情景十一-步进电机控制课件

第三十二课第三十二课 步进电机控制基步进电机控制基础础1、目的和要求目的和要求：1）掌握步进电机基本原理；2）掌握步进电机工作方式；3）了解步进电机性能及指标。2、重点与难点、重点与难点：1）步进电机原理；2）步进电机用途。3、教学方法设计、教学方法设计：讲授。第八章第八章 步进电机驱动系统步进电机驱动系统第一节第一节 步进电机原理步进电机原理步进电机的含义是自动控制系统中常见的执行元件，属于阶跃型同步电机，输入信号为脉冲电流；它能将输入的脉冲电流转换为阶跃型的角位移或直线位移，即每接收到一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度（步距角）或前进一步；步进电机基本特点直接接受数字信号，不需要进行数模转换；转动惯量小，在电机允许范围内能够快速启动和停止；定位精度非常高，虽然步距角有误差，但一圈后可以消除误差、无积累误差；工作状态不易受各种干扰因素（如电源电压波动、电流大小波动、温度变化）的影响，只要干扰大小未引起丢步（输入脉冲后未能使电机转动），就不会影响工作。典型应用需要精确定位场合，如机床进给系统、转盘驱动系统、绘图机、打印机；工业控制系统中，可不需要传感器就可达到精确定位，在开环控制系统中广泛使用。国产步进电机国产步进电机系列图片 驱动器 控制器一、步进电机工作原理一、步进电机工作原理（电磁铁作用原理）及特性及特性1、原理、原理图 以反应式步进电机为例1）当A相绕组通以直流电时，根据电磁学原理，便会在AA方向产生一个磁场，在磁场电磁力的作用下，吸引转子，使转子的齿与定子AA磁极上的齿对齐；2）若A相断电B相通电，转子沿顺时针方向转过60；步进电机绕组的通断电状态每改变一次，其转子转过的角度称为步距角，图中步进电机的步距角等于60；3）如果控制电路不停按ABCA的顺序控制步进电机绕组的通断电，步进电机的转子将不停地按顺时针转动；4）如果通电顺序改为ACBA，步进电机将逆时针不停的转动。显然步进电机的速度取决于通电脉冲的频率，频率越高，转速越快。2、步进电机通电顺序与工作方式、步进电机通电顺序与工作方式1）从一相通电换接到另一相通电称为一拍，每一拍转子转动一个步距角。上图，三相励磁绕组依次单独通电运行，换接三次完成一个循环，称为三相单三拍方式。2）三相六拍：如果按AABBBCCCAA顺序通电，可使步距角缩小一半，为30。3）三相双三拍：如果两相绕组同时通电，即按ABBCCAAB顺序通电，称为三相双三拍，其步距角仍为30。4）由此步进电机有三相、四相、五相、六相、九相的单双的三拍、四拍、五拍、六拍、十二拍通电方式。3、步进电机的结构、步进电机的结构图 定子有六个均匀分步的磁极，相对为一组，磁极极身绕有控制绕组，极靴上均匀分布5个矩形小齿，转子上无绕组而是均匀分布40个矩形小齿，相邻两齿夹角9。1）错齿是步进电机旋转的原因 2）结论步进电机定子绕组通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步距角；3）步进电机定子绕组的通电状态改变越快，转子的旋转速度越快，即通电状态变化频率越高，转子转速越高；步进电机的步距角与定子绕组的相数、转子的齿数、通电方式系数k有关 =360/mzk 其中：m 定子绕组相数 z 转子齿数 k通电方式系数（m相m拍时，k=1；m相2m拍 时，k=2）上例三相三拍通电方式步进电机 =360/（3401）=3 三相六拍通电方式步进电机 =360/（3402）=1.53、步进电机运行特性、性能指标及工程意义、步进电机运行特性、性能指标及工程意义了解步进电机的运行特性，对正确选用步进电机有重要意义。1）分辨力在一个电脉冲作用下（即一拍），电机转过的角位移，即步距角。越小分辨力越高。常用有0.6/1.2、0.9/1.8、1/2、1.5/3等。反应式电机一般为1.5；永磁式7.5或15；混合式两相1.8，五相0.72。2）额定电压驱动电源供给的电压，一般不等于加在绕组两端的电压；额定电流电机不动时第一相绕组允许通过的电流，而转动时每相绕组通过的是脉冲电流。3）静态特性在稳定状态下的特性，包括静转矩、矩角特性及静态稳定区。4、步进电机型号及参数、步进电机型号及参数（个厂家有所不同）1）反应式步进电机 BF 励磁绕组相数或代号 反应式步进电机 电机外径（mm）2）混合式步进电机 BYG 励磁绕组相数或代号 混合式（永磁感应式）步进电机 电机外径（mm）3）永磁式步进电机 BY 励磁绕组相数或代号 永磁式步进电机例 电机外径（mm）例例 36BF3336 机座号，外径36mmBF 反应式步进电机3 电机相数、3相3 步距角、3提示及建议提示及建议1.步进电机受数字脉冲信号控制，输出角位移与脉冲数成正比 =N 电机转动角度（）、N控制脉冲数、步距角（）2.步进电机转速与输入脉冲频率成正比 ；n=60f/360=f/6 n电机转速（r/min）f控制脉冲频率（HZ）；3.步进电机的转向可通过改变相序来改变；4.步进电机具有自锁能力，一旦停止输入脉冲，只要维持绕组通电电机就可保持在该固定位置5.工作状态不易受电压波动、电流大小与波形变化、温度因素影响，只要干扰不引起电机“丢步”，就不影响电机正常工作。6.步距角有误差、转子转过一定步数后有累积误差，但转过一周后，累计误差为0，不积累；7.步进电机一般用于开环数控系统，能与微机方便接口易于与微机I/O接口；8.和交、直流伺服电机一样，步进电机常见有进口产品，如日本FANAC公式产品，实际工作中应注意查阅说明书；9.选择电机的惯量和转矩十分重要，必须认真计算，以保证正常运行；10.在实际应用时，环行分配器、驱动电源、常用产品的配套减速器等基本规范化或标准化，应直接借用；11.步进电机的驱动控制软件在多个参考书中得到，实际应用时应该注意直接借用；12.步进电机也可构成闭环系统，精度更高。13.市场上环行分配器很多，功能齐全。如两相步进电机L297（L297A）、PMM8713和用于五相步进电机的PMM8714等专 用环行分配器作作 业业1、什么是步进电机的单三拍、六拍和双三拍工作方式？2、步进电机有80齿，采用三相六拍工作方式，求步进电机的步距角。第三十三课第三十三课 典型步进电机驱典型步进电机驱动过程动过程1、目的和要求目的和要求：1）掌握典型步进电机驱动原理及过程；2）掌握脉冲分配器用途及原理；3）了解步进电机驱动放大原理；4）了解PLC、微机步进电机驱动控制方法。2、重点与难点、重点与难点：1）步进电机驱动原理；2）典型步进电机控制过程。3、教学方法设计、教学方法设计：讲授。第二节第二节 典型步进电机控制系统典型步进电机控制系统 一、步进电机控制系统组成一、步进电机控制系统组成 1、典型控制系统 1）脉冲发生器是一个信号发生器，产生频率可变的脉冲信号。2）脉冲分配器根据方向控制信号将脉冲信号转换成具有一定逻辑关系的环行脉冲（循环）。3）功率放大器将脉冲分配器输入的环行脉冲放大，循环地供给电机各相绕组，用于控制步进电机运转。脉冲分配器功率放大器步进电机负载脉冲发生器方向控制8.2说明在上述方案中，控制电机脉冲序列完全由硬 件产生，若要改变控制方案或换用不同相数的电 机，需重新设计硬件，如此硬件电路复杂，故障 几率大；若用软件脉冲发生器和脉冲分配器，就 可按系统需要通过编程方法在一定范围内任意设 定步进电机转速、旋转方向、转动次数和控制步 进电机运行状态。例：步进电机驱动及驱动电源（由脉冲分配器、功率 放大器构成）组成变频信号源功率放大器脉冲分配器脉冲信号方向分配器电源分配后脉冲信号分配并放大脉冲信号ABC放大器电源步进电机8.22、微机控制步进电机系统 1）串行控制具有串行控制的单片机系统与步进电机驱动电源间连线少，单片机将信号送入环行分配器，因此该系统必须有环行分配器。2）并行控制用计算机系统的数个端口直接去控制步进电机个相驱动电路。在驱动电源中还包括环行分配器，其功能必须由计算机系统完成，方法是由软件实现或软件和硬件相结合两种。串行控制环行分配器功率放大电路步进电机P1.0P1.1.P1.280318051等单片机CP脉冲方向信号方式信号.P1.0P1.1P1.2P1.3P1.412345A相B相C相D相E相驱动器并行控制80318051等单片机8.23、步进电机的PLC控制实际上是通过PLC控制步进电机驱动器来实现步进电机的转动。如：其中：步进电机驱动器一端提供与PLC相连的转速信号CP、转向信号DIR、启动信号EN；一端提供与步进电机相线（U、u、V、v）相连的驱动接口。步进电机Y0Y12Y11PLC步进电机驱动器CPDIRENUVuvUuVv8.2CP：为接受驱动步进电机运转的脉冲信号；DIR：为接受控制步进电机运转方向的控制信号；EN：为接受控制步进电机运转的使能控制信号。工作控制方式：Y0（Q0.0）可以输出脉宽可调的高速脉冲，连接步进电机驱动器的 CP端，给步进电机提供脉冲信号。步进电机驱动器的DIR和EN端可以连接到 PLC 的两个普通输出端，如：Y11、Y12（Q1.0、Q1.1）。具体操作过程提示：1、具体操作中与特殊辅助继电器M8029配合，以及注意功能指令应用条件等。2、对于驱动器：若步进电机满足转固定角度条件，则设置使能信号和转向信号。3、若通过功能指令启动的条件，设置功能指令参数和使能端，可以输出频率为10 2000Hz,132767（16位指令），脉冲数量为12147483647（32位指令）个脉冲。Y0、Y1分别输出不同频率的方波和不同频率及占空比的脉冲。4、通过对DIR赋值，（0、1）可以使步进电机反转；5、对EN使能端赋值改变特殊辅助继电器状态，如使Y1输出高速脉冲，则步进电机就 连续运行；8.2二、环行分配器二、环行分配器1、有关概念、有关概念1）作用步进电机的各相绕组必须按一定顺序通电才能正常工作，使电机绕组的通电顺序按一定规律变化的部分为脉冲分配器，又称环行分配器。2）实现环行分配的方法三种：采用计算机软件利用查表或计算方法来进行环行脉冲分配，称软环分；采用小规模集成电路搭接成脉冲分配器；采用专用环行分配器。8.22、环行分配器性能比较说明分配方式 含 义 特 点 及 用 途 软环分 软件查表或计算 通过软件顺序在数据表中提取数据并通过输出接口输出即可。正向读取和反向读取可控制电机正反转。控制读取一次的时间间隔可控制电机的转速。充分利用计算机软件资源，降低硬件成本，对多相电机脉冲分配最据优势，但占用计算机运行时间，故会使插补一次时间增加，影响步进电机速度 小规模集成电路 各类触发器及逻辑电路组合而成 灵活性大，可搭接任意相任意通电顺序的环行分配器，在工作上不占用计算机时间。但电路复杂，设计工作量大，可靠性相对较低。在电机相数少时适用。一般不推荐。专用环行分配器 系列专用集成电路 集成度高、专用性强，使用方便、接口简单、可靠性较高，种类齐全，功能齐全，如斩波控制等，用单片机及可编程控制器控制十分方便。重点推荐采用。8.23、硬件组成的环行分配器（小规模集成电路）D触发器构成的三相六拍环行脉冲分配器 P144三个触发器输出对应电机三相绕组A、B、C。利用置、复位电路使初始状态为100，M控制电机正、反转，当M=1时，触发器输出状态根据CLK脉冲的加入依次为（100、110、010、011、001、101、100），电机正转；当当M=0时，触发器输出状态根据CLK脉冲的加入依次为（100、101、001、011、010、110、100），电机反转。改变CLK脉冲频率，可改变电机转速。8.24、专用集成电路环行分配器、专用集成电路环行分配器 CH250三相步进电机环行分配器（工作状态图，见复印附表）管脚图 三相六拍接线图 端子作用A、B、C三相励磁信号输出端；R、R*确定初始励磁相（R、R*=10，初始相为100；R、R*=01，初始相110；环行分 配器工作时，R、R*=00）；CL、EN进给脉冲输入端（EN=1，进给脉冲接CL，其上升沿使分配器工作；CL=0，进给脉冲接 EN，其下降沿使分配器工作；不符合该规律，分配器状态锁定不变）；J3R、J3L、J6R、J6L分别为控制三拍和六拍以及正反转的控制端UD、US电源端图中三相六拍工作方式，步进电机初始相为ABC=110，方向控制端为1，为正转。为0时反转。16 15 14 13 12 11 10 91 2 3 4 5 6 7 8UD J3L J3R C B A R RJ6R J6L EN C US 12V16F100K10166R*UDEN111213ABCUSJ3LJ3RRCLCP9712J6RJ6L方向141516CH2508.25、软件组成的环行分配器、软件组成的环行分配器（单片机步进电机控制）采用单片机进行软件环行分配是步进电机最常见的控制方式，只需编制软件 环行分配程序，存入程序存储器只，调用不同程序段就可控制步进电机按 不同方式工作。步进电机方向控制用单片机输出接口分别控制电机ABC相绕组（P1.0、P1.1、P1.2），根据控制方式规定向步进电机发送脉冲系列，可控制电 机旋转方向。步进电机速度控制实际上就是控制系统发出的时钟脉冲频率或者变相周 期。系统可用两种办法确定时钟脉冲周期。软件延时通过调用子程序方法实现，但该办法占用CPU时间；定时器方法通过设定时间常数方法实现。步进电机的加减速控制：微机对步进电机进行加减速控制实际上就是改变输 出脉冲的间隔。加速应使脉冲串逐渐加密，减速时应是脉冲串变稀。如用定时器中断方式控制电机变速时，实际上就是不断改变定时器装载值的 大小。升降速方法很多，软件编程十分灵活，技巧也多。6、PLC控制步进电机控制步进电机：见前内容8.27、补充问题步进电机闭环（半闭环）控制步进电机一般用于 开环控制系统，但对于不同的电机或同一电机不同 的负载，很难找到通用的加减速规律，使步进电机 的性能指标受到限制，可用光电编码器作检测角位 移和速度，通过反馈和适当的处理，直接给出驱动 脉冲串，即闭环。步进电机控制程序设计问题程序设计任务：判断 电机旋向、输出响应的脉冲系列、判断要求的脉冲 是否输送完毕。所谓编程就是根据步进电机原理和 工作方式，按上述要求设计出步进电机控制程序。例8.2例：三相三拍控制流程及编程过程假设要求的步数为N，电机旋转方向标志存储单元FLAG=1 时，表示正转，FLAG=0时表示反转。正转模型01H、02H、04H存放在以RM为起始地址的内存单元中；反转模型04H、02H、01H存放在以LM为起始地址的内存单元中。开始保护现场设置控制步数正转否？取正转模型起始地址延时输出控制模型步数够否恢复现场返回取反转模型起始地址否是是否8.2三、步进电机驱动功率放大器原理和应用三、步进电机驱动功率放大器原理和应用功率放大器（功率驱动器）作用由于环行分配器来的脉冲电流只有几毫安，而步进电机绕组需要110A的电流，才能驱动步进电机旋转，因此要有较大的高频转矩，必须有较大的高频电流。功率放大器的作用就是将脉冲电流放大，增大到几至十几安，从而驱动步进电机旋转。8.21、单电压供电的功率放大器、单电压供电的功率放大器1）组成图 步进电机每相均有一套功率放大电路：由两级射级跟随器和一级功率反相器组成。第一级射级跟随器VT1起隔离作用，第二级VT2处于放大区，以改善放大器动态特性。2）工作过程A端接环行分配器，输入控制脉冲；当A为高电平时，VT1、VT2 单电压供电的功率放大器单电压供电的功率放大器饱和导通，电机A相绕组LA中电流从0主组上升到稳定值；当A端为低电平时，VT1、VT2处于小电流放大状态，VT3截止，绕组LA断电；续流二极管VD1在LA断电产生感应电动势并和电源电压一起加在VT3上导致击穿，LA并联的VD1起放电释放作用。RC与VT3并联的保护吸收回路，使VT3不会损坏。R0与LA串联起限流和减小供电回路时间常数作用。C0与R0并联加速电容起提高绕组瞬时电压作用，使LA中上升速度提高，从而提高启动频率。电路缺点：高频时带负载能力低。60V12VA6VVT1VT2LAC0HLVT3VD1RC8.22、双电压供电功率放大器、双电压供电功率放大器当环行脉冲分配器送来脉冲使VT1导通同时，触发单稳态触发器D，在D输出窄脉冲宽度时间内使VT2导通；60V高压经限流电阻R0给绕组LA供电；由于VD1 承受反压，因而切断12V低电压源；在高压供电时LA电流上升很快，前沿较陡；当超过D输出的脉冲宽度时，VT2截止，VD1导通，电流继续流过绕组，由低压12V稳定供电；续流电阻的串如可减小时间常数。电路特点：大幅度提高电机工作频率，开始由高压供电，利于提高启动频率和最高连续工作频率，低压稳定供电时只需很小的限流电阻，功耗小；缺点是电流波形有凹陷，电路复杂。60V12VVD1R0L4VT1VD2VT2t=0t=0双电压供电功率放大器8.23、斩波驱动电路、斩波驱动电路（恒流斩波电路）1）三种驱动电路的电流波形图2）斩波电路工作过程环行分配器输出脉冲为高电平时，VT1、VT2导通，由于U1较高，绕组电流迅速上升；当达到额定值以上某值时，由于采样电阻Re的反馈作用，经整形、放大后送VT1基极，使VT1截止，由U2低压供电；当绕组中电流下降，当下降到额定值以下某值时，由于采样电阻Re的反馈作用，使整形电路无信号输出，则高压前置电路又使VT1导通，电流又上升；如此反复，形成一个额定电流值上下波动呈现锯齿状的绕组电流波形，近似恒流。锯齿波频率可通过采样电阻Re和整形电路的电位器来调整。特点：电路虽复杂，但电机运行矩频特性、启动矩频特性都有明显提高，快速响应好、功耗低、效率高、在很大频率范围内可保证电机输出恒定转矩。it0i0ti0t整形控制门高压前置放大低压前置放大R输入U1VT1VT2LU2VD1VD2Re8.24、步进电机控制集成电路、步进电机控制集成电路1)TD62803P脉冲分配器脉冲分配器TD62803脉冲分配器适用于3相或4相步进电机的各种励磁方式，功能较强，在相应端子上加上不同的控制电压可得到不同的控制功能，与单片机相连可容易构成自动控制系统。端子定义P149 端子功能表P149 控制真值表P149TD62803脉冲分配应用电路分配器输出的驱动能力有限，需要经过一级功率放大后，简单办法是一级晶体管功率放大电路再驱动步进电机。应用电路工作过程P1502)PM03（三相）集成电路环行分配器（三相）集成电路环行分配器端子图P150 功能表P1513)PPMC101B可编程脉冲分配器可编程脉冲分配器可编程脉冲分配器具有软启动、软停止功能，通过编程可驱动不同相数的步进电机，可实现单步、加减速和恒速运行、立即停止和减速停止等。PPMC101B可编程脉冲分配器端子图P151 工作过程P151、152 8.2第三十四课第三十四课 步进电机驱动器步进电机驱动器及应用及应用1、目的和要求目的和要求：1）掌握步进电机驱动器基本原理；2）掌握步进电机驱动器接线方法；3）了解步进驱动器控制过程。2、重点与难点、重点与难点：1）步进电机驱动器接线原理；2）步进电机驱动器端子及用途用途。3、教学方法设计、教学方法设计：讲授。国产步进电机国产步进电机系列图片 驱动器 控制器第三节 步进电机电机驱动器及应用步进电机电机驱动器及应用 1、步进电机集成驱动元件情况、步进电机集成驱动元件情况驱动器已从分离元件发展到集成元件电路，已经系列化、模块化，为步进电机设计提供模块化选择。目前，步进电机驱动器标准不统一，但接口定义基本相同，需要掌握的是接口中的接线端子、标准接口、拨动开关的定义和使用。2、KT350系列混合式步进电机驱动器系列混合式步进电机驱动器外形及接口图接线端子排和端子定义D型连接器CN1（9芯脚号）定义拨动开关定义及选择其它指示显示信号8.3外形图组成：3、KT350驱动器典型接线图驱动器典型接线图九芯线拨码开关四位例例子提示和建议1、步进电机是数控机床及自动生产线常见驱动设备，要用好须掌握软件和硬件的综合知识；2、步进电机的单片机及PLC控制有现成的驱动控制程序可以参考；3、步进电机驱动器已经系列化，重要的是当作标准部件选用；4、步进电机种类多，参数多，选用时还涉及到运算，不可忽略；5、步进电机最大的使用问题是丢步，防止的办法是计算加工艺适应。计算方法在有关资料中有比较全面的介绍。6、原则上应当选用步进电机集成驱动装置，可以查阅相关工具书和产品说明书。8.3作 业1、步进电机驱动功率放大器的供电形式，比较优缺点；2、比较软件和硬件环行分配器优缺点。8.3