开环步进式伺服系统

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1、第 二 节 一 、 开 环 步 进 伺 服 系 统 的 工 作 原 理 书 本 171面 6.2 步 进 电 机 及 其 驱 动 控 制 系 统 A BCAB逆 时 针 旋 转 30 逆 时 针 旋 转 30 B相 通 电 逆 时 针 旋 转 30A相 通 电 C相 通 电 A BC ABC 1 234 C 1 234 A BCABC 1 2 34 6.2.1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 的 定 子 上 有 磁 极 ， 每 个 磁 极 上 有激 磁 绕 组 ， 转 子 无 绕 组 ，

2、有 周 向 均 布 的 齿 ， 依 靠磁 极 对 齿 的 吸 合 工 作 。6.2 步 进 电 机 及 其 驱 动 控 制 系 统 定 子转 子 定 子 绕 组 6.2 步 进 电 机 及 其 驱 动 控 制 系 统A B定 子转 子 IA IB I C两 个 相 对 的 磁极 组 成 一 相 。注 意 ： 这 里 的“ 相 ” 和 三 相交 流 电 中 的“ 相 ” 的 概 念不 同 。 步 进 电机 通 的 是 电 脉冲 ， 主 要 是 指线 图 的 联 接 和组 数 的 区 别 。 1 根 据 相 数 分 类有 三 、 四 、 五 、 六 相 等 ， 相 数 越 多 ， 步 距 角 越

3、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 ：AB ABC BC BCD CD CDE DE DEA EA EAB 6.2.3 步 进 电 机 的 分 类 6.2 步 进 电 机 及 其 驱 动 控 制 系 统 根 据 定 子 与 转 子 间 磁 场 建 立 方 式 ， 可 分 ： 反 应式 、 永 磁 反 应 式 （ 混 合 式 ） 两 类 。反 应 式 步 进 电

4、机 ： 定 子 有 多 相 磁 极 ， 其 上 有 励 磁 绕组 ， 转 子 无 绕 组 ， 用 软 磁 材 料 制 成 ， 由 被 励 磁 的 定子 绕 组 产 生 反 应 力 矩 实 现 步 进 运 行永 磁 反 应 式 步 进 电 机 ： 定 子 结 构 与 反 应 式 相 似 ， 转子 用 永 磁 材 料 制 成 或 有 励 磁 绕 组 、 由 电 磁 力 矩 实 现步 进 运 行 。2 根 据 产 生 力 矩 的 原 理 分 类 6.2 步 进 电 机 及 其 驱 动 控 制 系 统 可 将 步 进 电 机 分 两 类 ： 伺 服 步 进 电 机 功 率 步 进 电 机伺 服 步 进

5、 电 机 （ 快 速 步 进 电 机 ） ， 输 出 力 矩 在 几十 数 百 Nm， 只 能 带 动 小 负 载 ， 加 上 液 压 扭 矩放 大 器 可 驱 动 工 作 台 。功 率 步 进 电 机 输 出 力 矩 在 5 50Nm以 上 ， 能 直 接驱 动 工 作 台 。 3 根 据 输 出 力 矩 的 大 小 分 类 6.2 步 进 电 机 及 其 驱 动 控 制 系 统 A B C 外 壳C段 绕 组 转 轴空 气 隙C段 定 子C段 转 子 A B C 主 磁 通 通 路转 子齿 距 铁 心绕 组 定 子 磁 极转 子 6.2 步 进 电 机 及 其 驱 动 控 制 系 统4 根

6、 据 结 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 ） 6.2 步 进 电 机 及 其 驱 动 控 制 系 统步 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 。1） 三 相 单 三 拍 ：（ 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 6.2 步 进 电 机 及 其 驱 动 控 制 系 统

7、1） 三 相 单 三 拍 工 作 方 式 ： 6.2 步 进 电 机 及 其 驱 动 控 制 系 统B A CC BA34 1 2A 相 通 电 使转 子 1、 3齿 和 AA 对 齐 B A CC BA 341 2 B B A CC AB相 通 电 ，转 子 2、 4齿 和 B相 轴线 对 齐 CC相 通 电 ，转 子 1、 3齿 和 C相 轴线 对 齐 341 2A BC1 324 A B C13 24 A 6.2 步 进 电 机 及 其 驱 动 控 制 系 统三 相 单 三 拍 的 特 点 ：（ 1） 每 来 一 个 电 脉 冲 ， 转 子 转 过 30 。（ 2） 转 子 的 旋 转

8、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 。 6.2 步 进 电 机 及 其 驱 动 控 制 系 统A B CAB B相 通 电C A相 通 电 A BC ABC 1 234 C相 通 电 A BCABCA BCAB BC相 通 电 C A BCAB CA相 通 电 CA BCAB AB相 通 电 C 1 234 1 234 1 2 341 234

9、 1 2342)三 相 六 拍 工 作 方 式通 电 顺 序 为 ： AABBBCCCAA 六 拍 。 通 电 顺 序A AB B BC C CA A（ 逆 时 针 ）A AC C BC B CA A（ 顺 时 针 ）每 步 转 过 15 ， 步 距 角 是 三 相 三 拍 工 作 方 式 的 一 半 ，特 点 ： 电 机 运 转 中 始 终 有 一 相 定 子 绕 组 通 电 ， 运 转 比较 平 稳 。 6.2 步 进 电 机 及 其 驱 动 控 制 系 统 3)双 三 拍 工 作 方 式定 子 绕 组 通 电 顺 序 为AB BC CA AB（ 转 子 逆 时 针 旋 转 ）AC BC

10、CA （ 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6.2 步 进 电 机 及 其 驱 动 控 制 系 统 实 际 上 步 进 电 机 转 子 齿 数 很 多 ， 齿 数 越 多 ， 步距 角 越 小 6.2 步 进 电 机 及 其 驱 动 控 制 系 统 为 改 善 运 行 性 能 ， 定 子 磁 极 上 的 齿 的 齿 距 与 转 子 的齿 距 相 同 ， 但 各 极

11、 的 齿 依 次 与 转 子 的 齿 错 开 齿 距 的 1 m（ m电 机 相 数 ） 。 每 次 定 子 绕 组 通 电 状 态 改 变 时 ，转 子 只 转 过 齿 距 的 1 m（ 如 三 相 三 拍 ） 或 1 2m（ 如三 相 六 拍 ） 达 到 新 的 平 衡 位 置 。 6.2 步 进 电 机 及 其 驱 动 控 制 系 统齿 距 的 1 m（ m电 机 相 数 ）3600/ Z A A C B SNSNCB绕 组 定 子 铁 心转 子 铁 心A相 磁 通 A相 各 相 定 子 9 3 6顺 时 针 方 向 转 子 齿 展 开B相 C相 转 子 40个 齿 ， 若 通 电 为

12、三 相 三 拍 ， 当 转 子 齿 与A相 定 子 齿 对 齐 时 ， 转 子 齿 与 B相 定 子 齿 相 差（ 3 ） ， 与 C相 定 子 齿 相 差 （ 6 ） 。6.2 步 进 电 机 及 其 驱 动 控 制 系 统A A C B SNSNCB 绕 组 定 子 铁 心转 子 铁 心A相 磁 通 A相 各 相 定 子 9 3 6顺 时 针 方 向 转 子 齿 展 开B相 C相 结 论 课 本 173面 中 间 每 给 一 个 脉 冲 信 号 ， 电 机 转 子 转 过 角 度 的 理 论 值 。6.2.2 步 进 电 机 的 主 要 特 性1 步 距 角 mzk360 m定 子 相 数

13、 ； z转 子 齿 数 ； k通 电 系 数 ， m相 m拍 ， k 1； m相 2m拍 ， k 2。 一 般 很 小 ， 如 ： 3 1.5 ， 1.5 0.75 ，0.72 0.36 等6.2 步 进 电 机 及 其 驱 动 控 制 系 统 静 态 ： 步 进 电 机 处 于 通 电 状 态 ， 转 子 处 在 不 动 状 态 。静 态 转 矩 Mj ： 在 电 机 轴 上 施 加 一 个 负 载 转 矩 M， 转子 会 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 。2 矩 角 特

14、 性 、 最 大 静 态 转 矩 Mjm ax和 启 动 转 矩 Mq CBA OMj MjmaxMq a ? 6.2 步 进 电 机 及 其 驱 动 控 制 系 统矩 角 特 性 ： 步 进 电 机单 相 通 电 的 静 态 转 矩M j随 失 调 角 的 变 化曲 线 。 启 动 频 率 或 突 跳 频 率 fq： 空 载 时 ， 步 进 电 机 由 静 止 突然 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

15、 时 启 动频 率 和 负 载 转 动 惯 量 之 间 的 关 系 。3 启 动 频 率 fq和 启 动 时 的 惯 频 特 性 6.2 步 进 电 机 及 其 驱 动 控 制 系 统步 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 。 连 续 运 行 最 高 工 作 频 率 步 进 电 机 启 动 之 后 ， 控 制 脉 冲 的 频 率 可 进一 步 提 高 。 能 够 跟 上 控 制 脉 冲 的 频 率 而 不失 步 的 最 高 频 率 ， 称 为 连 续 运 行 最 高 频 率 。它 随 负 载 的 增 加 而 下 降 ， 它

16、比 最 高 启 动 频率 大 许 多 ， 因 它 不 需 克 服 惯 性 力 矩 。 它 代表 着 步 进 电 机 的 最 高 转 速 。 目 前 世 界 最 高值 可 达 7000r min。 步 进 电 机 的 加 减 速 特 性 描 述 步 进 电 机 由 静 止 到 工 作 频率 和 由 工 作 频 率 到 静 止 的 加 、 减 速 过 程 中 ， 定 子 绕 组 通 电状 态 的 变 化 频 率 与 时 间 的 关 系 。 当 要 求 步 进 电 机 启 动 到 大 于 启 动 频 率 的 工 作 频 率 时 ，变 化 速 度 必 须 逐 渐 上 升 ； 从 最 高 工 作 频 率

17、 或 高 于 启 动 频 率的 工 作 频 率 停 止 时 ， 变 化 速 度 必 须 逐 渐 下 降 。 逐 渐 上 升 和下 降 的 加 速 、 减 速 时 间 不 能 过 小 ， 否 则 会 失 步 或 超 步 。4 加 、 减 速 特 性 6.2 步 进 电 机 及 其 驱 动 控 制 系 统 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 升 而 不 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 ，

18、 输 出转 矩 与 连 续 运 行 频 率 之 间 的 关 系 。5 运 行 矩 频 特 性 510 15 4 8 12 14 16 20T/(N ?m) o f/ kHz 6.2 步 进 电 机 及 其 驱 动 控 制 系 统 五 、 步 进 电 机 的 驱 动 控 制 线 路 根 据 步 进 式 伺 服 系 统 的 工 作 原 理 ， 步 进 电 机 驱 动 控 制 线 路 的 功能 是 ， 将 具 有 一 定 频 率 f、 一 定 数 量 和 一 定 方 向 的 进 给 脉 冲 转 换 成控 制 步 进 电 机 各 相 定 子 绕 组 通 断 电 的 电 平 信 号 。 电 平 信 号

19、的 变 化频 率 、 变 化 次 数 和 通 断 电 顺 序 要 与 进 给 指 令 脉 冲 的 频 率 、 数 量 和方 向 对 应 。一 个 较 完 善 的 步 进 电 机 的 驱 动 控 制 线 路 组 成 ： 负 向 进 给 脉 冲正 向 进 给 脉 冲脉 冲混 合电 路 加 减脉 冲分 配电 路 加减速电路 环形分配器 功率放大器进给脉冲 加减 至 步 进电 机 绕组 负 向 进 给 脉 冲正 向 进 给 脉 冲脉 冲混 合电 路 加 减脉 冲分 配电 路 加减速电路 环形分配器 功率放大器进给脉冲 加减 至 步 进电 机 绕组 1、 脉 冲 混 合 电 路 无 论 是 来 自 于

20、数 控 系 统 的 插 补 信 号 ， 还 是 各 种 类 型 的 误 差 补 偿信 号 、 手 动 进 给 信 号 及 手 动 回 原 点 信 号 等 ， 它 们 的 目 的 无 非 是 使工 作 台 作 正 向 进 给 或 负 向 进 给 。 通 过 脉 冲 混 合 电 路 可 将 上 述 信 号 混 合 为 使 工 作 台 正 向 进 给 的“ 正 向 进 给 ” 信 号 或 使 工 作 台 负 向 进 结 的 “ 负 向 进 给 ” 信 号 。 负 向 进 给 脉 冲正 向 进 给 脉 冲脉 冲混 合电 路 加 减脉 冲分 配电 路 加减速电路 环形分配器 功率放大器进给脉冲 加减 至

21、 步 进电 机 绕组 当 机 床 在 正 向 进 给 脉 冲 的 控 制 下 正 在 沿 正 方 向 进 给 时 ， 由 于 各 种补 偿 脉 冲 的 存 在 ， 可 能 还 会 出 现 极 个 别 的 负 向 进 给 脉 冲 ； 同 样 ， 当机 床 在 负 向 进 给 脉 冲 的 控 制 下 正 在 沿 负 方 向 进 给 时 ， 还 可 能 会 出 现极 个 别 的 正 向 进 给 脉 冲 。2、 加 减 脉 冲 分 配 电 路在 实 际 的 机 床 进 给 控 制 中 ， 这 些 与 某 个 进 给 方 向 相 反 的 个 别 脉 冲 指令 的 出 现 ， 意 味 着 步 进 电 机

22、正 在 沿 着 一 个 方 向 旋 转 时 ， 再 向 相 反 的方 向 旋 转 极 个 别 几 个 步 距 角 。 负 向 进 给 脉 冲正 向 进 给 脉 冲脉 冲混 合电 路 加 减脉 冲分 配电 路 加减速电路 环形分配器 功率放大器进给脉冲 加减 至 步 进电 机 绕组 根 据 步 进 电 机 的 工 作 原 理 ， 要 做 到 这 一 点 （ 即 电 机 正 在 沿 着 某 个 方 向 旋 转 时 ，再 向 相 反 的 方 向 旋 转 极 个 别 几 个 步 距 角 ） ， 必 须 首 先 使 步 进 电 机 从 该 旋 转 方 向 静止 下 来 ， 然 后 才 能 向 相 反 的

23、 方 向 旋 转 ， 待 旋 转 极 个 别 几 个 步 距 角 后 ， 再 恢 复 至 原来 的 方 向 继 续 旋 转 进 给 。 这 从 机 械 加 工 工 艺 性 方 面 来 看 是 不 允 许 的 即 使 是 允 许 ，控 制 线 路 也 相 当 复 杂 。 一 般 采 用 的 方 法 是 ， 通 过 加 减 脉 冲 分 配 电 路 从 该 进 给 方 向 的 进 给 脉 冲 指 令 中 抵消 相 同 数 量 的 相 反 方 向 补 偿 脉 冲 ， 如 图 所 示 。 负 向 进 给 脉 冲正 向 进 给 脉 冲脉 冲混 合电 路 加 减脉 冲分 配电 路 加减速电路 环形分配器 功

24、率放大器进给脉冲 加减 至 步 进电 机 绕组3 加 减 速 电 路 (自 动 升 降 速 电 路 ) 根 据 步 进 电 机 加 减 速 特 性 ， 进 入 步 进 电机 定 子 绕 组 的 电 平 信 号 的 频 率 变 化 要 平滑 而 且 应 有 一 定 的 时 间 常 数 。 但 由 加 减脉 冲 分 配 电 路 来 的 进 给 脉 冲 频 率 的 变 化 是有 跃 变 的 。 为 了 保 证 步 进 电 机 能 够 正 常 、 可 靠 地 工作 ， 上 述 跃 变 频 率 必 须 首 先 进 行 缓 冲 ，使 之 变 成 符 合 步 进 电 机 加 减 速 特 性 的 脉冲 频 率

25、 ， 然 后 再 送 入 步 进 电 机 的 定 子 绕组 。 加 减 速 电 路 就 是 为 此 而 设 置 的 。 t0 t1 t2 t t0 t1 t2 t3 tf bfa 经 过 该 电 路 后 ， 输 出 脉 冲 的 个 数 与 输 入 的进 给 脉 冲 的 个 数 相 等 ， 以 保 证 电 机 不 会 丢 步 。 负 向 进 给 脉 冲正 向 进 给 脉 冲脉 冲混 合电 路 加 减脉 冲分 配电 路 加减速电路 环形分配器 功率放大器进给脉冲 加减 至 步 进电 机 绕组4 环 形 分 配 器 作 用 ： 把 来 自 于 加 减 速 电 路 的 一 系 列 进 给 脉 冲 指

26、令 ， 转 换 成 控 制步 进 电 机 定 子 绕 组 通 、 断 电 的 电 平 信 号 ， 电 平 信 号 状 态 的 改 变 次 数及 顺 序 与 进 给 脉 冲 的 个 数 及 方 向 对 应 。五 相 十 拍 通 电 顺 序 ： AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB-AB 要 求 五 相 电 机 正 转环 形 分 配 器 可 以 由 硬 件 逻 辑 线 路 构 成 ， 也 可 以 用 软 件 来 实 现 负 向 进 给 脉 冲正 向 进 给 脉 冲脉 冲混 合电 路 加 减脉 冲分 配电 路 加减速电路 环形分配器 功率放大器进给脉冲 加减 至 步

27、进电 机 绕组从 环 形 分 配 器 来 的 进 给 控 制 信 号 的 电 流 只 有 几 毫 安 ， 而 步 进电 机 的 定 子 绕 组 需 要 几 安 培 电 流 。 因 此 ， 需 要 对 从 环 形 分 配器 来 的 信 号 进 行 功 率 放 大 ， 以 提 供 幅 值 足 够 ， 前 后 沿 较 好 的励 磁 电 流 。5.功 率 放 大 器 环 形 分 配 器 的 主 要 功 能 ： 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

28、 磁 绕 组 的 通 断 ，实 现 步 进 电 机 的 运 行 及 换 向 。6.2.4 步 进 电 机 的 环 形 分 配 器 6.2 步 进 电 机 及 其 驱 动 控 制 系 统 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 通 用 可 编 程 逻 辑 器 件 。CNC装 置 电 源环 形分 配 器 A相 驱 动B相 驱 动C相 驱 动FULL/HALFDIRCLK M6.2 步 进 电 机 及 其 驱 动 控 制 系 统硬 件 环 形 分 配 驱 动 与 数 控 装 置 的 连 接 CH 250是 国 产 三

29、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 式 16 15 14 13 12 11 10 9 1 2 3 4 5 6 7 8CH250 CH250UD J3L J3rJ 6r J6L ABC R*CLEN R*R J6LJ6r AB CJ3LJ3r US UDCL EN9107 12 14 15 8 1312 11616 +12V1F100kOCP 1方 向RUS 6.2 步 进 电 机 及 其 驱 动 控 制 系 统三 相 六 拍 接 线 图 :

30、 2 软 件 环 形 分 配 器 由 数 控 装 置 中 的 软 件 完 成 环 形 分 配 ， 直 接驱 动 步 进 电 机 各 绕 组 的 通 、 断 电 。 用 软 件 环 形 分 配 器 只 需 编 制 不 同 的 环 形 分配 程 序 ， 可 使 线 路 简 化 ， 成 本 下 降 ， 可 灵 活 地改 变 步 进 电 机 的 控 制 方 案 。CNC装 置 电 源 A相 驱 动B相 驱 动C相 驱 动 CBA M 6.2 步 进 电 机 及 其 驱 动 控 制 系 统 步 进 电 机 的 速 度 控 制进 给 脉 冲 频 率 f 定 子 绕 组 通 电 /断 电 状 态 变 化频

31、率 f 步 进 电 机 转 速 工 作 台 的 进 给 速 度 V。 V=60 f6.2 步 进 电 机 及 其 驱 动 控 制 系 统 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 。6.2 步 进 电 机 及 其 驱 动 控 制 系 统6.2.5 功 率 放 大 电 路 6.2.5 功 率 放 大 电 路种 类 ：就 其 采 用 的 功 率 放 大 器 件 分 ， 有 中 功 率 晶 体 管 、 大 功率 晶 体

32、管 、 大 功 率 达 林 顿 晶 体 管 、 可 控 硅 等 ；就 其 工 作 原 理 分 ， 有 单 电 压 驱 动 、 高 低 电 压 驱 动 、 恒流 斩 波 、 调 频 调 压 、 细 分 电 路 等 。 步 进 电 机 有 几 相 ， 就 需 要 几 组 功 率 放 大 电 路 。6.2 步 进 电 机 及 其 驱 动 控 制 系 统 2. 提 高 步 进 电 机 开 环 伺 服 系 统 传 动精 度 的 措 施 概 述 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

33、 等 机 械 传 动 部 件 、 支 承 的 传 动 间 隙 ； 传 动 件 和 支 承 件 的 变 形 。 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 。 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 目 的 。 螺

34、距误差补偿 利 用 计 算 机 的 运 算 处 理 能 力 ， 可 以 补 偿 滚 珠 丝 杠 的螺 距 累 积 误 差 ， 以 提 高 进 给 位 移 精 度 。 方 法 ： 首 先 测 量 出 进 给 丝 杠 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 。 细分线路 1. 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

35、量和 进 给 速 度 F的 要 求 。 图 中 ： f 脉 冲 频 率 （ HZ ） 步 距 角 （ 度 ） Z 1、 Z2 传 动 齿 轮 齿 数 t 螺 距 (mm) 脉 冲 当 量 （ mm） 步 进 电机 Z1Z2 tf， 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 、 、 t之 间有 如 下 关 系 ： 步 距 角 ， 脉 冲 当 量 ， t 丝 杠 导 程 。 t360ZZi 21ti360: 例1

36、： = 0.01mm, t = 6 mm, = 0.7525Z 20Z2520800106750360t360ZZi 2121 .25Z 20Z2520800106750 360t360ZZi 2121 . 步 进 电 机 Z1Z2 tf， 进 给 速 度 F： 一般步进电机： 若 ： =0.01 mm 则 ： 若 =0.001mm 则 ： 因 此 ， 当 一 定 时 ， 与 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 下 的 ,否 则 是 没 有 意义 的 。 minmmf60F minm

37、ax mm96004800F minmax mm960480F maxF ZH160008000f max maxf 例 2 设 X-Y 工 作 台 由 步 进 电 机 直 接 经 丝 杆 螺 母 副 驱动 ， 丝 杆 螺 距 为 5mm， 步 进 电 机 步 距 角 为 1.50， 工 作方 式 三 相 六 拍 ， 工 作 台 最 大 行 程 为 400mm， 求 ：（ 1） 脉 冲 当 量 ；（ 2） 微 机 发 出 的 脉 冲 总 数 是 多 少 ？ (2)计 算 脉 冲 数 n， 由 n =L(工 作 台 最 大 行 程 ）所 以 ， 脉 冲 数 为 ： n =L/ 400/0.020

38、8319200步解 ： （ 1） 由 计 算 脉 冲 当 量 ： 360 L0已 知 ， L0=5mm， =1.50求 脉 冲 当 量 ？5/360 1.5=0.02083(mm) 例 3 步 进 电 机 直 接 经 丝 杆 螺 母 驱 动 工 作 台 ， 步 进 电 机步 距 角 0.720,工 作 台 质 量 为 100kg， 负 载 质 量 为 50kg，切 削 负 载 为 4000N， 丝 杆 螺 距 为 5mm， 如 果 步 进 电 机从 500H z线 性 加 速 到 2000H z， 加 速 时 间 为 0.2S， 求 步进 电 机 的 驱 动 转 距 ？解 ： （ 1） 忽 略

39、 滚 珠 丝 扛 及 电 机 的 转 动 惯 量 ， 则 折 算到 电 机 轴 上 等 效 转 动 惯 量 ：V=f =500 0.01=5mm/s360 L0 =0.01mmJ=m( V )2 J=m( V )2所 以 ， =（ 100+50） （ 5/2） =95.08 10-6(kg.m)2 2(2)求 电 机 轴 的 等 效 转 矩 ： T =F（ ）V F为 切 削 负 载 4000N;V5mm/s=4000（ 5/2 ） =3184.7 N.mm=3.184 N.M(3)步 进 电 动 机 的 角 加 速 度 ：= d dt = dfdt = ( t 0 )t 2 360 0.72

40、.= 2000 5000.2 2 360 0.72=94.2 rad/s2 所 以 ， 步 进 电 机 的 启 动 转 矩 为 ： T q T + J T等 效 转 矩 ；J 空 载 启 动 时 , 产 生 最 大 加 速 度 所 需 的 转 矩 ;步 进 电 动 机 的 角 加 速 度 。所 以 ， T q T + J =3.184+95.08 10-6 94.2= 3.27 Nm 例 4 一 台 五 相 步 进 电 机 ， 五 相 五 拍 运 行 时 其 步 距 角 是1.50， 此 电 动 机 转 子 上 应 有 几 个 齿 ？ 齿 距 角 是 多 少 ？此 电 动 机 若 按 十 拍

41、运 行 ， 齿 距 角 度 是 多 少 度 ？ 按 五 拍和 十 拍 运 行 时 ， 每 走 一 步 对 应 的 电 角 度 是 多 少 ？解 ： （ 1） 步 距 角 ： 360 mKz 0Z齿 数 ； m相 数 ； K 1 五 拍 （ 单 拍 ）2 十 拍 （ 双 拍 ） 所 以 ， 五 拍 运 行 时 ： 360 mKz 0 =1.5 0 K=1m=5Z=360 0/5 1 =48齿十 拍 运 行 时 ： 360 5 2 48 0 =0.75 0(2)齿 距 角 ： c = 360 48 0 =7.5 0齿 距 角 的 电 角 度 ： e = 360 m K 0五 拍 运 行 时 ： e

42、 =360 5 1 0 =72 0 十 拍 运 行 时 ： e = 360 5 2 =36 0 0 例 5 设 有 一 步 进 电 机 驱 动 的 工 作 台 ， 步 进 电 机 通 过减 速 齿 轮 副 驱 动 滚 珠 丝 杆 ， 其 参 数 符 号 如 下 ： 脉 冲当 量 ， 滚 珠 丝 杆 的 基 本 导 程 为 L。 步 进 电 机 的 步 距角 为 ， 减 速 齿 轮 比 为 1： i。 问 题 ：（ 1） 试 写 出 、 、 L、 i之 间 的 关 系 ；（ 2） 若 =0.001mm， L。 =5mm;减 速 比 为 1： 5， 问选 择 步 进 电 机 的 步 距 角 应 为 多 少 ？ 360 L0 i = 360 5 0.001/5=0.36 0 0360 L0 0 i解 ： （ 1） 求 脉 冲 当 量 ：(2) 步 进 电 机 的 步 距 角