机电一体化四执行元件及驱动技术步进电机课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,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,*,*,第四章 执行元件与驱动技术,第四章 执行元件与驱动技术,知识点：,机电一体化系统执行元件的特点及类型,步进电机的工作原理及驱动技术,直流伺服电机的工作原理及驱动技术,交流伺服电机的工作原理及驱动技术,4.1 执行元件的特点及类型,4.1.机电控制系统对执行元件的要求,一般来说，工作机的执行机构要对外界做功，因此必须实现一定的运动和传递必要的动力。通常对执行机构提出如下基本要求：,（1）能够实现系统所需的运动。,（2）传递必要的动力。,（3）保证系统具有良好的动态品质。,机电一体化系统的执行元件应满足以下几项性能要求：,（1）惯量小、动力大；,（2）体积小、重量轻；,（3）快速性好，加减速扭矩大，频率特性好；,（4）位置控制精度高,4.2 步进电机的工作原理及驱动技术,步进电机是一种把开关激励的变化变换成精确的转子位置增量运动的执行机构，它将电脉冲转化为角位移。当步进驱动器,接收到一个脉冲信号,，它就驱动步进电机按设定的方向,转动一个固定的角度,（及,步距角,）。,步进电机具有转矩大、惯性小、响应频率高等优点,因此具有瞬间起动与急速停止的优越特性。,步进电机的应用,开环进给驱动系统,如：三相反应式步进电机。,定子,6,个磁极，每两相对磁极上有一相控制绕组。,转子装有,4,个凸齿。,4.2.1 结构与工作原理,2.工作原理,1)基本工作原理就是电磁铁工作原理。,2)通电方式,“,单,”每次只有一相绕组通电；,“,双,”每次有两相绕组通电；,“,拍,”通电次数（即从一种通电状态转到另一种通电状态）。,4.2.2 小步距角步进电动机（实际的步进电动机）,1.特征：,l,定子内圆和转子外圆均有,齿和槽,。,l,定子和转子的,齿宽和齿距,相等。,2.规定：,当一相磁极下定子与转子的齿,相对,时，下一相磁极下定子与转子齿的位置刚好,错开,（齿距，m相数）。,图所示为步进电动机的展开图。,其中定子有6个极，转子有40个齿。当A极下定、转子齿对齐时，B极和C极,下的齿就分别和转子齿相错三分之一的转子齿距 。,3.公式：,l,齿距,（,Z,转子齿数）,l,步距角,（,K,状态系数，,三拍时，,K=1,；六拍时，,K2,）,例如：,Z40,，三相单三拍运行，则,由此可见，,转子齿数,Z,（或定子相数,m,，或运行拍数,K,），则 ，控制越精确。,l,转速,步进电动机的主要特点：,1）步进电动机的,输出转角与输入的脉冲个数,严格成正比，故控制输入步进电动机的脉冲个数就能控制位移量；2）步进电动机的,转速与输入的脉冲频率,成正比，只要控制脉冲频率就能调节步进电动机的转速；3）当停止送入脉冲时，只要维持绕组内,电流不变，电动机轴可以保持在某固定,位置上，不需要机械制动装置；4）改变通电相序即可,改变电动机转向,；5）步进电动机存在齿间相邻误差，但是,不会产生累积误差,；6）步进电动机转动惯量小，起动、停止,迅速,。,4.2.3 运行特性,1.矩角特性静态特性,反映步进电动机,电磁转距,T,随,偏转角,变化的关系。,如果在电机轴上外加一个负载转矩Mz，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度，角度称为失调角。有失调角之后，步进电机就产生一个静态转矩（也称为电磁转矩），这时静态转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角的关系叫矩角特性，近似为正弦曲线。该矩角特性上的静态转矩最大值称为最大静转矩Tsmax。,2.矩角特性族,4.2.3 运行特性,每一曲线依次错开的电角度,e=2/km,1)动态稳定区:,动稳定区指步进电机从一种通电状态切换到另种通电状态时，不引起失步的区域。,3.动态特性,4.2.3 运行特性,步进电动机能带动的最大负载转矩要比最大静转矩小.,电机能带动的最大负载转矩值可由矩角特性族上相邻的两条矩角特性的交点所决定,就是最大负载转矩值，有时也称它为步进电动机的,起动转矩,.,2)起动转矩Tq:,3.动态特性,最大负载转矩 （0.30.5）,3)自由振荡过程,3.动态特性,3)脉冲信号频率对运行的影响,矩频特性,图 步进电动机的矩频特性,1-起动 2-连续运行,步进电机在起动后，当脉冲频率连续上升时，能不失步运行的最高脉冲频率 ,称为该电机的,连续运行频率,.,步进电动机的连续运行频率,要比,起动频率,高得多。,步进电机的起动频率 ,是指它在一定负载转矩下，能够不失步地起动的最高脉冲频率,运行矩频特性,起动曲线,运行曲线,在这个输出转矩区间，步进电机启动时的输入脉冲频率必须缓慢增加,3)脉冲信号频率对运行的影响,(a)频率很低,（接近矩形波）；,(b)频率增高,（波形畸变）；,(c)频率很高,（,I,下降到,I,/,）。,故,过高,使步进电动机,启动不起来；,运行时失步而停下。,惯频特性,步进电动机的起动惯频特性,连续运行时的惯频特性,4.)转子机械惯性对运行的影响,受机械惯性作用，在启动阶段，转子落后于应转过的角度，一般会跟上来，严重（）时会启动不起来。,在运转时，因惯性作用，经过几次振荡后才停下来，严重时会引起失步。,措施：,采用阻尼方法，消除或减弱步进电机的振荡。,4.2.3 主要性能指标和注意事项,主要性能指标,1)步距角,2)最大静转矩,3),空载起动频率,4)连续运行频率,5)惯-频曲线，矩-频曲线,.2.4 步进电机的驱动系统,4.2.4.1 脉冲分配器,1.硬件环形分配器,2.软件环行分配器,3.专用环行分配器芯片,4.2.4.1 脉冲分配器,1.硬件环形分配器,如：三相六拍环形分配器。,2.软件环分,脉冲经,并行,I/O,接口,输出至步进电动机各相，如图所示。,CH250,管脚定义与三相六拍工作状态的接线图,使用方便，接口简单，专业化生产质量可靠，成本低等。如：CH250三相绕组分频器；L297和PMM8714两相绕组分频器；PMM8713五相绕组电机分频器等。,3.专用环行分配器芯片,.2.4 驱动电路,驱动电路,一种脉冲放大电路，使脉冲具有一定的功率驱动能力。,为了提高步进电机的高频工作特性，希望在高频时步进电机的工作电流波形尽可能接近控制信号的波形，即应尽可能使电流的上升沿和下降沿变陡。,步进电机是感性负载，为提高高频工作特性，应使上升沿变陡，为此带来的另一个问题是当电流上升到额定值以后，驱动电路必须限制其电流的继续上升，即对其采取恒流供电方式。,.2.4 驱动电路,驱动电路,一种脉冲放大电路，使脉冲具有一定的功率驱动能力。,要求：,提高步进电动机的,快速性,；,提高步进电动机的,平稳性,。,1.单电压限流型驱动电路,VT,（,晶体管,）无触点开关,L,（,电动机绕组,）,L,中电流不能突变，经,3,（时间常数 ）,时间后达到稳态电流,（L绕组电感，r绕组电阻）.,，严重影响,启动频率,。,R,（串联电阻），缩短 上升的过渡时间，提高工作速度。,C,（,并联电容,或,加速电容,）,C,上的电压不能突变，在截止到导通的瞬间，电源电压全落在绕组上，。,V,(,二极管,),VT,截止时起续流和保护作用，以防绕组产生的反电势击穿。,R,D,（,串联电阻,），使 波形后沿变陡。,缺点：,R,上有功率损耗,2 高低压切换型驱动电路,采用,高压和低压,两种电压供电。,时间，,VT,1,和,VT,2,饱和导通,，,80V,经过,VT,1,和,VT,2,加到,L,上，。,到 时（,定时方式,）或 上升到某一数值（,定流方式,），为低电平，,VT,2,截止,，,L,的电流由,12V,电源经,VT,1,维持，到,I,额,。,到 时，为低电平，,VT,1,截止,，,I0,。,由脉冲分配器经几级电流放大获得，由单稳,定时或定流装置,再经脉冲变压器获得。,优点：,功耗小，启动力矩大，突跳频率和工作频率高。,缺点：,大功率管数量多用一倍，增加了驱动电源。,3.斩波恒流源驱动电路,5.细分驱动电路,采用细分驱动电路的目的：,整步运转或半步运转基础上，不改变步进电机结构，提高步进电机的运转、控制精度。,细分驱动电路的基本工作原理：,对每一控制脉冲，细分使其电流逐步增加达到脉冲的最大电流（I,max,），又逐步减少达到脉冲的最小电流（0），从而可实现高精度运转、控制、分辨，以及提高步进精度。,常用的步进电机细分驱动电路,工作原理：,由基极开关电压U,1,U,5,控制多路功率开关管VT,d1,VT,d5,的通断，从而控制功放管VT的导通电流大小，即步进电机线圈绕组电流的大小，实现对步进电机步进量的细分。,特点：,功率开关管工作在开关状态，功耗很低，但器件多、体积大。,多路功率开关细分电路,五、步进电机选型设计,1、脉冲当量：步进电机每接受一个脉冲时，工作台走过的位移,单位为 mm/pulse,=,0.0010.0025 精密机床,0.0050.01 数控机床,0.10.15 一般机床,M,驱动器,指令脉冲,如下图，步进电机通过丝杠螺母副带动工作台运动时，其脉冲当量为：,步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。,设计时，先根据运动精度选定，再根据负载确定步进电机的参数，并,选定丝杠的导程L,计算出传动比i后，最后设计传动齿轮的各参数等。,2、最大静转矩T,max,与相数、拍数,一般根据 T,L,（3050%）T,max,选择T,max,其中T,L,为把负载折合到步进电机轴的负载力矩，若相数、拍数较多，可选,0.5，否则选0.3，考虑控制回路的复杂和经济程度，一般取相数较少的。,3、最高运行频率与速度关系,.根据工作台的最高速度v,max,选择步进电机最高运行频率f,max,