步進(jìn)電機(jī)及其控制系統(tǒng)ppt課件

1、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)第 13 篇13.1 13.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)構(gòu)造與任務(wù)原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)構(gòu)造與任務(wù)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)行元件。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類：任務(wù)原理任務(wù)原理反響式反響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)轉(zhuǎn)速度運(yùn)轉(zhuǎn)速度輸入脈沖頻率輸入脈沖頻率 步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵的作用原理，將步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵的作用原理，將脈沖脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為線位移或角位移的電機(jī)。每來(lái)一信號(hào)轉(zhuǎn)換為線位移

2、或角位移的電機(jī)。每來(lái)一個(gè)電脈個(gè)電脈沖，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，帶動(dòng)機(jī)械挪動(dòng)沖，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，帶動(dòng)機(jī)械挪動(dòng)一小段一小段間隔。間隔。13.1 13.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)構(gòu)造與任務(wù)原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)構(gòu)造與任務(wù)原理 區(qū)別在于勵(lì)磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上有勵(lì)磁線圈，區(qū)別在于勵(lì)磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上有勵(lì)磁線圈，反響式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒(méi)有勵(lì)磁線圈。反響式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒(méi)有勵(lì)磁線圈。種類：勵(lì)磁式和反響式兩種。種類：勵(lì)磁式和反響式兩種。 下面以反響式步進(jìn)電機(jī)為例闡明步進(jìn)電機(jī)的下面以反響式步進(jìn)電機(jī)為例闡明步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)造和任務(wù)原理。構(gòu)造和任務(wù)原理。13.1 13.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)構(gòu)造與任務(wù)原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)構(gòu)造與任務(wù)原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

3、的任務(wù)原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的任務(wù)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途徑經(jīng)過(guò)，通力圖沿磁阻最小途徑經(jīng)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)的根本緣由。根本緣由。

4、ABCIAIBIC 定子內(nèi)圓周均勻分布著六個(gè)磁極，磁極上有勵(lì)磁繞組，每?jī)蓚€(gè)相對(duì)的繞組組成一相。轉(zhuǎn)子有四個(gè)齒。定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子CABBCA3412 A相繞組通電，B、C 相不通電。由于在磁場(chǎng)作用下，轉(zhuǎn)子總是力圖旋轉(zhuǎn)到磁阻最小的位置，故在這種情況下，轉(zhuǎn)子必然轉(zhuǎn)到左圖所示位置：1、3齒與A、A極對(duì)齊。13.1 13.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)構(gòu)造與任務(wù)原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)構(gòu)造與任務(wù)原理CABBCA34121C342CABBA13.1 13.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)構(gòu)造與任務(wù)原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)構(gòu)造與任務(wù)原理 按AB C A 的順序給三相繞組輪番通電，轉(zhuǎn)子便一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。每一拍轉(zhuǎn)過(guò)30(步距角)，每個(gè)通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)過(guò)90(

5、一個(gè)齒距角)。13.1 13.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)構(gòu)造與任務(wù)原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)構(gòu)造與任務(wù)原理 按按A AAB AB B B BC BC C C CA CA的順序的順序給三相繞組輪番通電。這種方式可以獲給三相繞組輪番通電。這種方式可以獲得更準(zhǔn)確的控制特性。得更準(zhǔn)確的控制特性。CABBCA3412CABBCA3412 A相通電，轉(zhuǎn)子相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒與齒與A、A 對(duì)齊。對(duì)齊。 A、B一樣時(shí)通電，一樣時(shí)通電，A、A 磁極拉住磁極拉住1、3齒，齒，B、B 磁極拉住磁極拉住2、4齒，齒，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)15，到達(dá)左圖，到達(dá)左圖所示位置。所示位置。CABBCA3412 B 相通電，轉(zhuǎn)子相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒與齒與B

6、、B 對(duì)齊對(duì)齊,又轉(zhuǎn)又轉(zhuǎn)過(guò)過(guò)15。3412CABBCA B、C一樣時(shí)通電，一樣時(shí)通電，C 、C 磁極拉住磁極拉住1、3齒，齒，B、B 磁極拉住磁極拉住2、4齒，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過(guò)齒，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過(guò)15。 三相反響式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一個(gè)通電循環(huán)周三相反響式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一個(gè)通電循環(huán)周期如下：期如下：AAB B BC C CA，每個(gè)循，每個(gè)循環(huán)周期分為六拍。環(huán)周期分為六拍。 每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)15步距角，一個(gè)通電循步距角，一個(gè)通電循環(huán)周期環(huán)周期(6拍拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)90 (齒距角齒距角)。 與單三拍相比，六拍驅(qū)動(dòng)方式的步進(jìn)角更與單三拍相比，六拍驅(qū)動(dòng)方式的步進(jìn)角更小，更適用于需求準(zhǔn)確定位的控制系統(tǒng)中。小，更

7、適用于需求準(zhǔn)確定位的控制系統(tǒng)中。 按按AB AB BC BC CACA的順序給三相繞組輪番通的順序給三相繞組輪番通電。每拍有兩相繞組同時(shí)通電。電。每拍有兩相繞組同時(shí)通電。AB通電通電CABBCA3412BC通電通電3412CABBCACA通電通電CABBCA3412 與單三拍方式類似，雙三拍驅(qū)動(dòng)時(shí)每個(gè)通電循與單三拍方式類似，雙三拍驅(qū)動(dòng)時(shí)每個(gè)通電循環(huán)周期也分為三拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)環(huán)周期也分為三拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)30 (步距角步距角)，一個(gè)通電循環(huán)周期一個(gè)通電循環(huán)周期(3拍拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)90(齒距角齒距角)。 從以上對(duì)步進(jìn)電機(jī)三種驅(qū)動(dòng)方式的分析可得步距角計(jì)算公式：mZr360 步距角步距角Zr

8、轉(zhuǎn)子齒數(shù)轉(zhuǎn)子齒數(shù)m 每個(gè)通電循環(huán)周期的拍數(shù)每個(gè)通電循環(huán)周期的拍數(shù) 適用步進(jìn)電機(jī)的步距角多為適用步進(jìn)電機(jī)的步距角多為3 3和和1.51.5 。為了獲得小步距角，電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子都做成多為了獲得小步距角，電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子都做成多齒的，如教材圖齒的，如教材圖10.4.410.4.4所示。圖中轉(zhuǎn)子外表有所示。圖中轉(zhuǎn)子外表有4040個(gè)齒，個(gè)齒，齒距角是齒距角是9 9；定子仍是；定子仍是 6 6個(gè)磁極，但每個(gè)磁極個(gè)磁極，但每個(gè)磁極外表加工有五個(gè)和轉(zhuǎn)子一樣的齒。外表加工有五個(gè)和轉(zhuǎn)子一樣的齒。運(yùn)用：運(yùn)用：13.2 13.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角 由一個(gè)通電形狀改動(dòng)到下一個(gè)通電形狀時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子

9、所轉(zhuǎn)過(guò)由一個(gè)通電形狀改動(dòng)到下一個(gè)通電形狀時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為步距角。的角度稱為步距角。T11-2.SWF T11-2.SWF 360360 /ZKm /ZKm 其中：其中：Z Z轉(zhuǎn)子齒數(shù)轉(zhuǎn)子齒數(shù) m 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=1,2 K=1,2 假設(shè)二相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的假設(shè)二相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的Z=100，單拍運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其步距角，單拍運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其步距角8 . 110023609 . 010022360假設(shè)按單、雙通電方式運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，步距假設(shè)按單、雙通電方式運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，步距角角 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)轉(zhuǎn)拍數(shù)或運(yùn)轉(zhuǎn)

10、拍數(shù))愈多，那么步距角愈小，控制越準(zhǔn)確。愈多，那么步距角愈小，控制越準(zhǔn)確。 當(dāng)定子控制繞組按著一定順序不斷地輪番通電時(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番通電時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就繼續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。假設(shè)電脈沖的頻率為就繼續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。假設(shè)電脈沖的頻率為f(HZ)，步距角用弧度表，步距角用弧度表示，那么步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為：示，那么步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為：fKmZfKmZfn60602260213.2 13.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角13.3 13.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能目的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能目的1. 步距角步距角 2. 最大任務(wù)頻率：在轉(zhuǎn)子不失步的情況下，電動(dòng)機(jī)延續(xù)任務(wù)時(shí)，最大

11、任務(wù)頻率：在轉(zhuǎn)子不失步的情況下，電動(dòng)機(jī)延續(xù)任務(wù)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。 3. 最大突跳頻率：在轉(zhuǎn)子不失步的情況下，電動(dòng)機(jī)能添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)能添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)踐的步矩角之差。步距差：理想的步矩角與實(shí)踐的步矩角之差。 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)系稱為矩頻特性。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)系稱為矩頻特性。13.4 13.4 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、

12、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)，脈沖分配當(dāng)方向電平為高時(shí)，脈沖分配器的輸出按器的輸出按A-C-BA-C-B的順序循環(huán)產(chǎn)生的順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。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)展

13、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)展電流放大后給電動(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。有較好的呼應(yīng)硬件環(huán)形分配器：由計(jì)數(shù)器等數(shù)字電路組成的。有較好的呼應(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。遭到微型計(jì)算機(jī)運(yùn)算速軟件環(huán)分：由計(jì)算機(jī)接口電路和相應(yīng)的軟件組成的。遭到微型

14、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。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 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)定硬件接口的位形狀，軟件環(huán)分的方法是利用計(jì)算機(jī)程序來(lái)設(shè)定硬件接口的位形狀，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)

15、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 假設(shè)要實(shí)現(xiàn)三相步進(jìn)電動(dòng)假設(shè)要實(shí)現(xiàn)三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖分配，需求三根輸出機(jī)的脈沖分配，需求三根輸出口線，本例中選口線，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。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)踐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)踐上是一種脈沖放大電路，使脈沖具有一定的功率驅(qū)動(dòng)才干。沖具有一定的功率驅(qū)動(dòng)才干。 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)轉(zhuǎn)性能影響很大。電路的性能對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)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又稱為加速電容。又稱為加速電容。 二極管二極管V在晶體管在晶體管VT截止時(shí)起續(xù)流和維護(hù)截止時(shí)起續(xù)流和維護(hù)作用，串聯(lián)電阻使電流下降更快，從而使繞