1、第一节第一节 开开 环环 步步 进进 驱驱 动动 系系 统统第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 一、开环步进驱动系统的基本原理一、开环步进驱动系统的基本原理 它主要由步进电动机及其驱动线路组成它主要由步进电动机及其驱动线路组成。图图4-1为为开环步进驱动系统构成原理图开环步进驱动系统构成原理图第一节第一节 开开 环环 步步 进进 驱驱 动动 系系 统统二、步进电动机的种类及其工作原理二、步进电动机的种类及其工作原理 步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，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元并将电脉冲信号转换成相应的角位移的执行元
2、件。其最大缺点在于其容易失步，特别是在大件。其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更容易发生。负载和速度较高的情况下更容易发生。目前，步进电动机主要应用在经济型数控目前，步进电动机主要应用在经济型数控机床的进给驱动系统中，一般采用开环的控制机床的进给驱动系统中，一般采用开环的控制方式。也有用步进电动机驱动的数控机床中同方式。也有用步进电动机驱动的数控机床中同时采用了位置检测元件，构成了带有反馈补偿时采用了位置检测元件，构成了带有反馈补偿的半闭环驱动控制方式。的半闭环驱动控制方式。第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 第一节第一节 开开 环环 步步 进进
3、 驱驱 动动 系系 统统 反应式步进电动机反应式步进电动机 图图4-2 反应式步进电动机工作原理图反应式步进电动机工作原理图 第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 第一节第一节 开开 环环 步步 进进 驱驱 动动 系系 统统 它的定子上有它的定子上有6个极，每个极上都装有控个极，每个极上都装有控制绕组，每两个相对的极组成一相。转子是四制绕组，每两个相对的极组成一相。转子是四个均匀分布的齿，上面没有绕组。当个均匀分布的齿，上面没有绕组。当U相绕组相绕组通电时通电时,因磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合，因磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合，将使转子将使转子1、3和定子极和定子极U、
4、U对齐，如图对齐，如图4-2a所示。所示。U相断电、相断电、V相绕组通电时，转子将在相绕组通电时，转子将在空间转过空间转过角，角，=30=30，使转子齿，使转子齿2 2、4 4和定和定子极子极V V、VV对齐。对齐。第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 第一节第一节 开开 环环 步步 进进 驱驱 动动 系系 统统 如图如图4-2b4-2b所示。同理当所示。同理当V V相断电，相断电，W W相绕组通电相绕组通电时，转子又将在空间转过时，转子又将在空间转过3030角，使转子齿角，使转子齿1 1、3 3和定子极和定子极W W、WW对齐，如图对齐，如图4-2c4-2c所示，如此循
5、环所示，如此循环往复，并按往复，并按U-V-W-UU-V-W-U的顺序循环通电，电动机便按的顺序循环通电，电动机便按一定的方向转动一定的方向转动第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 第一节第一节 开开 环环 步步 进进 驱驱 动动 系系 统统 三相步进电动机除了单三拍工作方式外，三相步进电动机除了单三拍工作方式外，还经常工作在三相六拍工作方式。这时通电顺还经常工作在三相六拍工作方式。这时通电顺序为：序为：U-UV-V-VW-WU-UU-UV-V-VW-WU-U，或为，或为U-UW-W-WV-V-U-UW-W-WV-V-VU-UVU-U。也就是说，先接通。也就是说，先接通U
6、 U、V V相绕组；然后断相绕组；然后断开开U U相绕组，使相绕组，使V V相组单独接通；再同时接通相组单独接通；再同时接通V V、W W相绕组，依此进行。在这种工作方式时，定相绕组，依此进行。在这种工作方式时，定子三组绕组需经过六次切换才能完成一个循环，子三组绕组需经过六次切换才能完成一个循环，故称为故称为“六拍六拍”，而且在通电时，有时是单个，而且在通电时，有时是单个绕组接通，有时又为两个绕组同时接通，因此绕组接通，有时又为两个绕组同时接通，因此称为称为“三相六拍三相六拍”，如图，如图4-34-3所示。所示。第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 第一节第一节 开开 环
7、环 步步 进进 驱驱 动动 系系 统统 三相步进电动机除了单三拍工作方式外，三相步进电动机除了单三拍工作方式外，还经常工作在三相六拍工作方式。这时通电顺还经常工作在三相六拍工作方式。这时通电顺序为：序为：U-UV-V-VW-WU-UU-UV-V-VW-WU-U，或为，或为U-UW-W-WV-V-U-UW-W-WV-V-VU-UVU-U。也就是说，先接通。也就是说，先接通U U、V V相绕组；然后断相绕组；然后断开开U U相绕组，使相绕组，使V V相组单独接通；再同时接通相组单独接通；再同时接通V V、W W相绕组，依此进行。在这种工作方式时，定相绕组，依此进行。在这种工作方式时，定子三组绕组需
8、经过六次切换才能完成一个循环，子三组绕组需经过六次切换才能完成一个循环，故称为故称为“六拍六拍”，而且在通电时，有时是单个，而且在通电时，有时是单个绕组接通，有时又为两个绕组同时接通，因此绕组接通，有时又为两个绕组同时接通，因此称为称为“三相六拍三相六拍”，如图，如图4-34-3所示。所示。第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 第一节第一节 开开 环环 步步 进进 驱驱 动动 系系 统统图图4-3 4-3 三相六拍步进电机工作原理图三相六拍步进电机工作原理图第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 第一节第一节 开开 环环 步步 进进 驱驱 动动 系系
9、统统 图图4-44-4所示的结构是最常见的一种小步距角所示的结构是最常见的一种小步距角的三相反应式步进电动机的三相反应式步进电动机 它的定子上有它的定子上有6 6个极，上面装有绕组并接成个极，上面装有绕组并接成U U、V V、W W三相。转子上均匀分布着三相。转子上均匀分布着4040个齿个齿,定子定子每段极弧上也各有每段极弧上也各有5 5个齿个齿,定子转子的齿宽和齿定子转子的齿宽和齿距都相同距都相同.当当U U相绕组通电时相绕组通电时,电动机中产生沿电动机中产生沿U U极轴线方向的磁场极轴线方向的磁场,因磁通要按磁阻最小的路因磁通要按磁阻最小的路径闭合径闭合,就使转子受到反应转矩的作用而转动就
10、使转子受到反应转矩的作用而转动,直到转子齿和定子直到转子齿和定子U U极上的齿对齐为止极上的齿对齐为止。第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 第一节第一节 开开 环环 步步 进进 驱驱 动动 系系 统统图图4-44-4小步距步进电动机原理图小步距步进电动机原理图 第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 第一节第一节 开开 环环 步步 进进 驱驱 动动 系系 统统 混合式步进电动机混合式步进电动机 混合式步进电动机与反应式步进电动机混合式步进电动机与反应式步进电动机一样，也由定子和转子两部分组成。下面以一样，也由定子和转子两部分组成。下面以两相混合式步进
11、电动机为例说明其工作原理。两相混合式步进电动机为例说明其工作原理。两相混合式步进电动机的定子一般有两相混合式步进电动机的定子一般有8 8个极个极或或4 4个极，极上面均匀分布一定数量的小齿，个极，极上面均匀分布一定数量的小齿，极上的线圈都能以两个方向通电，形成极上的线圈都能以两个方向通电，形成U相相和相、和相、V相和相。它的转子也由圆周上均匀相和相。它的转子也由圆周上均匀分布一定数量小齿的两块齿片等组成。这两分布一定数量小齿的两块齿片等组成。这两块齿片相互错开半个齿距（如图块齿片相互错开半个齿距（如图4-6所示）所示）第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 第一节第一节 开
12、开 环环 步步 进进 驱驱 动动 系系 统统图图4-6 转子磁钢产生的磁通回路转子磁钢产生的磁通回路 第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 第一节第一节 开开 环环 步步 进进 驱驱 动动 系系 统统图图4-7 混合式步进电动机剖面图混合式步进电动机剖面图 第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 第一节第一节 开开 环环 步步 进进 驱驱 动动 系系 统统 如图如图4-7所示，是在电动机所示，是在电动机x、y处剖处剖开的剖面。每相绕组绕在开的剖面。每相绕组绕在8个定子磁极中个定子磁极中的的4个极上，如：个极上，如：U相绕组绕在相绕组绕在1、3、5、7磁
13、极上，则磁极上，则V相绕组绕在相绕组绕在2、4、6、8磁磁极上，而且每相邻的磁极以相反方向绕，极上，而且每相邻的磁极以相反方向绕，即如果即如果U相绕组流过正向电流，则相绕组流过正向电流，则3和和7磁磁极的磁场径向向外，而极的磁场径向向外，而1和和5磁极的磁场磁极的磁场径向向内。径向向内。V相与相与U相的情况类似相的情况类似。第一节第一节 开开 环环 步步 进进 驱驱 动动 系系 统统 对于给定的步进电动机体积，混合式步对于给定的步进电动机体积，混合式步进电动机产生的转矩比反应式步进电动机的进电动机产生的转矩比反应式步进电动机的大，加上混合式步进电动机的步距角常做得大，加上混合式步进电动机的步距
14、角常做得较小，因此在工作空间受到限制而需要小步较小，因此在工作空间受到限制而需要小步距角和大转距的应用中，常常可选用混合式距角和大转距的应用中，常常可选用混合式的步进电动机混合式步进电动机的绕组未通的步进电动机混合式步进电动机的绕组未通电时，转子永久磁钢产生的磁通能产生自定电时，转子永久磁钢产生的磁通能产生自定位转矩，虽然这比绕组通电时产生的转矩小位转矩，虽然这比绕组通电时产生的转矩小得多，但它可使步进电动机在断电时，仍能得多，但它可使步进电动机在断电时，仍能保持转子的原来位置。保持转子的原来位置。第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 第一节第一节 开开 环环 步步 进进
15、 驱驱 动动 系系 统统 三、三、步进电动机的特性步进电动机的特性 1 静特性静特性 所谓静态是指步进电动机不改变通电状所谓静态是指步进电动机不改变通电状态，转子不动时的状态。步进电动机的静态，转子不动时的状态。步进电动机的静态特性主要指静态矩角特性和最大静转矩态特性主要指静态矩角特性和最大静转矩特性。特性。（1）静态矩角特性）静态矩角特性 描述步进电动机静态电磁转矩描述步进电动机静态电磁转矩T与失调与失调角角之间关系的特性曲线称为矩角特性。之间关系的特性曲线称为矩角特性。第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 第一节第一节 开开 环环 步步 进进 驱驱 动动 系系 统统图
16、图4-8 4-8 步进电动机矩角特性步进电动机矩角特性 第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 第一节第一节 开开 环环 步步 进进 驱驱 动动 系系 统统（2）最大静态转矩）最大静态转矩 如图如图4-8所示，矩角特性上电磁转矩的最大所示，矩角特性上电磁转矩的最大值称为最大静态转矩。它与通电状态及绕组内值称为最大静态转矩。它与通电状态及绕组内电流的值有关。在一定通电状态下，最大静转电流的值有关。在一定通电状态下，最大静转矩与绕组内电流的关系，称为最大静转矩特性。矩与绕组内电流的关系，称为最大静转矩特性。当控制电流很小时，最大静转矩与电流的平方当控制电流很小时，最大静转矩与电
17、流的平方成正比，当电流稍大时，受磁路饱和的影响，成正比，当电流稍大时，受磁路饱和的影响，最大转矩上升变缓，电流很大时，曲线趋向水最大转矩上升变缓，电流很大时，曲线趋向水平。平。第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 第一节第一节 开开 环环 步步 进进 驱驱 动动 系系 统统图4-9步进电机最大静转矩特性 第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 第一节第一节 开开 环环 步步 进进 驱驱 动动 系系 统统2 动特性动特性 步进电动机运行时总是在电气和机械步进电动机运行时总是在电气和机械过渡过程中进行的，因此对它的动特性有过渡过程中进行的，因此对它的动特性
18、有很高的要求，步进电动机的动特性将直接很高的要求，步进电动机的动特性将直接影响到系统的快速响应以及工作的可靠性影响到系统的快速响应以及工作的可靠性 (1)矩频特性矩频特性 步进电动机的最大动态转矩和脉冲频步进电动机的最大动态转矩和脉冲频率的关系称为矩频特性，图率的关系称为矩频特性，图4-10 第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 第一节第一节 开开 环环 步步 进进 驱驱 动动 系系 统统图图4-10 步进电动机矩频特性步进电动机矩频特性 第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 第一节第一节 开开 环环 步步 进进 驱驱 动动 系系 统统图图4-11
19、启动频率与负载的关系启动频率与负载的关系 第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 第一节第一节 开开 环环 步步 进进 驱驱 动动 系系 统统 步进电动机的连续工作频率又称运步进电动机的连续工作频率又称运行频率。它是指步进电动机起动后，当行频率。它是指步进电动机起动后，当控制脉冲连续发出时，能不失步运行的控制脉冲连续发出时，能不失步运行的最高频率。影响运行频率的因素与影响最高频率。影响运行频率的因素与影响起动频率的因素基上相同，但是转动惯起动频率的因素基上相同，但是转动惯量对运行频率的影响不像对起动频率的量对运行频率的影响不像对起动频率的影响那么明显，它仅影响到频率连续上影
20、响那么明显，它仅影响到频率连续上升的速度。升的速度。第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 第一节第一节 开开 环环 步步 进进 驱驱 动动 系系 统统一、直流（一、直流（DC）伺服电动机及其特性）伺服电动机及其特性 直流伺服电动机直流伺服电动机 直流伺服电动机通过电刷和换向器产生的直流伺服电动机通过电刷和换向器产生的整流作用，使磁场磁动势和电流磁动势正交，整流作用，使磁场磁动势和电流磁动势正交，从而产生转矩，其电枢大多为永久磁铁。从而产生转矩，其电枢大多为永久磁铁。直流伺服电动机具有较高的响应速度、直流伺服电动机具有较高的响应速度、精度和频率，优良的控制特性等优点。但由精
21、度和频率，优良的控制特性等优点。但由于使用电刷和换向器，故寿命较低，需要定于使用电刷和换向器，故寿命较低，需要定期维修。期维修。第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统 第一节第一节 开开 环环 步步 进进 驱驱 动动 系系 统统（2 2）工作频率）工作频率 步进电动机的工作频率是指电动机按指步进电动机的工作频率是指电动机按指令的要求进行正常工作时的最大脉冲频率。令的要求进行正常工作时的最大脉冲频率。所谓正常工作就是说步进电动机不失步地工所谓正常工作就是说步进电动机不失步地工作，即一个脉冲就移动一个步距角。失步包作，即一个脉冲就移动一个步距角。失步包括丢步和越步括丢步和越步.步进电动机的工作频率，通常分为起动步进电动机的工作频率，通常分为起动频率、制动频率及连续工作频率。频率、制动频率及连续工作频率。第四章第四章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统
