(jī)的慣性負(fù)載有關(guān).,5）最高工作頻率,步進(jìn)電機(jī)工作頻率連續(xù)上升時(shí)，電動(dòng)機(jī)不失步運(yùn)行的最 高頻率稱為最高工作頻率。 它的值也和負(fù)載有關(guān)。很顯然，在同樣負(fù)載下，最高工 作頻率遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率.,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),在連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下，步進(jìn)電機(jī)的電磁力矩隨頻率的升高而 急劇下降，這兩者的關(guān)系稱為矩頻特性.,6）矩頻特性,7)加減速特性,步進(jìn)電機(jī)的加減速特性是描述步進(jìn)電機(jī)由靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時(shí)間的關(guān)系.,當(dāng)要求步進(jìn)電機(jī)啟

11、動(dòng)到大于突跳頻率的工作頻率時(shí)，變化速度必須逐漸上升,同樣,當(dāng)要求步進(jìn)電機(jī)從最高工作頻率或高于突跳頻率的工作頻率停止時(shí)，變化速度必須逐漸下降,逐漸上升或下降的加速時(shí)間、減速時(shí)間不能過小，否則會出現(xiàn)失步或超步,一般用加速時(shí)間常數(shù)Ta和減速時(shí)間常數(shù)Td來描述步進(jìn)電機(jī)的升速和降速特性,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),步進(jìn)電機(jī)卡開環(huán)伺服應(yīng)用實(shí)例,步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子有80個(gè)齒，采用三相六拍驅(qū)動(dòng)方式，經(jīng)絲杠螺母傳動(dòng)副驅(qū)動(dòng)工作臺做直線運(yùn)動(dòng)，絲杠的導(dǎo)程為5mm，工作臺移動(dòng)最大速度為6mm/s。求： (1)步進(jìn)電機(jī)的步距角=？ (2)工作點(diǎn)的脈沖當(dāng)量？ (3)步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率？,解：(1) (2) 絲杠導(dǎo)程步距角/360

12、=50.75/360=0.01(mm/脈沖) (3),6.步進(jìn)電機(jī)的選擇,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),1)步進(jìn)電機(jī)選擇原則：, 步矩角與機(jī)械系統(tǒng)相匹配，以得到系統(tǒng)所需的, 保證電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，大于負(fù)載所需轉(zhuǎn)矩, 能與機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載慣量相匹配 為使電機(jī)具有良好的起動(dòng)性能及較快的響應(yīng)速度 推薦 Jleq/Jm=4 式中 Jleq為系統(tǒng)等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jm 為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量, 電機(jī)運(yùn)行速度和最高工作頻率能滿足工作臺切削加工 和快移要求。, = t/360i,下一頁,上一頁,2)步進(jìn)電機(jī)選擇步驟,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng), 初定步進(jìn)電機(jī)步距角，計(jì)算減速比，確定齒輪副 初選步進(jìn)電機(jī)型號，根據(jù)其工作方式，初定步距角,

13、i=Z1/Z2= t / 360 ,確定齒輪副齒數(shù)時(shí)，盡量選擇一級降速;,若需二級，則降速比大的齒輪副應(yīng)遠(yuǎn)離電機(jī)， 以利于提高傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度和精度。,下一頁,上一頁,: 步進(jìn)電機(jī)步距角, (o)/脈沖 t : 滾珠絲桿導(dǎo)程，mm : 脈沖當(dāng)量，mm/脈沖,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng), 計(jì)算慣量,下一頁,上一頁,2)步進(jìn)電機(jī)選擇步驟,設(shè)傳動(dòng)系統(tǒng)如右圖所示：,伺服系統(tǒng)總慣量JG為 JG=Jm+Jleq,式中：Jm 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,Jleq 換算到電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),2)步進(jìn)電機(jī)選擇步驟, 計(jì)算慣量,nm 步進(jìn)電機(jī)速度 r/min ni 第i個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)速r/min,

14、Ji 第i個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 kg . m2,Vj 第j個(gè)移動(dòng)部件的移動(dòng)速度 m/min,Mj 第j個(gè)移動(dòng)部件的質(zhì)量 kg, 計(jì)算慣量,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),2)步進(jìn)電機(jī)選擇步驟,圖示的一級齒輪減速系統(tǒng),V=nz2 . t,式中 V工作臺移動(dòng)速度 m/min,t絲桿導(dǎo)程 m, 計(jì)算慣量,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),2)步進(jìn)電機(jī)選擇步驟,式中 Jz1 齒輪1的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 kg . m2,Jz2 齒輪2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 kg . m2,Js 絲桿2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 kg . m2,Mw 工作臺的質(zhì)量 kg, 計(jì)算慣量,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),2)步進(jìn)電機(jī)選擇步驟,其中 ，齒輪、絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（J）可按圓柱體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)

15、算,Kg/cm3,式中 D 齒輪分度圓直徑或絲桿名義直徑 mm L 齒輪寬度或絲桿長度 mm 材料比重 kg/cm3, 計(jì)算慣量,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),2)步進(jìn)電機(jī)選擇步驟,對下圖所示的二級齒輪減速系統(tǒng), 計(jì)算轉(zhuǎn)矩,系統(tǒng)所需轉(zhuǎn)矩包括加速轉(zhuǎn)矩和等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩,快速空載啟動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩M M = Mamax+Mf,式中: Mamax 快速空載啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生最大加速度所需轉(zhuǎn)矩 Nm Mf 克服摩擦力所需轉(zhuǎn)矩 Nm,2)步進(jìn)電機(jī)選擇步驟,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng), 計(jì)算轉(zhuǎn)矩,2)步進(jìn)電機(jī)選擇步驟,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),由動(dòng)力學(xué)知：, 計(jì)算轉(zhuǎn)矩,2)步進(jìn)電機(jī)選擇步驟,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),對于空載啟動(dòng)時(shí)0=0，T為

16、升速 時(shí)間常數(shù)，則t為升速 T秒后電機(jī)的角速度此時(shí)的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩主要是T作臺移 動(dòng)的磨擦力引起的。,式中 工作臺與導(dǎo)軌之間的磨擦系數(shù) W為工作臺和工件的總重量 N, 計(jì)算轉(zhuǎn)矩,2)步進(jìn)電機(jī)選擇步驟,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),式中 工作臺與導(dǎo)軌之間的磨擦系數(shù) W為工作臺和工件的總重量 N,Nm為電機(jī)轉(zhuǎn)速 r/min t 為絲桿導(dǎo)程 mm,Vw為工作臺的移動(dòng)速度 m/min, 計(jì)算轉(zhuǎn)矩,2)步進(jìn)電機(jī)選擇步驟,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),最大切削力時(shí)所需轉(zhuǎn)矩M,為了安全，此時(shí)不僅要考慮最大切削力，而且還應(yīng)考慮在切 削過程中產(chǎn)生相慶加速度所需轉(zhuǎn)矩，這時(shí)所需轉(zhuǎn)矩M為：,式中 Mat為切削時(shí)產(chǎn)生加速度所需加速轉(zhuǎn)矩

17、Nm Mf為克服磨擦所需轉(zhuǎn)矩 Nm Mt為克服切削力所需轉(zhuǎn)矩 Nm, 計(jì)算轉(zhuǎn)矩,2)步進(jìn)電機(jī)選擇步驟,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),設(shè)與運(yùn)動(dòng)方向相反的最大切削力為 ,垂直于等軌的 切削分力為 。,則：,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng), 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率,工作臺快速空載速度Vmax 電機(jī)最高工作頻率fmax,工作臺工作進(jìn)給時(shí)的最低速度Vmin 電機(jī)最小運(yùn)行頻率fmin,工作臺工作進(jìn)給時(shí)的最高速度VF 電機(jī)最大運(yùn)行頻率fF,伺服系統(tǒng)在 fmin fF 范圍內(nèi)可用軟件實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速,f= V / 60,式中 , V 工作臺進(jìn)給速度 mm/min,下一頁,上一頁,2)步進(jìn)電機(jī)選擇步驟,確定步進(jìn)電機(jī)型號,第六章 伺服驅(qū)

18、動(dòng)系統(tǒng),根據(jù)步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率fmax和正常工作進(jìn)給頻率fminfF， 以及快速空載啟動(dòng)和最大切削力時(shí)所需轉(zhuǎn)矩，選擇步進(jìn)電機(jī) 型號，主要從兩方面考慮:,) 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)矩頻特性定否能滿足要求,查電機(jī)啟動(dòng)矩頻特性曲線，得到對應(yīng)于最高工作頻率fmax， 電機(jī)能提供的啟動(dòng)力矩Mq。 若Mq 大于計(jì)算出的快速空載啟動(dòng) 所需力矩，則說明所選步進(jìn)電機(jī)能滿足快速空載啟動(dòng)時(shí)所需啟 動(dòng)力矩要求。,下一頁,上一頁,2)步進(jìn)電機(jī)選擇步驟,) 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性是否能滿足要求,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),查電機(jī)運(yùn)行矩頻特性曲線，得到對應(yīng)于正常工作進(jìn)給最大運(yùn)行頻率fF電機(jī)所能提供的力矩M。,若M大于計(jì)算出的最大切削力所需

19、轉(zhuǎn)矩，則說明所選電機(jī) 能滿足伺服系統(tǒng)正常工作時(shí)所需力矩要求。,下一頁,上一頁,2)步進(jìn)電機(jī)選擇步驟,3) 步進(jìn)電機(jī)選擇實(shí)例,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),例：一個(gè)工作臺驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖所示，已知參數(shù)見表1，工作臺與導(dǎo)軌磨擦系數(shù)為0.04，加速時(shí)間0.25s，求轉(zhuǎn)換到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和等效力矩。,3) 步進(jìn)電機(jī)選擇實(shí)例,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),例：一個(gè)工作臺驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖所示，已知參數(shù)見表1，工作臺與導(dǎo)軌磨擦系數(shù)為0.04，加速時(shí)間0.25s，求轉(zhuǎn)換到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和等效力矩。,3) 步進(jìn)電機(jī)選擇實(shí)例,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),例：一個(gè)工作臺驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖所示，已知參數(shù)見表1，工作臺與導(dǎo)軌磨擦系數(shù)為0.

20、04，加速時(shí)間0.25s，求轉(zhuǎn)換到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和等效力矩。,計(jì)算轉(zhuǎn)矩：,三.步進(jìn)伺服驅(qū)動(dòng)電路,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),下一頁,上一頁,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)線路完成由弱電到強(qiáng)電的轉(zhuǎn)換和放大，也就是將邏輯電平信號變換成電機(jī)繞組所需的具有一定功率的電流脈沖信號。驅(qū)動(dòng)控制電路由環(huán)形分配器和功率放大器組成。環(huán)形分配器是用于控制步進(jìn)電機(jī)的通電方式的，其作用是將數(shù)控裝置送來的一系列指令脈沖按照一定的順序和分配方式加到功率放大器上，控制各相繞組的通電、斷電。環(huán)形分配器功能可由硬件或軟件產(chǎn)生，硬件環(huán)形分配器是根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)和控制方式設(shè)計(jì)的，數(shù)控機(jī)床上常用三相、四相、五相及六相步進(jìn)電機(jī)。,三.步進(jìn)伺服驅(qū)動(dòng)電路

21、,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),（一）脈沖分配,按一定的規(guī)律將進(jìn)給脈沖分配給步進(jìn)電機(jī)定子繞組的各相。,實(shí)現(xiàn)方法：,1. 硬件,集成脈沖分配器,TTL: B013, BY014 BY015, BY016,CMOS: CH250,下一頁,上一頁,如圖6-8所示，該線路由與非門和JK觸發(fā)器組成。指令脈沖加到三個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入端CP，旋轉(zhuǎn)方向由正、反控制端的狀態(tài)決定。QA, QB, QC為三個(gè)觸發(fā)器的Q端輸出，連到A、B、C三相功率放大器。若“1”表示通電，“0”表示斷電，對于三相六拍步進(jìn)電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，正向控制端狀態(tài)置“1”，反向控制端狀態(tài)置“0”。初始時(shí)，在預(yù)置端加上預(yù)置脈沖，將三個(gè)觸發(fā)器置為100狀態(tài)，

22、 。當(dāng)在CP端送入一個(gè)脈沖時(shí)，環(huán)形分配器就由100狀態(tài)變?yōu)?10狀態(tài)，隨著指令脈沖的不斷到來，各相通電狀態(tài)不斷變化，按照100110010011001101即AABBBCCCA次序通電。步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，由反向控制信號“1”狀態(tài)控制（正向控制為“0”），通電次序?yàn)锳CACCBBBAA。,三.步進(jìn)伺服驅(qū)動(dòng)電路,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),（一）脈沖分配,2. 軟件,移位法,查表法,返回,下一頁,上一頁,查表法軟件脈沖分配 在計(jì)算機(jī)控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，通常采用軟件的方法實(shí)現(xiàn)環(huán)形脈沖分配。下圖所示是一個(gè)8031單片機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路接口的框圖。P1口的三個(gè)引腳經(jīng)過光電隔離/功率放大后，分別與電動(dòng)

23、機(jī)的A、B、C三相連接。當(dāng)采用三相六拍方式時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)的通常順序?yàn)锳-AB-B-BC-C-CA-A；電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)的順序?yàn)锳-AC-C-CB-B-BA-A。它們的環(huán)形分配如表6-4所示。設(shè)P1的某口為高電平時(shí)，相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)相通電。,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),把表中的數(shù)值按順序存入內(nèi)存的EPROM中，并分別設(shè)定表頭的地址為TAB0。計(jì)算機(jī)的P1口按從表頭開始逐步加1的順序變化，電動(dòng)機(jī)正相旋轉(zhuǎn)，如果按從TAB5，逐步減1的順序變化，電動(dòng)機(jī)則反轉(zhuǎn)。控制電動(dòng)機(jī)方向、速度的子程序流程圖和源程序如下所示。 子程序的入口、出口如下： 入口：R6：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步數(shù)； R5：正反轉(zhuǎn)控制，R5=0時(shí)

24、為正，R50或R50時(shí)為反； R7：TAB數(shù)據(jù)表指針。 以上參數(shù)在主程序中給定。 出口：R7：子程序結(jié)束時(shí)電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)，供下次調(diào)用時(shí)參考。,源程序如下： SBU1： MOV DPTR，#TAB AJMP REDO ；轉(zhuǎn)移去判斷正反轉(zhuǎn) DRIVER： MOV，R7 ；驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī) MOV A，A+DPTR MOV P1，A ACALL DELAY ；調(diào)延時(shí)子程序 DJNZ R6，REDO ；距離不為0轉(zhuǎn)移 MOV R7，A ；為0保存指針后返回 RET REDO： CJNE R5，#00，NON ；如為反轉(zhuǎn)則轉(zhuǎn)移 CJNE R7，#05，L1 ；正轉(zhuǎn)：指針不到數(shù)組尾轉(zhuǎn)移 MOV R7，#00H

25、 ；否則指針清零 AJMP DRIVER L1： INC R7 ；指針加1 AJMP DRIVER NON： CJNE R7，#00H，L2 ；反轉(zhuǎn)：指針不在數(shù)組首轉(zhuǎn)移 MOV R7，#05H ；否則指針置5 AJMP DRIVER L2： DEC R7 ；指針減1 TAB： DB 01H，03H，02H，06H，04H，05H,這里省略了延時(shí)子程序，通過改變延時(shí)時(shí)間的長短來控制電動(dòng)機(jī)的速度。在以計(jì)算機(jī)為控制核心的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中采用軟件進(jìn)行脈沖分配已形成趨勢。雖然軟件脈沖分配增加了編程的復(fù)雜程度，但它省去了環(huán)形脈沖分配器，系統(tǒng)減少了器件，降低了成本，也提高了系統(tǒng)的可靠性。,（二）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

26、電源,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),1對驅(qū)動(dòng)電源的要求,實(shí)際上，步進(jìn)電機(jī)是感性負(fù)載，繞組中電流不能突變，而是按 指數(shù)規(guī)律上升或下降,從而使整個(gè)通電周期內(nèi)，繞組電流平均值下降，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩下降。,理想驅(qū)動(dòng)電源使電機(jī)繞組電流 盡量接近矩形波。,而當(dāng)電機(jī)運(yùn)行頻率很高時(shí)，電流峰值 顯著小于額定勵(lì)磁電流，從而導(dǎo)致電機(jī) 轉(zhuǎn)矩進(jìn)一步下降，嚴(yán)重時(shí)不能啟動(dòng)。,下一頁,上一頁,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),上升時(shí)電流時(shí)間常數(shù) Ti = L/R,L步進(jìn)電機(jī)繞組平均電感量,R通電回路電阻，包括： 繞組內(nèi)阻、功率放大器輸出級內(nèi)阻、串聯(lián)電阻,下降時(shí)電流時(shí)間常數(shù) Td = L/RD RD放大回路電阻,為了提高步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性，必須改善電流

27、波形， 使前后沿陡度增大，方法有：,下一頁,上一頁,1) 電阻法,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),從 Ti=L/R 知，為 ， 可 R， 故可在進(jìn)電機(jī)繞組回路中串聯(lián)一個(gè)電阻Ro 此時(shí)， Ti = L/( r+R0 ),特點(diǎn)：線路簡單，但 Ro ( 10)上消耗一定功率， 發(fā)熱量大，也降低了放大器的效率，只適于小功率步進(jìn)電機(jī)。,下一頁,上一頁,2) 電壓法,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),電感繞組通電狀態(tài)時(shí)，繞組上電流為 Im=(E/r) (1-e-t/Ti ),E電源電壓 電流增長率為 dE/dt= Im=(E/r) (1-e-t/Ti ),可見，增大電源電壓可以有效地改善電流上升陡度,特點(diǎn)：線路復(fù)雜，需采用雙電

28、源，但效率較高，效果好， 適于中小型功率步進(jìn)電機(jī)。,下一頁,上一頁,返回,下一頁,上一頁,2單電壓型驅(qū)動(dòng)電源,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),電容C: 在接通瞬間短接R 電流由 ELCT1 故C稱 加速電容,電阻Rc: 在電流達(dá)到恒定后還起限流作用， 改變了時(shí)間常數(shù) ，提高了響 應(yīng)速度，此時(shí)電流由 ELRcT1,Ra,Rc,RL,返回,下一頁,上一頁,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),輸入脈沖消失后，T1截止， L兩端將產(chǎn)生一感應(yīng)電壓。,V=L(di/dt)，由于T1關(guān)斷時(shí)間dt很短， 故感應(yīng)電壓U很大，將擊穿晶體管， 為此增加二極管 D 續(xù)流，續(xù)流電流: LRcDL,2單電壓型驅(qū)動(dòng)電源,Rc,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

29、,而T2在高壓控制電路下導(dǎo)通 時(shí)間t1較短 (100-600 s),繞組在高壓 EH下電流 迅速增大至額定值， 此時(shí)低壓 EL無效。,3高低壓雙壓型驅(qū)動(dòng)電源,輸入脈沖信號為“0”時(shí)， T1、T2均截止，IL=0,輸入信號為“1”時(shí)，T1 導(dǎo)通,t1之后，T2截止，低壓供壓，維持繞組所需的額定電流Ie,下一頁,上一頁,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),輸入脈沖信號消失(為“0”)， T1、T2均截止， L上電流經(jīng)放電回路： LRoD2EHELD1L 迅速下降,EH供電，勵(lì)磁電流前沿電流 Ip=EH/(r+R0)(1-e-t/Ti ),由此計(jì)算t1 t1=T/n EH/EH+ In (r+R0),In要求高壓

30、通電， 電流達(dá)到的數(shù)值,3高低壓雙壓型驅(qū)動(dòng)電源,下一頁,上一頁,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),繞組上電流Il 隨外加電壓(EH、EL)變化而變化， 當(dāng)外加電壓變化時(shí)，電機(jī)特性變差，工作不穩(wěn)定,繞組電流波形下凹， 使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩降低,3) R的存在使效率降低,返回,存在的問題：,下一頁,上一頁,4電流斬波型,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),在繞組回路中串接電流檢測電路： 當(dāng)繞組電流下降至一定下限時(shí)， 由檢測電路發(fā)生信號、控制 高壓管再度接通，使繞組 電流回升；,當(dāng)電流增至某一上限時(shí)，再次斷開高壓源。,下一頁,上一頁,特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、響應(yīng)速度快、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、功耗低、噪聲大。 應(yīng)用：大（中）型功率步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng),返回,下一頁,上一頁,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),5細(xì)分驅(qū)動(dòng)電源,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),下一頁,上一頁,步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)： 切換時(shí)，繞組電流并非全部切除或通入，只改變額定值的一部分（如1/4)，轉(zhuǎn)子也只轉(zhuǎn)動(dòng)步距角的一部分（如1/4)。,下一頁,上一頁,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),返回,下一頁,上一頁,四、提高步進(jìn)電機(jī)伺