数控技术5.2

第二节 开环步进伺服系统
为进一步了解 步进电机的工作原 理，以右图为例来 说明其转动的整个 过程， 过程，假设转子上 有四个齿， 有四个齿，相邻两 齿间夹角（齿距角） 齿间夹角（齿距角） 为900。当A相通电 转子1 时，转子1、3齿被 磁极A 磁极A产生的电磁引 力吸引过去， 力吸引过去，使1、 齿与A相磁极对齐。 3齿与A相磁极对齐。
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2. 静态转矩与矩角特性 当步进电机上某相定子绕组通电之后， 当步进电机上某相定子绕组通电之后，转子齿将力求与定子齿 ）。如果 对齐，使磁路中的磁阻最小，转子处在平衡位置不动（ 对齐，使磁路中的磁阻最小，转子处在平衡位置不动（θ＝0）。如果 在电机轴上外加一个负载转矩Mz，转子会偏离平衡位置向负载转矩方 角度, 称为失调角 失调角。 向转过一个角度θ角度,θ称为失调角。 有失调角之后，步进电机就产生一个静 有失调角之后，步进电机就产生一个静 态转矩（也称为电磁转矩）， ），这时静态 态转矩（也称为电磁转矩），这时静态 转矩等于负载转矩。 转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角 的关系叫矩角特性 如右图所示， 矩角特性， θ的关系叫矩角特性，如右图所示，近 似为正弦曲线。 似为正弦曲线。该矩角特性上的静态转 矩最大值称为最大静转矩。 矩最大值称为最大静转矩。在静态稳定 区内，当外加负载转矩除去时， 区内，当外加负载转矩除去时，转子在 电磁转矩作用下， 电磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点 位置（ 位置（θ＝0）。
第二节 开环步进伺服系统
步进电机在结构上分 步进电机在结构上分 为定子和转子两部分， 为定子和转子两部分，现 以右图所示的反应式三相 以右图所示的反应式三相 步进电机为例加以说明 为例加以说明。 步进电机为例加以说明。 定子上有六个磁极， 定子上有六个磁极，每个 磁极上绕有励磁绕组， 磁极上绕有励磁绕组，每 相对的两个磁极组成一相， 相对的两个磁极组成一相， 分成A 三相。 分成A、B、C三相。转子无 绕组， 绕组，它是由带齿的铁心 图5-12 三相反应式步进电机结构 做成的。 做成的。
第二节 开环步进伺服系统
一、步进电机工作原理 步进电机伺服系统是典型的开环控制系统， 步进电机伺服系统是典型的开环控制系统，在此系 典型的开环控制系统 统中，步进电机受驱动线路控制， 进给脉冲序列转换 统中，步进电机受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换 成为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通 成为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移， 机械转角位移 过齿轮和丝杠带动工作台移动。进给脉冲的频率代表了 脉冲的频率 过齿轮和丝杠带动工作台移动。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 速度， 数量代表了位移量， 运动方向是由 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， 各相通电顺序来决定 步进电机的各相通电顺序来决定，并且保持电机各相通 电状态就能使电机自锁。 电状态就能使电机自锁。但由于该系统没有反馈检测环 其精度主要由步进电机来决定， 节，其精度主要由步进电机来决定，速度也受到步进电 机性能的限制。 机性能的限制。
第二节 开环步进伺服系统
步进电机是按电磁吸引的原理进行工作的。 步进电机是按电磁吸引的原理进行工作的。当定 电磁吸引的原理进行工作的 子绕组按顺序轮流通电时， 子绕组按顺序轮流通电时，A、B、C三对磁极就依次 产生磁场，并每次对转子的某一对齿产生电磁引力， 产生磁场，并每次对转子的某一对齿产生电磁引力， 将其吸引过来，而使转子一步步转动。 将其吸引过来，而使转子一步步转动。每当转子某一 对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时，磁阻最小， 对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时，磁阻最小， 转矩为零。 转矩为零。如果控制线路不停地按一定方向切换定子 绕组各相电流，转子便按一定方向不停地转动。 绕组各相电流，转子便按一定方向不停地转动。步进 电机每次转过的角度称为步距角 步距角， 电机每次转过的角度称为步距角，记为 α 。
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6. 矩频特性与动态转矩 矩频特性是 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（见下图）， ），该特性上每一个频率 连续运行频率之间的关系（见下图），该特性上每一个频率 对应的转矩称为动态转矩。当步进电机正常运行时， 称为动态转矩 对应的转矩称为动态转矩。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。 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。 在使用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下 在使用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下 的特点。 降的特点。
第二节 开环步进伺服系统
采用三相双三拍控制方式，即通电顺序按AB→BC→CA→AB（逆 采用三相双三拍控制方式，即通电顺序按AB→BC→CA→AB（ 三相双三拍控制方式 AB→BC→CA→AB 时针方向） AC→CB→BA→AC（顺时针方向）进行， 时针方向）或AC→CB→BA→AC（顺时针方向）进行，其步距角仍为 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 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。如果按A→AB→B→BC→C→CA→A A→AB→B→BC→C→CA→A顺序 绕组通电，所以工作比较稳定。如果按A→AB→B→BC→C→CA→A顺序 通电，即首先A相通电，然后A相不断电， 相再通电， 通电，即首先A相通电，然后A相不断电，B相再通电，即A、B两相同 时通电，接着A相断电而B相保持通电状态，然后再使B、C两相通电， 时通电，接着A相断电而B相保持通电状态，然后再使B 两相通电， 依次类推，每切换一次，步进电机逆时针转过15 15° 依次类推，每切换一次，步进电机逆时针转过15°。如通电顺序改为 A→AC→C→CB→B→BA→A，则步进电机以步距角15°顺时针旋转。 步距角15 A→AC→C→CB→B→BA→A，则步进电机以步距角15°顺时针旋转。这 种控制方式为三相六拍 它比三相三拍控制方式步距角小一半， 三相六拍， 种控制方式为三相六拍，它比三相三拍控制方式步距角小一半，因而 精度更高， 转换过程中始终保证有一个绕组通电，工作稳定， 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 这种方式被大量采用。 这种方式被大量采用。 实际应用的步进电机， 实际应用的步进电机，转子铁心和定子磁极上均有齿距相等的 小齿，且齿数要有一定比例的配合。 小齿，且齿数要有一定比例的配合。
图5-14 静态矩角特性
第二节 开环步进伺服系统 3.最大启动转矩 3.最大启动转矩
右下图为三相单三拍矩角特性曲线，图中的A 右下图为三相单三拍矩角特性曲线，图中的A、B分别是相邻A相 图为三相单三拍矩角特性曲线 分别是相邻A 相的静态矩角特性曲线，它们的交点所对应的转矩是步进电机的最 和B相的静态矩角特性曲线，它们的交点所对应的转矩是步进电机的最 大启动转矩。如果外加负载转矩大于它，电机就不能启动。如图所示, 大启动转矩。如果外加负载转矩大于它，电机就不能启动。如图所示, 相通电时， 当A相通电时，若外加负载 转矩， 转矩，对应的失调角 θ ， 当励磁电流由A相切换到B 当励磁电流由A相切换到B 相时， 相时，对应角 θ ，B相的静 转矩为M 从图中看出, 转矩为M 。从图中看出, 电机不能带动负载做步进 运动，因而启动转矩是电 运动，因而启动转矩是电 机能带动负载转动的极限 转矩。 转矩。
A M B C Mjmax
图5-15 步进电机的启动转矩
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4. 启动频率 空载时，步进电机由静止状态突然起动， 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，称为启动频率 突跳频率， 启动频率或 步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率，加给 步进电机的指令脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工作。 步进电机的指令脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工作。 步进电机在带负载（尤其是惯性负载） 步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率比空载 要低。而且，随着负载加大（在允许范围内）， ），启动频率会 要低。而且，随着负载加大（在允许范围内），启动频率会 进一步降低。 进一步降低。 5. 连续运行频率 步进电机起动后， 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，称为连续运行频率 连续运行频率。 续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。其值 远大于启动频率，它也随着电机所带负载的性质和大小而异， 远大于启动频率，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。 与驱动电源也有很大关系。
图5-13 步进电机工作原理
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接着B相通电， 相断电，磁极B又把距它最近的一对齿 接着B相通电，A相断电，磁极B又把距它最近的一对齿 吸引过来，使转子按逆时针方向转动30 然后C相通电， 2 、 4 吸引过来 ， 使转子按逆时针方向转动 30o 。 然后 C 相通电， B 相 断 电 ， 转 子 又 逆 时 针 旋 转 30o ， 依 次 类 推 ， 定 子 按 A→B→C→A顺序通电 转子就一步步地按逆时针方向转动， 顺序通电， A→B→C→A 顺序通电 ， 转子就一步步地按逆时针方向转动， 每步转30 若改变通电顺序， A→C→B→A使定子绕组通电 使定子绕组通电， 每步转30o。若改变通电顺序，按A→C→B→A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30 步进电机就按顺时针方向转动，同样每步转30o。这种控制方 式叫三相单三拍方式 三相单三拍方式， 是指每次只有一相绕组通电， 式叫三相单三拍方式， “单 ”是指每次只有一相绕组通电， 三拍”是指每三次换接为一个循环。 “ 三拍 ” 是指每三次换接为一个循环。 由于每次只有一相绕 组通电， 切换瞬间将失去自锁转矩，容易失步 另外， 失步， 组通电 ， 在 切换瞬间将失去自锁转矩， 容易 失步， 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， 有一相绕组通电，易在平衡位置附近产生振荡， 稳定性不佳， 故实际应用中不采用单三拍工作方式。 故实际应用中不采用单三拍工作方式。
M
f 图5-16 矩频特性
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三、步进电机功率驱动 步进电机驱动线路完成由弱电到强电的转换和放大， 步进电机驱动线路完成由弱电到强电的转换和放大，也 完成由弱电到强电的转换和放大 就是将具有一定频率、一定数量和方向的进给脉冲 进给脉冲转换成控 就是将具有一定频率、一定数量和方向的进给脉冲转换成控 电平信号。 制步进电机各相定子绕组通断电的电平信号 制步进电机各相定子绕组通断电的电平信号。驱动控制电路 由环形分配器和功率放大器组成。环形分配器是用于控制步 由环形分配器和功率放大器组成。环形分配器是用于控制步 进电机的通电方式的， 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 令脉冲按照一定的顺序和分配方式加到功率放大器上， 令脉冲按照一定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。 各相绕组的通电、断电。环形分配器功能可由硬件或软件产 生，硬件环形分配器是根据步进电机的相数和控制方式设计 数控机床上常用三相、四相、五相及六相步进电机。 的，数控机床上常用三相、四相、五相及六相步进电机。
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第二节 开环步进伺服系统
二、步进电机的主要性能指标 1. 步距角和步距误差 步距角和步进电机的相数、通电方式及电机转子齿数的关系如下： 步距角和步进电机的相数、通电方式及电机转子齿数的关系如下：
式中
360 o α＝ KmZ 步进电机的步距角； ： α —步进电机的步距角；
电机相数； 转子齿数； m—电机相数； Z—转子齿数； 系数，相邻两次通电相数相同， K—系数，相邻两次通电相数相同，K＝1； 相邻两次通电相数不同， 相邻两次通电相数不同，K＝2。 同一相数的步进电机可有两种步距角，通常为1.2/0.6、 同一相数的步进电机可有两种步距角，通常为1.2/0.6、 1.2/0.6 是指步进电机运行时 1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等 步距误差是指步进电机运行时， 度等。 1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。步距误差是指步进电机运行时， 转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差值。连续走若干步时， 转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差值。连续走若干步时， 上述步距误差的累积值称为步距的累积误差。 上述步距误差的累积值称为步距的累积误差。由于步进电机转过一 转后，将重复上一转的稳定位置， 转后，将重复上一转的稳定位置，即步进电机的步距累积误差将以 一转为周期重复出现。 一转为周期重复出现。