【正文】 。 而步進(jìn)電機(jī)的伺服系統(tǒng) 隨著新材料、新技術(shù)的發(fā)展及電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用 , 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的研制和發(fā)展進(jìn) 入了新階段。步進(jìn)電機(jī)除了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用維護(hù)方便、工作可靠 , 在精度高等特點(diǎn)。還有下列優(yōu)點(diǎn) :步距值不受各種干擾因素的影響。轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的速度主要取決于脈沖信號(hào)的頻率。轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的總位移量則取決于總的脈沖信號(hào)數(shù)。 誤差不積累。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每走一步所轉(zhuǎn)過(guò)的角度與理論步距值之間總有一定的誤差 , 走任意步數(shù)以后 , 也總有一定的誤差。但每轉(zhuǎn)一圈的累積誤差為零 , 所以步距的誤差不積累?？刂菩阅芎谩Ｆ饎?dòng)、轉(zhuǎn)向及其他任何運(yùn)行方式的改變 , 都在少數(shù)脈沖內(nèi)完成。在一定的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí) , 任何運(yùn)行方式都不會(huì)丟一步的。 由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有上述特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用在機(jī)械、治金、電力、紡織、電信、電子、儀表、化工、輕工、辦公自動(dòng)化設(shè)備、醫(yī)療、印刷以及航空航天、船舶、兵器、核工業(yè)等國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域。 綜上所述，步進(jìn)電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都在各個(gè)領(lǐng)域有著很強(qiáng)大的占有空間，面對(duì)市場(chǎng)的需求以及伺服系統(tǒng)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)和交流伺服電機(jī)有著個(gè)字的特點(diǎn)，但哪種伺服系統(tǒng)能夠更優(yōu)越的應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床中。下面通過(guò)兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的比較來(lái)進(jìn)行伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇。 31 步進(jìn)電機(jī)工作原理 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的電磁機(jī)械裝置。由于所用的電源是 脈沖電源，所以又稱(chēng)為脈沖馬達(dá)。步進(jìn)電機(jī)用于與控制脈沖組成的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中。 步進(jìn)電機(jī)是一種特殊的電動(dòng)機(jī)，一般電動(dòng)機(jī)通電后連續(xù)旋轉(zhuǎn)，但步進(jìn)電動(dòng)機(jī)卻是跟隨輸入脈沖按節(jié)拍一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，是由電動(dòng)機(jī)繞組的脈沖電流控制的，也就是說(shuō)由指令脈沖決定的。 指令脈沖數(shù)決定它的轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)，即角位移的大小，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)施加一個(gè)電脈沖信號(hào)時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度，稱(chēng)為一步，每一步所轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱(chēng)為步距角；指令脈沖頻率決定它的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。只要改變指令脈沖頻率，就可以使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 速度在很寬的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。改 變繞組的通電順序，就可以改變它的旋轉(zhuǎn)方向。在無(wú)脈沖輸入時(shí)，在繞組電源激勵(lì)下，氣隙磁場(chǎng)能使轉(zhuǎn)子保持原有位置而處于定位狀態(tài)。 目前，我國(guó)使用的步進(jìn)電機(jī)多為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。 通常步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子為 永磁體 ，當(dāng)電流流過(guò)定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。轉(zhuǎn)子也隨著該 磁場(chǎng)轉(zhuǎn)一個(gè)角度。每輸入一個(gè)電脈沖， 電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度前進(jìn)一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)在定子的每個(gè)磁極上面向轉(zhuǎn)子的部分，均勻分布著 5 個(gè)小齒，齒槽等寬，齒間夾角為 9 度。 轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組，只有均勻分布的 40個(gè)齒，其大小和間距與定子上的完全相同，并與之相差 1/3 齒距。如圖 31 所示。 步進(jìn)電機(jī)的工作原理實(shí)際上是電磁鐵的作用原理。 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱(chēng)為“步距角” )，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻 率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒(méi)有積累誤差 (精度為 100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制。 現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（ VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（ PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（ HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。 現(xiàn)以三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)圖示 32 為例說(shuō)明。 當(dāng) A 相通電時(shí)，電動(dòng)機(jī)鐵芯 AA 方向產(chǎn)一磁通，在磁拉力作用下，轉(zhuǎn)子 3 齒與A 相磁極對(duì)齊。 4 兩齒與 B、 C兩磁極相對(duì)錯(cuò)開(kāi) 30176。 當(dāng) B相通電時(shí)，電動(dòng)機(jī)鐵芯 BB 方向產(chǎn)生磁通，在磁拉力作 用下，轉(zhuǎn)子沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn) 30176。，轉(zhuǎn)子 4 齒與 B相磁極對(duì)齊 3 兩齒與 A、 C兩磁極相對(duì)錯(cuò)開(kāi) 30176。 當(dāng) C相通電時(shí)，電動(dòng)機(jī)鐵芯 CC 方向產(chǎn)生磁通，在磁拉力作用下，轉(zhuǎn)子沒(méi)逆時(shí)針?lè)缴坳?yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 ZNa 176。=360? ?min/60 rZNfns ?向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子 3 齒與 C 相磁極對(duì)齊。 4 兩齒與 A、 B 兩磁極相對(duì)錯(cuò)開(kāi) 30176。 圖 32 步進(jìn)電機(jī)的通電示意圖 若按 ABCA 通電相序連續(xù)通電，則步進(jìn)電機(jī)就連續(xù)地沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，每換接一次通電相序，步進(jìn)電機(jī)沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò) 30176。，即步距角為 30176。反之則為順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。 若通電脈 沖的次序?yàn)?A、 B、 C、 A?，則不難推出，轉(zhuǎn)子將以順時(shí)針?lè)较蛞徊讲降匦D(zhuǎn)。這樣，用不同的脈沖通入次序方式就可以實(shí)觀對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制。 脈沖的數(shù)量控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角；脈沖的頻率控制機(jī)的轉(zhuǎn)速；脈沖的通入次序控制電機(jī)的方向。定子繞組每改變一次通電方式，稱(chēng)為一拍。上述的通電方式稱(chēng)為三相單三拍。所謂“單”是指每次只有一相繞組通電；所謂“三拍”是指經(jīng)過(guò)三次切換控制繞組的通電狀態(tài)為一個(gè)循環(huán)。若通電脈沖次序?yàn)?AB、 BC、 CA、 AB?，每次兩相同時(shí)通電，此為三相雙三拍，若按 A、 AB、 B、 BC、 C、 AB?此方式為三相六拍 [5]。 步進(jìn)電機(jī)的主要特性。步進(jìn)機(jī)通過(guò)一個(gè)電脈沖轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度 ,稱(chēng)為步距角，符號(hào)α，步進(jìn)電機(jī)輸出的角位移量 α 與輸入的指令脈沖數(shù) Ｋ 成正比，在時(shí)間上與輸入的脈沖同步；而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 ｎ 與指令脈沖頻率 ｆ 成正比。 在步進(jìn)電機(jī)負(fù)載能力允許的情況下，這種線(xiàn)性關(guān)系不會(huì)因?yàn)樨?fù)載的變化等因素而變化，所以可以在較寬的范圍內(nèi)，通過(guò)對(duì)指令脈沖頻率和數(shù)量的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)速度和位置的控制。步進(jìn)電機(jī)的步距角是反映步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度。它取決于電機(jī)結(jié)構(gòu)和控制方式。步距角 α可由下式計(jì)算： 式中： Z 是轉(zhuǎn)子的齒數(shù)； N一個(gè)周期的運(yùn)行拍數(shù)。若步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通電的脈沖頻率為f，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 ns公式為： 邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 式中： Z 是轉(zhuǎn)子的齒數(shù)； N 一個(gè)周期的運(yùn)行拍數(shù)。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有自身的特點(diǎn)，歸納起來(lái)有： 1）可以用數(shù)字信號(hào)直接進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，整個(gè)系統(tǒng)造價(jià)低； 2）位移與輸入脈沖信號(hào)樹(shù)相對(duì)應(yīng)，步距誤差不長(zhǎng)期積累，可以組成結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單而又具有一定精度的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，也可以在要求高精度時(shí)組 成閉環(huán)控制系統(tǒng)； 3）無(wú)刷，電動(dòng)機(jī)本體部件少，可靠性高； 4）易于起動(dòng)，停止，正反轉(zhuǎn)及變轉(zhuǎn)；5）停止時(shí)，可以通電自鎖； 6）速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，同時(shí)用一臺(tái)控制器控制幾步電動(dòng)機(jī)，可使它們完全同步運(yùn)行； 7）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶慣性負(fù)載能力差； 8）由于存在失步和低頻共振，因此步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減方法根據(jù)利應(yīng)用狀態(tài)的不同而復(fù)雜化 [6]。 32 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的構(gòu)成 1．工作臺(tái)位移量的控制 進(jìn)給脈沖數(shù) N→定子繞組通電狀態(tài)變化次數(shù) N→步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角→工作臺(tái)位移量 L。 2．工作臺(tái)進(jìn)給速度的控制 進(jìn)給脈沖的頻率 f→定 子繞組通電狀態(tài)的變化頻率 f→步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速→工作臺(tái)進(jìn)給速度 v。 3．工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向的控制 步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電順序→步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)→工作臺(tái)的進(jìn)給方向步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制線(xiàn)路。 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的基本要求：驅(qū)動(dòng)電源的相數(shù)、通電方式和電壓、電流都滿(mǎn)足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的需要；要滿(mǎn)足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)頻率和運(yùn)行頻率的要求；能最大限度地抑制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的振蕩；工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)；成本低、效率高、安裝和維護(hù)方便。其驅(qū)動(dòng)控制如圖 33 所示。 圖 33 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方框圖 邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 CNC 裝置發(fā)出脈沖指令，經(jīng)過(guò)脈沖電路至加減脈沖分配電路，再到環(huán)形分配器，經(jīng)功率放大器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。 脈沖混合電路的作用。無(wú)論是來(lái)自于數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)信號(hào)，還是各種類(lèi)型的誤差補(bǔ)償信號(hào)，手動(dòng)進(jìn)給信號(hào)、手動(dòng)回原點(diǎn)信號(hào)，它的目的無(wú)非是使工作臺(tái)做正向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)或者是負(fù)向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，通過(guò)混合脈沖電路可以將上述各類(lèi)型號(hào)混合為使工作臺(tái)正向進(jìn)給的“正向進(jìn)給”信號(hào)或者是使工作臺(tái)做負(fù)向運(yùn)動(dòng)的“負(fù)向進(jìn)給”信號(hào)。 加減脈沖分配電路。當(dāng)數(shù)控機(jī)床正在沿著正向進(jìn)給的脈沖信號(hào)做正向進(jìn)給 運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于各種補(bǔ)償信號(hào)的存在，可能會(huì)出現(xiàn)極個(gè)別的負(fù)向脈沖信號(hào)，同樣，當(dāng)數(shù)控機(jī)床正在沿著負(fù)向向進(jìn)給的脈沖信號(hào)做負(fù)向向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于各種補(bǔ)償信號(hào)的存在，可能會(huì)出現(xiàn)極個(gè)別的正向脈沖信號(hào)。在實(shí)際的機(jī)床進(jìn)給控制中，這些與某個(gè)進(jìn)給方向相反的個(gè)別脈沖的出現(xiàn)，意味著步進(jìn)電機(jī)正在沿著一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，在反向的方向旋轉(zhuǎn)極個(gè)別幾個(gè)步距角。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理，要做到這一點(diǎn)（即電機(jī)正在沿著某個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，在向相反的方向旋轉(zhuǎn)極個(gè)別步距角），必須首先是步進(jìn)電機(jī)從該旋轉(zhuǎn)方向靜止下來(lái)，然后才能向相反的方向旋轉(zhuǎn)，待旋轉(zhuǎn)極個(gè)別幾個(gè)步距角后 ，再恢復(fù)至原來(lái)的方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給。這從機(jī)械加工工藝方面來(lái)看是不允許的，即使允許，控制線(xiàn)路也相當(dāng)復(fù)雜。一般采用的方法是，通過(guò)加減脈沖分配電路從該進(jìn)給方向的進(jìn)給脈沖指令抵消相同數(shù)量的相反方向補(bǔ)充脈沖。 加減速電路也稱(chēng)自動(dòng)升降速電路。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)加減速特性，進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)定子繞組的電平信號(hào)的頻率變化要平滑。而且應(yīng)有一定的時(shí)間常數(shù)。但由加減脈沖分配電路來(lái)的進(jìn)給脈沖頻率的變化是有躍變的。 為了保證步進(jìn)電機(jī)能夠正常、可靠地工作，上述躍變頻率必須首先進(jìn)行緩沖，使之變成符合進(jìn)電機(jī)加減速特性的脈沖頻率，然后再送入步進(jìn)電機(jī)的定子 繞組。加減速電路就是為此而設(shè)置的。經(jīng)過(guò)該電路后，輸出脈沖的個(gè)數(shù)與輸入的進(jìn)給脈沖的個(gè)數(shù)相等，以保證電機(jī)不會(huì)丟步。 環(huán)形分配器。作用：把來(lái)自于加減速電路的一系列進(jìn)給脈沖指令，轉(zhuǎn)換成控制步進(jìn)電機(jī)定子繞組通 ,斷電的電平信號(hào)，電平信號(hào)狀態(tài)的改變此術(shù)及順序與進(jìn)給脈沖的個(gè)數(shù)及方向?qū)?yīng)，環(huán)形分配器可以由硬件邏輯線(xiàn)路構(gòu)成，也可以用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。 功率放大器。從環(huán)形分配器來(lái)的進(jìn)給控制信號(hào)的電流只有幾毫安，而步進(jìn)電機(jī)的定子繞組需要幾安倍電流。因此，需要對(duì)從環(huán)形分配器來(lái)的信號(hào)進(jìn)行功率放大，已提供幅邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 值足夠，前后沿較好的勵(lì)磁電流。 33 環(huán)形分配器 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)是靠不停地改變各相繞組的通電順序?qū)崿F(xiàn)的，若想讓某相繞組通電，就要給某相繞組提供一組序列脈沖，因此步進(jìn)電機(jī)有幾相，就要為其提供幾個(gè)脈沖序列。步進(jìn)電機(jī)需要的脈沖序列來(lái)自插補(bǔ)器，但對(duì)于某個(gè)單軸坐標(biāo)，插補(bǔ)器只能按照一定線(xiàn)型，提供一個(gè)單序列脈沖。因此，在插補(bǔ)器到步進(jìn)電機(jī)之間必須有個(gè)能將插補(bǔ)器的單序列脈沖轉(zhuǎn)換為步進(jìn)電機(jī)需要的多序列脈沖的裝置，這就是環(huán)行分配器。環(huán)形分配器的功能是把來(lái)自 CNC 的脈沖信號(hào)按一定的規(guī)律分配給各相功率放大器，來(lái)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的勵(lì)磁繞組，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按規(guī)定的方 式進(jìn)行工作。硬件環(huán)形分配驅(qū)動(dòng)與數(shù)控裝置的連接硬件環(huán)型分配器可由 D觸發(fā)器或 JK觸發(fā)器構(gòu)成，亦可用專(zhuān)用集成芯片或通用可編程邏輯器件。硬件環(huán)行分配器的基本構(gòu)成是觸發(fā)器。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)有幾相就需要幾個(gè)序列脈沖，所以步進(jìn)電機(jī)有幾相，就要設(shè)置幾個(gè)觸發(fā)器。每個(gè)觸發(fā)器發(fā)出的脈沖就是一個(gè)序列脈沖，用來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)某相定子繞組的通、斷電。觸發(fā)器工作的同步信號(hào)就是來(lái)自插補(bǔ)器的某個(gè)坐標(biāo)軸的位移驅(qū)動(dòng)信號(hào) Δx或 Δy。 CH250 是國(guó)產(chǎn)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)環(huán)形分配器專(zhuān)用集成電路芯片，通過(guò)控制端的不同接法可組成三相雙三拍和三相六拍的工作方式。 圖 34（ a）為 CH250 引腳圖。 圖 34（ b）為三相六拍接線(xiàn)圖。其工作狀態(tài)表如表 31。 （ a） （ b） 圖 34 CH250 管腳圖及三相六拍接線(xiàn)圖 J3r、 J3L 兩端子是三相雙三拍的控制端， J6r、 J6L 是三相六拍的控制端三相雙三拍邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 工作時(shí)， 若 J3r＝“ 1”， 而 J3L＝“ 0”， 則電機(jī)正轉(zhuǎn)； 若 J＝“ 0”， J3L＝“ 1”， 則電機(jī)反 轉(zhuǎn)； 三相六拍供電時(shí)， 若 J6r＝“ 1”， J6L＝“ 0”， 則電機(jī)正轉(zhuǎn)； 若 J6r＝“ 0”， J6L＝“ 1”，電機(jī)反轉(zhuǎn)。 R*是雙三拍的復(fù)位端， R 是六拍的復(fù)位端，使用時(shí)，首先將其對(duì)應(yīng)復(fù)位端接入高電平，使其進(jìn)入工作狀態(tài)，然后換接到工作位置。 CL 端是時(shí)鐘脈沖輸入端， EN 是時(shí)鐘脈沖允許端，用以控制時(shí)鐘脈沖的允許與否。當(dāng)脈沖 CP 由 CL 端 輸入，只有 EN 端為高電平時(shí)，時(shí)鐘脈沖的上升沿才起作用。 CH250 也允許以 EN 端作脈沖 CP 的輸入端，此時(shí)，只有 CL 為低電平時(shí)，時(shí)鐘脈沖的下降才起作用。