机电知识课件

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,*,第十三章 步进电动机传动控制系统,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,励磁式,反应式,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,运行方向,输入脉冲相序,步进电机传动控制系统框图,按步进电动机的工作原理分,1.,励磁式,电机的定子转子均有绕组，靠电磁力矩使转子转动。,2.,反应式,转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使转子转动。这是我国步进电动机发展的主要类型，,3.,混合式,(,即永磁感应子式,),它与反应式的主要区别是转子上置有磁钢。永磁感应式电机具有驱动电流小、效率高、过载能力强等优点，是一种很有发展前途的步进电动机,按步进电动机输出转矩大小分,l.,快速步进电动机,该类电动机输出转矩一般为,0,.,07 N.m,3 N,.,m,。,可控制小型精密机床的工作台,(,例如，线切割机床,),。,2.,功率步进电动机,其输出转矩一般为,5 N,.,m,30 N,.,m,。,可直接驱动机床移动部件。,此外，按励磁相数可分为三相、三相、五相、六相等。相数越多，步距角越小，但结构越复杂。按定,子,排列还可分为多段式,(,轴向式,),和单段式,(,径向式,),。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。,一、步进电动机的组成,如图所示为一台三相反应式步进电动机的结构示意图,定子,：由定子铁心、绕组、绝缘材料等组成,励磁绕组由外部脉冲信号对各相绕组轮流励磁。如图所示。,转子：,由转子铁心、转轴等组成。转子铁心是由硅钢片或软磁材料叠压而成的齿形铁心,。,二、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。,（,a,）,（,b,）,工作原理,结论：,通电顺序为,AB,时，转子按顺时针方向一步一步转动通电顺序改为,A,，时，转子按逆时针方向一步一步转动。,三、步进电动机的通电方式,1.,单相通电方式：指对每相绕组单独轮流通电，对于三相步进电动机：,正转：,A,B,时，转子按顺时针方向一步一步转动。,反转：,A,时，转子按逆时针方向一步一步转动。,2.,单、双拍工作方式,原理,：,正转：,A-AB-B-BC-C-CA-A,反转：,A-AC-C-CB-B-BA-A,3.,双拍工作方式：,正转：,AB-BC-CA-AB,反转：,AC-CA-BC-AC,“,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）。,实用的小步距角步进电动机,定子内圆和转子外圆均有齿和槽,定子上有三对磁极，分别绕有三相绕组,当,A,相的定子齿和转子齿对齐时，,B,相的定子齿应相对于转子齿顺时针方向错开,1/3,齿距，而,C,相的定子齿又应相对于转子齿顺时针错开,2/3,齿距。,四、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。,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,单三拍、双三拍时,K,=1,；单、双六,拍,时,K,=2,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。,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，使流过,L,的波形接近,矩形波,。,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,（快速性,，,R,，,功耗,，限制使用这,种电路）,。,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,，,I,0,。,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。,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。,软件环分,以,8155,的,PC0,、,PC1,、,PC2,分别控制,A,、,B,、,C,三相绕组。,由,PC,口,作为驱动电路接口,脉冲经,8155,的,PC,口,输出至步进电动机各相，如图所示。,8155,PC,口,2,1,0,I/O,接口图,C,相,B,相,A,相,环形分配表,三相单三拍,三相双三拍,三相单双三拍,通电相,输出数据,通电相,输出数据,通电相,输出数据,A,01H,AB,03H,A,01H,B,02H,BC,06H,AB,03H,C,04H,CA,05H,B,02H,BC,06H,C,04H,CA,05H,8155,PC,口,2,1,0,C,相,B,相,A,相,13.3,运行特性及注意事项,13.3.1,运行特性及影响因素,基本特点,工作时的,步数,或,转速（角度控制或速度控制）,只与,控制脉冲,同步，而与电压、负载、,温度,、,冲击（环境条件）,等因素,无关,。,按控制要求进行,启动,、,停止,、,反转,或改,变速,度。,应用广泛（在数字控制系统中）。,同时步进电动机具有,自锁能力,，当控制电脉冲停止输人，而让最后一个脉冲控制的绕组继续通人直流时，则电动机可以保持在固定的位置上,2.,矩角特性,反映步进电动机,电磁转距,T,随,偏转角,变化的关系。,初始平衡位置,定子一相绕组通电，转子,无负载转矩,，转子齿与通电相磁极上小齿对齐。,转子偏转角 （空间角）,转子齿偏离初始平衡位置的角度（转子,有负载作用,，电磁转矩与负载转矩平衡）。,电角度,空间角度的,Z,倍，即 。,矩角特性曲线 。,近似一条正弦曲线。,时，,T,达到最大静转矩 （定、转子齿错开,1/4,齿距）。,反映了步进电动机带负载的能力（,负载转矩,（,0.3,0.5,）,）。,“稳定运行”,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。,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：,采用减小电机的时间常数、提高动态转矩、减小惯量、增加阻尼方法，消除或减弱步进电机的振荡。,13.3.2,主要性能指标和注意事项,主要性能指标,1),步距角,步进电动机的主要性能指标之一,，它直接影响启动和运行频率。,式中：,传动比；,负载轴要求的最小位移增量（或称,脉冲当量,）。,2),最大静转矩,式中：,步进电动机启动转矩；,最大静负载转矩。,通常取 。,3),空载启动频率,步进电动机在,空载,情况下，,不失步启动,所允许的,最高频率,。,在,负载,情况下，不失步启动所允许的最高频率是,随负载的增加而显著下降,。,4),连续运行频率,当步进电动机运行频率,连续,上升时，电动机,不失步运行,的,最高频率,。,矩频特性,是指在连续运行状态下，步进电动机的电磁力矩,随频率的升高而急剧下降,的特性。,注：,与负载有关；在同样负载下，。,5),精度,用一周内最大的步距角误差值表示。,步距精度,式中：,负载轴上所允许的角度误差。,6),输入电压,U,、,输入电流,I,和,相数,m,三项指标与驱动电源有关。,2.,注意事项,驱动电源的优劣,对控制系统的运行影响极大。,若,负载转动惯量较大,，则在,低频,下,启动,，再上升到,工作频率,；停车时从工作频率下降到适当频率再停车。,在工作过程中，尽量避免由,负载突变,而引起的误差。,在工作中若发生,失步现象,，先检查负载（是否过大）、电源电压（是否正常），再检查驱动电源输出波形（是否正常），不应随意变换元件。,13.4,步进电动机的控制,步距角的大小只有两种，即整步工作和半步工作，步距角已由步进电动机的结构所限定，在实际中为了提高数控设备等生产过程的控制精度，应减小脉冲当量。可采用如下方法来实现,减小步进电动机的步距角,加大步进电动机与传动丝杠间齿轮的传动比和减小传动丝杠的螺距,将步进电动机的步距角进行细分,13.4.1,步进电动机步距角的细分控制,步距细分的基本思想,在每次输入脉冲切换时，不是将额定电流全部通入相绕组或一次切除，而是只改变相应绕组中额定电流的一部分，则步进电动机转子的每步运动也只有步距角的一部分。这里绕组电流不是一个方波，而是阶梯波，额定电流是台阶式投入或切除；电流分成多少个台阶，则转子就以同样的个数转过一个步距角。这样将一个步距角细分成若干个步的驱动称为细分驱动，有时也叫“微步距控制”。,步距细分的基本原理,当,A,相通电，转子停在位置,A,当由,A,相通电转为,A,、,B,两相通电时，转子转过,30,度，停在位置,I,若由,A,相通电转为,A,、,B,两相通电时，,B,相绕组中电流不是由零一次上升到额定值，而是先达到额定值的,1/2,，由于转矩与流过绕组的电流成线性，转子将不是转过,30,度，而是转过,15,度，停在位置,II,当由,A,、,B,两相通电变为只有,B,相通电时，,A,相电流不是突然一次下降为,0,，而是一半，转子将不停在位置,B,，而是停在位置,III,13.4.2,步进电动机的开环控制,如果要求运行的速度小于系统极限启动频率，则系统可以按要求直接启动。,一般情况下，系统的极限启动频率比较低，而