步進電動機及其控制電子大賽

1、2009電子大賽電機部分培訓一、直流電機（）圖4為采用內(nèi)部集成有兩個橋式電 路的專用芯片L298所組成的電機驅動電路。驅動芯片L298是驅動二相和四相步進電機的專用芯片，我們利用它內(nèi)部的 橋式電路來驅動直流電機，這種方法有一系列的優(yōu)點。每一組PWM波用來控制一個電機的速度，而另外兩個I/O口可以控制電機的正反轉，控制比較簡單，電路也很簡單，一個芯片內(nèi)包含有8個功率管，這樣簡化了電路的復雜性，如圖所示IOB10、IOB11控制第一個電機的方向，IOB8輸入的PWM控制第一個電機的速度；IOB12、IOB13控制第二個電機的方向，IOB9輸入的PWM控制第二個電機的速度。 ）二、步進電動機及其控制

2、步進電機是利用電磁鐵的作用原理，將脈沖信號轉換為線位移或角位移的電機。每來一個電脈沖，步進電機轉動一定角度，帶動機械移動一小段距離。特點: （1）來一個脈沖，轉一個步距角。 （2）控制脈沖頻率，可控制電機轉速。 （3）改變脈沖順序，可改變轉動方向。應用：由于步進電動機的這一工作職能正好符合數(shù)字控制系統(tǒng)要求，因此它在數(shù)控機床、鐘表工業(yè)及自動記錄儀等方面都有很廣泛的應用種類：勵磁式和反應式兩種。勵磁式步進電機的轉子上有勵磁線圈，依靠電磁轉矩工作。反應式步進電機的轉子上沒有勵磁線圈。依靠變化的的磁阻生成磁阻轉矩工作。應用最廣泛，它有兩相、三相、多相之分。 三相反應式步進電動機的原理結構圖如下：ABC

3、IAIBIC 定子內(nèi)圓周均勻分布著六個磁極，磁極上有勵磁繞組，每兩個相對的繞組組成一相。采用Y連接，轉子有四個齒。定子轉子1、步進電機的結構2、步進電機的工作原理 由于磁力線總是要通過磁阻最小的路徑閉合，因此會在磁力線扭曲時產(chǎn)生切向力，而形成磁阻轉矩，使轉子轉動。 現(xiàn)以BCIAIBIC的通電順序，使三相繞組輪流通入直流電流，觀察轉子的運動情況。ABCA（1）三相單三拍（FLASH）CABBCA3412 A相繞組通電，B、C相不通電。氣隙產(chǎn)生以A-A為軸線的磁場，而磁力線總是力圖從磁阻最小的路徑通過，故電動機轉子受到一個反應轉矩，在此轉矩的作用下，轉子必然轉到左圖所示位置：1、3齒與A、A極對齊

4、。“三相”指三相步進電機；“單”指每次只能一相繞組通電；“三拍”指通電三次完成一個通電循環(huán)。CABBCA3412 同理，B相通電時，轉子會轉過30角，2、4齒和B、B 磁極軸線對齊；當C相通電時，轉子再轉過30角，1、3齒和C、C磁極軸線對齊。1C342CABBACABBCA3412 這種工作方式下，三個繞組依次通電一次為一個循環(huán)周期，一個循環(huán)周期包括三個工作脈沖，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，轉子便一步一步轉動起來。每一拍轉過30(步距角)，每個通電循環(huán)周期(3拍)磁場在空間旋轉了360而轉子轉過90(一個齒距角)。CABBCA3412CABBCA3

5、412 A相通電，轉子1、3齒與A、A 對齊。 A、B相同時通電，A、A 磁極拉住1、3齒，B、B 磁極拉住2、4齒，轉子轉過15，到達左圖所示位置。 按AAB B BC C 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。（2）三相六拍（FLASH）CABBCA3412 B 相通電，轉子2、4齒與B、B 對齊,又轉過15。3412CABBCA B、C相同時通電，C 、C 磁極拉住1、3齒，B、B 磁極拉住2、4齒，轉子再轉過15。 三相反應式步進電動機的一個通電循環(huán)周期如下：AAB B BC C CA，每個循環(huán)周期分為六拍。每拍轉子轉過15（步距角），一個通電循環(huán)周期(6拍)

6、轉子轉過90 (齒距角)。 與單三拍相比，六拍驅動方式的步進角更小，更適用于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。AB通電CABBCA3412BC通電3412CABBCACA通電CABBCA3412 與單三拍方式相似，雙三拍驅動時每個通電循環(huán)周期也分為三拍。每拍轉子轉過30 (步距角)，一個通電循環(huán)周期(3拍)轉子轉過90(齒距角)。（3） 三相雙三拍（FLASH） 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通電。 從以上對步進電機三種驅動方式的分析可得步距角計算公式： 步距角Zr 轉子齒數(shù)m 每個通電循環(huán)周期的拍數(shù) 實用步進電機的步距角多為3和1.5 。為了獲得小步距角，電機的定子、

7、轉子都做成多齒的。3.步進電機的靜態(tài)指標術語相數(shù)：產(chǎn)生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用m表示。拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或導電狀態(tài)用n表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移用表示。=360度/（轉子齒數(shù)*運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。定位轉矩：電機在

8、不通電狀態(tài)下，電機轉子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）靜轉矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉運動時，電機轉軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標準，與驅動電壓及驅動電源等無關。雖然靜轉矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉子間的氣隙有關，但過分采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。4 .步進電機動態(tài)指標及術語1) 步距角精度 步進電機每轉過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應在5%之內(nèi)，八拍運行時應在15%以內(nèi)。2) 失步 電機運轉時運轉的步數(shù)，不

9、等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。3) 失調角 轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉必存在失調角，由失調角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅動是不能解決的。4)最大空載起動頻率電機在某種驅動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。5) 最大空載的運行頻率 電機在某種驅動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉速頻率。6) 運行矩頻特性 電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據(jù)。如圖2所示：圖2 力矩與頻率曲線圖5.步進電機驅動系統(tǒng)的結構環(huán)形分配器、功率放大器以及其它控制線路組合構成步進電機

10、的驅動系統(tǒng)，其方框圖如圖4，在下一節(jié)的方案選擇時，也是按照驅動系統(tǒng)的結構來進行。圖 4 步進電機驅動系統(tǒng)結構圖基本原理作用如下：(1)控制換相順序通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進電機的三拍工作方式，其各相通電順序為A-B-C,通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A,B,C相的通斷。(2)控制步進電機的轉向如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉，如果按反序通電換相，則電機就反轉。(3)控制步進電機的速度如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉得越快。調整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調速。主要元件：恒壓

11、恒流橋式2A驅動芯片L298N、光電耦合器TLP521-4工作電壓方式：直流 工作電壓：信號端 46V、控制端 536V調速方式：直流電動機采用PWM信號平滑調速。特點：1、可實現(xiàn)電機正反轉及調速。2、啟動性能好，啟動轉矩大。 3、工作電壓可達到36V，4A。4、可同時驅動兩臺直流電機。5、適合應用于機器人設計及智能小車的設計中。實例一：用L298驅動兩臺直流減速電機的電路。引腳A，B可用于PWM控制。如果機器人項目只要求直行前進，則可將IN1，IN2和IN3，IN4兩對引腳分別接高電平和低電平，僅用單片機的兩個端口給出PWM信號控制A，B即可實現(xiàn)直行、轉彎、加減速等動作。實例二：用L298實

12、現(xiàn)二相步進電機控制。將IN1，IN2和IN3，IN4兩對引腳分別接入單片機的某個端口，輸出連續(xù)的脈沖信號。信號的快慢決定了電機的轉速。改變繞組脈沖信號的順序即可實現(xiàn)正反轉。 圖 13 L298驅動步進電機三、伺服電動機及其控制伺服電動機又稱執(zhí)行電動機。其功能是將輸入的電壓控制信號轉換為軸上輸出的角位移和角速度，驅動控制對象。伺服電動機可控性好，反應迅速。是自動控制系統(tǒng)和計算機外圍設備中常用的執(zhí)行元件。伺服電動機可分為兩類： 交流伺服電動機和直流伺服電動機1、交流伺服電動機 交流伺服電動機就是一臺兩相交流異步電機。它的定子上裝有空間互差90的兩個繞組：勵磁繞組和控制繞組，其結構如圖所示。勵磁繞組

13、控制繞組杯形轉子內(nèi)定子交流伺服電動機結構圖1.基本工作原理 :交流伺服電動機以單相異步電動機原理為基礎，從圖52可以看出，勵磁繞組WF接到電壓為Uf的交流電網(wǎng)上，控制繞組WC接到控制電壓Uc上，當有控制信號輸入時，兩相繞組便產(chǎn)生旋轉磁場。該磁場與轉子中的感應電流相互作用產(chǎn)生轉矩，使轉子跟著旋轉磁場以一定的轉差率轉動起來. UfUcC其旋轉速度n為:n=60f(1-s)/p=n0(1-s)f:交流電源頻率(HZ)p:為磁級對數(shù)n0:電動機旋轉磁場轉速(r/min), n0=60f/ps:轉差率,s=(n0-n)/n0圖52交流伺服電動機的接線圖和相量圖放大器檢測元件控制信號+控制繞組勵磁繞組+1

14、1(b) 相量圖交流伺服電動機的接線圖和相量圖(a）接線圖放大器檢測元件控制信號+控制繞組勵磁繞組+1 勵磁繞組串聯(lián)電容C , 是為了產(chǎn)生兩相旋轉磁場。 適當選擇電容的大小，可使通入兩個繞組的電流相位差接近90,從而產(chǎn)生所需的旋轉磁場。 控制電壓 與電源電壓 頻率相同，相位相同或反相。 勵磁繞組固定接在電源上，當控制電壓為零時，電機無起動轉矩，轉子不轉。放大器檢測元件控制信號+控制繞組勵磁繞組+1 若有控制電壓加在控制繞組上，且勵磁電流和控制繞組電流 不同相、相位相差90度、幅值相等i1=Ikmsinti2=Ikmsin(t-90)Bk=BmsintBj=Bmsin(t-90)因此便產(chǎn)生兩相旋

15、轉磁場。在旋轉磁場的作用下，轉子便轉動起來。 交流伺服電動機的特點：不僅要求它在靜止狀態(tài)下，能服從控制信號的命令而轉動，而且要求在電動機運行時如果控制電壓變?yōu)榱?，電動機立即停轉。 如果交流伺服電動機的參數(shù)選擇和一般單相異步電動機相似，電動機一經(jīng)轉動，即使控制等于零，電動機仍繼續(xù)轉動，電動機失去控制，這種現(xiàn)象稱為“自轉”。什么是“自轉”現(xiàn)象？2.消除自轉現(xiàn)象的措施由三相異步電動機的特性可知，轉子電阻值對電動機的機械特性有較大的影響，如圖54所示。當轉子阻值增大到一定程度，例如圖中r23時，最大轉矩可出現(xiàn)在s=l附近。為此目的，把伺服電動機的轉子電阻r2設計得很大，使電動機在失去控制信號單相運行時

16、，正轉矩或負轉矩的最大值均出現(xiàn)在Sm1的地方，這樣可得出圖55所示的機械特性曲線。圖55中曲線l為有控制電壓時伺服電機的機械特性曲線，曲線T+和T-為去掉控制電壓后，脈動磁場分解為正、反兩個旋轉磁場對應產(chǎn)生的轉矩曲線。曲線T為去掉控制電壓后單相供電時的合成轉矩曲線。從圖中可看出，它與異步電動機的機械特性曲線不同，是在第二和第四象限內(nèi)。當轉速n為正時，電磁轉矩T為負，當n為負時，T為正，即去掉控制電壓后，單相供電時的電磁轉矩的方向總是與轉子轉向相反，所以，是一個制動轉矩。由于制動轉矩的存在，可使轉子迅速停止轉動，從而避免“自轉”現(xiàn)象。電機停止轉動所需要的時間，比兩相電壓Uf和Uc同時取消、單靠摩

17、擦等制動方法所需的時間要短得多。這正是兩相交流伺服電動機在工作時，勵磁繞組始終接在電源上的原因。 增大伺服電機轉子阻值r2，既有利于消除“自轉”現(xiàn)象，同時還使穩(wěn)定運行段加寬、啟動轉矩增大。目前通常采用高電阻材料制成的鼠籠導條，杯形轉子的壁很薄，一般只有O208mm，因而轉子阻值較大，且慣量較小。 3.控制特性。兩相交流伺服電動機的控制方法有三種：幅值控制；相位控制；幅值相位控制。機電一體化系統(tǒng)中應用幅值控制的較多，下面只討論幅值控制法。圖56所示為幅值控制的一種接線圖，從圖中看出，兩相繞組接于同一單相電源，適當選擇電容C，使Uf與Uc相角相差90度，改變電阻的大小，即改變控制電壓Uc的大小，可

18、以得到圖57所示的不同控制電壓下的機械特性 加在控制繞組上的控制電壓反相時(保持勵磁電壓不變)，由于旋轉磁場的旋轉方向發(fā)生變化，使電動機轉子反轉。 加在控制繞組上的控制電壓大小變化時，其產(chǎn)生的旋轉磁場的橢圓度不同，從而產(chǎn)生的電磁轉矩也不同，從而改變電動機的轉速。左圖為不同控制電壓下的機械特性曲線其中：n=f(T), U1=常數(shù)TU20.8 U20.6 U20.4 U2on 交流伺服電動機的機械特性如圖所示。圖57 在勵磁電壓不變的情況下，隨著控制電壓的下降，特性曲線下移。在同一負載轉矩作用時，電動機轉速隨控制電壓的下降而均勻減小。 交流伺服電機的輸出功率一般為0.1-100 W，電源頻率分50Hz、400Hz等多種。它的應用很廣泛，如用在各種自動控制、自動記錄等系統(tǒng)中。 應用:2、直流伺服電動機 直流伺服電動機的結構與直流電動機基本相同。只是為減小轉動慣量，電機做得細長