HNC21S.docx
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HNC21S
模块二连接与调试进给驱动系统
课题一连接与调试步进电动机驱动系统
一、任务引入
步进电动机、驱动器与HNC-21数控系统的连接电气原理如图2－1所示。
试根据此原理图，将步进电动机（57HSl3型）、步进电动机驱动器（M535型）与数控系统（HNC-21TF）连接起来，并进行调试运行。
图2-1步进电动机、驱动器与HNC-21数控系统的连接
二、任务分析
分析图2-1所示的原理图可知，步进电动机是通过步进电动机驱动器与数控系统连接起来的。
那么什么是步进电动机呢？
它能实现哪些功能？
步进电动机的连接方法是什么？
下面我们就先对这些问题进行讲解。
三、相关知识
1.步进电动机的功能
步进电动机是一种能将数字脉冲输入转换成旋转增量运动的电磁执行元件。
每输入一个脉冲，步进电动机转轴步进一个步距角增量，因此，步进电动机能很方便地将电脉冲转换为角位移，具有定位精度好、无漂移和无积累定位误差的优点。
它还能跟踪一定频率范围的脉冲列，作为同步电动机使用，广泛地应用于各种小型自动化设备及仪器中。
2.步进电动机的连接
步进电机与数控装置是通过步进驱动装置连接起来的。
步进电机驱动装置与华中HNC-21（脉冲型或全功能型）世纪星数控装置是通过XS30～XS33脉冲接口控制步进电机驱动器，最多可控制4个步进电机驱动装置。
华中HNC-21连接步进电机驱动装置的总体框图如图2-2所示。
图2-2华中HNC-21采用步进电机驱动器的总体框图
图2-3华中HNC-21控制步进电机驱动器的连接图（以SH-50806A五相步进驱动器为例）
图2-4华中HNC-21与步进驱动单元的闭环连接（以SH-50806A五相步进驱动为例）
华中HNC-21与SH-50806A五相混合式步进电机驱动装置连接示意图如图2-3所示。
为防止步进电机失步现象，可外接编码器构成闭环检测，其连接如图2-4所示。
其他型号的步进驱动器与数控装置连接时，可能使用了对应的控制开关量，具体的连接方法见相应的驱动器说明书。
若使用的DC24V直流电源是独立的，必须与输入输出接口的直流电源共地。
若与数控装置的输入输出接口不匹配，需要使用中间继电器转接。
使用步进电机时，轴参数和硬件设置参数参见模块八的参数设置。
四、任务实施
1．步进电动机、驱动器、数控系统的连接
步进电动机（57HSl3型）、步进电动机驱动器（M535型）与数控系统（HNC-21TF）的连接如图2-5所示。
图2-5步进电动机、驱动器与HNC-21数控系统的连接
2．参数的设置与系统的调试
完成步进电动机、驱动器与HNC-21数控系统的连接后，就要设置参数和进行系统的调试。
（1）HNC-21TF数控系统参数设置。
步进电动机有关坐标轴参数进行设置见表2-1。
硬件配置参数设置见表2-2。
表2-1坐标轴参数
参数名
参数值
参数名
参数值
伺服驱动型号
46
伺服内部参数[2]
0
伺服驱动器部件号
O
伺服内部参数[3]、[4]、[5]
O
最大跟踪误差
0
快移加、减速时间常数
O
电动机每转脉冲数
400
快移加速度时间常数
O
伺服内部参数[O]
8①
加工加、减速时间常数
O
伺服内部参数[1]
O
加工加速度时间常数
O
注：
①步进电动机拍数。
表2-2硬件配置参数
参数名
型号
标识
地址
配置[0]
配置[1]
部件O
5301
46①
O
0
O
注：
①不带反馈。
（2）M535步进电动机驱动器参数设置。
按驱动器前面板表格，将细分数设置为2，将电动机电流设置为57HSl3步进电动机的额定电流。
（3）系统的调试
在线路和电源检查无误后，进行通电试运行，以手动或手摇脉冲发生器方式发送脉冲，控制电动机慢速转动和正、反转，在没有堵转等异常情况下，逐渐提高电动机转速。
五、知识链接
开环位置伺服系统亦称步进式伺服系统，其驱动元件为步进电动机。
功率步进电动机控制系统的结构最简单，控制最容易，维修最方便，控制为全数字化（即数字化的输入指令脉冲对应着数字化的位置输出），这完全符合数字化控制技术的要求，数控系统与步进电动机的驱动控制电路结为一体。
随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其它硬件电路均可由软件实现，从而简化了系统结构，降低成本，提高了系统的可靠性。
而步进电动机的耗能太多，速度也不高。
目前的步进电动机在脉冲当量i为lμm时，最高移动速度仅有2mm／min，且功率越大．移动速度越低。
故主要用于速度与精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造中。
步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移的执行器。
其角位移量与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率就可以调节电动机的转速。
如果停机后某些相的绕组仍保持通电状态，则还具有自锁能力。
步进电动机每转一周都有固定的步数，从理论上说其步距误差不会积累。
步进电动机的最大缺点在于其容易失步。
特别是在大负载和速度较高的情况下，失步更容易发生。
但是，近年来发展起来的恒流斩波驱动、PWM驱动、微步驱动、超微步驱动及其它们的综合运用，使得步进电机的高频出力得到很大提高，低频振荡得到显著改善，特别是在随着智能超微步驱动技术的发展，必将把步进电机性能提高到一个新的水平。
它将以极佳的性能价格比，获得更为广泛的应用，在许多领域将取代直流伺服电机及其相应伺服系统。
目前，步进电动机主要用于经济型数控机床的进给驱动，一般采用开环的控制结构。
用于数控机床驱动的步进电动机主要有两类：
反应式步进电动机和混合式步进电动机，反应式步进电动机也称为磁阻式步进电动机。
1．步进电动机的分类
步进电动机按转矩产生的原理可分为反应式、永磁式及混合式步进电动机；根据控制绕组数量可分为二相、三相、四相、五相、六相步进电动机；根据电流的极性可分为单极性和双极性步进电动机；根据运动的形式可分为旋转、直线、平面步进电动机。
（1）反应式步进电动机
反应式步进电动机又称为变磁阻式步进电动机，它根据相数、磁路结构的不同可形成很多种类，但其工作原理是一样的。
反应式步进电动机的定子、转子铁芯都用软磁材料制造，定位精度可以做得很高、气隙可以做得很小，磁极也可以设计得比较窄（步矩角可以较小）。
工作时完全靠磁阻（即磁力线的长度）的变化产生工作转矩，因此工作时定子绕组需要的励磁电流较大。
由于没有恒磁场的作用，此类步进电动机一旦断电就完全失去工作力矩，在使用时应注意这一特点。
反应式步进电动机适用于小步距的应用场合，其优点是步距小，静刚度大，但电感大，需要较高的电压驱动。
我国生产反应式步进电动机的历史很长，最典型的是定型为BF系列的步进电动机，这种步进电动机的外形尺寸为28～200mm，最大静转矩范围是0.0176～15.68N·m，目前此类的应用还十分广泛。
（2）永磁式步进电动机
永磁式步进电动机定子、转子铁芯的其中之一以永磁材料制造（大多数是转子），另一件用软磁材料。
永磁式步进电动机的激磁绕组通电时需要规定它的激磁极性，如果使其激磁磁场作连续回转运动，实质上它就成了一台永磁同步电动机。
由此可见，永磁式步进电动机的磁极只能做得比较宽、步矩角比较大，但它工作时所需要的激磁电流比较小，断电后永磁材料能产生一定程度的定位转矩。
由于结构的原因，永磁式步进电动机只适用于大步距应用场合，其优点是电感小，可用较低电压驱动，但步距大，静刚度小。
（3）混合式步进电动机
顾名思义，混合式步进电动机就是反应式与永磁式步进电动机的混合，它利用部分永磁材料的磁性来减小反应式步进电动机的激磁电流和在断电以后获得一定数量的剩余转矩，但它的工作转矩并不完全依靠永磁，所以步矩角可以与反应式步进电动机相近。
正因为混合式步进电动机以上特点，它有逐步取代反应式步进电动机的趋向。
2．步进电动机的主要特性
（1）步距角和步距误差
转子每步转过的空间机械角度，即步距角为
式中Z2——转子齿数；
N——运行拍数。
步进电动机每走一步，转子实际的角位移与设计的步距角之间都存在步距误差。
连续走若干步时，上述误差形成累积值。
转子转过一圈后，回至上一转的稳定位置，因此步进电动机的步距误差不会长期积累。
步进电动机步距的积累误差，是指一转范围内步距误差积累的最大值，步距误差和积累误差通常用度（°）、分（′）或者步距角的百分比表示。
影响步进电动机步距误差和积累误差的主要因素有：
齿与磁极的分度精度、铁心叠压及装配精度、各相矩角特性之间差别的大小、气隙的不均匀程度等。
（2）静态矩角特性和最大静态转矩特性
所谓静态，是指电动机不改变通电状态，转子不动时的工作状态。
空载时，步进电动机某相通以直流电流时，该相对应的定、转子齿对齐，这时转子无转矩输出。
如在电动机轴上加一顺时针方向的负载转矩，步进电动机转子将按顺时针方向转过一个小角度口，称为失调角；这时，转子电磁转矩丁与负载转矩相等。
矩角特性是描述步进电动机静态时电磁转矩丁与失调角口之间关系的曲线，也称为静转矩特性，如图2-6所示。
图2-6步进电动机的矩角特性图2-7步进电动机的矩频特性
（3）步进电动机的矩频特性
步进电动机矩频特性是用来描述步进电动机连续稳定运行时，输出转矩与连续运行频率之间的关系曲线。
矩频特性曲线上每一频率所对应的转矩称为动态转矩。
动态转矩除了与步进电动机的结构及材料有关外，还与步进电动机绕组的连接方式、驱动电路、驱动电压有密切的关系。
图2-7是混合式步进电动机连续运行时的典型矩频特性曲线。
3．步进电动机的驱动电路与控制方式
步进电动机需要采用按顺序的脉冲或正余弦电压信号进行控制。
在构造位置或速度控制系统时，基本的系统结构包括开环和闭环两种类型。
步进电动机的控制系统如图2-8所示。
如图2-8步进电动机的控制系统
（1）步进电动机的驱动电路
直接涉及步进电动机控制的环节主要包括环形分配器和脉冲功率放大器。
环形分配器负责输出对应于步进电动机工作方式的脉冲序列，功率放大器则主要将环形分配器输出的信号进行功率放大，使输出脉冲能够直接驱动电机工作。
不同的驱动器还会结合实际需要而增加相应的保护、调节或改善电机运行性能的环节，其控制步进电动机的方式也各有不同。
常见的驱动方式如下，各驱动方式的系统基本结构如图2-9所示。
a）单电压驱动b）双电压驱动c）高低压驱动
d）斩波恒流驱动e）调频调压驱动f）细分控制
图2-9步进电动机的驱动（L为步进电动机绕组）
1）单电压驱动
仅采用单极性脉冲电压供电，这种方式线路简单，但效率低。
2）双电压驱动
根据所使用的频段分别采用高低电压控制步进电动机，高频段运行时采用高电压控制，反之采用低电压控制。
3）高低压驱动
在电机导通相的脉冲前沿施加高电压，提高脉冲前沿的电流上升率。
前沿过后，电压迅速下降为低电压，用以维持绕组中的电流。
这种控制方式能够提高步进电动机的效率和运行频率。
为补偿脉冲后沿的电流下凹，可采用高压断续施加，它能够明显改善电机的机械特性。
4）斩波恒流驱动
使用带电流反馈的斩波恒流控制装置，能够使导通相在各种工作方式下保持额定值，电机效率高，运行特性好。
5）调频调压驱动
根据电机运行时的脉冲频率变化自动调节电压值。
高频时，采用高电压加快脉冲前沿的电流上升速度，提高驱动系统的高频响应；低频时，低电压使绕组电流上升平缓，可以减少转子的振荡幅度，防止过冲。
6）细分控制
普通控制方式下，环形分配器给出的脉冲特征主要表现在脉冲的有无及其组合顺序上。
步进电动机接受这些驱动脉冲后所建立的磁场主要位于单相绕组的轴线或多相绕组轴线的平分线或对称点上，电机运行的步距角一般只能在θb或θb／2之上，即电机整步或半步工作。
细分控制的思路是：
以阶梯波的形式逐渐增加或减少绕组电流，逐步实现脉冲在相邻拍对应的导通相之间进行切换。
这种持续渐进的切换方式使电机绕组合成磁场的方向也随电流的渐增（减）而略有变化，这样就可在原理上使转子的旋转在细分数为N的情况下达到对应无细分步距角的1／N。
当然，由于均匀阶梯波细分时，合成磁场每步的偏移量与细分阶梯之间没有严格的线性关系，细分后电机的步距角不均匀，易引起电机的振动和失步，降低其运行的稳定性。
等步距角细分时需要根据步距角及各步所对应的磁场空间矢量位置调整各阶梯的电流值。
随着电子技术的发展，出现多种功能齐全、适应范围宽的集成电路步进电动机驱动控制器，典型产品包括：
L293、L297（SDS）；MC3479、SAAl042（Motorola）等。
由L297／298配合微处理器控制时构造的两极步进电动机驱动控制电路如图2-10所示。
图2-10L297/L298组成的步进电动机驱动控制电路
LS297为控制芯片，能够产生所需相序及相应控制模式下的四相驱动信号，配合微处理器可控制两相双极或四相单极步进电动机；L298为高电压、大电流的双全桥式驱动器。
（2）步进电动机的控制方式
步进电动机的控制方式一般可分为开环控制和反馈补偿闭环控制，如图2-11所示。
a）开环控制
b）反馈补偿闭环控制
图2-11步进电动机的控制方式
【实践环节】——步进电动机驱动系统的连接及性能测定
1．实验目的与要求
（1）熟悉步进电动机的运行原理及其驱动系统的连接。
（2）掌握步进电动机的性能特性及其与驱动器的关系。
（3）了解步进电动机的驱动系统启动特性。
2．实验仪器与设备
（1）57HSl3型两相混合式步进电动机一台。
（2）M535型两相双极性细分驱动器一台。
（3）CZ-0.5型磁粉制动器（5N·m）一台。
（4）光电编码器（2500或3600线，A、B、Z相信号，带线驱动器输出）一只。
（5）HNC-21TF数控系统一套。
（6）可安装于步进电动机轴上的惯量圆盘。
（a）57HS13型步进电动机（b）CZ-0.5型磁粉制动器
（c）M55型细分驱动器（d）光电编码器
图2-12实验设备示意图
3．实验内容
（1）按图2-1将57HSl3型步进电动机、M535型步进电动机驱动器与HNC-21TF数控系统连接起来,并设置参数,进行通电试运行（此步骤参阅任务及实施）。
（2）测定步进电动机的步距角。
以手动方式发送单脉冲，从数控系统显示屏上记录工件实际坐标值，计算步进电动机的步距角：
计算每一个步脉冲的实际坐标增量值，再按下式换算成实际步距角βn：
由β和βn可算出步距精度△β（△β=（βn-β）／β，再将记录和计算数据填入表2-3中。
表2-3步距精度
脉冲列
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
坐标值（mm）
实际步距角（°）
步距精度（%）
脉冲列
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
坐标值（mm）
实际步距角（°）
步距精度（%）
（3）测定步进电动机的空载启动频率。
拆去光电编码器，让步进电动机空载。
在步进电动机轴伸出处作一个标记，由数控系统设置步进电动机整数转的位移和速度，且将加、减速时间常数也设置为零。
步进电动机在锁定状态下，执行上述命令。
当步进电动机突然启动并突然停止后，根据轴伸出处标记判断步进电动机是否失步。
若启动成功，则提高速度参数再测试，直至某一临界速度，并由此速度换算步进电动机的空载启动频率。
（4）测定步进电动机的启动惯频特性。
在步进电动机轴伸上安装惯量圆盘，用上述“空载启动频率测定的方法”测试其启动频率。
随着惯量增加，启动频率下降。
将记录和计算的数据填入表2-4中。
表2-4步进电动机启动惯频特性
负载转动惯量（kg·cm2）
启动频率（Hz）
（5）测定步进电动机的运行矩频特性。
①将步进电动机与磁粉制动器用联轴器相连接。
由数控系统设置步进电动机的速度（即为步进电动机的运行频率），且将加、减速时间常数设置为1s以上。
②步进电动机在锁定状态下，执行启动命令，电动机将加速至给定转速。
待速度稳定后，调节磁粉制动器的激励电流，逐渐加大负载，直至步进电动机失步停转，记录该激励电流值。
③增加步进电动机的速度给定值，重复上述步骤，记录新转速下使步进电动机失步的激励电流值。
由磁粉制动器特性曲线，获取对应激励电流的制动转矩值（N·m），并由速度指令值换算为频率值，即可绘出步进电动机的运行矩频特性。
将记录数据填入表2-5中。
表2-5步进电动机运行矩频特性
运行频率（Hz）
负载转矩（N·m）
【思考与练习】
1．描述步进电动机控制原理。
2．简要说明步进电动机控制系统投入运转的操作步骤。
3.绘制步进电动机控制系统电气连接图。
4．根据实验数据，绘制启动惯频特性图。
5.根据实验数据，绘制实验所用步进电动机的运行矩频特性图。
课题二连接与调试交流伺服电动机的驱动系统
一、任务引入
将松下公司出品的MINAS系列交流伺服驱动与交流伺服电动机、制动电阻、电网等进行连接与调试。
二、任务分析
交流伺服电动机是由交流伺服驱动器控制的。
交流伺服电机有哪些控制方式？
交流伺服系统由哪几部分组成？
MINAS交流伺服系统有哪些结构和性能？
下面我们就先对这些问题进行讲解。
三、相关知识
长期以来，在要求调速性能较高的场合，一直占据主导地位的是应用直流电动机的调速系统。
但直流电动机都存在一些固有的缺点，如电刷和换向器易磨损，需经常维护；换向器换向时会产生火花，使电动机的最高速度受到限制，也使应用环境受到限制；而且直流电动机结构复杂，制造困难，所用钢铁材料消耗大，制造成本高。
而交流电动机，特别是鼠笼式感应电动机没有上述缺点，且转子惯量较直流电机小，使得动态响应更好。
在同样体积下，交流电动机输出功率可比直流电动机提高10％∽70％。
此外，交流电动机的容量可比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。
随着新型大功率电力电子器件、新型变频技术、现代控制理论以及微机数控等在实际应用中取得的重要进展，到了20世纪80年代，交流伺服驱动技术已取得了突破性的进展。
在日本、欧、美等国形成了一个生产交流伺服电动机的新兴产业。
德国1988年的机床进给驱动中交流伺服电动机驱动已占80％，日本1985年销售的交流与直流电动机驱动系统之比为3：
1。
机床主轴驱动中，采用交流电动机的占销售总量的90％。
1．交流伺服电机的类型和特点
（1）异步型交流伺服电动机
异步型交流伺服电动机（IM）指的是交流感应电动机。
它有三相和单相之分，也有鼠笼式和线绕式，通常多用鼠笼式三相感应电动机。
其结构简单，与同容量的直流电动机相比，质量轻1/2，价格仅为直流电动机的1/3。
缺点是不能经济地实现范围很广的平滑调速，必须从电网吸收滞后的励磁电流。
因而令电网功率因数变坏。
这种鼠笼转子的异步型交流伺服电动机简称为异步型交流伺服电动机，用IM表示。
（2）同步型交流伺服电动机
同步型交流伺服电动机（SM）虽比感应电动机复杂，但比直流电动机简单。
它的定子与感应电动机一样，都在定子上装有对称三相绕组。
而转子却不同，按不同的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类。
非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。
其中磁滞式和反应式同步电动机存在效率低、功率因数较差、制造容量不大等缺点。
数控机床中多用永磁式同步电动机。
与电磁式相比，永磁式优点是结构简单、运行可靠、效率较高；缺点是体积大、启动特性欠佳。
但永磁式同步电动机采用高剩磁感应，高矫顽力的稀土类磁铁后，可比直流电动外形尺寸约小1/2，质量减轻60﹪，转子惯量减到直流电动机的1/5。
它与异步电动机相比，由于采用了永磁铁励磁，消除了励磁损耗及有关的杂散损耗，所以效率高。
又因为没有电磁式同步电动机所需的集电环和电刷等，其机械可靠性与感应（异步）电动机相同，而功率因数却大大高于异步电动机，从而使永磁同步电动机的体积比异步电动机小些。
这是因为在低速时，感应（异步）电动机由于功率因数低，输出同样的有功功率时，它的视在功率却要大得多，而电动机主要尺寸是据视在功率而定的。
2．永磁交流伺服电动机
目前在数控机床进给驱动中采用的直流电动机主要是70年代研制成功的大惯量宽调速直流伺服电动机。
这种电动机分为电励磁和永久磁铁励磁两种，但占主导地位的是永久磁铁励磁式（永磁式）电动机，本节将主要介绍这种电动机。
永磁交流伺服电动机即同步型交流伺服电动机（SM），它是一台机组，由永磁同步电动机，转子位置传感器，速度传感器等组成。
（1）结构
如图2-13所示，永磁同步电动机主要由三部分组成：
定子，转子和检测元件（转子位置传感器和测速发电机）。
其中定子有齿槽，内有三相绕组，形状与普通感应电动机的定子相同。
但其外圆多呈多边行，且无外壳，以利于散热，避免电动机发热对机床精度的影响。
（a）永磁同步电动机横剖面图（b）永磁同步电动机纵剖面图
图2-13永磁同步电动机结构
图2-14永磁交流伺服电动机的工作原理
（2）工作原理
如图2-14所示，一个二极永磁转
子（也可以是多极），当定子三相绕
组通上交流电源后，就产生一个旋转
磁场，图中用另一对旋转磁极表示，
该旋转磁场将以同步转速ns旋转。
由
于磁极同性相斥，异性相吸与转子的
永磁磁极互相吸引，并带着转子一起
旋转，因此，转子也将以同步转速ns
与旋转磁场一起。
当转子加上负载转
矩之后，转子磁极轴线将落后定子磁场轴线一个θ角，随着负载增加，θ也随之增大；负载减少时，θ角也减少；只要不超过一定限度，转子始终跟着定子的旋转磁场以恒定的同步转速ns旋转。
转子速度nr=ns=60ƒ/p，即由电源频率ƒ和磁极对数p决定。
当负载超过一定极限后，转子不再按同步转速旋转，甚至可能不转，这就是同步电动机的失步现象，此负载的极限称为最大同步转矩。
（3）永磁同步伺服电动机的性能
①交流伺服电动机的机械特性比直流伺服电动机的机械特性要硬，其直线更为接近水平线。
另外，断续工作区范围更大，尤其是高速区，这有利于提高电动机的加，减速能力。
②高可靠性。
用电子逆变器取代了直流电动机换向器和电刷，工作寿命由轴承决定。
因无换向器及电刷，也省去了此项目的保养和维护。
③主要损耗在定子绕组与铁心上，故散热容易，便于安装热保护；而直流电动机损耗主要在转子上，散热困难。
④转子惯量小，其结构允许高速工作。
⑤体积小，质量小。
（4）交流调速的基本方法
由电机学基本原理可知，交流电机的同步转速为
n0=60ƒ1/P（r/min）
异步电动机的转速为
n=60ƒ1/P（1-S）=n0（1-S）（r/min）
式中：
ƒ1——定子供电频率（HZ）；
P——电机定子绕组磁极对数；
S——转差率。
由上式可见，要改变电机转速可采用以下几种方法：
①改变磁极对数P。
这是一种有级的调速方法。
它是通过对定子绕组接线的切换以改变磁极对数调速的。
②改变转差率调速。
这实际上是对异步电动机转差率的处理而获得的调速方法。
常用的是降低定子电压调速，电磁转差离合器调速，线绕式异
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