機(jī)電傳動控制13-步進(jìn)電機(jī)

1、 第十三章第十三章 步進(jìn)電動步進(jìn)電動機(jī)傳動控制系統(tǒng)機(jī)傳動控制系統(tǒng) 掌握步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)原理、運(yùn)行特點(diǎn)及影響因素掌握步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)原理、運(yùn)行特點(diǎn)及影響因素 掌握步距角和步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)表達(dá)式及其物掌握步距角和步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)表達(dá)式及其物理意義理意義 了解步進(jìn)電動機(jī)環(huán)形分配器的基本原理及其硬、軟了解步進(jìn)電動機(jī)環(huán)形分配器的基本原理及其硬、軟件的實(shí)現(xiàn)方法件的實(shí)現(xiàn)方法 了解兩種不同類型步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電路及其優(yōu)缺了解兩種不同類型步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電路及其優(yōu)缺點(diǎn)點(diǎn) 13.1 13.1 步進(jìn)電動機(jī)步進(jìn)電動機(jī) 步進(jìn)電動機(jī)步進(jìn)電動機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移的機(jī)電是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移的

2、機(jī)電執(zhí)行元件。每當(dāng)一個脈沖信號施加于電機(jī)的控制繞組時，執(zhí)行元件。每當(dāng)一個脈沖信號施加于電機(jī)的控制繞組時，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一個固定的角度其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一個固定的角度（步距角（步距角 ），順序連續(xù)地發(fā)，順序連續(xù)地發(fā)給脈沖，則電機(jī)軸一步接一步地運(yùn)轉(zhuǎn)。給脈沖，則電機(jī)軸一步接一步地運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電動機(jī)特點(diǎn)步進(jìn)電動機(jī)特點(diǎn) 步進(jìn)電動機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，運(yùn)行中無累步進(jìn)電動機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，運(yùn)行中無累積誤差。積誤差。 步進(jìn)電機(jī)能方便地實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)和調(diào)速、定位控制。特別是步進(jìn)電機(jī)能方便地實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)和調(diào)速、定位控制。特別是不需位置傳感器或速度傳感器就可以在開環(huán)控制下精確定位不需位置傳感器或速度

3、傳感器就可以在開環(huán)控制下精確定位或同步運(yùn)行?；蛲竭\(yùn)行。 步進(jìn)電動機(jī)的缺點(diǎn)是不能達(dá)到很高的轉(zhuǎn)速（一般小于步進(jìn)電動機(jī)的缺點(diǎn)是不能達(dá)到很高的轉(zhuǎn)速（一般小于10001000到到20002000轉(zhuǎn)每分）。存在低頻振蕩、失步和高頻失步等缺陷。另轉(zhuǎn)每分）。存在低頻振蕩、失步和高頻失步等缺陷。另外，步進(jìn)電機(jī)自身的噪聲和振動較大。外，步進(jìn)電機(jī)自身的噪聲和振動較大。 步進(jìn)電動機(jī)的分類步進(jìn)電動機(jī)的分類 按工作原理分：按工作原理分：反應(yīng)式反應(yīng)式: :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；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動；勵磁式：勵磁式：轉(zhuǎn)子、定子均有繞組，靠電磁力矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動；轉(zhuǎn)子、

4、定子均有繞組，靠電磁力矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動；混合式（永磁式）混合式（永磁式）：與反應(yīng)式的主要區(qū)別是轉(zhuǎn)子上有磁：與反應(yīng)式的主要區(qū)別是轉(zhuǎn)子上有磁鋼。鋼。按輸出轉(zhuǎn)矩大小分：按輸出轉(zhuǎn)矩大小分：快速步進(jìn)電機(jī)：快速步進(jìn)電機(jī)：輸出轉(zhuǎn)矩輸出轉(zhuǎn)矩0.070.07NmNm4Nm4Nm功率步進(jìn)電機(jī)：功率步進(jìn)電機(jī)：輸出轉(zhuǎn)矩輸出轉(zhuǎn)矩5 5NmNm40Nm40Nm按定子排列還可分為多段式按定子排列還可分為多段式( (軸向式軸向式) )和單段式和單段式( (徑向式徑向式) )。按勵磁相數(shù)分有二、三、四、五、六、八相等。按勵磁相數(shù)分有二、三、四、五、六、八相等。三相反應(yīng)式步進(jìn)電動三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)工作原理機(jī)工作原理 定子由硅鋼片疊

5、成，裝上一定相數(shù)的控制繞組，由環(huán)行分定子由硅鋼片疊成，裝上一定相數(shù)的控制繞組，由環(huán)行分配器送來的電脈沖對多相定子繞組輪流進(jìn)行勵磁。配器送來的電脈沖對多相定子繞組輪流進(jìn)行勵磁。 轉(zhuǎn)子部分由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)軸等組成。轉(zhuǎn)子鐵心是由硅鋼片轉(zhuǎn)子部分由轉(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。圖中轉(zhuǎn)子上有或軟磁材料疊壓而成的齒形鐵心。圖中轉(zhuǎn)子上有4 4個凸齒。個凸齒。 若對勵磁繞組以一定方式通以直流勵磁電流，則轉(zhuǎn)子以相若對勵磁繞組以一定方式通以直流勵磁電流，則轉(zhuǎn)子以相應(yīng)的方式轉(zhuǎn)動。其轉(zhuǎn)動原理其實(shí)就是電磁鐵的工作原理應(yīng)的方式轉(zhuǎn)動。其轉(zhuǎn)動原理其實(shí)就是電磁鐵的工作原理 。AAK1K2K3

6、BCBC三相反應(yīng)式步進(jìn)電動三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)工作原理機(jī)工作原理給給A A相繞組通電時，轉(zhuǎn)子位置如圖相繞組通電時，轉(zhuǎn)子位置如圖，轉(zhuǎn)子齒偏離定子齒一個角轉(zhuǎn)子齒偏離定子齒一個角度。度。由于勵磁磁通力圖沿磁阻最小路徑通過，因此對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁由于勵磁磁通力圖沿磁阻最小路徑通過，因此對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁吸力，迫使轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)動；吸力，迫使轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)動；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到與定子齒對齊位置時當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到與定子齒對齊位置時，因轉(zhuǎn)子只受徑向力而無切線因轉(zhuǎn)子只受徑向力而無切線力，故轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子被鎖定在這個位置上。力，故轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子被鎖定在這個位置上。由此可見：由此可見：是助使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的根本原因。是助使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的根本原因。基

7、本工作原理通電方式通電方式“單單”、“雙雙”、“拍拍”的意思是：的意思是：“單單”是指每次切換前后只有一相繞組通電；是指每次切換前后只有一相繞組通電；“雙雙”就是指每次有兩相繞相通電；就是指每次有兩相繞相通電；而從一種通電狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種通電狀態(tài)就叫做一而從一種通電狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種通電狀態(tài)就叫做一“拍拍”。對于三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其運(yùn)行方式有：對于三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其運(yùn)行方式有：單三拍（全步，單三拍（全步，F(xiàn)ull StepFull Step）、單雙六拍（半步單雙六拍（半步, ,Half StepHalf Step）雙三拍雙三拍等通電方式。等通電方式。三相單三拍工作方式三相單三拍工作方式指對

8、三相繞組單獨(dú)輪流通電，三次換相（三拍）完成一指對三相繞組單獨(dú)輪流通電，三次換相（三拍）完成一個通電循環(huán)。個通電循環(huán)。通電順序?yàn)橥婍樞驗(yàn)锳 AB B時時，轉(zhuǎn)子按順時針方向一步一，轉(zhuǎn)子按順時針方向一步一步轉(zhuǎn)動。步轉(zhuǎn)動。通電順序改為通電順序改為A A時時，轉(zhuǎn)子按逆時針方向一步，轉(zhuǎn)子按逆時針方向一步一步轉(zhuǎn)動。一步轉(zhuǎn)動?？梢?，欲改變步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，則只要改變通電順可見，欲改變步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，則只要改變通電順序即可。序即可。電流換接三次，磁場旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子前進(jìn)一個齒距角電流換接三次，磁場旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子前進(jìn)一個齒距角（此例中轉(zhuǎn)子有四個齒，則齒距角為（此例中轉(zhuǎn)子有四個齒，則齒距角為9090 ）電流每

9、換接一次轉(zhuǎn)子前進(jìn)一個角度稱為步距角。此例中電流每換接一次轉(zhuǎn)子前進(jìn)一個角度稱為步距角。此例中電流換接三次走完一個齒距角，則步距角為電流換接三次走完一個齒距角，則步距角為3030三相三相單、雙六拍單、雙六拍工作方式工作方式按按A-AB-B-BC-C-CA-AA-AB-B-BC-C-CA-A或或A-CA-C-BC-B-AB-AA-CA-C-BC-B-AB-A相序循環(huán)通電。相序循環(huán)通電。同樣，通電順序改變時，旋轉(zhuǎn)方向改變。同樣，通電順序改變時，旋轉(zhuǎn)方向改變。而電流換接次數(shù)多了一倍，步子走得更細(xì)了，步距角為而電流換接次數(shù)多了一倍，步子走得更細(xì)了，步距角為1515 三相三相雙三拍雙三拍工作方式工作方式按按

10、AB-BC-CA-ABAB-BC-CA-AB或或AC-CA-BC-ACAC-CA-BC-AC相序循環(huán)通電。相序循環(huán)通電。步距角與三相單三拍工作方式相同也步距角與三相單三拍工作方式相同也3030，運(yùn)行穩(wěn)定性，運(yùn)行穩(wěn)定性較前者好。較前者好。 綜上所述，可得出：綜上所述，可得出：通電頻率提高，步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速升高。通電頻率提高，步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速升高。每一循環(huán)中通電拍數(shù)越多，步距角減小。步進(jìn)電動機(jī)每一循環(huán)中通電拍數(shù)越多，步距角減小。步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速降低。的轉(zhuǎn)速降低。 小步距角步進(jìn)電機(jī)小步距角步進(jìn)電機(jī) 定子極面小齒和轉(zhuǎn)子上的小齒位置符合下列規(guī)律：定子極面小齒和轉(zhuǎn)子上的小齒位置符合下列規(guī)律：當(dāng)當(dāng)A A相的

11、定子齒和轉(zhuǎn)子齒對齊時相的定子齒和轉(zhuǎn)子齒對齊時( (如圖所對應(yīng)位置如圖所對應(yīng)位置) )，B B相的定子相的定子齒應(yīng)相對于轉(zhuǎn)子齒順時針方向錯開齒應(yīng)相對于轉(zhuǎn)子齒順時針方向錯開1/31/3齒距，而齒距，而C C相的定子齒相的定子齒又應(yīng)相對于轉(zhuǎn)子齒順時針方向錯開又應(yīng)相對于轉(zhuǎn)子齒順時針方向錯開2/32/3齒距。齒距。也就是，當(dāng)某一相磁極下定子與轉(zhuǎn)子的齒相對時，下一相磁極也就是，當(dāng)某一相磁極下定子與轉(zhuǎn)子的齒相對時，下一相磁極下定子與轉(zhuǎn)子齒的位置則剛好錯開下定子與轉(zhuǎn)子齒的位置則剛好錯開t/t/m m、2t/2t/m m 、3t/3t/m m 依此類推（依此類推（ t t齒距；齒距；m m相數(shù)）。相數(shù)）。 小步

12、距角步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：如小步距角步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：如圖所示，定轉(zhuǎn)子外園均有齒和槽。圖所示，定轉(zhuǎn)子外園均有齒和槽。定子、轉(zhuǎn)子的齒寬和齒距相等。定子、轉(zhuǎn)子的齒寬和齒距相等。當(dāng)定子通電循環(huán)一周時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)當(dāng)定子通電循環(huán)一周時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距。設(shè)過一個齒距。設(shè)轉(zhuǎn)子齒數(shù)為轉(zhuǎn)子齒數(shù)為Z,Z,則則轉(zhuǎn)子齒距轉(zhuǎn)子齒距為：為： = 360= 360 / /z z因?yàn)槊客娨淮?，轉(zhuǎn)子走一步，則因?yàn)槊客娨淮危D(zhuǎn)子走一步，則步距角步距角為：為： = = 齒距齒距/ /拍數(shù)拍數(shù)= 360= 360 / /zKmzKm式中，式中，k k狀態(tài)系數(shù)（單三拍、雙三拍時，狀態(tài)系數(shù)（單三拍、雙三拍時，K=1;K=1;單、雙單、

13、雙六拍時，六拍時，k=2)k=2) 若步進(jìn)電機(jī)若步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)為轉(zhuǎn)子齒數(shù)為Z Z=40=40，則：則：三相單三拍運(yùn)行時，步距角三相單三拍運(yùn)行時，步距角 = 360= 360 / /（3 3* *4040）= = 3 3 三相六拍運(yùn)行時，步距角三相六拍運(yùn)行時，步距角 = 360= 360 / /（3 3* *2 2* *4040）= = 1.51.5 當(dāng)定子繞組按一定順序不斷輪流通電時，步進(jìn)電機(jī)就持續(xù)不當(dāng)定子繞組按一定順序不斷輪流通電時，步進(jìn)電機(jī)就持續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。如果脈沖的頻率為斷地旋轉(zhuǎn)。如果脈沖的頻率為f f(Hz),(Hz),步距角用弧度表示，則步距角用弧度表示，則步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為：步進(jìn)電

14、機(jī)的轉(zhuǎn)速為：步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行要求足夠功率的電脈沖信號按一步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行要求足夠功率的電脈沖信號按一定的順序分配到各相繞組。定的順序分配到各相繞組。與其它旋轉(zhuǎn)電機(jī)不同的是步進(jìn)電機(jī)的工作需要專與其它旋轉(zhuǎn)電機(jī)不同的是步進(jìn)電機(jī)的工作需要專門的驅(qū)動。門的驅(qū)動。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動包含脈沖分配（環(huán)行分配）和功包含脈沖分配（環(huán)行分配）和功率放大兩部分。率放大兩部分。步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動部分是一個不可分開的有機(jī)整體，步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動部分是一個不可分開的有機(jī)整體，步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的性能除了與電機(jī)本身的性能有步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的性能除了與電機(jī)本身的性能有關(guān)外，在很大程度上取決于所使用的功率驅(qū)

15、動關(guān)外，在很大程度上取決于所使用的功率驅(qū)動電路的類型與優(yōu)劣。電路的類型與優(yōu)劣?？驁D框圖環(huán)分功能環(huán)分功能當(dāng)方向電平為高時，脈沖分配當(dāng)方向電平為高時，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)的順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。產(chǎn)生脈沖。fABCABCf步進(jìn)電機(jī)按三相單三拍方式步進(jìn)電機(jī)按三相單三拍方式運(yùn)行運(yùn)行。當(dāng)方向電平為低時，當(dāng)方向電平為低時，脈沖分配器的輸出按脈沖分配器的輸出按A-B-CA-B-C的的順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。環(huán)分實(shí)現(xiàn)方法環(huán)分實(shí)現(xiàn)方法 步進(jìn)電動機(jī)的脈沖分配器可由硬件或軟件方法步進(jìn)電動機(jī)的脈沖分配器可由硬件或軟件方法來實(shí)現(xiàn)。來實(shí)現(xiàn)。 硬件環(huán)形分配器有較好的響應(yīng)速度，且具

16、有直硬件環(huán)形分配器有較好的響應(yīng)速度，且具有直觀、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。觀、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。 軟件環(huán)分則往往受到微型計算機(jī)運(yùn)算速度的限軟件環(huán)分則往往受到微型計算機(jī)運(yùn)算速度的限制，有時難以滿足高速實(shí)時控制的要求。制，有時難以滿足高速實(shí)時控制的要求。硬件環(huán)形分配器硬件環(huán)形分配器 目前有專門的芯片，一片芯片就可完成環(huán)分功能。目前有專門的芯片，一片芯片就可完成環(huán)分功能。硬件環(huán)分真值表軟件環(huán)形分配軟件環(huán)形分配 軟件環(huán)分的方法是利用計算機(jī)程序來設(shè)定硬件接口的軟件環(huán)分的方法是利用計算機(jī)程序來設(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。對于不同的位狀態(tài)，從而產(chǎn)生一定的脈沖分配輸出。對于不同的計算機(jī)和接口器件，軟

17、件環(huán)分有不同的形式?，F(xiàn)以計算機(jī)和接口器件，軟件環(huán)分有不同的形式?，F(xiàn)以MCS-51MCS-51系列單片機(jī)系列單片機(jī)80318031為例加以說明。為例加以說明。 8031 8031單片機(jī)本身包含單片機(jī)本身包含4 4個個8 8位位I/OI/O端口，分別為端口，分別為P0P0、P1P1、P2P2、P3P3。若要實(shí)現(xiàn)三相六拍方式的脈沖分配，需要三若要實(shí)現(xiàn)三相六拍方式的脈沖分配，需要三根輸出口線，本例中選根輸出口線，本例中選P1P1口的口的P1.0P1.0、P1.1P1.1、P1.2P1.2位作位作為脈沖分配的輸出。為脈沖分配的輸出。 8031P1.0P1.1P1.2ABC驅(qū)驅(qū)動動器器軟件環(huán)分分配表軟件環(huán)

18、分分配表程序設(shè)計原理程序設(shè)計原理P1P1輸送的內(nèi)容依次為：輸送的內(nèi)容依次為：0101H H、03H03H、02H02H、06H06H、04H04H、05H05H。 編寫程序時，將這些值按順序存放在固定的只讀編寫程序時，將這些值按順序存放在固定的只讀存儲器中，設(shè)計一個正轉(zhuǎn)子程序和一個反轉(zhuǎn)子程存儲器中，設(shè)計一個正轉(zhuǎn)子程序和一個反轉(zhuǎn)子程序供主程序調(diào)用。序供主程序調(diào)用。正轉(zhuǎn)子程序按順序取表中的內(nèi)容輸出到正轉(zhuǎn)子程序按順序取表中的內(nèi)容輸出到P1P1端口，而端口，而反轉(zhuǎn)子程序按逆序取表中的內(nèi)容輸出到反轉(zhuǎn)子程序按逆序取表中的內(nèi)容輸出到P1P1端口。端口。主程序每調(diào)用一次子程序，就完成一次主程序每調(diào)用一次子程序，就完成一次P1P1端口的輸端口的輸出。出。主程序調(diào)用子程序的時間間隔（可用軟件延時或中主程序