步進(jìn)電動機(jī)傳動控制系統(tǒng)

1、步進(jìn)電動機(jī)傳動控制系統(tǒng)第1頁，共27頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)6分，星期四 步進(jìn)電動機(jī)又稱電脈沖馬達(dá)，是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。 其特點(diǎn)是電動機(jī)繞組接受一個電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子的角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及其頻率成正比，并在時間上與輸入脈沖同步。 只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電動機(jī)繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，很容易用微機(jī)實現(xiàn)數(shù)字控制。第2頁，共27頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)6分，星期四按其結(jié)構(gòu)和工作原理，步進(jìn)電動機(jī)可分為反應(yīng)式（磁阻式）、電磁式永磁式這幾種結(jié)構(gòu)在性能上各有特點(diǎn)，但基本工作原理是一樣的。第3頁，共2

2、7頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)6分，星期四 1.步距角 （步距） 當(dāng)輸入一個電脈沖時所轉(zhuǎn)過的一個固定角度。 2.位移量與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成比例（無誤差積累）。 與 有關(guān) 3.各種運(yùn)行特性由下列條件決定： l 輸入脈沖數(shù)； l 脈沖頻率； l 電動機(jī)各相繞組的接通次序。4.步進(jìn)電動機(jī)的缺點(diǎn)是不能達(dá)到很高的轉(zhuǎn)速。 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。第4頁，共27頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)6分，星期四11.1.1 結(jié)構(gòu)與工作原理1. 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 1)定子由硅鋼片疊成，裝上一定相數(shù)的控制繞組，由環(huán)形分配器送來電脈沖，對多相定子繞組輪流勵磁。 2)轉(zhuǎn)子用硅鋼

3、片疊成或軟磁性材料做成的凸極結(jié)構(gòu)。反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)（轉(zhuǎn)子本身無勵磁繞組）永磁式步進(jìn)電動機(jī)（用永久磁鐵做轉(zhuǎn)子）混合式步進(jìn)電動機(jī)第5頁，共27頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)6分，星期四三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu) 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖第6頁，共27頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)6分，星期四轉(zhuǎn)子位置如圖（a），轉(zhuǎn)子齒偏離定子齒一個角度。給定子繞組通電時，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)子轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到與定子齒對齊位置時(圖b)，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。2. 工作原理由此可見：錯齒是促使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的根本原因。第7頁，共

4、27頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)6分，星期四a)A相通電，B、C相不通電，轉(zhuǎn)子齒1、3與A相定子齒對齊，轉(zhuǎn)子齒2、4與B、C相在不同方向上錯開30（此時轉(zhuǎn)矩為0，轉(zhuǎn)子自鎖）。（a）A相通電 （b）B相通電 （c）C相通電三相步進(jìn)電動機(jī)按順序A-B-C依次通電 b)A相斷電，B相通電，轉(zhuǎn)子齒2、4與B相定子齒對齊，順時針旋轉(zhuǎn)30。c)B相斷電，C相通電，同理轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)30。第8頁，共27頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)6分，星期四d)通電順序為ABCA時，轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)。如改為ACBA時，轉(zhuǎn)子反向（逆時針）轉(zhuǎn)動。e)電流換接三次，磁場轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子前進(jìn)一個齒距角（90 ）。（a）A相通電

5、（b）B相通電 （c）C相通電三相步進(jìn)電動機(jī)按順序A-B-C依次通電 按A-B-C依次通電稱為單三拍 運(yùn)行方式第9頁，共27頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)6分，星期四單三拍 運(yùn)行方式（a）A相通電 （b）B相通電 （c）C相通電第10頁，共27頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)6分，星期四雙三拍運(yùn)行 AB-BC-CA第11頁，共27頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)6分，星期四單雙六拍運(yùn)行 A相通電 AB相通電 B相通電 BC相通電AABBBCCCAA第12頁，共27頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)6分，星期四通電方式按ABCA方式通電，稱為三相單三拍運(yùn)行（ ）。按ABBCCAAB方式通電，稱為

6、三相雙三拍運(yùn)行（ ）。按AABBBCCCAA方式通電，稱為三相六拍運(yùn)行（ ）。 轉(zhuǎn)速取決于控制繞組通電頻率，也取決于繞組通電方式。 “單”每次只有一相繞組通電； “雙”每次有兩相繞組通電； “拍”通電次數(shù)。第13頁，共27頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)6分，星期四由此可見，轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z（或定子相數(shù)m，或運(yùn)行拍數(shù)Km），則 ，控制越精確。齒距角 （Z轉(zhuǎn)子齒數(shù)）步距角K狀態(tài)系數(shù)，三拍，K=1；六拍，K2m定子相數(shù)，Km運(yùn)行拍數(shù)例如：Z40，三相單三拍運(yùn)行，則 轉(zhuǎn)速各種運(yùn)行特性由下列條件決定：輸入脈沖數(shù)；脈沖頻率；各相繞組的接通次序及通電方式。第14頁，共27頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)6分，星

7、期四綜上所述，步進(jìn)電動機(jī)工作時的步數(shù)或轉(zhuǎn)速既不受電壓波動和負(fù)載變化的影響，也不受環(huán)境條件（溫度、壓力、沖擊和振動等）變化的影響，只與控制脈沖同步。能按照控制的要求進(jìn)行啟動、停止、反轉(zhuǎn)和改變速度。因此被廣泛地應(yīng)用于各種數(shù)字控制系統(tǒng)中。第15頁，共27頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)6分，星期四第16頁，共27頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)6分，星期四11.2 環(huán)形分配器11.2.1 驅(qū)動系統(tǒng)第17頁，共27頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)6分，星期四控制脈沖按規(guī)定的通電方式分配到每相繞組。實現(xiàn)脈沖分配的硬件邏輯電路，稱為環(huán)形分配?？刹捎密浖崿F(xiàn)脈沖分配，這種方式稱為軟件環(huán)分（如：計算機(jī)數(shù)字控制

8、系統(tǒng)）。分配器輸出的脈沖需進(jìn)行功率放大，才能驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)。第18頁，共27頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)6分，星期四若步進(jìn)電機(jī)按三相單三拍方式運(yùn)行，則脈沖分配器輸出的A、B、C如下圖所示。第19頁，共27頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)6分，星期四11.2.2 環(huán)形分配器1. 硬件環(huán)形分配器 需根據(jù)步進(jìn)電動機(jī)的相數(shù)和步進(jìn)電機(jī)繞組的通電方式設(shè)計,如圖所示是一個三相六拍的環(huán)形分配器。第20頁，共27頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)6分，星期四2. 軟件環(huán)分軟件環(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。現(xiàn)以MCS-51系列單片機(jī)8031為例加以說明。若要實現(xiàn)三

9、相六拍方式的脈沖分配，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。如圖所示。根據(jù)8031單片機(jī)的基本原理，對P1.0、P1.1、P1.2位編程使其按下表規(guī)定改變輸出狀態(tài)就實現(xiàn)了三相六拍分配任務(wù)。第21頁，共27頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)6分，星期四表中P1.3P1.7位在此例中不相干，可任意設(shè)為1或0。若設(shè)定為0，則向端口P1輸送的內(nèi)容依次為： 01H、03H、02H、06H、04H、05H。編寫程序時，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。正轉(zhuǎn)子程序按順序取表中的內(nèi)容輸出到P1端口，而反轉(zhuǎn)子程序按逆序取表中的內(nèi)容輸出到P1端口。主程序調(diào)

10、用子程序的時間間隔（可用軟件延時或中斷的方法實現(xiàn)）決定了輸出脈沖的頻率，從而決定步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速。第22頁，共27頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)6分，星期四11.3 驅(qū)動電路 驅(qū)動電路一種脈沖放大電路，使脈沖具有一定的功率驅(qū)動能力。 要求： 提高步進(jìn)電動機(jī)的快速性； 提高步進(jìn)電動機(jī)的平穩(wěn)性。單電壓驅(qū)動單電壓串電阻驅(qū)動雙電壓驅(qū)動高低壓驅(qū)動斬波恒流驅(qū)動H橋驅(qū)動多相橋驅(qū)動升頻升壓驅(qū)動集成模塊式驅(qū)動器細(xì)分驅(qū)動第23頁，共27頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)6分，星期四11.3.1 單電壓限流型驅(qū)動電路1、VT（晶體管）無觸點(diǎn)開關(guān)，使流過L的波形接近矩形波。2、L（電動機(jī)繞組） L 中電流不能突變，經(jīng)3 （時間常數(shù) ）時間后達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流（L繞組電感，r繞組電阻）。 ，嚴(yán)重影響啟動頻率。3、R（串聯(lián)電阻） ，縮短 上升的過渡時間，提高工作速度。第24頁，共27頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)6分，星期四4、C（并聯(lián)電容或加速電容）C上的電壓不能突變，在截止到導(dǎo)通的瞬間，電源電壓全落在繞組上， 。5、V(二極管)VT截止時起續(xù)流和保護(hù)作用，以防繞組產(chǎn)生