交流伺服電機(jī)的工作原理

控制電機(jī)9.1伺服電動(dòng)機(jī)9.2測(cè)速發(fā)電機(jī)9.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二執(zhí)行元件的種類(lèi)現(xiàn)在是2頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二伺服電動(dòng)機(jī)控制方式的基本形式現(xiàn)在是3頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二

異步電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)等都是作為動(dòng)力使用的，其主要任務(wù)是能量的轉(zhuǎn)換。各種控制電機(jī)有各自的控制任務(wù)：如:伺服電動(dòng)機(jī)將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象；測(cè)速發(fā)電機(jī)將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓，并傳遞到輸入端作為反饋信號(hào)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或線位移。

本章介紹的各種控制電機(jī)的主要任務(wù)是轉(zhuǎn)換和傳遞控制信號(hào)，能量的轉(zhuǎn)換是次要的。

控制電機(jī)的種類(lèi)很多，本章只討論常用的幾種:伺服電機(jī)、測(cè)速電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)。

對(duì)控制電機(jī)的主要要求：動(dòng)作靈敏、準(zhǔn)確、重量輕、體積小、耗電少、運(yùn)行可靠等?，F(xiàn)在是4頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二伺服電動(dòng)機(jī)可分為兩類(lèi)：伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。其功能是將輸入的電壓控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為軸上輸出的角位移和角速度，驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。交流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)9.1

伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)可控性好，反應(yīng)迅速。是自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備中常用的執(zhí)行元件。現(xiàn)在是5頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二交流伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī)就是一臺(tái)兩相交流異步電機(jī)。它的定子上裝有空間互差90的兩個(gè)繞組：勵(lì)磁繞組和控制繞組，其結(jié)構(gòu)如圖所示。勵(lì)磁繞組控制繞組杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)定子交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖現(xiàn)在是6頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二放大器檢測(cè)元件控制信號(hào)+–+–控制繞組勵(lì)磁繞組+++–––1勵(lì)磁繞組串聯(lián)電容C,是為了產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。適當(dāng)選擇電容的大小，可使通入兩個(gè)繞組的電流相位差接近90,從而產(chǎn)生所需的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。交流伺服電動(dòng)機(jī)的接線圖和相量圖(a）接線圖1(b)相量圖現(xiàn)在是7頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二控制電壓與電源電壓頻率相同，相位相同或反相。放大器檢測(cè)元件控制信號(hào)+–+–控制繞組交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理與單相異步電動(dòng)機(jī)有相似之處。勵(lì)磁繞組固定接在電源上，當(dāng)控制電壓為零時(shí)，電機(jī)無(wú)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)。

若有控制電壓加在控制繞組上，且勵(lì)磁電流和控制繞組電流不同相時(shí)，因此便產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)?，F(xiàn)在是8頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二

交流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：不僅要求它在靜止?fàn)顟B(tài)下，能服從控制信號(hào)的命令而轉(zhuǎn)動(dòng)，而且要求在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)如果控制電壓變?yōu)榱悖妱?dòng)機(jī)立即停轉(zhuǎn)。但如果交流伺服電動(dòng)機(jī)的參數(shù)選擇和一般單相異步電動(dòng)機(jī)相似，電動(dòng)機(jī)一經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，即使控制等于零，電動(dòng)機(jī)仍繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)失去控制，這種現(xiàn)象稱為“自轉(zhuǎn)”。如何克服“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象呢？現(xiàn)在是9頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二正反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的合成轉(zhuǎn)矩特性(正向)(反向)正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)反當(dāng)單相勵(lì)磁時(shí)，在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍0<S1<1時(shí)，轉(zhuǎn)矩為正值，產(chǎn)生電動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。反轉(zhuǎn)時(shí)也同樣為電動(dòng)轉(zhuǎn)矩。現(xiàn)在是10頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二現(xiàn)增大轉(zhuǎn)子電阻，使Sm>1當(dāng)單相勵(lì)磁時(shí)，在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍0<S1<1時(shí)，轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)時(shí)也同樣為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。現(xiàn)在是11頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二加在控制繞組上的控制電壓反相時(shí)(保持勵(lì)磁電壓不變)，由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。

加在控制繞組上的控制電壓大小變化時(shí)，其產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的橢圓度不同，從而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也不同，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。不同控制電壓下的機(jī)械特性曲線n=f(T),

U1=常數(shù)TU20.8U20.6

U20.4U2on交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如圖所示。現(xiàn)在是12頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二在勵(lì)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(fù)載轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨控制電壓的下降而均勻減小。交流伺服電機(jī)的輸出功率一般為0.1-100W，電源頻率分50Hz、400Hz等多種。它的應(yīng)用很廣泛，如用在各種自動(dòng)控制、自動(dòng)記錄等系統(tǒng)中。應(yīng)用:現(xiàn)在是13頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二直流伺服電動(dòng)機(jī)

直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與直流電動(dòng)機(jī)基本相同。只是為減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電機(jī)做得細(xì)長(zhǎng)一些。直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理也與直流電動(dòng)機(jī)相同。供電方式：他勵(lì)供電。勵(lì)磁繞組和電樞分別由兩個(gè)獨(dú)立的電源供電。U1為勵(lì)磁電壓，U2為電樞電壓MU1I1I2U2放大器U++––直流伺服電動(dòng)機(jī)的接線圖現(xiàn)在是14頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二由機(jī)械特性可知：(1)一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，當(dāng)磁通不變時(shí)，U2n。(2)U2=0時(shí)，電機(jī)立即停轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)：改變電樞電壓的極性，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性與他勵(lì)直流電機(jī)相同一樣，也可用下式表示機(jī)械特性曲線如圖所示。直流伺服電動(dòng)機(jī)的n=f(T)曲線(U1=常數(shù))U20.8U20.6U20.4U2nTO現(xiàn)在是15頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二直流伺服電機(jī)的特性較交流伺服電機(jī)硬。通常應(yīng)用于功率稍大的系統(tǒng)中，如隨動(dòng)系統(tǒng)中的位置控制等。直流伺服電機(jī)輸出功率一般為1-600W。應(yīng)用：現(xiàn)在是16頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二9.2測(cè)速發(fā)電機(jī)

測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器。在許多自動(dòng)控制系統(tǒng)中，它被用來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)速，向控制電路提供與轉(zhuǎn)速大小成正比的信號(hào)電壓。測(cè)速發(fā)電機(jī)分為交流和直流兩種類(lèi)型。交流測(cè)速發(fā)電機(jī)交流測(cè)速發(fā)電機(jī)又分為同步式和異步式兩種，這里只分析異步式交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的工作原理?，F(xiàn)在是17頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二????1轉(zhuǎn)子定子勵(lì)磁繞組輸出繞組異步式交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電機(jī)相似，它的定子上有兩個(gè)繞組，一個(gè)是勵(lì)磁繞組，一個(gè)是輸出繞組。輸出繞組+–勵(lì)磁繞組+–交流測(cè)速發(fā)電機(jī)現(xiàn)在是18頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二工作時(shí)，測(cè)速發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組接交流電源U1，由U14.44f1N11可知：當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子切割1產(chǎn)生轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì)Er和轉(zhuǎn)子電流Ir，它們的大小與1和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n成正比：轉(zhuǎn)子電流Ir也產(chǎn)生磁通r，r在輸出繞組中感應(yīng)出電壓U2，U2的大小與r成正比：現(xiàn)在是19頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二綜合上述分析可知：當(dāng)U1恒定不變時(shí)，U2與n成正比，這樣，發(fā)電機(jī)就把被測(cè)裝置的轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)變成了電壓信號(hào)，輸出給控制系統(tǒng)。由于鐵心線圈電感的非線性影響，交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓U2與n間存在著一定的非線性誤差，使用時(shí)要注意加以修正?，F(xiàn)在是20頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二直流測(cè)速發(fā)電機(jī)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)分永磁式和他勵(lì)式兩種。兩種電機(jī)的電樞相同，工作時(shí)電樞接負(fù)載電阻RL。但永磁式的定子使用永久磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)，因而沒(méi)有勵(lì)磁線圈；他勵(lì)式的結(jié)構(gòu)與直流伺服電機(jī)相同，工作時(shí)勵(lì)磁繞組加直流電壓U1勵(lì)磁。他勵(lì)式直流測(cè)速發(fā)電機(jī)接線圖TGRLI2U2+–Ra+–EI1U1+–現(xiàn)在是21頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二當(dāng)被測(cè)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)E，其大小為：發(fā)電機(jī)的輸出電壓為：上式中代入：于是現(xiàn)在是22頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二可見(jiàn)，當(dāng)勵(lì)磁電壓U1保持恒定時(shí)（亦恒定），若Ra、RL不變，則輸出電壓U2的大小與電樞轉(zhuǎn)速n成正比。這樣，發(fā)電機(jī)就把被測(cè)裝置的轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)變成了電壓信號(hào)，輸出給控制系統(tǒng)。0nU2RL2<RL1RL=RL2RL1現(xiàn)在是23頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二值得注意的是，由于直流電機(jī)中存在著電樞反應(yīng)現(xiàn)象，使得輸出電壓U2與轉(zhuǎn)速n有一定的線性誤差。RL越小、n越大，誤差越大。因此，在使用中應(yīng)使RL和n的大小符合直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的技術(shù)要求。測(cè)速發(fā)電機(jī)的作用是將機(jī)械速度轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算裝置中作為檢測(cè)元件、校正元件等。如在恒速控制系統(tǒng)中，測(cè)速發(fā)電機(jī)將速度轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)作為反饋信號(hào)，達(dá)到調(diào)節(jié)速度的作用?，F(xiàn)在是24頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二9.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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)械移動(dòng)一小段距離。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jī)床、鐘表工業(yè)及自動(dòng)記錄儀等方面都有很廣泛的應(yīng)用現(xiàn)在是25頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二9.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

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，依靠電磁轉(zhuǎn)矩工作。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒(méi)有勵(lì)磁線圈。依靠變化的的磁阻生成磁阻轉(zhuǎn)矩工作。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最廣泛，它有兩相、三相、多相之分。這里主要討論三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。種類(lèi)：勵(lì)磁式和反應(yīng)式兩種。現(xiàn)在是26頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二下面以反應(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。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。采用Y連接，轉(zhuǎn)子有四個(gè)齒。定子轉(zhuǎn)子現(xiàn)在是27頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二1.工作原理

由于磁力線總是要通過(guò)磁阻最小的路徑閉合，因此會(huì)在磁力線扭曲時(shí)產(chǎn)生切向力，而形成磁阻轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。

現(xiàn)以ABCA的通電順序，使三相繞組

輪流通入直流電流，觀察轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)情況。BCIAIBIC現(xiàn)在是28頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二1.三相單三拍CA'BB'C'A3412

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(chǎng)，而磁力線總是力圖從磁阻最小的路徑通過(guò)，故電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子受到一個(gè)反應(yīng)轉(zhuǎn)矩，在此轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子必然轉(zhuǎn)到左圖所示位置：1、3齒與A、A′極對(duì)齊。“三相”指三相步進(jìn)電機(jī)；“單”指每次只能一相繞組通電；“三拍”指通電三次完成一個(gè)通電循環(huán)?，F(xiàn)在是29頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二CA'BB'C'A3412

同理，B相通電時(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。1C'342CA'BB'A現(xiàn)在是30頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二

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ABCA……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)磁場(chǎng)在空間旋轉(zhuǎn)了360°而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)90°(一個(gè)齒距角)。2.三相六拍按AABBBCC

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?，F(xiàn)在是31頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412

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?，F(xiàn)在是32頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二CA'BB'C'A3412

B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒與B、B′對(duì)齊,又轉(zhuǎn)過(guò)15。3412CA'BB'C'AB、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?，F(xiàn)在是33頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一個(gè)通電循環(huán)周期如下：AABBBCC

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。3.三相雙三拍按ABBCCA的順序給三相繞組輪流通電。每拍有兩相繞組同時(shí)通電?，F(xiàn)在是34頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二AB通電CA'BB'C'A3412BC通電3412CA'BB'C'ACA通電CA'BB'C'A3412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)通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)90(齒距角)?，F(xiàn)在是35頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二

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，如教材圖所示。圖中轉(zhuǎn)子表面有40個(gè)齒，現(xiàn)在是36頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二齒距角是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：數(shù)控裝置步進(jìn)電動(dòng)機(jī)電位器放大器液壓缸機(jī)械手電液伺服閥步進(jìn)電動(dòng)機(jī)根據(jù)數(shù)控裝置發(fā)出的指令帶動(dòng)電位器的動(dòng)觸電轉(zhuǎn)動(dòng)，使其偏離中點(diǎn)產(chǎn)生電位差，經(jīng)放大后控制伺服閥的開(kāi)口量，壓力油經(jīng)閥口進(jìn)入油缸，使機(jī)械手按照存儲(chǔ)在數(shù)控裝置中的指令動(dòng)作?，F(xiàn)在是37頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理主要解決如下幾個(gè)問(wèn)題：(1)用軟件的方法實(shí)現(xiàn)脈沖序列；(2)步進(jìn)電機(jī)的方向控制；(3)步進(jìn)電機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)。微機(jī)控制技術(shù)現(xiàn)在是38頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理

1．脈沖序列的生成圖脈沖序列微機(jī)控制技術(shù)P130現(xiàn)在是39頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理

★脈沖幅值由數(shù)字元件電平?jīng)Q定。TTL0～5VCMOS0～10V

★接通和斷開(kāi)時(shí)間可用延時(shí)的辦法控制。要求：確保步進(jìn)到位。微機(jī)控制技術(shù)現(xiàn)在是40頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二2．方向控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)部繞組的通電順序相關(guān)。三相步進(jìn)電機(jī)有三種工作方式：

★單三拍，通電順序?yàn)锳BC；

★雙三拍，通電順序?yàn)锳BBCCA；

★三相六拍，通電順序?yàn)?/p>

AABBBCCCA；步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理微機(jī)控制技術(shù)

改變通電順序可以改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向

現(xiàn)在是41頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理3.步進(jìn)電機(jī)通電模型的建立：（1）用微型機(jī)輸出接口的每一位控制一相繞組，【例如】用8255控制三相步進(jìn)電機(jī)時(shí)，可用PC.O、PC.1、PC.2分別接至步進(jìn)電機(jī)的A、B、C三相繞組。（2）根據(jù)所選定的步進(jìn)電機(jī)及控制方式，寫(xiě)出相應(yīng)控制方式的數(shù)學(xué)模型。上面講的三種控制方式的數(shù)學(xué)模型分別為：微機(jī)控制技術(shù)現(xiàn)在是42頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理

★三相單三拍步序控制位

工作狀態(tài)控制模型PC.7PC.6PC.5PC.4PC.3PC.2C相PC.1B相PC.0A相100000001A01H200000010B02H300000100C04H微機(jī)控制技術(shù)現(xiàn)在是43頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二★三相雙三拍用P1口的P1.2、P1.1、P1.0對(duì)應(yīng)C、B、A相進(jìn)行控制。現(xiàn)在是44頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理

★同理，可以得出雙三拍和三相六拍的控制模型：雙三拍03H，06H，05H★三相六拍01H，03H，02H，06H，04H，05H以上為步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的控制順序及數(shù)學(xué)模型，如按逆序進(jìn)行控制，步進(jìn)電機(jī)將向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。微機(jī)控制技術(shù)現(xiàn)在是45頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二

步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)的接口及程序設(shè)計(jì)

4.步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)的接口電路（1）由于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流較大，所以微型機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的連接都需要專門(mén)的接口及驅(qū)動(dòng)電路。接口電路可以是鎖存器，也可以是可編程接口芯片，如8255、8155等。驅(qū)動(dòng)器可用大功率復(fù)合管，也可以是專門(mén)的驅(qū)動(dòng)器。光電隔離器，一是抗干擾，二是電隔離，微機(jī)控制技術(shù)現(xiàn)在是46頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二

步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)的接口及程序設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)接口電路之一微機(jī)控制技術(shù)100100100現(xiàn)在是47頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二

步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)的接口及程序設(shè)計(jì)

總之，只要按一定的順序改變P1.0～P1.2三位通電的狀況，

即可控制步進(jìn)電機(jī)依選定的方向步進(jìn)。微機(jī)控制技術(shù)現(xiàn)在是48頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二

步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)的接口及程序設(shè)計(jì)由于步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)功率較大，可在微型機(jī)與驅(qū)動(dòng)器之間增加一級(jí)光電隔離器，以防強(qiáng)功率的干擾信號(hào)反串進(jìn)主控系統(tǒng)。如圖4-25微機(jī)控制技術(shù)現(xiàn)在是49頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二

步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)的接口及程序設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)接口電路之二微機(jī)控制技術(shù)001011100現(xiàn)在是50頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二

步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)的接口及程序設(shè)計(jì)2.步進(jìn)電機(jī)程序設(shè)計(jì)(1)步進(jìn)電機(jī)程序設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是：★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。（2）程序框圖

下面以三相雙三拍為例說(shuō)明這類(lèi)程序的設(shè)計(jì).微機(jī)控制技術(shù)現(xiàn)在是51頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二圖4.46三相雙三拍步進(jìn)電機(jī)控制程序流程圖p134微機(jī)控制技術(shù)現(xiàn)在是52頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二

步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)的接口及程序設(shè)計(jì)

ORG 0100H ROUNT1：MOV A，#N ；步進(jìn)電機(jī)步數(shù)→A JNB 00H，LOOP2 ；反向，轉(zhuǎn)LOOP2 LOOP1：MOV P1，#03H ；正向，輸出第一拍 ACALL DELAY ；延時(shí) DEC A ；A＝0，轉(zhuǎn)DONE JZ DONE MOV P1，06H ；輸出第二拍 ACALL DELAY ；延時(shí) DEC A ；A＝0，轉(zhuǎn)DONE JZ DONE MOV P1，05H ；輸出第三拍 ACALL DELAY ；延時(shí) DEC A ；A≠0，轉(zhuǎn)LOOP1 JNZ LOOP1

（3）程序根據(jù)圖4-46可寫(xiě)出如下步進(jìn)電機(jī)控制程序微機(jī)控制技術(shù)現(xiàn)在是53頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二

步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)的接口及程序設(shè)計(jì)微機(jī)控制技術(shù)AJMPDONE ；A＝0，轉(zhuǎn)DONELOOP2：MOV P1，03H ；反向，輸出第一拍

ACALLDELAY；延時(shí)DECA；A＝0，轉(zhuǎn)DONJZ DONE MOVP1，05H ；輸出第二拍 ACALLDELAY ；延時(shí)DEC A JZ DONE ； MOV P1，06H ；輸出第三拍 ACALLDELAY ；延時(shí) DEC A ；A≠0，轉(zhuǎn)LOOP2 JNZ LOOP2DONE：RETDELAY：

現(xiàn)在是54頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二計(jì)算例題（直線運(yùn)動(dòng))運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算動(dòng)力學(xué)計(jì)算選擇同步帶直徑Φ和步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)m計(jì)算電機(jī)力矩，選擇電機(jī)型號(hào)現(xiàn)在是55頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二四、計(jì)算例題（直線運(yùn)動(dòng)）已知：直線平臺(tái)水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)，最大行程L＝400mm，同步帶傳動(dòng)；往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期為T(mén)＝4s；重復(fù)定位誤差0.05mm；平臺(tái)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量M＝10kg，無(wú)外力。求：電機(jī)型號(hào)、同步帶輪直徑、最大細(xì)分?jǐn)?shù)。

平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算

平均速度為：設(shè)加速時(shí)間為0.1S；(步進(jìn)電機(jī)一般取加速時(shí)間為：0.1~1秒)(伺服電機(jī)一般取加速時(shí)間為：0.05~0.5秒)則加減速時(shí)間共為0.2S，且加減速過(guò)程的平均速度為最大速度的一半。

現(xiàn)在是56頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二故有：L＝0.2Vmax/2＋1.8Vmax＝0.4m得：Vmax＝0.4/（0.2/2＋1.8）＝0.211m/s所以，加速度為：加速距離：勻速距離：減速距離和加速距離相同，

動(dòng)力學(xué)計(jì)算

同步帶上需要拉力：

F＝Ma+f摩擦力：f＝Mg設(shè)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)＝0.1

則摩擦力：f＝0.1109.8＝9.8N慣性力:F1＝Ma＝102.11＝21.1N故：同步帶上要有拉力F＝F1+f＝21.1＋9.8＝30.9N

現(xiàn)在是57頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二選擇同步帶直徑Φ和步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)m

設(shè)同步帶直徑Φ＝30mm周長(zhǎng)為C＝3.14Φ＝3.1430＝94.2mm

核算定位精度：脈沖當(dāng)量δ＝C/(200m)<0.05；m>C/(2000.05)=94.2/(2000.05)=9.42核算最大轉(zhuǎn)速：nmax＝Vmax/C＝0.211/(94.2/1000)＝2.24r/s第2級(jí)主動(dòng)輪直徑仍取：Φ3＝30mm；第1級(jí)主動(dòng)輪直徑?。害?＝25mm；減速比?。篿＝1：3；顯然，細(xì)分?jǐn)?shù)太大，最大轉(zhuǎn)速太低。但是，同步帶直徑也不可能小2倍，所以只能增加一級(jí)減速現(xiàn)在是58頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二則第1級(jí)從動(dòng)輪直徑為?。害?＝75mm；電機(jī)最大轉(zhuǎn)速為：驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)：故，取4細(xì)分就很合適了。實(shí)際脈沖當(dāng)量：計(jì)算電機(jī)力矩，選擇電機(jī)型號(hào)

第2級(jí)主動(dòng)輪上的力矩：T2＝FΦ3/2

第1級(jí)主動(dòng)輪上，即電機(jī)軸上的力矩：T1＝T2i＝FΦ3/2i=0.155Nm由于沒(méi)有考慮同步帶的效率、導(dǎo)軌和滑塊裝配誤差造成的摩擦、同步帶輪的摩擦和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等因素，同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)在高速時(shí)扭矩要大幅度下降；所以，取安全系數(shù)為3比較保險(xiǎn)。故，電機(jī)力矩To＝0.1553＝0.465Nm現(xiàn)在是59頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的常見(jiàn)問(wèn)題

1、什么是步進(jìn)電機(jī)？在何種情況下該使用步進(jìn)電機(jī)？

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）。

您可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)您可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)調(diào)速的目的。因此在需要準(zhǔn)確定位或調(diào)速控制時(shí)均可考慮使用步進(jìn)電機(jī)。2、步進(jìn)電機(jī)分哪幾種？有什么區(qū)別？

步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（ＰＭ），反應(yīng)式（ＶＲ）和混合式（ＨＢ）

永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度或15度；

反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家８０年代已被淘汰。

混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相四相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。3、什么是保持轉(zhuǎn)矩(HOLDINGTORQUE）？

保持轉(zhuǎn)矩（ＨＯＬＤＩＮＧＴＯＲＱＵＥ)是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。保持轉(zhuǎn)矩越大則電機(jī)帶負(fù)載能力越強(qiáng)。由于步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說(shuō)2N.m的步進(jìn)電機(jī)，在沒(méi)有特殊說(shuō)明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進(jìn)電機(jī)。

現(xiàn)在是60頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二4、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式有幾種？

一般來(lái)說(shuō)，步進(jìn)電機(jī)有恒壓，恒流驅(qū)動(dòng)兩種，恒壓驅(qū)動(dòng)已近淘汰，目前普遍使用恒流驅(qū)動(dòng)。

5、步進(jìn)電機(jī)精度為多少？是否累積？

一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%。步進(jìn)電機(jī)單步的偏差并不會(huì)影響到下一步的精度因此步進(jìn)電機(jī)精度不累積。

6、步進(jìn)電機(jī)的外表溫度允許達(dá)到多少？

步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降甚至于丟失。因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來(lái)說(shuō)，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏１３０度以上，因此步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏８０－９０度完全正常。7、為什么步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速升高而下降？

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。8、為什么步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng)，并伴有嘯叫聲?

步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過(guò)程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚伲?。我們建議空載啟動(dòng)頻率選定為電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一圈所需脈沖數(shù)的２倍?，F(xiàn)在是61頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二9、如何克服兩相混合式步進(jìn)電機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)和噪聲？

步進(jìn)電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)振動(dòng)和噪聲大是其固有的缺點(diǎn)，一般可采用以下方案來(lái)克服：

A、如步進(jìn)電機(jī)正好工作在共振區(qū)，可通過(guò)改變減速比提高步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行速度。

Ｂ、采用帶有細(xì)分功能的驅(qū)動(dòng)器，這是最常用的，最簡(jiǎn)便的方法。因?yàn)榧?xì)分型驅(qū)動(dòng)器電機(jī)的相電流變流較半步型平緩。

Ｃ、換成步距角更小的步進(jìn)電機(jī)，如三相或五相步進(jìn)電機(jī)，或兩相細(xì)分型步進(jìn)電機(jī)。

Ｄ、換成直流或交流伺服電機(jī)，幾乎可以完全克服震動(dòng)和噪聲，但成本較高。

Ｅ、在電機(jī)軸上加磁性阻尼器，市場(chǎng)上已有這種產(chǎn)品，但機(jī)械結(jié)構(gòu)改變較大。10、細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)是否能代表精度？

步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)（請(qǐng)參考有關(guān)文獻(xiàn)），其主要目的是減弱或消除步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng)，提高電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度只是細(xì)分技術(shù)的一個(gè)附帶功能。比如對(duì)于步進(jìn)角為1.8度的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，如果細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置為４，那么電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)分辨率為每個(gè)脈沖0.45度，電機(jī)的精度能否達(dá)到或接近0.45度，還取決于細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器精度可能差別很大；細(xì)分?jǐn)?shù)越大精度越難控制。11、四相驅(qū)動(dòng)合式步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器的串聯(lián)接法和并聯(lián)接法有什么區(qū)別？

四相混合式步進(jìn)電機(jī)一般由兩相驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)，因此，連接時(shí)可以采用串聯(lián)接法或并聯(lián)接法將四相電機(jī)接成兩相使用。串聯(lián)接法一般在電機(jī)轉(zhuǎn)速較的場(chǎng)合使用。此時(shí)需要的驅(qū)動(dòng)器輸出電流為電機(jī)相電流的0.7倍，因而電機(jī)發(fā)熱??；并聯(lián)接法一般在電機(jī)轉(zhuǎn)速較高的場(chǎng)合使用（又稱高速接法），所需要的驅(qū)動(dòng)器輸出電流為電機(jī)相電流的1.4倍，因而電機(jī)發(fā)熱較大。現(xiàn)在是62頁(yè)\一共有67頁(yè)\編輯于星期二12、如何確定步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器直流供電電源？

Ａ、供電電源供電電壓的確定

混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的供電電源電壓一般是一個(gè)較寬的范圍，電源電壓通常根據(jù)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速和響應(yīng)要求來(lái)選擇。如果電機(jī)工作轉(zhuǎn)速較高或響應(yīng)要求較快，那么電壓取值也高，但注意電源電壓的紋波不能超過(guò)驅(qū)動(dòng)器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅(qū)動(dòng)器。如果電機(jī)工作轉(zhuǎn)速較低，則可以考慮電壓選取較低值。

Ｂ、