1、第六章第六章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 6.1 概述概述概念概念: :以機(jī)床移動(dòng)部件的位置和速度為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，以機(jī)床移動(dòng)部件的位置和速度為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，又稱(chēng)隨動(dòng)系統(tǒng)、拖動(dòng)系統(tǒng)或伺服機(jī)構(gòu)又稱(chēng)隨動(dòng)系統(tǒng)、拖動(dòng)系統(tǒng)或伺服機(jī)構(gòu) 數(shù)控伺服分進(jìn)給伺服控制和主運(yùn)動(dòng)的伺服控制數(shù)控伺服分進(jìn)給伺服控制和主運(yùn)動(dòng)的伺服控制數(shù)控機(jī)床的最高運(yùn)動(dòng)速度、跟蹤及定位精度、加工表面質(zhì)量、數(shù)控機(jī)床的最高運(yùn)動(dòng)速度、跟蹤及定位精度、加工表面質(zhì)量、生產(chǎn)率及工作可靠性等技術(shù)指標(biāo)，主要決定于伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)生產(chǎn)率及工作可靠性等技術(shù)指標(biāo)，主要決定于伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。和靜態(tài)

2、性能。 2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 伺服系統(tǒng)的基本要求伺服系統(tǒng)的基本要求(1) (1) 高精度高精度: :數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的精度是指機(jī)床工作的實(shí)際位置復(fù)現(xiàn)插補(bǔ)器指數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的精度是指機(jī)床工作的實(shí)際位置復(fù)現(xiàn)插補(bǔ)器指令信號(hào)的精確程度。令信號(hào)的精確程度。 (2) (2) 穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好: :指系統(tǒng)在突變的指令信號(hào)或外界擾動(dòng)的作用下，能夠以最大的指系統(tǒng)在突變的指令信號(hào)或外界擾動(dòng)的作用下，能夠以最大的速度達(dá)到新的或恢復(fù)到原有的平衡位置的能力。穩(wěn)定性是直接影響數(shù)控加速度達(dá)到新的或恢復(fù)到原有的平衡位置的能力。穩(wěn)定性是直接影響數(shù)控加工精度和表面粗糙度的重要指標(biāo)。工精度和表面粗糙

3、度的重要指標(biāo)。(3) (3) 響應(yīng)速度快：快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它反映了系響應(yīng)速度快：快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它反映了系統(tǒng)對(duì)插補(bǔ)指令的跟蹤精度。統(tǒng)對(duì)插補(bǔ)指令的跟蹤精度。 (4) (4) 電機(jī)調(diào)速范圍寬電機(jī)調(diào)速范圍寬: :調(diào)速范圍是指數(shù)控機(jī)床要求電機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速和最調(diào)速范圍是指數(shù)控機(jī)床要求電機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比低轉(zhuǎn)速之比(5) (5) 低速大轉(zhuǎn)矩：機(jī)床加工的特點(diǎn)是低速時(shí)進(jìn)行重切削，這就要求伺服系統(tǒng)在低速大轉(zhuǎn)矩：機(jī)床加工的特點(diǎn)是低速時(shí)進(jìn)行重切削，這就要求伺服系統(tǒng)在低速時(shí)提供較大的輸出轉(zhuǎn)矩低速時(shí)提供較大的輸出轉(zhuǎn)矩 (6) (6) 可靠性高：對(duì)環(huán)境

4、（如溫度、濕度、粉塵、油污、振動(dòng)、電磁干擾等）的可靠性高：對(duì)環(huán)境（如溫度、濕度、粉塵、油污、振動(dòng)、電磁干擾等）的適應(yīng)性強(qiáng)，性能穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)，平均無(wú)故障時(shí)間間隔長(zhǎng)適應(yīng)性強(qiáng)，性能穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)，平均無(wú)故障時(shí)間間隔長(zhǎng) 2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)性能數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)性能(1) (1) 主軸與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的同步控制功能主軸與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的同步控制功能(2) (2) 準(zhǔn)停控制功能準(zhǔn)停控制功能(3)(3)角度分度控制角度分度控制: :角度分度控制有兩種類(lèi)型：一是固定的角度分度控制有兩種類(lèi)型：一是固定的等分角度控制；二是連續(xù)的任意角度控制。任意角度等分角

5、度控制；二是連續(xù)的任意角度控制。任意角度控制是帶有角位移反饋的位置伺服系統(tǒng)，這種主軸坐控制是帶有角位移反饋的位置伺服系統(tǒng)，這種主軸坐標(biāo)具有進(jìn)給坐標(biāo)的功能，稱(chēng)為標(biāo)具有進(jìn)給坐標(biāo)的功能，稱(chēng)為“C C”軸控制。軸控制。 2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成驅(qū)動(dòng)控制單元執(zhí)行元件機(jī)床比較控制環(huán)節(jié)反饋檢測(cè)單元進(jìn)給指令把驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路的表示位移量的電信號(hào)轉(zhuǎn)換把驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路的表示位移量的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動(dòng)為機(jī)械運(yùn)動(dòng) 調(diào)速范圍寬而有良好的穩(wěn)定性，尤調(diào)速范圍寬而有良好的穩(wěn)定性，尤其是低速時(shí)的速度平穩(wěn)其是低速時(shí)的速度平穩(wěn) 負(fù)載特性硬負(fù)載特性硬 具有快速響應(yīng)特性具

6、有快速響應(yīng)特性 能夠頻繁啟、停及換向能夠頻繁啟、停及換向電液、電氣、電液脈沖馬電液、電氣、電液脈沖馬達(dá)、直流、交流電機(jī)達(dá)、直流、交流電機(jī)2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的分類(lèi)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的分類(lèi)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的分類(lèi)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的分類(lèi)(1)(1)按用途和功能分：進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)按用途和功能分：進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(2)(2)按其控制原理和有無(wú)位置檢測(cè)反饋環(huán)節(jié)分：開(kāi)環(huán)按其控制原理和有無(wú)位置檢測(cè)反饋環(huán)節(jié)分：開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)(3)(3)按驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件分：步進(jìn)式伺服系統(tǒng)、直流電機(jī)按

7、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件分：步進(jìn)式伺服系統(tǒng)、直流電機(jī)伺服系統(tǒng)和交流電機(jī)伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)和交流電機(jī)伺服系統(tǒng)2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 6.2 6.2 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制、并將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制、并將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的機(jī)械角位移的執(zhí)行器，故也稱(chēng)脈沖電機(jī)。應(yīng)的機(jī)械角位移的執(zhí)行器，故也稱(chēng)脈沖電機(jī)。每給步進(jìn)電機(jī)輸入一個(gè)電脈沖信號(hào)，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，稱(chēng)為每給步進(jìn)電機(jī)輸入一個(gè)電脈沖信號(hào)，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，稱(chēng)為步距角。步距角。步進(jìn)電機(jī)輸出的角位移量與輸入的電脈沖個(gè)數(shù)成正比，在時(shí)間上與步進(jìn)電

8、機(jī)輸出的角位移量與輸入的電脈沖個(gè)數(shù)成正比，在時(shí)間上與輸入脈沖同步，其轉(zhuǎn)速與輸入電脈沖信號(hào)的頻率成正比。輸入脈沖同步，其轉(zhuǎn)速與輸入電脈沖信號(hào)的頻率成正比。 控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率和電動(dòng)機(jī)繞組的通電順序，便可獲得所控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率和電動(dòng)機(jī)繞組的通電順序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)動(dòng)方向。需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)動(dòng)方向。無(wú)脈沖輸入時(shí)，在繞組電流的激勵(lì)下，步進(jìn)電機(jī)可以自鎖。無(wú)脈沖輸入時(shí)，在繞組電流的激勵(lì)下，步進(jìn)電機(jī)可以自鎖。2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 步進(jìn)電機(jī)的分類(lèi)步進(jìn)電機(jī)的分類(lèi)步進(jìn)電機(jī)有許多的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，主要是根據(jù)相數(shù)、產(chǎn)生力矩的原理、步進(jìn)電機(jī)有許多的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，主要是

9、根據(jù)相數(shù)、產(chǎn)生力矩的原理、輸出力矩的大小和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類(lèi)。輸出力矩的大小和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類(lèi)。1 1、根據(jù)相數(shù)分類(lèi)：主要分為三、四、五、六相等幾種。另外還可以、根據(jù)相數(shù)分類(lèi)：主要分為三、四、五、六相等幾種。另外還可以根據(jù)工作節(jié)拍，分為根據(jù)工作節(jié)拍，分為mm相相mm拍，雙拍，雙mm拍和拍和mm相雙相雙mm拍等。拍等。2 2、根據(jù)產(chǎn)生力矩的原理分類(lèi)：根據(jù)磁場(chǎng)建立方式，主要可分為反、根據(jù)產(chǎn)生力矩的原理分類(lèi)：根據(jù)磁場(chǎng)建立方式，主要可分為反應(yīng)式、永磁反應(yīng)式（激磁式）和混合式三類(lèi)。應(yīng)式、永磁反應(yīng)式（激磁式）和混合式三類(lèi)。3 3、根據(jù)輸出力矩的大小分類(lèi)：伺服步進(jìn)電機(jī)和功率步進(jìn)電機(jī)。、根據(jù)輸出力矩的大小分類(lèi)：伺服步進(jìn)

10、電機(jī)和功率步進(jìn)電機(jī)。4 4、根據(jù)結(jié)構(gòu)分類(lèi)：軸向分相式和徑向分相式，軸向分相式又稱(chēng)之、根據(jù)結(jié)構(gòu)分類(lèi)：軸向分相式和徑向分相式，軸向分相式又稱(chēng)之為多段式，徑向分相式又稱(chēng)為單段式。為多段式，徑向分相式又稱(chēng)為單段式。 BF 反應(yīng)式反應(yīng)式 BC 磁阻式磁阻式 BY 永磁式永磁式 BYG 永磁感應(yīng)式永磁感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)外徑電動(dòng)機(jī)外徑勵(lì)磁繞組的相勵(lì)磁繞組的相數(shù)或其他代號(hào)數(shù)或其他代號(hào)2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子不含永久磁鐵，定子上繞有一定數(shù)量的繞組定子和轉(zhuǎn)子不含永久磁鐵，定子上繞有一定數(shù)量的繞組線(xiàn)圈，線(xiàn)圈輪流通電時(shí)，便產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，吸引線(xiàn)圈，線(xiàn)

11、圈輪流通電時(shí)，便產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，吸引轉(zhuǎn)子一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)。繞組線(xiàn)圈一旦斷電，磁場(chǎng)即消失，轉(zhuǎn)子一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)。繞組線(xiàn)圈一旦斷電，磁場(chǎng)即消失，該種步進(jìn)電機(jī)掉電后不能自鎖。該種步進(jìn)電機(jī)掉電后不能自鎖。此類(lèi)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、材料成本低、驅(qū)動(dòng)容易，定子和此類(lèi)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、材料成本低、驅(qū)動(dòng)容易，定子和轉(zhuǎn)子加工方便，步距角可以做的較小，但動(dòng)態(tài)性能差一轉(zhuǎn)子加工方便，步距角可以做的較小，但動(dòng)態(tài)性能差一些，容易出現(xiàn)低頻振蕩現(xiàn)象，電動(dòng)機(jī)溫升較高。些，容易出現(xiàn)低頻振蕩現(xiàn)象，電動(dòng)機(jī)溫升較高。2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子由永久磁鋼制成，定子上的繞組線(xiàn)圈在換相通

12、電時(shí)，轉(zhuǎn)子由永久磁鋼制成，定子上的繞組線(xiàn)圈在換相通電時(shí)，不需要太大的電流，繞組斷電時(shí)具有自鎖能力。不需要太大的電流，繞組斷電時(shí)具有自鎖能力。該類(lèi)電機(jī)動(dòng)態(tài)性能好、輸出轉(zhuǎn)矩大、驅(qū)動(dòng)電流小、電動(dòng)該類(lèi)電機(jī)動(dòng)態(tài)性能好、輸出轉(zhuǎn)矩大、驅(qū)動(dòng)電流小、電動(dòng)機(jī)不易發(fā)熱，但制造成本較高。機(jī)不易發(fā)熱，但制造成本較高。由于轉(zhuǎn)子受磁鋼加工的限制，步距角較大，與之配套的由于轉(zhuǎn)子受磁鋼加工的限制，步距角較大，與之配套的驅(qū)動(dòng)電源一般要求具有細(xì)分功能。驅(qū)動(dòng)電源一般要求具有細(xì)分功能。2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上嵌有永久磁鋼，可以說(shuō)是永磁型，但是從轉(zhuǎn)子上嵌有永久磁鋼，可以說(shuō)

13、是永磁型，但是從定子和轉(zhuǎn)子的導(dǎo)磁體來(lái)看，又和反應(yīng)式相似，所定子和轉(zhuǎn)子的導(dǎo)磁體來(lái)看，又和反應(yīng)式相似，所以是永磁式和反應(yīng)式的結(jié)合。以是永磁式和反應(yīng)式的結(jié)合。該類(lèi)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大、動(dòng)態(tài)性能好、步距角小、該類(lèi)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大、動(dòng)態(tài)性能好、步距角小、驅(qū)動(dòng)電源電流小、功耗低，但結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜，成本驅(qū)動(dòng)電源電流小、功耗低，但結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜，成本相當(dāng)較高。性?xún)r(jià)比較高，目前得到了廣泛的應(yīng)用。相當(dāng)較高。性?xún)r(jià)比較高，目前得到了廣泛的應(yīng)用。2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 三相徑向反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖三相徑向反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖AACBSNSNCB繞 組定 子 鐵 心轉(zhuǎn) 子 鐵 心A相 磁 通A相各 相 定

14、 子936順 時(shí) 針 方 向轉(zhuǎn) 子 齒 展 開(kāi)B相C相定子有六個(gè)均勻的磁定子有六個(gè)均勻的磁極，每?jī)蓚€(gè)相對(duì)的磁極，每?jī)蓚€(gè)相對(duì)的磁極組成一組相極組成一組相2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 定子上有繞組分為若干相，每相磁極上有齒定子上有繞組分為若干相，每相磁極上有齒三相定子：三相定子：AAAA,BB,BB,CC,CCA A、B B、C C三相每相兩極三相每相兩極每極上五個(gè)齒每極上五個(gè)齒五個(gè)極齒五個(gè)極齒2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 定子上線(xiàn)圈的繞法定子上線(xiàn)圈的繞法A相A相B相B相C相C相2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子上有均勻分布

15、轉(zhuǎn)子上有均勻分布的齒，沒(méi)有繞組。的齒，沒(méi)有繞組。以四十齒為例以四十齒為例, ,轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子齒間夾角為子齒間夾角為9 9o o2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 步進(jìn)電機(jī)的實(shí)物圖 2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 永磁式步進(jìn)電機(jī)永磁式步進(jìn)電機(jī)2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 ABC外 殼C段 繞 組轉(zhuǎn) 軸空 氣 隙C段 定 子C段 轉(zhuǎn) 子ABC主 磁 通 通 路轉(zhuǎn) 子齒 距鐵 心繞 組定 子 磁 極轉(zhuǎn) 子三段軸向反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖三段軸向反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 6.2.1 6.2.1 步進(jìn)電機(jī)

16、工作原理步進(jìn)電機(jī)工作原理步進(jìn)電機(jī)是按電磁吸引的原理進(jìn)行工作的步進(jìn)電機(jī)是按電磁吸引的原理進(jìn)行工作的ABCAB逆 時(shí) 針 旋 轉(zhuǎn) 30逆 時(shí) 針 旋 轉(zhuǎn) 30B相 通 電逆 時(shí) 針 旋 轉(zhuǎn) 30A相 通 電C相 通 電ABCABC1234C1234ABCABC1234從一相繞組從一相繞組通電轉(zhuǎn)換到通電轉(zhuǎn)換到另一相繞組另一相繞組通電為一拍通電為一拍2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 ABCABB相 通 電CA相 通 電ABCABC1234C相 通 電ABCABCABCABBC相 通 電CABCABC A相 通 電CABCABAB相 通 電C12341234123412341234三相

17、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)三相六拍工作原理圖三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)三相六拍工作原理圖2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 AACBSNSNCB繞組定子鐵心轉(zhuǎn)子鐵心A相磁通A相各相定子936順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)子齒展開(kāi)B相C相若通電為三相三拍，轉(zhuǎn)子齒數(shù)為若通電為三相三拍，轉(zhuǎn)子齒數(shù)為4040時(shí)時(shí), ,當(dāng)轉(zhuǎn)子齒與當(dāng)轉(zhuǎn)子齒與A A相定子齒對(duì)齊時(shí)，轉(zhuǎn)子相定子齒對(duì)齊時(shí)，轉(zhuǎn)子齒與齒與B B相定子齒相差相定子齒相差1/31/3齒距，即齒距，即3 3，與，與C C相定子齒相差相定子齒相差2/32/3齒距，即齒距，即6 6。 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖和展開(kāi)后步進(jìn)電機(jī)齒距三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖和展開(kāi)后步進(jìn)電機(jī)齒

18、距2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 規(guī)律規(guī)律n定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角一個(gè)步距角n定子繞組的通電順序決定轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向定子繞組的通電順序決定轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向n通電狀態(tài)的變化頻率，決定轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度通電狀態(tài)的變化頻率，決定轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 6.2.2 6.2.2 步進(jìn)電機(jī)的主要特性步進(jìn)電機(jī)的主要特性1. 1.步距角步距角定義定義: :每給一個(gè)脈沖信號(hào)每給一個(gè)脈沖信號(hào), ,電機(jī)轉(zhuǎn)子應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)角度電機(jī)轉(zhuǎn)子應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)角度的理論值。步距角取決于電機(jī)結(jié)構(gòu)和控制的理論值。步距角取決于電機(jī)結(jié)構(gòu)

19、和控制方式。方式。式中式中 mm定子相數(shù)；定子相數(shù)；z z 轉(zhuǎn)子齒數(shù)；轉(zhuǎn)子齒數(shù)；k k 通電方式，純單拍通電方式，純單拍或純雙拍時(shí)取或純雙拍時(shí)取1 1，單、雙拍，單、雙拍交替時(shí)取交替時(shí)取2 2。360 /mzk常見(jiàn)步距角：常見(jiàn)步距角：0.36， 0.45， 0. 6， 0.72， 0.75， 0.9， 1.2， 1.5， 1.8等等電動(dòng)機(jī)一旦選定以后，其步距角就固定不電動(dòng)機(jī)一旦選定以后，其步距角就固定不變，要改變，只能通過(guò)驅(qū)動(dòng)電源的細(xì)分功變，要改變，只能通過(guò)驅(qū)動(dòng)電源的細(xì)分功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。能來(lái)實(shí)現(xiàn)。2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 n當(dāng)步進(jìn)電機(jī)處于通電狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)子處在不動(dòng)狀態(tài)，即靜

20、態(tài)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)處于通電狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)子處在不動(dòng)狀態(tài)，即靜態(tài)。如果在電機(jī)軸上施加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩如果在電機(jī)軸上施加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩MM，轉(zhuǎn)子會(huì)在載荷方向，轉(zhuǎn)子會(huì)在載荷方向上轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度上轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，轉(zhuǎn)子因而受到一個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子因而受到一個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩MMj j的作用的作用與負(fù)載平衡，該電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載平衡，該電磁轉(zhuǎn)矩MMj j稱(chēng)為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，該角度稱(chēng)為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，該角度稱(chēng)為稱(chēng)為失調(diào)角。失調(diào)角。n步進(jìn)電機(jī)單相通電的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩步進(jìn)電機(jī)單相通電的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩MMj j隨失調(diào)角隨失調(diào)角的變化曲線(xiàn)稱(chēng)的變化曲線(xiàn)稱(chēng)為矩角特性為矩角特性 CBAOMjMjmaxMqa2. 矩角特性、最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩矩角特性、最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩 Mjmax和和Mq

21、2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 n矩角特性曲線(xiàn)上的電磁轉(zhuǎn)矩的最大值稱(chēng)為最大矩角特性曲線(xiàn)上的電磁轉(zhuǎn)矩的最大值稱(chēng)為最大靜轉(zhuǎn)矩靜轉(zhuǎn)矩MMjmaxjmax（保持轉(zhuǎn)矩），（保持轉(zhuǎn)矩），MMjmaxjmax是代表電機(jī)承是代表電機(jī)承載能力的重要指標(biāo)，載能力的重要指標(biāo)，MMjmaxjmax越大，電機(jī)帶負(fù)載的越大，電機(jī)帶負(fù)載的能力越強(qiáng)，運(yùn)行的快速性和穩(wěn)定性越好。能力越強(qiáng)，運(yùn)行的快速性和穩(wěn)定性越好。n例如：一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是例如：一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是12N12Nmm時(shí)，通常是時(shí)，通常是指該電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩指該電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩CBAOMjMjmaxMqa2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工

22、程學(xué)院 黃新燕 n相鄰兩條曲線(xiàn)的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩是電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)相鄰兩條曲線(xiàn)的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩是電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)距的最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)距MMq q，當(dāng)負(fù)載力矩小于，當(dāng)負(fù)載力矩小于MMq q時(shí)，步進(jìn)電機(jī)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)才能正常啟動(dòng)運(yùn)行，否則將會(huì)造成失步。才能正常啟動(dòng)運(yùn)行，否則將會(huì)造成失步。n一般地，電機(jī)相數(shù)的增加會(huì)使矩角特性曲線(xiàn)變密，相鄰一般地，電機(jī)相數(shù)的增加會(huì)使矩角特性曲線(xiàn)變密，相鄰兩條曲線(xiàn)的交點(diǎn)上移，會(huì)使兩條曲線(xiàn)的交點(diǎn)上移，會(huì)使MMq q增加；采用多相通電方式，增加；采用多相通電方式，即變即變mm相相mm拍通電方式為拍通電方式為mm相相2m2m拍通電方式，會(huì)使啟動(dòng)拍通電方式，會(huì)使啟動(dòng)轉(zhuǎn)距轉(zhuǎn)

23、距MMq q增加。增加。 CBAOMjMjmaxMqa2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 3. 3. 啟動(dòng)頻率啟動(dòng)頻率n空載空載時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止突然啟動(dòng)、并進(jìn)入時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止突然啟動(dòng)、并進(jìn)入不丟步不丟步的正常運(yùn)行的正常運(yùn)行狀態(tài)所允許的最高頻率，稱(chēng)為啟動(dòng)頻率或突跳頻率狀態(tài)所允許的最高頻率，稱(chēng)為啟動(dòng)頻率或突跳頻率f fq q，是反映，是反映步進(jìn)電機(jī)快速性能的重要指標(biāo)。步進(jìn)電機(jī)快速性能的重要指標(biāo)。n空載啟動(dòng)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)變化的頻率不能高于空載啟動(dòng)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)變化的頻率不能高于該啟動(dòng)頻率。原因是頻率越高，電機(jī)繞組的感抗（該啟動(dòng)頻率。原因是頻率越高，電

24、機(jī)繞組的感抗（X XL L22f f L L）越大，使繞組中的電流脈沖變尖，幅值下降，從而使電機(jī)輸出越大，使繞組中的電流脈沖變尖，幅值下降，從而使電機(jī)輸出力矩下降。力矩下降。n電動(dòng)機(jī)帶載后，啟動(dòng)頻率要下降。這時(shí)起動(dòng)頻率主要取決于負(fù)電動(dòng)機(jī)帶載后，啟動(dòng)頻率要下降。這時(shí)起動(dòng)頻率主要取決于負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可以用起動(dòng)慣頻特性曲線(xiàn)來(lái)描述。載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可以用起動(dòng)慣頻特性曲線(xiàn)來(lái)描述。n用戶(hù)選型時(shí)可以根據(jù)廠(chǎng)家提供的起動(dòng)慣頻特性曲線(xiàn)來(lái)決定帶載用戶(hù)選型時(shí)可以根據(jù)廠(chǎng)家提供的起動(dòng)慣頻特性曲線(xiàn)來(lái)決定帶載時(shí)的起動(dòng)頻率。時(shí)的起動(dòng)頻率。2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 n步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)后，其運(yùn)行速度能跟蹤指令

25、脈沖頻率連步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)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工作頻率，稱(chēng)為連續(xù)運(yùn)行頻率。續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率，稱(chēng)為連續(xù)運(yùn)行頻率。其值遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率。其值遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率。n運(yùn)行矩頻特性是描述步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行矩頻特性是描述步進(jìn)電機(jī)在連續(xù)運(yùn)行連續(xù)運(yùn)行時(shí)，輸出轉(zhuǎn)時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系，它是衡量步進(jìn)電機(jī)運(yùn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系，它是衡量步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)承載能力的動(dòng)態(tài)指標(biāo)。轉(zhuǎn)時(shí)承載能力的動(dòng)態(tài)指標(biāo)。510154812141620T/(N?m)of/ kHz各種頻率下的負(fù)載力矩各種頻率下的負(fù)載力矩必須在矩頻特性曲線(xiàn)的必須在矩頻特性曲線(xiàn)的范圍內(nèi)范圍內(nèi)4. 矩頻特性矩頻特性步

26、進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與運(yùn)行頻率步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與運(yùn)行頻率的關(guān)系。分：起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)的關(guān)系。分：起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性行矩頻特性2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 n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，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。定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時(shí)間的關(guān)系。n當(dāng)要求步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)到大于啟動(dòng)頻率的工作頻率當(dāng)要求步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)到大于啟動(dòng)頻率的工作頻率時(shí)，變化速度必須逐漸上升；同樣，從最高工作時(shí)，變化速度必須逐漸上升；同樣，從最

27、高工作頻率或高于啟動(dòng)頻率的工作頻率停止時(shí)，變化速頻率或高于啟動(dòng)頻率的工作頻率停止時(shí)，變化速度必須逐漸下降。逐漸上升和逐漸下降的加速時(shí)度必須逐漸下降。逐漸上升和逐漸下降的加速時(shí)間、減速時(shí)間不能過(guò)小，否則會(huì)出現(xiàn)失步或超步。間、減速時(shí)間不能過(guò)小，否則會(huì)出現(xiàn)失步或超步。5. 加、減速特性加、減速特性2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 加、減速的方法加、減速的方法n直線(xiàn)加減速：以恒定的加速度進(jìn)行升降，平直線(xiàn)加減速：以恒定的加速度進(jìn)行升降，平穩(wěn)性好，一般適用速度變化范圍較大的快速穩(wěn)性好，一般適用速度變化范圍較大的快速定位方式中。加速時(shí)間雖然長(zhǎng)，但軟件實(shí)現(xiàn)定位方式中。加速時(shí)間雖然長(zhǎng)，但軟件實(shí)

28、現(xiàn)比較簡(jiǎn)單。比較簡(jiǎn)單。n指數(shù)曲線(xiàn)加減速：指數(shù)規(guī)律加減速控制一般指數(shù)曲線(xiàn)加減速：指數(shù)規(guī)律加減速控制一般適用于跟蹤響應(yīng)要求較高的切削加工中。從適用于跟蹤響應(yīng)要求較高的切削加工中。從步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性出發(fā)，根據(jù)轉(zhuǎn)矩步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性出發(fā)，根據(jù)轉(zhuǎn)矩隨頻率的變化規(guī)律推導(dǎo)出來(lái)的，它符合步進(jìn)隨頻率的變化規(guī)律推導(dǎo)出來(lái)的，它符合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)加減速過(guò)程的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，能充分利用電動(dòng)機(jī)加減速過(guò)程的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，能充分利用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩，快速響應(yīng)好，升降步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩，快速響應(yīng)好，升降時(shí)間短。時(shí)間短。n拋物線(xiàn)加減速：將直線(xiàn)加減速和指數(shù)曲線(xiàn)加拋物線(xiàn)加減速：將直線(xiàn)加減速和指數(shù)曲線(xiàn)加減速融為一體，充分利用步進(jìn)

29、電機(jī)低速時(shí)的減速融為一體，充分利用步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)的有效轉(zhuǎn)矩，使加減速的時(shí)間大大縮短，同時(shí)有效轉(zhuǎn)矩，使加減速的時(shí)間大大縮短，同時(shí)又具有較強(qiáng)的跟蹤能力。又具有較強(qiáng)的跟蹤能力。2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 6.2.4 6.2.4 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖電機(jī)電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件機(jī)械執(zhí)行部件A A相相B B相相C C相相f、nCNCCNC插補(bǔ)指令插補(bǔ)指令脈沖頻率脈沖頻率f f脈沖個(gè)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)n n換算換算脈沖環(huán)脈沖環(huán)形分配形分配變換變換功率功率放大放大光隔光隔離離360hPi傳動(dòng)比傳動(dòng)比60 360 fnmzk步

30、進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 1 1、環(huán)形分配器、環(huán)形分配器n 環(huán)形分配器的主要功能是將數(shù)控裝置送來(lái)的一串指令環(huán)形分配器的主要功能是將數(shù)控裝置送來(lái)的一串指令脈沖，按步進(jìn)電機(jī)所要求的通電順序分配給步進(jìn)電機(jī)脈沖，按步進(jìn)電機(jī)所要求的通電順序分配給步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源的各相輸入端，以控制勵(lì)磁繞組的通斷，的驅(qū)動(dòng)電源的各相輸入端，以控制勵(lì)磁繞組的通斷，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行及換向。實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行及換向。n 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在一個(gè)方向上連續(xù)運(yùn)行時(shí)，其各相通、斷當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在一個(gè)方向上連續(xù)運(yùn)行時(shí)，其各相通、斷的脈沖分配是一個(gè)循環(huán)，因此稱(chēng)為環(huán)形分配器。的脈沖分配是一個(gè)循環(huán)，因此

31、稱(chēng)為環(huán)形分配器。n環(huán)形分配的功能可由硬件或軟件的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，分別環(huán)形分配的功能可由硬件或軟件的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，分別稱(chēng)為硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器。稱(chēng)為硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器。 環(huán)形分配器環(huán)形分配器光隔離電路光隔離電路功率放大電路功率放大電路2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 n 硬件環(huán)形分配器：一般放在驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部，分配脈沖硬件環(huán)形分配器：一般放在驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部，分配脈沖速度快，不占用速度快，不占用CPU的時(shí)間，但缺點(diǎn)是不易實(shí)現(xiàn)變的時(shí)間，但缺點(diǎn)是不易實(shí)現(xiàn)變拍驅(qū)動(dòng)，增加的硬件電路降低了驅(qū)動(dòng)器的可靠性拍驅(qū)動(dòng)，增加的硬件電路降低了驅(qū)動(dòng)器的可靠性n軟件環(huán)形分配器：易于實(shí)現(xiàn)變拍驅(qū)動(dòng)

32、，節(jié)省了硬件電軟件環(huán)形分配器：易于實(shí)現(xiàn)變拍驅(qū)動(dòng)，節(jié)省了硬件電路，提高了系統(tǒng)的可靠性路，提高了系統(tǒng)的可靠性2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 硬件環(huán)形分配器與數(shù)控裝置的連接硬件環(huán)形分配器與數(shù)控裝置的連接CNC裝置電源環(huán)型分配器A相驅(qū)動(dòng)B相驅(qū)動(dòng)C相驅(qū)動(dòng)MCLKDIRFULL/HALF三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置方向方向Step motor2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 16151413121110912345678CH250CH250UDJ3LJ3rJ6rJ6LABCR*CLENR*RJ6LJ6rABCJ3LJ3rUSUDCLEN91071214 1581312116

33、16+12V1F100kCP1方向RUS硬件環(huán)形分配器硬件環(huán)形分配器 CH250專(zhuān)門(mén)用來(lái)控制三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)專(zhuān)門(mén)用來(lái)控制三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) L297和和PMM8713用于兩相步進(jìn)電機(jī)用于兩相步進(jìn)電機(jī) PMM8714用于五相步進(jìn)電機(jī)用于五相步進(jìn)電機(jī)CH250CH250外形和三相六拍接線(xiàn)圖外形和三相六拍接線(xiàn)圖CMOSCMOS型型2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 TTLTTL型型2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 軟件環(huán)形分配器軟件環(huán)形分配器n軟件環(huán)形分配指由數(shù)控裝置中的計(jì)算機(jī)軟件完軟件環(huán)形分配指由數(shù)控裝置中的計(jì)算機(jī)軟件完成環(huán)形分配的任務(wù)，直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)各繞組成

34、環(huán)形分配的任務(wù)，直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)各繞組的通、斷電。用軟件環(huán)形分配器只需編制不同的通、斷電。用軟件環(huán)形分配器只需編制不同的環(huán)形分配程序，將其存入數(shù)控裝置的的環(huán)形分配程序，將其存入數(shù)控裝置的EPROMEPROM中即可。中即可。n軟件環(huán)形分配器的設(shè)計(jì)方法有多種，如查表法、軟件環(huán)形分配器的設(shè)計(jì)方法有多種，如查表法、比較法、移位寄存器法等，最常用的是查表法。比較法、移位寄存器法等，最常用的是查表法。 2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 F7H, F3H, FBH, F9H, FDH, F5HBFH, 9FH, DFH, CFH, EFH, AFHF BAC 11 CAB FD7D6D5D

35、4D3D2D1D02022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 PIOPA0PA1PA2PA3PA4PA5光電偶合器光電偶合器放大放大 X 向步進(jìn)電機(jī) Z 向步進(jìn)電機(jī)abcABC兩坐標(biāo)步進(jìn)電機(jī)伺服進(jìn)給系統(tǒng)框圖兩坐標(biāo)步進(jìn)電機(jī)伺服進(jìn)給系統(tǒng)框圖2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 n以光為媒介傳輸信號(hào)的以光為媒介傳輸信號(hào)的器件，輸入輸出在電氣器件，輸入輸出在電氣上是完全隔離的上是完全隔離的n光電隔離電路主要是為光電隔離電路主要是為了在接口電路和功率放了在接口電路和功率放大電路之間實(shí)現(xiàn)電氣隔大電路之間實(shí)現(xiàn)電氣隔離的。離的。輸入輸出

36、光電耦合電路光電耦合電路1+12V+5VTLP52112、光電隔離電路、光電隔離電路發(fā)光源發(fā)光源受光器受光器兩端電源不共地兩端電源不共地2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 光電隔離器的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)形式光電隔離器的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)形式溫度補(bǔ)償與檢測(cè)溫度補(bǔ)償與檢測(cè)光敏二極管加高速光敏二極管加高速開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)管放大晶體管放大晶體管晶閘管晶閘管2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 3 3、功率放大電路、功率放大電路n 功率放大電路的作用就是對(duì)從環(huán)形分配器輸出功率放大電路的作用就是對(duì)從環(huán)形分配器輸出的信號(hào)進(jìn)行功率放大并送至步進(jìn)電機(jī)的各相繞的信號(hào)進(jìn)行功率放大并送至步進(jìn)電機(jī)的各相繞組。組。n

37、 功率放大電路的控制方式很多，最早采用單功率放大電路的控制方式很多，最早采用單電壓驅(qū)動(dòng)電路，后來(lái)出現(xiàn)了高低電壓切換驅(qū)動(dòng)電壓驅(qū)動(dòng)電路，后來(lái)出現(xiàn)了高低電壓切換驅(qū)動(dòng)電路、恒流斬波電路、調(diào)頻調(diào)壓和細(xì)分電路等。電路、恒流斬波電路、調(diào)頻調(diào)壓和細(xì)分電路等。n所采用的功率半導(dǎo)體元件可以是大功率晶體管所采用的功率半導(dǎo)體元件可以是大功率晶體管GTRGTR，也可以是功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管，也可以是功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFETMOSFET或或可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管GTOGTO。 2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 步進(jìn)電機(jī)功率放大器步進(jìn)電機(jī)功率放大器（驅(qū)動(dòng)電源）的要求（驅(qū)動(dòng)電源）的要求 實(shí)際上，步進(jìn)電機(jī)是

38、實(shí)際上，步進(jìn)電機(jī)是感性負(fù)載感性負(fù)載，繞組中電流繞組中電流不能突變不能突變，而是按而是按指數(shù)規(guī)律指數(shù)規(guī)律上升或下降上升或下降, ,從而使整個(gè)從而使整個(gè)通電周期內(nèi)，繞組通電周期內(nèi)，繞組電流平均值電流平均值下降，下降，電機(jī)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩下降輸出轉(zhuǎn)矩下降。 理想理想驅(qū)動(dòng)電源使電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源使電機(jī)繞組電流繞組電流 盡量接近盡量接近矩形波矩形波。 而當(dāng)電機(jī)而當(dāng)電機(jī)運(yùn)行頻率很高運(yùn)行頻率很高時(shí)，電流峰值時(shí)，電流峰值顯著小于顯著小于額定額定勵(lì)磁電流，從而導(dǎo)致電機(jī)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)。轉(zhuǎn)矩進(jìn)一步下降，嚴(yán)重時(shí)不能啟動(dòng)。 2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 rRLm11上升

39、時(shí)間上升時(shí)間rRLm22下降時(shí)間下降時(shí)間由于電流緩慢地上升和下降，由于電流緩慢地上升和下降，使電流波形前、后沿不陡，使使電流波形前、后沿不陡，使得每相導(dǎo)通工作時(shí)電流的平均得每相導(dǎo)通工作時(shí)電流的平均幅值大大下降，磁通量減小，幅值大大下降，磁通量減小，輸出轉(zhuǎn)矩降低。輸出轉(zhuǎn)矩降低。2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 1lnmHHHLEtRrEI r上升時(shí)間上升時(shí)間電流上升到電流上升到1.3IH時(shí)翻轉(zhuǎn)時(shí)翻轉(zhuǎn)2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 若為三相步進(jìn)電機(jī)則需三組電路供電，即步進(jìn)電機(jī)有幾相就需要幾組高低若為三相步進(jìn)電機(jī)則需三組電路供電，即步進(jìn)電機(jī)有幾相就需要幾組高低電

40、壓切換驅(qū)動(dòng)電路。電壓切換驅(qū)動(dòng)電路。2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 1+5V+5VUcgUsUWVTgUdUcdVTdUCPVD1VT1RRPRfUfR2R3D1VD2VD3UCPtOUcdtOUcgtOUwtOiwOtUd-UgiwUg驅(qū) 動(dòng) 電 路Q(chēng)+-驅(qū) 動(dòng) 電 路恒流斬波電路恒流斬波電路Uf0UcD(t)e(t)e(t)Uc0e(t)e(t)+VUc-VD(t) 2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 PWM-M PWM-M系統(tǒng)組成及工作原理系統(tǒng)組成及工作原理電壓電壓脈寬調(diào)制器脈寬調(diào)制器 比較器比較器 功率放大器功率放大器 伺服伺服電機(jī)電機(jī) 調(diào)制信號(hào)發(fā)生器

41、調(diào)制信號(hào)發(fā)生器 Uc Uc+D(t) e(t) u4 D(t) + PWM-M PWM-M 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 開(kāi)關(guān)頻率高，僅靠電樞的電感作用，即開(kāi)關(guān)頻率高，僅靠電樞的電感作用，即可獲得滿(mǎn)意的濾波作用，近似直流。無(wú)論高速或低速電機(jī)轉(zhuǎn)可獲得滿(mǎn)意的濾波作用，近似直流。無(wú)論高速或低速電機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩平滑均勻，調(diào)速比可以做得很大，且發(fā)熱小，壽命速和扭矩平滑均勻，調(diào)速比可以做得很大，且發(fā)熱小，壽命長(zhǎng)。長(zhǎng)。2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 SPWMSPWM正弦波變頻器正弦波變頻器 SPWM逆變器是用來(lái)產(chǎn)生正弦脈逆變器是用來(lái)產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制波。正弦脈寬調(diào)制波的形成原寬調(diào)制波。正弦脈寬調(diào)制波的形成原

42、理是把一個(gè)正弦半波分成理是把一個(gè)正弦半波分成NN等分，然等分，然后把每一等分的正弦曲線(xiàn)與橫坐標(biāo)所后把每一等分的正弦曲線(xiàn)與橫坐標(biāo)所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的等高矩形脈沖來(lái)代替，這樣可得到等高矩形脈沖來(lái)代替，這樣可得到NN個(gè)等高而不等寬的脈沖。這個(gè)等高而不等寬的脈沖。這NN個(gè)脈沖個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)著一個(gè)正弦波的半周。對(duì)正弦波對(duì)應(yīng)著一個(gè)正弦波的半周。對(duì)正弦波的負(fù)半周也采取同樣處理，得到相應(yīng)的負(fù)半周也采取同樣處理，得到相應(yīng)的的2N2N個(gè)脈沖，這就是與正弦波等效個(gè)脈沖，這就是與正弦波等效的正弦脈寬調(diào)制波，即的正弦脈寬調(diào)制波，即SPWMSPWM波。波。 t tOOUUPUR2

43、022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 nSPWMSPWM波形可采用模擬波形可采用模擬電路、以電路、以“調(diào)制調(diào)制”方法方法實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)。nSPWMSPWM調(diào)制是用脈沖寬調(diào)制是用脈沖寬度不等的一系列矩形脈度不等的一系列矩形脈沖去逼近一個(gè)所需要的沖去逼近一個(gè)所需要的電壓信號(hào)，它是利用三電壓信號(hào)，它是利用三角波電壓與正弦參考電角波電壓與正弦參考電壓相比較，以確定各分壓相比較，以確定各分段矩形脈沖的寬度。段矩形脈沖的寬度。 Q+-URUUP2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 三相三相SPWMSPWM控制電路框圖控制電路框圖三角波頻率為正弦波頻率的三角波頻率為正弦波頻率的3 3倍

44、的整數(shù)倍，所以保證了三路脈沖調(diào)制波形倍的整數(shù)倍，所以保證了三路脈沖調(diào)制波形U U0A0A、U U0B0B、U U0C0C和時(shí)間軸所組成的面積隨時(shí)間的變化互成和時(shí)間軸所組成的面積隨時(shí)間的變化互成1201200相位角。相位角。三相三相SPWM控制電路控制電路UAUBU0AU0BU0C三相正弦控制信號(hào)三角波發(fā)生器SPWMASPWMBSPWMC驅(qū)動(dòng)VT1VT6+UC+-123UUB1UB2UB3UB4UB5UB6Ub4Ub6Ub22022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 LdVT1VT4VT3VT5VT6VT2三相交流電整流器逆變器VD1VD3VD5VD4VD6VD2Cd M3橋式整流電路橋

45、式整流電路逆變器電路逆變器電路雙極性雙極性SPWMSPWM變頻器主電路變頻器主電路三相逆變電路由三相逆變電路由6只具有單向?qū)щ娭痪哂袉蜗驅(qū)щ娦缘拇蠊β书_(kāi)關(guān)管性的大功率開(kāi)關(guān)管VT1VT6組成。組成。每只功率開(kāi)關(guān)上反并聯(lián)一只續(xù)流二每只功率開(kāi)關(guān)上反并聯(lián)一只續(xù)流二極管，極管，VD1VD6，為負(fù)載的電，為負(fù)載的電流滯后提供一條反饋到電源的通路。流滯后提供一條反饋到電源的通路。6只功率開(kāi)關(guān)管每隔只功率開(kāi)關(guān)管每隔60電角度導(dǎo)電角度導(dǎo)通一只，相鄰兩只的功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通通一只，相鄰兩只的功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間相差時(shí)間相差1202022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 SPWMSPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖變頻調(diào)速系統(tǒng)

46、框圖TM3速度（頻率）給定器平穩(wěn)啟動(dòng)回路函數(shù)發(fā)生器電壓調(diào)節(jié)器電壓頻率變換器三角波發(fā)生器分頻器環(huán)形計(jì)數(shù)器電流檢測(cè)器調(diào)制回路電壓檢測(cè)器PWM主回路基極回路SPWM2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 6.6 6.6 位置控制位置控制位 置 比 較 器Pe位 置 偏 差Pc來(lái) 自 插 補(bǔ) 器 的 位 置 指 令Un速 度 控 制 指令 至 驅(qū) 動(dòng) 裝 置位 置 /速 度變 換*+-C N CPf來(lái) 自 位 置 檢 測(cè)裝 置 的 實(shí) 際 位 置數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)是位置隨動(dòng)系統(tǒng)，需要對(duì)位置數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)是位置隨動(dòng)系統(tǒng)，需要對(duì)位置和速度進(jìn)行精確控制。通過(guò)對(duì)位置環(huán)、速度環(huán)的控制和速度進(jìn)

47、行精確控制。通過(guò)對(duì)位置環(huán)、速度環(huán)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。位置環(huán)和速度環(huán)緊密相連，速度環(huán)的給定值，來(lái)實(shí)現(xiàn)。位置環(huán)和速度環(huán)緊密相連，速度環(huán)的給定值，就是來(lái)自位置環(huán)。而位置環(huán)的輸入一方面有來(lái)自輪廓就是來(lái)自位置環(huán)。而位置環(huán)的輸入一方面有來(lái)自輪廓插補(bǔ)器在每一個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)插補(bǔ)運(yùn)算輸出的位置指令；插補(bǔ)器在每一個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)插補(bǔ)運(yùn)算輸出的位置指令；另一方面有來(lái)自位置檢測(cè)元件測(cè)得的機(jī)床移動(dòng)部件的另一方面有來(lái)自位置檢測(cè)元件測(cè)得的機(jī)床移動(dòng)部件的實(shí)際位置信號(hào)。插補(bǔ)得到的指令位移和位置檢測(cè)元件實(shí)際位置信號(hào)。插補(bǔ)得到的指令位移和位置檢測(cè)元件得到的機(jī)床移動(dòng)部件的實(shí)際位移在位置比較器中進(jìn)行得到的機(jī)床移動(dòng)部件的實(shí)際位移在位置比較器中進(jìn)行比

48、較，得到位置偏差，位置控制單元再根據(jù)速度指令比較，得到位置偏差，位置控制單元再根據(jù)速度指令的要求及各環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)（稱(chēng)增益）對(duì)位置數(shù)據(jù)進(jìn)的要求及各環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)（稱(chēng)增益）對(duì)位置數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，把處理的結(jié)果送給速度環(huán)，作為速度環(huán)的給行處理，把處理的結(jié)果送給速度環(huán)，作為速度環(huán)的給定值。定值。 2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 n根據(jù)對(duì)位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的控制是用軟件還是硬件根據(jù)對(duì)位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的控制是用軟件還是硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，可將伺服系統(tǒng)分為混合式伺服系統(tǒng)和全數(shù)字式伺來(lái)實(shí)現(xiàn)，可將伺服系統(tǒng)分為混合式伺服系統(tǒng)和全數(shù)字式伺服系統(tǒng)。服系統(tǒng)。n混合式伺服系統(tǒng)是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)位置環(huán)控制，

49、通過(guò)硬件實(shí)混合式伺服系統(tǒng)是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)位置環(huán)控制，通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)速度環(huán)和電流環(huán)的控制，是一種軟硬結(jié)合、數(shù)字信號(hào)和現(xiàn)速度環(huán)和電流環(huán)的控制，是一種軟硬結(jié)合、數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)結(jié)合的混合系統(tǒng)。對(duì)于混合式伺服系統(tǒng)，根據(jù)位模擬信號(hào)結(jié)合的混合系統(tǒng)。對(duì)于混合式伺服系統(tǒng)，根據(jù)位置比較方式的不同，分為數(shù)字置比較方式的不同，分為數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)、相脈沖比較伺服系統(tǒng)、相位比較伺服系統(tǒng)和幅值比較伺服系統(tǒng)。位比較伺服系統(tǒng)和幅值比較伺服系統(tǒng)。n全數(shù)字伺服系統(tǒng)是用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中位置環(huán)、全數(shù)字伺服系統(tǒng)是用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的控制，即系統(tǒng)中的控制信息全用數(shù)字量速度環(huán)和電流環(huán)的控制，即系統(tǒng)

50、中的控制信息全用數(shù)字量處理。處理。 2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 n 相位比較伺服系統(tǒng)是將指令脈沖信號(hào)和位置檢測(cè)反饋相位比較伺服系統(tǒng)是將指令脈沖信號(hào)和位置檢測(cè)反饋信號(hào)都轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的同頻率的某一載波的不同相位的信號(hào)都轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的同頻率的某一載波的不同相位的脈沖信號(hào)，在位置控制單元進(jìn)行相位的比較，它們的脈沖信號(hào)，在位置控制單元進(jìn)行相位的比較，它們的相位差就反映了指令位置與實(shí)際位置的偏差。相位差就反映了指令位置與實(shí)際位置的偏差。n相位比較伺服系統(tǒng)的位置檢測(cè)元件采用旋轉(zhuǎn)變壓器、相位比較伺服系統(tǒng)的位置檢測(cè)元件采用旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器或磁柵，這些裝置工作在相位工作狀態(tài)。感應(yīng)同步器或

51、磁柵，這些裝置工作在相位工作狀態(tài)。 6.4.1 6.4.1 相位比較伺服系統(tǒng)相位比較伺服系統(tǒng)2022-3-2南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 黃新燕 Fc基 準(zhǔn) 信 號(hào)發(fā) 生 器濾 波 放 大鑒 相 器伺 服放 大 器濾 波 放 大 器脈 沖 調(diào) 相 器伺 服電 機(jī)定 尺滑尺感 應(yīng) 同 步 器位 置 檢 測(cè) 信 號(hào)指 令 脈 沖f0P0cPPfUd相位比較伺服系統(tǒng)原理框圖相位比較伺服系統(tǒng)原理框圖脈沖脈沖相位變換器。相位變換器。 通過(guò)對(duì)基準(zhǔn)脈沖通過(guò)對(duì)基準(zhǔn)脈沖f f0 0進(jìn)行分頻，產(chǎn)生基準(zhǔn)相位脈沖進(jìn)行分頻，產(chǎn)生基準(zhǔn)相位脈沖P P00，由該脈沖形成的正、余弦勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電壓由該脈沖形成的正、余弦勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電壓UsUs、UcUc的的頻率與頻率與P P00頻率相同，感應(yīng)電壓頻率相同，感應(yīng)電壓U Ud d的相位的相位f f隨著工作臺(tái)隨著工作臺(tái)的移動(dòng)而相對(duì)于基準(zhǔn)相位的移動(dòng)而相對(duì)于基準(zhǔn)相位0 0有超前或滯后；有超前或滯后； 通過(guò)對(duì)指令脈沖通過(guò)對(duì)指令脈沖FcFc的加、減，再通過(guò)分頻產(chǎn)生相位超的加、減，再通過(guò)分頻產(chǎn)生相位超前或滯后于前或滯后于P P00的的指令相位脈沖指令相位脈沖P Pcc。由于指令相位脈沖。由于指令相位脈沖P Pcc的相位的相位c c和實(shí)際相位脈沖和實(shí)際相位脈沖P Pff的相位的