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1、1速度伺服控制速度伺服控制位置伺服控制位置伺服控制2.电机伺服系统的基本要求电机伺服系统的基本要求精度高（精度高（0.010.001mm)响应快（小的跟踪误差）响应快（小的跟踪误差）调速范围宽（调速范围宽（1：100，1：1000）低速大转距低速大转距(电机可以直接连丝杠电机可以直接连丝杠)较强的过载能力较强的过载能力(数分钟内数分钟内,电枢电流大于额定值电枢电流大于额定值46倍倍)能频繁起停能频繁起停,正反向运动正反向运动1.伺服系统类型伺服系统类型开环、闭环、半闭环开环、闭环、半闭环交流伺服交流伺服、直流伺服、直流伺服、步进步进、液压、气压伺服、液压、气压伺服电机伺服系统概述电机伺服系统概
2、述2 4.1 4.1 概述概述定义：定义：一种将电脉冲信号转换成角位移的执行元一种将电脉冲信号转换成角位移的执行元件。件。每输入一个电脉冲，电动机就移动一步。每输入一个电脉冲，电动机就移动一步。可在宽广的范围内调速。在负载能力范围内，其可在宽广的范围内调速。在负载能力范围内，其输出转角定位精度无积累误差，特别适合于开输出转角定位精度无积累误差，特别适合于开环数控系统。环数控系统。 第第4 4章章 步进伺服系统步进伺服系统优缺点优缺点3原理原理 工作时，步进电动机的控制绕组受工作时，步进电动机的控制绕组受电电脉冲信号控制脉冲信号控制，靠一种叫，靠一种叫环形分配器环形分配器的的电子开关器件，通过电
3、子开关器件，通过功率放大功率放大后使控制后使控制绕组按规定顺序轮流接通直流电源。绕组按规定顺序轮流接通直流电源。通电方式通电方式“ “拍拍” ”，指通电方式每改变一次。，指通电方式每改变一次。 “ “单单” ”，指每次只有一相通。，指每次只有一相通。 “ “双双” ”，指每次有两相通电。，指每次有两相通电。4.2 4.2 步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理45相数：相数：产生不同对极产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数磁场的激磁线圈对数（2，3，4，5）。拍数拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，或指完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数
4、，以四相电机为例，有四相四电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍四相八拍运行方式即运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。表示。=360度（转子齿数度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿运行拍数），以常规二、四相，转子齿为为50齿电机为例。四拍运行时步距角为齿电机为例。四拍运行时步距角为=360度度/（50*4）度）度（俗称整步），八拍运行时步距角为（俗称整步），八拍运行时步距角为=360度度
5、/（50*8）度（俗）度（俗称半步）。称半步）。671 1单三拍控制方式单三拍控制方式单三拍控制方式单三拍控制方式按照按照ABCA的顺序通电。每改变一次通电状态，转的顺序通电。每改变一次通电状态，转子顺时针方向转子顺时针方向转30。如果通电顺序改为如果通电顺序改为ACBA，则电动机反转。则电动机反转。82 2六拍控制方式六拍控制方式六拍控制方式六拍控制方式按照按照AABBBCCCAA的顺序通电。的顺序通电。每改变一次通每改变一次通电状态，转子电状态，转子顺时针方向转顺时针方向转15。若改变通。若改变通电顺序，则电电顺序，则电动机反转。动机反转。93步进电动机的分类步进电动机的分类现在比较常用的
6、步进电机包括现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机反应式步进电机（VR）永磁式步进电机永磁式步进电机（PM）混合式步进电机混合式步进电机（HB）10(1)永磁式步进电机永磁式步进电机永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为度永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为度或或15度；度；永磁式步进电动机输出力矩大，动态性能好，但步距角大。永磁式步进电动机输出力矩大，动态性能好，但步距角大。(2)反应式步进电机反应式步进电机反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机
7、的转子度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路磁路由软磁材料制由软磁材料制成，定子上有多相成，定子上有多相励磁绕组励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。，利用磁导的变化产生转矩。反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。能差。(3)混合式步进电机混合式步进电机混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应
8、子式步进电动机。它又分为两相和五相：两相它有时也称作永磁感应子式步进电动机。它又分为两相和五相：两相步进角一般为度而五相步进角一般为步进角一般为度而五相步进角一般为度。这种步进电机的应用最为广度。这种步进电机的应用最为广泛。泛。11二相和三相混合式步进电机二相和三相混合式步进电机13反应式步进电机结构反应式步进电机结构1415小步距角结构小步距角结构：电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。轴线错开。0、1/3、2/3,（相邻两轴子齿轴线间的距离为齿距以表示），即（相邻两轴
9、子齿轴线间的距离为齿距以表示），即A与齿与齿1相对齐，相对齐，B与齿与齿2向右错开向右错开1/3，C与齿与齿3向右错开向右错开2/3，A与齿与齿5相对齐，（相对齐，（A就是就是A，齿，齿5就是齿就是齿1）下面是定转子的展开图：）下面是定转子的展开图：1617三相步进电动机的步距角与转子的齿数三相步进电动机的步距角与转子的齿数zr和运行的拍数和运行的拍数m有有如下关系：如下关系：如果脉冲信号的频率为如果脉冲信号的频率为f，则步进电动机的转速为：，则步进电动机的转速为：步进电动机的步距角与转速步进电动机的步距角与转速18静态静态(静止状态静止状态)稳态稳态(在某一固定频率下运行，在某一固定频率下运
10、行，分低频区、共振区分低频区、共振区、高频区高频区正常工作区正常工作区)过渡状态（从一个状态运行到另一个工作状态过渡状态（从一个状态运行到另一个工作状态,如如:启动、制动、启动、制动、停止、反转。）停止、反转。）4.4步进电机的基本工作状态步进电机的基本工作状态19定位转矩定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩。定力矩。静转矩静转矩：电机在额定静态电压作用下，电机不作旋转：电机在额定静态电压作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源
11、等无积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。关。20静态距角特性和最大静转距静态距角特性和最大静转距21最大起动转距最大起动转距步距角精度：步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。失步：失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。最大空载起动频率：最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。能够直接起动的最大频率。最大空载的运行频率：最
12、大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。速频率。步进电机动态特性步进电机动态特性23运行矩频特性：运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。选择的根本依据。24连续运行频率（步进电机起动后，不丢步工作的最连续运行频率（步进电机起动后，不丢步工作的最高工作频率，一般是起动频率的高工作频率
13、，一般是起动频率的410倍，随着运行倍，随着运行频率的增加，其输出转距响应下降频率的增加，其输出转距响应下降.252627CP的脉冲宽度及高低电平方式换向信号DIR起作用的时刻28步进电机与步进电机驱动器的接线图如图所示 外加电阻大小如表所示 接线图如图所示 信号幅值限流电阻R5V不加12V68024V2K西门子PLC与SH-2H042Ma步进电机驱动器相连时，采用共阳极方式连接，将CP+和DIR+接在一起作为共阳端OPTO。其接线方式图所示 31通过对各项通电时序的控制（脉冲分配）实现控制。通过对各项通电时序的控制（脉冲分配）实现控制。(环行分配器环行分配器)工作方式：工作方式：单三拍单三拍
14、A-B-C-A双三拍双三拍AB-BC-CA单双六拍单双六拍A-AB-B-BC-C-CA-A-32加减速特性加减速特性加减速特性加减速特性 逐渐加速的加速时间和逐渐降速的减速时间不能过小，逐渐加速的加速时间和逐渐降速的减速时间不能过小，否则会出现失步或超步。我们用加速时间常数否则会出现失步或超步。我们用加速时间常数TaTa和减速时和减速时间常数间常数TdTd来描述步进电机的升速和降速特性。来描述步进电机的升速和降速特性。 33单电压功率放大电路单电压功率放大电路4.6步进电机的功率驱动步进电机的功率驱动34双电压功率放大电路双电压功率放大电路3536斩波恒流功率放大电路斩波恒流功率放大电路373
15、81一台三相（一台三相（A、B、C三相）混合式步进电机，转子上三相）混合式步进电机，转子上共有共有40个齿，采用个齿，采用3相单相单3拍的脉冲分配方式，已知脉冲源拍的脉冲分配方式，已知脉冲源频率为频率为400Hz，要求：，要求：（1）写出一个循环的通电顺序。写出一个循环的通电顺序。（2）求电机的步距角。求电机的步距角。（3）求电机的转速。求电机的转速。2试确定试确定X轴步进数控系统中步距角轴步进数控系统中步距角a、齿轮传动比、齿轮传动比(z1/z2)、丝杠导程、丝杠导程u以及脉冲当量以及脉冲当量b之间的关系。之间的关系。39细细分分驱驱动动方方案案4.6步进电机细分驱动技术步进电机细分驱动技术404142431。如何控制步进电机的旋转方向、转速、转角。如何控制步进电机的旋转方向、转速、转角2。已知步进电机的步距角，步进伺服系统的脉冲当量。试给出传动。已知步进电机的步距角，步进伺服系统的脉冲当量。试给出传动方案。方案。3。何谓步进电机的细分。何谓步进电机的细分(可否替代变速箱？）。可否替代变速箱？）。4。分析步进电机的双电压和斩波恒流驱动的原理。分析步进电机的双电压和斩波恒流驱动的原理。5。如何才能避免步进电机的失步和越步。如何才能避免步进电机的失步和越步。6。步进电机的距角特性、距频特性分别是什么含义？。步进电机的距角特性、距频特性分别是什么含义？
