步进电机及其控制系统

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,步进电动机传动控制系统,第,13,篇,13.1,步进电动机,结构与工作原理,步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件。,步进电动机的分类：,工作原理,反应式,永磁式,混合式,输出转,矩大小,快速步进电机,功率步进电机,励磁相数,二、三、四、五、六、八相等,角位移,输入脉冲个数,运行速度,输入脉冲频率,特点,:,(,1),来一个脉冲，转一个步距角。,(2),控制脉冲频率，可控制电机转速。,(3),改变脉冲顺序，可改变转动方向。,步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲,信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉,冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段,距离。,13.1,步进电动机,结构与工作原理,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磁线圈。,种类,：,励磁式,和,反应式,两种。,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。,13.1,步进电动机,结构与工作原理,步进电动机的工作原理,给,A,相绕组通电时，转子位置如图（,a,），,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力，迫使转子齿转动，当转子转到与定子齿对齐位置时,(,图,b),，,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。由此可见：错齿是助使步进电机旋转的根本原因。,三相反应式步进电动机的原理结构图,如下：,A,B,C,I,A,I,B,I,C,定子内圆周,均匀分布着六个,磁极，磁极上有,励磁绕组，每两,个相对的绕组组,成一相。转子有,四个齿。,定子,转子,13.1.1,三相单三拍,C,A,B,B,C,A,3,4,1,2,A,相绕组通电，,B,、,C,相,不通电。由于在磁场作用下，,转子总是力图旋转到磁阻最,小的位置，故在这种情况下，,转子必然转到左图所示位置：,1,、,3,齿与,A,、,A,极对齐。,13.1,步进电动机,结构与工作原理,C,A,B,B,C,A,3,4,1,2,同理，,B,相通电时，转子会转过,30,角，,2,、,4,齿和,B,、,B,磁极轴线对齐；当,C,相通电时，转子,再转过,30,角，,1,、,3,齿和,C,、,C,磁极轴线对齐。,1,C,3,4,2,C,A,B,B,A,13.1,步进电动机,结构与工作原理,这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。,按,A,B,C,A,的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过,30,(,步距角,),，每个通电循环周期,(3,拍,),转过,90,(,一个齿距角,),。,13.1,步进电动机,结构与工作原理,13.1.2,三相六拍,按,A,AB,B,BC,C,CA,的顺序给三相绕组轮流通电。,这种方式可以获得更精确的控制特性。,C,A,B,B,C,A,3,4,1,2,C,A,B,B,C,A,3,4,1,2,A,相通电，,转子,1,、,3,齿与,A,、,A,对齐。,A,、,B,相同时通电，,A,、,A,磁极拉住,1,、,3,齿，,B,、,B,磁极拉住,2,、,4,齿，转子转,过,15,，,到达左图所示位置。,C,A,B,B,C,A,3,4,1,2,B,相通电，,转子,2,、,4,齿与,B,、,B,对齐,又转,过,15,。,3,4,1,2,C,A,B,B,C,A,B,、,C,相同时通电，,C,、,C,磁极拉住,1,、,3,齿，,B,、,B,磁极拉住,2,、,4,齿，转子再转,过,15,。,三相反应式步进电动机的一个通电循环周,期如下：,A,AB,B,BC,C,CA,，,每个循,环周期分为六拍。,每拍转子转过,15,（步距角），,一,个通电循环周期,(,6,拍,),转子转过,90,(,齿距角,),。,与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更,小，更适用于需要精确定位的控制系统中。,13.1.3,三相双三拍,按,AB,BC,CA,的顺序给三相绕组轮流通,电。每拍有两相绕组同时通电,。,AB,通电,C,A,B,B,C,A,3,4,1,2,BC,通电,3,4,1,2,C,A,B,B,C,A,CA,通电,C,A,B,B,C,A,3,4,1,2,与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电,循,环周期也分为三拍。每拍转子转过,30,(,步距角,),，,一,个通电循环周期,(,3,拍,),转子转过,90,(,齿距角,),。,从以上对步进电机三种驱动方式的分析可,得步距角计算公式：,步距角,Z,r,转子齿数,m,每个通电循环周期的拍数,实用步进电机的步距角多为,3,和,1.5,。为了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的，如教材图,10.4.4,所示。图中转子表面有,40,个齿，,齿距角是,9,；,定子仍是,6,个磁极，但每个磁极表面加工有五个和转子一样的齿。,步进电动机的应用非常广泛，如各种数控,机床、自动绘图仪、机器人等。,应用：,13.2,步进电动机的步距角,由一个通电状态改变到下一个通电状态时，电动机转子所转过的角度称为步距角。,T11-2.SWF,360,/,ZKm,其中：,Z,转子齿数,m,定子绕组相数,K,通电系数,K,=1,2,若二相步进电动机的,Z,=100,，,单拍运行时，其步距角,若按单、双通电方式运行时，步距角,由此可见，步进电动机的转子齿数,Z,和定子相数,(,或运行拍数,),愈多，则步距角愈小，控制越精确。,当定子控制绕组按着一定顺序不断地轮流通电时，步进电动机就持续不断地旋转。如果电脉冲的频率为,f,(HZ),，,步距角用弧度表示，则步进电动机的转速为：,13.2,步进电动机的步距角,13.3,步进电动机的主要性能指标,1.,步距角,2.,最大工作频率：在转子不失步的情况下，电动机连续工作时，输入脉冲信号的最大频率。,3.,最大突跳频率：在转子不失步的情况下，电动机能增加和减小的最大频率。,4.,步距差：理想的步矩角与实际的步矩角之差。,5.,输出转矩：电动机轴上的输出转矩的大小,步进电动机的输出转矩与脉冲频率的函数关系称为,矩频特性,。,13.4,步进电动机的驱动电源,一、驱动电源的组成,脉,冲,分,配,器,功放电路,三,相,步,进,电,机,负载,功率电源,分配器电源,功放电路,功放电路,功率放大器,步进脉冲,方向信号,A,B,C,脉冲分配器,+,功率放大电路,1.,脉冲分配器,当方向电平为低时，脉冲分配器的输出按,A-B-C,的顺序循环产生脉冲。,当方向电平为高时，脉冲分配器的输出按,A-C-B,的顺序循环产生脉冲。,2.,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电，使电动机的转子产生输出转矩。,二、步进电动机的脉冲分配器,步进电动机的脉冲分配器可由硬件或软件方法来实现,。,硬件环形分配器：由计数器等数字电路组成的。有较好的响应速度，且具有直观、维护方便等优点。,软件环分：由计算机接口电路和相应的软件组成的。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。,1.,硬件环形分配器,2,软件环形分配,软件环分的方法是利用计算机程序来设定硬件接口的位状态，从而产生一定的脉冲分配输出。,1),输出接口,8031,单片机本身包含,4,个,8,位,I/O,端口，分别为,P0,、,P1,、,P2,、,P3,。,输出接口是将计算机的输出端与步进电动机的每相绕组一一对应起来。,若要实现三相步进电动机的脉冲分配，需要三根输出口线，本例中选,P1,口的,P1.0,、,P1.1,、,P1.2,位作为脉冲分配的输出。,三、步进电动机的功率放大电路,步进电动机的功率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。,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。,1.,单电压驱动电路,L,是电动机绕组,VT,开关晶体管,电阻,R,两端并联电容,C,，,使电流上升更快，所以，电容,C,又称为加速电容。,二极管,V,在晶体管,VT,截止时起续流和保护作用，串联电阻使电流下降更快，从而使绕组电流波形后沿变陡。,2.,高低压切换型驱动电路,高低压驱动线路的优点是：功耗小，启动力矩大，突跳频率和工作频率高。缺点是：大功率管的数量要多用一倍，增加了驱动电源。,