数控机床技术数控伺服系统学习教案.pptx

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1、会计学1数控机床数控机床(shknjchun)技术数控伺技术数控伺服系统服系统第一页，共109页。26.1 6.1 概述概述(i sh)(i sh)6.1.1伺服系统的组成数控机床的伺服系统按其功能可分为：进给伺服系统和主轴伺服系统。主轴伺服系统用于控制机床主轴的转动。进给伺服系统是以机床移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，通常(tngchng)由伺服驱动装置、伺服电机、机械传动机构及执行部件组成。第1页/共109页第二页，共109页。36.1.16.1.16.1.16.1.1 伺服系统的组成伺服系统的组成伺服系统的组成伺服系统的组成(z chn)(z chn)(z ch

2、n)(z chn)pp进给伺服系统的作用(zuyng)：接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电机和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。pp如果把数控装置比作数控机床的“大脑”，是发布“命令”的指挥机构，那么伺服系统就是数控机床的“四肢”，是执行“命令”的机构，它是一个不折不扣的跟随者。第2页/共109页第三页，共109页。46.1.16.1.1伺服系统的组成伺服系统的组成(z chn)(z chn)pp进给伺服系统的一般(ybn)结构如图所示，这是一个双闭环结构，内环为速度环，外环为位置环。pp全闭环进给伺服系统的一般

3、(ybn)结构第3页/共109页第四页，共109页。56.1.16.1.16.1.16.1.1 伺服系统的组成伺服系统的组成伺服系统的组成伺服系统的组成(z chn)(z chn)(z chn)(z chn)pp速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成。是用来控制电机转速的。速度检测装置有测速发电机、脉冲编码器等。pp位置环是由CNC装置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈(fnku)控制等部分组成。pp伺服系统从外部来看，是一个以位置指令输入和位置控制为输出的位置闭环控制系统。但从内部的实际工作来看，它是一个双闭环系统。第4页/共109页第五页，共109页。66.1.26.1.26

4、.1.26.1.2 对伺服系统的基本对伺服系统的基本对伺服系统的基本对伺服系统的基本(jbn)(jbn)(jbn)(jbn)要求要求要求要求n n（1）位移精度高 n n伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确(jngqu)程度。伺服系统的位移精度是指指令脉冲要求机床工作台进给的位移量和该指令脉冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度。两者误差愈小，位移精度愈高。第5页/共109页第六页，共109页。76.1.26.1.26.1.26.1.2 对伺服系统的基本对伺服系统的基本对伺服系统的基本对伺服系统的基本(jbn)(jbn)(jbn)(jbn)要求要求要求要求n n （2）稳定性好

5、 n n稳定性是指系统在给定外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来平衡状态的能力。稳定性直接影响数控加工(ji gng)精度和表面粗糙度。n n 第6页/共109页第七页，共109页。86.1.26.1.26.1.26.1.2 对伺服系统的基本对伺服系统的基本对伺服系统的基本对伺服系统的基本(jbn)(jbn)(jbn)(jbn)要求要求要求要求n n（3）快速响应 n n它反映了伺服系统(xtng)跟踪精度。机床进给伺服系统(xtng)实际上就是一种高精度的位置随动系统(xtng)，为保证轮廓切削形状精度和低的表面粗糙度，要求伺服系统(xtng)跟踪指令信号的响应要快，

6、跟随误差小。n n 第7页/共109页第八页，共109页。96.1.26.1.26.1.26.1.2 对伺服系统的基本对伺服系统的基本对伺服系统的基本对伺服系统的基本(jbn)(jbn)(jbn)(jbn)要求要求要求要求n n（4）调速范围宽 n n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。在数控机床(sh kn j chun)中，由于所用刀具、加工材料及零件加工要求的不同，为保证在各种情况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。n n 第8页/共109页第九页，共109页。106.1.26.1.2 对伺服系统的基本对伺服系统的基本(jbn)(jbn)要

7、求要求n n（5）低速(d s)大扭矩 n n要求伺服系统有足够的输出扭矩或驱动功率。机床加工的特点是，在低速(d s)时进行重切削。因此，伺服系统在低速(d s)时要求有大的扭矩输出。n n 第9页/共109页第十页，共109页。116.1.26.1.2 对伺服系统的基本对伺服系统的基本(jbn)(jbn)要求要求n n （6）可逆运行n n要求能灵活地正反向运行。在加工过程中，机床工作台处于随机状态，根据加工轨迹的要求，随时都可能实现正向或反向 运 动。同 时 要 求 在 方 向(fngxing)变化时，不应有反向间隙和运动的损失。从能量角度看，应该实现能量的可逆转换，在制动时应把电动机的

8、机械惯性能量变为电能回馈给电网。第10页/共109页第十一页，共109页。126.1.36.1.36.1.36.1.3 伺服系统的分类伺服系统的分类伺服系统的分类伺服系统的分类(fn li)(fn li)(fn li)(fn li)n n（1）按调节(tioji)理论分类n n 全闭环伺服系统；n n 开环伺服系统；n n 半闭环伺服系统。n n（2）按使用的执行元件分类n n 电液伺服系统；n n 直流伺服系统；n n 交流伺服系统。n n 第11页/共109页第十二页，共109页。136.1.36.1.36.1.36.1.3 伺服系统的分类伺服系统的分类伺服系统的分类伺服系统的分类(fn

9、li)(fn li)(fn li)(fn li)n n（3）按被控对象分类n n 进给伺服系统；n n 主轴(zhzhu)伺服系统。n n（4）按反馈比较控制方式分类n n 脉冲、数字比较伺服系统；n n 相位比较伺服系统；n n 幅值比较伺服系统；n n 全数字伺服系统。第12页/共109页第十三页，共109页。146.1.36.1.36.1.36.1.3 伺服系统的分类伺服系统的分类伺服系统的分类伺服系统的分类(fn li)(fn li)(fn li)(fn li)pp开环伺服系统 采用步进电机(dinj)作为驱动元件，它没有位置反馈回路和速度反馈回路，步进电机(dinj)转过的角度与指令

10、脉冲个数成正比，其速度由进给脉冲的频率决定。pp开环伺服系统简图第13页/共109页第十四页，共109页。156.1.36.1.36.1.36.1.3 伺服系统的分类伺服系统的分类伺服系统的分类伺服系统的分类(fn li)(fn li)(fn li)(fn li)pp全闭环伺服系统 如图，其位置检测装置安装在机床的工作台上，将测量值反馈给CNC装置，与指令(zhlng)进行比较，构成闭环位置控制。第14页/共109页第十五页，共109页。166.1.36.1.36.1.36.1.3 伺服系统的分类伺服系统的分类伺服系统的分类伺服系统的分类(fn li)(fn li)(fn li)(fn li)

11、pp半闭环伺服系统 将位置检测元件安装在电动机轴上，通过(tnggu)滚珠丝杠等传动部件，将角度转换成工作台的位移，为间接测量。第15页/共109页第十六页，共109页。176.1.36.1.3 伺服系统的分类伺服系统的分类(fn li)(fn li)pp进给驱动与主轴驱动 pp 进给伺服系统 包括速度控制环和位置控制环，用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动(yndng)，并提供切削过程所需转矩。pp 主轴伺服系统 是一个速度控制系统，控制机床主轴的旋转运动(yndng)，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力，且保证任意转速的调节。第16页/共109页第十七页

12、，共109页。186.1.36.1.36.1.36.1.3 伺服系统的分类伺服系统的分类伺服系统的分类伺服系统的分类(fn li)(fn li)(fn li)(fn li)pp直流伺服系统 是控制直流电机 的 系 统。目 前 使 用(shyng)比较多的是永磁式直流伺服电机。永磁直流伺服电机，调速范围宽，输出转矩大，过载能力强，转动惯量较大，应用较方便。pp 但直流电机有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂，价格也高。第17页/共109页第十八页，共109页。196.1.36.1.36.1.36.1.3 伺服系统的分类伺服系统的分类伺服系统的分类伺服系统的分类(fn li)(fn li)(fn

13、 li)(fn li)pp交流(jioli)伺服系统 进入20世纪90年代后，由于交流(jioli)电机调速技术的突破，交流(jioli)伺服驱动系统进入电气传动调速控制的各个领域。pp 交流(jioli)伺服电机，转子惯量比直流电机小，动态响应好。而且容易维修，制造简单，适合于在较恶劣环境中使用，易于向大容量、高速度方向发展，其性能更加优异，已达到或超过直流伺服系统，交流(jioli)伺服电机已在数控机床中得到广泛应用。第18页/共109页第十九页，共109页。206.1.36.1.36.1.36.1.3 伺服系统的分类伺服系统的分类伺服系统的分类伺服系统的分类(fn li)(fn li)(

14、fn li)(fn li)pp直线电动机驱动系统 其实质是把旋转电动机沿径向剖开，然后拉直演变而成，利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动能的一种推力装置。与旋转电动机的最大区别是使机床进给传动链的长度(chngd)缩短为零，带来了旋转电动机驱动方式无法达到的性能指标和优点。pp 由于直线电动机在机床中的应用目前还处于初级阶段，还有待进一步研究和改进。pp 第19页/共109页第二十页，共109页。216.1.46.1.46.1.46.1.4 伺服系统的发展伺服系统的发展伺服系统的发展伺服系统的发展(fzhn)(fzhn)(fzhn)(fzhn)qq 伺服机构的产生早于数控机床。早在20

15、世纪40年代，伺服机构已在技术领域内取得较大的进展，当时(dngsh)主要用于武器系统的位置随动，一般只要求稳、准、快，对调速要求不高，所以只有位置反馈。qq 到50年代，伺服机构开始用于数控机床。当时(dngsh)主要采用步进电动机驱动，由于受大功率晶体管生产条件的制约，步进电动机输出功率小，切削量很小，效率较低，只用于复杂形面的加工。qq 第20页/共109页第二十一页，共109页。226.1.46.1.46.1.46.1.4 伺服系统的发展伺服系统的发展伺服系统的发展伺服系统的发展(fzhn)(fzhn)(fzhn)(fzhn)qq 1959年，日本FANUNC公司开发研制了电液脉冲马达

16、，使伺服驱动力矩大大提高，扩展了数控机床的应用。60年代几乎是电液伺服的全盛时期。qq由于液压机构的噪声、漏油、效率低、维护不便(bbin)等本质上的缺点，不少厂家都致力于电动伺服的研制。如德国SIMENS公司、美国GE公司等力图研制一种高灵敏度的直流伺服电动机。第21页/共109页第二十二页，共109页。236.1.46.1.46.1.46.1.4 伺服系统的发展伺服系统的发展伺服系统的发展伺服系统的发展(fzhn)(fzhn)(fzhn)(fzhn)qq 1969年美国CETTYS公司推出了大惯量直流伺服电动机。与机床传动机构达到惯量匹配，可直接与丝杠相连。同时，能瞬时输出数倍于额定扭矩的

17、加速扭矩，使得(sh de)动态响应大大加快。qq日本FANUC公司，于1974年，采用PWM晶体管脉宽调制系统作为其驱动控制电源，于1976年正式推出以大惯量电动机为基础的闭环直流伺服系统，并结束了它自己开创的电液开环伺服系统。第22页/共109页第二十三页，共109页。246.1.46.1.46.1.46.1.4 伺服系统的发展伺服系统的发展伺服系统的发展伺服系统的发展(fzhn)(fzhn)(fzhn)(fzhn)n n 由于直流电动机存在换向火花和电刷磨损等问题，美国通用电气(GE)公司于1983年研制成功采用笼型异步交流(jioli)伺服电动机的交流(jioli)伺服系统。采用矢量变

18、换控制变频调速，使交流(jioli)电动机具有和直流电动机样的控制性能，又具有机构简单、可靠性高、成本低，以及电动机容量不受限制和机械惯性小等优点。n n日本于1986年又推出了全数字交流(jioli)伺服系统。第23页/共109页第二十四页，共109页。256.2 6.2 伺服电动机伺服电动机pp伺服电动机是数控伺服系统的重要(zhngyo)组成部分，是速度和轨迹控制的执行元件。pp数控机床中常用的伺服电机：pp 直流伺服电机（调速性能良好）pp 交流伺服电机（主要使用的电机）pp 步进电机（适于轻载、负荷变动不大）pp 直线电机（高速、高精度）pp 第24页/共109页第二十五页，共109

19、页。26 6.2.1 6.2.1 直流伺服电机及工作直流伺服电机及工作(gngzu)(gngzu)特特性性 pp 数控机床常用的直流电动机有：pp 直流进给伺服系统：永磁式直流电机；pp 直流主轴伺服系统：励磁(l c)式直流电机；pp直流伺服驱动系统的一般结构pp 第25页/共109页第二十六页，共109页。27 6.2.1 6.2.1 直流伺服电机及工作直流伺服电机及工作(gngzu)(gngzu)特特性性 n n(1)直流伺服电机的结构(jigu)第26页/共109页第二十七页，共109页。28 6.2.1 6.2.1 直流伺服电机及工作直流伺服电机及工作(gngzu)(gngzu)特特

20、性性 n n(2)直流电机的工作原理(yunl)n n他激直流电动机原理(yunl)图第27页/共109页第二十八页，共109页。29 6.2.1 6.2.1 直流伺服电机及工作直流伺服电机及工作(gngzu)(gngzu)特性特性 n n(2)直流电机的工作原理n n 电磁转矩：M=kTIa,(kT转矩系数(xsh)；Ia电枢电流)n n 反电动势：Ea=ken,(ke电势系数(xsh)；n电枢转速)n n Ea=ke60/2，（：电枢转速，rad/s）n n 电枢电压等于反电动势与电枢压降之和，即n n Ua=Ea+IaRa=ken+IaRa,(Ra电枢电阻)n n 电压平衡方程式：n=(

21、Ua-IaRa)/ke n n 调整：Ua，ke可以调整直流电机速度。n n 调整Rt可以调整磁场进而可以调整ke。第28页/共109页第二十九页，共109页。30 6.2.1 6.2.1 直流伺服电机及工作直流伺服电机及工作(gngzu)(gngzu)特性特性 n n(3)直流电机的静态特性n n 电 磁(dinc)转 矩：TM=kTIa,：定子磁场磁通；n n 反电动势：Ea=ke,n n 电压平衡方程：Ua=IaRa+Ea,n n 转速方程或机械特性，即静态特性：第29页/共109页第三十页，共109页。31 6.2.1 6.2.1 直流伺服电机及工作直流伺服电机及工作(gngzu)(g

22、ngzu)特特性性 n n直流电动机(dngj)的机械特性第30页/共109页第三十一页，共109页。32 6.2.1 6.2.1 直流伺服电机及工作直流伺服电机及工作(gngzu)(gngzu)特特性性 n n(3)直流电机的静态特性n n 稳定运行时，电磁转矩与负载转矩相等；n n 负载转矩TL=0时，电磁转矩也为零：TM=0；n n 理想空载转速：n n n n 启 动(qdng)转 矩：Tq=kTUa/Ra；堵转转矩；n n 机械特性：第31页/共109页第三十二页，共109页。33 6.2.1 6.2.1 直流伺服电机及工作直流伺服电机及工作(gngzu)(gngzu)特特性性 n

23、n(4)直流电机的动态特性n n 力矩(l j)平衡方程n n 式中n n TM 电机电磁转矩；n n TL 折算到电机轴上的负载转矩；n n 电机转子角速度；n n J 电机转子上总转动惯量；n n t 时间自变量。第32页/共109页第三十三页，共109页。34 6.2.1 6.2.1 直流伺服电机及工作直流伺服电机及工作(gngzu)(gngzu)特性特性 n n(5)永磁直流伺服电动机n n永磁式大惯量(gunling)宽调速直流电动机的基本结构第33页/共109页第三十四页，共109页。35 6.2.1 6.2.1 直流伺服电机及工作直流伺服电机及工作(gngzu)(gngzu)特特

24、性性 n n(5)永磁直流伺服电动机(dngj)n n永磁式直流电动机(dngj)工作原理示意图第34页/共109页第三十五页，共109页。366.2.2 6.2.2 6.2.2 6.2.2 交流伺服电机及工作交流伺服电机及工作交流伺服电机及工作交流伺服电机及工作(gngzu)(gngzu)(gngzu)(gngzu)特性特性特性特性pp直流伺服电机的缺点：pp 电刷和换向器易磨损(m sn)；pp 电机最高转速的限制，应用环境的限制；pp 结构复杂，制造困难，成本高。pp交流伺服电机的优点：pp 转速高、动态响应好、输出功率大；pp交流伺服电机形式：pp 同步型交流伺服电机；pp 异步型交流

25、感应伺服电机。第35页/共109页第三十六页，共109页。376.2.2 6.2.2 交流交流(jioli)(jioli)伺服电机及工作特性伺服电机及工作特性n n（1）永磁交流同步伺服电机n n永磁交流同步伺服电机结构n n1定子；2转子；3脉冲编码器；n n4定子三相(sn xin)绕组；5接线盒 第36页/共109页第三十七页，共109页。386.2.2 6.2.2 6.2.2 6.2.2 交流伺服电机及工作交流伺服电机及工作交流伺服电机及工作交流伺服电机及工作(gngzu)(gngzu)(gngzu)(gngzu)特性特性特性特性n n（1）永磁交流同步伺服电机n n 旋转磁场转速与转

26、子转速同步：n0=nr=60 f/pn n f：交流电源频率；p：转子磁级对数(du sh)n n永磁交流同步伺服电机的工作原理图第37页/共109页第三十八页，共109页。396.2.2 6.2.2 6.2.2 6.2.2 交流交流交流交流(jioli)(jioli)(jioli)(jioli)伺服电机及工作特性伺服电机及工作特性伺服电机及工作特性伺服电机及工作特性n n（1）永磁交流(jioli)同步伺服电机n n永磁交流(jioli)同步伺服电机的特性曲线n n 第38页/共109页第三十九页，共109页。406.2.2 6.2.2 6.2.2 6.2.2 交流交流交流交流(jioli)

27、(jioli)(jioli)(jioli)伺服电机及工作特性伺服电机及工作特性伺服电机及工作特性伺服电机及工作特性n n（2）交流(jioli)主轴伺服电机n n交流(jioli)主轴伺服电机与普通交n n流异步感应电机的比较示意图第39页/共109页第四十页，共109页。416.2.2 6.2.2 6.2.2 6.2.2 交流伺服电机及工作交流伺服电机及工作交流伺服电机及工作交流伺服电机及工作(gngzu)(gngzu)(gngzu)(gngzu)特性特性特性特性pp交流(jioli)主轴电机的要求：pp 大 功 率、鼠 笼 式 交 流(jioli)异步伺服电机；pp 低速恒转矩、高速恒功率

28、。pp交流(jioli)主轴伺服电机的特性曲线第40页/共109页第四十一页，共109页。426.2.2 6.2.2 6.2.2 6.2.2 交流伺服电机及工作交流伺服电机及工作交流伺服电机及工作交流伺服电机及工作(gngzu)(gngzu)(gngzu)(gngzu)特性特性特性特性n n（3）交 流 伺 服 电 机 的 发 展(fzhn)n n 永磁交流同步伺服电机的发展(fzhn)n n 新永磁材料的应用，钕铁硼，可以缩小电动机体积；n n 永久磁铁的结构改进，内装永磁交流同步伺服电机，与外装永磁电机相比，结构更牢固，允许在更高的转速下运行。n n 与机床部件一体化的电机 空心轴永磁交流

29、同步伺服电机第41页/共109页第四十二页，共109页。436.2.2 6.2.2 6.2.2 6.2.2 交流伺服电机及工作交流伺服电机及工作交流伺服电机及工作交流伺服电机及工作(gngzu)(gngzu)(gngzu)(gngzu)特性特性特性特性n n（3）交 流 伺 服 电 机 的 发 展(fzhn)n n 交流主轴伺服电机的发展(fzhn)n n 输出转换型交流主轴电机；n n 三角-星形切换，绕组数切换或二者组合切n n 换。n n 液体冷却电机；n n 内装式主轴电机 高速电主轴。第42页/共109页第四十三页，共109页。446.2.3 6.2.3 6.2.3 6.2.3 步进

30、电机及其工作步进电机及其工作步进电机及其工作步进电机及其工作(gngzu)(gngzu)(gngzu)(gngzu)特性特性特性特性n n（1）步进电机工作原理n n 步进电机伺服系统是典型的开环控制系统。步进电机是受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换成为机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。n n 进给脉冲的频率代表了驱动速度，脉冲的数量代表了位移量，而运动方向是由步进电机 的 各 相 通 电 顺 序 来 决 定(judng)。n n 系统没有反馈检测环节。第43页/共109页第四十四页，共109页。456.2.3 6.2.3 6.2.3 6.2.3 步进电机及其工作步进电机及其工作步

31、进电机及其工作步进电机及其工作(gngzu)(gngzu)(gngzu)(gngzu)特性特性特性特性n n（1）步进电机(dinj)工作原理n n n n三相反应式步进电机(dinj)结构第44页/共109页第四十五页，共109页。466.2.3 6.2.3 6.2.3 6.2.3 步进电机步进电机步进电机步进电机(dinj)(dinj)(dinj)(dinj)及其工作特性及其工作特性及其工作特性及其工作特性n n（1）步 进 电 机 工 作 原 理(yunl)n n n n反应式步进电机的结构原理(yunl)图第45页/共109页第四十六页，共109页。476.2.3 6.2.3 步进电机

32、及其工作步进电机及其工作(gngzu)(gngzu)特性特性pp三相单三拍工作方式pp 设转子上有四个齿，相邻两齿间夹角为900。A相通电时，转子1、3齿被磁极A吸引对齐；接着B相通电，A相断电，磁极B吸引2、4齿对齐，使转子按逆 时 针 方 向 转 动(zhun dng)300；pp 然后C相通电，B相断电，磁极C吸引1、3齿对齐,转子又逆时针旋转30o；pp 依 此 类 推，定 子 按ABCA顺序通电，转子就一步步地按逆时针方向转动(zhun dng)，每步转30o。第46页/共109页第四十七页，共109页。486.2.3 6.2.3 6.2.3 6.2.3 步进电机及其工作步进电机及其

33、工作步进电机及其工作步进电机及其工作(gngzu)(gngzu)(gngzu)(gngzu)特性特性特性特性pp三相单三拍工作方式pp 若 改 变 通 电 顺 序，按ACBA使定子绕组通电，步进电机就按顺时针方向转动，同样每步转30o。pp 这种控制(kngzh)方式，每次只有一相绕组通电，在切换瞬间将失去自锁转矩，容易失步。pp 另外，只有一相绕组通电，易在平衡位置附近产生振荡，稳定性不佳，故不能实际应用。第47页/共109页第四十八页，共109页。496.2.3 6.2.3 步进电机步进电机(dinj)(dinj)及其工作特性及其工作特性pp三相双三拍工作方式pp 通电顺序按ABBCCAA

34、B（逆时针方向(fngxing)）或ACCBBAAC（顺时针方向(fngxing)）进行，其步距角仍为300。由于双三拍控制每次有二相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组通电，所以工作比较稳定。第48页/共109页第四十九页，共109页。506.2.3 6.2.3 6.2.3 6.2.3 步进电机及其工作步进电机及其工作步进电机及其工作步进电机及其工作(gngzu)(gngzu)(gngzu)(gngzu)特性特性特性特性pp三相六拍工作方式pp 通电顺序按AABBBCCCAA顺序通电，每切换一次，步进电机逆时针转过15；pp 如 通 电 顺 序 改 为AACCCBBBAA，则步进电机以步距角1

35、5顺时针旋转。pp 种控制方式比三相三拍控制方式步距角小一半(ybn)，因而精度更高，且转换过程中始终保证有一个绕组通电，工作稳定，因此被大量采用。第49页/共109页第五十页，共109页。516.2.3 6.2.3 6.2.3 6.2.3 步进电机及其工作步进电机及其工作步进电机及其工作步进电机及其工作(gngzu)(gngzu)(gngzu)(gngzu)特性特性特性特性n n（2）步进电机的主要性能指标n n 步距角：和步进电机的相数 m、通电方式(fngsh)K n n 及电机转子齿数 z 的关系如下：n n 单拍时K=1，双拍时K=2。n n 步距角：应是圆周360的等分值。但实际的

36、n n 值和理论值有误差。在一转内的最大步距误差通常在10左右。n n 同一相数的步进电机可有两种 步 距 角，通 常 为 1.2/0.6、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。第50页/共109页第五十一页，共109页。526.2.3 6.2.3 6.2.3 6.2.3 步进电机及其工作步进电机及其工作步进电机及其工作步进电机及其工作(gngzu)(gngzu)(gngzu)(gngzu)特性特性特性特性n n（2）步进电机的主要性能指标n n矩角特性 当步进电机某相定子绕组(roz)通电之后，转子齿将力求与定子齿对齐，使磁路中的磁阻最小，转子处在平衡位置不动，0，图（a）；n

37、n如果在电机轴上外加一个负载转矩Mz，转子会向负载转矩方向转过一个失调角；n n有失调角后，步进电机就产生一个静态转矩，也称为电磁转矩Mj，与负载转矩平衡；n n负载转矩有正负，也有正负，图(b)、(c)。第51页/共109页第五十二页，共109页。536.2.3 6.2.3 6.2.3 6.2.3 步进电机步进电机步进电机步进电机(dinj)(dinj)(dinj)(dinj)及其工作特性及其工作特性及其工作特性及其工作特性n n步进电机(dinj)的失调角第52页/共109页第五十三页，共109页。546.2.3 6.2.3 6.2.3 6.2.3 步进电机步进电机步进电机步进电机(din

38、j)(dinj)(dinj)(dinj)及其工作特性及其工作特性及其工作特性及其工作特性pp静态转矩Mj与失调角的关系叫矩角特性，近似为正弦曲线。pp三相(sn xin)单三拍步进电机的矩角特性第53页/共109页第五十四页，共109页。556.2.3 6.2.3 6.2.3 6.2.3 步进电机及其工作步进电机及其工作步进电机及其工作步进电机及其工作(gngzu)(gngzu)(gngzu)(gngzu)特性特性特性特性n n 当转子齿中心线对准定子槽中心线(=)，定子上相邻两齿对转子上该齿具有大小相同、方向相反的拉力，故该位置(wi zhi)亦可视为一个稳定位置(wi zhi)，此时的电磁

39、转矩等于零。不难想像，由0变化到+或时均有最大值出现。n n 矩角特性上的静态转矩Mj的最大值称为最大静转矩Mjmax。在静态稳定区内，当外加负载转矩除去时，转子在电磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置(wi zhi),0。第54页/共109页第五十五页，共109页。566.2.3 6.2.3 6.2.3 6.2.3 步进电机步进电机步进电机步进电机(dinj)(dinj)(dinj)(dinj)及其工作特性及其工作特性及其工作特性及其工作特性n n静态转矩Mjmax 表示步进电机承受负载的能力。Mjmax愈大，自 锁 力 矩 愈 大，静 态 误 差(wch)愈小，带负载的能力愈强，运行的快速

40、性和稳定性愈好。n n静态转矩和控制电流的平方成正比，但当电流上升到磁路饱和时，Mjmax=f(I)曲线上升平缓。第55页/共109页第五十六页，共109页。576.2.3 6.2.3 6.2.3 6.2.3 步进电机及其工作步进电机及其工作步进电机及其工作步进电机及其工作(gngzu)(gngzu)(gngzu)(gngzu)特性特性特性特性n n最大启动转矩Me 图中的A、B分别是相邻A相和B相的静态矩角特性曲线，它们(t men)的交点所对应的转矩是步进电机的最大启动转矩。如如果果外外加加负负载载转转矩矩MfMf小小 于于 MqMq，电电 机机(dinj)(dinj)才才能能正正常常启启

41、动动。否否则则，丢丢步步，不不能能正正常常启启动动。启启动动转转矩矩是是电电机机(dinj)(dinj)能能带带动动负负载载转转动动的的极极限限转矩。转矩。第56页/共109页第五十七页，共109页。586.2.3 6.2.3 步进电机步进电机(dinj)(dinj)及其工作特性及其工作特性n n启动频率fg 空载时，步进电机由静止状态突然起动，并进入不失步的正常运行的最高频率。n n步进电机在带负载下的启动频率比空载要低。而且，随着负载加大，启动频率会进一步降低(jingd)。n n连续运行频率fmax 步进电机起动后，其运行速度能根据指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率。其值远大于启

42、动频率，它也随着电机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。第57页/共109页第五十八页，共109页。596.2.3 6.2.3 6.2.3 6.2.3 步进电机及其工作步进电机及其工作步进电机及其工作步进电机及其工作(gngzu)(gngzu)(gngzu)(gngzu)特性特性特性特性n n惯频特性 步进电机带动纯惯性(gunxng)负载时启动频率和负载转动惯量之间的关系。n n矩频特性 是描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系。n n惯频特性与矩频特性第58页/共109页第五十九页，共109页。606.2.3 6.2.3 6.2.3 6.2.3 步进电机及

43、其工作步进电机及其工作步进电机及其工作步进电机及其工作(gngzu)(gngzu)(gngzu)(gngzu)特性特性特性特性n n惯频特性，随着负载惯量的增加，启动频率会下降。如果既有惯性负载又有转矩负载，则启动频率将进步下降。n n矩频特性上每一个频率对应的转矩称为(chn wi)动态转矩。当步进电机正常运行时，若输入脉冲频率逐渐增加，则电动机所能带动负载转矩将逐渐下降。第59页/共109页第六十页，共109页。616.2.3 6.2.3 6.2.3 6.2.3 步进电机步进电机步进电机步进电机(dinj)(dinj)(dinj)(dinj)及其工作特性及其工作特性及其工作特性及其工作特性

44、n n（3）步进电机功率驱动n n 步进电机驱动线路完成由弱电到强电的转换和放大，也就是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需的具有一定(ydng)功率的电流脉冲信号。驱动控制电路由环形分配器和功率放大器组成。n n 环形分配器是用于控制步进电机的通电方式的，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按照一定(ydng)的顺序和分配方式加到功率放大器上，控制各相绕组的通电、断电。第60页/共109页第六十一页，共109页。626.2.3 6.2.3 6.2.3 6.2.3 步进电机步进电机步进电机步进电机(dinj)(dinj)(dinj)(dinj)及其工作特性及其工作特性及其工作特性及其工作特性n

45、n硬件(yn jin)实现的三相六拍环形分配器原理 第61页/共109页第六十二页，共109页。636.2.3 6.2.3 6.2.3 6.2.3 步进电机及其工作步进电机及其工作步进电机及其工作步进电机及其工作(gngzu)(gngzu)(gngzu)(gngzu)特性特性特性特性n n软件实现(shxin)的三相六拍环形分配器真值表 第62页/共109页第六十三页，共109页。646.2.3 6.2.3 6.2.3 6.2.3 步进电机步进电机步进电机步进电机(dinj)(dinj)(dinj)(dinj)及其工作特性及其工作特性及其工作特性及其工作特性n n 功率(gngl)放大器的作用

46、是将环形分配器发出的电平信号放大至几安培到几十安培的电流送至步进电机各绕组，每一 绕 组 分 别 有 一 组 功 率(gngl)放大电路。n n单电压驱动电路原理图第63页/共109页第六十四页，共109页。656.2.3 6.2.3 6.2.3 6.2.3 步进电机步进电机步进电机步进电机(dinj)(dinj)(dinj)(dinj)及其工作特性及其工作特性及其工作特性及其工作特性n n n n恒流斩波驱动(q dn)电路原理图 第64页/共109页第六十五页，共109页。666.2.3 6.2.3 步进电机及其工作步进电机及其工作(gngzu)(gngzu)特性特性n n（4）开环控制步

47、进式伺服系统的工作原理n n工作台位移量的控制 数控装置发出N个脉冲，经驱动线路放大后，使步进电机定子绕组通电状态变化(binhu)N次，如果一个脉冲使步进电机转过的角度为，则步进电机转过的角位移量N，再经减速齿轮、丝杠、螺母之后转变为工作台的直线位移量L。第65页/共109页第六十六页，共109页。676.2.3 6.2.3 6.2.3 6.2.3 步进电机及其工作步进电机及其工作步进电机及其工作步进电机及其工作(gngzu)(gngzu)(gngzu)(gngzu)特性特性特性特性n n工作台进给速度的控制 数控装置发出的进给脉冲频率为f，经驱动控制线路，控制步进电机(dinj)定子绕组的

48、通电、断电状态的电平信号变化频率，决定步进电机(dinj)的转速，经过减速齿轮及丝杠、螺母之后，体现为工作台的进给速度V。n n工作台运动方向的控制 改变步进电机(dinj)输入脉冲信号的循环顺序方向，就可改变定子绕组中电流的通断循环顺序，从而使步进电机(dinj)实现正转和反转，即改变工作台进给方向。第66页/共109页第六十七页，共109页。686.3 6.3 速度速度(sd)(sd)控制控制pp概述：速度控制系统由速度控制单元(dnyun)、伺服电机和速度检测装置组成。分为主运动和进给运动。pp进给运动：pp 与主运动相比功率较小；pp 能够保证轨迹、尺寸和形位的精度；pp 不但有速度控

49、制，还有位置控制；pp 在整个速度范围内，保持恒转矩。第67页/共109页第六十八页，共109页。696.3 6.3 速度速度(sd)(sd)控制控制pp速速度度控控制制：主主要要的的调调速速有有机机械械、液液压压和和电电气方法，电气调速最有利于实现自动化。气方法，电气调速最有利于实现自动化。pp主主轴轴运运动动：无无级级调调速速及及以以下下(y(y xi)xi)的的控控制功能制功能:pp 主轴与进给驱动的同步控制；主轴与进给驱动的同步控制；pp 高速恒功率、低速恒转矩特性高速恒功率、低速恒转矩特性;pp 准停控制；准停控制；pp 分度控制；分度控制；pp 恒线速度控制。恒线速度控制。第68页

50、/共109页第六十九页，共109页。706.3.1 6.3.1 6.3.1 6.3.1 直流进给运动直流进给运动直流进给运动直流进给运动(yndng)(yndng)(yndng)(yndng)的速度控制的速度控制的速度控制的速度控制n n(1)直流伺服电机的调速原理n n 改变电枢电压Ua:由于绕组绝缘耐压的限制，只能在额定转速以下进行，属于恒转矩调速；n n 改变气隙磁通量：调激磁电流 即 可 改。在 Ua恒 定(hngdng)情况下，磁场接近饱和，故只能弱磁调速，在额定转速以上进行。属于恒功率调速。第69页/共109页第七十页，共109页。716.3.1 6.3.1 直流进给运动的速度直流