機(jī)電傳動第十一章步進(jìn)電機(jī)傳動控制系統(tǒng)

1、步進(jìn)電機(jī)傳動控制系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)傳動控制系統(tǒng)第十一章第十一章 本章要求：本章要求： 1、掌握步進(jìn)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理；、掌握步進(jìn)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理； 2、了解步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方式與驅(qū)動電路；、了解步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方式與驅(qū)動電路； 3、了解環(huán)形分配器的實(shí)現(xiàn)方式。、了解環(huán)形分配器的實(shí)現(xiàn)方式。 本章知識點(diǎn)：本章知識點(diǎn)： 1、步距角、分辨率與控制精度的關(guān)系；、步距角、分辨率與控制精度的關(guān)系； 2、相與拍的關(guān)系；、相與拍的關(guān)系； 3、失步與產(chǎn)生失步的原因；、失步與產(chǎn)生失步的原因； 4、步距角的細(xì)分技術(shù)。、步距角的細(xì)分技術(shù)。 步進(jìn)電動機(jī)是一種步進(jìn)電動機(jī)是一種將電脈沖信號變換成相應(yīng)的角將電脈沖信號變換成相

2、應(yīng)的角位移或直線位移的機(jī)電執(zhí)行元件位移或直線位移的機(jī)電執(zhí)行元件，每當(dāng)輸入一個，每當(dāng)輸入一個電脈沖時，它便轉(zhuǎn)過一個固定的角度，這個角度電脈沖時，它便轉(zhuǎn)過一個固定的角度，這個角度稱為稱為步距角步距角，簡稱為步距。每輸入一個脈沖電，簡稱為步距。每輸入一個脈沖電動機(jī)便轉(zhuǎn)動一步，步進(jìn)電動機(jī)便因之而命名。動機(jī)便轉(zhuǎn)動一步，步進(jìn)電動機(jī)便因之而命名。 當(dāng)電動機(jī)不失步時，當(dāng)電動機(jī)不失步時，步進(jìn)電動機(jī)的位移量與輸入步進(jìn)電動機(jī)的位移量與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成比例，不會引起積累誤差脈沖數(shù)嚴(yán)格成比例，不會引起積累誤差，其轉(zhuǎn)速，其轉(zhuǎn)速與脈沖頻率和步距角有關(guān)?？刂戚斎朊}沖數(shù)量、與脈沖頻率和步距角有關(guān)。控制輸入脈沖數(shù)量、頻率及電動機(jī)

3、各相繞組的接通次序，就可以得到頻率及電動機(jī)各相繞組的接通次序，就可以得到所需的位移、速度和轉(zhuǎn)向。通過傳動機(jī)構(gòu)，帶動所需的位移、速度和轉(zhuǎn)向。通過傳動機(jī)構(gòu)，帶動工作設(shè)備完成符合要求的動作。工作設(shè)備完成符合要求的動作。步進(jìn)電機(jī)的分類步進(jìn)電機(jī)的分類1、定位電磁鐵原理的步進(jìn)電機(jī)；、定位電磁鐵原理的步進(jìn)電機(jī)；2、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（變磁阻式）；、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（變磁阻式）；3、永磁式步進(jìn)電機(jī)；、永磁式步進(jìn)電機(jī)；4、混合式步進(jìn)電機(jī)。、混合式步進(jìn)電機(jī)。一、步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理一、步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理 當(dāng)當(dāng)A相通電時，定子相通電時，定子A相的齒與轉(zhuǎn)子上的齒相的齒與轉(zhuǎn)子上的齒對齊對齊(磁通具有力圖沿磁通具有力

4、圖沿磁阻最小路徑通過的磁阻最小路徑通過的特點(diǎn)特點(diǎn))，B相的齒與轉(zhuǎn)相的齒與轉(zhuǎn)子上的齒錯開子上的齒錯開1/3齒，齒，C相的齒與轉(zhuǎn)子上的齒相的齒與轉(zhuǎn)子上的齒錯開錯開2/3齒。若按齒。若按A、B、C相輪流導(dǎo)通，每通電相輪流導(dǎo)通，每通電一次轉(zhuǎn)過一次轉(zhuǎn)過1/3齒；若按齒；若按A、AB、B、BC、C、CA的方式，則每通電的方式，則每通電一次，轉(zhuǎn)過一次，轉(zhuǎn)過1/6齒。齒。 轉(zhuǎn)子與相之間錯開的轉(zhuǎn)子與相之間錯開的角度增量為角度增量為t/m 定子繞組按一定的規(guī)律通電；轉(zhuǎn)子鐵心在磁場作定子繞組按一定的規(guī)律通電；轉(zhuǎn)子鐵心在磁場作用下每次轉(zhuǎn)過一定的角度。用下每次轉(zhuǎn)過一定的角度。實(shí)際步進(jìn)電動機(jī)的步距角通常較小，這就要求轉(zhuǎn)子

5、的齒數(shù)多。實(shí)際步進(jìn)電動機(jī)的步距角通常較小，這就要求轉(zhuǎn)子的齒數(shù)多。 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)工作原理反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)工作原理接線與結(jié)構(gòu)接線與結(jié)構(gòu)A相繞組通電相繞組通電B相繞組通電相繞組通電C相繞組通電相繞組通電 二、步進(jìn)電機(jī)的步距角、和拍的定義二、步進(jìn)電機(jī)的步距角、和拍的定義 1、拍、拍定子由一種通電狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種通電狀定子由一種通電狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種通電狀態(tài)態(tài)（即磁場狀態(tài)每一次變化）稱為一拍；（即磁場狀態(tài)每一次變化）稱為一拍； 2、步距角、步距角步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一步步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一步（一拍）（一拍）所轉(zhuǎn)過所轉(zhuǎn)過的角度的角度。其大小取決于轉(zhuǎn)子的齒數(shù)，和通電的方式。其大小取決于轉(zhuǎn)子的齒數(shù)，和通電的方式。 步距角

6、步距角 =360 =360o o/(ZKm)/(ZKm) Z轉(zhuǎn)子齒數(shù)；轉(zhuǎn)子齒數(shù)；m定子繞組相數(shù)；定子繞組相數(shù)；K狀態(tài)系數(shù)（單狀態(tài)系數(shù)（單m拍、雙拍、雙m拍時拍時K=1，單、雙，單、雙m拍拍時時K=2）。）。 3、步進(jìn)電機(jī)的、步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速n=60f /2/2 顯然，顯然，齒數(shù)越多、相數(shù)越多，步距角越小，精度越高，齒數(shù)越多、相數(shù)越多，步距角越小，精度越高，但轉(zhuǎn)速越慢但轉(zhuǎn)速越慢。 三、提高步進(jìn)電機(jī)分辨率的方法：三、提高步進(jìn)電機(jī)分辨率的方法： 1、增加轉(zhuǎn)子齒數(shù)增加轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z（設(shè)計成小步距角的步進(jìn)電（設(shè)計成小步距角的步進(jìn)電機(jī)）但齒太小，容易磁飽和，力矩變?。粰C(jī)）但齒太小，容易磁飽和，力矩變??； 2

7、、增加定子繞組相數(shù)增加定子繞組相數(shù)m（做成多相）；（做成多相）； 3、做成多段做成多段式結(jié)構(gòu)；式結(jié)構(gòu)； 4、采用電流細(xì)分技術(shù)采用電流細(xì)分技術(shù)（通過單片機(jī)的（通過單片機(jī)的D/A控制控制步進(jìn)電機(jī)定子相鄰兩相電流的比例實(shí)現(xiàn)）。但步進(jìn)電機(jī)定子相鄰兩相電流的比例實(shí)現(xiàn)）。但要注意，細(xì)分主要是改善運(yùn)動性能。要注意，細(xì)分主要是改善運(yùn)動性能。 四、四、 步進(jìn)電動機(jī)的分類步進(jìn)電動機(jī)的分類 1按步進(jìn)電動機(jī)的工作原理分按步進(jìn)電動機(jī)的工作原理分 1）勵磁式勵磁式 電機(jī)的定子轉(zhuǎn)子均有繞組，靠電磁力矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。電機(jī)的定子轉(zhuǎn)子均有繞組，靠電磁力矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。 2）反應(yīng)式反應(yīng)式(變磁阻式）變磁阻式） 轉(zhuǎn)子無繞組，定子繞組勵磁

8、后產(chǎn)生反應(yīng)力矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子無繞組，定子繞組勵磁后產(chǎn)生反應(yīng)力矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。這是步進(jìn)電動機(jī)發(fā)展的主要類型，有較好的技術(shù)性動。這是步進(jìn)電動機(jī)發(fā)展的主要類型，有較好的技術(shù)性能指標(biāo)。能指標(biāo)。 3）混合式混合式（即永磁感應(yīng)子式）（即永磁感應(yīng)子式） 它與反應(yīng)式的主要區(qū)別是轉(zhuǎn)子上置有磁鋼。反應(yīng)式電機(jī)它與反應(yīng)式的主要區(qū)別是轉(zhuǎn)子上置有磁鋼。反應(yīng)式電機(jī)轉(zhuǎn)子無磁鋼，輸入能量全靠定子勵磁電流供給，靜態(tài)電轉(zhuǎn)子無磁鋼，輸入能量全靠定子勵磁電流供給，靜態(tài)電流比永磁式大許多。永磁感應(yīng)子式電機(jī)具有驅(qū)動電流小、流比永磁式大許多。永磁感應(yīng)子式電機(jī)具有驅(qū)動電流小、效率高、過載能力強(qiáng)和具有零電流力矩等優(yōu)點(diǎn)，是一種效率高、過載能力強(qiáng)和

9、具有零電流力矩等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有發(fā)展前途的步進(jìn)電動機(jī)。很有發(fā)展前途的步進(jìn)電動機(jī)。 還有其它的分類方法（自學(xué)）還有其它的分類方法（自學(xué)）混合式步進(jìn)電機(jī)有零電流力矩混合式步進(jìn)電機(jī)有零電流力矩 五、環(huán)形分配器的實(shí)現(xiàn)五、環(huán)形分配器的實(shí)現(xiàn) 1、硬件環(huán)形分配器（隨著單片機(jī)的出現(xiàn)已、硬件環(huán)形分配器（隨著單片機(jī)的出現(xiàn)已很少使用）；很少使用）； 2、軟件環(huán)形分配器（通過查表實(shí)現(xiàn)）、軟件環(huán)形分配器（通過查表實(shí)現(xiàn)）六、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路六、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路1、單電壓限流型驅(qū)、單電壓限流型驅(qū)動電路動電路 為了克服靜摩為了克服靜摩擦力和慣性，加擦力和慣性，加大步進(jìn)電機(jī)的加大步進(jìn)電機(jī)的加速度，加快啟動速度，加快啟動過程

10、，采用高低過程，采用高低壓切換電路。利壓切換電路。利用高電壓產(chǎn)生大用高電壓產(chǎn)生大力矩，利用低電力矩，利用低電壓維持靜止，從壓維持靜止，從而減少發(fā)熱。而減少發(fā)熱。 當(dāng)晶體管當(dāng)晶體管VT導(dǎo)通瞬導(dǎo)通瞬間，由于電容間，由于電容C兩端兩端電壓不能突變，電電壓不能突變，電容相當(dāng)于短路，加容相當(dāng)于短路，加在電阻在電阻R的電壓很小，的電壓很小，電流很小，電壓全電流很小，電壓全部加在繞組部加在繞組L上，電上，電流快速上升。隨著流快速上升。隨著電容充電，加在繞電容充電，加在繞組組L的電壓降低電流的電壓降低電流減少。減少。V為續(xù)流二極管，為續(xù)流二極管，RD為為限流電阻防止關(guān)斷瞬限流電阻防止關(guān)斷瞬間反電勢過高，擊穿間

11、反電勢過高，擊穿晶體管晶體管VT。電容。電容C僅僅在啟動時起作用，稱在啟動時起作用，稱為加速電容。時間常為加速電容。時間常數(shù)數(shù)=L/（r+R)為了提為了提高速度，要加大高速度，要加大R，但，但要保證維持電流，必要保證維持電流，必須同時提高須同時提高U。造成功。造成功耗大。耗大。I=U/（r+R) 2、雙電源高低壓切換型驅(qū)動電路、雙電源高低壓切換型驅(qū)動電路 開始時開始時VT1、VT2同時導(dǎo)通，同時導(dǎo)通，80V直接加在繞組直接加在繞組L上，當(dāng)經(jīng)過上，當(dāng)經(jīng)過t2時間，關(guān)斷時間，關(guān)斷VT2，用低壓，用低壓12V維維持。在下一步開始前，把持。在下一步開始前，把VT1關(guān)斷。關(guān)斷。 引起步進(jìn)電機(jī)失步的原因：

12、引起步進(jìn)電機(jī)失步的原因： 1、步進(jìn)電機(jī)的力矩不夠步進(jìn)電機(jī)的力矩不夠（負(fù)載力矩大于步（負(fù)載力矩大于步進(jìn)電機(jī)的最大靜力矩）；進(jìn)電機(jī)的最大靜力矩）； 2、加減速過快加減速過快（動態(tài)力矩不夠）；（動態(tài)力矩不夠）； 即給定角加速度即給定角加速度=（TM-TL）/J 步進(jìn)電機(jī)控制的優(yōu)缺點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)控制的優(yōu)缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 1、步進(jìn)電機(jī)不失步時，步進(jìn)電機(jī)的角位移與輸入脈沖、步進(jìn)電機(jī)不失步時，步進(jìn)電機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成比例，數(shù)嚴(yán)格成比例，可以用于高精度的開環(huán)控制可以用于高精度的開環(huán)控制； 2、控制方法及設(shè)備簡單，價錢便宜；、控制方法及設(shè)備簡單，價錢便宜； 3、零速（堵轉(zhuǎn)）力矩大零速（堵轉(zhuǎn)）力矩大；

13、 4、永磁式和混合式、永磁式和混合式有零電流力矩有零電流力矩； 5、體積小。、體積小。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 1、高速力矩小高速力矩?。恳徊街挥幸粋€齒出力）響應(yīng)慢；（每一步只有一個齒出力）響應(yīng)慢； 2、允許最高轉(zhuǎn)速低允許最高轉(zhuǎn)速低（每一步都作啟、停運(yùn)動）；（每一步都作啟、停運(yùn)動）； 3、精度低（受步距角限制）、精度低（受步距角限制） 4、共振點(diǎn)多，噪聲大；、共振點(diǎn)多，噪聲大； 5、功率小功率小。 在高性能的控制中步進(jìn)電機(jī)正被交流伺服控制取代。在高性能的控制中步進(jìn)電機(jī)正被交流伺服控制取代。T步步只有只有A相通電相通電A相電流大于相電流大于B相相B相電流大于相電流大于A 相相AA B BCC C 4321AA B BCC C 43214321AA B BCC C 步距角的細(xì)分技術(shù)步距角的細(xì)分技術(shù) 步距角的細(xì)分技術(shù)是利用計算機(jī)的步距角的細(xì)分