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1、项目6 数控机床的伺服驱动系统,1.调速范围要宽 2.精度要高 3.响应要快 4.低速大转矩 5.稳定性要好，可靠性要高。,一数控机床对伺服系统的要求,二伺服驱动系统的分类,进给伺服驱动系统,主轴伺服驱动系统,直流电动机的晶闸管驱动控制,直流电动机的PWM驱动控制,无刷直流电动机的驱动控制,交流永磁同步电动机的驱动控制,直流电动机的晶闸管驱动控制,步进电动机的驱动控制,三相交流异步电动机的驱动控制,任务6.1 步进电机及其驱动控制系统,一、步进电机,开环控制系统简图,指令脉冲,步进电机,齿轮箱,步进电机通常构成开环控制系统，在精度要求不高的经济型数控机床或普通机床的数控改造中比较常见。,步进电
2、动机是一种把电脉冲信号转换成角位移的电机。其转子的转角与输入的脉冲数成比，转子的转速与脉冲的频率成正比，转向取决于步进电机的各相通电顺序。并且保持电机各相通电状态就能使电机自锁。 但由于该系统没有反馈检测环节，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。,（1）按定子独立绕组数分 两相、三相、四相、五相、六相步进电机。 步进电动机的相数：指定子上的独立绕组数。 （2）按转子性质分 反应式转子无励磁（无绕组）、也非永磁铁。 永磁式转子常为永久磁铁。,1、步进电动机分类,2、三相反应式步进电机结构,定子上有六个磁极，每个磁极上绕有励磁绕组，每相对的两个磁极组成一相，分成A、B、C三相
3、。转子无绕组，它是由带齿的铁心做成的。步进电机是按电磁吸引的原理进行工作的。当定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，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，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。步进电机每次转过的角度称为步距角。,实际应用的步进电机如图所示，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。,步距角=3600/mZk 式中： m定子相数 Z转子齿数 k整步或半步系数（整步为1、半步为2） 例如：图a中，m
4、=3,Z=4,假如k=1，则=3600/（3*4*1）=300 图b中，m=3,Z=40,假如k=1，则=3600（3*40*1）=30,图a 步进电机简化结构,图b 步进电机常见结构,3、步进电机的工作原理,我们以步进电机的简化结构（即定子没有分齿，转子上有4个齿）为例，分析步进电机的三种工作方式，继而认识步进电机的工作原理。 步进电机的三种工作方式：三相单三拍、三相双三拍、三相单双六拍。 单：每次只给一相绕组通电。 双：每次给两相绕组通电。 拍：从一种通电状态变为另一种通电状态，称为一拍。,（1）三相单三拍,1）在磁拉力的作用下，转子上的齿与主磁极对齐。 2）当由U相绕组通电（1、3齿与U
5、1、U2对齐）换成V相通电时，因为原来(a) 图上的2、4齿距V相主磁极近，所以2、4齿顺时针转动一个步距角300 3）当UVWU顺序通电为正转（瞬时针）时，则UWVU顺序通电为反转（逆时针）；且一个循环周期为3拍。 4）由于每次只有一相绕组通电，转子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。,（2）三相双三拍,1）通电顺序UVVWWUUV顺序通电为正转（顺时针），反之为反转（逆时针）； 2）当UV相绕组通电时，1、4齿U、V对齐，当换成VW相通电时，因为原来(a)图上的3、4齿距VW相主磁极近，所以3、4齿顺时针转动一个步距角300后，3、4齿与VW相主磁极对齐
6、。 3）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。,（3）三相单双六拍,1）通电顺序U UV V VW W WU U顺序通电为正转，反之为反转； 2）它比三相三拍控制方式步距角小一半，因而精度更高，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。,4、步进电机的特点,1）步进电动机受脉冲的控制。脉冲的频率决定电机的转速，脉冲的个数决定电机的旋转角位移，改变脉冲的通电相序可改变步进电动机的转向。 2）维持定子绕组的电流不变，步进电动机将停在某一位置上不动，即步进电动机具有自整角能力，不需要机械制动。 3）有一定的步距误差，但旋转一周后
7、，总的误差为零，没有累计误差。 4）步进电动机的效率较低，拖动负载的能力不大，调速范围不宽，最高输入频率不超过25KHZ，否则会失步。,环形分配器的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，控制各相绕组的通电、断电。,二、步进电机的驱动控制系统,环形分配器功能可由硬件或软件产生，称为硬环分或软环分。,1、环形分配器,步进电机驱动控制系统由环形分配器和功率放大器组成。,（1）硬分配,脉冲分配器的输入、输出信号一般均为TTL电平，输出A、B、C信号变为高电平则表示相应的绕组通电，低电平则表示相应的绕组失电；CP为数控装置发出的一串脉冲信号，每一个脉冲信号的上升或
8、下降沿到来时，则改变一次绕组的通电状态；DIR为数控装置发出的方向信号，其电平的高低即对应电动机绕组通电顺序的改变，即步进电动机的正、反转，FULLHALF用于控制电动机的整步(对三相步进电动机即为三拍运行)或半步(对三相步进电动机即为六拍运行)。实用的环形分配器是集成化的专业电路芯片，这些芯片中通常包括环形分配器和功率放大等。,（2）软分配,软分配直接由数控装置中的控制软件实现脉冲分配，驱动装置只进行功率放大。 常用的是查表法。例如三相六拍工作方式，如果在A、B、C接口依次输出100 110 010 011 001 101 100- - - 步进电机正转，反之反转。,三相六拍环形分配器真值表
9、,由于硬分配具有速度快、芯片外围电路简单等优点，目前，大多数步进驱动装置采用硬分配的形式。,2、驱动放大电路,驱动放大电路常使用单电压驱动、高低压切换驱动、恒流斩波驱动、调频调压等驱动电路，所采用的功率半导体元件可以是大功率晶体管GTR，也可以是功率场效应管MOSFET。GTR一种工作于导通和截止两种状态的功率三极管，具有控制方便，开关时间短，高频特性好，通态压降低等优点；MOSFET开关时间很短，工作频率可达30kHz以上。,（1）高低压切换驱动电路 这种电路的特点是步进电动机的绕组每次通电时，首先接通高压，以保证电流以较快的速度上升，然后改由低压供电，维持绕组中的电流为额定值。,（2）恒流斩波驱动电路,这种驱动电源的控制原理是随时检测绕组的电流值，当绕组电流值下降到下限设定值时，使功率管导通，绕组电流上升；当绕组电流上升到上限设定值时，关断功率管，绕组电流下降。这样，在一个步进周期内，功率管多次通断，使绕组电流在上、下限之间波动，接近恒定值，提高了绕组电流的平均值，有效地抑制了电动机输出转矩的降低。,