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1、第六章,数控机床的进给伺服系统,6.1 概 述,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,返回,下一页,上一页,6.2 步进电动机伺服系统,6.2.
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,
3、转子上有均匀分布的 齿，没有绕组。,转子齿间夹角为9o,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,步进电机功率驱动器,下一页,上一页,返回,下一页,上一页,步进电机功率驱动器,返回,5.工作原理,三拍通电激磁，步距角s = = 3o,一般 s= m绕组相数； Z转子齿数。,六拍通电激磁，步距角s = = 1.5o,下一页,上一页,返回,定子绕组通断电顺序 转子转向,定子绕组通断电转换频率 转子转速,定子绕组通断电次数 转子转角,通断电方式,下一页,上一页,转子瞬时针转过一个角度，当TTL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
4、角特性的物理意义： 在静态下，转子受TL作用0，但只要时，当TL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。,3）最高工作频率,步进电机工作频率连续上升时，电动机不失步运行的最 高频率称为最高工作频率。 它的值也和负载有关。很显然，在同样负载下，最高工 作频率远大于己于启动频率.,在连续运行状态下，步进电机的电磁力矩随频率的升高而 急剧下降，这两者的关系称为矩频特性.,4）矩频特性,4) 步距角（）及步距误差,步距角是两个相临脉冲时间内转子转过的角度,一般来 说
5、步距角越小,控制越精确。,步距误差直接影响执行部件的定位精度. 步进电动机单相通电时,步距误差取决于定子和转子的分齿 精度,和各相定子错位角度的精度。,多相通电时,其不仅与上述因素有关,还和各相电流大小,磁 路性能有关。,返回,下一页,上一页,（3）过渡态 指步进电机从一种工作状态进入另一种工作状态。如，从静止到转动、从转动到静止、从正传到反转等。这些状态转变的过渡过程为过渡态。 a.启动 电机频率从0增大到fst,转子转速从0增大到nst,当fst高时，指令中止。 b.制动 从稳步状态fn减小到0时，转子从nn减小到0，当f高时，产生过冲制动。采用不断降速后制动。 c.反转 从正到反，从反到
6、正。,6.2.2 步进伺服驱动电路,下一页,上一页,（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：,2 步进电机驱动电源,（1）对驱动电源的要求,实际上，步进电机是感性负载，绕组中电流不能突变，而是按 指数规律上升或下降,从而使整个通电周期内，绕组电流平均值下降，电机输出转矩下降。,理想驱动电源使电机绕组电流 尽量接近矩形波。,而当电机运行频率很高时，电流峰值 显著小于额定励磁电流，从而导致电机 转矩进一步下降，严重时不能启动。,下一页,上一页,上升时电流时间常数 Ti = L/R,L步进电机绕组平均电感
7、量,R通电回路电阻，包括： 绕组内阻、功率放大器输出级内阻、串联电阻,下降时电流时间常数 Td = L/RD RD放大回路电阻,为了提高步进电机动态特性，必须改善电流波形， 使前后沿陡度增大，方法有：,下一页,上一页,1) 电阻法,从 Ti=L/R 知，为 Ti ， 可 R， 故可在进电机绕组回路中串联一个电阻Ro 此时， Ti = L/( r+R0 ),特点：线路简单，但 Ro ( 10)上消耗一定功率， 发热量大，也降低了放大器的效率，只适于小功率步进电机。,下一页,上一页,2) 电压法,电感绕组通电状态时，绕组上电流为 Im=(E/r) (1-e-t/Ti ),E电源电压 电流增长率为
8、dIm/dt= Im=(E/r) (1-e-t/Ti ),可见，增大电源电压可以有效地改善电流上升陡度,特点：线路复杂，需采用双电源，但效率较高，效果好， 适于中小型功率步进电机。,下一页,上一页,返回,下一页,上一页,（2）单电压型驱动电源,电容C: 在接通瞬间短接R 电流由 ULCVT 故C称 加速电容,电阻R: 在电流达到恒定后还起限流作用， 此时电流由 ULRVT,返回,下一页,上一页,输入脉冲消失后，VT截止， L两端将产生一感应电压。,V=L(di/dt)，由于VT关断时间dt很短， 故感应电压U很大，将击穿晶体管， 为此增加二极管 D 续流，续流电流: LRDL,而VT2在高压控
9、制电路下导通 时间t1较短 (100-600 s),绕组在高压 EH下电流 迅速增大至额定值， 此时低压 EL无效。,（3）高低压双压型驱动电源,输入脉冲信号为“0”时， VT1、VT2均截止，iL=0,输入信号为“1”时，VT1 导通,t1之后，VT2截止，低压供压，维持绕组所需的额定电流Ie,下一页,上一页,输入脉冲信号消失(为“0”)， VT1、VT2均截止， L上电流经放电回路： LRoVD2EHELVD1L 迅速下降,EH供电，励磁电流前沿电流 Ip=EH/(r+R0)(1-e-t/Ti ),由此计算t1 t1=T/n EH/EH+ In (r+R0),In要求高压通电， 电流达到的
10、数值,下页,上一页,绕组上电流Il 随外加电压(EH、EL)变化而变化， 当外加电压变化时，电机特性变差，工作不稳定,2) 双电压功放电路缺点是在高低压处电流出现凹点，这样必然引起力矩在尖点电下降，而斩波型可克服这一缺点。,返回,存在的问题：,下一页,上一页,（4）恒流斩波型,（5）调频调压型,如果能设法使绕组的供电电压随着运行频率的升高而升高，以维持绕组在不同频率的导电周期内电流平均值基本相同，这样就可以达到在高频运行时，动态转矩不明显下降的目的。,步进电动机在运行的过程中，定子齿和转子齿相对位置不断发生变化，因而在绕组中产生了旋转电动势，这将导致电流波形的顶部下凹。,6.2.3 步进电机细
11、分驱动技术 步进电机对应于一个电脉冲，转子转动一步；即一个步距角s。 若每次输入脉冲切换时，只改变对应绕组额定电流的一部分那么转子相对应的每步转动也只会是原有s的一部分。额定电流分成多少个级别进行切换，转子就以多少步来转完一个s 。 即通过控制绕组中电流的数值调整步距角s大小，这种控制方式为步进电机细分控制。 如下图所示，在一个输入脉冲宽度内把电流按线 性（或正弦规律）分成n分。数字信号D/AVREF， VREF与VC比较，以保证电流值在要求的值上。,3.细分控制 1）从8位单片机送出的数据DD,数值00H0FFH，对应与十进制数是0255.细分时，要求每个阶梯的电流差值相等，即要求细分步数必须能对255整除，显然细分 只能为3，5，15，17，51，85几种。 2）一般按正弦规律变化细分的多相电流，合成磁势幅值保持不变，转角细分精确； 3）通过细分驱动可得到更小的脉冲当量，提高了定位精度； 4）绕组电流均 从小增到大，或从大降到小，避免了电流冲击，基本消除了步进电机低速振动，电机低速运转平稳，无噪声。 步进电机的细分控制得到了广泛应用。,四相步进电机线型规律 细分电流时序图,
