机电一体化四执行元件及驱动技术步进电机

,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,小,步,步,距,距,角,角,步,步,进,进,电,电,动,动,机,机,（,（,实,实,际,际,的,的,步,步,进,进,电,电,动,动,机,机,）,）,1.,特,特,征,征,：,：,l,定,子,子,内,内,圆,圆,和,和,转,转,子,子,外,外,圆,圆,均,均,有,有齿,和,和,槽,槽。,l,定,子,子,和,和,转,转,子,子,的,的齿,宽,宽,和,和,齿,齿,距,距相,等,等,。,。,2.,规,规,定,定,：,：,当,一,一,相,相,磁,磁,极,极,下,下,定,定,子,子,与,与,转,转,子,子,的,的,齿,齿相,对,对时,，,，,下,下,一,一,相,相,磁,磁,极,极,下,下,定,定,子,子,与,与,转,转,子,子,齿,齿,的,的,位,位,置,置,刚,刚,好,好错,开,开,（,齿,齿,距,距,，,，m,相,相,数,数,）,）,。,。,图,所,所,示,示,为,为,步,步,进,进,电,电,动,动,机,机,的,的,展,展,开,开,图,图,。,。,其,中,中,定,定,子,子,有,有6,个,个,极,极,，,，,转,转,子,子,有,有40,个,个,齿,齿,。,。,当,当A,极,极,下,下,定,定,、,、,转,转,子,子,齿,齿,对,对,齐,齐,时,时,，,，B,极,极,和,和C,极,极,下,的,的,齿,齿,就,就,分,分,别,别,和,和,转,转,子,子,齿,齿,相,相,错,错,三,三,分,分,之,之,一,一,的,的,转,转,子,子,齿,齿,距,距,。,。,3.,公,公,式,式,：,：,l,齿,距,距,（,Z,转,子,子,齿,齿,数,数,）,）,l,步,距,距,角,角,（,K,状,态,态,系,系,数,数,，,，,三,拍,拍,时,时,，,，,K=1,；,六,六,拍,拍,时,时,，,，,K,2,）,例,如,如,：,：,Z,40,，,三,三,相,相,单,单,三,三,拍,拍,运,运,行,行,，,，,则,则,由,此,此,可,可,见,见,，,，,转,子,子,齿,齿,数,数,Z,（,或,或,定,定,子,子,相,相,数,数,m,，,或,或,运,运,行,行,拍,拍,数,数,K,）,，,，,则,则,，,，,控,控,制,制,越,越,精,精,确,确,。,。,l,转,速,速,步,进,进,电,电,动,动,机,机,的,的,主,主,要,要,特,特,点,点,：,：,1,）,）,步,步,进,进,电,电,动,动,机,机,的,的输,出,出,转,转,角,角,与,与,输,输,入,入,的,的,脉,脉,冲,冲,个,个,数,数严,格,格,成,成,正,正,比,比,，,，,故,故,控,控,制,制,输,输,入,入,步,步,进,进,电,电,动,动,机,机,的,的,脉,脉,冲,冲,个,个,数,数,就,就,能,能,控,控,制,制,位,位,移,移,量,量,；,；2,）,）,步,步,进,进,电,电,动,动,机,机,的,的转,速,速,与,与,输,输,入,入,的,的,脉,脉,冲,冲,频,频,率,率成,正,正,比,比,，,，,只,只,要,要,控,控,制,制,脉,脉,冲,冲,频,频,率,率,就,就,能,能,调,调,节,节,步,步,进,进,电,电,动,动,机,机,的,的,转,转,速,速,；,；3,）,）,当,当,停,停,止,止,送,送,入,入,脉,脉,冲,冲,时,时,，,，,只,只,要,要,维,维,持,持,绕,绕,组,组,内,内电,流,流,不,不,变,变,，,，,电,电,动,动,机,机,轴,轴,可,可,以,以,保,保,持,持,在,在,某,某,固,固,定,定位,置,置,上,上,，,，,不,不,需,需,要,要,机,机,械,械,制,制,动,动,装,装,置,置,；,；4,）,）,改,改,变,变,通,通,电,电,相,相,序,序,即,即,可,可改,变,变,电,电,动,动,机,机,转,转,向,向；5,）,）,步,步,进,进,电,电,动,动,机,机,存,存,在,在,齿,齿,间,间,相,相,邻,邻,误,误,差,差,，,，,但,但,是,是不,会,会,产,产,生,生,累,累,积,积,误,误,差,差；6,）,）,步,步,进,进,电,电,动,动,机,机,转,转,动,动,惯,惯,量,量,小,小,，,，,起,起,动,动,、,、,停,停,止,止迅,速,速。,4.2.3,运,运,行,行,特,特,性,性,1.,矩,矩,角,角,特,特,性,性,静,静,态,态,特,特,性,性,反,映,映,步,步,进,进,电,电,动,动,机,机,电,磁,磁,转,转,距,距,T,随,偏,转,转,角,角,变,化,化,的,的,关,关,系,系,。,。,。,。,如,果,果,在,在,电,电,机,机,轴,轴,上,上,外,外,加,加,一,一,个,个,负,负,载,载,转,转,矩,矩Mz,，,，,转,转,子,子,会,会,偏,偏,离,离,平,平,衡,衡,位,位,置,置,向,向,负,负,载,载,转,转,矩,矩,方,方,向,向,转,转,过,过,一,一,个,个,角,角,度,度,，,，,角,角,度,度,称,称,为,为,失,失,调,调,角,角,。,。,有,有,失,失,调,调,角,角,之,之,后,后,，,，,步,步,进,进,电,电,机,机,就,就,产,产,生,生,一,一,个,个,静,静,态,态,转,转,矩,矩,（,（,也,也,称,称,为,为,电,电,磁,磁,转,转,矩,矩,）,）,，,，,这,这,时,时,静,静,态,态,转,转,矩,矩,等,等,于,于,负,负,载,载,转,转,矩,矩,。,。,静,静,态,态,转,转,矩,矩,与,与,失,失,调,调,角,角,的,的,关,关,系,系,叫,叫,矩,矩,角,角,特,特,性,性,，,，,，,，,近,近,似,似,为,为,正,正,弦,弦,曲,曲,线,线,。,。,该,该,矩,矩,角,角,特,特,性,性,上,上,的,的,静,静,态,态,转,转,矩,矩,最,最,大,大,值,值,称,称,为,为,最,最,大,大,静,静,转,转,矩,矩Tsmax,。,。,2.,矩,矩角特,性,性族,4.2.3,运,运行特,性,性,每一曲,线,线依次,错,错开的,电,电角度,e=2,/km,1)动,态,态稳定,区,区:,动稳定,区,区指步,进,进电机,从,从一种,通,通电状,态,态切换,到,到另,种,种通电,状,状态时,，,，不引,起,起失步,的,的区域,。,。,3.,动,动态特,性,性,4.2.3,运,运行特,性,性,步进电,动,动机能,带,带动的,最,最大负,载,载转矩,要,要比最,大,大静转,矩,矩小.,电机能,带,带动的,最,最大负,载,载转矩,值,值可由,矩,矩角特,性,性族上,相,相邻的,两,两条矩,角,角特性,的,的交点,所,所决定,就,就,是,是最大,负,负载转,矩,矩值，,有,有时也,称,称它为,步,步进电,动,动机的起动转,矩,矩.,2)起,动,动转矩Tq:,3.,动,动态特,性,性,最大负载转矩 （0.30.5）,3),自,自由振,荡,荡过程,3.,动,动态特,性,性,3)脉,冲,冲信号,频,频率对,运,运行的,影,影响,矩频特,性,性,图 步,进,进电动,机,机的矩,频,频特性,1-起,动,动 2-连续,运,运行,步进电,机,机在起,动,动后，,当,当脉冲,频,频率连,续,续上升,时,时，能,不,不失步,运,运行的,最,最高脉,冲,冲频率,称为该,电,电机的,连续运,行,行频率,.,步进电,动,动机的,连,连续运,行,行频率,要比,起动频,率,率,高得多,。,。,步进电,机,机的起,动,动频率,是指它,在,在一定,负,负载转,矩,矩下，,能,能够不,失,失步地,起,起动的,最,最高脉,冲,冲频率,运行矩,频,频特性,起动曲线,运行曲线,在这个,输,输出转,矩,矩区间,，,，步进,电,电机启,动,动时的,输,输入脉,冲,冲频率,必,必须缓,慢,慢增加,3)脉,冲,冲信号,频,频率对,运,运行的,影,影响,(a),频,频率,很,很低（接近,矩,矩形波,）,）；,(b),频,频率,增,增高（波形,畸,畸变）,；,；,(c),频,频率,很,很高（,I,下降到,I,/,）。,故过高使步进,电,电动机,启,动,动不起,来,来；,运,行,行时失,步,步而停,下,下。,惯频特,性,性,步进电,动,动机的,起,起动惯,频,频特性,连续运,行,行时的,惯,惯频特,性,性,4.),转,转子,机,机械惯,性,性对运,行,行的影,响,响,受机械,惯,惯性作,用,用，在,启,启动阶,段,段，转,子,子落后,于,于应转,过,过的角,度,度，一,般,般会跟,上,上来，,严,严重（,）,）时,会,会启动,不,不起来,。,。,在运转,时,时，因,惯,惯性作,用,用，经,过,过几次,振,振荡后,才,才停下,来,来，严,重,重时会,引,引起失,步,步。,措施：,采用阻,尼,尼方法,，,，消除,或,或减弱,步,步进电,机,机的振,荡,荡。,4.2.3,主,主要性,能,能指标,和,和注意,事,事项,主要性,能,能指标,1),步,步距角,2),最,最大静,转,转矩,3),空载起,动,动频率,4),连,连续运,行,行频率,5),惯,惯-频,曲,曲线，,矩,矩-频,曲,曲线,.2.4,步,步进电,机,机的驱,动,动系统,4.2.4.1,脉,脉冲分,配,配器,1.硬,件,件环形,分,分配器,2.软,件,件环行,分,分配器,3.,专,专用环,行,行分配,器,器芯片,4.2.4.1,脉,脉冲分,配,配器,1.,硬,硬件环,形,形分配,器,器,如：三,相,相六拍,环,环形分,配,配器。,2.,软,软件环,分,分,脉冲经并行,I/O,接口输出至,步,步进电,动,动机各,相,相，如,图,图所示,。,。,CH250,管脚定,义,义与三,相,相六拍,工,工作状,态,态的接,线,线图,使用方,便,便，接,口,口简单,，,，专业,化,化生产,质,质量可,靠,靠，成,本,本低等,。,。如：CH250三,相,相绕组,分,分频器,；,；L297,和,和PMM8714两,相,相绕组,分,分频器,；,；PMM8713五,相,相绕组,电,电机分,频,频器等,。,。,3.,专,专用环,行,行分配,器,器芯片,.2.4,驱,驱动电,路,路,驱动电,路,路,一,种,种脉冲,放,放大电,路,路，使,脉,脉冲具,有,有一定,的,的功率,驱,驱动能,力,力。,为了提,高,高步进,电,电机的,高,高频工,作,作特性,，,，希望,在,在高频,时,时步进,电,电机