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数控机床的伺服驱动系统设计75资料内容仅供参考，如有不当或者侵权，请联系本人改正或者删除。第一章 绪论1-1选题背景与意义数控技术也叫计算机数控技术( CNC, Compute Numerical Control) , 当前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。数控技术是机械加工自动化的基础, 是数控机床的核心技术, 其水平高低关系到国家战略地位和体现国家综合国力的水平, 数控技术的广泛应用给传统的制造业的生产方式, 产品结构带来了深刻的变化。也给传统的机械, 机电专业的人才带来新的机遇和挑战。中国经济全面与国际接轨, 并逐步成为全球制造中心, 中国企业广泛应用现代化数控技术参与国际竞争。数控技术是制造实现自动化, 集成化的基础, 是提高产品质量, 提高劳动生产率不可少的物资手段。数控机床的伺服驱动系统作为一种实现切削刀具与工件间运动的进给驱动和执行机构, 是数控机床的一个重要组成部分, 它在很大程度上决定了数控机床的性能, 如数控机床的最高移动速度、 跟踪精度、 定位精度等一系列重要指标取决于伺服驱动系统性能的优劣。因此, 随着数控机床的发展, 研究和开发高性能的伺服驱动系统, 一直是现代数控机床研究的关键技术之一。在数控机床中, 伺服系统是数控机床里的一个非常重的部分, 对于它的控制的好坏一定程度上反应一个机床的控制柔性的程度。步进电机驱动系统控制数控车床进给运动, 为车床主轴提供驱动功率以及所需的切削力。当前在数控车床开环系统中, 进给驱动常使用伺服步进电机, 由于直流伺服电动机存在着一些的固有的缺点( 比如, 有电刷, 限制了转速的提高, 而且结构复杂, 价格较贵。 ) , 使其应用环境受到限制。交流伺服电动机没有这些缺点, 且转子惯量比直流电动机小, 使得动态响应好。另外在同样体积下, 交流电动机的输出功率可比直流电动机提高1070; 其容量也能够比直流电动机造得大, 达到更高的电压和转速。因此, 交流伺服系统得到了迅速发展, 已经形成潮流。从20世纪80年代后期开始, 大量使用交流伺服系统, 当前, 已基本取代了直流电动机, 直流电动机已逐渐被淘汰, 在数控机床的主轴驱动中, 均采用笼型异步电动机。为了获得良好的主轴特性, 主轴驱动系统中采用矢量变频控制的交流主轴电动机, 矢量控制分无速度传感器和有速度传感器两种方式, 后者具有更高的速度控制精度, 在数控车床中无速度传感器的矢量变频器已符合控制要求, 而在进给驱动系统中一般都采用永磁同步电机, 1964年德国人率先提出脉宽调制变频思想, 把通讯系统中的调制技术应用于交流变频器。调制方法很多, 当前用得最多的是正弦脉宽调制1。1-2 数控机床对伺服系统的要求伺服系统是数控机床中及其重要的一部分, 伺服系统的性能直接影响到机床的加工精度, 面对国内外伺服系统的发展趋势对伺服驱动系统有下几点基本要求。1) 精度高。 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。包括定位精度和轮廓加工精度。为了保证数控机床的加工精度, 除了要求数控系统精度和机床机械精度有足够高以外, 还要求具有足够高的伺服系统定位精度和进给跟踪精度, 而且还起着主要作用。一般要求定位精度为0.01-0.001m; 而高档设备的定位精度还应在0-1m以内。2) 稳定性好。 稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下, 能在短暂的调节过程后, 达到新的或者恢复到原来的平衡状态。直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。要求伺服系统有较高的可靠性、 稳定性, 而且受电源、 环境、 负载等的影响要小。还要具有足够的传动刚性和速度稳定性。也就是说伺服系统在负载或切削条件发生变化时, 应使进给速度保持恒定。刚性良好的系统, 负载力矩的变化对进给速度的影响很小。3) 快速响应。 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标, 它反映了系统的跟踪精度。为了保证轮廓切削形状精度和加工表面粗糙度, 要求伺服系统除了要有较高的定位精度外, 还要有良好的快速响应特性, 也就是要求伺服电动机起、 停的升降速过程要短, 要有较高的加速度。电动机转速从0升至1500r/min的时间控制在0-2s以内。 4) 调速范围宽。 调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。024m / min2 。 为适应不同的加工条件, 例如加工零件的材料、 尺寸、 部位以及刀具的种类和冷却方式等不同, 数控机床的进给速度需要在很宽的范围内无级变化。这就要求伺服电机要有很宽的调速范围和优异的调速特性。一般数控机床进给伺服系统的调速范围都在030m/min, 高的可达240 m/min。 5) 低速大转矩。 由于机床在低速切削时, 切深和进给都比较大, 也就是说吃刀抗力较大, 这就要求主轴电动机输出的转矩也应该较大。现代数控机床的伺服电动机一般都是与丝杠直接相连, 中间没有减速齿轮, 这就要求进给电动机能输出较大的转矩。进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制, 在整个速度范围内都要保持这个转矩; 主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制, 能提供较大转矩。在高速时为恒功率控制, 具有足够大的输出功率。除上面的一般要求之外, 还具有下面的控制功能: 1)准停控制 为了自动换刀, 要求主轴能进行高精度的准确位置停止。 2)角度分析控制 分度有两种: 一是固定的等分角位置控制。二是连续的任意角度控制。( 作特殊加工时, 主轴坐标有了进给坐标的功能, 称为”C”轴控制。) 为了满足对伺服系统的要求, 对伺服系统的执行元件伺服电机也相应提出高精度、 快反映、 宽调速和大转矩的要求, 一般具备小惯量大转矩的具体特征 。最低进给速度到最高进给速度范围都能稳定运行平滑过度。进给电机应具有大的较长时间的过载能力, 一般能过载4-5倍左右, 持续时间达10分钟以上, 转动惯量要小, 满足快速响应的要求, 一般进给伺服电机做成细长, 高档进给具备400rad/s2以上的加速度, 保证电机在0.2s以内从静止起动到1500rad/min。电机应能承受频繁的起动制动和反转, 20次/min以上。1-3 数控机床伺服驱动系统设计的总体方案数控机床( CNC machinery) 集计算机技术、 电子技术、 自动控制、 传感测量、 机械制造、 网络通信技术于一体, 是典型的机电一体化产品, 具有模块化特点。因此数控机床在控制设计上具有很大的灵活与实际应用性。本文设计的根据现代化发展的趋势, 经过各类伺服驱动系统的介绍, 进而用步进电机的伺服驱动系统与交流伺服驱动系统进行多反面比较, 无论从起结构方式, 应用范围, 得出交流伺服驱动系统的优越性, 进而对交流伺服系统的典型系统( 永磁同步伺服系统) 进行基于DSP的永磁同步伺服系统设计。第二章 伺服驱动系统的基本组成和工作原理2-1伺服驱动系统的基本结构伺服系统是数控机床的重要组成部分。伺服系统位于数控机床数控系统与机床主体之间, 伺服系统是数控装置(计算机)和机床的联系环节。数控装置发出的控制信息, 经过伺服驱动系统转换成坐标轴的运动, 完成程序所规定的操作。伺服系统又称为位置随动系统、 驱动系统或伺服单元。伺服系统的主要功能就是从数控系统接收微小的电控信号( 5V左右, mA级) , 放大成强电的驱动信号( 几十、 上百伏、 安培级) , 用以驱动伺服系统的执行元件伺服电动机, 将电控信号的变化, 转换成电动机输出轴的角位移或角速度的变化, 从而带动机床主体部件( 如工作台、 主轴或刀具进给等) 运动, 实现对机床主体运动的速度控制和位置控制,达到加工出工件的外形和尺寸的最终目标3。其基本组成如图2-1所示。图2-1伺服系统的基本组成2-2 数控机床的伺服系统的组成数控机床伺服驱动系统由驱动信号控制转换电路, 电子电力驱动放大模块, 速度调节单元, 电流调节单元, 检测装置。一般闭环系统为三环结构: 位置环、 速度环、 电流环。位置、 速度和电流环均由: 调节控制模块、 检测和反馈部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器组成。严格来说: 位置控制包括位置、 速度和电流控制; 速度控制包括速度和电流控制。速度控制单元: 用来控制电机转速, 是速度控制系统的核心。速度检测装置: 测速发电机、 脉冲编码器等。速度环控制在进给驱动装置内完成, 位置环由数控装置来完成。特点: 外部看: 以位置指令输入和位置控制为输出的位置闭环控制系统。从内部的实际工作来看, 它是先把位置控制指令转换成相应的速度信号后, 经过调速系统驱动伺服电机, 实现实际位移的。2-3数控伺服系统的分类数控机床伺服系统种类繁多, 按照不同参照可分如下几类1) 按控制原理和有无位置反馈装置分: 开环和闭环伺服系统; 2) 按用途和功能分: 进给驱动和主轴驱动系统; 3) 按驱动执行元件的动作原理分: 电液伺服驱动系统和电气伺服驱动系统。开环数控系统没有位置测量装置, 信号流是单向的( 数控装置进给系统) , 故系统稳定性好。无位置反馈, 精度相对闭环系统来讲不高, 其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。这类系统具有结构简单、 工作稳定、 调试方便、 维修简单、 价格低廉等优点, 在精度和速度要求不高、 驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床, 如图2-2所示。 图 2-2 开环伺服系统 半闭环数控系统。半闭环数控系统的位置采样点如图2-3所示, 是从驱动装置(常见伺服电机)或丝杠引出, 采样旋转角度进行检测, 不是直接检测运动部件的实际位置。半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节, 因此可获得稳定的控制性能, 其系统的稳定性虽不如开环系统, 但比闭环要好。由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此, 其精度较闭环差, 较开环好。但可对这类误差进行补偿, 因而仍可获得满意的精度。半闭环数控系统结构简单、 调试方便、 精度也较高, 因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。 图2-3 半闭环伺服系统 全闭环数控系统。全闭环数控系统的位置采样点如图2-4的虚线所示, 直接对运动部件的实际位置进行检测。从理论上讲, 能够消除整个驱动和传动环节的误差、 间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。 由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、 刚性和间隙都是非线性的, 故很容易造成系统的不稳定, 使闭环系统的设计、 安装和调试都相当困难。该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、 超精车床、 超精磨床以及较大型的数控机床等4。 图 2-4 全闭环伺服系第三章 伺服驱动系统方案的选择伺服电动机为数控伺服系统的重要组成部分, 是速度和轨迹控制的执行元件。数控机床中常见的驱动元件伺服电机: 1) 直流伺服电机( 调速性能良好) 2) 交流伺服电机( 主要使用的电机) 3) 步进电机( 适于轻载、 负荷变动不大) 4） 直线电机( 高速、 高精度) 电机控制系统按照驱动电机的类型主要分为直流传动系统和交流传动系统以及步进电机伺服驱动系统。在70年代直流伺服电机己经实用化了, 在各类机电一体化产品中, 大量使用着各种结构的直流伺服电动机。传统直流电动机采用的是机械式换向且存在电刷, 使其在应用过程中面临着以下一些难以克服的缺点: 1) 维护工作量大、 维护成本高; 2) 使用寿命短、 可靠性低; 3) 结构复杂、 体积大、 转动惯量大、 响应速度慢; 4) 易对其它设备产生干扰、 现场环境适应能力差; 从而极大地限制了其在高精度、 高性能要求的伺服驱动场合的应用。而交流传动系统的执行机构一般采用感应电机和同步电机。感应电动机, 特别是鼠笼型异步电动机一直是传统驱动系统的执行元件, 其结构简单、 价格便宜、 效率较高, 但存在着散热和参数容易波动等问题。感应式异步伺服电动机制造容易、 价格低, 不需要特殊维护。但控制上采用矢量变换控制, 因而系统比较复杂。转子电阻随温度变化而影响磁场定向的准确性。同时, 低速运行时发热比较严重, 而低速运行又往往是机床进给机构经常所处的运行状态。 这种类型的交流伺服系统容易进行弱磁控制, 实现高速运行, 这是一个显著的特点。在交流伺服系统的发展初期, 感应式异步电动机交流伺服系统曾一度得到发展和应用, 但由于存在上述一些问题, 这种系统在机床的进给机构驱动中并未得到普遍的应用。 与感应电机相比, 由于永磁同步电机具有结构简单、 体积小、 效率高、 功率因数高、 转矩电流比高、 转动惯量低、 易于散热及维护保养等优点特别是随着永磁材料价格的下降、 材料磁性能的提高, 以及新型永磁材料的出现, 在中小功率、 高精度、 高可靠性、 宽调速范围的伺服系统中以永磁同步电机作为执行机构是越来越多, 其应用领域逐步推广, 特别在航空、 航大、 数控机床、 加工中心、 机器人等场合已获得广泛的应用。而步进电机的伺服系统随着新材料、 新技术的发展及电子技术和计算机的应用, 步进电动机及驱动器的研制和发展进入了新阶段。步进电机除了结构简单、 使用维护方便、 工作可靠, 在精度高等特点。还有下列优点:步距值不受各种干扰因素的影响。转子运动的速度主要取决于脉冲信号的频率。转子运动的总位移量则取决于总的脉冲信号数。误差不积累。步进电动机每走一步所转过的角度与理论步距值之间总有一定的误差, 走任意步数以后, 也总有一定的误差。但每转一圈的累积误差为零, 因此步距的误差不积累。控制性能好。起动、 转向及其它任何运行方式的改变, 都在少数脉冲内完成。在一定的频率范围内运行时, 任何运行方式都不会丢一步的。 由于步进电动机有上述特点和优点而广泛应用在机械、 治金、 电力、 纺织、 电信、 电子、 仪表、 化工、 轻工、 办公自动化设备、 医疗、 印刷以及航空航天、 船舶、 兵器、 核工业等国防工业等领域。 综上所述, 步进电机的伺服驱动系统和交流伺服驱动系统都在各个领域有着很强大的占有空间, 面对市场的需求以及伺服系统的发展, 步进电机和交流伺服电机有着个字的特点, 但哪种伺服系统能够更优越的应用在数控机床中。下面经过两种驱动系统的比较来进行伺服驱动系统的选择。3-1步进电机工作原理步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的电磁机械装置。由于所用的电源是脉冲电源, 因此又称为脉冲马达。步进电机用于与控制脉冲组成的开环系统中。步进电机是一种特殊的电动机, 一般电动机通电后连续旋转, 但步进电动机却是跟随输入脉冲按节拍一步一步地转动。步进电动机的转动, 是由电动机绕组的脉冲电流控制的, 也就是说由指令脉冲决定的。指令脉冲数决定它的转动步数, 即角位移的大小, 对步进电动机施加一个电脉冲信号时, 步进电动机就旋转一个固定的角度, 称为一步, 每一步所转过的角度称为步距角; 指令脉冲频率决定它的转动速度。只要改变指令脉冲频率, 就能够使步进电动机的旋转速度在很宽的范围内连续调节。改变绕组的通电顺序, 就能够改变它的旋转方向。在无脉冲输入时, 在绕组电源激励下, 气隙磁场能使转子保持原有位置而处于定位状态。当前, 中国使用的步进电机多为反应式步进电机。一般步进电机的转子为永磁体, 当电流流过定子绕组时, 定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度, 使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲, 电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、 转速与脉冲频率成正比。反应式步进电机在定子的每个磁极上面向转子的部分, 均匀分布着 5个小齿, 齿槽等宽, 齿间夹角为9度。 转子上没有绕组, 只有均匀分布的40个齿, 其大小和间距与定子上的完全相同, 并与之相差1/3齿距。如图3-1所示。 步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号, 它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为”步距角”), 它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。能够经过控制脉冲个数来控制角位移量, 从而达到准确定位的目的, 同时能够经过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度, 从而达到调速的目的。步进电机能够作为一种控制用的特种电机, 利用其没有积累误差(精度为100%)的特点, 广泛应用于各种开环控制。 现在比较常见的步进电机包括反应式步进电机( VR) 、 永磁式步进电机( PM) 、 混合式步进电机( HB) 和单相式步进电机等。现以三相反应式步进电动机图示3-2为例说明。当A相通电时, 电动机铁芯AA方向产一磁通, 在磁拉力作用下, 转子1、 3齿与A相磁极对齐。2、 4两齿与B、 C两磁极相对错开30°。当B相通电时, 电动机铁芯BB方向产生磁通, 在磁拉力作用下, 转子沿逆时针方向旋转30°, 转子2、 4齿与B相磁极对齐1、 3两齿与A、 C两磁极相对错开30°。当C相通电时, 电动机铁芯CC方向产生磁通, 在磁拉力作用下, 转子没逆时针方向旋转, 转子1、 3齿与C相磁极对齐。2、 4两齿与A、 B两磁极相对错开30°。 图3-2 步进电机的通电示意图若按A-B-C-A通电相序连续通电, 则步进电机就连续地沿逆时针方向旋转, 每换接一次通电相序, 步进电机沿逆时针方向转过30°, 即步距角为30°。反之则为顺时针方向旋转。若通电脉冲的次序为A、 B、 C、 A, 则不难推出, 转子将以顺时针方向一步步地旋转。这样, 用不同的脉冲通入次序方式就能够实观对步进电动机的控制。脉冲的数量控制电机的转角; 脉冲的频率控制机的转速; 脉冲的通入次序控制电机的方向。定子绕组每改变一次通电方式, 称为一拍。上述的通电方式称为三相单三拍。所谓”单”是指每次只有一相绕组通电; 所谓”三拍”是指经过三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。若通电脉冲次序为AB、 BC、 CA、 AB, 每次两相同时通电, 此为三相双三拍, 若按A、 AB、 B、 BC、 C、 AB此方式为三相六拍 5。 步进电机的主要特性。步进机经过一个电脉冲转子转过的角度,称为步距角, 符号, 步进电机输出的角位移量与输入的指令脉冲数成正比, 在时间上与输入的脉冲同步; 而步进电机的转速与指令脉冲频率成正比。在步进电机负载能力允许的情况下, 这种线性关系不会因为负载的变化等因素而变化, 因此能够在较宽的范围内, 经过对指令脉冲频率和数量的控制, 实现对机床运动速度和位置的控制。步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次, 转子转过的角度。它取决于电机结构和控制方式。步距角可由下式计算: 式中: Z是转子的齿数; N一个周期的运行拍数。若步进电动机通电的脉冲频率为f, 则步进电动机的转速ns公式为: 式中: Z是转子的齿数; N一个周期的运行拍数。 步进电动机具有自身的特点, 归纳起来有: 1) 能够用数字信号直接进行开环控制, 整个系统造价低; 2) 位移与输入脉冲信号树相对应, 步距误差不长期积累, 能够组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统, 也能够在要求高精度时组成闭环控制系统; 3) 无刷, 电动机本体部件少, 可靠性高; 4) 易于起动, 停止, 正反转及变转; 5) 停止时, 能够通电自锁; 6) 速度可在相当宽的范围内平滑调节, 同时用一台控制器控制几步电动机, 可使它们完全同步运行; 7) 步进电动机带惯性负载能力差; 8) 由于存在失步和低频共振, 因此步进电动机的加减方法根据利应用状态的不同而复杂化6。3-2 步进电动机驱动控制器的构成1工作台位移量的控制进给脉冲数N定子绕组通电状态变化次数N步进电机转子的转角工作台位移量L。2工作台进给速度的控制进给脉冲的频率f定子绕组通电状态的变化频率f步进电机转子的转速工作台进给速度v。3工作台运动方向的控制 步进电机定子绕组的通电顺序步进电机正转或反转工作台的进给方向步进电机的驱动控制线路。伺服驱动系统对驱动电源的基本要求: 驱动电源的相数、 通电方式和电压、 电流都满足步进电动机的需要; 要满足步进电动机的起动频率和运行频率的要求; 能最大限度地抑制步进电动机的振荡; 工作可靠, 抗干扰能力强; 成本低、 效率高、 安装和维护方便。其驱动控制如图3-3所示。 图3-3 步进电机驱动控制方框图CNC装置发出脉冲指令, 经过脉冲电路至加减脉冲分配电路, 再到环形分配器, 经功率放大器驱动伺服电机运转。脉冲混合电路的作用。无论是来自于数控系统的插补信号, 还是各种类型的误差补偿信号, 手动进给信号、 手动回原点信号, 它的目的无非是使工作台做正向进给运动或者是负向进给运动, 经过混合脉冲电路能够将上述各类型号混合为使工作台正向进给的”正向进给”信号或者是使工作台做负向运动的”负向进给”信号。加减脉冲分配电路。当数控机床正在沿着正向进给的脉冲信号做正向进给运动时, 由于各种补偿信号的存在, 可能会出现极个别的负向脉冲信号, 同样, 当数控机床正在沿着负向向进给的脉冲信号做负向向进给运动时, 由于各种补偿信号的存在, 可能会出现极个别的正向脉冲信号。在实际的机床进给控制中, 这些与某个进给方向相反的个别脉冲的出现, 意味着步进电机正在沿着一个方向旋转时, 在反向的方向旋转极个别几个步距角。根据步进电机的工作原理, 要做到这一点( 即电机正在沿着某个方向旋转时, 在向相反的方向旋转极个别步距角) , 必须首先是步进电机从该旋转方向静止下来, 然后才能向相反的方向旋转, 待旋转极个别几个步距角后, 再恢复至原来的方向继续旋转进给。这从机械加工工艺方面来看是不允许的, 即使允许, 控制线路也相当复杂。一般采用的方法是, 经过加减脉冲分配电路从该进给方向的进给脉冲指令抵消相同数量的相反方向补充脉冲。加减速电路也称自动升降速电路。根据步进电机加减速特性, 进入步进电机定子绕组的电平信号的频率变化要平滑。而且应有一定的时间常数。但由加减脉冲分配电路来的进给脉冲频率的变化是有跃变的。为了保证步进电机能够正常、 可靠地工作, 上述跃变频率必须首先进行缓冲, 使之变成符合进电机加减速特性的脉冲频率, 然后再送入步进电机的定子绕组。加减速电路就是为此而设置的。经过该电路后, 输出脉冲的个数与输入的进给脉冲的个数相等, 以保证电机不会丢步。环形分配器。作用: 把来自于加减速电路的一系列进给脉冲指令, 转换成控制步进电机定子绕组通,断电的电平信号, 电平信号状态的改变此术及顺序与进给脉冲的个数及方向对应, 环形分配器能够由硬件逻辑线路构成, 也能够用软件来实现。功率放大器。从环形分配器来的进给控制信号的电流只有几毫安, 而步进电机的定子绕组需要几安倍电流。因此, 需要对从环形分配器来的信号进行功率放大, 已提供幅值足够, 前后沿较好的励磁电流。3-3 环形分配器 步进电机的转动是靠不停地改变各相绕组的通电顺序实现的, 若想让某相绕组通电, 就要给某相绕组提供一组序列脉冲, 因此步进电机有几相, 就要为其提供几个脉冲序列。步进电机需要的脉冲序列来自插补器, 但对于某个单轴坐标, 插补器只能按照一定线型, 提供一个单序列脉冲。因此, 在插补器到步进电机之间必须有个能将插补器的单序列脉冲转换为步进电机需要的多序列脉冲的装置, 这就是环行分配器。环形分配器的功能是把来自CNC的脉冲信号按一定的规律分配给各相功率放大器, 来驱动相应的励磁绕组, 进而实现步进电动机按规定的方式进行工作。硬件环形分配驱动与数控装置的连接硬件环型分配器可由D触发器或JK触发器构成, 亦可用专用集成芯片或通用可编程逻辑器件。硬件环行分配器的基本构成是触发器。因为步进电机有几相就需要几个序列脉冲, 因此步进电机有几相, 就要设置几个触发器。每个触发器发出的脉冲就是一个序列脉冲, 用来控制步进电机某相定子绕组的通、 断电。触发器工作的同步信号就是来自插补器的某个坐标轴的位移驱动信号x或y。CH250是国产三相反应式步进电机环形分配器专用集成电路芯片, 经过控制端的不同接法可组成三相双三拍和三相六拍的工作方式。图3-4( a) 为CH250引脚图。图3-4( b) 为三相六拍接线图。其工作状态表如表3-1。 ( a) ( b) 图 3-4 CH250管脚图及三相六拍接线图J3r、 J3L两端子是三相双三拍的控制端, J6r、 J6L是三相六拍的控制端三相双三拍工作时, 若J3r”1”, 而J3L”0”, 则电机正转; 若J”0”, J3L”1”, 则电机反转; 三相六拍供电时, 若J6r”1”, J6L”0”, 则电机正转; 若J6r”0”, J6L”1”, 电机反转。R*是双三拍的复位端, R是六拍的复位端, 使用时, 首先将其对应复位端接入高电平, 使其进入工作状态, 然后换接到工作位置。CL端是时钟脉冲输入端, EN是时钟脉冲允许端, 用以控制时钟脉冲的允许与否。当脉冲CP由CL端 输入, 只有EN端为高电平时, 时钟脉冲的上升沿才起作用。CH250也允许以EN端作脉冲CP的输入端, 此时, 只有CL为低电平时, 时钟脉冲的下降才起作用。A、 B、 C 为环形分配器的三个输出端, 经过脉冲放大器( 功率放大器) 后分别接到步进电动机的三相线上。CH250环形脉冲分配器的功能关系如表3-1所列7。 表3-1 CH250工作状态表 R R*CLENJ3rJ3LJ6rJ6L 功能0011000双三拍正转10100反转10010六拍( 12相) 正转10001反转01000双三拍正转00100反转00010六拍( 12相) 正转00001反转1××××不变×0××××0××××1×××××10××××××A=1、 B=1、 C=001××××××A=1、 B=0、 C=03-4 步进电机伺服系统的功率驱动 功率放大器又叫功率驱动器, 由于脉冲分配器输出端A、 B、 C的输出电流很小, 如CH250脉冲分配器的输出电流大约为200-400A, 而步进电动机的驱动电流较大, 如75BF001型步进电动机每相静态电流为3A, 为了满足驱动要求, 脉冲分配器输出的脉冲需经脉冲放大器( 即功率放大器) 后才能驱动步进电机, 功率放大电路对步进电机的性能影响很大, 驱动电路的核心问题是如何提高步进电机的快速性和稳定性。在实际的控制过程当中, 环形分配器的输出信号很小, 而步进电动机的绕组电流又很大。因此需要进行功率放大。过去采用单电压驱动电路, 后来采用高低压驱动电路, 现在则比较多的采用了恒流斩波、 调频调压和细分驱动电路等形式的驱动电路。步进电机驱动方案的比较。 1) 单电压功率放大电路 图 3-5 单电压功率放大电路 图3-5为单电压功率放大器, 图中A、 B、 C分别为步进电机的 , 每项3一组放大器驱动。放大器输入端与环形分配器相连, 在没有信号输入时, 3D4K和3DD15功率放大器均截止, 绕组无电流经过, 当A相通电时, 步进电机转动一步。当脉冲3加到A, B、 C三个输入端时, 三组放大器分别驱动不同绕组, 使电机运转。电路中与绕组并联的二极管VD分别起续流作用, 即下功放管截止时, 使储存在绕组中的能量经过二极管行程续流回路泄放, 从而保护功放管。其特点: 电路结构简单, 但串联R2消耗能量降低放大功率; 电感较大使电路对脉冲反应较慢,输出波形差。主要用于转速要求不高的小型步进电机控制。 2) 高低电压功率放大电路 这种驱动电路供给步进电动机绕组的电压有两种: 一种是低电压U2, 一般为12V或24V; 另一种是高电压U1, 电压为80V以上。如图3-6( a) 。在相序输入信号时, VT1、 VT2、 VT4同时导通, 在VT2从截止到饱和期间, 其集成电极电流, 也就是脉冲变压TI的一次电流急剧增加, 在变压器二次侧感生成一个电压, 使VT3导通, 80V的高压经高压管VT3加到绕组W上, 使电流迅速上升, 当VT2进入稳定状态后, T1一次侧电流暂时恒定, 无磁通量变化时, 二次侧感电压为零, VT3截止。这时, 12V低电压经VD1加到电动机绕组W上并维持绕组中的电流。其特点: 仅在脉冲开始时接通高压电源, 其余时间仅接通低压电源供电。具有功效高、 电流上升率高、 高速运转性能好, 但波形陡有时存在过冲现象, 谐波丰富, 在低速运转时易产生振动。图3-15( b) 为采用单稳触发器组成的高低压控制电路原理。当输入端为低电平时。低压部分的VMOS管VF2栅极为低电平, VF2截止。同时单稳态电路VF1不触发, Q端6脚输出高电平, 开关管VT1饱和导通, 高压管VF2栅极为低电平, VF1截止, 绕组无电流。当输入端输入脉冲, VF2的栅极为高电平, 则低压管VF2导通。同时脉冲的上升沿使4528单稳态电路触发, Q端6脚输出低电平, 这时开关管VT1截止, 高压管VF1导通。 ( a) ( b) 图 3-6 高低压功率放大电路3） 斩波驱动电路 由于双电压驱动电路存在着电流在高低压连接处出现谷点, 造成高频输出转矩在谷点下降。斩波恒流放大电路是利用斩波方法使电流恒定在额定值附近, 其电路原理图和电流波形图如图2.6所示。环形分配器输出的脉冲作为输入信号, 若脉冲为正, 则VT1和VT2导通, 电压U1加在电机绕组上使电流增加, 当电流增大至额定电流以上时, 采样电阻上的电压增高, 使控制门输出反响信号, 让VT1截止, 绕组上的电流由U2提供, 电流逐渐降低, 取样电阻上的电压降低, 反馈回的信号使控制门输出信号再一次反向, 信号经放大后促使VT1再次导通, 如此循环往复, 便在绕组上产生如图3-7所示波形, 电流在额定电流值上下波动, 呈锯齿形, 近似恒流因此叫做恒流斩波驱动电路。为了使励磁绕组中的电流维持在额定值附近, 提高步进电动机的转矩和效率, 因此采用斩波驱动电路。这种电路结构复杂, 但它使步进电动机的运行矩频特性、 启动矩频特性和惯频特性都有明显的提高, 使绕组中的脉冲电流边沿陡, 快速响应好, 且无外接电阻, 因此功耗下降很多, 提高了效率, 还保证了在很大的频率范围内, 步进电机都能输出恒定的转矩。因此斩波恒流放大电路广泛应用在要求较高的控制系统中图3-7 斩波驱动电路4) 调频调压驱动电路 调频调压驱动电路如图3-8所示, 它可分为三部分: 开关调压、 调频调压控制和功率放大, 电压一般与频率呈线性关系, 在理想条件下, 保持步进电动机的力矩不变, 电源电压将随着工作频率的升高而升高, 随着工作频率的下降而下降。调频调压驱动能够减小低频振动, 低速时绕组电流上升的前沿应较平缓, 这样才能使转子在到达新的稳定平衡位置时不产生过冲。而在高速时电流则应有较陡的前沿, 以产生足够的绕组电流, 这样才能提高步进电机的负载能力。这就要求驱动电源对绕组提供的电压与电动机运行频率建立直接联系, 即低频时用较低的电压供电, 高频使用较高的电压供电, 调频调压驱动方式能够较好地满足这一要求。 5) 步进电机的细分驱动技术 采用细分驱动电路的目的: 整步运转或半步运转基础上, 不改变步进电机结构, 提高步进电机的运转、 控制精度 。细分驱动电路的基本工作原理 : 对每一控制脉冲, 细分使其电流逐步增加达到脉冲的最大电流, 又逐步减少达到脉冲的最小电流, 从而可实现高精度运转、 控制、 分辨, 以及提高步进精度。把额定电流分成n个极分别进行通电, 转子就会以n个通电极别所决定的步数来完成原有一个步距角所转过的角度, 使原来的每个脉冲走过一个步距角, 变成了每个脉冲走1/n个步距角, 即把原来一个步距角细分成n份, 从而提高了步进电机的精度。三相步进电动机线性细分后, 原来一相的一个大脉冲由现在的n个阶梯脉冲替。 经过细分驱动可得到更小的脉冲当量, 因而提高了定位精度。基本上消除了步进电机的低速振动问题, 使步进电机低速运转平稳, 没有噪声。图3-9为多路功率开关细分电路工作原理: 由基极开关电压U1U5控制多路功率开关管VTd1 VTd5的通断, 从而控制功放管VT的导通电流大小, 即步进电机线圈绕组电流的大小, 实现对步进电机步进量的细分。特点: 功率开关管工作在开关状态, 功耗很低, 但器件多、 体积大。 3-5 步进电机驱动方案的选择经过上述介绍的几种驱动方式相比斩波恒流驱动具有高频响应性能好输出转矩均匀无共振现象等优点从而成为当今步进电机驱动的主要方式。步进电机的使用性能和它的驱动电源有着密切的关系步进电机的恒流斩波驱动技术从一定程度上解决了步进电机运行中的一些问题如电源效率低、 电流波形差等。斩波恒流驱动电路对步进电动机的控制在成本、 电路结构、 实用场所等方面综合条件尤为优秀。图3-10为步进电机的驱动控制图, 它由两部分组成第一部分是斩波恒流驱动电路原理图, 第二部分则是集成触发器型环形分配器的电路原理图。 图