第五章 开环伺服系统
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第五章 开环伺服系统
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5.1 概述
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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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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。
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;
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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 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。
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5.2.1.1 工作原理
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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 。
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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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。
NZ
o
360
其中 Z为转子齿数,为 N供电方式的拍数。
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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i
lo
360
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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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。工作台移动速度:
mm/min 60 fV
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5.2.1.3 步进电机的选型
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
额定转距 最大静转矩( 5~10 倍额定转矩)
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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
通用硬件电路
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。
例如三相六拍
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A B C
1 0 0
1 1 0
0 1 0
0 1 1
0 0 1
1 0 1
正转
反转
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
nnn
nnn
nnn
BXAXC
AXCXB
CXBXA
1
1
1
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。
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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
100000000
CF D7 …… D0
C B A
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正向: …MOV CL,3RCR AL,CLNOT AL…
负向: …MOV CL,3RCL AL,CLNOT AL…
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查表法
0 0 0 0 0 1 0 1
0 0 0 0 0 1 0 0
0 0 0 0 0 1 1 0
0 0 0 0 0 0 1 0
0 0 0 0 0 0 1 1
0 0 0 0 0 0 0 1
C B A
指针
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5.4 步进电机的驱动电源5.4.1 单电压
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。
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5.4.2 高低电压
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。
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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。