开环伺服系统

　　1．步进开环伺服系统

　　步进电机及其驱动系统主要用于开环位置控制系统。采用步进电机的伺服系统也称为步进开环伺服系统，它由步进电动机驱动电源和步进电动机组成，没有反馈环节。在步进开环伺服系统中指令信号是单向流动的，没有位置和速度反馈回路，省去了检测装置，其精度主要由步进电机及其后面的传动环节来决定，速度受到步进电机性能的限制，不需要像闭环伺服系统那样进行复杂的设计计算与试验验证，系统简单可靠，简化了系统结梅，降低了成本。

　　机床电器在步进伺服系统中比较普遍的是齿轮传动，这不仅是为了得到所需的脉冲当量，还可以满足结构要求和增大转矩。步进电机开环伺服系统由于具有结构简单，使用维护方便，可靠性高，制造成本低等一系列优点，在中小型机床和速度、精度要求不高的场合，得到了广泛的应用，并适合用于发展简化功能的经济型数控机床和对现有的普通机床进行数控化技术改造。

　　2．步进电机

　　 (1)步进电机的分类

　　步进电机根据不同的分类方式，可以分为多种类型。一个单定子、径向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图。机床电器它分为定子和转子两部分，其中定子叉分为定子铁心和定子绕组。定子铁心由硅钢斗叠压而成。定子绕组是绕置在定子铁心6个均匀分布的齿上的线圈，在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。若任一相绕组通电，便形成一组定子磁极。在定子的每个磁极上正对转子的圆弧面上周向均匀分布着5个小齿，齿槽等宽，转子铁心上没有绕组，只有均匀分布的40个小齿，齿槽也是等宽的，与磁极上的小齿一致。此外，三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1／3齿距。当相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，相磁极上的齿刚好超前（或滞后）转子齿1/3齿距角，C相磁扳齿超前（或滞后）转子齿2／3齿距角。

　　 (2)步进电机的工作原理

　　步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。机床电器下面通过单段式三相反应式步进电机来介绍其工作原理。机床电器分析其原理应该抓住两点：磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合，从而产生反应力矩；

　　步进电机受脉冲的控制，其转子的角位移量和转速与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比，没有累积误差。而方向由通电顺序决定。在实际应用中，单三拍通电方式由于在切换时一相绕组断电，而另一相绕组开始通电，容易造成失步。

　　(3)步进电机的主要特性   

　　1)静态步距误差特性   

　　静态步距误差是指在空载情况下，实际步距角与理论值之间误差。影响步距误差的主要因素有转子齿的分度精度、定子磁极与齿的分度精度、铁心叠压及装配精度、气隙的不均匀程度、各相励磁电流的不对称程度等。   

　　2)静态矩角特性   

　　当步进电动机不改变通电状态时，转子处于不动状态。机床电器若在电动机轴上外加一个负载转矩，步进电动机转子会按一定方向转过一个角度口，并重新稳定，此时转子所受的电磁转矩称为静态转矩，角度日称为失调角。描述步进电动机稳定时，电磁转矩，与失调角之间的关系曲线称为静态矩角特性或静转矩特性。

　　3)启动频率特性

　　空载时，步进电机由静止突然启动不丢步的进入正常运行状态所允许的最高频章，称为启动频率或突跳频率，若启动时频率大于启动频率，步迸电机就将产生失步。正与负载惯量有关，一般说来随着负载惯量的增长而下降。空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率。   

　　连续运行特性

　　步进电动机在空载启动后，能不失步连续运行的最高脉冲频率，称为虽高工作频率。它是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数，决定了步进电机的最高转速，也是步进电动机的重要性能指标，对于提高生产率和系统的快速性具有重要意义。因为运行频率受转动惯量的影响，其值远大于，且随负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。   

　　5)加减速特性   

　　为了保证运动部件的平稳和准确定位，根据步进电动机的加减速特性，在启动和停止时应进行加减速控制。步进电动机的加减速特性用于描述步进电动机由静止到工作频率或由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的频率变化与时间的关系。如果没有加减速过程或者茄、减速不当，步进电动机都会出现失步现象。   

　　6)矩频特性

　　在步进电动机中绕组是感性元件，即在绕组中通电时，电流上升缓慢，使有效转矩变小；绕组断电时，电流逐渐下降，产生与转向相反的转矩，使输出转矩交小。因而，步进电动机的最大输出转矩随连续运行频率的升高而下降。矩频特性是描述步进电动机连续稳定运行时输出的最大转矩与连续运行频率之间的关系曲线。机床电器随着连续运行频率的升高，电流波形的前后沿占通电时间的比例越来越大，输出转矩也就越来越小。步进电动机的绕组电感以及驱动电源对矩频特性影响很大。

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