第八章 數(shù)控伺服系統(tǒng)進給軸：伺服電機+滾珠絲杠+位置檢測v減少進給軸所需要的驅(qū)動扭矩v提高定位精度v運動平穩(wěn)性二、步進電機 步進電機又稱步進電機又稱電脈沖馬達電脈沖馬達。它是將。它是將電脈沖電脈沖信號信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的執(zhí)行元件。轉(zhuǎn)換成機械角位移的執(zhí)行元件。1 定義：輸入一個電脈沖 電機就轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)角度角度。轉(zhuǎn)子的角位移角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)電脈沖數(shù)量量及其頻率頻率成正比。步距角步距角B 定子內(nèi)圓周均勻分布著六個磁極，磁極上有勵磁繞定子內(nèi)圓周均勻分布著六個磁極，磁極上有勵磁繞組，每兩個相對的繞組組成一相，采用組，每兩個相對的繞組組成一相，采用Y連接，假設(shè)轉(zhuǎn)連接，假設(shè)轉(zhuǎn)子有四個齒。子有四個齒。ACIAIBIC定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子2、步進電動機的原理步進電動機的原理 由于磁力線總是要通過由于磁力線總是要通過磁阻最小磁阻最小的路徑閉合，因此的路徑閉合，因此會在磁力線扭曲時產(chǎn)生切向力，而形成磁阻轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)會在磁力線扭曲時產(chǎn)生切向力，而形成磁阻轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。子轉(zhuǎn)動?，F(xiàn)以現(xiàn)以A B C A的通電順序，使三相繞組的通電順序，使三相繞組 輪流通入直流電流，觀察轉(zhuǎn)子的運動情況。輪流通入直流電流，觀察轉(zhuǎn)子的運動情況。BCIAIBIC1.1.1.1.三相單三拍三相單三拍三相單三拍三相單三拍CABBCA3412 A相繞組通電，相繞組通電，B、C相相不通電。氣隙產(chǎn)生以不通電。氣隙產(chǎn)生以A-AA-A為軸線為軸線的磁場，而磁力線總是力圖從的磁場，而磁力線總是力圖從磁阻最小的路徑通過，故電動磁阻最小的路徑通過，故電動機轉(zhuǎn)子受到一個反應(yīng)轉(zhuǎn)矩，在機轉(zhuǎn)子受到一個反應(yīng)轉(zhuǎn)矩，在此轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子必然轉(zhuǎn)此轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子必然轉(zhuǎn)到左圖所示位置：到左圖所示位置：1、3齒與齒與A、A極對齊。極對齊。“三相三相”指三相步進電機；指三相步進電機；“單單”指每次只能一相指每次只能一相繞組通電；繞組通電；“三拍三拍”指通電三次完成一個通電循環(huán)。指通電三次完成一個通電循環(huán)。CABBCA3412 同理，同理，B相通電時，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過相通電時，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過30 角，角，2、4齒和齒和B、B 磁極軸線對齊；當磁極軸線對齊；當C相通電時，轉(zhuǎn)子相通電時，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過再轉(zhuǎn)過30 角，角，1、3齒和齒和C、C磁極軸線對齊。磁極軸線對齊。1C342CABBA 這種工作方式下，三個繞組依次通電一次為一這種工作方式下，三個繞組依次通電一次為一個循環(huán)周期，一個循環(huán)周期包括三個工作脈沖，所個循環(huán)周期，一個循環(huán)周期包括三個工作脈沖，所以稱為三相單三拍工作方式。以稱為三相單三拍工作方式。按按AB C A 的順序給三相繞組的順序給三相繞組輪流通電，轉(zhuǎn)子便一步一步轉(zhuǎn)動起來。每一拍轉(zhuǎn)輪流通電，轉(zhuǎn)子便一步一步轉(zhuǎn)動起來。每一拍轉(zhuǎn)過過30(步距角步距角)，每個通電循環(huán)周期，每個通電循環(huán)周期(3拍拍)磁場在磁場在空間旋轉(zhuǎn)了空間旋轉(zhuǎn)了360而轉(zhuǎn)子而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)過90(一個齒距角一個齒距角)。CABBCA3412 A相通電，相通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子1 1、3 3齒與齒與A、A 對齊。對齊。2.2.三相六拍三相六拍三相六拍三相六拍 按按AAB B BC C CA的順序給三相的順序給三相繞組輪流通電。繞組輪流通電。這種方式可以獲得更精確的控制這種方式可以獲得更精確的控制特性。特性。CABBCA3412 A、B相同時通電，相同時通電，A、A 磁極拉住磁極拉住1、3齒，齒，B、B 磁極拉住磁極拉住2、4齒，齒，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過過15，到達左圖所示位置。到達左圖所示位置。CABBCA3412 B B 相通電，相通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子2、4齒與齒與B、B 對齊對齊,又轉(zhuǎn)又轉(zhuǎn)過過15。3412CABBCA B、C相同時通電，相同時通電，C、C 磁極拉住磁極拉住1、3齒，齒，B、B 磁極拉住磁極拉住2、4齒，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)齒，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過過15。三相反應(yīng)式步進電動機的一個通電循環(huán)周三相反應(yīng)式步進電動機的一個通電循環(huán)周期如下：期如下：AAB B BC C CA，每個循每個循環(huán)周期分為六拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過環(huán)周期分為六拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15（步距角），（步距角），一一個通電循環(huán)周期個通電循環(huán)周期(6拍拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90 (齒距角齒距角)。與單三拍相比，六拍驅(qū)動方式的步進角更小，與單三拍相比，六拍驅(qū)動方式的步進角更小，更適用于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。更適用于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。AB通電通電CABBCA3412BC通電通電3412CABBCACA通電通電CABBCA3412 與單三拍方式相似，雙三拍驅(qū)動時每個通電與單三拍方式相似，雙三拍驅(qū)動時每個通電循環(huán)周循環(huán)周期也分為三拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過期也分為三拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30 (步距角步距角)，一一個通電個通電循環(huán)周期循環(huán)周期(3拍拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90(齒距角齒距角)。3.3.三相雙三拍三相雙三拍三相雙三拍三相雙三拍 按按AB BC CA的順序給三相繞組輪流通電。的順序給三相繞組輪流通電。每拍有兩相繞組同時通電每拍有兩相繞組同時通電。從以上對步進電機三種驅(qū)動方式的分析可從以上對步進電機三種驅(qū)動方式的分析可得得步距角步距角計算公式：計算公式：步距角步距角Zr 轉(zhuǎn)子齒數(shù)轉(zhuǎn)子齒數(shù)m 每個每個通電循環(huán)周期通電循環(huán)周期的拍數(shù)的拍數(shù) 實用步進電機的步距角多為實用步進電機的步距角多為3 和和1.5，如何做，如何做?步進電機由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成，下圖中三步進電機由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成，下圖中三相定子相定子A A、B B、C C，三相每相兩極：，三相每相兩極：AA,BB,CC AA,BB,CC，每極上，每極上5 5個齒。個齒。齒距角齒距角9 9度度 為了獲得小步距角，電機的定子、轉(zhuǎn)子都做為了獲得小步距角，電機的定子、轉(zhuǎn)子都做成多齒的成多齒的 定子上線圈的繞法定子上線圈的繞法 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 （4040齒）齒）齒距角齒距角9 9度度A A相相 B相 C相 定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子B B相相C C相相 通斷電方式通斷電方式v 三相單三拍：三相單三拍：ABCAv 三相雙三拍：三相雙三拍：ABBCCAABv 三相六拍：三相六拍：AABBBCCCAAA相 B相 C相 -表示表示1個脈沖個脈沖定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子1 1）若步進電機采用分別采用）若步進電機采用分別采用三相單三拍、三相單三拍、三相雙三拍、三相六拍三相雙三拍、三相六拍通電方式，轉(zhuǎn)子通電方式，轉(zhuǎn)子齒數(shù)為齒數(shù)為6060，則，則步距角分別為多少步距角分別為多少？2 2）三相六拍通電方式中，三相六拍通電方式中，若控制的指令若控制的指令脈沖頻率為脈沖頻率為24002400，則步進，則步進電機轉(zhuǎn)速電機轉(zhuǎn)速為多為多少少r/minr/min?3 3）三相六拍通電方式中，三相六拍通電方式中，若控制的脈沖若控制的脈沖數(shù)為數(shù)為10001000個，則電機轉(zhuǎn)過了多少角位移個，則電機轉(zhuǎn)過了多少角位移？練習(xí) 7三、伺服電動機三、伺服電動機伺服電動機可分為兩類：伺服電動機可分為兩類：伺服電動機可分為兩類：伺服電動機可分為兩類：伺服電動機又稱執(zhí)行電動機。其伺服電動機又稱執(zhí)行電動機。其功能是將輸功能是將輸入的入的電壓控制信號電壓控制信號轉(zhuǎn)換為軸上輸出的轉(zhuǎn)換為軸上輸出的角位移角位移和角和角速度，驅(qū)動控制對象。速度，驅(qū)動控制對象。交流伺服電動機交流伺服電動機交流伺服電動機交流伺服電動機 直流伺服電動機直流伺服電動機直流伺服電動機直流伺服電動機 伺服電動機可控性好，反應(yīng)迅速。是自動控伺服電動機可控性好，反應(yīng)迅速。是自動控制系統(tǒng)和計算機外圍設(shè)備中常用的執(zhí)行元件。制系統(tǒng)和計算機外圍設(shè)備中常用的執(zhí)行元件。直流伺服他勵電機原理直流伺服他勵電機原理RdIdIdFUdEd直流伺服電動機的機械特性方程1.可調(diào)整多個參量實現(xiàn)調(diào)速，調(diào)速性能好。2.輸出扭矩大，過載能力強。3.電刷和換向器易磨損，最高轉(zhuǎn)速受限制。4.直流伺服電機逐漸的被交流伺服電機所取代。特點：交流同步伺服電機結(jié)構(gòu)交流同步伺服電機結(jié)構(gòu)交流同步伺服電機工作原理交流同步伺服電機工作原理Nsns nr SsSNf:電源頻率電源頻率p:定子磁極對數(shù)定子磁極對數(shù)交流伺服電機的優(yōu)點交流伺服電機的優(yōu)點:w 結(jié)構(gòu)簡單、成本低結(jié)構(gòu)簡單、成本低w 較硬的機械特性較硬的機械特性w 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量小機械特性：機械特性：轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速受受負載負載影響的程度影響的程度