《数控技术伺服》PPT课件.ppt

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1、6.2.3 步进电机细分驱动技术步进电机细分驱动技术 步进电机对应于一个电脉冲，转子转动一步；即步进电机对应于一个电脉冲，转子转动一步；即一个步距角一个步距角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的一部分那么转子相对应的每步转动也只会是原有s的的一部分。额定电流分成多少个级别进行切换，转子就以一部分。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即通过控制绕组中电流的数值调整步距角s大小，大小，这种控制方式为不进电机细分控制。这种控

2、制方式为不进电机细分控制。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）分成性（或正弦规律）分成n分。数字信号分。数字信号D/AVREF，VREF与与VC比较，以保证电流值在要求的值上。比较，以保证电流值在要求的值上。1.1.恒流原理恒流原理 通过通过A放大器之后为放大器之后为V REF。比较放大器和功。比较放大器和功放组成一个闭环调节系统。当绕组中电流因某放组成一个闭环调节系统。当绕组中电流因某种原因种原因iL下降，则下降，则iLVC(VREF VC)Vb iL 使绕组电流使绕组电流仍稳定于仍稳定于iL。2.2.瞬间响应瞬间响应 如输入的

3、如输入的DiD k则则DiD/A A输出为输出为VREFK，则为（过程为），则为（过程为）DiD kVREF VREFKVb iL iLk3.3.细分控制细分控制 1）从从8位单片机送出的数据位单片机送出的数据DD,数值数值00H0FFH，对应与十进制数是对应与十进制数是0255.细分时，要求每个阶梯的细分时，要求每个阶梯的电流差值相等，即要求细分步数必须能对电流差值相等，即要求细分步数必须能对255整除，整除，显然细分显然细分 只能为只能为3，5，15，17，51，85几种。几种。2）一般按正弦规律变化细分的多相电流，合成磁势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

4、确；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，提高了定通过细分驱动可得到更小的脉冲当量，提高了定位精度；位精度；4）绕组电流均绕组电流均 从小增到大，或从大降到小，避免了从小增到大，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。运转平稳，无噪声。步进电机的细分控制得到了广泛应用。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四相步进电机线型规律细分电流时序图细分电流时序图正弦阶梯波细分电流波形图正弦阶梯波细分电流波形图正弦细分驱动电路正弦细分驱动电路D/A 功率步进电机用作开环进

5、给系统的功率步进电机用作开环进给系统的伺服驱动装置，组成开环进给系统，一伺服驱动装置，组成开环进给系统，一般技术性能不能满足使用要求，其性能般技术性能不能满足使用要求，其性能的提高受到限制。的提高受到限制。6060年代出现了小惯年代出现了小惯量直流伺服电机，量直流伺服电机，7070年代初出现了大年代初出现了大惯量宽调速伺服电机；目前，许多数控惯量宽调速伺服电机；目前，许多数控机床采用大惯量直流伺服电机。机床采用大惯量直流伺服电机。6.3 6.3 直流伺服电动机调速系统直流伺服电动机调速系统 直流电机的用途直流电机的用途电源电源励磁机励磁机测速测速伺服伺服 直流电机的原理和结构直流电机的原理和结

6、构定子和转子定子和转子直流电机电枢绕组结构直流电机电枢绕组结构直流电机电刷和换向器结构直流电机电刷和换向器结构直流电机电刷结构直流电机电刷结构直流电机的物理模型直流电机的物理模型 直流伺服电机调速控制直流伺服电机调速控制直流伺服电机有直流伺服电机有电磁式、永磁式、杯形电枢式、无槽电枢式、电磁式、永磁式、杯形电枢式、无槽电枢式、无刷式等。无刷式等。直流伺服电机的结构与直流电机相同，由定子和转子两部分直流伺服电机的结构与直流电机相同，由定子和转子两部分组成。在定子上装有磁极，电磁式伺服电机的定子磁极上有励组成。在定子上装有磁极，电磁式伺服电机的定子磁极上有励磁绕组。转子由硅钢片迭积而成，转子上外圆

7、有槽，槽内有中磁绕组。转子由硅钢片迭积而成，转子上外圆有槽，槽内有中枢绕组，绕组通过换向器和电刷引出。枢绕组，绕组通过换向器和电刷引出。直流伺服电机和普通电机最大区别：直流伺服电机和普通电机最大区别：电枢长度与直径之比电枢长度与直径之比(L/D)(L/D)比普通直流电机要大；气隙较小。比普通直流电机要大；气隙较小。伺服电机的工作原理和普通直流电机相同，当定子中的磁伺服电机的工作原理和普通直流电机相同，当定子中的磁励磁通和转子中的电流相互作用时，会产生电磁转矩驱动电枢励磁通和转子中的电流相互作用时，会产生电磁转矩驱动电枢转动，恰当地控制转动电枢电流的大小和方向，就可以控制伺转动，恰当地控制转动电

8、枢电流的大小和方向，就可以控制伺服电机转向及转速，当电枢电流服电机转向及转速，当电枢电流“0”，伺服电机停滞不动。，伺服电机停滞不动。即定子磁势即定子磁势F Fr r垂直于电枢绕垂直于电枢绕组磁势组磁势F Ff f 产生电磁转矩产生电磁转矩T T电磁转矩为电磁转矩为：T Cm Ia 式中：式中：Cm 转矩常数转矩常数(CmPN/(2a)p：磁极对数：磁极对数 N：电枢绕组总导体数：电枢绕组总导体数 a：并联支路：并联支路 对数对数 电机的主磁通电机的主磁通 Ia 电枢电流电枢电流电压平衡方程为：电压平衡方程为：E UdIa Ra (Ud:电枢电压电枢电压 Ud=Uc=U 控制电压控制电压)式中

9、：式中：E 电枢感应电动势电枢感应电动势 E Ce n Ce PN/(60a)联立上三式得到联立上三式得到 从上式知，电机从上式知，电机调速有三种调速有三种方法：方法：1）改变电枢电压）改变电枢电压U（电枢法）（电枢法）2）改变励磁磁通）改变励磁磁通（弱磁调速）（弱磁调速）3）在电枢回路中接电阻）在电枢回路中接电阻Rt 改变端电压调速改变端电压调速 保持电动机的保持电动机的 不变且无外接电枢电阻，不变且无外接电枢电阻，仅降低施仅降低施加于电动机电枢两端电压加于电动机电枢两端电压U U达到调速的目的，达到调速的目的，称为称为降压调速降压调速。TnU1U1U2U3U2U3PQ电压越低，电压越低，转

10、速越低，转速越低，调速调速方向从基值往下调。方向从基值往下调。（1）降压的特性是一簇与固有特性平行的直线，）降压的特性是一簇与固有特性平行的直线，无论无论是满载、轻载还是空载都有明显的调速效果。是满载、轻载还是空载都有明显的调速效果。（2）由于特性硬度不变，低速时由于负载变化引起的）由于特性硬度不变，低速时由于负载变化引起的转速波动不大。静态稳定性好，转速波动不大。静态稳定性好，调速范围大。调速范围大。（3）可平滑调节端电压，）可平滑调节端电压，使转速平滑调节，实现无使转速平滑调节，实现无级调速。级调速。（4）调节过程能量损耗小。）调节过程能量损耗小。调压调速的特点：调压调速的特点：Tn改变励

11、磁调速改变励磁调速改变励磁电流调速，实际上是减少励磁电流的改变励磁电流调速，实际上是减少励磁电流的调速，调速，所以又称弱磁调速。所以又称弱磁调速。弱磁调速：保持弱磁调速：保持U U，R Rt t0 0，仅减小电动机的励磁，仅减小电动机的励磁电流电流I If f使主磁通减小，达到调速目的。使主磁通减小，达到调速目的。If1PIf2QIf1If2从两个稳定点从两个稳定点P P、Q Q对应转速说对应转速说明减小励磁可以使转速升高。明减小励磁可以使转速升高。弱磁调速调速前后的量：调速前后的量：（1）假定负载转矩不变，）假定负载转矩不变，(2)假定磁路不饱和，不计电枢反应和假定磁路不饱和，不计电枢反应和

12、I Ia aR Ra a的变化的变化（3）恒转矩负载，恒转矩负载，基本不变基本不变弱磁调速特点弱磁调速特点优点优点：设备简单，调节方便，能耗小。设备简单，调节方便，能耗小。缺点：缺点：单方向调节，转速调得过高，励磁过弱，单方向调节，转速调得过高，励磁过弱，电枢电流变大，电枢电流变大，换向变坏，换向变坏，出现不稳定。出现不稳定。改变电枢回路电阻调速改变电枢回路电阻调速 保持保持U UU UN N且且 N N不变，电枢回路中串入调不变，电枢回路中串入调速电阻速电阻R Rt t，使同一个负载得到不同转速的方法，使同一个负载得到不同转速的方法，称为称为电枢串电阻调速电枢串电阻调速。串入电枢回路的电阻越

13、大，串入电枢回路的电阻越大，转转速越低。速越低。R2R1PQR1R2R3TnR3电机运行于固有机械特性上的转电机运行于固有机械特性上的转速称为基速。速称为基速。电枢回路串电阻调电枢回路串电阻调速的方法，速的方法，只能从基速往下调。只能从基速往下调。串电枢电阻调速串电枢电阻调速该调速的特点：该调速的特点：（1）设备简单、操作方便。）设备简单、操作方便。（2）低速时，）低速时，机械特性很软，机械特性很软，当负载变化时，当负载变化时，转速波动很大。静态稳定性差转速波动很大。静态稳定性差 调速范围不大。调速范围不大。（3）由于电阻的不连续调节，）由于电阻的不连续调节，因此速度调节因此速度调节不平滑，不

14、平滑，属有级调速。属有级调速。（4）电枢电流在电枢电流在R Rt t上消耗的能量大，上消耗的能量大，调速时调速时效率低。效率低。效率与转速成正比。效率与转速成正比。6.3.2 直流伺服电机直流伺服电机 1.1.机械特性机械特性机械特性机械特性电枢法时，电枢法时，=C，若控制电压，若控制电压UC，则，则n=n0KT 式中：式中：n0=U/Ce 理想空载转速理想空载转速 斜率斜率分析两种情况，当分析两种情况，当T0时，时，n n0 u/(Ce )当当n0时时,n0 kT kTd 堵转转矩堵转转矩所以，机械特性所以，机械特性n=f(T)即，机械特性是一组斜率相同的直线簇。即，机械特性是一组斜率相同的

15、直线簇。机械特性的斜率机械特性的斜率K也可用也可用 k n/T表示；表示；K，则对应于，则对应于某一转矩某一转矩T变化，转速变化，转速n,说明机械特性软。反之说明机械特性软。反之K减小减小,则机械特性硬。则机械特性硬。（因为（因为Ce、Cm中均为常数）所以中均为常数）所以Ra增大、增大、K增大，反之亦增大，反之亦然。然。2.2.动特性动特性动特性动特性 定义：电枢加上阶跃电压时，转子速度随时间的变化规律为为伺服电机的动特性。定义：电枢加上阶跃电压时，转子速度随时间的变化规律为为伺服电机的动特性。n=f(t)动特性的本质是由过渡过程来描述的。产生过渡过程的原因在于电机存在两种动特性的本质是由过渡

16、过程来描述的。产生过渡过程的原因在于电机存在两种惯性：惯性：机械惯性和电磁惯性。机械惯性和电磁惯性。机械惯性：机械惯性：由于电机和负载都有惯量，故转速由于电机和负载都有惯量，故转速n不能突变，转动惯量不能突变，转动惯量J是造成机是造成机械过渡过程的原因。械过渡过程的原因。电磁惯性：电磁惯性：由于电机绕组有电感，故电枢电流不能突变，电感式造成电磁惯性由于电机绕组有电感，故电枢电流不能突变，电感式造成电磁惯性的原因。的原因。机械惯性和电磁惯性相互影响，构成了电机总过渡过程，一般机械惯性和电磁惯性相互影响，构成了电机总过渡过程，一般电磁过渡过程比电磁过渡过程比机械过渡过程短，可忽略。机械过渡过程短，

17、可忽略。考虑到电感对电枢电流的影响，故动态电压平衡方程为：考虑到电感对电枢电流的影响，故动态电压平衡方程为：式中：式中：La 电枢电感电枢电感 在过渡过程中，电磁转矩在过渡过程中，电磁转矩T除了要克服轴上的除了要克服轴上的总的阻转矩总的阻转矩T外，还要克服轴上的惯性力矩，故转外，还要克服轴上的惯性力矩，故转矩平衡方程为：矩平衡方程为：式中：式中：Ts-总阻转矩；总阻转矩；J-电机及负载的等效转动惯量；电机及负载的等效转动惯量；-转子的角速度转子的角速度。但过渡过程中但过渡过程中,T主要用来克服主要用来克服J d/dt,Ts所占比所占比例很小例很小,可忽略。所以，可忽略。所以，则有则有等式两边同

18、除以等式两边同除以Ce 则则令，令，则则，式中式中：j 机电时间常数，表示加上电枢电压后，转速机电时间常数，表示加上电枢电压后，转速 达到额定值过程达到额定值过程 时间的过渡。时间的过渡。d电磁时间常数，表示加上电枢电压后，电枢电磁时间常数，表示加上电枢电压后，电枢 电流达到额定值的过渡过程时间。电流达到额定值的过渡过程时间。由于由于d j，均可忽略，均可忽略，所以所以进行进行L变换，得变换，得直直流伺服电机传递函数流伺服电机传递函数G(s)是输出转速与输入电枢电压拉氏变换之比，即是输出转速与输入电枢电压拉氏变换之比，即式中：式中：KG=I/Ce 为静态放大系数，表示转子速度随为静态放大系数，

19、表示转子速度随U的变的变化程度。从上式看出，直流伺服电机是一个惯性环节。化程度。从上式看出，直流伺服电机是一个惯性环节。当给电枢加上阶跃电压当给电枢加上阶跃电压U，电机转速，电机转速n从从0n0的过渡过程为：的过渡过程为：所以，进行所以，进行L反变换反变换有，有，从式中知，当从式中知，当t=j 时，时，0，上升到，上升到n0的时间的时间 当当t=3j时，时，n=0.95n 0，此时过渡过程基，此时过渡过程基 本结束，即本结束，即t=3j。小结：小结：机械特性的斜率K减小，特性硬，则电机时间常数j降低，过渡过程短；反之，K增大，过渡过程长。若考虑电磁时间常数若考虑电磁时间常数d，则为二阶振荡环节

20、，波形如下，则为二阶振荡环节，波形如下3.大惯量直流伺服电机大惯量直流伺服电机大惯量直流伺服电机又称宽调速直流伺服电机，大惯量直流伺服电机又称宽调速直流伺服电机，是上世纪是上世纪60年代末年代末70年代初在小惯量电机和力年代初在小惯量电机和力矩电机的基础上发展起来的，目前广泛应用于矩电机的基础上发展起来的，目前广泛应用于数控系统中。数控系统中。1）结构特点）结构特点 大惯量直流伺服电机结构如图，激励方式大惯量直流伺服电机结构如图，激励方式为永磁式。从电磁转矩公式为永磁式。从电磁转矩公式T=Cm Ia。转矩常。转矩常数数 Cm=PN/(2a),为了得到大的输出力矩，采为了得到大的输出力矩，采用以

21、下措施：用以下措施：a.采用高性能磁性材料，以产生强磁场采用高性能磁性材料，以产生强磁场；材料保磁材料保磁性能的稳定性；当峰值转矩达到额定值性能的稳定性；当峰值转矩达到额定值1015倍不退倍不退磁；磁性材料：铝镍钴、陶瓷缺氧体、稀土磁；磁性材料：铝镍钴、陶瓷缺氧体、稀土 钴钴 （性（性能最好）能最好）b.增加总导体数增加总导体数N，增加磁极对数，增加磁极对数p使使cm增加增加。大惯量电机提供大转矩还在于：低速输出转矩大，大惯量电机提供大转矩还在于：低速输出转矩大，最大峰值转矩可达额定转矩的最大峰值转矩可达额定转矩的10倍以上，过载能力强，倍以上，过载能力强，允许过载时间长。由于电机本身惯量大，

22、输出力矩大，允许过载时间长。由于电机本身惯量大，输出力矩大，可直接驱动负载，无需机械减速传动链。可直接驱动负载，无需机械减速传动链。这类电机调速范围较宽，一般可达这类电机调速范围较宽，一般可达1000，电机，电机的热容量大，热时间常数大，可达的热容量大，热时间常数大，可达120分钟左右，或分钟左右，或在过载条件下工作。在过载条件下工作。2 2）工作特性）工作特性宽调速电机的工作特性由一些参数及特性曲线所限定。电机的容许转矩宽调速电机的工作特性由一些参数及特性曲线所限定。电机的容许转矩T转速转速n随加工及运行条件而改变随加工及运行条件而改变Uk最高运行电压；最高运行电压；Tknmax时的转矩；时

23、的转矩；Tr 连续工作转矩；连续工作转矩；Up 峰值电压；峰值电压；Tp 峰值转矩；峰值转矩；ACB换向限制曲线；换向限制曲线；CTr 发热限制曲线；发热限制曲线；区区连续工作区间；连续工作区间；区区电机间歇工作区间；电机间歇工作区间；区区瞬时加速或正、瞬时加速或正、反转短暂工作区；反转短暂工作区；BTp去磁限制线；去磁限制线；DE瞬时换向界限。瞬时换向界限。大惯量直流伺服电机技术性能较好，有成本低的可控硅调压器，与大惯量直流伺服电机技术性能较好，有成本低的可控硅调压器，与脉宽调压器，在数控机床得到广泛应用。脉宽调压器，在数控机床得到广泛应用。4 4.直流伺服电机的PWM控制由电工学知识，在直

24、流电机转子磁场不饱和时，改由电工学知识，在直流电机转子磁场不饱和时，改变电枢电压变电枢电压U，可以改变转子转速，从前述分析，可以改变转子转速，从前述分析，转子有机械惯性，绕组有电磁惯性，机械时间常数、转子有机械惯性，绕组有电磁惯性，机械时间常数、电磁时间常数都较大，故电枢电压可用周期远小于电磁时间常数都较大，故电枢电压可用周期远小于电机械时间常数的方波平均电压来代替。将直流电电机械时间常数的方波平均电压来代替。将直流电源电压转换成频率源电压转换成频率f2000HZ的方波电压的方波电压 电机绕组，通过对开关闭合时间长短控制电机绕组，通过对开关闭合时间长短控制控制电控制电枢绕组两端的平均电压达到调

25、速的目的。枢绕组两端的平均电压达到调速的目的。物理模型物理模型设闭合时间设闭合时间，打开时间为，打开时间为T。因。因U为常数，则电枢上电压为常数，则电枢上电压的波形是一个方波列，其高度的波形是一个方波列，其高度U，宽度为，宽度为，其平均值为：，其平均值为：从上式可看出，从上式可看出，电枢转速电枢转速n脉冲宽度脉冲宽度。目前应用的是目前应用的是PWM晶体管功率放大器，即由两部分组成：晶体管功率放大器，即由两部分组成：电压脉宽变换器，开关式功率放大器；电压脉宽变换器，开关式功率放大器；负载：伺服电机负载：伺服电机。式中式中T(/T)为为 导通率或占空比。导通率或占空比。为分析方便起见，若忽略电枢电

26、阻为分析方便起见，若忽略电枢电阻Ra，则电枢电压方程为：，则电枢电压方程为：1）脉宽调制器）脉宽调制器产生产生PWM脉冲的环节脉冲的环节，所产生的，所产生的PWM脉冲脉冲驱动驱动放大后放大后 功率放大器断波放大器。功率放大器断波放大器。即即 UA(或或UB)0，满量程正电压输出满量程正电压输出UA(或或UB)0，满量，满量程负电平输出。程负电平输出。P1、P2、P3、P4四路四路PWM信号经延时处理信号经延时处理驱动放大驱动放大后后功放。功放。三角波发生器及三角波发生器及PWM调制原理图调制原理图倍频式脉宽调制器倍频式脉宽调制器（所谓倍频式：电机电枢（所谓倍频式：电机电枢电压的频率是晶体管开电

27、压的频率是晶体管开关频率的两倍）。关频率的两倍）。结论：结论：控制电平控制电平Uc的大的大小与电动机电枢两端的小与电动机电枢两端的脉冲电压宽度成正比，脉冲电压宽度成正比，稳态时，稳态时，Uc与与n成正比。成正比。2）晶体管）晶体管PWM放大器放大器即把脉宽调制后的方即把脉宽调制后的方波信号驱动后，变换波信号驱动后，变换为宽度可调的方波脉为宽度可调的方波脉冲，加在电枢两端。冲，加在电枢两端。图中：图中：T1 T4；大功率晶体管大功率晶体管 D1 D4：续流二极管续流二极管电机正转分析电机正转分析a)、t1 t 0c)、t3 时刻时刻T1(-)、T2(+)、T4(+)由于电枢电由于电枢电感作用，感

28、作用，T2“假导通假导通”：UAB=0d)、t4时刻时刻T2(-)、T1(+)、T4(+)、UAB 0从上分析晶体管从导通从上分析晶体管从导通截截 止止变化一次，电枢两端通电状态变化一次，电枢两端通电状态变化了两次，即电枢电压频率变化了两次，即电枢电压频率是晶体管开关频率的两倍频。是晶体管开关频率的两倍频。反转状态与正转分析类似。反转状态与正转分析类似。a.开关频率高，频率可达开关频率高，频率可达2000HZ，比机械部件，比机械部件固有频率高，可以避开机械共振点；固有频率高，可以避开机械共振点；b.电流的有效值与平均值之比（纹波系数）为电流的有效值与平均值之比（纹波系数）为，故电机发热量很小。

29、由于电流接近于直流，故电机发热量很小。由于电流接近于直流，电磁转矩恒定，电机运行平稳；电磁转矩恒定，电机运行平稳；c.频带较宽，即系统能够响应的频率范围宽，频带较宽，即系统能够响应的频率范围宽，动特性好，有良好的线性。动特性好，有良好的线性。3）PWM调速特点调速特点PWM双闭环调速系统电路图双闭环调速系统电路图数字数字PWM控制系统控制系统习题81 1、三相步进电机为什么常采用三相六拍驱动方三相步进电机为什么常采用三相六拍驱动方式，而很少采用三相三拍驱动方式？式，而很少采用三相三拍驱动方式？2 2、为什么步进电机的输出转矩随其运行频率的为什么步进电机的输出转矩随其运行频率的增高而逐渐减小？增高而逐渐减小？3 3、已知脉冲当量，步进电机步距角为已知脉冲当量，步进电机步距角为0.750.75，滚珠丝杠基本导程为滚珠丝杠基本导程为4mm4mm，求减速器的传动比。，求减速器的传动比。下一页下一页上一页上一页返回返回