步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)

1、第十三章第十三章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)11.1 11.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)與工作原理 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移的機(jī)電執(zhí)行元步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移的機(jī)電執(zhí)行元件。件。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類(lèi)：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類(lèi)：工作原理工作原理反應(yīng)式反應(yīng)式永磁式永磁式混合式混合式輸出轉(zhuǎn)輸出轉(zhuǎn)矩大小矩大小快速步進(jìn)電機(jī)快速步進(jìn)電機(jī)功率步進(jìn)電機(jī)功率步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁相數(shù)勵(lì)磁相數(shù)二、三、四、五、六、八相等二、三、四、五、六、八相等角位移角位移輸入脈沖個(gè)數(shù)輸入脈沖個(gè)數(shù)運(yùn)行速度運(yùn)行速度輸入脈沖頻率輸入脈沖頻率一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的組成一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的組成 如圖

2、所示為一臺(tái)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示為一臺(tái)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖 定子定子：由定子鐵心、繞組、絕緣：由定子鐵心、繞組、絕緣材料等組成材料等組成 勵(lì)磁繞組由外部脈沖信號(hào)對(duì)各勵(lì)磁繞組由外部脈沖信號(hào)對(duì)各相繞組輪流勵(lì)磁。如圖所示。相繞組輪流勵(lì)磁。如圖所示。AAK1K2K3BCBC 轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子：由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)軸等組成。轉(zhuǎn)子鐵心是由硅鋼片或軟磁材由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)軸等組成。轉(zhuǎn)子鐵心是由硅鋼片或軟磁材料疊壓而成的齒形鐵心料疊壓而成的齒形鐵心。二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 給給A A相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子位相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子位置如圖（置如圖（a a），轉(zhuǎn)子齒偏離定），轉(zhuǎn)子齒

3、偏離定子齒一個(gè)角度。由于勵(lì)磁磁子齒一個(gè)角度。由于勵(lì)磁磁通力圖沿磁阻最小路徑通過(guò)，通力圖沿磁阻最小路徑通過(guò)，因此對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁吸力，因此對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁吸力，迫使轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)迫使轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到與定子齒對(duì)齊位置時(shí)到與定子齒對(duì)齊位置時(shí)( (圖圖b)b)，因轉(zhuǎn)子只受徑向力而無(wú)切線因轉(zhuǎn)子只受徑向力而無(wú)切線力，故轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子被鎖力，故轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子被鎖定在這個(gè)位置上。由此可見(jiàn)：定在這個(gè)位置上。由此可見(jiàn)：錯(cuò)齒是助使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的錯(cuò)齒是助使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的根本原因。根本原因。工作原理工作原理 T11-2.SWFT11-2.SWF 結(jié)論：結(jié)論： 通電順序?yàn)橥婍樞驗(yàn)锳 AB B時(shí)，轉(zhuǎn)子按順時(shí)針?lè)较?/p>

4、一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子按順時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊睫D(zhuǎn)動(dòng)通電順序改為通電順序改為A A，時(shí)，轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊睫D(zhuǎn)，時(shí)，轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊睫D(zhuǎn)動(dòng)。動(dòng)。T11-3.SWFT11-3.SWF三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電方式三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電方式 1. 1. 單相通電方式：指對(duì)每相繞組單獨(dú)輪流通電，對(duì)于三相步單相通電方式：指對(duì)每相繞組單獨(dú)輪流通電，對(duì)于三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：進(jìn)電動(dòng)機(jī)： 正轉(zhuǎn)：正轉(zhuǎn)：AB時(shí)，轉(zhuǎn)子按順時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊睫D(zhuǎn)動(dòng)。時(shí)，轉(zhuǎn)子按順時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊睫D(zhuǎn)動(dòng)。 反轉(zhuǎn)：反轉(zhuǎn)：A時(shí)，轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊睫D(zhuǎn)動(dòng)。時(shí)，轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊睫D(zhuǎn)動(dòng)。 2. 2. 單、雙拍工作方式：?jiǎn)?、雙拍工作方式： 正轉(zhuǎn)：正轉(zhuǎn)：A

5、-AB-B-BC-C-CA-AA-AB-B-BC-C-CA-A 反轉(zhuǎn)：反轉(zhuǎn)：A-CA-C-BC-B-AB-AA-CA-C-BC-B-AB-A 3. 3. 雙拍工作方式：雙拍工作方式： 正轉(zhuǎn)：正轉(zhuǎn)：AB-BC-CA-ABAB-BC-CA-AB 反轉(zhuǎn)：反轉(zhuǎn)：AC-CA-BC-ACAC-CA-BC-AC 四、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角四、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角 由一個(gè)通電狀態(tài)改變到下一個(gè)通電狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過(guò)由一個(gè)通電狀態(tài)改變到下一個(gè)通電狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱(chēng)為步距角。的角度稱(chēng)為步距角。T11-2.SWFT11-2.SWF 360360 / /ZKmZKm 其中：其中：Z Z轉(zhuǎn)子齒數(shù)轉(zhuǎn)子齒數(shù) m

6、 m定子繞組相數(shù)定子繞組相數(shù) K K通電系數(shù)通電系數(shù) K K=1,2=1,2 若二相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的若二相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的Z=100，單拍運(yùn)行時(shí)，其步距角，單拍運(yùn)行時(shí)，其步距角8 . 110023609 . 010022360若按單、雙通電方式運(yùn)行時(shí)，步距角若按單、雙通電方式運(yùn)行時(shí)，步距角 由此可見(jiàn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)由此可見(jiàn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z和定子相數(shù)和定子相數(shù)(或運(yùn)行拍數(shù)或運(yùn)行拍數(shù))愈愈多，則步距角愈小，控制越精確。多，則步距角愈小，控制越精確。 當(dāng)定子控制繞組按著一定順序不斷地輪流通電時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)當(dāng)定子控制繞組按著一定順序不斷地輪流通電時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就持續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。如果電脈沖的頻率為

7、就持續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。如果電脈沖的頻率為f(HZ)，步距角用弧度表，步距角用弧度表示，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為：示，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為：fKmZfKmZfn606022602五、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)五、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)1. 步距角步距角 2. 最大工作頻率：在轉(zhuǎn)子不失步的情況下，電動(dòng)機(jī)連續(xù)工作時(shí)，最大工作頻率：在轉(zhuǎn)子不失步的情況下，電動(dòng)機(jī)連續(xù)工作時(shí)，輸入脈沖信號(hào)的最大頻率。輸入脈沖信號(hào)的最大頻率。T11-2.SWF 3. 最大突跳頻率：在轉(zhuǎn)子不失步的情況下，電動(dòng)機(jī)能增加和減最大突跳頻率：在轉(zhuǎn)子不失步的情況下，電動(dòng)機(jī)能增加和減小的最大頻率。小的最大頻率。 4. 步距差：理想的步矩角與實(shí)際的

8、步矩角之差。步距差：理想的步矩角與實(shí)際的步矩角之差。 5. 輸出轉(zhuǎn)矩：電動(dòng)機(jī)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩的大小輸出轉(zhuǎn)矩：電動(dòng)機(jī)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩的大小 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與脈沖頻率的函數(shù)關(guān)系稱(chēng)為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與脈沖頻率的函數(shù)關(guān)系稱(chēng)為矩頻特性矩頻特性。13.2 13.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源 一、驅(qū)動(dòng)電源的組成一、驅(qū)動(dòng)電源的組成脈脈沖沖分分配配器器功放電路功放電路三三相相步步進(jìn)進(jìn)電電機(jī)機(jī)負(fù)載負(fù)載功率電功率電源源分配器電源分配器電源功放電路功放電路功放電路功放電路功率放大器功率放大器步進(jìn)脈沖步進(jìn)脈沖方向信號(hào)方向信號(hào)fABC脈沖分配器+功率放大電路1. 脈沖分配器脈沖分配器 當(dāng)方向電平為低

9、時(shí)，脈沖當(dāng)方向電平為低時(shí)，脈沖分配器的輸出按分配器的輸出按A-B-CA-B-C的順序的順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。循環(huán)產(chǎn)生脈沖。fABC 當(dāng)方向電平為高時(shí)，脈當(dāng)方向電平為高時(shí)，脈沖分配器的輸出按沖分配器的輸出按A-C-BA-C-B的順的順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。 ABCf 2.功率放大器功率放大器 將脈沖分配器的輸出信號(hào)進(jìn)行電流放大后給電動(dòng)機(jī)的定子繞組供將脈沖分配器的輸出信號(hào)進(jìn)行電流放大后給電動(dòng)機(jī)的定子繞組供電，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩。電，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩。二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖分配器二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖分配器 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖分配器可由硬件或軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖分配器可由

10、硬件或軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。 硬件環(huán)形分配器：由計(jì)數(shù)器等數(shù)字電路組成的。有較好的響應(yīng)硬件環(huán)形分配器：由計(jì)數(shù)器等數(shù)字電路組成的。有較好的響應(yīng)速度，且具有直觀、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。速度，且具有直觀、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。 軟件環(huán)分：由計(jì)算機(jī)接口電路和相應(yīng)的軟件組成的。受到微型軟件環(huán)分：由計(jì)算機(jī)接口電路和相應(yīng)的軟件組成的。受到微型計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的限制，有時(shí)難以滿足高速實(shí)時(shí)控制的要求。計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的限制，有時(shí)難以滿足高速實(shí)時(shí)控制的要求。 1. 1.硬件環(huán)形分配器硬件環(huán)形分配器 BQ CQ CQ AQ AQ BQ W- QA CAJ K AQ + & & QB CBJ K BQ + & &am

11、p; R W+ QC CBJ K CQ + & & R S CP 復(fù)位 & & & A相B相C相序號(hào)序號(hào)控制信號(hào)狀態(tài)控制信號(hào)狀態(tài)輸出狀態(tài)輸出狀態(tài)導(dǎo)電繞組導(dǎo)電繞組CAJ CBJ CCJQA QB QC0 01 1 01 1 01 0 01 0 0A A1 10 1 00 1 01 1 01 1 0ABAB2 20 1 10 1 10 1 00 1 0B B3 30 0 10 0 10 1 10 1 1BCBC4 41 0 11 0 10 0 10 0 1C C5 51 0 01 0 01 0 11 0 1CACA6 61 1 01 1 01 0 01 0

12、0A A 2 2軟件環(huán)形分配軟件環(huán)形分配 軟件環(huán)分的方法是利用計(jì)算機(jī)程序來(lái)設(shè)定硬件接口的位狀態(tài)，軟件環(huán)分的方法是利用計(jì)算機(jī)程序來(lái)設(shè)定硬件接口的位狀態(tài)，從而產(chǎn)生一定的脈沖分配輸出。從而產(chǎn)生一定的脈沖分配輸出。 1) 1) 輸出接口輸出接口 8031 8031單片機(jī)本身包含單片機(jī)本身包含4 4個(gè)個(gè)8 8位位I/OI/O端口，分別為端口，分別為P0P0、P1P1、P2P2、P3P3。 輸出接口是將計(jì)算機(jī)的輸出端與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的每相繞組一一對(duì)輸出接口是將計(jì)算機(jī)的輸出端與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的每相繞組一一對(duì)應(yīng)起來(lái)。應(yīng)起來(lái)。8031P1.0P1.1P1.2ABC驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)器器 若要實(shí)現(xiàn)三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)若要實(shí)現(xiàn)三相步進(jìn)電動(dòng)

13、機(jī)的脈沖分配，需要三根輸出口的脈沖分配，需要三根輸出口線，本例中選線，本例中選P1P1口的口的P1.0P1.0、P1.1P1.1、P1.2P1.2位作為脈沖分配的位作為脈沖分配的輸出。輸出。 2) 2) 輸出模型輸出模型 如果三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按單、雙拍通電方式工作，即如果三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按單、雙拍通電方式工作，即: : 正轉(zhuǎn)：正轉(zhuǎn)：A-AB-B-BC-C-CAA-AB-B-BC-C-CA 反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)：A-AC-C-CB-B-BCA-AC-C-CB-B-BC 根據(jù)根據(jù)80318031單片機(jī)的基本原理，對(duì)單片機(jī)的基本原理，對(duì)P P1.01.0、 P P1.11.1、 P P1.21.2位編程使其位編程使

14、其按表規(guī)定改變輸出狀態(tài)就實(shí)現(xiàn)了三相六拍分配任務(wù)。按表規(guī)定改變輸出狀態(tài)就實(shí)現(xiàn)了三相六拍分配任務(wù)。P P1.71.7通電通電相相X XX XX XX XX X0 00 01 1A AX XX XX XX XX X0 01 11 1ABABX XX XX XX XX X0 01 10 0B BX XX XX XX XX X1 11 10 0BCBCX XX XX XX XX X1 10 00 0C CX XX XX XX XX X1 10 01 1CACAP P1.51.5P P1.41.4P P1.31.3P P1.21.2P P1.11.1P P1.01.0P P1.61.6 P1 P1輸送的內(nèi)

15、容依次為：輸送的內(nèi)容依次為： 01H A01H A03H AB03H AB02H B02H B06H BC06H BC04H C 04H C 05H CA05H CA正正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)反反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)輸出模型輸出模型 3) 3) 控制程序控制程序 按正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的要求將輸出模按正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的要求將輸出模型向型向P1P1口發(fā)送，并控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)口發(fā)送，并控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度。的速度。 設(shè)輸出模型存放在存儲(chǔ)器中，首設(shè)輸出模型存放在存儲(chǔ)器中，首地址為地址為2000H2000H，地址指針為，地址指針為DPR,DPR,初始值初始值為為2000H2000H。 初始化初始化正轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)（DPR）P1 調(diào)用延時(shí)子程序調(diào)用延時(shí)子程序 (

16、DPR)=05H DPR-5DPR PR+1DPR（DPR）P1 調(diào)用延時(shí)子程序調(diào)用延時(shí)子程序 (DPR)=01H PR+5DPR DPR-1DPRNNNYYY三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率放大電路三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率放大電路 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上是一種脈沖放大電路，使脈步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上是一種脈沖放大電路，使脈沖具有一定的功率驅(qū)動(dòng)能力。沖具有一定的功率驅(qū)動(dòng)能力。 由于功率放大器的輸出直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)繞組，因此，功率放大由于功率放大器的輸出直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)繞組，因此，功率放大電路的性能對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能影響很大。電路的性能對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能影響很大。 1. 1.單電壓驅(qū)動(dòng)電路單電壓驅(qū)動(dòng)電路 R C RD V L +U VT L是電動(dòng)機(jī)繞組是電動(dòng)機(jī)繞組VT開(kāi)關(guān)晶體管開(kāi)關(guān)晶體管 電阻電阻R兩端并聯(lián)電容兩端并聯(lián)電容C，使電流上升更快，使電流上升更快，所以，電容所以，電容C又稱(chēng)為加速電容。又稱(chēng)為加速電容。 二極管二極管V在晶體管在晶體管VT截止時(shí)起續(xù)流和保護(hù)截止時(shí)起續(xù)流和保護(hù)作用，串聯(lián)電阻使