第4章步進電機的控制3

第四章

順序控制和數(shù)值控制之三楊根科上海交通大學自動化系2010年3月內(nèi)容提要概述順序控制器開環(huán)數(shù)值控制器步進電機的控制小結步進電機的控制步進電機：利用電磁鐵的作用原理將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為線位移或角位移的機電式數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換器

◆輸入：脈沖

◆

輸出：位移

◆

脈沖數(shù)：決定位移量

◆

脈沖頻率：決定位移的速度

步進電機的控制步進電機是將電脈沖信號變換成角位移或直線位移的執(zhí)行部件。步進電機可以直接用數(shù)字信號驅(qū)動，使用非常方便。

一般電動機都是連續(xù)轉(zhuǎn)動的，而步進電動機則有定位和運轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)，當有脈沖輸入時步進電動機一步一步地轉(zhuǎn)動，每給它一個脈沖信號，它就轉(zhuǎn)過一定的角度。步進電動機的角位移量和輸入脈沖的個數(shù)嚴格成正比，在時間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動機繞組通電的相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向。在沒有脈沖輸入時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)。因此非常適合于單片機控制。步進電機的控制步進電機還具有快速啟動、精確步進和定位等特點，因而在數(shù)控機床，繪圖儀，打印機以及光學儀器中得到廣泛的應用。步進電動機已成為除直流電動機和交流電動機以外的第三類電動機。傳統(tǒng)電動機作為機電能量轉(zhuǎn)換裝置，在人類的生產(chǎn)和生活進入電氣化過程中起著關鍵的作用。

步進電機的控制（2）步進電機的工作原理定子：3對磁極，6個齒轉(zhuǎn)子：4個齒步進電機的控制（3）

◆工作過程：

—A相通電：A相磁極與0、2號齒對齊；

—B相通電：由于磁力線作用，B相磁極與1、3號齒對齊；

—C相通電：由于磁力線作用，C相磁極與0、2號齒對齊；

—A相通電：由于磁力線作用，A相磁極與1、3號齒對齊；結論：定子按A->B->C->A相輪流通電，則磁場沿A、B、C方向轉(zhuǎn)動360度角，轉(zhuǎn)子沿ABC方向轉(zhuǎn)動了一個齒距的位置。齒數(shù)為4，齒距角為90度，即1個齒距轉(zhuǎn)動了90度步進電機的控制（4）

◆

步進電機的“相”和“拍”

—相：繞組的個數(shù)

—拍：繞組的通電狀態(tài)，三拍表示一個周期共有3種通電狀態(tài)，六拍表示一個周期有6種通電狀態(tài)，每個周期步進電機轉(zhuǎn)動一個齒距

◆

步進電機的步距角：步進電機每拍步進的角度

θ＝360/(NZ)(齒距角=360/Z)

—N：步進電機的拍數(shù)

—Z：轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。步進電機的控制（5）步進電機的工作方式

◆

單三拍方式

—正向旋轉(zhuǎn)，通電順序為A→B→C→A—反向旋轉(zhuǎn)，通電順序為A→C→B→A單三拍工作的電壓波形步進電機的控制（6）◆

雙三拍方式

—正向旋轉(zhuǎn)，通電順序為AB→BC→CA→AB—反向旋轉(zhuǎn)，通電順序為AB→AC→CB→AB雙三拍工作的電壓波形步進電機的控制（7）

◆三相六拍方式

—正向旋轉(zhuǎn)，通電順序為A→AB→B→BC→C→CA→A—反向旋轉(zhuǎn)，通電順序為A→AC→C→CB→B→BA→A三相六拍工作的電壓波形步進電機的控制（8）步進電機常規(guī)控制系統(tǒng)步進電機微機控制系統(tǒng)步進電機的控制（9）微機的運動控制功能

◆

改變輸出脈沖數(shù)，控制步進電機的走步數(shù)?！

◆

改變各相繞組的通電順序，控制步進電機的轉(zhuǎn)向，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)

◆

改變輸出脈沖的頻率，控制步進電機的轉(zhuǎn)速步進電機的控制（10）利用微機實現(xiàn)對步進電機的控制必須解決的問題：

◆脈沖序列的形成

★利用軟件形成脈沖序列步進電機的控制（11）★利用定時器形成脈沖序列步進電機的控制（12）◆延時或定時時間的確定設Ti為相鄰兩個進給脈沖之間的時間間隔，Vi為進給一步后的末速度，a為進給一步的加速度，則有：

步進電機的控制（13）◆步進電機的旋轉(zhuǎn)方向控制

★用單片機的一位輸出口控制步進電機的一相繞組，例如，可以用P1.0、P1.1、P1.2分別控制A、B、C三相繞組

★根據(jù)步進電機的類型和控制方式找出相應的控制模型

★

按照控制方式規(guī)定的順序向步進電機發(fā)送脈沖序列，即可控制步進電機的旋轉(zhuǎn)方向步進電機的控制（14）★三種不同工作方式下的控制模型

—單相三拍方式

—雙”相”三拍方式步序控制位通電狀態(tài)控制數(shù)據(jù)PC2/C相PC1/B相PC0/A相1001A01H2010B02H3100C04H步序控制位通電狀態(tài)控制數(shù)據(jù)PC2/C相PC1/B相PC0/A相1011AB03H2110BC06H3101CA05H步進電機的控制（15）—三相六拍方式步序控制位通電狀態(tài)控制數(shù)據(jù)PC2/C相PC1/B相PC0/A相1001A01H2011AB03H3010B02H4110BC06H5100C04H6101CA05H步進電機的控制（16）步進電機控制程序的設計

◆

判斷旋轉(zhuǎn)方向

◆按順序傳送控制脈沖

◆判斷所要求的控制步數(shù)是否傳送完畢

步進電機的控制（17）步進電機的變速控制

◆一個靜止的步進電機不可能一下子穩(wěn)定到較高的工作頻率，必須在啟動的瞬間采取加速的措施；反之，從高速運行到停止也應該有減速的措施

◆變速控制程序：在啟動時以低于響應頻率的速度運行，然后慢慢加速，加速到一定速率后以此速率恒速運行；當快要到達終點時，又使其慢慢減速，在低于響應頻率的速率下運行，直到走完規(guī)定的步數(shù)后停機步進電機的控制（18）◆變速控制的方法

—改變控制方式

—均勻地改變脈沖時間間隔

—改變定時器時間常數(shù)步進電機的控制實例（19）步進電機的控制實例（20）步進電機的控制實例（21）步進電機的控制實例（22）步進電機的控制實例（23）齒距角步距角步/轉(zhuǎn)步進電機的控制實例（24）步進電機的控制實例（25）2的補碼表示步進電機的控制實例（26）步進電機的控制實例（27）步進電機的控制實例（28）步進電機的控制實例（29）步進電機的控制實例（30/50）步進電機的控制實例（31）步進電機的控制實例（32）步進電機的控制實例（33）步進電機的控制符號處理（34）步進電機的控制符號處理（35）步進電機的控制符號處理（36）步進電機的控制符號處理（37）步進電機的控制符號處理（38）1-1/128全1碼0.9921875步進電機的控制實例（39）步進電機的控制實例（40）轉(zhuǎn)/秒2步進電機的控制實例（41）步進電機的控制實例（42）步進電機的控制實例（43）步進電機的控制實例（44）步進電機的控制實例（45）步進電機的控制實例（47）Vd=Ad*N步進電機的控制實例（48）10進制整數(shù)表示小數(shù)轉(zhuǎn)AB-1746PLC可選模塊接受CPU控制指令,降低軟件復雜性特性,圖4-53,p131小結通用順序控制器（PLC）開環(huán)數(shù)值控制的基本原理逐點比較法直線插補和圓弧插補原理步進電機的工作原理以及微機控制程序設計步進電機的進一步說明（50）步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構。一般電動機是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的，而步進電機的轉(zhuǎn)動是一步一步進行的。每輸入一個脈沖電信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度。通過改變脈沖頻率和數(shù)量，即可實現(xiàn)調(diào)速和控制轉(zhuǎn)動的角位移大小，具有較高的定位精度，其最小步距角可達0.75°，轉(zhuǎn)動、停止、反轉(zhuǎn)反應靈敏、可靠。在開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。步進電機的進一步說明（51）步進電機的分類

1.永磁式步進電機

2.反應式步進電機

3.混合式步進電機步進電機的基本結構和工作原理步進電機的進一步說明（51）1.永磁式步進電機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度或15度。2.反應式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。3.混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相。兩相步進角一般分為1.8度而五相步進角一般為0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛。步進電機的進一步說明（51）三相反應式步進電機的結構如圖所示定子、轉(zhuǎn)子是用硅鋼片或其他軟磁材料制成的。定子的每對極上都繞有一對繞組，構成一相繞組，共三相稱為A、B、C三相。步進電機的進一步說明（51）在定子磁極和轉(zhuǎn)子上都開有齒分度相同的小齒，采用適當?shù)凝X數(shù)配合，當A相磁極的小齒與轉(zhuǎn)子小齒一一對應時，B相磁極的小齒與轉(zhuǎn)子小齒相互錯開1/3齒距，C相則錯開2/3齒距。如圖所示。步進電機的進一步說明（52）步進電機的基本參數(shù)主要有以下內(nèi)容

1．電機固有步距角

2．步進電機的相數(shù)3．保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING

TORQUE）4．鉗制轉(zhuǎn)矩（DETENT

TORQUE）步進電機的進一步說明（52）電機固有步距角它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉(zhuǎn)動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，這個步距角可以稱之為“電機固有步距角”，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動器有關。步進電機的進一步說明（52）步進電機的相數(shù)步進電機的相數(shù)是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72°

。步進電機的進一步說明（52）保持轉(zhuǎn)矩保持轉(zhuǎn)矩是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。比如，當人們說2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進電機

。步進電機的進一步說明（52）鉗制轉(zhuǎn)矩鉗制轉(zhuǎn)矩是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。由于反應式步進電機的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有DETENT

TORQUE.步進電機的進一步說明（53）步進電機主要有以下特點1一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。步進電機的進一步說明（53）步進電機主要有以下特點2．步進電機外表允許的最高溫度取決于不同電機磁性材料的退磁點。

步進電機溫度過高時會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。步進電機的進一步說明（53）步進電機主要有以下特點3．步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。

當步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。步進電機的進一步說明（53）步進電機主要有以下特點4．步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。

步進電機有一個技術參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。PLC直接控制步進電機(54)使用PLC直接控制步進電機時，可使用PLC產(chǎn)生控制步進電機所需要的各種時序的脈沖。例如三相步進電機可采用三種工作方式：三相單三拍三相雙三拍三相單六拍PLC直接控制步進電機(54)可根據(jù)步進電機的工作方式，以及所要求的頻率（步進電機的速度），畫出A、B、C各相的時序圖。并使用PLC產(chǎn)生各種時序的脈沖例如：采用西門子S7-300PLC控制三相步進電機的過程。要求通過PLC可實現(xiàn)三相步進電機的起?？刂啤⒄崔D(zhuǎn)控制，以及三種工作方式的切換（每相通電時間為1秒鐘）。采用西門子S7-300PLC控制三相步進電機的過程(55)變量約定如下輸入：啟動按鈕SB1：I0.0方向選擇開關SA1：I0.1停止按鈕SB2：I0.2三相單三拍方式選擇SA2：I0.3三相雙三拍方式選擇SA3：I0.4三相單六拍方式選擇SA4：I0.5采用西門子S7-300PLC控制三相步進電機的過程(55)輸出：A相加電壓：Q0.0B相加電壓：Q0.1C相加電壓：Q0.2

啟動指示燈：Q0.3三相單三拍運行方式：Q0.4三相雙三拍運行方式：Q0.5三相單六拍運行方式：Q0.6輸出脈沖顯示燈：Q0.7采用西門子S7-300PLC控制三相步進電機的過程(55)三相單三拍正向的時序圖如圖所示采用西門子S7-300PLC控制三相步進電機的過程(55)三相雙三拍正向的時序圖如圖所示采用西門子S7-300PLC控制三相步進電機的過程(55)三相單六拍正向時序圖如圖所示PLC直接控制步進電機(55)編程方法1．使用定時器指令實現(xiàn)各種時序脈沖的要求：使用定器產(chǎn)生不同工作方式下的工作脈沖，然后按照控制開關狀態(tài)輸出到各相對應的輸出點控制步進電機。編程方法(55)1．例如：使用圖所示的程序可以產(chǎn)生所需要的脈沖：編程方法(55)M0.0作為總控制狀態(tài)位，控制脈沖發(fā)生指