第五章开环伺服系统

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；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 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

5.2.1.1 工作原理

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 …

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。

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。

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。

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

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。

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。

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

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

反转正转 X——方向，1—正转，0—反转

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。

专用硬件电路 例如CH250、LCB052等。

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

正向： 负向： …MOV CL,3RCL AL,CLNOT AL… …MOV CL,3RCR AL,CLNOT AL…

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

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

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

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。

第五章 开环伺服系统