第三章 进给伺服系统

一． 反应式步进电机的技术指标术语1．齿数：产生不同对极N 、S 磁场的激磁线圈对数叫一个磁极，每个磁极上出现的一个凸凹状叫一个齿。

常用Z 表示。

2．相数：二相 A,B; 三相： A,B,C; 五相：A,B,C,D,E;3．拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用M 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 ，拍数为4；四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A 拍数为8。

4．步距角α：每通电一次，转子转过的角度。

MZ360=α （3－1）某步进电机转子齿数Z ＝80，三相六拍工作方式，求步距角：代入（3－1）式α＝0.75度。

5．最大静转矩：电机在任意通电状态下，电机转子自身能输出的最大静力矩。

6．额定电压：加在线圈上的电压：单相驱动电压：6V,12V,27V,60V …… ，高低电压驱动：60/12V, 80/12V …… 7．额定电流：电机在额定电压下，达到最大静转矩各相所需要的电流。

8．失步（丢步）：电机运转时运转的实际步数，少于理论上的步数。

称之为失步（丢步）。

这是由于惯性引起的。

9．超步：电机运转时运转的实际步数，多于理论上的步数。

称之为超步。

这是由于惯性引起的。

10．最大空载起动频率fq ：步进电机从静止开始启动，能够不丢步运行的最大通电频率。

11．最大空载的运行频率f ：步进电机通电启动后，通电频率逐渐升高，能够不丢步运行的最大通电频率。

12. 带负载启动频率f jJJ f fF q j+=1 （3－2） αδ=μα=12Z Z α （3－3） δ=12360360Z Z T Tα=μα （3－4） J F 为负载折合到电机轴上的转动惯量，J 为转子的转动惯量，见（3－2）。

13．转动脉冲当量：步进电机每转一个步距角，最终执行机构转过的角度αδ,（3－3式） 14．直线脉冲当量：步进电机每转一个步距角，最终执行机构运动的直线位移δ,（3－4 式）例题：某数控车床采用110BF003步进电机，步距角α＝0.75º,要求δ＝0.01mm ，T ＝6mm ，设计传动系统，画出传动原理图和结构原理图。

解：由δ=12360360Z Z T Tα=μα得：μ=202501.0360675.0360T =⨯⨯=δα为结构原理图15. 矩频特性： 电机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,如图3－5。

原因是自感电动势有关。

Mf矩频特性提示：步进电机功率W 一定，W=Mω 为什么不是双曲线关系呢？因为根据楞茨定律，频率越高，自感电动势削弱了电流，使扭矩降低。

至此，本章涉及电与磁方面的四个定律：1．毕奥－萨伐尔－拉普拉斯定律 （用右手螺旋法则）。

2．安培定律 （用左手定则） 3．法拉第电磁感应定律 （用右手定则，是电机的逆向发电机原理） 4．楞茨定律 （用右手定则判断）16．步进电机自动升降速控制机床开始加工时，伺服系统电机由静止自动升速到要求的速度，恒速加工，快到终点时，伺服系统电机转速逐渐下降，以比较低的速度静止运转，即到加工终点。

步进电机的自动升降速曲线如图3－11所示，这种升降速时间最短。

二．步进电机正反转控制及其与计算机接口电路1. 接口电路设计三相A 、B 、C 步进电机三相单三拍通电脉冲相序：A →B →C →A →B →C →A ………，M =3,当步进电机反转时的通电相序为正转时刻的反向顺序，三相六拍通电脉冲相序：A →A B →B →BC →C →CA →A →AB ………，M =6,某时刻CA 通电，反转通电相序为：C →BC →B →AB →A →CA →C →BC ………设IPC5313并行输入输出接口卡的150H 口的D0、D1、D2分别接A 、B 、C 相，显然是弱电控制强电，需要采用光电隔离，发光二极管正极接＋5V ，负极接计算机IPC5313并行输入输出接口卡的150H 口的D0、D1、D2引脚，计算机向D0、D1、D2位发1为低电平，相应相放大电路导通，线圈通电；发0为高电平，相应相放大电路不导通，线圈不通电；如图3－7：三相六拍正转通电脉冲状态数为：00000001B → 01H A 相通电 00000011B → 03H A 、B 相通电00000010B → 02H B 相通电 00000110B → 06H B 、C 相通电 00000100B → 04H C 相通电 00000101B → 05H C 、A 相通电2．三相六拍+X 向点动程序ZCXZD.CPP,按右箭头键＋X 向点动运行；按ESC 退出点动 #include <bios.h> #define RIGHT 333 #define ESC 27 FILE *fp;int GetKey(void);unsigned char a[6]={0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x05}; int r=0,i=0,shu=0; int key; main() { 图3－7 用IPC5313并行输入输出卡控制三相步进电机接口电路图t{ key=GetKey();if(key==ESC) break;if(key==RIGHT){ outportb(0x150,a[i]);shu++; printf("%d\n",shu);i++;if(i==6) i=0;}}}int GetKey(void) // 执行这个程序，函数返回值为按键的 ASCII 码{int Ch,Low,Hig;Ch=bioskey (0); Low=Ch&0x00ff;Hig=(Ch&0xff00)>>8;return(Low==0? Hig+256:Low); }3．三相六拍+X 向手动运行程序设计ZCXZYX.CPP运行脉冲当量已经存在D 盘根目录下的shoudong.dat 文件中，用150H 口接口电路如图3－7，只是在153H 口的D7位接行程开关，行程开关接口电路图和程序框图如图3－8，边运行边显示运行的步数。

#include <stdlib.h> #include <dos.h> FILE *fp;void yxmove();unsigned char a[6]={0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x05}; int c=0,r=0,i=0,j=0,s=0;main(){fp=fopen("d:\\shoudong.dat","r");fscanf(fp,"%d",&j); fclose(fp); while(j>0){yxmove();c=inportb(0x153);r=c&0x80; if(r!=0){break; }}}void yxmove() {outportb(0x150,a[i]); j--;printf(“%d\n ”,j); i++;图3－8 用IPC5313图 卡的手动运行程序框，行程开关接口电路图行程开关接153H 口的D7位 图3－9 步进电机选择计算步骤i=0; }作业题1：某加工中心机床转动坐标用步进电机有96个齿, 采用5相10拍方式驱动, 要求实现转动脉冲当量0.025度,1. 求步进电机的步矩角。

2. 试设计此传动系统,并画出结构原理。

3. 若工作台转动角速度为360度/分,求计算机发脉冲的频率。

作业题2：某数控机床的步进电机驱动系统，已知步进电机转子的齿数为80，三相六拍工作方式。

丝杠的导程值为6mm ，脉冲当量为0.01mm 。

求：1.步进电机的步距角；2.步进电机每转所需脉冲数；3.若驱动步进电机的脉冲频率f=2400次/s, 此时步进电机的转速，工作台运行的速度；4.设计该传动系统，画出传动结构原理图。

三．步进电机的选择选择步进电机有步距角（涉及到相数、齿数和拍数）、转矩（是工作状态的转矩）、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），1.5度/0.75度 （三相电机）等。

步距角的选择遵循公式（3－3）和（3－4）。

这样就选择了传动比，和丝杠螺距，蜗轮蜗杆，带轮等等机械传动一部分参数就确定了，另一些参数，如齿轮齿数模数后续再计算。

2．转矩的选择： 步进电机的动态转矩与频率有关，即图3－5矩频特性，一下子很难确定，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（转动惯量）和摩擦负载（摩擦力、切削力等）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。

一般情况下按恒速运行只要考虑摩擦负载，惯性负载作为后续验算：静力矩 M j ≥ （2－3）负载力矩M f （3－5） 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）。

运行频率: δ60V 1000f=（3－6）V –工件运行速度 m/min ,δ脉冲当量mm/步 。

通过f 可以用说明书查图3-5步进电机的动态转矩M d 。

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图3－9步骤。

4. 步进电机惯性负载的验算: 步进电机轴上总当量负载转动惯量J d 与电机轴自身转动惯量J m 的比值应控制一定范围内，取：1J J 41md ≤≤（3－7）如果比值太大，相当于J d 太大，J m 太小，则伺服系统的动态性能取决于负载，由于工作条件变化，如刹车，受力大小变化等，引起负载的阻尼，质量，刚度等变化，电机左右不了（把握不了）负载的动态变化，会使伺服系统不稳定，影响寿命，也产生误差。

如果比值太小，相当于J d 太小，J m 太大，则电机选择不合理，能力过剩，或传动系统不足，伺服系统的动态性能取决于电机。

所以根据（3－24）验算后，若不合理，修改机械传动部分的参数。

四. 选择题1．数控系统所规定的最小设定单位就是（ C ）。

A. 数控机床的运动精度B. 机床的加工精度C. 脉冲当量D. 数控机床的传动精度 2．步进电机的转速是通过改变电机的（ A ）而实现。