第四章 数控机床的伺服驱动系统6学时Word文档下载推荐.docx
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混合式步进电机转子有永久磁钢，所以在绕组未通电时，转子永久磁钢产生的磁通能产生自定位转矩，虽然这比绕组通电时产生的转矩小得多，但它确实是一种很有用的特性：
使其在断电时，仍能保持转子得原来位置。
反应式步进电机在断电时靠干摩擦负载转矩或靠专门的磁定位或机械定位装置来实现定位。
在实际应用中为提高加工精度，多采用小步距角的步进电机。
）有待考证
虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。
它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。
因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。
目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。
仅仅处于一种盲目的仿制阶段。
这就给用户在产品选型、使用中造成许多麻烦。
实际应用中，主要控制步进电机的角位移、转速和方向（重点）。
•步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步进电机的步距角
•脉冲的频率决定着电机的转速
•改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向也随之改变
二、反应子式步进电机工作原理
（一）反应式步进电机原理
由于反应式步进电机工作原理比较简单。
下面以三相反应式步进电机为例说明步进电机的工作原理。
1、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轴线错开。
2、参数
（1）步进电机的步距角由下式决定
若采用细分电路，则步距角由下式决定：
/细分数
（2）若步进电机通电的脉冲频率为
，则步进电机的转速为
（60f*
/360,f的单位：
个/s）
其中：
――步距角
――步进电机的转速
――定子励磁绕组的相数
――转子的齿数
――通电方式系数，单拍时，k＝1；
双拍时，k＝2
3、术语
（1）相数：
定子磁极对数。
常用m表示。
（2）拍数：
完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指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AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.
（3）步距角：
对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。
θ=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。
四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。
（4）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。
（5）失调角：
转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。
（6）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，能够直接起动的最大频率。
（7）最大空载的运行频率：
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速频率。
（8）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。
如下图所示：
其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。
（9）最高起动频率fq：
电机正常起动时（不丢步）所能承受的最高控制频率,起动频率低于连续运动频率,因为起动时电机既要克服负载力矩,又要克服惯性力矩，且负载越大，fq越低。
（10）连续运行频率（最高工作频率）fmax:
步进电机连续工作时能接受的最高频率,因运行时转动惯量的影响比起动时大大减小，所以fmax》fq，它表明步进电机所能达到的最高速度
三、驱动控制系统组成
使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如下：
1、脉冲信号的产生
脉冲信号一般由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。
2、信号分配（由环形分配器完成）
感应子式步进电机以二、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种，具体分配如下：
二相四拍为
步距角为1.8度；
二相八拍为
步距角为0.9度。
四相电机工作方式也有二种，四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB,步距角为1.8度；
四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-AB,（步距角为0.9度）。
3、功率放大
功率放大是驱动系统最为重要的部分。
步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。
平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。
因而不同的场合采取不同的的驱动方式，目前，驱动方式一般有以下几种：
恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。
为尽量提高电机的动态性能，将信号分配、功率放大组成步进电机的驱动电源。
二相恒流斩波驱动电源与单片机及电机接线图如下：
说明：
CP
接CPU脉冲信号（负信号，低电平有效）
OPTO
接CPU+5V
FREE
脱机，与CPU地线相接，驱动电源不工作
DIR
方向控制，与CPU地线相接，电机反转
VCC
直流电源正端
GND
直流电源负端
A
接电机引出线红线
接电机引出线绿线
B
接电机引出线黄线
接电机引出线蓝线
步进电机一经定型，其性能取决于电机的驱动电源。
步进电机转速越高，力距越大则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高。
电压对力矩影响如下：
4、细分驱动器
在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电机，细分驱动器的原理是通过改变相邻（A，B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。
四、步进电机的应用
（一）步进电机的选择
步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。
一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。
1、步距角的选择
电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。
电机的步距角应等于或小于此角度。
目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。
2、静力矩的选择
步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。
静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。
单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。
直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。
一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）
3、电流的选择
静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）
综上所述选择电机一般应遵循以下步骤：
4、力矩与功率换算
步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：
P=Ω·
M
Ω=2π·
n/60
P=2πnM/60
其P为功率单位为瓦，Ω为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿·
米
P=2πfM/400（半步工作）
其中f为每秒脉冲数（简称PPS）
（二）应用中的注意点
1、步进电机应用于低速场合---每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS），最好在1000-3000PPS（0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。
2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。
3、由于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值，可根据驱动器选择驱动电压（建议：
57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源，不过要考虑温升。
4、转动惯量大的负载应选择大机座号电机。
5、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。
6、高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少，其被淘汰的说法是外行话。
7、电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。
8、电机在600PPS（0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。
9、应遵循先选电机后选驱动的原则。
二、直流（DC）伺服电动机
直流伺服电动机是将直流电能转换成机械能的旋转电动机。
直流伺服电动机具有良好的调速特性，对伺服电机的调速性能要求高的设备中，大都采用DC伺服电动机驱动。
直流伺服电动机的工作原理主要基于：
电磁力定律：
载流导体在磁场中要受到电磁力作用
电磁感应定律：
当导体在磁场中运动并切割磁力线时，导体中要产生感应电动势
目前数控机床进给驱动中采用的直流电动机主要是大惯量宽速直流伺服电动机，占主导地位的是永久磁铁励磁式电动机
直流伺服电动机结构较复杂，电刷、换向器需经常维护，电机转速受限，AC克服此缺点，因此AC伺服电动机有取代DC伺服电动机的趋势
三、永磁交流伺服电机结构：
定子、转子、检测元件
工作原理：
定子绕组接上三相交流电，产生旋转磁场，旋转磁场吸引转子同步旋转。
矢量控制：
直流伺服电机的调速性能好，控制简单（线性），如果能模拟直流电动机，使交流电机具有与直流电机近似的优良特性。
为此，需将三相交变量转换为与之等效的直流量，然后按直流电动机的控制方法对其进行控制。
直流主轴电动机的结构和普通直流电动机的结构基本相同，其主要区别是：
在主磁极上除了绕有主磁极绕组外，还绕有补偿绕组，以便抵消转子反应磁动势对气隙主磁通的影响，改善电动机的调速性能；
直流主轴电动机都采用轴向强迫通风冷却或热管冷却，以改善冷却效果。
直流主轴电动机的基本速度以下为恒转矩范围，在基本速度以上为恒功率范围。
直流主轴电动机采用双域调速系统调速。
永磁直流伺服电动机的定子磁极是一个永磁体，其转子分为普通型和小惯量型两类。
普通型转子永磁直流电动机和小惯量型转子直流电动机各有其自己的特点。
永磁直流伺服电动机需用特性曲线和数据表描述其性能。
用于数控机床进给伺服系统中的永磁直流伺服电动机主要采用晶体管脉宽调制调速系统调速。
交流主轴电动机是经过专门设计的鼠笼式三相异步电动机。
与直流主轴电动机相类似，在基本速度以下为恒转矩区，在基本速度以上为恒功率区。
恒功率的速度范围只有1：
3的速度比，当速度超过一定值后，功率-速度特性曲线会向下倾斜。
交流主轴电动机广泛采用矢量控制调速方法进行速度控制。
永磁同步交流伺服电动机的定子与普通感应电动机的定子相似，不过其外表面呈多边形，且无外壳，转子由多块永久磁铁和冲片组成。
与直流伺服电动机一样，交流伺服电动机的性能也需用数据表和特性曲线来描述。
永磁同步交流伺服电动机可以通过改变电动机电源频率来调速。
四直线电机驱动技术
直线电机在机床进给伺服系统中的应用，近几年来已在世界机床行业得到重视，并在西欧工业发达地区掀起"
直线电机热"
在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台（拖板）之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，因而这种传动方式又被称为"
零传动"
正是由于这种"
方式，带来了原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。
1.高速响应由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件（如丝杠等），使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷。
2.精度直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差，减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。
通过直线位置检测反馈控制，即可大大提高机床的定位精度。
3.动刚度高由于"
直接驱动"
，避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，同时也提高了其传动刚度。
4.速度快、加减速过程短由于直线电动机最早主要用于磁悬浮列车（时速可达500Km/h），所以用在机床进给驱动中，要满足其超高速切削的最大进个速度（要求达60～100M/min或更高）当然是没有问题的。
也由于上述"
的高速响应性，使其加减速过程大大缩短。
以实现起动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间准停。
可获得较高的加速度，一般可达2～10g（g=9.8m/s2），而滚珠丝杠传动的最大加速度一般只有0.1～0.5g。
5.行程长度不受限制在导轨上通过串联直线电机，就可以无限延长其行程长度。
6.运动动安静、噪音低由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，且导轨又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨（无机械接触），其运动时噪音将大大降低。
7.效率高由于无中间传动环节，消除了机械摩擦时的能量损耗，传动效率大大提高。
直线传动电机的发展也越来越快，在运动控制行业中倍受重视。
在国外工业运动控制相对发达的国家已开始推广使用相应的产品，其中美国科尔摩根公司（Kollmorgen）的PLATINNMDDL系列直线电机和SERVOSTARCD系列数字伺服放大器构成一种典型的直线永磁伺服系统，它能提供很高的动态响应速度和加速度、极高的刚度、较高的定位精度和平滑的无差运动；
德国西门子公司、日本三井精机公司、台湾上银科技公司等也开始在其产品中应用直线电机。
4.3伺服系统中的检测元件
一、伺服系统对检测元件的主要要求
6）1、工作可靠，抗干扰能力强
7）2、能满足精度和速度的要求
8）3、使用维护方便
9）4、易于实现高速的动态测量和处理，易于实现自动化
5、成本低
二、检测元件分类：
分类：
1、数字式测量和模拟式测量
2、增量式测量和绝对式测量
3、直接测量和间接测量
电磁式测量位移装置：
旋转变压器、感应同步器、磁尺
光电式位移测量装置：
编码盘、光栅
旋转变压器、感应同步器、
脉冲编码器：
、
光栅、
磁尺：
用磁性标尺代替光栅，用电磁方法计数磁波数目的一种测量方法。
测速发电机
表4-1数控机床常用检测系统精度
测量系统名称
信号周期（节距）
分
辨
率
精
度
代表厂商
光栅
20µ
m
0.1µ
±
2µ
德国HEIDENHAIN
感应同步器
2000µ
5µ
美国FARRAND
磁栅
200µ
1µ
10µ
日本SONY
容栅
50µ
瑞士TRIMOS
球栅
12.7µ
30µ
英国NEWALL
激光He-Ne
λ＝0.6328µ
λ/16
美国HP
旋转变压器是一种输出电压与角位移量成连续函数关系的感应式微电机。
从物理本质上看，旋转变压器是一种可以转动的变压器。
它由定子和转子组成，其原、副绕组分别放置在定、转子上，原、副绕组之间的电磁耦合程度与转子的转角有关。
因此，当它的原绕组施加单相交流电压励磁时，副绕组输出电压的幅值将与转子转角有关。
旋转变压器有多种分类方法：
若按有无电刷来分，可分为接触式和无接触式两种；
若按极对数来分，可分为单对极和多对极；
若按用途来分，可分为计算用旋转变压器和数据传输用变压器；
若按输出电压与转子转角间的函数关系来分，可分为正余弦旋转变压器、线性旋转变压器、比例式旋转变压器以及特殊函数旋转变压器等四类。
脉冲编码器也叫光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。
这是目前在机床上应用最多的传感器，根据它产生脉冲方式的不同，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。
其中增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；
A、B两组脉冲相位差90º
，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。
它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。
其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。
而绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换的。
它的特点是：
①可以直接读出角度
坐标的绝对值；
②没有累积误差；
③电源切除后位置信息不会丢失。
但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有10位、14位等多种。
而混合式绝对值编码器，它输出两组信息：
一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；
另一组则完全同增量式编码器的输出信息。
用于机床的位置测量并已得到广泛应用的有光栅、感应同步器、容栅、磁栅、球栅和激光。
它们的检测精度及其代表厂商如表4－1所示。
从表49－1可见，除激光外，光栅尺的分辨率和精度均高于其他四种测量系统，而在系统的稳定性、可靠性、使用方便及价格方面均比激光测量系统有着明显的优势。
因此，在90年代，国际市场上的数控机床（指闭环控制结构），包括三坐标测量机所采用的测量系统80％以上都使用光栅。
高精度的光栅测量系统，其分辨率可做到纳米级，精度可达±
0.2µ
m。
光栅的种类很多，在玻璃的表面上制成透明与不透明间隔相等的线纹，称作透射光栅；
在金属的镜面上制成全反射与漫反射间隔相等的线纹，称作反射光栅；
也可把线纹做成具有一定衍射角度的定向光栅；
根据用途，可分为测量直线位移的长光栅和测量角位移的圆光栅。
其中以玻璃衍光栅的精度为最高。
目前世界上能生产光栅测量系统的国家很多，HEIDENHAIN、雷尼绍公司，以德国的HEIDENHAIN公司为著名，它无论在技术、品种、产量和市场占有率上都处于绝对领先地位。
仅用于位置检测的元件：
旋转变压器、感应同步器、光栅、磁尺
仅用于速度检测的元件：
两者均可使用的检测元件：
脉冲编码器
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