机电传动控制系统中的控制电动机.doc

2 机电传动控制系统中的控制电动机控制电动机一般用于自动控制、随动系统以及计算装置中，它是在一般旋转电动机的基础上发展起来的小功率电动机，其电磁过程及所遵循的基本规律与一般旋转电动机没有本质区别，只是所起的作用不同：传动电动机主要是将电能转换为机械能，以达到拖动生产机械的目的，因此需要具有较高的力能指标，如输出转矩、传动效率和功率因数等；而控制电动机则主要用来完成控制信号的传递和变换，要求技术性能稳定可靠、动作灵敏、精度高、体积小、重量轻、耗能少等。事实上，传动电动机与控制电动机之间并无严格的界限， 同一台电动机有时既起到控制电动机的作用，也起到传动电动机的作用。2.1 伺服电动机伺服电动机又称为执行电动机，是控制电动机中的一种。它在控制系统中用作执行元件，将输入的受控电压信号转换电动机轴上的角位移或角速度等机械信号输出。按控制电压来分，伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。直流伺服电动机的输出功率一般为1600W，也可达数千瓦，多用于功率较大的控制系统中。交流伺服电动机的输出功率较小，一般在100W以下，常用于功率较小的控制系统中。2.1.1直流伺服电动机及其控制1直流伺服电动机的种类和结构直流伺服电动机的品种很多。按励磁方式，直流伺服电动机可分为电磁式和永磁式两种；按控制方式，可分为磁场控制和电枢控制方式；按电枢形式，可分为一般电枢式、无槽电枢式、绕线盘式和空心杯电枢式等。为了避免电刷和换向器的接触，还有无刷直流伺服电动机。 1）普通型直流伺服电动机根据励磁方式普通型直流伺服电动机分为电磁式和永磁式两种：电磁式直流伺服电动机的定子磁极上装有励磁绕组，励磁绕组接励磁控制电压产生磁通，它实质上就是他励直流电动机；永磁式直流伺服电动机的定子磁极是由永久磁铁或磁钢制成，其磁通不可控。这两种直流伺服电动机的性能接近，惯性比其他类型直流伺服电动机的大。与普通直流电动机相同，直流伺服电动机的转子一般由硅钢片叠压而成。转子外圆有槽，槽内装有电枢绕组，绕组通过电刷和换向器与电枢控制电路相连。为了提高控制精度和响应速度，伺服电动机的电枢铁芯长度与直径之比要比普通直流电动机的大，定子和转子间的空气隙也较小。2）无槽电枢直流伺服电动机与普通伺服电动机不同的是，无槽电枢直流伺服电动机的电枢铁芯上不开齿槽，是光滑圆柱体，电枢绕组直接用环氧树脂粘在电枢铁芯表面，气隙较大，其结构如图2.1所示。图2.1无槽电枢直流伺服电动机结构3）空心杯电枢直流伺服电动机空心杯电枢直流伺服电动机有两个定子，一个是由软磁材料制成的内定子，另一个是由永磁材料制成的外定子，外定子用于产生磁通，而内定子主要起导磁作用。电枢绕组用环氧树脂浇注成空心杯形，在内、外定子间的气隙中旋转。图2.2是空心杯电枢直流伺服电动机的结构图。图2.2空心杯电枢直流伺服电动机结构4）盘型电枢直流伺服电动机盘型电枢直流伺服电动机的电枢由线圈沿转轴的径向圆周排列，并用环氧树脂浇注成圆盘型。定子由永久磁铁和前、后铁轭共同组成，磁铁可以在圆盘电枢的一侧或两侧。盘型绕组中通过的电流是径向的，而磁通是轴向的，二者共同作用而产生电磁转矩，从而使伺服电动机旋转。图2.3是盘型电枢直流伺服电动机的结构图。图2.3盘型电枢直流伺服电动机结构与普通型直流伺服电动机相比，无槽电枢、空心杯电枢和盘型电枢直流伺服电动机的转动惯量和机电时间常数小，因此动态特性较好，适用于需要快速动作的直流伺服系统。5）无刷直流伺服电动机无刷直流伺服电动机由电动机主体、位置传感器、晶体管开关电路三部分组成。电动机主体由具有二极或多极结构的永久磁铁转子和一个多相式电枢绕组定子组成。晶体管开关电路和位置传感器代替了电刷和换向器，位置传感器是由传感器转子和传感器定子绕组串联而成的无机械接触的检测装置，用于检测转子位置，其信号决定了开关电路中各功率元件的导通和截止状态。这种电动机既保持了一般直流伺服电动机的优点，又克服了电刷和换向器带来的缺点，使用寿命长，噪声低，适用于要求噪声低、对无线电不产生干扰的控制系统。2直流伺服电动机的控制特性直流伺服电动机的机械特性公式与他励直流电动机的相同，即 （2.1）式中，Uc电枢控制电压；R电枢回路电阻；每极磁通；Ke、Kt电动机结构常数。由此可见，通过改变电枢控制电压Uc或磁通都可以控制直流伺服电动机的转速，前者称为电枢控制，后者称为磁场控制。电枢控制具有响应迅速、机械特性硬、调速特性线性度好的优点，因此在实际应用中大多采用电枢控制方式，而很少采用磁场控制，磁场控制只是在功率很小的场合采用。对于永磁式直流伺服电动机，则只能采用电枢控制。针对式（2.1）考虑以下两种特殊情况：转矩为零：此时的电动机转速称为直流伺服电动机的理想空载转速，它仅与电枢电压Uc有关，并与之成正比。转速为零：此时的电动机转矩称为电动机的堵转转矩，它也仅与电枢电压Uc有关，并与之成正比。由此可以得到不同电枢电压下的直流伺服电动机的机械特性曲线，如图2.4所示。从图2.4可以看出，不同电枢电压下的直流伺服电动机的机械特性曲线是一组平行线，在一定负载转矩下，如果磁通不变，升高电枢电压Uc，则电动机的转速上升，反之，转速下降；当电枢电压为零时，电动机立即停止，因此不会产生自转现象。图2.4 直流伺服电动机的机械特性目前，直流伺服电动机常用晶闸管直流调速驱动和晶体管脉宽调制（PWM）调速驱动两种方式。晶闸管直流调速驱动通过调节触发装置控制晶闸管的导通角来移动触发脉冲的相位，以改变整流电压的大小，使直流伺服电动机电枢电压发生变化，从而实现平滑调速。由于晶闸管本身的工作原理和交流电源的特点，晶闸管导通后利用交流过零来关闭，因此在整流电压较低时，其输出是很小的尖峰值的平均值，这就导致了电流的不连续性。图2.5是晶闸管直流调速驱动系统，其中CF为晶闸管触发电路，KZ为晶闸管触整流电路，L为整流线圈。图2.5 晶闸管直流调速驱动如图2.6所示，PWM直流调速驱动是在电枢回路中串入功率晶体管或晶闸管，功率晶体管或晶闸管工作在开关状态，这样就在电动机电枢两端得到一系列矩形波，矩形波电压的平均值就是电动机的工作电压，改变矩形波的脉冲宽度或周期，就可以改变平均电压的大小，从而达到控制转速的目的。采用PWM调速驱动系统，其开关频率较高（通常达20003000Hz），伺服机构能够响应的频带范围也较宽。与晶闸管直流驱动相比，其输出电流脉动非常小，接近于纯直流。图中KZ为晶闸管整流电路，L为整流线圈。 图2.6 PWM直流调速驱动3.直流伺服电动机的特点直流伺服电动机主要有以下优点：稳定性好：直流伺服电动机具有较硬的机械特性，因此能够在较宽的速度范围内稳定运行。可控性好：直流伺服电动机具有线性的调节特性，通过控制电枢电压的大小和极性，可以控制直流伺服电动机的转速和转动方向；当电枢电压为零时，由于转子惯量很小，因此直流伺服电动机能立即停止。响应迅速：直流伺服电动机具有较大的起动转矩和较小的转动惯量，在控制信号输入、增加、减小或消失的瞬间，直流伺服电动机能够快速起动、增速、减速或停止。2.1.2交流伺服电动机及其控制1. 交流伺服电动机的种类和特点交流伺服电动机分为同步型（SM）和感应型（IM）两种。同步型伺服电动机实质上是采用永磁结构的同步电动机，又称为无刷直流伺服电动机。它具有直流伺服电动机的全部优点，转矩产生机理与直流伺服电动机相同，但是没有接触换向部件。同步型伺服电动机需要编码器等检测装置来检测磁铁转子的位置。感应型伺服电动机指笼形感应电动机，它可以将定子电流矢量分解为产生磁场的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位。2. 交流伺服电动机的结构交流伺服电动机一般是两相交流电动机，由定子和转子两部分组成。两相定子绕组在空间相差电角度，其结构完全相同，但作用不同：一个绕组作励磁之用，称为励磁绕组（WF），而另一个作控制之用，称为控制绕组（WC）。两相交流伺服电动机的转子一般有笼形和杯形两种结构形式。笼形转子和三相鼠笼式异步电动机的转子结构相似，采用高电阻率材料如黄铜、青铜或镍铝等制成。杯形转子通常用铝合金或铜合金制成空心薄壁圆筒，放置在内定子和外定子之间。从实质上讲，杯形转子只是笼形转子的一种特殊形式。为了降低转动惯量，这两种形式的转子都制成细而长的形状，而且电阻都做得比较大，其目的是使电动机在控制绕组不施加电压时能及时制动，以防止发生“自转”。目前用得最多的是笼形转子的交流伺服电动机。3. 交流伺服电动机的工作原理两相交流伺服电动机以单相电容式异步电动机原理为基础，其工作原理如图2.7所示。图中，为励磁电压，为控制电压，二者均为交流，且频率相同，但相位相差。励磁绕组WF接到交流电网上，控制绕组WC接到控制电压上。在没有控制信号时，电动机气隙中只有励磁绕组产生的脉动磁场，因此转子静止不动。当有控制信号输入时，两相绕组中分别流过在相位上相差的励磁电流和控制电流，从而在电动机的气隙中产生旋转磁场。该磁场与转子中的感应电流相互作用而产生电磁转矩，带动转子以一定的转速转动起来。由于电动机的转动方向与旋转磁场的方向相同，因此当控制电压反相时，伺服电动机便反向旋转。 图2.7 两相交流伺服电动机根据单相异步电动机的原理，在电动机开始转动以后，如果取消控制电压而仅由励磁电压单相供电，电动机仍将按原来的运行方向继续转动，即存在“自转”现象，这就意味着对电动机失去控制作用，必须采取措施加以克服。为了消除自转现象，需要将电动机的转子电阻设计得很大，以便在电动机单相运行时，最大电磁转矩出现在临界转差率Sm1的地方，如图2.8所示。图中曲线1为时交流伺服电动机的机械特性曲线，曲线2和3分别为去掉控制电压后，由脉动磁场分解的正、反两个旋转磁场所产生的转矩曲线，曲线4为单相运行时的合成转矩曲线。很显然，单相运行时的机械特性曲线与异步电动机的机械特性曲线不同，它位于第二和第四象限内，这就意味着在去掉控制电压而仅由励磁电压单相供电时，电磁转矩的方向始终与转子转向相反，所以是一个制动转矩。由于存在制动转矩，转子能够迅速停转，从而避免了自转现象的产生。与同时取消两相电压、仅凭摩擦实现制动相比，此时停转所需要的时间要少得多。因此，在两相交流伺服电动机工作时，励磁绕组应始终接在电源上。图2.8 交流伺服电动机的机械特性4. 交流伺服电动机的控制两相交流伺服电动机的转速和转向不但与励磁电压和控制电压的幅值有关，而且还与励磁电压和控制电压间相位差的大小有关，因此在励磁电压、控制电压以及它们之间的相位差三个量中，任意改变其中的一个或两个都可以实现电动机的控制。两相交流伺服电动机的控制方法有三种，分别是幅值控制、相位控制和幅相控制。1）幅值控制幅值控制是指保持励磁电压和控制电压相位差为，通过改变控制电压幅值来控制电动机的转速。图2.9是幅值控制时伺服电动机的一种接线图，适当选择电容C ，使和相位差为。使用时励磁电压保持为额定值；改变电阻R的大小，即改变控制电压的幅值，使之在零与额定值之间变化。图2.10所示是不同控制电压下交流伺服电动机的机械特性曲线。从图中可以看到，不同的控制电压对应着不同的转速，在一定负载转矩下，控制电压越高，电动机的转速也就越高。图2.9 幅值控制接线图 图2.10 不同控制电压下的机械特性2）相位控制与幅值控制不同，相位控制时控制电压和励磁电压均为额定值，通过改变控制电压和励磁电压之间的相位差实现伺服电动机的控制。设控制电压和励磁电压的相位差为，的范围为090。当=0时，伺服电动机的转速为0；当=90时，伺服电动机的转速最大；当在090之间变化时，伺服电动机的转速由低向高变化。相位控制接线图如图2.11所示。图2.11相位控制接线图3）幅相控制幅相控制对控制电压的幅值、控制电压和励磁电压之间的相位差都进行控制。由图2.12可以看出，这种控制方法是将励磁绕组串联电容C后接到交流电源上。当控制电压的幅值改变时，励磁绕组中的电流随之发生变化，励磁电流的变化引起电容C端电压的变化，从而使控制电压和励磁电压之间的相位角发生改变。可见，幅相控制只需一个串联电容，而不需要复杂的移相装置，设备组成简单。图2.12 幅相控制接线图2.2 步进电动机 步进电动机是将电脉冲控制信号转换成机械角位移或直线位移的一种控制电动机。在驱动电源的作用下，步进电动机每接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的角度（步距角）。电动机转子角位移的大小和转速的高低分别与输入的控制电脉冲数量及其频率成正比，而电动机的转向与绕组通电相序有关，因此，通过控制输入电脉冲的数目、频率及电动机绕组通电相序，就可获得所需要的转角、转速及转向，所以利用微型计算机很容易实现步进电动机的开环数字控制。2.2.1步进电动机的分类和工作原理步进电动机通常可分为三种类型，即反应式（VR）、永磁式（PM）和混合式（HB）步进电动机。此外，目前又出现了新的步进电动机类型，如直线步进电动机和平面步进电动机。1. 反应式步进电动机反应式步进电动机的定子和转子均由软磁材料制成，是一种利用磁阻的变化产生反应转矩的步进电动机，因此又称为可变磁阻式步进电动机。反应式步进电动机的原理图如图2.13所示。从图中可以看出，电动机的定子上有六个磁极，每个磁极上都装有控制绕组，每两个相对的磁极构成一相。转子上均匀分布有四个齿，转子齿上没有绕组。当A相控制绕组通电、B相和C相不通电时，定子A相磁极产生磁通，而这个磁通要经过磁阻最小的路径形成闭合磁路。转子与定子间的相对位置不同，磁路的磁阻也不同：当齿-齿相对时，磁路的磁阻最小；当齿-槽相对时，磁路的磁阻最大。因此，转子齿1、3将与定子的A相磁极对齐，如图2.13a所示。若A相断电、改为B相通电时，B相磁极产生的磁通同样也要经过磁阻最小的路径形成闭合磁路，于是转子逆时针转过，使转子齿2、4和定子的B相磁极对齐，如图2.13b所示。如再使B相断电、改为C相通电时，转子又将逆时针转过，使转子齿1、3和定子的C相磁极对齐，如图2.13c所示。如果按照ABCA的顺序循环往复地通电，步进电动机将按一定的速度沿逆时针方向一步步地转动。当按照ACBA的顺序通电时，则步进电动机的转动方向将变为顺时针方向。图2.13 三相单三拍反应式步进电动机工作原理在步进电动机的控制过程中，定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上述的通电控制方式在每次切换前后只有一相绕组通电，并且经过三次切换使控制绕组的通电状态完成一次循环，故称为三相单三拍。此外，三相步进电动机还有三相双三拍、三相六拍通电方式。在三相双三拍通电方式中，控制绕组的通电顺序为A BB CC AA B（转子逆时针旋转）或A CC BB AA C（转子顺时针旋转）。对于三相六拍通电方式，控制绕组的通电顺序为AABBB CCC AA（转子逆时针旋转）或AA CCC BBBAA（转子顺时针旋转），如图2.14所示，转子的具体运转情况请读者自行分析。 图2.14 三相六拍反应式步进电动机工作原理通过步进电动机工作原理的分析可以看出，对于同一台三相步进电动机，其通电方式不同，则步距角也不相同：单三拍和双三拍的步距角为，而六拍的步距角为。因此，在采用三相六拍通电方式时，步进电动机的步距角是三相单三拍和三相双三拍时的一半。步进电动机的步距角与转子齿数、控制绕组的相数和通电方式有关，可由下式计算： （2.2）式中，m步进电动机的相数，对于三相步进电动机，m=3； K通电状态系数，单三拍或双三拍时，K=1；六拍时，K=2； Z步进电动机转子的齿数。步进电动机的转速可通过下式计算： （2.3）式中，n步进电动机的转速（r/min）； f步进电动机的通电脉冲频率，即每秒的拍数（或步数）（脉冲/s）。由式（2.2）和（2.3）可以看出，步进电动机的相数和转子齿数越多，则步距角越小；在一定的脉冲频率下，电动机的转速也就越低。2.永磁式步进电动机永磁式步进电动机的转子一般使用永磁材料制成，故得此名。如图2.15所示是永磁式步进电动机的典型原理结构图，转子为一对或几对磁极的星形磁钢，定子上绕有两相或多相绕组，电源按正负脉冲供电。当定子A相绕组正向通电时，在A相的A(1)、A（3）端产生S极， A(2)、A（4）端产生N极。基于磁极同性相斥、异性相吸原理，转子位于图2.15a所示的位置上。当A相断电、改为B相绕组正向通电时， B相的B(1)、B（3）端产生S极， B(2)、B（4）端产生N极，转子将顺时针旋转至图2.15b所示的位置。当B相断电、改为A相负向通电时，A相的A(1)、A（3）端产生N极， A(2)、A（4）端产生S极，转子继续顺时针旋转至图2.15c所示的位置。当A相断电、改为B相负向通电时，B相的B(1)、B（3）端产生N极， B(2)、B（4）端产生S极，转子继续顺时针旋转至图2.15d所示的位置。图2.15 永磁式步进电动机原理结构图按上述AB单四拍方式循环通电，转子便连续旋转。也可按A BBA双四拍方式通电，步距角均为。当按照AA BBBA八拍方式通电时，步距角为。对于永磁式步进电动机，若要减小步距角，可以增加转子的磁极数和定子的齿数，然而转子制成NS相间的多对磁极十分困难，加之必须相应增加定子极数和定子绕组线圈数，这些都将受到定子空间的限制，因此永磁式步进电动机的步距角一般都较大。3混合式步进电动机混合式步进电动机在永磁和变磁阻原理的共同作用下运转，也可称为永磁感应式步进电动机。它兼具了反应式步进电动机步距角小、起动频率和运行频率高的优点以及永磁式步进电动机励磁功率小、无励磁时具有转矩定位的优点，成为目前市场上的主流品种。和永磁式步进电动机相同的是，这类电动机要求电源提供正负脉冲。图2.16是混合式步进电动机的剖面图，其中图2.16a是电动机轴向剖面图，图2.16b是电动机x、y方向的剖面图。由图中可以看出，电动机转子上装有一个轴向磁化永磁体，用来产生一个单向磁场。转子分为两段，一段经永磁体磁化为S极，另一段则磁化为N极，每段转子齿以一个齿距间隔均匀分布，但是两段转子的齿之间相互错开1/2个转子齿距。定子上有8个磁极，每相绕组分别绕在4个磁极上，图中A相绕组绕在1、3、5、7磁极上，B相绕组绕在2、4、6、8磁极上，每相相邻磁极上的绕组以相反方向缠绕，以便使相邻磁极产生方向相反的磁场。图2.16 混合式步进电动机剖面图2.2.2步进电动机的特点步进电动机具有以下几个基本特点：1.易于实现数字控制步进电动机严格受数字脉冲信号的控制，因此易于与微机接口，实现数字控制。1）步进电动机的输出角位移与输入脉冲数成正比，即式中，电动机转子转过的角度（）； N控制脉冲数； 步距角（）。2）步进电动机的转速与输入脉冲频率成正比，即 3）步进电动机的转动方向可以通过改变绕组通电相序来改变。2具有自锁能力步进电动机具有自锁能力，当停止输入脉冲时，只要某些相的控制绕组仍保持通电状态，电动机就可以保持在该固定位置上，从而使步进电动机实现停车时转子定位。3抗干扰能力强步进电动机的工作状态不易受到各种干扰因素（如电源电压波动，电流的幅值与波形的变化，环境温度变化等）影响，只要这些干扰未引起“失步”，步进电动机就可以继续正常工作。4步距角误差不会长期累积从理论上讲，每一个脉冲信号应使步进电动机的转子转过相同的角度，即步距角。但是实际上，由于定子、转子的齿距分度不均匀，或定子、转子之间的气隙不均匀等原因，实际步距角和理论步距角之间存在偏差，即步距角误差。当转子转过一定步数以后，步距角会产生累积误差，但是由于步进电动机每转一周都有固定的步数，因此当转子转过360后又恢复原来位置，累积误差将变为零，所以步进电动机的步距角只有周期性误差，而无累积误差。5. 多用于构成开环控制系统步进电动机可以用于开环和闭环两种控制系统。当步进电动机用于开环控制时，由于无需位置和速度检测反馈装置，因此结构简单，使用维护方便，并且可以可靠地获得较高的位置精度，因此被广泛地用于构成开环位置伺服系统。2.2.3步进电动机的运行特性和性能指标1.步距角步距角是指在一个电脉冲的作用下，步进电动机转子所转过的角度，可由式（2.2）计算。步距角是步进电动机的主要性能指标之一，步距角越小，步进电动机的位置精度越高。步进电动机一旦选定后，其步距角就固定不变，可以通过改变通电方式来获得两种步距角。反应式步进电动机的步距角一般为0.6/1.2，0.75/1.5，0.9/1.8，1/2，1.5/3，而采用微机控制、由变频器三相正弦电流供电的混合式步进电动机的步距角可达到0.036，这就意味着电动机每旋转一转需要10000步。2.矩角特性和最大静转矩在空载状态下，步进电动机的某相绕组通以直流电流，转子齿的中心线与定子齿的中心线相重合，转子上没有转矩输出，此时的位置称为转子初始稳定平衡位置。如果在电动机转子轴上施加负载转矩TL，转子齿将偏离初始平衡位置一定角度e后才重新稳定下来。此时，电动机的电磁转矩Tj与负载转矩TL相等。转矩Tj称为静态转矩，e称为失调角，Tj与e之间的关系称为矩角特性。由如图2.17所示的矩角特性曲线可以看出，当e=时，静态转矩最大，称为最大静转矩Tjmax。图2.16 步进电动机的矩角特性最大静转矩是步进电动机最主要的性能指标之一，它反映了步进电动机带负载的能力，Tjmax越大，电动机带负载能力越大，运动的快速性和稳定性越好。步进电动机的负载转矩必须小于Tjmax，否则将无法带动负载。为了使电动机能够稳定运行，TL一般只能是Tjmax的30%50%。3.起动转矩Tq在单相励磁时，步进电动机从静止状态突然起动并且不失步运行所能带动的最大负载转矩为起动转矩。起动转矩必须大于负载转矩，否则步进电动机将无法起动。Tq可通过最大静转矩Tjmax折算求得，Tq和Tjmax之间的数值关系与步进电动机的相数和通电方式有关，如对于三相反应式步进电动机，单三拍和双三拍时，Tq/Tjmax均为0.5，六拍时为0.87。4.惯频特性和起动频率在空载的情况下，步进电动机由静止状态突然不失步起动的最高脉冲频率称为空载起动频率或空载突跳频率。它是反映步进电动机动态响应性能的重要指标，起动频率越高，表明电动机的响应速度越快。起动频率与传动系统的转动惯量有关，包括步进电动机转子的转动惯量以及其他运动部件折算到电动机轴上的转动惯量。负载转动惯量越小，在相同的电磁转矩的作用下，角加速度越大，起动频率越高。起动频率与负载转动惯量之间的关系为步进电动机的惯频特性，如图2.18所示。此外，起动频率还和步进电动机的最大静转矩有关，Tjmax越大，起动频率越高。事实上，步进电动机大多是在带负载的情况下起动的。在带负载起动时，随着负载惯量的增加，起动频率显著下降，这时的起动频率称为负载起动频率。很显然，负载起动频率将低于空载起动频率，一般为空载起动频率的5080%。图2.18 步进电动机的惯频特性5.最高连续运行频率在步进电动机起动后，当脉冲频率逐渐连续上升时能不失步运行的最高脉冲频率称为最高连续运行频率。它会受到转动惯量以及步进电动机绕组电感和驱动电源电压的影响，转动惯量主要影响运行频率连续升降的速度，而步进电动机的绕组电感和驱动电源的电压则影响运行频率的上限。由于步进电动机在运行中不但要克服负载转矩，而且还要克服轴上的惯性转矩，因此在实际应用中，最高连续运行频率要比起动频率高许多。6.矩频特性和动态转矩步进电动机在连续运行状态下所产生的输出转矩为动态转矩，它随控制脉冲频率的不同而改变。矩频特性反映了步进电动机在负载转动惯量一定且稳定运行时，动态转矩与控制脉冲频率之间的关系。由图2.19可以看出，步进电动机的动态转矩随控制频率的升高而逐渐下降，这是因为步进电动机的绕组为感性负载，在绕组通电时，电流缓慢上升；绕组断电时，电流缓慢下降。随着脉冲频率的升高，电流波形的前后沿占通电时间的比例增大，因此频率越高，平均电流越小，输出转矩也就越小。当脉冲频率高到一定程度时，步进电动机的输出转矩小到不足以克服自身的摩擦转矩和负载转矩，其转子就会在原位振荡而不能作旋转运动，这就是所谓的失步或堵转。从图2.19还可以看出，在低频区，矩频特性曲线比较平坦，步进电动机基本保持额定转矩；而在高频区，矩频特性曲线急剧下降，说明步进电动机的高频特性较差。因此步进电动机在从静止状态到高速旋转需要有一个加速过程，从高速旋转状态到静止同样也要有一个减速过程。如果在运行过程中没有加、减速过程或加、减速不当，步进电动机都将出现失步现象。图2.19 步进电动机的矩频特性2.2.4步进电动机的驱动与控制步进电动机的运行特性不但与电动机本身的特性有关，而且还与配套使用的驱动电源（或驱动器）有密切关系，步进电动机的性能是由电动机和驱动电源相互配合反映出来的，因此，驱动电源在步进电动机控制系统中占有相当重要的地位。步进电动机的驱动电源一般由脉冲信号发生器、环形脉冲分配器和功率放大器组成。脉冲信号发生器（微型计算机，数控装置或专门的硬件电路）准确地输出一定数量和频率的脉冲，通过环形脉冲分配器按一定的顺序分配给步进电动机各相绕组，再利用功率放大器对环形分配器的输出信号进行功率放大，得到驱动步进电动机控制绕组所需要的脉冲电流和脉冲波形，从而使步进电动机的转角、转速及转动方向得到控制。1. 环形脉冲分配器步进电动机实现环形脉冲分配的方法有硬件和软件两种方法。1）硬件环形分配器硬件环形分配器可分为集成电路型、专用芯片型和可编程逻辑器件型。图2.20是采用小规模集成电路搭接而成的三相六拍环形分配器，它有三个双稳态触发器C1C3，其余为与非门。脉冲信号加到脉冲分配器的脉冲输入端CP，步进电动机的旋转方向由正、反转控制信号决定。该电路的初始状态是C相导通。当正向控制端加高电平、反向控制端加低电平时，在CP端输入第一个脉冲，触发器C1翻转。此时，步进电动机的A、C相同时通电、B相断电。在第二个脉冲到来时，C3翻转，于是A相通电、B相和C相同时断电。如果不断地输入脉冲，步进电动机绕组将按CCAAABBBCC的顺序通电，且正向旋转。反之，当反向控制端加高电平、正向控制端加低电平时，步进电动机绕组则按CCBBBAAACC的顺序通电，且反向旋转。图2.20 三相六拍环形分配器这种环形分配器需要根据步进电动机的相数和通电方式进行设计，灵活性大，可搭接任意相数、任意通电方式的环形分配器，但是电动机相数过多时会导致电路十分复杂。目前广泛使用的是专用集成电路芯片和通用可编程逻辑器件组成的环形分配器。利用专用芯片实现环形分配，接口简单，使用方便，可靠性好。而在利用PAL、GAL等通用可编程逻辑器件构成环形分配器时，结构更加简单，性能更好。专用环形分配芯片的种类有很多，如CH250（双三拍或六拍三相步进电动机）、PMM8713（三相或四相步进电动机）、PMM8714（五相步进电动机）等。图2.21和图2.22分别为CH250三相六拍接线图和PMM8713双四拍接线图，表2.1和表2.2分别为CH250和PMM8713的主要端子功能说明。 图2.21 CH250三相六拍接线图图2.22 PMM8713双四拍接线图表2.1 CH250主要端子功能端子功能说明UD、US电源端A、B、C三相励磁信号输出端R、R*确定初始励磁相R=0、R*=1时，A、B、C的初始励磁相为1 1 0；R=1、R*=0时，A、B、C的初始励磁相为1 0 0；R=0、R*=0时，环形分配器工作。CL、EN进给脉冲输入端若EN=1，则进给脉冲接CL端，脉冲上升沿使环形分配器工作；若CL=0，则进给脉冲接EN端，脉冲下降沿使环形分配器工作。否则，环形分配器状态锁定。J3R、J3L三相双三拍正、反转控制端J6R、J6L三相六拍正、反转控制端表2.2 PMM8713主要端子功能端子功能说明VDD、VSS电源CK时钟脉冲双四拍工作方式时，电动机的转速由CK的脉冲输入频率决定U/D正、反转切换若U/D=1，电动机正转；若U/D=0，电动机反转。电动机正、反转也可采用脉冲控制方法，即通过CU、CD端子控制。CU、CD电动机正、反转脉冲输入CU端输入的脉冲使电动机正转，CD端输入的脉冲使电动机反转。此时，CK和U/D端同时接地。C切换电动机相数分配器用于三相电动机时，C=0；用于四相电动机时，C=114脉冲输出EAEB励磁方式选择12相励磁时，EA=EB=1；2相励磁时，EA=EB=0；1相励磁时，EA和EB一端为1，另一端为0。复位端=0时，14均为1，此时步进电动机锁住不动。2）软件环形分配器不同种类、不同相数、不同通电方式的步进电动机都必须配备不同的环形分配器。而硬件环形分配器只能适用于某种相数或某种通电方式的步进电动机，在使用时有很大的局限性。为了充分利用计算机软件资源，降低硬件成本，可采用软件环形分配器，即编制不同的环形分配程序，将其存入程序存储器，通过调用不同的程序段就可控制不同相数的步进电动机按不同的通电方式工作。以三相步进电动机为例，三相六拍通电方式所对应的环形脉冲分配状态如表2.3所示。将表中的状态代码01H06H放在顺序存储单元中，通过软件依次访问这些存储单元，这样就可以将表中的状态代码顺序提取出来，并通过输出接口输出，以控制步进电动机运动。通过正向或反向顺序读取代码，可控制步进电动机正转或反转；通过控制读取时间间隔，即可控制步进电动机的转速。表2.3 三相六拍环形脉冲分配表转向CBA代码通电相转向正转00101HA反转01103 HAB01002 HB11006 HBC10004 HC10105 HCA00101HA2. 功率放大电路一般来说，步进电动机定子绕组的电流为几安培十几安培，而从环形分配器来的脉冲电流信号只有几毫安，不足以驱动步进电动机运动，因此需要采用功率放大电路将环形分配器送来的脉冲电流进行放大，并获得较为理想的矩形脉冲波形。但是，由于步进电动机绕组有很大的电感，因此要想做到这一点并不容易。可见，功率放大电路对步进电动机的运行性能有很大影响。最早应用的功率放大电路是单电压功率放大电路，其功率消耗大、输出脉冲波形较差，现在已较少使用。后来又出现了双电压（高低压）功率放大电路、斩波恒流功率放大电路、调频调压功率放大电路等，其电路分别如图2.23图2.26所示。在实际应用中，步进电动机的每相绕组都要接一个功率放大电路。在电动机工作过程中，单电压功率放大电路只有一个方向的电压对绕组供电，而高低压功率放大电路可以提供两种电压，一种是高电压，一般为80V左右；另一种是低电压，一般不超过20V。这种电路常用于大功率步进电动机的驱动，起动转矩和运行频率高，但是低频时振荡严重，运行平稳性较差，输出转矩下降。斩波恒流功率放大电路虽然复杂，但是绕组中的脉冲电流波形好，而且可以使步进电动机在较大的频率范围内都输出恒定的转矩。调频调压功率放大电路可以使驱动电源为绕组提供的电压与步进电动机运行频率建立直接的联系，即低频时用低压，高频时用高压，从而避免低频运行时可能出现的振荡。图2.23 单电压功率放大电路图2.24 高低压功率放大电路图2.25 斩波恒流功率放大电路图2.26 调频调压功率放大电路3. 步进电动机细分驱动前面提到的步进电动机驱动是利用环形分配器进行脉冲环形分配，控制步进电动机各相绕组的导通或截止，从而使电动机产生步进式运动。步进电动机的运动精度和步距角有关，但是步距角的大小受到电动机结构的限制，而小步距角电动机加工比较困难。目前，为了使步进电动机有更小的步距角，满足生产机械控制精度的要求，通常采用细分步距角的方法，其具体做法是：在每次输入脉冲切换时，不是将绕组电流全部通入或切除，而是只改变绕组中额定电流的一部分，从而使步进电动机转子在每步运动时只转过步距角的一部分。这种将一个步距角细分为若干小步、每一小步只有步距角的一部分的驱动方法称为细分驱动。细分驱动的特点是：在不改变电动机结构参数的情况下，使步距角减小，实现精确定位。由于步进电动机在细分状态下步距角变小，转子达到新的稳定位置时所具有的动能也变小，从而使振动显著减小。由于采用细分驱动后，电动机绕组中的电流不是由零跳升到额定值，而是经过若干小步的变化后才达到额定值，同样也不是由额定值陡降至零，而是经过若干小步才达到零，所以绕组中各相电流的变化比较均匀，能够使电动机运行平稳，并在任何位置停步。因此，细分驱动技术有效地克服了步进电动机的低频振荡、噪声及分辨率低等缺点，使步进电动机在低频段能够实现平滑的步进运动，拓宽了步进电动机的应用范围，提高了它与直流伺服电动机和交流伺服电动机相抗衡的能力。若要实现细分，需要将绕组中的矩形电流波改为阶梯形电流波，即绕组中的电流以若干个等幅等宽的阶梯上升到额定值，并以同样的阶梯从额定值下降为零。目前实现阶梯波供电的方法有：1）利用多片专用集成电路芯片构成细分电路采用三片三相六拍环形分配芯片可实现三相十八拍细分驱动。假如三相步进电动机的步距角为3/1.5，即单三拍或双三拍通电方式时的步距角为3，而六拍时的步距角为1.5，那么十八拍时的步距角则减小为0.5。2）用微机实现细分驱动若要利用微型计算机实现细分，必须增加接口电路的I/O口，以步进电动机的三相六拍15细分控制为例，由四个I/O口并联控制一相绕组。由于要在每相绕组中产生15个等间距的上升或下降阶梯电流波形，在这四个I/O口需要分别串联1:2:4:8的权电阻，并联后接于某一相，这样按照特定的逻辑顺序来接通不同的权电阻，便可产生所需要的波形。三相六拍15细分时有与之对应的90个特殊组合的逻辑状态，在硬件线路确定后，相应的90个四位数据及其顺序也就确定下来。将计算好的这些数据按一定的顺序存在存储器中，即建立了一个脉冲分配表，利用查表指令将各个数据依次顺序取出。改变地址指针的增减方向，即可改变读取数据的方向，从而达到控制电动机正反转的目的。4.步进电动机驱动器目前，随着步进电动机在实际生产中的广泛应用，步进电动机的驱动装置已逐渐发展为系列化和模块化，这样就可以大大简化步进电动机控制系统的设计过程，提高系统的工作效率及系统运行的可靠性。不同厂家生产的步进电动机驱动器虽然标准并不统一，但工作原理基本相同。只要掌握了接线端子、标准接口及拨动开关的定义和使用，就可以利用驱动器构成步进电动机控制系统。下面对德国百格拉三相混合式步进电动机驱动器WD3-008进行详细介绍。德国百格拉公司于1993年推出的三相混合式步进电动机系统应用了交流伺服控制原理，彻底解决了传统步进电动机的低速爬行、存在共振区、噪声大、高速扭矩小、起动频率低、驱动器可靠性差等缺点，成为具有交流伺服电动机运行特性的步进电动机系统。百格拉WD3-008型步进电动机驱动器主要驱动12Nm16.5Nm的三相混合式步进电动机，输入电压为220VAC，输出电压为325VAC。1）驱动器控制面板WD3-008步进电动机驱动器控制面板如图2.27所示。图中，01为控制信号接口，用于输入信号的连接；02为功能选择开关，其中，STEP1、STEP2用于设置电动机的每转步数，I-RED用于设置半流功能，GAT/ENA用于设置门/使能功能，PH.CURR用于设置输出电流；0307为状态指示灯，用于指示驱动器正常工作、电动机相间短路、驱动器超温、驱动器超压、驱动器欠压等状态；U、V、W为功率接口，用于驱动器和电动机之间的连线。图2.27 WD3-008型步进电动机驱动器控制面板2）驱动器控制信号定义PULSE：脉冲信号输入端，每一个脉冲的上升沿使电动机转动一步。应当说明的是，对于输入控制信号而言，最小脉冲宽度和最小脉冲间隔为2.5s，最高接收脉冲频率为200kHz。DIR：方向信号输入端，低电平时电动机按顺时针方向旋转；高电平时电动机按逆时针方向旋转。GAT/ENA：使能控制信号输入端。READY：报警信号，在使用时需串联到上位机的某个输入端。当驱动器正常工作时，该信号为高电平；当驱动器工作异常时，该信号为低电平。3）驱动器控制方式及控制信号连接WD3-008型驱动器采用“脉冲和方向”控制方式，控制信号可以是高电平有效，也可以是低电平有效。当输入信号高电平有效时，把PULSE-和DIR-短接后连到上位机的信号地（0V），而把PULSE+和DIR+分别与上位机的脉冲信号和方向信号连接；当信号低电平有效时，把PULSE+和DIR+短接后连到上位机的公共信号端（5V），而把PULSE-和DIR-分别与上位机的脉冲信号和方向信号连接。4）功能设置（1）10细分功能WD3-008有一个细分开关，它是一个隐藏开关，置于驱动器的顶部。利用细分开关可以设定10细分功能，使电动机每转的步数提高十倍。开关设置为ON时为细分状态。（2）电动机每转步数设定通过拨动开关STEP1和STEP2以及细分开关，可以设定电动机每转的步数，如表2.4所示。表2.4 电动机每转步数设定开关状态STEP1ONONOFFOFFONONOFFOFFSTEP2OFFONONOFFOFFONONOFF细分开关OFFOFFOFFOFFONONONON电动机步数（步/转）200400500100020004000500010000（3）半流功能半流功能是指驱动器在100ms内无输入脉冲时，自动减少输出相电流为额定值的60%。该功能可以节省能源，减少电动机发热，延长驱动器的工作寿命。利用拨动开关I-RED来设定半流功能，当开关设置为OFF时为半流功能。（4）电动机复位功能利用门/使能开关（GAT/ENA）和使能位，可以对电动机进行复位。当拨动开关设置为门功能、且使能位有输入时，驱动器为工作状态；在开关设为门功能、但使能位无输入时，驱动器将封闭任何输入脉冲，电动机复位且无保持转矩。该功能用于电动机复位和在多个电动机中选择部分电动机工作。（5）电动机输出相电流设定在WD3-008驱动12Nm和16.5Nm步进电动机时，驱动器的输出电流分别是4.1A和4.7A，输出相电流开关PH.CURR分别设置在位置7和9。应当注意的是，设定的输出相电流值必须小于或等于电动机铭牌上给出的额定相电流。表2.5给出了PH.CURR设置在各个位置时的输出相电流。表2.5 电动机输出相电流设定PH.CURR开关位置0123456789ABCDEF电动机输出相电流（A）1.72.02.42.73.13.43.74.14.44.85.15.45.86.16.56.8习题与思考题2.1 直流伺服电动机和交流伺服电动机各有何特点？2.2 直流伺服电动机和交流伺服电动机常用的控制方法有哪几种？试分别简述其调速原理。2.3 什么是电动机自转？对于直流伺服电动机和交流伺服电动机，哪一种电动机会产生自转现象？为克服自转，应采取何种措施？2.4 步进电动机一般分为哪三种类型？各自的特点是什么？2.5 简述反应式步进电动机的工作原理。2.6 步进电动机如何实现角位移、速度及转向控制？2.7 三相步进电动机有哪几种通电方式？某一步进电动机的步距角为0.75/1.5，说明其含义。2.8 步进电动机有哪些主要运行特性和性能指标？了解这些特性和性能指标，对于选择和使用步进电动机有何指导意义？2.9 步进电动机环形脉冲分配器的作用是什么？实现脉冲分配的方法有哪些？各有何优缺点？2.10 列出三相单三拍和三相双三拍环形分配器的正、反向环形脉冲分配表。2.11 画出CH250环形分配芯片三相双三拍接线图。2.12 画出PMM8713环形分配芯片三相六拍接线图。2.13 步进电动机功率放大电路的作用是什么？常用的功率放大电路有哪几种？各自的优缺点是什么？2.14 步进电动机细分驱动的基本原理及其特点是什么？可以用哪些方法实现细分驱动？