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第五章 开环伺服系统

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第五章 开环伺服系统. 5.1 概述. 特点:. 没有位置反馈和速度反馈回路;. 多使用步进电机作为驱动电机;. 在工作频率范围内,系统每发出一个脉冲,步进电机就转过一定的角度(步距角);. 工作台的位移量由发送给步进电机的脉冲数量决定;. 工作台的移动速度由发送给步进电机的脉冲频率决定;. 工作台的移动方向由步进电机绕组的通电顺序或电流方向决定;. 受到步距角的限制,并且对系统误差只能采用软件补偿的方法解决,所以精度较低;. 受到步进电机运行频率的限制,所以速度较慢。. 5.2.1 反应式步进电机.

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Presentation Transcript
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特点:

  • 没有位置反馈和速度反馈回路;
  • 多使用步进电机作为驱动电机;
  • 在工作频率范围内,系统每发出一个脉冲,步进电机就转过一定的角度(步距角);
  • 工作台的位移量由发送给步进电机的脉冲数量决定;
  • 工作台的移动速度由发送给步进电机的脉冲频率决定;
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工作台的移动方向由步进电机绕组的通电顺序或电流方向决定;工作台的移动方向由步进电机绕组的通电顺序或电流方向决定;

  • 受到步距角的限制,并且对系统误差只能采用软件补偿的方法解决,所以精度较低;
  • 受到步进电机运行频率的限制,所以速度较慢。
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5.2.1反应式步进电机

反应式步进电机又称为可变磁阻式(Variable Reluctance)步进电机,简称为VR步进电机。

5.2 步进电机 (Stepper Motor)

按照工作原理分:反应式/变磁阻式永磁式、永磁感应子式/混合式

按照相数分:三相、四相、五相等

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步进电机从一相通电换接到另一相通电,称为一拍,每一拍,转子转过一个固定的角度,称为步距角θ。步进电机从一相通电换接到另一相通电,称为一拍,每一拍,转子转过一个固定的角度,称为步距角θ。

例子中的步进电机绕阻通电顺序为A-C-B-A…,则转子顺时针转动,步距角为7.5º;若绕阻通电顺序为A-B-C-A …,则转子逆时针转动。该种供电方式称为单三拍方式。

双三拍方式: AB-BC-CA-AB …

三相六拍方式: A-AB-B-BC-C-CA-A …

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其中Z为转子齿数,为N供电方式的拍数。

5.2.1.2 性能指标

  • 步距角θ:步进电机每接收到一个控制脉冲转子转过的角度。

步距角决定了系统的分辨率。步进电机每转动一个步距角引起的工作台移动距离称为脉冲当量δ。

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其中l为丝杠螺距,i为减速齿轮副的传动比。

  • 最大静态转矩Mjmax:步进电机在不改变通电状态时(转子处在不动状态,即静态),在电机轴上外加负载转矩,转子会转过一定的角度(失调角),负载撤销后,转子又回到原来的位置。步进电机所能够承受的该类负载转矩的最大值称为最大静态转矩。

最大静态转矩反映了步进电机工作时的带载能力。

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工作台移动速度:

  • 空载启动(突跳)频率fst:空载时步进电机由静止突然启动,进入不丢步的正常运行状态的最高控制脉冲频率。
  • 最大运行频率fw:步进电机不丢步而正常连续运行的最高控制脉冲频率。

最大运行频率决定了系统的最大速度。

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分辨率

脉冲当量

步距角

  • 最大速度

最大运行频率

  • 最大加速度

空载启动(突跳)频率

最大静转矩(5~10倍额定转矩)

  • 额定转距

5.2.1.3 步进电机的选型

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5.2.1.4 反应式步进电机的特点

  • 步距角小,运行频率高,控制方便;
  • 励磁电流大,要求驱动电源的功率大,从而效率较低;
  • 电机的内部阻尼小,单步运行振荡时间长;
  • 断电后无定位转矩。
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5.2.2永磁式步进电机

永磁式(Permanent Magnet)步进电机,简称为PM步进电机,其定子或转子的某一方为永久磁钢。其典型的特点为:

  • 步距角大;
  • 要求驱动电源的功率小,从而效率较高;
  • 电机的内部阻尼大,单步运行振荡时间短;
  • 断电后有定位转矩。
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5.3 步进电机的控制脉冲分配方法

硬件方法

通用硬件电路

专用硬件电路

软件方法

移位寄存器法

查表法

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5.3.1 硬件脉冲分配方法

采用硬件方法进行脉冲分配,控制软件一侧只需要输出一路脉冲信号和一路方向控制信号,步进电机绕阻的供电时序由硬件电路生成。

  • 通用硬件电路

例如三相六拍

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反转

正转

X——方向,1—正转,0—反转

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由以上真值表,可得逻辑表达式为

使用通用IC即可以设计出如上脉冲分配电路。

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专用硬件电路

例如CH250、LCB052等。

slide20

CF D7 …… D0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

C B A

5.3.2 软件脉冲分配方法

最常用的软件脉冲分配方法有移位寄存器法和查表法。

  • 移位寄存器法
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正向:

负向:

…MOV CL,3RCL AL,CLNOT AL…

…MOV CL,3RCR AL,CLNOT AL…

slide22

0 0 0 0 0 0 0 1

0 0 0 0 0 0 1 1

0 0 0 0 0 0 1 0

指针

0 0 0 0 0 1 1 0

0 0 0 0 0 1 0 0

0 0 0 0 0 1 0 1

C B A

  • 查表法
slide23

特点:

线路简单,但是电流上升不够快,高频时带负载的能力低。

5.4 步进电机的驱动电源

5.4.1 单电压

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特点:

在较大的频率范围内有较大的平均电流,能够得到较大的平均功率,但是电流波顶有凹陷,电路较复杂。

5.4.2 高低电压

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5.4.3 斩波驱动电路

特点:电流波形比较理想,但是电路复杂。