第3章步进电机传动控制ppt课件

第3章步进电动机传动控制杨艳娟13710171451机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院步进电动机传动控制步进电动机传动控制特点特点：(1)总位移量取决于总脉冲数；总位移量取决于总脉冲数；(2)转子运动的速度取决于脉冲信号的频率转子运动的速度取决于脉冲信号的频率；(3)转子转动的方向取决于脉冲信号的顺序转子转动的方向取决于脉冲信号的顺序。机理机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号号 转换成转换成线位移线位移或或角位移角位移的电机。每来一的电机。每来一个个 电脉冲，电机转动一个角度，带动机械电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移移 动一小段距离。动一小段距离。机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院步进电动机传动控制步进电动机传动控制种类种类：有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电 机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。磁线圈。应用：应用：步进机的应用非常广泛。如：在数控机床、自动绘图仪步进机的应用非常广泛。如：在数控机床、自动绘图仪等设备中都得到应用。等设备中都得到应用。下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。理。机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院步进电动机传动控制步进电动机传动控制脉脉冲冲分分配配器器功放电路功放电路三三相相步步进进电电机机负载负载放大器电源放大器电源分配器电源分配器电源功放电路功放电路功放电路功放电路功率放大器功率放大器步进脉冲步进脉冲方向信号方向信号fABC步进电动机驱动系统框图机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院 步进电动机的结构步进电动机的结构 步进机主要由两部分构成：定子和转子。定子由硅钢片叠成，装上一步进机主要由两部分构成：定子和转子。定子由硅钢片叠成，装上一定相数的控制绕组；转子定相数的控制绕组；转子用硅钢片叠成或软用硅钢片叠成或软磁性材料做成凸极结构磁性材料做成凸极结构。定子定子转子转子定子绕组定子绕组三相反应式步进电动机的结构简图三相反应式步进电动机的结构简图机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院步进电动机的结构步进电动机的结构 定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。注意：注意：这里的相和三相交流电中的这里的相和三相交流电中的“相相”的概念不同。步进机通的是的概念不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图的联接和组数的区别。直流电脉冲，这主要是指线图的联接和组数的区别。U1V1定子定子转子转子IUIVIWU2V2W2W1三三相相反反应应式式步步进进电电动动机机机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理 给给U U相绕组通电时，转子位置如图（相绕组通电时，转子位置如图（a a），转子齿偏离定子齿一个角），转子齿偏离定子齿一个角度。由于励磁磁通力图沿磁阻最小路径通过，因此对转子产生电磁吸度。由于励磁磁通力图沿磁阻最小路径通过，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转动，当转子转到与定子齿对齐位置时力，迫使转子齿转动，当转子转到与定子齿对齐位置时(图图b)b)，因转，因转子只受径向力而无切线力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。子只受径向力而无切线力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。由此可见：由此可见：错齿是助使步进电机旋转的根本原因错齿是助使步进电机旋转的根本原因。（a）（b）机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院三相绕组中的通电顺序为：三相绕组中的通电顺序为：U相相 V 相相 W 相相U相通电，相通电，U 方向的磁通经转子方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁的作用下，转子被磁化，吸引转化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。齐停止转动。U U 相通电使转子相通电使转子1 1、3 3齿和齿和 U相相对齐。对齐。W1V1V2W2U13412U2通电方式通电方式单相轮流通电方式单相轮流通电方式机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院U13412同理，同理，V相通电，转子相通电，转子2、4齿和齿和V相轴线对齐，相轴线对齐，相对相对U相通电位置转相通电位置转30；W相通电再转相通电再转30。1W2342W1U2V1V2U1W2V2V1W1U2机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院W1V1V2W2U12341U2U U 相通电使转子相通电使转子2 2、4 4齿和齿和 U相相对齐。对齐。U相相 V 相相 W 相相 U 相相W1V1V2W2U13412U2U相相 V 相相机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院U12341W2V2V1W1U2U相相 V 相相 W 相相 U 相相 V 相相 机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院4W2231W1U2V1V2U1U相相 V 相相 W 相相 U 相相 V 相相 W 相相机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院W1V1V2W2U11234U2U相相 V 相相 W 相相 U 相相 V 相相 W 相相 U 相相机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院4W2231W1U2V1V2U1U相相 V 相相 W 相相 U 相相 V 相相 W 相相 U 相相 V 相相 机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院3W2124W1U2V1V2U1U相相 V 相相 W 相相 U 相相 V 相相 W 相相 U 相相 V 相相 W 相相机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院W1V1V2W2U14123U2U相相 V 相相 W 相相 U 相相 V 相相 W 相相 U 相相 V 相相 W 相相 U 相相机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院U14123W2V2V1W1U2U相相 V 相相 W 相相 U 相相 V 相相 W 相相 U 相相 V 相相 W 相相 U 相相 V 相相 机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院2W2413W1U2V1V2U1U相相 V 相相 W 相相 U 相相 V 相相 W 相相 U 相相 V 相相 W 相相 U 相相 V 相相 W 相相机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院U相相 V 相相 W 相相 U 相相 V 相相 W 相相 U 相相 V 相相 W 相相 U 相相 V 相相 W 相相 U 相相W1V1V2W2U13412U2步进电动机以一种通电状态换到另一种通电状态就叫做一步进电动机以一种通电状态换到另一种通电状态就叫做一”拍拍”。机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院 这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍三相单三拍。三相单三拍的特点：三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过）每来一个电脉冲，转子转过 30。此角称为。此角称为步距角。步距角。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。改变通电顺序即可改变转向。机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院通电方式通电方式三相三相单双单双六拍六拍三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为：UUVVVWWWUU 共六拍。共六拍。工作过程：工作过程：U相通电，相通电，转子转子1 1、3 3齿和齿和U相对齐。相对齐。W1V1V2W2U13412U2机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院所以转子转到两磁拉力平衡的位置上所以转子转到两磁拉力平衡的位置上(UV两定子磁极对称的两定子磁极对称的中心中心)。相对。相对U1U2 通电，转子转了通电，转子转了15。（1）V1V2 磁场对磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使转子顺时齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针方向转动。针方向转动。（2）U1U2 磁场继续对磁场继续对1、3齿有拉力。齿有拉力。U、V相同时通电相同时通电W1U2V1V2W2U13412W1V1V2W2U13412U2U相通电相通电机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为为三相六拍，步距角为15。W1U2V1V2W2U13412V相通电，相通电，转子转子2、4齿和齿和V相对齐，又转了相对齐，又转了15。机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院通电方式通电方式三相双三拍三相双三拍三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为：UV VW WU UV 共三拍。共三拍。UV通电通电W1U2V1V2W2U13412VW通电通电W1U2V1V2W2U13412机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。相单三拍稳定，因此较常采用。工作方式为三相双三拍工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉冲时，每通入一个电脉冲，转子也是转，转子也是转30，即，即 步步距角距角=30。WU通电通电通电方式通电方式三相双三拍三相双三拍W1U2V1V2W2U13412机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院小步距角的步进电动机小步距角的步进电动机 定子上有三对磁极，分别绕有三相绕组，当定子上有三对磁极，分别绕有三相绕组，当U相的定子齿与转子对齐相的定子齿与转子对齐时，时，V相的定子齿与转子齿顺时针方向错开相的定子齿与转子齿顺时针方向错开1/3齿距，而齿距，而W相磁极下定相磁极下定子与转子齿顺时针方向错开子与转子齿顺时针方向错开2/3齿距。齿距。当定子各相绕组轮流通电一次，转子就转过一个齿距。当定子各相绕组轮流通电一次，转子就转过一个齿距。为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽和为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽和齿槽和转子相同。齿槽和转子相同。定子上有定子上有m相，齿距为相，齿距为，当某一相磁极，当某一相磁极下定子与转子的齿对齐时，下一相磁极下下定子与转子的齿对齐时，下一相磁极下定子齿与转子齿顺时针方向错开定子齿与转子齿顺时针方向错开 /m，而，而再下一相磁极下定子与转子齿顺时针方向再下一相磁极下定子与转子齿顺时针方向错开错开2 /3。机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院（1）U相通电时相通电时，定子，定子U 相的五个小齿相的五个小齿和转子对齐。此时，和转子对齐。此时，V 相和相和 U 相空间差相空间差120，含，含120/9 =个个 齿。齿。U 相和相和 W 相差相差240，含，含240/9 =个齿。所个齿。所以，以，U相定子的五个小齿与转子对齐时，相定子的五个小齿与转子对齐时，V 相、相、W 相不能对齐，相不能对齐，V相的转子、相的转子、假设转子齿数在假设转子齿数在z40，则转子的齿距等，则转子的齿距等于于360/40=9 ，齿宽、齿槽各，齿宽、齿槽各4.5 。小步距角的步进电动机小步距角的步进电动机 工作原理工作原理：假设是假设是单三拍单三拍通电工作方式。通电工作方式。定子相差定子相差 1/31/3个齿（个齿（3 3），），W相的转子、定子相差相的转子、定子相差2/32/3个齿（个齿（6 6）。）。31133226机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，转子只转转子只转 1.5 。步进电动机的转动方向仍由通电顺序决定。步进电动机的转动方向仍由通电顺序决定。（3）V 相断电、相断电、W 相通电后，转子只需转过相通电后，转子只需转过1/3个齿（个齿（3），使），使 W 相定子与转子对齐。相定子与转子对齐。（2）U 相断电、相断电、V 相通电后，转子只需转过相通电后，转子只需转过1/3个齿（个齿（3），使，使 V 相定子与转子对齐。相定子与转子对齐。小步距角的步进电动机小步距角的步进电动机 机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院f：电脉冲的频率电脉冲的频率 步进电机的转速步进电机的转速(r/min)fKmzfKmzfnb606022602 步进机通过一个电脉冲步进机通过一个电脉冲,转子转过的角度转子转过的角度,称为步距角称为步距角 。K：状态系数，相邻两次通电相数一致时，：状态系数，相邻两次通电相数一致时，K1，如单、双三拍；反之，如单、双三拍；反之K 2，如三相六拍；如三相六拍；z：转子齿数。：转子齿数。zKmb360如：如：z=40,三相单三拍或三相双三拍三相单三拍或三相双三拍 时时3340360bb如：如：z=40,三相六拍三相六拍 时时5.13240360b小步距角的步进电动机小步距角的步进电动机 机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院步进电机的分类步进电机的分类1.按工作原理分类按工作原理分类v激磁式（电磁式）步进电动机的定子和转子均有绕组，靠电磁力矩使转子转动。v反应式（磁阻式）转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使转子转动。v永磁式 转子和定子的某一方具有永久磁钢，另一方由软磁材料制成。绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生转矩。v混合式（永磁感应式）从定子或转子的导磁体来看，它如反应式，与反应式的主要区别是转子上置有磁钢，输入能量全靠定子励磁电流供给，静电电流比永磁式大许多；从它的磁路内含有永久磁钢这点看，又可以说它是永磁式，但因其结构的不同，使其作用原理以及性能方面，都与永磁式步进电动机有明显的区别，它好像是反应式和永磁式的结合。机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院步进电机的分类步进电机的分类2.按输出转矩的大小分类v快速步进电动机 电动机的输出转矩一般为0.074Nm，可以控制小型精密机床的工作台，例如线切割机床。v功率步进电动机 电动机的输出转矩一般为540Nm，可直接驱动机床的移动部件。此外，此外，按励磁相数按励磁相数可分为三相、四相、五相、六相、等等。相数可分为三相、四相、五相、六相、等等。相数越多，步距角越小，但结构越复杂。越多，步距角越小，但结构越复杂。按按运动方式运动方式分为旋转运动、直线运动、平面运动等。分为旋转运动、直线运动、平面运动等。按按定子排列定子排列还可分为径向式（单段式）和轴向式（多段式），轴还可分为径向式（单段式）和轴向式（多段式），轴向式的转动惯量小，快速性和稳定性好，功率步进电动机多为轴向式的转动惯量小，快速性和稳定性好，功率步进电动机多为轴向式，向式，机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院3.2.1 步进电机的驱动方式步进电机的驱动方式脉脉冲冲分分配配器器功放电路功放电路三三相相步步进进电电机机负载负载放大器电源放大器电源分配器电源分配器电源功放电路功放电路功放电路功放电路功率放大器功率放大器步进脉冲步进脉冲方向信号方向信号fABC步进电动机驱动系统框图机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院1.脉冲分配器脉冲分配器 当方向电平为低时，脉冲当方向电平为低时，脉冲分配器的输出按分配器的输出按A-B-CA-B-C的顺序的顺序循环产生脉冲。循环产生脉冲。fABC 当方向电平为高时，脉当方向电平为高时，脉冲分配器的输出按冲分配器的输出按A-C-BA-C-B的顺的顺序循环产生脉冲。序循环产生脉冲。ABCf 2.功率放大器功率放大器 将脉冲分配器的输出信号进行电流放大后给电动机的定子绕组供将脉冲分配器的输出信号进行电流放大后给电动机的定子绕组供电，使电动机的转子产生输出转矩。电，使电动机的转子产生输出转矩。机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院3.2.2 步进电机的环形分配器步进电机的环形分配器 硬件环形分配器硬件环形分配器：硬件环形分配器由门电路和双稳态触发器硬件环形分配器由门电路和双稳态触发器组成的逻辑电路构成。组成的逻辑电路构成。有较好的响应速度，且具有直观、维护方便等有较好的响应速度，且具有直观、维护方便等优点。优点。（1）集成脉冲分配器）集成脉冲分配器（2）EPROM在环形分配器中的应用在环形分配器中的应用 软件环分软件环分：受到微型计算机运算速度的限制，有时难以满足高速受到微型计算机运算速度的限制，有时难以满足高速实时控制的要求。实时控制的要求。机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院集成脉冲分配器R,R*R是双三拍的复位端，R*是六拍的复位端 J3r、J3L两端子是三相双三拍的控制端，J6r、J6L是三相六拍的控制端，三相双三拍工作时，若J3r“1”，而J3L“0”，则电机正转；若J3r“0”，J3L“1”，则电机反转；三相六拍供电时，若J6r“1”，J6L“0”，则电机正转；若J6r“0”，J6L“1”，电机反转。CL端是时钟脉冲输入端，EN是时钟脉冲允许端，用以控制时钟脉冲的允许与否。当脉冲CP由CL端输入，只有EN端为高电平时，时钟脉冲的上升沿才起作用。CH250也允许以EN端作脉冲CP的输入端，此时，只有CL为低电平时，时钟脉冲的下降沿才起作用。机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院EPEOM在环形分配器中的应用在环形分配器中的应用结合驱动电源线路按步进电机励磁状态转换表求出所需的环形分配结合驱动电源线路按步进电机励磁状态转换表求出所需的环形分配器输出状态表，以二进制码的形式依次存入器输出状态表，以二进制码的形式依次存入EPROM中，在线路中只中，在线路中只要按照地址的正向或反向顺序依次取出地址的内容，则要按照地址的正向或反向顺序依次取出地址的内容，则EPROM的输的输出端即依次表示各励磁状态。出端即依次表示各励磁状态。机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院软件环分软件环分2.软件环形分配器v设置输出接口 设输出口的A0接U相；A1接V相；A2接W相。v设计环形分配子程序 在存储器中建立环形分配表。v设计延时子程序 主程序每调用一次环形分配子程序，就按顺序改变一次步进电动主程序每调用一次环形分配子程序，就按顺序改变一次步进电动机通电状态，而后调用延时子程序控制通断节拍，从而改变步进机通电状态，而后调用延时子程序控制通断节拍，从而改变步进频率。频率。I/O接口图I/O接口A口1A2A0AW相V相U相机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院软件环分软件环分表表3.6 环形分配表环形分配表存储元件地址 单元内容 对应通电相K0K1K2K3K4K501H（0001）03H（0011）02H（0010）06H（0110）04H（0100）05H（0101）UUVVVWWWU存储器各单元中存放对应绕组通电的顺序数值。当运行程序时，依次将环形分配表中的数据，也就是对应存储器单元的内容送到A口，使依次送出脉冲信号，从而使电动机绕组轮流通电。机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院3.3 3.3 步进电动机的驱动电路步进电动机的驱动电路 步进电动机的驱动电路实际上是一种脉冲放大电路，使脉冲具有步进电动机的驱动电路实际上是一种脉冲放大电路，使脉冲具有一定的功率驱动能力。一定的功率驱动能力。由于功率放大器的输出直接驱动电动机绕组，因此，功率放大电路由于功率放大器的输出直接驱动电动机绕组，因此，功率放大电路的性能对步进电动机的运行性能影响很大。的性能对步进电动机的运行性能影响很大。核心：如何提高步进电机的快速性和平稳性核心：如何提高步进电机的快速性和平稳性 单电压限流型驱动电路单电压限流型驱动电路双电压驱动电路双电压驱动电路斩波驱动电路斩波驱动电路升频升压驱动电路升频升压驱动电路细分驱动电路细分驱动电路机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院3.3.1单电压限流型驱动电路单电压限流型驱动电路 tLRLeRUti1rRRCL是电动机绕组电感是电动机绕组电感VT开关晶体管开关晶体管 电阻电阻Rc两端并联电容两端并联电容C，使电流上升更快，所以，使电流上升更快，所以，电容电容C又称为又称为加速电容加速电容。二极管二极管V在晶体管在晶体管VT截止时起截止时起续流和保护续流和保护作用，作用，串联电阻使电流下降更快，从而使绕组电流波形后串联电阻使电流下降更快，从而使绕组电流波形后沿变陡。沿变陡。VT的理想工作状态的理想工作状态：使流过绕组的波形尽可能接近矩：使流过绕组的波形尽可能接近矩形波。形波。绕组电阻 R C RD V L+U VT CR单电压驱动缺点是外接电阻单电压驱动缺点是外接电阻Rc上有功耗，随着上有功耗，随着阻值的增加，电源电压势必提高，功率消耗也阻值的增加，电源电压势必提高，功率消耗也进一步加大。应用在进一步加大。应用在小功率步进电动机小功率步进电动机的简单的简单应用中。应用中。机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院3.3.2.3.3.2.高低压切换型高低压切换型(双电压双电压)驱动电路驱动电路 Ub1 0 t Ub2 0 t I 0 t t1 t2 t3 高低压驱动线路的高低压驱动线路的特点特点是：电动机绕组主电路中采用高压和是：电动机绕组主电路中采用高压和低压两种电压供电。一般高压为低压的数倍。低压两种电压供电。一般高压为低压的数倍。思路思路：不论电机的工作频率如何，在导通相的前沿用高电压供电来提高：不论电机的工作频率如何，在导通相的前沿用高电压供电来提高电流的前沿上升率，而在前沿通过后，用低压来维持绕组的电流。电流的前沿上升率，而在前沿通过后，用低压来维持绕组的电流。R V1 L+80V Ub1 VT1 Ub2 VT2 V2+12V CR机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院3.3.2.3.3.2.高低压切换型高低压切换型(双电压双电压)驱动电路驱动电路 高低压驱动高低压驱动加大了绕组电流的注入量加大了绕组电流的注入量，以，以提高其功率提高其功率，适用，适用于大功率合高频工作的步进电机；但由于高压的冲击作用在低频时于大功率合高频工作的步进电机；但由于高压的冲击作用在低频时也存在，使也存在，使低频输入能量过大而造成低频振荡加剧低频输入能量过大而造成低频振荡加剧，同时高低压衔，同时高低压衔接处的电流波动呈凹形，使接处的电流波动呈凹形，使步进电动机输出转距下降步进电动机输出转距下降；此外；此外大功率大功率管的数量要多用一倍管的数量要多用一倍，增加了驱动电源。，增加了驱动电源。Ub1 0 t Ub2 0 t I 0 t t1 t2 t3 一般电压一般电压Ub1由脉冲分配器经几级电流放大获得；电压由脉冲分配器经几级电流放大获得；电压Ub2由单稳定时或由单稳定时或定流装置再经脉冲变压器获得。定流装置再经脉冲变压器获得。机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院3.3.5.3.3.5.细分驱动电路细分驱动电路如果每次通电时电流的数值不是一次升到位，而是分成阶级，逐个阶如果每次通电时电流的数值不是一次升到位，而是分成阶级，逐个阶级地上升；同样断电时电流也不是一次降到级地上升；同样断电时电流也不是一次降到0，而是逐个阶级地下降。，而是逐个阶级地下降。那么会发生什么现象？那么会发生什么现象？电磁力的大小与绕组的通电电流的大小有关系。当通电相的电流并不马电磁力的大小与绕组的通电电流的大小有关系。当通电相的电流并不马上升到位，断电相的电流并不立即降为上升到位，断电相的电流并不立即降为0，它们所产生的磁场合力，会，它们所产生的磁场合力，会使转子有一个新的平衡位置。也就是说，如果绕组中电流的波形不在是使转子有一个新的平衡位置。也就是说，如果绕组中电流的波形不在是一个近似方波，而是一个分成一个近似方波，而是一个分成N个阶级的近似阶梯波，则电流每升或降个阶级的近似阶梯波，则电流每升或降一个阶级时，转子转动一小步，当转子按照这样的规律转过一个阶级时，转子转动一小步，当转子按照这样的规律转过N小步时，小步时，实际上相当于它转过一个步距角。实际上相当于它转过一个步距角。机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院3.3.5.3.3.5.细分驱动电路细分驱动电路机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院3.3.5.3.3.5.细分驱动电路细分驱动电路细分驱动特点细分驱动特点1.不改变电动机结构参数情况下，减小步距角，但细分后齿矩不改变电动机结构参数情况下，减小步距角，但细分后齿矩角精度不高，且驱动电源的结构也相应复杂角精度不高，且驱动电源的结构也相应复杂2.使步进电动机运行平稳，提高均匀性，并能减弱或消除振荡使步进电动机运行平稳，提高均匀性，并能减弱或消除振荡实现阶梯波供电的方法实现阶梯波供电的方法1.先放大后叠加。将通过细分环形分配器所形成的各个等幅等宽的先放大后叠加。将通过细分环形分配器所形成的各个等幅等宽的脉冲，分别进行放大，然后在电动机绕组中叠加成阶梯波。脉冲，分别进行放大，然后在电动机绕组中叠加成阶梯波。2.先叠加后放大。利用运算放大器来叠加，或采用公共负载的方法，把方先叠加后放大。利用运算放大器来叠加，或采用公共负载的方法，把方波合成变成阶梯波，然后对阶梯波进行放大再去驱动步进电动机。波合成变成阶梯波，然后对阶梯波进行放大再去驱动步进电动机。机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院3.3.5.3.3.5.细分驱动电路细分驱动电路b)先叠加后放大。先叠加后放大。a)先放大后叠加先放大后叠加机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院3.4.1 步进电动机的运行特性步进电动机的运行特性v矩角特性矩角特性v单步运行特性单步运行特性v连续脉冲运行特性连续脉冲运行特性v加减速特性加减速特性v脉冲信号频率对步进电动机运行的影响脉冲信号频率对步进电动机运行的影响v转子机械惯性对步进电动机运行的影响转子机械惯性对步进电动机运行的影响v步进运行和低频振荡步进运行和低频振荡机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院偏转角偏转角，转子齿偏离初始平衡位置的角度，转子齿偏离初始平衡位置的角度矩角特性矩角特性当定子每相绕组通电循环一周时，其电角度当定子每相绕组通电循环一周时，其电角度 ，对应转子在空，对应转子在空间转过一个齿矩角，即其空间角间转过一个齿矩角，即其空间角 齿矩角齿矩角 ，则有，则有z22e矩角特性反映了步进电动机电磁转距T随偏转角的关系ze efT就是矩角特性曲线。就是矩角特性曲线。步进电动机的负载转距必须小于最大步进电动机的负载转距必须小于最大静转距，否则，根本带不动负载。为静转距，否则，根本带不动负载。为了维持稳定运行，负载转距一般只能了维持稳定运行，负载转距一般只能是最大转距的是最大转距的3050。矩角特性反映了步进电动机带负矩角特性反映了步进电动机带负载的能力。载的能力。机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院脉冲信号频率对步进电动机运行的影响脉冲信号频率对步进电动机运行的影响a)b)c)a)脉冲信号频率低时，接近理想的脉冲信号频率低时，接近理想的矩形波矩形波b)脉冲信号频率增加，电流波形发脉冲信号频率增加，电流波形发生畸变；转生畸变；转矩矩下降，起动转矩下降，下降，起动转矩下降，可能起不来；可能起不来；c)脉冲信号频率很高，电流来不及脉冲信号频率很高，电流来不及上升到稳态值就开始下降，因而产上升到稳态值就开始下降，因而产生的转矩减小致使带负载能力下降。生的转矩减小致使带负载能力下降。频率过高会使步进电动机起动不了频率过高会使步进电动机起动不了或运行时因失步而停机。或运行时因失步而停机。机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院转子机械惯性对步进电动机运行的影响转子机械惯性对步进电动机运行的影响v当步进电动机从静止到起步，由于转子部分的机械惯性的作用，转子一当步进电动机从静止到起步，由于转子部分的机械惯性的作用，转子一下子转不起来，因此要落后于它应转过的角度，如果落后不太大，还会下子转不起来，因此要落后于它应转过的角度，如果落后不太大，还会跟上来，如果落后太多，或者脉冲频率过高，电动机会起动不起来。跟上来，如果落后太多，或者脉冲频率过高，电动机会起动不起来。v即使电动机在运转，也不是每一步都迅速地停留在相当的位置，而是受即使电动机在运转，也不是每一步都迅速地停留在相当的位置，而是受机械惯性的作用，要经过几次振荡才停下来；如果这种情况严重，就可机械惯性的作用，要经过几次振荡才停下来；如果这种情况严重，就可能引起失步。能引起失步。v采用阻尼方法，消除步进电动机的振荡。采用阻尼方法，消除步进电动机的振荡。电动机运行中存在振荡，有一个固定频率电动机运行中存在振荡，有一个固定频率 ，若输入脉冲频率，若输入脉冲频率1f1ff 时，就要产生共振，使步进电动机振荡不前。时，就要产生共振，使步进电动机振荡不前。机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院3.4.2 步进电动机的主要性能指标步进电动机的主要性能指标v步距角步距角v精度精度v转矩转矩v响应频率响应频率v运行频率运行频率v起动矩频特性起动矩频特性v起动惯频特性起动惯频特性v运行矩频特性运行矩频特性机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院3.4.2 步进电动机的主要性能指标步进电动机的主要性能指标v步距角步距角 步距角的大小直接影响步进电动机的起动和运行频率。步距角的大小直接影响步进电动机的起动和运行频率。minibi 为传动比；为传动比；min为负载轴要求的最小位移增量。或称脉冲当量，即每一个脉冲为负载轴要求的最小位移增量。或称脉冲当量，即每一个脉冲所对应的负载轴的位移增量。所对应的负载轴的位移增量。机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院3.4.2 步进电动机的主要性能指标步进电动机的主要性能指标v精度精度 步距误差最大值步距误差最大值：电动机旋转一转内相邻两步之间最大步距和理想步距：电动机旋转一转内相邻两步之间最大步距和理想步距角的差值，用理想步距的百分数表示。角的差值，用理想步距的百分数表示。步距累积误差最大值步距累积误差最大值：任意位置开始经过任意步之后，角位移误差的最：任意位置开始经过任意步之后，角位移误差的最 大值。大值。对于所选用的步进电动机，其步距精度为：对于所选用的步进电动机，其步距精度为：LiL为负载轴上所允许的角度误差。为负载轴上所允许的角度误差。机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院3.4.2 步进电动机的主要性能指标步进电动机的主要性能指标v转距转距1.保持转矩保持转矩，指绕组不通电时电磁转矩的最大值或转角不超过一，指绕组不通电时电磁转矩的最大值或转角不超过一定值时的转矩值。反应式步进电动机的保持转矩为零，而永磁定值时的转矩值。反应式步进电动机的保持转矩为零，而永磁式步进电动机具有一定的保持转矩。式步进电动机具有一定的保持转矩。2.动转矩动转矩，转子转动情况下最大输出转矩值，与运行频率有关。，转子转动情况下最大输出转矩值，与运行频率有关。3.静转矩静转矩，指不改变绕组通电状态，即转子不转情况下的电磁转，指不改变绕组通电状态，即转子不转情况下的电磁转矩。矩。负载转矩负载转矩 与最大静转矩的关系为与最大静转矩的关系为LTsmax5.03.0TTL为保证步进电动机在系统中正常工作为保证步进电动机在系统中正常工作LmaxstTT smaxT为步进电动机最大静转矩。为步进电动机最大静转矩。stT为步进电动机起动转矩。为步进电动机起动转矩。LmaxT为步进电动机最大静负载转矩值。为步进电动机最大静负载转矩值。5.03.0LmaxstTT 机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院3.4.2 步进电动机的主要性能指标步进电动机的主要性能指标v突跳频率突跳频率 响应频率指使步进电动机可以任意运行而不丢步的最大频率。通常响应频率指使步进电动机可以任意运行而不丢步的最大频率。通常用起动频率用起动频率 来作为衡量的指标，它是能不丢步起动的极限频率，来作为衡量的指标，它是能不丢步起动的极限频率，有时也叫突跳频率或牵入频率。有时也叫突跳频率或牵入频率。stfv运行频率运行频率 运行运行频率指频率连续上升时，电动机能不失步运行的极限频率。频率指频率连续上升时，电动机能不失步运行的极限频率。v起动矩频特性起动矩频特性 给定驱动条件下，负载惯量一定时，起动频率与负载转矩之间的关给定驱动条件下，负载惯量一定时，起动频率与负载转矩之间的关系。系。机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院3.4.2 步进电动机的主要性能指标步进电动机的主要性能指标v起动（牵入）惯频特性起动（牵入）惯频特性 负载力矩一定时，起动频率与负载惯量之间的关系。负载力矩一定时，起动频率与负载惯量之间的关系。v运行矩频特性运行矩频特性 负载惯量不变时，运行频率与负载转矩之间的关系。负载惯量不变时，运行频率与负载转矩之间的关系。机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院3.5 步进电动机的控制步进电动机的控制 步进电动机的工作过程一般由控制器控制，步进电动机的工作过程一般由控制器控制，控制器按照设计者的控制器按照设计者的要求完成一定的控制过程，使驱动电源按照要求的规律驱动电动机运要求完成一定的控制过程，使驱动电源按照要求的规律驱动电动机运行行。简单的控制过程可以用各种逻辑电路来实现，但其缺点是线路复。简单的控制过程可以用各种逻辑电路来实现，但其缺点是线路复杂，控制方案改变困难；各种单片机的迅猛发展和普及应用，为设计杂，控制方案改变困难；各种单片机的迅猛发展和普及应用，为设计功能很强而价格低廉的步进电动机控制器提供了先进的技术。功能很强而价格低廉的步进电动机控制器提供了先进的技术。步进电动机的开环控制步进电动机的开环控制1.速度控制速度控制2.加减速控制加减速控制步进电动机的闭环控制步进电动机的闭环控制机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院3.5.1 步进电动机的开环控制步进电动机的开环控制v通过硬件实现脉冲分配通过硬件实现脉冲分配硬件实现脉冲分配硬件实现脉冲分配机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院3.5.1 步进电动机的开环控制步进电动机的开环控制v通过软件实现脉冲分配通过软件实现脉冲分配通过软件实现脉冲分配接口图通过软件实现脉冲分配接口图机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院3.5.1 步进电动机的开环控制步进电动机的开环控制速度控制速度控制 控制系统发出脉冲的频率或者换相的周期。控制系统发出脉冲的频率或者换相的周期。控制脉冲周期的方法控制脉冲周期的方法软件延时软件延时，调用延时子程序，占用，调用延时子程序，占用CPU时间时间定时器定时器，通过设置定时时间常数的方法来实现的，通过设置定时时间常数的方法来实现的机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院3.5.1 步进电动机的开环控制步进电动机的开环控制加减速控制加减速控制如果要求运行的速度小于系统极限起动频率，如果要求运行的速度小于系统极限起动频率，则系统可则系统可以按要求的速度直接起动，运行至终点后可直接停发脉以按要求的速度直接起动，运行至终点后可直接停发脉冲串而令其停止。冲串而令其停止。一般，系统极限起动频率是比较低的，而要求的运行速一般，系统极限起动频率是比较低的，而要求的运行速度往往很高度往往很高。如果系统以要求的速度直接起动，则不能。如果系统以要求的速度直接起动，则不能正常起动，可能发生丢步或根本不运行的现象。正常起动，可能发生丢步或根本不运行的现象。在在点位点位控制过程中，运行速度都需要有一个控制过程中，运行速度都需要有一个加速加速恒恒速速减速减速低恒速低恒速停止停止的加减速过程的加减速过程机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院3.5.1 步进电动机的开环控制步进电动机的开环控制点位控制的加减法过程点位控制的加减法过程升速升速按直线规律上升按直线规律上升，加速度恒定，加速度恒定，要求步进电动机产生的转速为恒要求步进电动机产生的转速为恒值值按指数规律上升，按指数规律上升，加速度是逐渐下加速度是逐渐下降的，接近电动机输出转距随转速降的，接近电动机输出转距随转速变化的规律变化的规律用微机对步进电动机进行加减速控制，实用微机对步进电动机进行加减速控制，实际上就是改变输出脉冲的时间间隔，升速际上就是改变输出脉冲的时间间隔，升速时使脉冲逐渐加密，减速时使脉冲逐渐系时使脉冲逐渐加密，减速时使脉冲逐渐系数。数。机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院3.5.1 步进电动机的闭环控制步进电动机的闭环控制v开环控制的步进电动机驱动系统，其输入脉冲不依赖于转子开环控制的步进电动机驱动系统，其输入脉冲不依赖于转子的位置，而是事先按一定的规律给定的。的位置，而是事先按一定的规律给定的。v闭环控制是直接或间接地测量转子的位置和速度，然后通过闭环控制是直接或间接地测量转子的位置和速度，然后通过反馈和适当地处理，自动地给出驱动的脉冲串。反馈和适当地处理，自动地给出驱动的脉冲串。步进电动机闭环控制功能框图机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院3.6.3步进电动机的步进电动机的PLC传动控制应用实例传动控制应用实例v36BF02型反应式步进电动机，其电压为型反应式步进电动机，其电压为27V，每，每相静电流为相静电流为0.5A，采用三相六拍通电方式，采用三相六拍通电方式，利用利用PLC实现其转速控制、正反转控制和步数控制。实现其转速控制、正反转控制和步数控制。机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院3.6.3步进电动机的步进电动机的PLC传动控制应用实例传动控制应用实例三相步进电动机PLC传动控制接线图机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院3.6.3步进电动机的步进电动机的PLC传动控制应用实例传动控制应用实例v脉冲发生器脉冲发生器T450T450K10T451T451K100PLSM122X405T450X402T451X403M122M72X401M121v步数控制步数控制M121X406K100RSTC460OUTX406M121X407K10RSTC460OUTX407机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院3.6.3步进电动机的步进电动机的PLC传动控制应用实例传动控制应用实例机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院3.6.3步进电动机的步进电动机的PLC传动控制应用实例传动控制应用实例机电传动控制机电传动控制 华南理工大学工控学院华南理工大学工控学院M121M71M200M102M101X400OUTSFTRSTM100M117|C461C460X410M105M104M103M102M101M200M106M103X404M201M104M105M104M202M106M102Y430M201X404M201X404Y430M200X404M202Y4313.6.3步进电动机的步进电动机的PLC传动控制应用实例传动控制应用实例