开环伺服驱动系统

7.3　开环伺服驱动系统

7.3.1　概述

图7－1－2是典型的开环伺服驱动系统。开环伺服系统中没有检测反馈装置。数控装置将工件加工程序处理后，输出数字指令信号给伺服驱动系统，驱动机床运动。但不检测运动的实际位置，即没有位置反馈信号。开环控制的伺服系统主要使用步进电机。插补器进行插补运算后，发出指令脉冲(又称进给脉冲)，经驱动电路放大后，驱动步进电机转动。一个进给脉冲使步进电机转动一个角度，通过齿轮丝杠传动使工作台移动一定距离。

受步进电机的步距精度和工作频率以及传动机构的传动精度影响，开环伺服驱动系统的速度和精度都较低。但由于开环控制结构简单，调试方便，容易维修，成本较低，仍被广泛应用于经济型数控上。

7.3.2　开环步进伺服系统的脉冲分配器

图7－3－1是开环步进伺服系统中步进电机驱动原理图。图中脉冲信号源是一个脉冲发生器，脉冲的频率可以连续调整，送出的脉冲个数和脉冲频率由控制信号进行控制。在CNC系统中由数控装置根据程序控制脉冲个数和脉冲频率。脉冲分配器是将脉冲信号按一定顺序分配，然后送到驱动电路中并进行功率放大，驱动步进电机工作。

图7－3－1　步进电机驱动原理图

在开环步进伺服系统步进电机各励磁绕组按一定节拍，依次轮流通电工作，为此，需将控制脉冲按规定通电方式分配到定子各励磁绕组中。完成脉冲分配的功能元件称脉冲分配器。脉冲分配可由硬件实现，也可以用软件完成。

1.硬件脉冲分配器

脉冲分配器可用逻辑元件及其逻辑电路构成。图7－3－2是一个简单的三相六拍脉冲分配逻辑电路，它是由FF1，FF，FF三个D触发器组成。D触发器的特征方程是Qn+1=Dn。方程表明，D触发器的输出状态Q等于时钟脉冲CP到来前输入信号D的状态。图中S为D触发器的置“1”端，R为置“0”端。由图可以列出分配器的输入条件(驱动方程):

图7－3－2　三项六拍脉冲分配器

D1=Q2　　　 D2=Q3　　　 D3=Q1

运行时，先按一下复位开关，使电路进入初始状态:

A=Q1=1　　　B=Q2=0　　　C=Q3=0

D1=Q2=1　　 D2=Q3=1　　 D3=Q1=0

第一个时钟脉冲CP到来后:

A=Q1=1　　　B=Q2=1　　　C=Q3=0

D1=Q2=0　　 D2=Q3=1　　 D3=Q1=0

第二个时钟脉冲CP到来后:

A=Q1=0　　　B=Q2=1　　　C=Q3=0

D1=Q2=0　　 D2=Q3=1　　 D3=Q1=1

第三个时钟脉冲CP到来后:

A=Q1=0　　　B=Q2=1　　　C=Q3=1

D1=Q2=0　　 D2=Q3=0　　 D3=Q1=1

以此类推，可获得脉冲分配器的状态转换表，如表7－3－1。

由表7－3－1可知，脉冲分配器的分配顺序是A→AB→B→BC→C→CA→A→…可以使步进电机顺时方向转动。

表7－3－1　脉冲分配器状态转换表

目前，在驱动电路中大多采用可靠性高、外形尺寸小、使用方便的集成脉冲分配器。市场上提供的国产脉冲分配器有三相、四相、五相和六相，它们的型号分别是YB 013，YB 014，YB 015及YB 016。YB系列脉冲分配器均为18个管脚的直插式扁平封装的芯片。

图7－3－3a是YB013芯片的引线图。各管脚功能如下。

E0:选通输出控制，低电平有效。控制脉冲分配器是否输出顺序脉冲。

R:清零，低电平有效。输出脉冲前，对脉冲分配器清零，使其正常工作。

A0，A1:通电方式控制。若是A0，A1=0，0状态，脉冲分配器以三相单三拍方式工作;若是A0，A1=0，1状态，脉冲分配器以三相双三拍方式工作;若是A0=1状态，脉冲分配器以三相六拍方式工作。

图7－3－3　YB013三相六拍接线图

选通输入控制，低电平有效。决定控制指令起作用的时刻。

CP:时钟输入。

△:正、反转控制端。决定步进电机旋转方向。

S:出错报警输出。某控制信号出错或脉冲分配器运行错误时，该端口发出报警信号。

图7－3－3b是YBO13三相六拍接线图。图中R是清零信号，低电平清零，恢复高电平时，脉冲分配器工作。时钟CP的上升沿使脉冲分配器改变输出状态，因此CP的频率决定了步进电机的转速。P端控制步进电机的转向:P=1时为正转，P=0时为反转。

2.软件脉冲分配器

在微机控制系统中，脉冲的分配常用软件实现。图7－3－4是8031单片机控制步进电机的控制电路。8031单片机的P1口作为输出口，用程序实现脉冲分配功能。因为控制对象是三相步进电机，所以只需三个端口P1.0，P1.1，P1.2。三个端口输出的脉冲信号，经光电隔离电路，再由驱动电路放大后驱动步进电机运转。在外部设置两个开关K1和K2，开关K1控制步进电机的启动和停止，开关K2控制步进电机的正转和反转。将P3.0和P3.1设置成输入口，分别连接开关K1和K2。当P3.0口输入高电平时，电机启动，输入是低电平时，电机停止。当P3.1口输入高电平时，电机正转，输入低电平时，电机反转。

图7－3－4　步进电机的单片机控制电路

由P1口输出控制信号的状态字，即可控制电机的正反转。状态字由D0～D7八位构成，因为被控制的步进电机是三相电机，故只用D0～D2三位，D3～D7位取0。例如，若三相步进电机的A相通电，B相和C相断电时，状态字的组成结构是00000001，用16进制表示为01H。同理，若是C相和A相通电，B相断电时，状态字的结构是00000101，用16进制表示为05H。用同样的道理，我们可以推出步进电机正转和反转时全部状态字的结构，见表7－3－2。

表7－3－2　状态字表

由表7－3－2中可以看出，步进电机第一个状态字为01H，从上到下输出状态字时，步进电机正转。从正转最后一个状态字05H之后，加上反转的第一个状态字01H，此时从下向上输出状态字时，步进电机反转。这样，状态字只占用七个存储单元，而不是十二个，就能实现对步进电机的正反控制，如图7－3－5所示。根据状态字在存储器的地址以及读取状态字的顺序，可以绘出步进电机恒速控制流程图，如图7－3－6所示。根据流程图可编写出步进电机正反转控制程序。

图7－3－5　状态字在存储器中存放示意图

图7－3－6　步进电机恒速控制流程图

流程图的含义是:计算机先读出P3口的状态，若P3.0为“0”时，表示开关K1关闭，故转为停机状态;若P3.0为“1”，P3.1也为“1”，要求步进电机正转，此时让地址指针指向2400H;接着设定六拍输出;首先，取出状态字01H作为控制信号由P1口输出给步进电机，电机转过一个步距角;调延时子程序，完成一拍延时;地址指针加1，指向2401H;判断六拍是否执行完毕，若没有完，返回输出控制信号处，直至六拍执行完毕;六拍结束后，返回到程序起点，查询P3口状态，如果开关K1，K2位置不变，则程序循环运行，步进电机保持恒速运转;如果K1置“0”，转入停机;如果K1置“1”，K2置“0”，转入反转程序。

反转程序运行和正转程序运行相似，只是地址指针设置指向2406H，并且每完成一拍后，地址指针减1。

延时子程序的长短决定了步进电机运行一拍的时间，从而控制了步进电机的转速。

7.3.3　开环步进伺服系统的驱动电路

在数控机床中，微型计算机根据加工程序中进给速度及坐标值输出脉冲，并依次将脉冲分配给步进电机的各相绕组。由于微机发出的脉冲功率很小，电压3V，电流为mA级，不能直接驱动步进电机。必须经驱动电路将信号电流放大到若干倍，才能驱动步进电机。因此，驱动电路实际上是一个功率放大器。

驱动电路的质量直接影响步进电机的性能。对驱动电路的主要要求是，信号失真要小，脉冲电源要有较好的前沿、后沿和足够幅值，效率要高。常用的电路有单电源驱动电路、高低压双电源驱动电路和恒流斩波驱动电路。下面只对单电源驱动电路作简单介绍。

图7－3－7是一实际应用的单电源驱动电路，图中的L_a，L_b，L_c分别是步进电机的三相绕组，每相绕组由一组放大电路驱动，所以，驱动电路由三组放大电路组成。三组放大电路的结构完全相同，现以A组放大电路为例说明驱动电路的结构及原理。

图7－3－7　单电源驱动电路

由A端输入的脉冲信号为高电平时，输入信号使开关管3DK4饱和导通。开关管3DK4的发射极电压加在功率放大管3DD15D的基极，使其导通。此时+27V的电源导通，电流经步进电机L_a绕组、电阻R和功放管3DD15D接地，输入信号被放大。如果A端输入的脉冲信号为低电平时，开关管3D4K和功放管3DD15D均截止，电机绕组L_a无电流通过。因为驱动放大电路放大的是脉冲信号，因此，也叫脉冲放大器。

如果把脉冲信号按相序输送到A，B和C，则三组放大电路依次工作。当第一个脉冲输入到A时，两个三极管均饱和导通，L_a有电流通过，电机转动一步;当第二个脉冲输入到B时，L_b有电流通过，电机再转动一步;当第三个脉冲输入到C时，L_c有电流通过，电机又转动一步。如此不断循环，电机就会一步一步连续转动。这就是三相单三拍通电方式。

图中二极管D是续流二极管，用来泄放电感绕组L中储存的能量，从而保护功放管免遭击穿损坏。R为限流电阻，限制通过电机绕组的电流，使其不致超过额定值，避免电机发热烧毁。R的阻值在5～20Ω范围内选取。

该电路结构简单。由于R串联在大电流输出回路中，要消耗一定的能量，因此发热严重，效率低。这种驱动电路通常用在对速度要求不高的小型步进电机中。