第6章開(kāi)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(tái)）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(hào)，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(tái)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(hào)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(cè)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(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的，是速度控制系統(tǒng)的核心。速度檢測(cè)裝置有測(cè)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(cè)及反饋控制等部分組成。,由速度檢測(cè)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(tái)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(lái)完成。伺服系統(tǒng)從外部來(lái)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(lái)看，它是先把位置控制指令轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的速度信號(hào)后，通過(guò)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(duì)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(hào)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(kāi)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(yè),上一頁(yè),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(yè),上一頁(yè),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(yè),上一頁(yè),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(méi)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(lái)說(shuō)明步進(jìn)電機(jī)的原理,下一頁(yè),上一頁(yè),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(duì)齊，這時(shí)在B相兩極下 定子齒與轉(zhuǎn)子齒中心線并不對(duì)齊，而是轉(zhuǎn)子齒中心線較定 子齒中心線反時(shí)針?lè)较蚵浜?/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?lè)较?轉(zhuǎn)過(guò)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(yè),上一頁(yè),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(yè),上一頁(yè),5.主要控制特性,第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),下一頁(yè),上一頁(yè),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(guò)的角度,一般來(lái) 說(shuō)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(yè),上一頁(yè),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(duì)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(huì)偏離平衡位置向負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)過(guò)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(duì)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(duì)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(duì)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(guò)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(guò)小，否則會(huì)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(lái)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(kāi)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?jìng)鲃?dòng)副驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)做直線運(yùn)動(dòng)，絲杠的導(dǎo)程為5mm，工作臺(tái)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(tái)切削加工 和快移要求。, = t/360i,下一頁(yè),上一頁(yè),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(hào)，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(jí)降速;,若需二級(jí)，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(yè),上一頁(yè),: 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(yè),上一頁(yè),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(jí)齒輪減速系統(tǒng),V=nz2 . t,式中 V工作臺(tái)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(tái)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(zhǎng)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(duì)下圖所示的二級(jí)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(duì)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(tái)移 動(dòng)的磨擦力引起的。,式中 工作臺(tái)與導(dǎo)軌之間的磨擦系數(shù) W為工作臺(tái)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(tái)與導(dǎo)軌之間的磨擦系數(shù) W為工作臺(tái)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(tái)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(guò)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(tái)快速空載速度Vmax 電機(jī)最高工作頻率fmax,工作臺(tái)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(tái)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(wú)級(jí)調(diào)速,f= V / 60,式中 , V 工作臺(tái)進(jìn)給速度 mm/min,下一頁(yè),上一頁(yè),2)步進(jìn)電機(jī)選擇步驟,確定步進(jìn)電機(jī)型號(hào),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(hào)，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(duì)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(shuō)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(yè),上一頁(yè),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(duì)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(shuō)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(yè),上一頁(yè),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(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖所示，已知參數(shù)見(jiàn)表1，工作臺(tái)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(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖所示，已知參數(shù)見(jiàn)表1，工作臺(tái)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(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖所示，已知參數(shù)見(jiàn)表1，工作臺(tái)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(yè),上一頁(yè),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(hào)變換成電機(jī)繞組所需的具有一定功率的電流脈沖信號(hào)。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(lái)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(yè),上一頁(yè),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(duì)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(lái)，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(hào)“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(yè),上一頁(yè),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(guò)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(kāi)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)?？刂齐妱?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(guò)改變延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)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(shì)。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(duì)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(yè),上一頁(yè),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(jí)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(yè),上一頁(yè),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(jiǎn)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(yè),上一頁(yè),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(zhǎng)率為 dE/dt= Im=(E/r) (1-e-t/Ti ),可見(jiàn)，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(yè),上一頁(yè),返回,下一頁(yè),上一頁(yè),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(yè),上一頁(yè),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(wú)效。,3高低壓雙壓型驅(qū)動(dòng)電源,輸入脈沖信號(hào)為“0”時(shí)， T1、T2均截止，IL=0,輸入信號(hào)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(yè),上一頁(yè),第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),輸入脈沖信號(hào)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(yè),上一頁(yè),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(wèn)題：,下一頁(yè),上一頁(yè),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(cè)電路： 當(dāng)繞組電流下降至一定下限時(shí)， 由檢測(cè)電路發(fā)生信號(hào)、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(kāi)高壓源。,下一頁(yè),上一頁(yè),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(yè),上一頁(yè),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(yè),上一頁(yè),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(yè),上一頁(yè),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(yè),上一頁(yè),四、提高步進(jìn)電機(jī)伺