第4章-伺服系统设计(机电一体化系统设)课件.pptVIP

每次换相步进电机转子所转过的角度称为步矩角，上面讨论的步进过程，其步矩角为30°。其计算公式为 θ为步矩角； m为步进电动机的相数； Z为步进电动机转子的齿数； C为通电方式系数。 C＝1表示单拍或双拍方式；C=2表示单、双拍方式。 步进电动机作的逆时针旋转运动实际上是在控制步进电动机相电源以某种通电方式接通电源完成的。对于三相步进电动机有多种通电方式： （1）三相单三拍通电方式。这种方式由于每次只有一相绕组通电，绕组电流切换的瞬间，电机将失去自锁力矩，容易引起失步；另外，转子到达平衡位置时，由于缺乏阻尼作用，转子达到新的平衡位置容易产生振荡，稳定性不好。目前这种控制方式运用的较少。 （2）三相双三拍通电方式。由于这种方式有两相绕组同时通电，一相对转子有吸引作用，另一相则是阻尼作用，所以转子到达平衡位置时，由于阻尼的作用，不容易产生振荡，故这种方式工作比较平稳。 （3）三相单、双六拍通电方式。这种方式由于是六拍控制，其步矩角为15°。每一拍总有一相控制绕组持续通电，也具有阻尼作用，因此运行平稳。 （三）步进电动机的运行特性 1．连续运行矩频特性 随着频率的升高，电磁转矩下降。原因主要是控制绕组是呈感性的，它具有延缓电流变化的作用。 2．启动矩频特性和惯频特性 在一定负载转矩下，电机不失步地正常起动所能加的最高脉冲控制频率，称为启动频率，也称为突跳频率。启动频率与负载大小有关，由于电机启动时除了克服负载外，还要克服电机转子的惯性转矩，因此启动频率一般比运行频率要低。 （三）步进电动机的型号和主要性能指标 最大静转矩。一般来说，最大静转矩较大的电机，可以带动较大的负载。负载转矩一般取最大静态转矩的30％～50％。 步矩角。步矩角的大小会直接影响步进电动机的启动和运行频率。外型尺寸相同的电机，步矩角小的往往启动及运行频率比较高，但转速和输出功率不一定高。 静态步矩角误差。静态步矩角误差是指实际步矩角与理论的步矩角之间的差值，常用理论步矩角的百分数或绝对值来衡量。静态步矩角误差小，则电动机的精度高。 启动频率和启动矩频特性。启动频率是步进电动机的一项重要指标。产品目录上一般都有空载启动频率的数据。 运行频率和运行矩频特性。连续运行频率通常是启动频率的4－10倍。提高运行频率对于提高生产率和系统的快速性有很大的实际意义。 （四）步进电动机的驱动 由于步进电动机接收的是脉冲信号，因此步进电动机需要由专门的驱动电源供电。驱动电源的基本部分包括变频信号源、脉冲分配器和脉冲功率放大器 步进电动机驱动按功率放大器电路不同主要可分为单电压电路、双电压电路、恒流斩波电路、调频调压电路、细分电路等。 （1）单电压电路。 这种电路的最大特点是线路简单、功率元件少，成本低。但它的缺点是由于Rn，要消耗能量，使得工作效率低。所以这种电路一般只适于小功率步进电动机的驱动。 （2）双电压电路（高低电压电路）。 采用双电压电路可以保证输出电流的波形，所以电动机的矩频特性好，启动和运行频率得到了很大的提高。主要缺点时低频运行时输入能量过大，造成电机低频振荡加重；同时也增大了电源的容量。 （3）恒流斩波电路。 恒流斩波电路可以更好地解决绕组电流导通后的平稳性，使得电机在额定电流附近产生最小的脉动。 (4)细分电路 一般步进电动机受到工艺的限制，它的步矩角是有限的。而实际中的有些系统往往要求步进电动机的步矩角必须很小，才能达到工艺的要求。如数控机床为了提高加工精度，要求脉冲当量为0.01mm/脉冲。 （5）调频调压电路 步进电机低频时由于绕组电流过大易于产生振荡，高频时由于注入电流减少而导致转矩下降，因此，理想情况下希望低频低压，高频高压。这种方法的思路正是当步进电动机低频运行时调低供电电压，高频运行时调高供电电压，使绕组电压随着电动机的转速而变化。 驱动芯片LB1945H是SANYO公司产的单片双H桥驱动器，适合于驱动双相步进电动机，采用PWM电流控制实现4步、8步通电方式的运转。 4.3 伺服系统中执行器的选择 执行器的种类很多，各类型元件的特性、成本、结构及安装方式都有很大区别。选择何种执行元件，应根据控制方法、成本、工作环境等要求综合考虑。 一、执行器的选择方法 执行器驱动的执行机构常见的输出方式主要是直线运动和旋转运动。 1)直线运动机构执行器的选择 实现直线运动的执行器主要有直线步进电动机、液压缸、气压缸。它们都可以直接驱动负载，产生直线运动。直接驱动的优点是：负载与驱动元件直接连接，执行机构比较简单。缺点是直线执行元件种类相对较少，尺寸较大。液压缸和气缸结构比较简单，但需要控制阀、动力源等辅助元件，占地空间较大，液压源噪声较大，也有环境污染问题。直线步进电动机和直流电动机体积比较大，价格也比较昂贵。 实现