机电传动控制电子教材及PPT(冯清秀)电子教案11

第十三章 步进电动机传动控制系统 11.1 步进电动机 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件。每当一个脉冲信号施加于电机的控制绕组时，其转轴就转过一个固定的角度（步距角），顺序连续地发给脉冲，则电机轴一步接一步地运转。 图11.1 步进电动机实物图 步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比，运行中无累积误差。 步进电机能方便地实现正、反转和调速、定位控制。特别是不需位置传感器或速度传感器就可以在开环控制下精确定位或同步运行。因此，步进电动机广泛应用在数字控制的各个领域。如各种数控机械、办公自动化产品、工厂自动化机器、计算机外设等。 步进电动机的缺点是不能达到很高的转速（一般小于1000到2000转/min）。存在低频振荡、高频失步等缺陷。另外，步进电机自身的噪声和振动较大。 一、步进电动机的工作原理 步进电动机的种类很多，按工作原理分，有反应式（Variable-reluctance）、永磁式（Permanent-magnet）、混合式（Hybrid）三种。按输出转矩大小分，有快速步进电机、功率步进电机。按励磁相数分有二、三、四、五、六、八相等。按定子排列还可分为多段式(轴向式)和单段式(径向式)。 步进电动机的结构形式虽然繁多，但工作原理基本相同，下面仅以三相反应式步进电动机为例说明之。 如图11.2所示为一台三相反应式步进电动机的结构示意图。和一般旋转电动机一样，步进电机也分为定子和转子两大部分。定子部分由定子铁心、绕组、绝缘材料等组成。定子铁心是由硅钢片叠压而成的有齿的圆环状铁心。图中定子有6个磁极，每对磁极上绕有励磁绕组，由外部脉冲信号对各相绕组轮流励磁。如图所示。 转子部分由转子铁心、转轴等组成。转子铁心是由硅钢片或软磁材料叠压而成的齿形铁心。图中 转子上有4个凸齿。 若对励磁绕组以一定方式通以直流励磁电流，则转子以相应的方式转动。其转动原理其实就是电磁铁的工作原理 。 比如，给A相绕组通电时，转子位置如图（a），转子齿偏离定子齿一个角度。由于励磁磁通力图沿磁阻最小路径通过，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转动，当转子转到与定子齿对齐位置时(图b)，因转子只受径向力而无切线力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。由此可见：错齿是助使步进电机旋转的根本原因。 对于上述三相反应式步进电机，其运行方式有单三拍、单双拍及双三拍等通电方式。“单”、“双”、“拍”的意思是：“单”是指每次切换前后只有一相绕组通电，“双”就是指每次有两相绕相通电；而从一种通电状态转换到另一种通电状态就叫做一“拍”。 下面请仔细观看动画演示 结论： 1)三相单三拍工作方式：指对三相绕组单独轮流通电，三次换相（三拍）完成一个通电循环。通电顺序为A—B－Ｃ－Ａ时，转子按顺时针方向一步一步转动。通电顺序改为A－Ｃ－Ｂ－Ａ，时，转子按逆时针方向一步一步转动。可见，欲改变步进电机的旋转方向，则只要改变通电顺序即可。 电流换接三次，磁场旋转一周，转子前进一个齿距角（此例中转子有四个齿，则齿距角为90° ） 电流每换接一次转子前进一个角度称为步距角。此例中电流换接三次走完一个齿距角，则步距角为30° 2）三相单、双六拍工作方式：按A-AB-B-BC-C-CA-A或A-CA-C-BC-B-AB-A相序循环通电。同样，通电顺序改变时，旋转方向改变。而电流换接次数多了一倍，步子走得更细了，步距角为15° 3）三相双三拍工作方式：按AB-BC-CA-AB或AC-CA-BC-AC相序循环通电。步距角与三相单三拍工作方式相同也30°，运行稳定性较前者好。 综上所述，可得出： •通电频率提高，步进电动机的转速升高。 •每一循环中通电拍数越多，步距角减小。步进电动机的转速降低。 二、小步距角步进电机 上述三相反应式步进电机的步距角显然太大，不适合一般用途的要求，下面讨论实际的小步距角步进电动机。 小步距角步进电动机结构特点：如图 定转子外园均有齿和槽。定子、转子的齿宽和齿距相等。定子极面小齿和转子上的小齿位置符合下列规律：当A相的定子齿和转子齿对齐时(如图所对应位置)，B相的定子齿应相对于转子齿顺时针方向错开1/3齿距，而C相的定子齿又应相对于转子齿顺时针方向错开2/3齿距。 也就是，当某一相磁极下定子与转子的齿相对时，下一相磁极下定子与转子齿的位置则刚好错开((m、2((m 、3((m …依此类推。（ ( ——齿距；m——相数） 当定子通电循环一周时，转子转过一个齿距。设转子齿数为Z， 则转子齿距为： 因为每通电一次，转子走一步，故步距角为: (＝齿距/拍数＝360(/ZKm 式中，K——状态系数(单三拍、双三拍时，K=1；单、双六拍时，K=2)。 若步进电动机的Z=40，三相单三拍运行时，其步距角 若按三相六拍运行时，步距角 由此可见，步进电动机的转子齿数Z和定子相数(或运行拍数)愈多，则步距角愈小，控制越精确。 当定子控制绕组按着一定顺序不断地轮流通电时，步进电动机就持续不断地旋转。如果电脉冲的频率为f(HZ)，步距角用弧度表示，则步进电动机的转速为： 13.2步进电动机的驱动电源 一、驱动电源的组成 步进电机的运行要求足够功率的电脉冲信号按一定的顺序分配到各相绕组。所以，与其它旋转电机不同的是步进电机的工作需要专门的驱动。步进电机的驱动包含脉冲分配（环行分配）和功率放大两部分。如图所示。步进电机与驱动部分是一个不可分开的有机整体，步进电机系统的性能除了与电机本身的性能有关外，在很大程度上取决于所使用的功率驱动电路的类型与优劣。下图为常见的三相步进电机驱动系统结构示意图。 图中，若步进电机按三相单三拍方式运行，则脉冲分配器输出的A、B、C如下图所示。 当方向电平为低时，脉冲分配器的输出按A-B-C的顺序循环产生脉冲。 当方向电平为高时，脉冲分配器的输出按A-C-B的顺序循环产生脉冲。 脉冲分配器输出的每一相脉冲信号都需要通过功率放大以后才可连接到步进电机的各相绕组，从而使步进电机产生足够大的电磁转矩带动负载。 二、步进电动机的脉冲分配器 步进电动机的脉冲分配器可由硬件或软件方法来实现。硬件环形分配器有较好的响应速度，且具有直观、维护方便等优点。软件环分则往往受到微型计算机运算速度的限制，有时难以满足高速实时控制的要求。 1.硬件环形分配器 硬件环形分配器需根据步进电动机的相数和步进电机绕组的通电方式设计,图所示是一个三相六拍的环形分配器。 分配器的主体是三个J-K触发器。三个J-K触发器的Q输出端分别经各自的功放电路与步进电动机A、B、C三相绕组连接。电机正转时，要使A、B、C按A—AB—B—BC—C—CA顺序循环产生脉冲信号输出。电机反转时，则应以A—AC—C—CB—B—BA的顺序循环。电路中，决定正、反转的信号为W+、W-。 当使W+=1、W-=0时对应正转； W+=0、W-=1时对应反转。正、反转工作原理类似，下面仅对正转时的工作情况进行分析。 根据数字电子技术基础分析电路的工作原理可知，当复位端来一个脉冲信号时，三个J-K触发器被置初值，即 QA、QB、QC依次置为1、0、0。 每一个CP脉冲的下降沿将J-K触发器J端的状态锁存到Q端，可得出正转（W+=1、W-=0）时环形分配器的逻辑状态真值表。 表3.1。 序号 控制信号状态 输出状态 导电绕组 CAJ CBJ CCJ QA QB QC 0 1 1 0 1 0 0 A 1 0 1 0 1 1 0 AB 2 0 1 1 0 1 0 B 3 0 0 1 0 1 1 BC 4 1 0 1 0 0 1 C 5 1 0 0 1 0 1 CA 6 1 1 0 1 0 0 A 由此可见，连续的输入脉冲CP，将循环不断地在QA 、QB 、QC产生三相六拍式脉冲输出。 2．软件环形分配：软件环分的方法是利用计算机程序来设定硬件接口的位状态，从而产生一定的脉冲分配输出。对于不同的计算机和接口器件，软件环分有不同的形式。现以MCS-51系列单片机8031为例加以说明。 8031单片机本身包含4个8位I/O端口，分别为P0、P1、P2、P3。若要实现三相六拍方式的脉冲分配，需要三根输出口线，本例中选P1口的P1.0、P1.1、P1.2位作为脉冲分配的输出。如图所示。 根据8031单片机的基本原理，对P1.0、P1.1、P1.2位编程使其按表3.2 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 改变输出状态就实现了三相六拍分配任务。 表3.2 P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0 通电相 TABLE X X X X X 0 0 1 A TABLE+1 X X X X X 0 1 1 AB TABLE+2 X X X X X 0 1 0 B TABLE+3 X X X X X 1 1 0 BC TABLE+4 X X X X X 1 0 0 C TABLE+5 X X X X X 1 0 1 CA 表中P1.3~P1.7位在此例中不相干，可任意设为1或0。若设定为0，则向端口P1输送的内容依次为： 01H、03H、02H、06H、04H、05H。 编写程序时，将这些值按顺序存放在固定的只读存储器中，设计一个正转子程序和一个反转子程序供主程序调用。正转子程序按顺序取表中的内容输出到P1端口，而反转子程序按逆序取表中的内容输出到P1端口。主程序每调用一次子程序，就完成一次P1端口的输出。主程序调用子程序的时间间隔（可用软件延时或中断的方法实现）决定了输出脉冲的频率，从而决定步进电机转速。下面是正转子程序清单，反转子程序与此相类似。 正转子程序： CW： CJNE R0，#6，CW1；R0指示数据表中数据输出的相对指针 MOV R0，#0；若指针已指到表尾，则将指针重指表头 CW1： MOV A，R0 MOV DPTR，#TABLE；指针DPTR指向表头 MOVC A，@A+DPTR；从表中取值送到A中 MOV P1，A；A的内容送到输出端口P1 INC R0；为取下一个数做准备 RET 三、步进电动机的驱动电路 步进电动机的功率驱动电路实际上是一种脉冲放大电路，使脉冲具有一定的功率驱动能力。由于功率放大器的输出直接驱动电动机绕组，因此，功率放大电路的性能对步进电动机的运行性能影响很大。对驱动电路要求的核心问题则是如何提高步进电动机的快速性和平稳性。常见的经济型数控机床步进电动机驱动电路主要有以下几种。 1． 单电压驱动电路 图所示是步进电动机一相的驱动电路，L是电动机绕组，晶体管VT可以认为是一个无触点开关，它的理想工作状态应使电流流过绕组L的波形尽可能接近矩形波。但由于电感线圈中电流不能突变，在接通电源后绕组中的电流按指数规律上升。 时间常数 绕组中的电流须经一段时间后才能达到稳态电流（L为绕组电感，r为绕组电阻）。由于步进电动机绕组本身的电阻很小（约为零点几欧），所以，若不加外接电阻R其时间常数为L/r很大，绕组中电流上升速度很慢,从而严重影响电动机的启动频率。串以电阻R后，时间常数由变成L/（R+r），缩短了绕组中电流上升的过渡过程，从而提高了工作速度。 在电阻R两端并联电容C，是由于电容上的电压不能突变，在绕组由截止到导通的瞬间，电源电压全部降落在绕组上，使电流上升更快，所以，电容C又称为加速电容。 二极管V在晶体管VT截止时起续流和保护作用，以防止晶体管截止瞬间绕组产生的反电势造成管子击穿，串联电阻使电流下降更快，从而使绕组电流波形后沿变陡。 这种电路的缺点是R上有功率消耗，为了提高快速性，需加大R的阻值，随着阻值的加大，电源电压也势必提高（稳态电流达到一定值），功率消耗也进一步加大，正因为这样，单电压限流型驱动电路的使用受到了限制。 2． 高低压切换型驱动电路 高低压切换型驱动电路的最后一级如图所示。这种电路中，采用高压和低压两种电压供电，一般高压为低压的数倍。 若加在VT1和VT2管基极的电压和 如图(b)所示，则在 时间内，VT1和VT2均饱和导通，+80V的高压电源经VT1和VT2管加在步进电动机的绕组L上，使绕组电流迅速上升。 当时间到达时（采取定时方式），或当电流上升到某一数值时（采用定流方式）， 变为低电平，VT2管截止，电动机绕组的电流由+12V电源经VT1管来维持，此时，以 处的电流为初值，电流下降到电动机的额定电流. 当时间到达 时， 也为低电平，VT1管截止，电动机绕组电流经续流回路下降到零。 高低压驱动线路的优点是：功耗小，启动力矩大，突跳频率和工作频率高。缺点是：大功率管的数量要多用一倍，增加了驱动电源。 13.3 步进电动机的运行特性及选用中应注意的问题 一、步进电动机的运行特性及影响因素 1．步进电动机的基本特点 反应式步进电动机可以按特定指令进行角度控制，也可以进行速度控制。 角度控制时，每输入一个脉冲，定子绕组换接一次，输出轴就转过一个角度，其步数与脉冲数一致，输出轴转动的角位移与输入脉冲数成正比。 速度控制时，各相绕组不断地轮流通电，步进电动机就连续转动。反应式步进电动机转速只取决于脉冲频率、转子齿数和拍数，而与电压、负载、温度等因素无关。当步进电动机的通电方式选定后，其转速只与输入脉冲频率成正比，改变脉冲频率就可以改变转速，故可进行无级调速，调速范围很宽。同时步进电动机具有自锁能力，当控制电脉冲停止输入，而让最后一个脉冲控制的绕组继续通入直流时，则电动机可以保持在固定的位置上，这样，步进电动机可以实现停车时转子定位。 综上所述，步进电动机工作时的步数或转速既不受电压波动和负载变化的影响(在允许负载范围内)，也不受环境条件(温度、压力、冲击和振动等)变化的影响，只与控制脉冲同步，同时，它又能按照控制的要求进行启动、停止、反转或改变速度，这就是它被广泛地应用于各种数字控制系统中的原因。 2．矩角特性 矩角特性又称静态特性，指绕组中电流恒定，使转子处在各个不同位置且固定不动时电磁转矩随偏转角的变化关系。 定子一相绕组通以直流后，如果转子上没有负载转矩的作用，转子齿和通电相磁极上的小齿对齐，这个位置称为步进电动机的初始平衡位置。如图所示： 若用外力（静负载转矩不为零）使转子错开初始平衡位置一个角度。 转子齿偏离初始平衡位置的角度就叫转子偏转角(空间角)，若用电角度(e 表示，则由于定子每相绕组通电循环一周(电角度)，对应转子在空间转过一个齿距(空间角度)，故电角度是空间角度的Z倍。 就是矩角特性曲线。可以证明，此曲线可近似地用一条正弦曲线表示，如图所示。 从图看出，达到 时，即在定子齿与转子齿顺时针或反时针错开1/4个齿距时，转矩T沿对应方向达到最大值，称为最大静转矩 ，负载转矩必须小于最大静转矩，否则，根本带不动负载。为了能稳定运行，负载转矩一般只能是最大静转矩的30%~50%左右。因此，这一特性反映了步进电动机带负载的能力，通常在技术 资料 新概念英语资料下载李居明饿命改运学pdf成本会计期末资料社会工作导论资料工程结算所需资料清单 中都有说明，它是步进电动机的最主要的性能指针之一。 3．脉冲信号频率对步进电动机进行的影响 当脉冲信号频率很低时，控制脉冲以矩形波输入，电流波形比较接近于理想的矩形波；随着脉冲信号频率增高，由于电动机绕组中的电感有阻止电流变化的作用，因此电流波形发生畸变，频率越高，畸变越严重。如图所示，如果脉冲频率过高，电流还来不及上升到稳定值I就开始下降，于是，电流的幅值降低(由I下降到I()，因而产生的转矩减小，致使带负载的能力下降。故频率过高会使步进电动机启动不了或运行时失步而停下。因此，对脉冲信号频率是有限制的。 4．转子机械惯性对步进电动机运行的影响 从物理学可知，机械惯性对瞬时运动的物体要发生作用，当步进电动机从静止到起步，由于转子部分的机械惯性作用，转子一下子转不起来，因此，要落后于它应转过的角度，如果落后不太大，还会跟上来，如果落后太多，或者脉冲频率过高，电动机将会启动不起来。 另外，即使电动机在运转，也不是每走一步都迅速地停留在相应的位置，而是受机械惯性的作用，要经过几次振荡后才停下来，如果这种情况严重，就可能引起失步。因此，步进电动机都采用阻尼方法，以消除(或减弱)步进电动机的振荡。 二、 步进电动机的主要性能指标和使用 1．步进电动机的主要性能指针 1）步距角 步距角是步进电动机的主要性能指针之一。不同的应用场合，对步距角大小的要求不同。它的大小直接影响步进电动机的启动和运行频率，因此，在选择步进电动机的步距角时，若通电方式和系统的传动比已初步确定，则步距角应满足 式中， ——传动比； ——负载轴要求的最小位移增量(或称脉冲当量，即每一个脉冲所对应的负载轴的位移增量)。 例：如图所示。传动比i=4，丝杠导程=2mm，步距角 。求每一个脉冲所对应的丝杠的角位移量和工作台的线位移量。 解：本题已知步距角、传动比，求负载轴对应的脉冲位移增量。当步进电机选定，机械传动部分设计完成以后，负载轴对应的脉冲位移增量为 则 设步进电机每步对应工作台线位移为X(mm)，由于丝杠（单头）每转360(对应一个螺距的线位移，本例中螺距为2mm，所以 2）最大静转矩 负载转矩与最大静转矩的关系为 为保证步进电动机在系统中正常工作，还必须满足 式中， ——步进电动机启动转矩； ——最大静负载转矩。 通常取 以便有相当的力矩储备。 3）启动频率 突然给电机加上某一频率的输入脉冲使转子从静止状态启动，保证转子能不失步正常运行的最高脉冲频率称为启动频率。启动频率因负载不同而异。负载启动频率 比空载启动频率 大很多。因此，在选用电动机时应该注意到这一点。启动频率反映了步进电机跟踪的快速性。 4）精度 精度是用一周内最大的步距角误差值表示的。对于所选用的步进电动机，其步距精度应满足 式中， ——负载轴上所允许的角度误差。 5）连续运行频率 和矩频特性 步进电动机运行频率连续上升时，电动机不失步运行的最高频率称为连续运行频率 ，它的值也与负载有关。很显然，在同样负载下，运行频率 远大于启动频率。 反映了步进电机的最高运行速度，直接影响生产率。 在连续运行状态下，步进电动机的电磁力矩随频率的升高而急剧下降。这两者之间的关系称为矩频特性，如图所示为某步进电动机的矩频特性。 三、使用步进电动机时应注意的几个问题 （1）驱动电源的优劣对步进电动机控制系统的运行影响极大，使用时要特别注意，需根据运行要求，尽量采用先进的驱动电源，以满足步进电动机的运行性能。 （2）若所带负载转动惯量较大，则应在低频下启动，然后再上升到工作频率，停车时也应从工作频率下降到适当频率再停车。 （3）在工作过程中，应尽量避免由于负载突变而引起误差。 （4）若在工作中发生失步现象，首先，应检查负载是否过大，电源电压是否正常，再检查驱动电源输出波形是否正常，在处理问题时不应随意变换组件。 � EMBED Flash.Movie ��� � EMBED Flash.Movie ��� � EMBED Equation.3 ��� 脉 冲 分 配 器 功放电路 三 相 步 进 电 机 负载 功率电源 分配器电源 功放电路 功放电路 功率放大器 步进脉冲 方向信号 � EMBED Flash.Movie ��� A B C � EMBED Flash.Movie ��� � EMBED Flash.Movie ��� � EMBED word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 .Picture.8 ��� A相 B相 C相 � EMBED Flash.Movie ��� � EMBED Word.Picture.8 ��� 单电压驱动电路 � EMBED Word.Picture.8 ��� � EMBED Word.Picture.8 ��� 高低压切换型驱动电路 定子 转子 图13..9 初始平衡位置 � EMBED Word.Picture.8 ��� � EMBED Word.Picture.8 ��� 脉冲信号的畸变 � EMBED Flash.Movie ��� 0 f/HZ T/Kg(cm 矩频特性 _1125488506.unknown _1125488655.unknown _1125488706.unknown _1125488782.unknown _1125488801.unknown _1125488876.unknown _1125488877.unknown _1125488875.unknown _1125488842.unknown _1125488795.unknown _1125488731.unknown _1125488741.unknown _1125488718.unknown _1125488662.unknown _1125488682.unknown _1125488658.unknown _1125488633.unknown _1125488639.unknown _1125488646.unknown 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