【正文】 器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角” )，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。 轉(zhuǎn)子上沒有繞組，只有均勻分布的 40個齒，其大小和間距與定子上的完全相同，并與之相差 1/3 齒距。轉(zhuǎn)子也隨著該 磁場轉(zhuǎn)一個角度。 目前，我國使用的步進(jìn)電機(jī)多為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。 指令脈沖數(shù)決定它的轉(zhuǎn)動步數(shù)，即角位移的大小，對步進(jìn)電動機(jī)施加一個電脈沖信號時，步進(jìn)電動機(jī)就旋轉(zhuǎn)一個固定的角度，稱為一步，每一步所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角；指令脈沖頻率決定它的轉(zhuǎn)動速度。由于所用的電源是 脈沖電源，所以又稱為脈沖馬達(dá)。 由于步進(jìn)電動機(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)等國防工業(yè)等領(lǐng)域。但每轉(zhuǎn)一圈的累積誤差為零 , 所以步距的誤差不積累。轉(zhuǎn)子運(yùn)動的速度主要取決于脈沖信號的頻率。 與感應(yīng)電機(jī)相比，由于永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高、功率因數(shù)高、轉(zhuǎn)矩電流比高、轉(zhuǎn)動慣量低、易于散熱及維護(hù)保養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)特別是隨著永磁材料價格的下降、邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 材料磁性能的提高，以及新型永磁材料的出現(xiàn)，在中小功率、高精度、高可靠性、寬調(diào)速范圍的伺服系統(tǒng)中以永磁同步電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)是越來越多，其應(yīng)用領(lǐng)域逐步推廣，尤其在航空、航大、數(shù)控機(jī)床、加工中心、機(jī)器人等場合已獲得廣泛的應(yīng)用。轉(zhuǎn)子電阻隨溫度變化而影響磁場定向的準(zhǔn)確性。而交流傳動系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般采用感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)。 圖 24 全閉環(huán)伺服系 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第三章 伺服驅(qū)動系統(tǒng)方案的選擇 伺服電動機(jī)為數(shù)控伺服系統(tǒng)的重要組成部分，是速度和軌跡控制的執(zhí)行元件。 從理論上講，可以消除整個驅(qū)動和傳動環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動量。但可對這類誤差進(jìn)行補(bǔ)償，因而仍可獲得滿意的精度。 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖 23 所示，是從驅(qū)動裝置 (常用伺服電機(jī) )或絲杠引出，采樣旋 轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測，不是直接檢測運(yùn)動部件的實(shí)際位置。一般以功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動元件。從 內(nèi)部的邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 實(shí)際工作來看，它是先把位置控制指令轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的速度信號后，通過調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)際位移的。速度控制單元：用來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，是速度控制系統(tǒng)的核心。 一般閉環(huán)系統(tǒng)為三環(huán)結(jié)構(gòu)：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動系統(tǒng)、 驅(qū)動系統(tǒng)或伺服單元。本文設(shè)計(jì)的根據(jù)現(xiàn)代化發(fā)展的趨勢，通過各類伺服驅(qū)動系統(tǒng)的介紹，進(jìn)而用步進(jìn)電機(jī)的伺服 驅(qū)動系統(tǒng)與交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行多反面比較，無論從起結(jié)構(gòu)方式，應(yīng)用范圍，得出交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)越性，進(jìn)而對交流伺服系統(tǒng)的典型系統(tǒng)（永磁同步伺服系統(tǒng)）進(jìn)行基于 DSP 的永磁同步伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)。進(jìn)給電機(jī)應(yīng)具有大的較長時間的過載能力，一般能過載 45 倍左右，持續(xù)時間達(dá) 10 分鐘以上，轉(zhuǎn)動慣量要小，滿足快速響應(yīng)的要求，一般進(jìn)給伺服電機(jī)做成細(xì)長，高檔進(jìn)給具備 400rad/s2 以上的加速度，保證電機(jī)在 以內(nèi)從靜止起動到 1500rad/min。二是連續(xù)的任意角度控制。 進(jìn)給坐標(biāo)的伺服控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制，在整個速度范圍內(nèi)都要保持這個轉(zhuǎn)矩；主軸邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 坐標(biāo)的伺服控制在低速時為恒轉(zhuǎn)矩控制，能提供較大轉(zhuǎn)矩。一般數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的調(diào)速范圍都在 0～30m/min，高的可達(dá) 240 m/min。 調(diào)速范圍是指生產(chǎn)機(jī)械要求電機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。 快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。還要具有足夠的傳動剛性和速度穩(wěn)定性。 2）穩(wěn)定性好。 伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。為了獲得良好的主軸特性，主軸驅(qū)動系統(tǒng)中采用矢量變頻控制的交流主軸電動機(jī)，矢量控制分無速度傳感器和有速度傳感器兩種方式，后者具有更高的速度控制精度，在數(shù)控車床中無速度傳感器的矢量變頻器已符合控制要求，而在進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)中一般都采用永磁同步電機(jī)， 1964 年德國人率先提出脈寬調(diào)制變頻思想，把通訊系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)應(yīng)用邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 于交流變頻器。交流伺服電動機(jī)沒有這些缺點(diǎn)，且轉(zhuǎn)子慣量比直流電動機(jī)小，使得動態(tài)響應(yīng)好。 在數(shù)控機(jī)床中，伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床里的一個非常重的部分，對于它的控制的好壞一定程度上反應(yīng)一個機(jī)床的控制柔性的程度。我國經(jīng)濟(jì)全面與國際接軌，并逐步成為全球制造中心，我國企業(yè)廣泛應(yīng)用現(xiàn)代化數(shù)控技術(shù)參與國際競爭。邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第一章 緒論 11 選題背景與意義 數(shù)控技術(shù)也叫計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)（ CNC， Compute Numerical Control），目前它是采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字程序控制的技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是制造實(shí)現(xiàn)自動化，集 成化的基礎(chǔ)，是提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率不可少的物資手段。步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動系統(tǒng)控制數(shù)控車床進(jìn)給運(yùn)動，為車床主軸提供驅(qū)動功率以及所需的切削力。另外在同樣體積下，交流電動機(jī)的輸出功率可比直流電動機(jī)提高 10％～ 70％；其容量也可以比直流電動機(jī)造得大，達(dá)到更高的電壓和轉(zhuǎn)速。調(diào)制方法很多，目前用得最多的是正弦脈寬調(diào)制 [1]。包括定位精度和輪廓加工精度。 穩(wěn)定 是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。也就是說伺服系統(tǒng)在負(fù)載或切削條件發(fā)生變化時，應(yīng)使進(jìn)給速度保持恒定。為了保證輪廓切削形狀精度和加工表面粗糙度，要求伺服系統(tǒng)除了要有較高的定位精度 外，還要有良好的快速響應(yīng)特性，也就是要求伺服電動機(jī)起、停的升降速過程要短，要有較高的加速度。 0～ 24m / min[2] 。 5）低速大轉(zhuǎn)矩。在高速時為恒功率控制，具有足夠大的輸出功率。（作特殊加工時，主軸坐標(biāo)有了進(jìn)給坐標(biāo)的功能，稱為“ C”軸控制。電機(jī)應(yīng)能承受頻繁的起動制動和反轉(zhuǎn)， 20 次 /min 以上。 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第二章 伺服驅(qū)動系統(tǒng)的基本組成和工作原理 21 伺服驅(qū)動系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。伺服系統(tǒng)的主要功能就是從數(shù)控系統(tǒng)接收微小的電控信號（ 5V左右， mA 級），放大成強(qiáng)電的驅(qū)動信號（幾十、上百伏、安培級），用以驅(qū)動伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件 —— 伺服電動機(jī)，將電控信號的變化，轉(zhuǎn)換成電動機(jī)輸出軸的角位移或角速度的變化，從而帶動機(jī)床主體部件（如工作臺、主軸或刀具進(jìn)給等）運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)對機(jī)床主體運(yùn)動的速度控制和位置控制 ,達(dá)到加工出工件的外形和尺寸的最終目標(biāo) [3]。位置、速度和電流環(huán)均由：調(diào)節(jié)控制模塊、檢測和反饋部分組成。速度檢測裝置：測速發(fā)電機(jī)、脈沖編碼器等。 23 數(shù)控伺服系統(tǒng)的分類 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)種類繁多，按照不同參照可分如下幾類 1）按控制原理和有無位置反饋裝置分：開環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)； 2）按用途和功能分：進(jìn)給驅(qū)動和主軸驅(qū)動系統(tǒng)； 3）按驅(qū)動執(zhí)行元件的動作原理分：電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)和電氣伺服驅(qū)動系統(tǒng)。 這類系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡單、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在精度和速度要求不高、驅(qū)動力矩不大的場合得到廣泛應(yīng)用。 半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機(jī)械傳動環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代 CNC 機(jī)床中得到了廣泛應(yīng)用。具有很高的位置控制精度。數(shù)控機(jī)床中常用的驅(qū)動元件 — 伺服電機(jī)： 1）直流伺服電機(jī)（調(diào)速性能良好） 2）交流伺服電機(jī)（主要使用的電機(jī)） 3）步進(jìn)電機(jī)（適于輕載、負(fù)荷變動不大） 4） 直線電機(jī)（高速、高精度） 電機(jī)控制系統(tǒng)按照驅(qū)動電機(jī)的類型主要分為直流傳動系統(tǒng)和交流傳動系統(tǒng) 以及步進(jìn)電機(jī)伺服驅(qū)動系統(tǒng) 。感應(yīng)電動機(jī)，特別是鼠籠型異步電動機(jī)一 直是傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)的執(zhí)行元件，其結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、效率較高，但存在著散熱和參數(shù)容易波動等問題。同時，低速運(yùn)行時發(fā)熱比較嚴(yán)重，而低速運(yùn)行又往往是機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)經(jīng)常所處的運(yùn)行狀態(tài)。 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)電動機(jī)及驅(qū)動器的研制和發(fā)展進(jìn) 入了新階段。轉(zhuǎn)子運(yùn)動的總位移量則取決于總的脈沖信號數(shù)?？刂菩阅芎?。 綜上所述，步進(jìn)電機(jī)的伺服驅(qū)動系統(tǒng)和交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)都在各個領(lǐng)域有著很強(qiáng)大的占有空間，面對市場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。步進(jìn)電機(jī)用于與控制脈沖組成的開環(huán)系統(tǒng)中。只要改變指令脈沖頻率，就可以使步進(jìn)電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)邵陽學(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)。 通常步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子為 永磁體 ，當(dāng)電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。每輸入一個電脈沖， 電動機(jī) 轉(zhuǎn)動一個角度前進(jìn)一步。如圖 31 所示。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，同時可以通過控制脈沖頻 率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 當(dāng) A 相通電時，電動機(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 相磁極對齊。 當(dāng) C相通電時，電動機(jī)鐵芯 CC 方向產(chǎn)生磁通，在磁拉力作用下，轉(zhuǎn)子沒逆時針方邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 ZNa 176。即步距角為 30176。 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。若通電脈沖次序?yàn)?AB、 BC、 CA、 AB?，每次兩相同時通電，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)過的角度。 步進(jìn)電動機(jī)具有自身的特點(diǎn)，歸納起來有： 1）可以用數(shù)字信號直接進(jìn)行開環(huán)控制，整個系統(tǒng)造價低； 2）位移與輸入脈沖信號樹相對應(yīng)，步距誤差不長期積累，可以組成結(jié)構(gòu)較為簡單而又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，也可以在要求高精度時組 成閉環(huán)控制系統(tǒng)； 3）無刷，電動機(jī)本體部件少，可靠性高； 4）易于起動，停止，正反轉(zhuǎn)及變轉(zhuǎn)；5）停止時，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)，同時用一臺控制器控制幾步電動機(jī)，可使它們完全同步運(yùn)行； 7）步進(jìn)電動機(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]。 伺服驅(qū)動系統(tǒng)對驅(qū)動電源的基本要求：驅(qū)動電源的相數(shù)、通電方式和電壓、電流都滿足步進(jìn)電動機(jī)的需要；要滿足步進(jìn)電動機(jī)的起動頻率和運(yùn)行頻率的要求；能最大限度地抑制步進(jìn)電動機(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。無論是來自于數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)信號，還是各種類型的誤差補(bǔ)償信號，手動進(jìn)給信號、手動回原點(diǎn)信號，它的目的無非是使工作臺做正向進(jìn)給運(yùn)動或者是負(fù)向進(jìn)給運(yùn)動，通過混合脈沖電路可以將上述各類型號混合為使工作臺正向進(jìn)給的“正向進(jìn)給”信號或者是使工作臺做負(fù)向運(yùn)動的“負(fù)向進(jìn)給”信號。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)正在沿著某個方向旋轉(zhuǎn)時，在向相反的方向旋轉(zhuǎn)極個別步距角），必須首先是步進(jìn)電機(jī)從該旋轉(zhuǎn)方向靜止下來，然后才能向相反的方向旋轉(zhuǎn)，待旋轉(zhuǎn)極個別幾個步距角后 ，再恢復(fù)至原來的方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給。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的頻率變化要平滑。加減速電路就是為此而設(shè)置的。 功率放大器。步進(jìn)電機(jī)需要的脈沖序列來自插補(bǔ)器，但對于某個單軸坐標(biāo)，插補(bǔ)器只能按照一定線型，提供一個單序列脈沖。硬件環(huán)行分配器的基本構(gòu)成是觸發(fā)器。 CH250 是國產(chǎn)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)環(huán)形分配器專用集成電路芯片，通過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。 （ a） （ b） 圖 34 CH250 管腳圖及三相六拍接線圖 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學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 工作時， 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， 若 J6r＝“ 1”， J6L＝“ 0”， 則電機(jī)正轉(zhuǎn)； 若 J6r＝“ 0”， J6L＝“ 1”，電機(jī)反轉(zhuǎn)。 CH250 也允許以 EN 端作脈沖 CP 的輸入端，此時，只有 CL 為低電平時，時鐘脈沖的下降才起作用。在實(shí)際的控制過程當(dāng)中，環(huán)形分配器的輸出信號很小，而步進(jìn)電動機(jī)的繞組電流又很大。 1）單電壓功率放大電路 圖 35 單電壓功率放大電路 圖 35 為單電壓功率放大器，圖中 A、 B、 C分別為步進(jìn)電機(jī)的 ，每項(xiàng) 3 一組放大器驅(qū)動。其 特點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡單，但串聯(lián) R2 消耗能量降低