步進(jìn)電機(jī)以及其控制系統(tǒng)

1、關(guān)于步進(jìn)電機(jī)及其控制系統(tǒng)第一張，PPT共二十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月13.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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)行元件。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類：工作原理反應(yīng)式永磁式混合式輸出轉(zhuǎn)矩大小快速步進(jìn)電機(jī)功率步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁相數(shù)二、三、四、五、六、八相等角位移輸入脈沖個(gè)數(shù)運(yùn)行速度輸入脈沖頻率第二張，PPT共二十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月特點(diǎn): (1)來(lái)一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。 (2)控制脈沖頻率，可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 (3)改變脈沖順序，可改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向。 步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵的作用原理，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為線位移或角位移的電機(jī)。每來(lái)一個(gè)電脈沖，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，帶動(dòng)機(jī)械移

2、動(dòng)一小段距離。13.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理第三張，PPT共二十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 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，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒(méi)有勵(lì)磁線圈。種類：勵(lì)磁式和反應(yīng)式兩種。 下面以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例說(shuō)明步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。13.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理第四張，PPT共二十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 給A相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子位置如圖（a），轉(zhuǎn)子齒偏離定子齒一個(gè)角度。由于勵(lì)磁磁通力圖沿磁阻最小路徑通過(guò)，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)到與定子齒對(duì)齊位置時(shí)(圖b)，因轉(zhuǎn)子只受徑向力而無(wú)切線力，故轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子被鎖定在這個(gè)位置上。

3、由此可見(jiàn)：錯(cuò)齒是助使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的根本原因。第五張，PPT共二十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理結(jié)構(gòu)圖如下：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。定子轉(zhuǎn)子第六張，PPT共二十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月13.1.1 三相單三拍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 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理第七張，PPT共二十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月CABBCA3412 同理，B相通

4、電時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)30角，2、4齒和B、B 磁極軸線對(duì)齊；當(dāng)C相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過(guò)30角，1、3齒和C、C 磁極軸線對(duì)齊。1C342CABBA13.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理第八張，PPT共二十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 這種工作方式下，三個(gè)繞組依次通電一次為一個(gè)循環(huán)周期，一個(gè)循環(huán)周期包括三個(gè)工作脈沖，所以稱為三相單三拍工作方式。 按AB C A 的順序給三相繞組輪流通電，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(一個(gè)齒距角)。13.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理第九張，PPT共二十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月13.1.2 三相六拍 按AAB B BC C

5、 CA的順序給三相繞組輪流通電。這種方式可以獲得更精確的控制特性。第十張，PPT共二十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月CABBCA3412CABBCA3412 A相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒與A、A 對(duì)齊。 A、B相同時(shí)通電，A、A 磁極拉住1、3齒，B、B 磁極拉住2、4齒，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)15，到達(dá)左圖所示位置。第十一張，PPT共二十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月CABBCA3412 B 相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒與B、B 對(duì)齊,又轉(zhuǎn)過(guò)15。3412CABBCA B、C相同時(shí)通電，C 、C 磁極拉住1、3齒，B、B 磁極拉住2、4齒，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過(guò)15。第十二張，PPT共二十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的

6、一個(gè)通電循環(huán)周期如下：AAB B BC C CA，每個(gè)循環(huán)周期分為六拍。 每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)15（步距角），一個(gè)通電循環(huán)周期(6拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)90 (齒距角)。 與單三拍相比，六拍驅(qū)動(dòng)方式的步進(jìn)角更小，更適用于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。第十三張，PPT共二十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月13.1.3 三相雙三拍 按AB BC CA的順序給三相繞組輪流通電。每拍有兩相繞組同時(shí)通電。第十四張，PPT共二十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月AB通電CABBCA3412BC通電3412CABBCACA通電CABBCA3412 與單三拍方式相似，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)30 (步距角)，一個(gè)通電

7、循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)90(齒距角)。第十五張，PPT共二十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 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： 步距角Zr 轉(zhuǎn)子齒數(shù)m 每個(gè)通電循環(huán)周期的拍數(shù) 實(shí)用步進(jìn)電機(jī)的步距角多為3和1.5 。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10.4.4所示。圖中轉(zhuǎn)子表面有40個(gè)齒，第十六張，PPT共二十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月齒距角是9；定子仍是 6個(gè)磁極，但每個(gè)磁極表面加工有五個(gè)和轉(zhuǎn)子一樣的齒。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用非常廣泛，如各種數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)繪圖儀、機(jī)器人等。應(yīng)用：第十七張，PPT共二十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月13.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角

8、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)的角度稱為步距角。T11-2.SWF 360/ZKm 其中：Z轉(zhuǎn)子齒數(shù) m定子繞組相數(shù) K通電系數(shù) K=1,2 若二相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的Z=100，單拍運(yùn)行時(shí)，其步距角若按單、雙通電方式運(yùn)行時(shí)，步距角第十八張，PPT共二十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 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)(或運(yùn)行拍數(shù))愈多，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)就持續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。如果電脈沖的頻率為f(HZ)，步距角用弧度表示，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為：13.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角第十九張，PPT共二十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022

9、年6月13.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)1. 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)，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)能增加和減小的最大頻率。 4. 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 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。第二十張，PPT共二十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月13.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源 一、驅(qū)動(dòng)電源的組成脈沖分配器功放電路三相步進(jìn)電機(jī)負(fù)載功率電源分配器電源功放電路功放電路功率放大器步進(jìn)脈沖方向信號(hào)ABC脈沖分配器+功率放大電路第二十一張，PPT

10、共二十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1. 脈沖分配器 當(dāng)方向電平為低時(shí)，脈沖分配器的輸出按A-B-C的順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。 當(dāng)方向電平為高時(shí)，脈沖分配器的輸出按A-C-B的順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。 2.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)的定子繞組供電，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩。第二十二張，PPT共二十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月二、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)。 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)。 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

11、實(shí)時(shí)控制的要求。 1.硬件環(huán)形分配器 第二十三張，PPT共二十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 2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)，從而產(chǎn)生一定的脈沖分配輸出。 1) 輸出接口 8031單片機(jī)本身包含4個(gè)8位I/O端口，分別為P0、P1、P2、P3。 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)。 若要實(shí)現(xiàn)三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖分配，需要三根輸出口線，本例中選P1口的P1.0、P1.1、P1.2位作為脈沖分配的輸出。第二十四張，PPT共二十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月三、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.單電壓驅(qū)動(dòng)電路 L是電動(dòng)機(jī)繞組VT開(kāi)關(guān)晶體管 電阻R兩端并聯(lián)電容C，使電流上升更快，所以，電容C又稱為加速電容。 二極管V在晶體管VT截止時(shí)起續(xù)流和保護(hù)作