第1章_步进电机系统(2)
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绕组上 i U 0 (1 e t / ) 电流变化率 di / dt U0et / / L Ra Rc 升电流 上升时 间常数
u L /(Ra Rc )
下降时间常数
d L /(Ra Rc r)
13
下午5时30分
高低压驱动电路
单电压驱动电路
14
下午5时30分
6
下午5时30分
1. 环形脉冲分配器 作用与分类 作用：将数控装置发出的脉冲分配给步进电动机的各相输 入端， 使步进电动机各绕组按一定的顺序和时间通电和断 电，并使电机正转或反转。
硬件环形分配：I/O线少，速度高，专用集成电路 芯片； 环形分配器 软件环形分配：线路简化，灵活性大，成本低， I/O线多， 速度慢 硬件环形分配器 逻辑电路 CH250 三相反应式步进电机环形分配器的专用集成电路芯片 7
t
— 脉冲当量（mm）
17
下午5时30分
传动比选择： 为了凑脉冲当量mm，也为了增大传递的 扭矩，在步进电机与丝杆之间，要增加一对齿 轮传动副，那么，传动比i=Z1/Z2与α、 、t之 间有如下关系：
Z1 360 : 360 : i t Z2 t Z 1 360 360 20 Z 1 20 i 0.01 0.8 Z2 t 0.75 6 25 Z 2 25 i
方 向
1 2 3 4
1 2 3 4
0 0 0 1
0 1 1 1
1 1 0 0
转
正 转
逆 转 正
5
6
1
1
0
0
0
1
2A04H
2A05H
04H
05H
5
6
1
1
0
0
0
1
2A14H
2A15H
20H
28H
12
转
2、功率放大器（功率驱动器）
下午5时30分
作用及分类 作用：将环形分配器或I/O口输出的弱电信号放大，给步进电 机每相绕组提供脉冲励磁电流 按驱动方式：单压驱动、双压（高低压）驱动 功率放大器 按功率开关元件：功率晶体管驱动、晶闸管驱动 按控制方式：高低压定时控制、恒流斩波控制、 脉宽控制 （1）单电压与高低压驱动电路
提高步进电机开环系统传动精度的措施
适当提高系统组成环节的精度； 采取各种精度补偿措施。
20
下午5时30分
传动间隙补偿
在整个行程范围内测量传动机构传动间隙，取其平均值 存放在数控系统中的间隙补偿单元，当进给系统反向运动时， 数控系统自动将补偿值加到进给指令中，从而达到补偿的目 的。
螺矩误差补偿
16
下午5时30分
步进电机开环系统设计要解决的主要问题：
* 动力计算 * 传动计算 * 驱动电路设计或选择
目的：传动计算选择合适的参数以满足脉冲当量和进给速度 F的要求。
图中：f —脉冲频率（HZ ） α— 步距角 （度） Z1、Z2 — 传动齿轮齿数 t — 螺距(mm)
Z2
f，
步进电机 Z1
10
下午5时30分
（2）软件环形分配器 查表法原理（比较法、移位寄存器法等） 软件环形分配器控制流程框图
A PA0 PA1 PA2 PA3 8155 PA4 PA5 PA6 PA7 光电 隔离 电路 功率 放大 电路 B C a b c X
8031
Z
11
下午5时30分
两步进电机软件环形分配器输出状态表
J3L J3r J6r J6L -----分别为控制三拍、六拍工作的控制端 R、R*------确定初始励磁相；若为“10”，则为A相；若为 “01”，则为A、B相。环分工作时应为“00”状态。 CL、CN-----进给脉冲输入端，若EN=1，进给脉冲接CL,脉冲 上升沿使环形分配器工作；若CL=0，进给脉冲接EN,脉冲下降 沿使环形分配器工作。不符合上述规定则为环形分配器状态锁 定（保持）。
21
4
下午5时30分
4、fmax 的选择
选择步进电机的连续运行频率fmax 应能满足机床工作台 最高运行速度的要求。
f 1000 v / 60
v：进给速度(m/min)。
若要求工进时（ve，Te)，快进时（vk，Tk)，则选择步进电 动机（fe，T’e)和（fk，T’k)，使T’e > Te， T’k > Tk 。
下午5时30分
开环控制系统与步进电机驱动线路
一、系统构成
电脉冲机械角位移
大小 输入脉冲个数 速度 输入脉冲频率 方向：绕组Βιβλιοθήκη Baidu电顺序
1
下午5时30分
开环数控系统
没有位置测量装置，信号流是单向的（数控 装置→进给系统），故系统稳定性好。
脉冲频率f f、n 脉冲环 形分配 脉冲个数n 变换 换算
fq：空载启动频率（Hz) ，查电动机样本； fqF：设计要求的负载启动频率（Hz) ，TF未知时，取fqF =fq /2 ；
T：空载启动频率下由矩频特性决定的力矩（N.m），查曲线；
J：电机转子转动惯量，查电动机样本（N.m.s² )； JF：电机轴上的等效负载转动惯量（N.m.s² )； J1、J2、 J3 ：齿轮Z1、Z2及丝杠的转动惯量（N.m.s² )；
8
下午5时30分
+5V
YB015
A0 A1 E0 E1 E2 Vcc A B C D E + CP
+5V Z 向
PA0 PA1
8155 PA2 PA5 PA6 PA7 PA3 PA4 TMOUT
光电 隔离
功率 放大
R GND GND
YB013
A0 A1 E0 E1
E2 R Vcc A B C + CP
CNC 插补指令
A相、B 相 功率 放大 C相、…
机械执行部件
电机
2
下午5时30分 步进电机的伺服进 给传动示意图
二、步进电机的选择 1、步距角的选择 δ=Sθ / 360º i (mm / 脉冲） δ-脉冲当量 S –丝杠螺距 θ-步距角 （º ） i-电机与丝杠间的传动比， I是大于1的数 2、最大静态转距Tjmax 的选择 (F+μW)S ×10¯ ³ TF = (N.m) 2πηi F--运动方向的阻抗切削力 （N)
下午5时30分
E0
R A1 A0
E1 E2
G
1 2 3 4 5 6 7 8 9
18 17 16 15 14 13 12 11 10
YB013
1 选通输出控制 2 清零 A B 3，4 励磁方式控制 VCC A0=0, A1=0 三相单三拍 C A0=0, A1=1 三相双三拍 A0=1 三相六拍 5，6 选通输入控制 S + 9 接地 - 10 时钟输入（脉冲频率） CP 12，11 正、反转控制 13 出错报警输出 18，17，15 A，B，C相输出 16 电源
滚珠丝杆在数控机床应用广泛，虽然滚珠丝杆精度较高， 但是总不可做的绝对精确，总是将其精度控制在一定的范围 内的，也就是它的螺距总是存在着一定的误差的，利用计算 机的运算处理能力，可以补偿滚珠丝杠的螺矩累积误差，以 提高进给位移精度。
方法：首先测量出进给丝框螺距误差曲线(规律)，然后 可采用下列两种方法实现误差补偿：硬件补偿、软件补偿。
光电 隔离
功率 放大
X 向
GND
控制字 X X向E0 Z R Z向E0 PA4 PA3 PA2 PA1 PA0
9
16 15 14 13 12 11 10 9 UD J3L J3r C B A R* R CH250 J6r J6L 1 2 EN CL Us 3 4 5 6 7 8
下午5时30分
A、B、C--- A、B、C 相输出端 UD 、US---电源端
X向步进电机
节 拍 C PA2 0 0 0 1 B PA1 0 1 1 1 A PA0 1 1 0 0 存储单元 地址 2A00H 2A01H 2A02H 2A03H 内容 01H 03H 02H 06H 逆 方 向 节 拍 c
PA5
Z向步进电机
b
PA4
a
PA3
存储单元 地址 2A10H 2A11H 2A12H 2A13H 内容 08H 18H 10H 30H
例： = 0.01
t = 6 mm
α= 0.75°
18
下午5时30分
进给速度F：
F 60 f
mm min
f max 8000 ~ 16000 H Z
一般步进电机：
若：δ=0.01 mm
若 δ=0.001mm
则：
则：
Fmax 4800 ~ 9600 mm min
Fmax 480 ~ 960 mm min
因此，当 f max 一定时， Fmax 与δ成正比，故我们在谈到 步进电机开环系统的最高速度时，都应指明是在多大的脉冲 当量δ下的 否则是没有意义的。
19
下午5时30分
五、提高步进电机开环伺服系统传动精度的措施
影响步进电机开环系统传动精度的因素：
步进电机的步距角精度； 机械传动部件的精度； 丝杆等机械传动部件、支承的传动间隙； 传动件和支承件的变形。
5
下午5时30分
三、步进电动机的驱动及控制系统（驱动电源）
驱动及控制系统组成：环形脉冲分配器+功率放大器
对驱动电源的要求
（1）电源的相数、通电方式、电压、电流应与步进电机的 基本参数相适应； （2）能满足步进电机启动频率和运行频率的要求； （3）工作可靠，抗干扰能力强； （4）成本低，效率高，安装和维护方便。
μ—导轨摩擦系数
W—工件及工作台重量（N) η—齿轮和丝杠的总效率
I—减速比
TF≯（0.2~0.4) Tjmax(相数较多、突跳频率不高系数取大值 3
下午5时30分
3、启动频率fq的选择
f qF f q 1 TF / T 1 JF / J
J 2 J 3 W 180 2 J F J1 ( ) 2 i 981
（2）斩波驱动电路 三种驱动电路电流波形
斩波驱动电路
15
下午5时30分
四、开环系统设计
开环进给伺服系统(Open-Loop System)
不带位置测量反馈装置的系统； 驱动电机只能用步进电机；
主要用于经济型数控或普通机床的数控化改造
CNC
插补指令 脉冲频率f 脉冲个数n 换算
A’相、B’相 脉冲环 A相、B相 步进 f、n 功率 形分配 电机 放大 ’ 变换 C相、… C 相、…
u L /(Ra Rc )
下降时间常数
d L /(Ra Rc r)
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下午5时30分
高低压驱动电路
单电压驱动电路
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下午5时30分
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下午5时30分
1. 环形脉冲分配器 作用与分类 作用：将数控装置发出的脉冲分配给步进电动机的各相输 入端， 使步进电动机各绕组按一定的顺序和时间通电和断 电，并使电机正转或反转。
硬件环形分配：I/O线少，速度高，专用集成电路 芯片； 环形分配器 软件环形分配：线路简化，灵活性大，成本低， I/O线多， 速度慢 硬件环形分配器 逻辑电路 CH250 三相反应式步进电机环形分配器的专用集成电路芯片 7
t
— 脉冲当量（mm）
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下午5时30分
传动比选择： 为了凑脉冲当量mm，也为了增大传递的 扭矩，在步进电机与丝杆之间，要增加一对齿 轮传动副，那么，传动比i=Z1/Z2与α、 、t之 间有如下关系：
Z1 360 : 360 : i t Z2 t Z 1 360 360 20 Z 1 20 i 0.01 0.8 Z2 t 0.75 6 25 Z 2 25 i
方 向
1 2 3 4
1 2 3 4
0 0 0 1
0 1 1 1
1 1 0 0
转
正 转
逆 转 正
5
6
1
1
0
0
0
1
2A04H
2A05H
04H
05H
5
6
1
1
0
0
0
1
2A14H
2A15H
20H
28H
12
转
2、功率放大器（功率驱动器）
下午5时30分
作用及分类 作用：将环形分配器或I/O口输出的弱电信号放大，给步进电 机每相绕组提供脉冲励磁电流 按驱动方式：单压驱动、双压（高低压）驱动 功率放大器 按功率开关元件：功率晶体管驱动、晶闸管驱动 按控制方式：高低压定时控制、恒流斩波控制、 脉宽控制 （1）单电压与高低压驱动电路
提高步进电机开环系统传动精度的措施
适当提高系统组成环节的精度； 采取各种精度补偿措施。
20
下午5时30分
传动间隙补偿
在整个行程范围内测量传动机构传动间隙，取其平均值 存放在数控系统中的间隙补偿单元，当进给系统反向运动时， 数控系统自动将补偿值加到进给指令中，从而达到补偿的目 的。
螺矩误差补偿
16
下午5时30分
步进电机开环系统设计要解决的主要问题：
* 动力计算 * 传动计算 * 驱动电路设计或选择
目的：传动计算选择合适的参数以满足脉冲当量和进给速度 F的要求。
图中：f —脉冲频率（HZ ） α— 步距角 （度） Z1、Z2 — 传动齿轮齿数 t — 螺距(mm)
Z2
f，
步进电机 Z1
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下午5时30分
（2）软件环形分配器 查表法原理（比较法、移位寄存器法等） 软件环形分配器控制流程框图
A PA0 PA1 PA2 PA3 8155 PA4 PA5 PA6 PA7 光电 隔离 电路 功率 放大 电路 B C a b c X
8031
Z
11
下午5时30分
两步进电机软件环形分配器输出状态表
J3L J3r J6r J6L -----分别为控制三拍、六拍工作的控制端 R、R*------确定初始励磁相；若为“10”，则为A相；若为 “01”，则为A、B相。环分工作时应为“00”状态。 CL、CN-----进给脉冲输入端，若EN=1，进给脉冲接CL,脉冲 上升沿使环形分配器工作；若CL=0，进给脉冲接EN,脉冲下降 沿使环形分配器工作。不符合上述规定则为环形分配器状态锁 定（保持）。
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下午5时30分
4、fmax 的选择
选择步进电机的连续运行频率fmax 应能满足机床工作台 最高运行速度的要求。
f 1000 v / 60
v：进给速度(m/min)。
若要求工进时（ve，Te)，快进时（vk，Tk)，则选择步进电 动机（fe，T’e)和（fk，T’k)，使T’e > Te， T’k > Tk 。
下午5时30分
开环控制系统与步进电机驱动线路
一、系统构成
电脉冲机械角位移
大小 输入脉冲个数 速度 输入脉冲频率 方向：绕组Βιβλιοθήκη Baidu电顺序
1
下午5时30分
开环数控系统
没有位置测量装置，信号流是单向的（数控 装置→进给系统），故系统稳定性好。
脉冲频率f f、n 脉冲环 形分配 脉冲个数n 变换 换算
fq：空载启动频率（Hz) ，查电动机样本； fqF：设计要求的负载启动频率（Hz) ，TF未知时，取fqF =fq /2 ；
T：空载启动频率下由矩频特性决定的力矩（N.m），查曲线；
J：电机转子转动惯量，查电动机样本（N.m.s² )； JF：电机轴上的等效负载转动惯量（N.m.s² )； J1、J2、 J3 ：齿轮Z1、Z2及丝杠的转动惯量（N.m.s² )；
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下午5时30分
+5V
YB015
A0 A1 E0 E1 E2 Vcc A B C D E + CP
+5V Z 向
PA0 PA1
8155 PA2 PA5 PA6 PA7 PA3 PA4 TMOUT
光电 隔离
功率 放大
R GND GND
YB013
A0 A1 E0 E1
E2 R Vcc A B C + CP
CNC 插补指令
A相、B 相 功率 放大 C相、…
机械执行部件
电机
2
下午5时30分 步进电机的伺服进 给传动示意图
二、步进电机的选择 1、步距角的选择 δ=Sθ / 360º i (mm / 脉冲） δ-脉冲当量 S –丝杠螺距 θ-步距角 （º ） i-电机与丝杠间的传动比， I是大于1的数 2、最大静态转距Tjmax 的选择 (F+μW)S ×10¯ ³ TF = (N.m) 2πηi F--运动方向的阻抗切削力 （N)
下午5时30分
E0
R A1 A0
E1 E2
G
1 2 3 4 5 6 7 8 9
18 17 16 15 14 13 12 11 10
YB013
1 选通输出控制 2 清零 A B 3，4 励磁方式控制 VCC A0=0, A1=0 三相单三拍 C A0=0, A1=1 三相双三拍 A0=1 三相六拍 5，6 选通输入控制 S + 9 接地 - 10 时钟输入（脉冲频率） CP 12，11 正、反转控制 13 出错报警输出 18，17，15 A，B，C相输出 16 电源
滚珠丝杆在数控机床应用广泛，虽然滚珠丝杆精度较高， 但是总不可做的绝对精确，总是将其精度控制在一定的范围 内的，也就是它的螺距总是存在着一定的误差的，利用计算 机的运算处理能力，可以补偿滚珠丝杠的螺矩累积误差，以 提高进给位移精度。
方法：首先测量出进给丝框螺距误差曲线(规律)，然后 可采用下列两种方法实现误差补偿：硬件补偿、软件补偿。
光电 隔离
功率 放大
X 向
GND
控制字 X X向E0 Z R Z向E0 PA4 PA3 PA2 PA1 PA0
9
16 15 14 13 12 11 10 9 UD J3L J3r C B A R* R CH250 J6r J6L 1 2 EN CL Us 3 4 5 6 7 8
下午5时30分
A、B、C--- A、B、C 相输出端 UD 、US---电源端
X向步进电机
节 拍 C PA2 0 0 0 1 B PA1 0 1 1 1 A PA0 1 1 0 0 存储单元 地址 2A00H 2A01H 2A02H 2A03H 内容 01H 03H 02H 06H 逆 方 向 节 拍 c
PA5
Z向步进电机
b
PA4
a
PA3
存储单元 地址 2A10H 2A11H 2A12H 2A13H 内容 08H 18H 10H 30H
例： = 0.01
t = 6 mm
α= 0.75°
18
下午5时30分
进给速度F：
F 60 f
mm min
f max 8000 ~ 16000 H Z
一般步进电机：
若：δ=0.01 mm
若 δ=0.001mm
则：
则：
Fmax 4800 ~ 9600 mm min
Fmax 480 ~ 960 mm min
因此，当 f max 一定时， Fmax 与δ成正比，故我们在谈到 步进电机开环系统的最高速度时，都应指明是在多大的脉冲 当量δ下的 否则是没有意义的。
19
下午5时30分
五、提高步进电机开环伺服系统传动精度的措施
影响步进电机开环系统传动精度的因素：
步进电机的步距角精度； 机械传动部件的精度； 丝杆等机械传动部件、支承的传动间隙； 传动件和支承件的变形。
5
下午5时30分
三、步进电动机的驱动及控制系统（驱动电源）
驱动及控制系统组成：环形脉冲分配器+功率放大器
对驱动电源的要求
（1）电源的相数、通电方式、电压、电流应与步进电机的 基本参数相适应； （2）能满足步进电机启动频率和运行频率的要求； （3）工作可靠，抗干扰能力强； （4）成本低，效率高，安装和维护方便。
μ—导轨摩擦系数
W—工件及工作台重量（N) η—齿轮和丝杠的总效率
I—减速比
TF≯（0.2~0.4) Tjmax(相数较多、突跳频率不高系数取大值 3
下午5时30分
3、启动频率fq的选择
f qF f q 1 TF / T 1 JF / J
J 2 J 3 W 180 2 J F J1 ( ) 2 i 981
（2）斩波驱动电路 三种驱动电路电流波形
斩波驱动电路
15
下午5时30分
四、开环系统设计
开环进给伺服系统(Open-Loop System)
不带位置测量反馈装置的系统； 驱动电机只能用步进电机；
主要用于经济型数控或普通机床的数控化改造
CNC
插补指令 脉冲频率f 脉冲个数n 换算
A’相、B’相 脉冲环 A相、B相 步进 f、n 功率 形分配 电机 放大 ’ 变换 C相、… C 相、…