1、数控装置环形分配器指令脉冲步进电动机功率放大器电源步进电动机齿轮箱工作台 步进驱动系统没有位置反馈回路与速度反馈回路，一步进驱动系统没有位置反馈回路与速度反馈回路，一般用于对速度和精度要求不高的中、小型经济型数控机床般用于对速度和精度要求不高的中、小型经济型数控机床上。上。第一节概述一、伺服系统组成图3-1进给位置伺服系统功能框图1高精度（输出量能复现输入量的精确程度）数控机床对进给伺服系统的要求有：主要内容2稳定性好（抗干扰能力）3响应速度快（系统跟踪精度）4电机调速范围宽（最高转速和最低转速比）5低速大转矩6可靠性高(对环境的适应性)二、数控机床对伺服系统的基本要求的定子合工作。定子转子定
2、子绕组一、步进电机工作原理一、步进电机工作原理按电磁吸引原理工作（以反应式步进电机为例）反应式步进电机主要内容 上有磁极，每个磁极上有激磁绕组，转子无绕组，有周向均布的齿，依靠磁极对齿的吸第二节步进电动机伺服系统AIA定子IBBIC两个相对的磁极组成一相主要内容转子步进电机的工作方式(通电顺序)可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。主要内容（1）三相绕组联接方式：Y 型（2）三相绕组中的通电顺序为：A相 B相 C相通电顺序也可以为：A相 C相 B相1234主要内容CBBC4A13A2ACB BC34A12BCCBAA2、4齿和B相轴线对齐A相通电使转子1、3齿和 AA对齐C相通电，转
3、子1、3齿和C相轴线对齐个电三相单 三拍的特点：（1）每来一主要内容脉冲，转子转过 30。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序。（3）每次定子绕组只有一相通电，在切换瞬间失去自锁转矩，容易产生失步，只有一相绕组产生力矩吸引转子，在平衡位置易产生振荡。2）三相六拍工作方式通电顺序为：AABBBCCCAA 六拍。212341231443CBBCA4132CBBCA3412CBBCA3412ACBBCAAACBBCAAACBBCAAA通电AB通电B通电BC通电CA通电C通电通电顺序主要内容AABBBCCCAA（逆时针）AACCBCBBAA（顺时针）每步转过15，步距角是三相三拍工作方式的一半
4、，特点：电机运转中始终有一相定子绕组通电，运转比较平稳。3)双三拍工作方式主要内容ABBCCAAB（转子逆时针旋转）ACCBBA（转子顺时针旋转）有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，每步仍旋转30。特点：始终有一相定子绕组通电，工作比较平稳。避免了单三拍通电方式的缺点360齿，定实际上步进电机转子齿数很多，齿数与步距角关系？例如：转子40个主要内容 子仍是 3对磁极，三相六拍。问步距角是多少？=1.5o40 3 2=360主要内容omzk=m定子相数；z转子齿数；k通电系数，m相m拍，k1；m相2m拍，k2。一般很小，如：31.5，1.50.75，0.720.36等步进电机的主要特性1步距角
5、每给一个脉冲信号，电机转子转过角度的理论值。CAOBM qa2矩角特性、最大静态转矩Mjmax和启动转矩Mq静态：不改变步进电机通电状态，转子处在不动状态。主要内容在载荷方向上转过一个角度（失调角），转子因而受到一个电磁转矩Mj的作用与负载平衡。矩角特性：步进电机单相通电的静态转矩Mj随失调角的M jM j max3启动频率fq和启动时的惯频特性跳频率启动并进入不丢步的正常运行状态所允许的最高频率。高于启动频率，将不能正常起动。启动时的惯频特性：是指电机带动纯惯性负载时启动频率和负载转动惯量之间的关系。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。T/(N?m)4812141620
6、of/kHz升而不4运行矩频特性连续运行频率：步进电机启动后，其运行速度能跟踪指令脉冲频率连续上主要内容 丢步的最高工作频率。其值远大于启动频率。运行矩频特性：是描述步进电机在连续运行时，输出转矩与连续运行频率之间的关系。15105步进电机的分类主要内容有三、四、五、六相等，相数越多，步距角越小。通电方式采用m相m拍、双m拍和m相2m拍，m相m拍和m相2m拍通电方式中，可采用一/二相、二三相转换通电，如五相步进电机，五相十拍的二三相转换方式：ABABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEAB主 间磁2根据产生力矩的原理分类根据定子与转子要内容 场建立方式，可分：反应式、永磁式、混合式。3根据结
7、构分类步进电机可制成轴向分相式（多段式）、径向分相式（单段式）环形分配器功率放步进电机的环形分配器主要AB大 C器二、步进电动机伺服系统驱动控制电路步进电机的环形分配器主要将数控装置送来的一串指令脉冲，按步进电机所要求的通电顺序分配给步进电机驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的通断，实现步进电机的运行及换向。环形分配的功能可由硬件或软件的方法来实现，分别称为硬件环形分配器和软件环形分配器。CNC装置电源环形分配器A相驱动B相驱动C相驱动CLKDIRFULL/HALFM硬件环形分配驱动与数控装置的连接方向控制信号1硬件环形分配器可由D触发器或JK触发器构成，亦可用专用集成芯片或主要内容CH25
8、0是国产三相反应式步进电机环形分配器专用集成电路芯片，通过控制端的不同接法可组成三相双三拍和三相六拍的工作方 内容主要式16 15 14 13 12 11 10 9UD J3L J3rJ6r J6L123C BCH25045R*RACCL CH250 B910712J6rJ6LJ3r J3L US14 15 813121116UD EN6+12V1F100kCP1方向A R*REN CL US867三相六拍接线图线路简2软件环形分配器编制不同的环形分配程序，直接驱动步进电机各绕组的通、断电。可使主要内容 化，成本下降，可灵活地改变步进电机的控制方案。PIOPA 0PA 1PA 2PA 3PA
9、4PA 5光电耦合器光电耦合器放大放大X 向步进电机Z 向步进电机abcABC16进制已知技 术条件：通电方式为三相六拍P1口的输出线P1.x为“1”时，步进电机相应的绕组通电，P1.x为“0”时，则相应绕组失电。（P1口高4位值为0）要求：列出X坐标步进电机绕组通电顺序表；设计X正向走步的软件环形分配程序。用mcs-51单片机控制某机床x坐标工作台运动。2100：MOV DPTR，#2A00HMOV R0，#00LOOP：MOV A，R0MOVC A，A+DPTRMOV P1，ALCALL 1000INC R0CJNE R0，#06H，LOOPAJMP 2100DB 01H，03H，02H，
10、06H，04H，05H1000：MOV R3，#FFDT1：MOV R4，#FFDT2：DJNZ R4，DT2DJNZ R3，DT1RET步进电机的速度控制内容 步进电机转速 工作台的进给速度V。硬件环分：控制CLK的频率，控制电机的速度。软件环分：控制相邻两次软件环分状态之间的延时，可控制电机线圈通电状态的变化频率。主要内容功率放大电路作用：是将环形分配器或微处理机送来的弱电信号变为强电信号，以得到步进电机控制绕组所需要的脉冲电流及所需要的脉冲波形。种类：按采用的功率放大器件分：中功率晶体管、大功率晶体管、大功率达林顿晶体管、可控硅等；按工作原理分：单电压驱动、高低电压驱动、恒流斩波、调频调
11、压、细分电路等。步进电机有几相，就需要几组功率放大电路。1高低电压切换驱动电路主要内容低压供电，维持绕组中的电流为额定值。2恒流斩波电路特点：电流值降到下限设定值时，高压功率管导通，绕组电流上升，上升到上限设定值时，关断高压管。一个步进周期内，高压管多次通断，使电流在上、下限间波动，接近恒定值。3调频调压驱动电路段运行时，供电电压升高。即供电电压随步进电机转速的增加而升高。既解决了低频振荡问题，也保证了高频运行时的输出转矩4细分驱动电路将绕组中的矩形电流波变成阶梯形电流波，控制电机各相绕组电流的大小和比例。三、改善步进电动机工作性能的措施1.高低压供电定时切换线路图3-9高低压驱动放大电路2.
12、PWM恒流驱动电路 PWM恒流驱动电路即晶体管脉冲宽度调制型伺服驱动电源(见本章第三节详细介绍)。采用上述驱动电路，一方面提高了驱动的可靠性，同时，利用它的恒流作用，使流过步进电动机绕组的电流经常保持在较高的电流值上，提高了电动机输出转矩，最大限度地改善步进电动机的矩频特性。3.细分驱动电路图3-10细分前后角位移波形图一、常用直流伺服电动机及其特点 这类电动机又分为无槽圆柱体电枢结构和带印制绕组的盘形电枢结构两种。因为小惯量直流电动机最大限度的减少了电枢转动惯量，所以能获得最好的快速性，其主要特点是：其转动惯量仅为普通直流电动机的1/10左右，且转子无槽，电气机械性能良好，使其在低速时运转稳
13、定而均匀，如在转速达10r/min时，仍无爬行现象。此外该电动机电枢反应小，调速范围广而平滑，具有良好的换向性能。因此小惯量直流电动机在早期的数控机床上得到广泛的应用。第三节直流电动机速度控制1.小惯量直流电动机2.宽调速直流电动机 由于小惯量直流电动机是以减小电动机转动惯量来改善其工作特性的，而在实际中机床惯量相对很大，所以使用效果并不十分理想。而宽调速直流电动机是用提高转矩的方法来改善调速性能，故在闭环伺服系统中应用更广泛。3.无刷直流电动机 该电动机又叫无整流子电动机。它没有换向器，是由同步电动机和逆变器组成的，而逆变器是由装在转子上的转子位置传感器控制的。因此它实质上是交流调速电动机的
14、一种。由于这种电动机的性能达到直流电动机的水平，又取消了换向器及电刷部件，使电动机寿命提高了一个数量级，因此引起了人们很大的兴趣。速度要主要内容常用于大功率及要求不很高的直流伺服电机调速控制。调节器电流调节器触发脉冲发生器可控硅整流器电流反馈速度反馈电流检测编码器电机U*n-+UnInI*n主 内容+-US速度环（PI）：速度调节，作用：好的静态、动态特控制 性。回路 电流环（P或PI）：电流调节，作用：系统快速性、稳定性改善。触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移主回路：可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。或后移。二、晶闸管调速系统462791113581210ABCU
15、MUDKMKMM+-主回路由大功率晶闸管构成的三相全控桥式反并接可逆电路，分成二大部分（和 ），每部分内按三相桥式连接，二组反并接，分别实现正转 和反转。各有一个可控硅同时导通，形成回路。1、3、5在正半周导通，2、4、6在负半周导通。每组内（即二相间）触发脉冲相位相差120，触发脉冲的顺序：1-2-3-4-5-6，相邻之间相位差60。为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通，或已截止的相再次导通，采用双脉冲控制。即每个触发脉冲在导通60后，再补发一个辅助脉冲；也可以采用宽脉冲控制，宽度大于60，小于120。只要改变可控硅触发角（即改变导通角），就能改变可控硅的整流输出电压，从而改变直流伺服电机的
16、转速。触发脉冲提前，增大整流输出电压；触发脉冲延后，减小整流输出电压。uaccaba)b)c)d)13 b5tub426bactttt12323454161232345631546120120180260132416066056同步信号方波信号矩齿波矩齿波与直流电压叠加信号尖脉冲直流电压控制回路分析周期不变脉宽脉宽脉宽脉宽平均直流电压利用大功率晶体管的开关作用，将直流电压转换成一定频加到直方波脉冲宽度来改变电枢的平均电压，从而调节电机的转速。控制电路简单，不需附加关断电路，开关特性好。广泛应用中、小功率直流伺服系统。Ut周期不变三、PWM脉宽调制原理与系统MtttT TonUEaIaUEaUa
17、VDIa主要内容-+EaTonT直流电机电压的平均值:U a =Ea =T01TT脉冲周期，Ton导通时间主要内容速度调节器功放振荡器电流调节器M速度指令脉宽调制（PWM）系统组成：三相交流电整流电流反馈速度反馈基极USC 驱动UUsr脉宽调制Ub控制回路：速度调节器；电流调节器；固定频率振荡器及三角波发生器；脉宽调制器和基极驱动电路。区别：与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器。脉宽调制器作用：将电压量转换成可由控制信号调节的矩形脉冲，为功率晶体管的基极提供一个宽度可由速度指令信号调节的脉宽电压。组成：调制信号发生器（三角波和锯齿波两种）和比较放
18、大器。原理：以三角波发生器为例介绍+USCR3R1R1R2SrttU 速度指令转化过 U 来的直流电压 U SrU-三角波USC-脉宽调制器的输出（USr+U）调制波形图USr +U+U So ro-U S rttUSr为正时USr为负时+12V-12VUSr+UttUSr为0时调制出正负脉宽一样 调制出脉宽较宽的 调制出脉宽较窄的方波平均电压为0 波形平均电压为正 波形平均电压为负开关功率放大器结构：有两种形式：H型（桥式）、T型。每种电路又有单极性工作方式和双极性工作方式，各种不同的工作方式又可组成可逆开关放大电路和不可逆开关放大电路。USBAD1D2D3D4MT1T2T4T3UABOUd
19、tt主回路：可逆H型双极式PWM开关功率放大器电路图:4个大功率晶体管T1、T2、T3、T4及4个续流二极管组成桥式电路。Ub1、Ub2、Ub3、Ub4为调制器输出的经脉冲分配、由基极驱动转换过来的脉冲电压。分别加到T1、T2、T3、T4基极。Ub1Ub 4OUb2Ub3t1TUS-USOtidid1id2id1id2tOABD2D4MT2T4UdUAB USO-USttid1id2 id1 id2idO电机正转、反转、停止：由正、负驱动电压脉冲宽窄定。当正脉冲较宽时，即t1T/2，平均电压为正，电机正转；当正脉冲较窄时，即t1U a1 U a2TNnNT如果n值较大，不可能较小，因此，进给系
20、统常 n02采用永磁式直流电机。主要轴T N1N2TOn02n01n0N调节磁通（调磁调速）不但改变了电机的理想转速，而且使直流电机机械特性变软，所以调磁调速主要用于机床主内容电机调速。nn2n1nNN 12用直线直线电机的特点：机床进给系统采主要内容 电机直接驱动，与原旋转电机传动方式的最大区别是：取消了从电机到工作台（拖板）之间的机械中间传动环节，即把机床进给传动链的长度缩短为零，故这种传动方式称为“直接驱动”，也称“零传动”。直接驱动避免了丝杠传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚性不足等缺点。高速响应性、高精度性；速度快、加减速过程短；主 容效率高；动态刚度高；推力平稳；行程长度不受限制；
21、采用全闭环控制系统。直线电机在机床上的应用也存在一些问题：发热问题、隔磁与防护、负载干扰、垂直自重等。优点：二、直线电动机应用1.永磁直线同步电动机在精密加工上的应用 为了提高生产力和改善加工质量，超高速、超高精度加工是关键技术。目前对数控机床的进给速度要求已从68mmin提高到大于5060mmin，加速度要求达到15g，这个指标对具有中间传动和变换环节的传统进给驱动系统是无法实现的。在精密控制系统中，要实现精密跟踪，必须使控制系统尽量线性化，而大力矩低转速的旋转电动机由于极数多、直径大、电刷多，产生的摩擦力矩和惯量大，使控制系统成为严重的非线性，且还需经过丝杠等转换为直线运动，使精度降低和误
22、差增大，因而需要寻找一种新的执行元件，这就使得新一代直线电动机进给驱动系统应运而生。2.直线直流伺服电动机在机床上的应用实例图3-52直线电动机伺服结构图三、直接驱动技术的发展1.传统的驱动方式由第一节图3-1所示，传统的驱动方式由伺服电动机的旋转运动+滚珠丝杠+直线导轨=直线运动。这种驱动模式已相当成熟，在数控机床的坐标进给驱动方式中得到广泛的应用。尤其是高性能的滚珠丝杠、直线导轨的出现，进一步提升了应用水平。在高速、高性能数控机床中，由于传动链上的联轴节、减速机构、丝杠等会产生弹性变形和间隙，影响传动系统的动态特性。这是因为旋转电动机最高转速有限，减速器增大了惯性，电动联轴节会形成扭转变形、间隙及滞后，编码联轴节在加/减速过程中会形成偏差等，都限制了传统驱动装置的效率和精度。2.直接驱动技术的应用(1)驱动装置的动态性能显著提高，生产效率提高；(2)调节质量好，定位精度高，加工的产品质量提高；(3)取消了许多磨损部件，使用周期内成本降低；(4)机床设计和机床结构都得到简化。3.直接驱动技术的发展(1)高效智能，提高竞争力。(2)集成一体的可靠性技术
