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；

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；

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。

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 。

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 …

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 。

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。

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

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）

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

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

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

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。

专用硬件电路

例如 CH250 、 LCB052 等。

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

正向： …MOV CL,3RCR AL,CLNOT AL…

负向： …MOV CL,3RCL AL,CLNOT AL…

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

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。

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。

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。