机电传动控制13

1、第三章 步进电动机传动控制 3.1 3.1 步进电动机步进电动机 3.2 3.2 步进电动机的环形分配器步进电动机的环形分配器 3.3 3.3 步进电动机的驱动电路步进电动机的驱动电路 3.4 3.4 步进电动机的运行特性及使用步进电动机的运行特性及使用步进电动机对步进电动机施加一个电脉冲后，其转轴就转过一个角度，称为对步进电动机施加一个电脉冲后，其转轴就转过一个角度，称为一步一步。脉冲数增加脉冲数增加，直线或角位移随之增加；脉冲频率高，则电动机，直线或角位移随之增加；脉冲频率高，则电动机旋转速度旋转速度就高；就高；改变改变分配脉冲的相序，电动机便分配脉冲的相序，电动机便逆转逆转。3.1 步进

2、电动机步进电动机区别区别步进电机步进电机普通电机普通电机运动形式运动形式步进步进连续连续驱动电源驱动电源脉冲电压脉冲电压正旋交流或直流正旋交流或直流 概念：概念：步进电动机是一种将电脉冲信号转换成直线步进电动机是一种将电脉冲信号转换成直线 或角位移的执行元件。或角位移的执行元件。 差别：差别： 步进电动机是受其输入信号，即一系列的电脉冲控制步进电动机是受其输入信号，即一系列的电脉冲控制而动作的。而动作的。 步进电动机、驱动电源和控制器构成步进电动机传动步进电动机、驱动电源和控制器构成步进电动机传动控制系统控制系统产生的电产生的电脉冲信号脉冲信号将电脉冲信号按一定将电脉冲信号按一定的顺序加到电动

3、机的的顺序加到电动机的各相绕组上各相绕组上步进电机的优点 控制特性好： 误差不长期积累； 步距值不受各种干扰因素的影响。步进电动机的转子运动的速度主要取决于脉冲信号的频率，总位移量取决于总的脉冲信号数；故它作为伺服电动机应用于控制系统时，往往可以使系统简化，工作可靠，而且可获得较高的控制精度，在多数情况下，可以代替交直流伺服电动机。步进电动机的应用 在机械、电子、纺织、轻工、化工、石油、邮电、冶金、文教和卫生等行业，特别是在数控机床上都获得越来越广泛的应用。 本章从应用的角度介绍步进电动机的基本结构、工作原理、主要技术指标、运行持性和影响因素，环形分配器方式和功率驱动电路等。 3.1.1 步进

4、电动机的结构与工作原理步进电动机的结构与工作原理3.1 步进电动机步进电动机 1结构特点结构特点 由定由定子子和和转子转子两大部分组成。两大部分组成。 定子定子由硅钢片叠成，装上一定相由硅钢片叠成，装上一定相数的控制绕组；数的控制绕组； 转子转子用硅钢片叠成或用软磁性材用硅钢片叠成或用软磁性材料做成凸极结构；转子本身没有励磁料做成凸极结构；转子本身没有励磁绕组的叫做绕组的叫做“反应式步进电动机反应式步进电动机”；用永久磁铁做转子的叫做用永久磁铁做转子的叫做“永磁式永磁式步步进电动机进电动机”。定子有定子有6个磁极，每两个个磁极，每两个相对的磁极上绕有一相相对的磁极上绕有一相控制绕组。控制绕组。

5、转子上装有转子上装有4个凸齿。个凸齿。2、 工作原理工作原理U-V-W-UU相通电，V、W相不通电转子齿1和3与U对齐。 而V、W两相的定、转子齿各错开30（1）基本工作原理V相通电，U、W相不通电转子齿2和4与V对齐， 转子顺时针方向旋转30 W相通电，U、V相不通电转子齿1和3与W对齐， 转子又顺时针方向旋转30 结论：结论：当通电顺序为UVWU时，转子便按顺时针方向一步一步地转动。每换接一次，则转子前进一步，一步所对应的角度称为步距角(30 ) 。 电流换接三次，磁场旋转一周，转子前进一个齿距的位置，一个齿距所对应的角度称为齿距角(此例中转子有四个齿，齿距角为90 )。换向：只要改变通电

6、顺序，如U-W-V-U。转一圈所步数：34=mz。（2）通电方式）通电方式 步进电动机的步进电动机的转速转速即取决于控制绕组通电的即取决于控制绕组通电的频率频率，又又取决于绕组通电方式取决于绕组通电方式。1)单相轮流通电方式单相轮流通电方式 ： “单单”是指每次切换前后只有一相绕组通电，是指每次切换前后只有一相绕组通电， 这种通电分配方式叫做这种通电分配方式叫做m相单相单m状态；状态； 步进电动机以一种通电状态转换到另一种通电状态步进电动机以一种通电状态转换到另一种通电状态就叫做一就叫做一“拍拍”。 上例就是上例就是单相轮流通电方式单相轮流通电方式 ，即三相单三拍通电，即三相单三拍通电，步距角

7、为步距角为30。特点：电动机工作的稳定性较差，容易失步。特点：电动机工作的稳定性较差，容易失步。 m相，相，z个齿的步进电动机，转一转所需步数为个齿的步进电动机，转一转所需步数为m z2)双相轮流通电方式双相轮流通电方式 “双双”是指每次有两相绕组通电是指每次有两相绕组通电 这种通电分配方式叫做这种通电分配方式叫做m相双相双m状态，状态， 按照按照UVVWWUUV称为三相双三拍通电，步距称为三相双三拍通电，步距角为角为30 。 特点：特点：由于两相通电，力矩就大些，定位精度高而不由于两相通电，力矩就大些，定位精度高而不 易失步。易失步。 步进电动机每转步数亦为步进电动机每转步数亦为m z步。步

8、。 当当U和和V两相同时通电时，转子稳定位置将会停留在两相同时通电时，转子稳定位置将会停留在U、V两两定子磁极对称的中心位置上，三相六拍步距角为定子磁极对称的中心位置上，三相六拍步距角为15。 是单和双两种通电方式的组合应用，这种通电分配方式是单和双两种通电方式的组合应用，这种通电分配方式叫做叫做m相相2m状态，转一转所需步数为状态，转一转所需步数为2mz步。步。 如如UUVVVWWWUU称为三相六拍通电。称为三相六拍通电。 3)单双相轮流通电方式单双相轮流通电方式 3.1.2 小步距角电动机转子若和若和U相磁极中心对齐的转子相磁极中心对齐的转子齿为齿为1号齿，因号齿，因V相磁极与相磁极与U相

9、相磁 极 差磁 极 差 1 2 0 ， 且， 且120/9=13（1/3），故转子），故转子齿不能与齿不能与V相定子齿对齐，只相定子齿对齐，只有有13号小齿靠近号小齿靠近V相磁极的中相磁极的中心线，与中心线相差心线，与中心线相差3；错位错位齿距齿错距 m/ 定子和转子小齿符合如下规则：定子和转子小齿符合如下规则：当当U相定子齿和转子齿对齐，则相定子齿和转子齿对齐，则V相的定子齿相对于转子齿顺时相的定子齿相对于转子齿顺时针方向错开针方向错开13齿距；而齿距；而w相的相的定子齿相对于转子齿顺时针方向定子齿相对于转子齿顺时针方向错开错开23齿距；依此类推齿距；依此类推 电机转动的工作原电机转动的工作

10、原理理总结：错齿是步进电动机旋转的根本原因总结：错齿是步进电动机旋转的根本原因当定子绕当定子绕组按组按UVW顺顺序轮流通序轮流通电时，转电时，转子就顺时子就顺时针方向一针方向一步一步地步一步地移动，各移动，各相绕组轮相绕组轮流通电一流通电一次，转子次，转子就转过一就转过一个齿距。个齿距。2 . 336036000ZKmNZbb拍数齿距步距角KmNN21KKZ 拍数，状态系数转子齿数步距角步距角步距角步距角绕组每通电一次（即运行一拍），绕组每通电一次（即运行一拍），转子就走一步，即转过一定的角度。转子就走一步，即转过一定的角度。通电脉冲频率步进电动机转速ffKmZfKmZfnb3 . 36060

11、22602003403360b005 . 14032360b 若步进电动机的Z40时，其步距角为三相单三拍三相双三拍结论：结论：z越多，相数越大，则电机运行拍数越多，步越多，相数越大，则电机运行拍数越多，步距角越小，精度越高距角越小，精度越高步进电机即可按角度控制，也可按速度控制1 1、按工作原理分类、按工作原理分类 励磁式：励磁式：电机的定子转子均有绕组，靠电磁力矩使转子转 动。 反应式：反应式：转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使 转子转动。这是我国步进电动机发展的主要类型 特点：气隙小，定位精度高；步距较小，控制准确；励磁 电流大，要求驱动电源功率大；电动机内部阻尼较 长，相数小时

12、，单步运行震荡时间较长；断电后无 定位转矩，使用中需自锁定位。3.1.3 步进电动机分类永磁式：永磁式：转子或定子的某一方具有永久磁钢，另一方是 由软磁材料制成。绕组轮流通电，建立的磁场 与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生转矩。 特点：控制精度不高，控制功率小，效率高；内阻尼 较大，震荡时间短；断电后有一定的自锁功能混合式混合式(即永磁感应子式即永磁感应子式) 它与反应式的主要区别是转子上置有磁钢。永磁感应式电机具有驱动电流小、效率高、过载能力强等优点，是一种很有发展前途的步进电动机 特点：驱动电流小，效率高，过载能力强、控制精度 高，代表着步进电机的发展趋势 1、按工作原理分类、按工作原理分类

13、 快速步进电动机快速步进电动机 该类电动机输出转矩一般为该类电动机输出转矩一般为0.07 N.m4 N.m。可控。可控制小型精密机床的工作台制小型精密机床的工作台(例如，线切割机床例如，线切割机床)。 功率步进电动机功率步进电动机 其输出转矩一般为其输出转矩一般为5 N.m40 N.m。可直接驱动机床。可直接驱动机床移动部件。移动部件。2、按输出转矩大小分、按输出转矩大小分按励磁相数按励磁相数可分为三相、四相、五相、六相等。相数越多，可分为三相、四相、五相、六相等。相数越多，步距角越小，但结构越复杂。步距角越小，但结构越复杂。按定子排列按定子排列还可分为多段式还可分为多段式(轴向式轴向式)和单

14、段式和单段式(径向式径向式)。轴。轴向式的转动惯量小，快速性和稳定性好，功率步进电动机多向式的转动惯量小，快速性和稳定性好，功率步进电动机多为轴向式。为轴向式。3.2 步进电动机的环形分配器3.2.1 3.2.1 步进电动机的驱动方式步进电动机的驱动方式典型的步进电机控制系统的组成3.2.2 步进电动机的环形分配器步进电动机的环形分配器 环形分配器环形分配器是根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加是根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加到放大器上，使各相绕组按一定的顺序和时间导通和关断到放大器上，使各相绕组按一定的顺序和时间导通和关断 步进电机旋转方向步进电机旋转方向和内部绕组的通电顺序有关和内部

15、绕组的通电顺序有关 环形分配器环形分配器由电动机的励磁绕组数（相数）和工作方式决由电动机的励磁绕组数（相数）和工作方式决定定 环形分配器环形分配器有硬件和软件有硬件和软件两种两种 硬件环分：硬件环分：较好的响应速度，直观、维护方便等特点；较好的响应速度，直观、维护方便等特点； 软件环分：软件环分：往往受到微机运算速度的限制，有时难以满足往往受到微机运算速度的限制，有时难以满足高速、实时控制的要求。高速、实时控制的要求。1.1.硬件环形分配器硬件环形分配器表表3.1 3.1 环形分配器逻辑真值环形分配器逻辑真值序号控制信号状态输出状态导电绕组CAJ CBJ CCJQA QB QC01 1 01

16、0 0A10 1 01 1 0AB20 1 10 1 0B30 0 10 1 1BC41 0 10 0 1C51 0 01 0 1CA61 1 01 0 0ABXAXCJAXCXBJcXBXAJQWQWCQWQWCQWQWC CH50是专为三相反应式步进电动机设计是专为三相反应式步进电动机设计的环形分配器，这种集成电路采用的环形分配器，这种集成电路采用CMOS工艺，集成度高，可靠性好。它的管脚图工艺，集成度高，可靠性好。它的管脚图及三相六拍工作时的接线图如图及三相六拍工作时的接线图如图39所示所示 (1) 集成脉冲分配器集成脉冲分配器 12. 软件环分软件环分 一般微机需作如下设置一般微机需作

17、如下设置u 设置输出口设置输出口存储单元地址存储单元地址单元内容单元内容对应通电相对应通电相K+0K+0K+1K+1K+2K+2K+3K+3K+4K+4K+5K+501H(0001)01H(0001)03H(0011)03H(0011)02H(0010)02H(0010)06H(0110)06H(0110)04H(0100)04H(0100)05H(0101)05H(0101)A AABABB BBCBCC CCACAu 设计环形分配子程序设计环形分配子程序u 设计延时子程序：改变步进频率设计延时子程序：改变步进频率3.3 步进电动机的驱动电路3.3.1 单电压限流型驱动电路单电压限流型驱动电

18、路 Rr/L 时间常数R R：缩短了绕组中电流的上升时间：缩短了绕组中电流的上升时间C C：加速电容：加速电容VDVD：续流和保护作用：续流和保护作用特点：特点：线路简单，成本低，低频时响应好线路简单，成本低，低频时响应好缺点：缺点：效率低，电阻效率低，电阻R R上有功率消耗，高上有功率消耗，高 频带载能力差，实际应用少频带载能力差，实际应用少3.3.2 双电压驱动电路双电压驱动电路 优点：优点：功耗小，起动力矩大，突跳频率和工作频率高，高频段出功耗小，起动力矩大，突跳频率和工作频率高，高频段出 力较大力较大；适于高频大功率步进电机。；适于高频大功率步进电机。 缺点：缺点：低频运行时输入能量过

19、大，造成低频振荡加剧，波形呈凹低频运行时输入能量过大，造成低频振荡加剧，波形呈凹形，输出转矩下降；大功率管的数量要多一倍，增加了驱动电源。形，输出转矩下降；大功率管的数量要多一倍，增加了驱动电源。环形分配器经环形分配器经放大后提供放大后提供定时器或定定时器或定流器经放大流器经放大后提供后提供3.3.3 斩波驱动电路斩波电路斩波电路是为了弥补双电压电路是为了弥补双电压电路波形呈现凹形的缺陷，改善输出转波形呈现凹形的缺陷，改善输出转矩下降，使励磁绕组中的电流维持矩下降，使励磁绕组中的电流维持在额定值附近。在额定值附近。特点：特点： 结构复杂。结构复杂。 效高率。效高率。由于没有外接阻；由于没有外接

20、阻； 由于驱动电压较高，由于驱动电压较高，电流上升电流上升很快；很快； 加反馈，加反馈，绕组电流恒定绕组电流恒定，在很，在很大的频率范围内大的频率范围内输出转矩恒定输出转矩恒定，大，大大改善了高频响应特性。大改善了高频响应特性。斩波驱动分为斩波驱动分为自激式自激式和和他激式他激式。3.3.4 升频升压驱动电路 提高供电电压提高供电电压 导致导致 低频振动加剧低频振动加剧 为了减小低频振动，要求驱动电源对绕组提供的电压为了减小低频振动，要求驱动电源对绕组提供的电压与电动机运行频率建立直接联系：与电动机运行频率建立直接联系： 低频时用较低电压供电，使低速时绕组电流上升的低频时用较低电压供电，使低速

21、时绕组电流上升的前沿较平缓，这样才能使转子在到达新的稳定平衡位置时前沿较平缓，这样才能使转子在到达新的稳定平衡位置时不产生过冲；不产生过冲； 高频时用较高电压供电，在高速时则应使电流有较高频时用较高电压供电，在高速时则应使电流有较陡的前沿，以产生足够的绕组电流，才能提高步进电动机陡的前沿，以产生足够的绕组电流，才能提高步进电动机的带载能力。的带载能力。 升频升压驱动电路可满足此要求。升频升压驱动电路可满足此要求。升频升压驱动电路3.3.5 细分驱动电路特点：特点：1)不改动电动机结构参数的不改动电动机结构参数的情况下，能使步距角减小，情况下，能使步距角减小，但细分后的齿距角精度不但细分后的齿距

22、角精度不高，且驱动电源的结构也高，且驱动电源的结构也相应复杂。相应复杂。 2)使步进电动机运行平稳，使步进电动机运行平稳，提高均匀性，并能减弱或提高均匀性，并能减弱或消除振荡。消除振荡。3)绕组电流不是方波而是阶绕组电流不是方波而是阶梯波梯波将一个步距角细分为若干个步的驱动电路称为将一个步距角细分为若干个步的驱动电路称为细分电路细分电路。实现阶梯波供电的方法 1) 1)先放大后叠加。是将通过先放大后叠加。是将通过细分环形分配器所形成的细分环形分配器所形成的各个等幅等宽的脉冲，分各个等幅等宽的脉冲，分别进行放大，然后在电动别进行放大，然后在电动机绕组中叠加起来形成阶机绕组中叠加起来形成阶梯波。梯

23、波。 2)2)先叠加后放大。利用运算先叠加后放大。利用运算放大器来叠加，或采用公放大器来叠加，或采用公共负载的方法，把方波合共负载的方法，把方波合成变成阶梯波，然后对阶成变成阶梯波，然后对阶梯波进行放大再去驱动步梯波进行放大再去驱动步进电动机。其中的放大器进电动机。其中的放大器可采用线形放大器或恒波可采用线形放大器或恒波斩波放大器等。斩波放大器等。3.3 步进电动机的驱动电路单电压限流型驱动电路实际接线单电压限流型驱动电路实际接线缺点缺点：电阻电阻R R上有上有功率消耗功率消耗 3.4 步进电动机的运行特性及使用基本特点基本特点 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步进电动机工作

24、时的步数或转速既不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件化的影响，也不受环境条件( (温度、压力、冲击和振动等温度、压力、冲击和振动等) )变化的影响，变化的影响，只与控制脉冲同步只与控制脉冲同步，它又能按照控制的要求，它又能按照控制的要求进行启动、停止、反转或改变速度进行启动、停止、反转或改变速度( (且能在较宽的范围内且能在较宽的范围内通过改变脉冲频率来进行调速通过改变脉冲频率来进行调速) )。 同时步进电动机具有同时步进电动机具有自锁能力自锁能力，当控制电脉冲停止输人，当控制电脉冲停止输人，而让最后一个脉冲控制的绕组继续通人直流时，则电动机而让最后一个脉冲控制的绕组继续通人直流时，则

25、电动机可以保持在固定的位置上。可以保持在固定的位置上。3.4.1 步进电动机的运行特性及影响因素步进电动机的运行特性及影响因素初始稳定平衡位置初始稳定平衡位置: :指指单相通电时，单相通电时，步进电动机在空载情步进电动机在空载情况下，况下，转子齿将和通电相磁极上的小齿对齐，此位置为转子齿将和通电相磁极上的小齿对齐，此位置为 ；偏转角偏转角：转子齿偏离初始平衡位置的角度转子齿偏离初始平衡位置的角度( (空间角空间角) )。n1 1 矩角特性矩角特性矩角特性矩角特性 是反映步进是反映步进电动机电磁转矩电动机电磁转矩T随偏转角随偏转角 的关系。的关系。emaxsinTT n1 矩角特性矩角特性 若用

26、电角度e表示偏转角则 e = z 矩角特性曲线： T =f（ e ） 此曲线可近似的用一条正弦曲线表示maxs TT41时当te最大静转矩步进电动机的最主要性能之一，反映了电机带负载的能力。步进电动机的最主要性能之一，反映了电机带负载的能力。2、 单步运行特性单步运行特性 指步进电机在单相或多相通电状态下，仅改变一次通电状态时的运行方式或输入频率很低，以致加第二脉冲前，前一步已走完，转子运行已经停止的状态称为单步运行状态（1）稳定区稳定区静稳定区动稳定区在空载时，稳定平衡位置对应于=0处，而=180 则为不稳定平衡位置。在静态情况下，如受外力矩的作用使转子偏离稳定平衡位置，但没有超出相邻的不稳

27、定平衡点，则当外力矩除去以后，电动机转子在静态转矩作用下仍能回到原来的稳定平衡点，所以二个不稳定平衡点之间的区域构成静态稳定区。 emaxsinTT 静态稳态区最大静转矩若改变通电状态由U相转为V相，矩角特性将向前移动一个矩角be，转子将转到新的稳定平衡位置O1，新稳定区为 。 在改变通电状态时，只有当转子起始位置位于ab之间才能使它向O1点运动。因此称区间ab为电动机空载时的动态稳定区。动态稳定区ab),(bebe （2）单步运行特性 （2）单步运行特性衰减周期衰减周期衰减时间衰减时间 （2）单步运行特性JzTmnn3. 连续脉冲运行特性连续脉冲运行特性 (1)极低频条件下运行极低频条件下运

28、行 指控制脉冲周期大于转指控制脉冲周期大于转子单步运行振荡的衰减时间。子单步运行振荡的衰减时间。与单步运行方式相同。与单步运行方式相同。 转子的运行特性具有典型转子的运行特性具有典型的步进特性；运行的步进电的步进特性；运行的步进电动机多数处于动机多数处于欠阻尼欠阻尼状态，状态，不可避免地产生振荡，但其不可避免地产生振荡，但其振幅不会超过步距角，因此振幅不会超过步距角，因此不会出现失步和越步现象。不会出现失步和越步现象。btT 转子运行转子运行特点特点是前一个脉冲使转子产生的振荡还没衰减是前一个脉冲使转子产生的振荡还没衰减完，第二个脉冲已经到来，转子所处的位置与脉冲频率有关，完，第二个脉冲已经到

29、来，转子所处的位置与脉冲频率有关，该位置是第二个脉冲转子的起始位置。该位置是第二个脉冲转子的起始位置。04/1fftb (2) 低频条件下运行低频条件下运行 第一种情况：U相O0 V相SV相b点 W相c点 不失步第二种情况：U相O0 V相SV相b点 W相c点 失三步 使步进电动机能正常启动的最高频率。 拍数越多，极限起动频率越高； 负载转矩越大，起动频率越低；（起动矩频特性） 转子转动惯量越小，起动频率越高。（起动惯频特性）极限启动频率：极限启动频率： 高频时，在前一个脉冲作用下，转子的振荡尚没到达第一个振幅，第二个脉冲已来而又一次改变通电状态。 步进电动机连续、平稳地转动。步进电动机在小于极

30、限起动频率下正常起动后，控制脉冲再缓慢地升高。因为缓慢升高脉冲频率，转子加速度很小，转动惯量的影响可以忽略。但此时电动机随运行频率增高，负载能力变差，反映了步进电动机的运行频率特性。04ff 最高运行频率受限最高运行频率受限注意：最高运行频率受限 原因有三：原因有三： 1、频率增高，输入矩形脉冲信号发生畸变，使电流平、频率增高，输入矩形脉冲信号发生畸变，使电流平均值下降，引起输出转矩下降；均值下降，引起输出转矩下降； 2、频率增高，定子绕组中产生附加感应电势，最大动、频率增高，定子绕组中产生附加感应电势，最大动机阻尼；机阻尼； 3、铁心中涡流损耗增加、铁心中涡流损耗增加 最终造成转子跟不上脉冲

31、变化而导致最终造成转子跟不上脉冲变化而导致失步。失步。4、加减速特性、加减速特性 步进电机由静止到工作频率或由工作频率到静止过程中，励磁通电频率与时间的关系)(00:tfffff过程中，或即减速工作工作加速要求：频率升，转速升； 频率降，转速降。限制：升速和减速时间不 能过小，否则易失 步或越步5、脉冲信号频率对步进电动机运行的影响、脉冲信号频率对步进电动机运行的影响 频率增高，输入矩形脉冲频率增高，输入矩形脉冲信号发生畸变，使电流平均值信号发生畸变，使电流平均值下降，引起输出转矩下降；下降，引起输出转矩下降；最终造成电机最终造成电机起动不了起动不了或转子跟或转子跟不上脉冲变化而导致不上脉冲变

32、化而导致失步。失步。最高运行频率受限最高运行频率受限提高频率的措施提高频率的措施 减小电机的时间常数、提高减小电机的时间常数、提高动态转矩、减小惯量、釆用阻尼动态转矩、减小惯量、釆用阻尼等来提高等来提高fmax 惯性影响从两方面分析：惯性影响从两方面分析： 1、起动：起动：使电机起动不起来；使电机起动不起来； 2、运行中：运行中：失步。（由于振荡）失步。（由于振荡） 消除方法：阻尼法消除方法：阻尼法6、转子机械惯性对步进电动机运行的影响、转子机械惯性对步进电动机运行的影响 当控制脉冲的时间间隔大于步进电动机的过渡过程时，电动机呈步进运行状态，即输入脉冲频率较低，在第二步走之前第一步已经结束。

33、步进电动机在运行中存在振荡，它有一个固有频率，若输入脉冲频率等于固有频率时就要产生共振，使步进电动机振荡不前。对同一电动机，在不同负载(如不同机床)情况下，其共振区是不同的，必要时可外加调节阻尼器，以保证工作正常进行。7、步进运行和低频振荡、步进运行和低频振荡3.4.2 步进电动机的性能指标和应用 1.步进步进电动机的性能指标电动机的性能指标 1.步距角步距角 2.精度精度步距角精度步距角精度负载轴最小位移增量传动比min9 . 3miniib差负载轴上允许的角度误累积误差LLbi最大静负载转矩启动转矩maxmaxmax11. 35 . 03 . 0LstLstsLTTTTTT 12. 35

34、. 03 . 0/maxLstTT 3.转矩转矩 1）保持转矩：）保持转矩：绕组不通电时电磁转矩的最大值。反应 式步进电机保持转矩为零 2）静转矩：）静转矩：不改变通电状态即电机静止时转矩，是电 流与偏转角的函数。3）动转矩：）动转矩：转子转动时最大输出转矩，与运行频率有关4、响应频率 响应频率：在某一频率范围，步进电机可以任意运行而不丢步,则这一最大频率为。突跳频率或牵入频率：通常用起动频率来作为衡量的指标，它是能不丢步地起动的极限频率。与负载的大小有关，负载的大小包含负载转矩和负载转动惯量两个方面的意义。技术参数中常给出空载起动频率，它随负载的增加而显著下降，选用时应注意这一点。5、运行频

35、率 运行频率：指频率连续上升时，电动机能不失步运行的极限频率。它的值也与负载的大小有关。 在相同负载情况下，连续频率的值远大于响应频率或起动频率。 它也随着电机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。6、矩频特性 fst=f(TL) 起动矩频特性 fst=f(J) 起动惯频特性 fc=f(TL) 运行矩频特性2.使用使用步进步进电动机应注意的几个电动机应注意的几个问题问题 ( l)起动转矩选择：根据式（起动转矩选择：根据式（3.13）。）。 (2)步距角及步距累积误差。步距角及步距累积误差。 (3)起动频率和最高频率满足要求。起动频率和最高频率满足要求。 (4)驱动电源的优劣对步进电

36、动机控制系统的运行影响极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。进的驱动电源，以满足步进电动机的运行性能。 (5)若所带负载转动惯量较大，则应在低频下启动，然后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。频率再停车。2.使用使用步进步进电动机应注意的几个电动机应注意的几个问题问题 (6)在工作过程中，应尽量避免由于负载突变而引起的误差。在工作过

37、程中，应尽量避免由于负载突变而引起的误差。 (7)若在工作中发生失步现象，首先，应检查负载是否过大，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元件。处理问题时不应随意变换元件。 例 题 例例3.13.1一台三相反应式步进电动机，一台三相反应式步进电动机，采用三相六拍分配方式，转子有采用三相六拍分配方式，转子有4040个齿，脉冲源频率为个齿，脉冲源频率为600Hz600Hz，求：求：(1)(1)写出一个循环的通电程序写出一个循环的通电程序,(2),(2)求步进电动

38、机步距角求步进电动机步距角(3)(3)求步进电动机转速求步进电动机转速 n n 解解 (1)(1)脉冲分配方式有两种：脉冲分配方式有两种：A-AB-B-BC-C-CA A-AC-C-CB-B-BA 0005 . 13240/3603602ZKmb min/ r150324060060ZKmf60n3 例例3.23.2 若一台若一台 BFBF系列四相反应式步进电动机，其步矩系列四相反应式步进电动机，其步矩角为角为 1.81.80 0/0.9/0.90 0。试问：。试问： (1)1.8(1)1.80 0/0.9/0.90 0表示什么意思表示什么意思? ? (2) (2)转于齿数为多少转于齿数为多少

39、? ? (3) (3)写出四相八拍运行方式的一个通电顺序。写出四相八拍运行方式的一个通电顺序。 (4)(4)在在A A相测得频率为相测得频率为400Hz400Hz时，其每分钟的转速为多时，其每分钟的转速为多少少? ?解解 (I)(I)根据步进电机结构的概念可知根据步进电机结构的概念可知1.81.80 0/0.9/0.90 0分别表分别表示单四拍运行的步距角和单双八拍运行的步距角。示单四拍运行的步距角和单双八拍运行的步距角。 50148 . 1360ZZKm3602000 以单四拍计算(3) A-AB-B-BC-C-CD-D-DA min/ r4805040060ZNNf60ZKmf60n4 相

40、第四章第四章 机电传动速度连续控制机电传动速度连续控制 4.1 概述 4.2 电力电子器件介绍 4.3 直流电动机无级调速系统 4.4 交流电动机无级调速系统 4.1.1 4.1.1 无级调速无级调速 无级调速无级调速: :机电传动速度连续控制是指在一机电传动速度连续控制是指在一定的控制下，工作机构能够实现任意连续的速度定的控制下，工作机构能够实现任意连续的速度变化，变化，即无级调速。即无级调速。 无级调速方式：无级调速方式：机械传动、流体传动、气体机械传动、流体传动、气体传动或电气传动等。传动或电气传动等。4.1 4.1 概述概述 电气无级调速电气无级调速 实际上是通过不同的电气控制系统对直

41、流电动机和交实际上是通过不同的电气控制系统对直流电动机和交流电动机进行控制（改变电压、频率等参数），使其输出流电动机进行控制（改变电压、频率等参数），使其输出轴的转速连续而任意地变化，分别称为直流调速和交流调轴的转速连续而任意地变化，分别称为直流调速和交流调速。速。 各自优点：各自优点： 直流电动机无级调速：具有良好的调速特性和宽广的直流电动机无级调速：具有良好的调速特性和宽广的调速范围。调速范围。 交流异步电动机：结构简单、价格低廉、运行可靠。交流异步电动机：结构简单、价格低廉、运行可靠。异步电动机采用变频调速方法后，调速范围广，系统效率异步电动机采用变频调速方法后，调速范围广，系统效率高。

42、高。4.1.2 4.1.2 无级调速静态技术指标无级调速静态技术指标 1 1）静差率）静差率 电动机在某一机械特性曲线所电动机在某一机械特性曲线所示状态下运行时，额定负载下示状态下运行时，额定负载下所产生的转速降落与理想空载所产生的转速降落与理想空载转速之比，即称为静差率，用转速之比，即称为静差率，用S S表示。表示。 1 . 4000nnnnnSNN 无级调速技术指标有分为无级调速技术指标有分为静态指标静态指标和和动态指标动态指标。 1 1、静态技术指标、静态技术指标 主要有主要有静差率、调速范围静差率、调速范围两项。两项。转差率表示了电动机运行时转速转差率表示了电动机运行时转速的稳定程度的

43、稳定程度.n0 一定时，一定时，S与机械特性硬度有关与机械特性硬度有关: 特性越硬，特性越硬，S越小，电动机越稳定越小，电动机越稳定S与同步转速与同步转速n0成反比。成反比。最低转速受允许静差率限制最低转速受允许静差率限制2 2）调速范围）调速范围 电动机在额定负载下调速时，允许的最高转速电动机在额定负载下调速时，允许的最高转速与最低转速之比，与最低转速之比，称调速范围，用称调速范围，用D表示，表示，即即 2 . 4/minmaxnnD 3 . 4111/22max22max0202max02maxminmaxSnSnSSnnnnnnnnnnnDNNNN 22maxminmax1/SnSnnn

44、DN 表示系统调速范围、静差度、转速降与最大转速之间的关系。表示系统调速范围、静差度、转速降与最大转速之间的关系。最高转速最高转速nmax- - -电动机铭牌确定电动机铭牌确定; ;S S2 2- 应该等于或小于生产机械要求的静差度应该等于或小于生产机械要求的静差度S; S; D -D -生产机械的要求所决定生产机械的要求所决定. . 在这三者为定值时，则要求在这三者为定值时，则要求nN也为定值。也可以说，同一也为定值。也可以说，同一个调压调速系统中个调压调速系统中, ,nN一定时，在不同的静差度下就有不同的一定时，在不同的静差度下就有不同的调速范围。调速范围。静差度越高，调速范围越小。静差度

45、越高，调速范围越小。 因此，在说明调速系统所能达到的调速范围时，必须同时说因此，在说明调速系统所能达到的调速范围时，必须同时说明其所能允许的最小静差度，否则，就毫无意义明其所能允许的最小静差度，否则，就毫无意义。 式还指出了在保证式还指出了在保证一定静差度一定静差度的前提下，的前提下，扩大系统调速扩大系统调速范围的方法是提高电动机机械特性硬度以减小范围的方法是提高电动机机械特性硬度以减小nN。）绝缘栅双极晶体管（）功率场效应晶体管（大功率晶体管可关断晶闸管双向晶闸管单向晶闸管电力半导体器件IGBTMOSFET)()()()(GTRGTOTRIACSCR4.2 4.2 电力电子器件简介电力电子器

46、件简介 4.2.1 4.2.1 电力电子器件分类电力电子器件分类两大分支：半控型器件和全控型器件两大分支：半控型器件和全控型器件全控型全控型器件又分为器件又分为单极性、双极性和混合型单极性、双极性和混合型G P1P2N1N24.2 4.2 电力电子器件简介电力电子器件简介4.2.2 4.2.2 电力电子器件开关特性电力电子器件开关特性1 1、普通晶闸管、普通晶闸管（SCR） （1）在）在0t1之间之间: 开开关关S未合上，未合上，ug=0，尽管，尽管uAK0，但，但ud=0，即晶闸，即晶闸管未导通；管未导通； （2）在）在t1t2之间之间 : uAK0 ，由于开关，由于开关S合上，合上，使使u

47、g0，而，而 ， 即即晶闸管导通；晶闸管导通；2uudB B、晶闸管的工作原理、晶闸管的工作原理 （3）在）在 t2t3 之间，之间， uAK0，但，但 ud=0，即晶闸管关断；，即晶闸管关断； （4）在）在 t3t4 之间，之间， uAK0，这时，这时ug0 ,而而 ，所以，晶闸管又导通；，所以，晶闸管又导通；2uud （5）当）当 t=t4 时，时， ug=0 ，但，但uAK0 ， ，即晶闸管仍处于导通状态；，即晶闸管仍处于导通状态；2uud （6）当）当 t=t5 时，时， uAK=0 ， ug=0 ，而，而ud=0，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。

48、 B.B.晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理结论：结论：1 1、起始时若控制极不加、起始时若控制极不加电压，则不论阳极加正电压，则不论阳极加正电还是反电，晶闸管均电还是反电，晶闸管均不通，说明具有不通，说明具有双向阻双向阻断能力；断能力；2 2、导通条件：阳极和控、导通条件：阳极和控制极同时加正压；制极同时加正压；3 3、晶闸管导通后，、晶闸管导通后，G G极极失去作用，若使晶闸管失去作用，若使晶闸管再次阻断，必须将再次阻断，必须将A A极正极正向电压降低到一定值向电压降低到一定值. . T1T2G2Bii 1BG22Ciii 在极短时间内使两个在极短时间内使两个三极管均饱和导通，此三极管均饱和

49、导通，此过程称触发导通过程称触发导通。211CCii 2BG21ii EGEA+_RGi2BiG21iG2i C.C.晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性触发电压（电流）A、K间加直流6V时，使元件导通的控制极最小电压（电流） 晶闸管阳极对阴极的电压和流过晶闸管的电流之间的关系称为晶闸管阳极对阴极的电压和流过晶闸管的电流之间的关系称为晶闸管的伏安特性。晶闸管的伏安特性。 额定电压额定电压, ,用百位或千位数表示用百位或千位数表示取取UFRM或或URRM较小者较小者额定正向平均电流额定正向平均电流( (IF) 晶闸管晶闸管K P普通型普通型如如KP5-7表示表示额定正向平均电流为额定正向平均电流为5

50、A, ,额定电压为额定电压为700V。UFRM:晶闸管晶闸管控制极开路且正向阻断情况下控制极开路且正向阻断情况下, ,允许重复允许重复加在加在晶闸管晶闸管两端的正向峰值电压。两端的正向峰值电压。一般取一般取UFRM = = 80% UB0 。普通普通晶闸管晶闸管 UFRM 为为100V 3000V控制极开路时控制极开路时, ,允许重复作用在允许重复作用在晶闸管晶闸管元件上的反向元件上的反向峰值电压。峰值电压。一般取一般取 URRM = 80% UBR 普通普通晶闸管晶闸管 URRM为为100V3000VURRM：)(sin21m0mFIttdII 环境温度为环境温度为4040 C C及及标准散

51、热条件下，标准散热条件下，晶闸管处于晶闸管处于全导全导通时通时可以连续通过的工频正弦半波电流的平均值。可以连续通过的工频正弦半波电流的平均值。 IF t 2 i如果正弦半波电流的最大值为如果正弦半波电流的最大值为Im, 则则普通晶闸管普通晶闸管IF为为1A 1000A。 利用万用表的欧姆档来识别管脚和判别管子好坏的办法。其测试方法可按表进行。如何判别管子的好坏如何判别管子的好坏 F.F.晶闸管的应用晶闸管的应用 1)1)顺变装置顺变装置（交流电变成直流电）（交流电变成直流电） 可变电压电源、恒压、恒流源、直流电机电源可变电压电源、恒压、恒流源、直流电机电源 2)2)逆变装置逆变装置（直流变成交

52、流电源）（直流变成交流电源） 频率精度高，负荷变化时输岀稳定，恒频率电源、频率精度高，负荷变化时输岀稳定，恒频率电源、不间断电源、交流电机电源。不间断电源、交流电机电源。 3)3)变频装置变频装置（顺变和逆变的组合）用于同步机和（顺变和逆变的组合）用于同步机和异步机的调速。异步机的调速。 4)4)直流电动机的调速直流电动机的调速（可代替直流发电机）（可代替直流发电机） 效率高、响应快、体积小、重量轻。效率高、响应快、体积小、重量轻。 2 2、可关断晶闸管、可关断晶闸管工作特点：工作特点：1. G极可控制元件导通极可控制元件导通与关断（不同极性脉冲与关断（不同极性脉冲信号）信号）2.触发电流触发

53、电流(20mA)比普比普通晶闸管大通晶闸管大(30uA）3. 应用直流调压和开关应用直流调压和开关电路（大容量）电路（大容量）。 大功率晶体管也称双极结型晶体管（大功率晶体管也称双极结型晶体管（BJT)BJT)，可在高，可在高电压和强电流下使用的这种晶体管称为功率晶体管。电压和强电流下使用的这种晶体管称为功率晶体管。3、大功率晶体管（、大功率晶体管（GTR） ( 1) 基本构成基本构成 变频器用的一般都是达林变频器用的一般都是达林顿晶体管顿晶体管(复合管复合管)模块，其内模块，其内部的基本电路如图部的基本电路如图(4.4a)所示。所示。它的三个极分别是集电极它的三个极分别是集电极(C)、发射极

54、发射极(E)和基极和基极(B)。根据变。根据变频器的工作特点，在晶体管旁频器的工作特点，在晶体管旁还并联了一个反向联接的续流还并联了一个反向联接的续流二极管。二极管。又根据逆变桥的又根据逆变桥的特点，常做成双特点，常做成双管 模 块管 模 块 ( ( 见 图见 图4.4b)4.4b)，甚至做成，甚至做成6 6 管模块。管模块。( 2) 工作状态工作状态 和普通晶体管一样，和普通晶体管一样，GTR也具有三种基本的工也具有三种基本的工作状态。作状态。 1 1）放大状态）放大状态 BCII 2 2）饱和状态）饱和状态5V1UR/UIR/UICSECCCSCCB 饱饱和和压压降降深深度度饱饱和和饱饱和

55、和状状态态 3 3）截止状态）截止状态0 BIIC/mA0UCE/VICMU(BR)CE0ICEOPCM安全工作区（3） 主要参数主要参数击穿电压漏电流饱和电流饱和压降截止参数饱和参数开关参数（4）应用）应用 它已在直流脉宽调速和交流矢量控制的PWM调速中及变频调速中得到广泛应用。开关过程中参数开关过程中参数 开通时间开通时间toN：从B极通人正向信号电流时起，到集电极电流上升到0.9ICS所需要的时间。 关断时间关断时间toFF：从基极电流撤消时起，至Ic下降至0.1ICS所需的时间。 (4)变频器用变频器用GTR的选用的选用 1）UCEO ：通常按电源线电压ULl峰值的2倍来选择。 2）I

56、CM 按额定负载下，通过GTR的额定电流IN峰值的2倍进行选择，即 GTR是用电流信号进行驱动的，所需驱动功率较大，故基极驱动系统比较复杂，并使工作频率难以提高，这是其不足之处。 LCEOUU22NCMII224、绝缘栅型场效应管（功率MOSFET）符号符号 分类：分类： MOS管也分为管也分为N沟道和沟道和P沟沟道两种。道两种。 根据工作方式的不同又分为根据工作方式的不同又分为增强型增强型和和耗尽型耗尽型两类。两类。1、符号和分类、符号和分类D漏极；S源极；G栅极控制控制信号信号ID改变改变 单极型、电压控制型器件：G与S间的控制信号是电压信号，改变uGS的大小，主电路的漏极电流ID跟着改变

57、。 由于G与S间输入电阻大，故控制电流几乎为 0，控制端基本上不需要电流，所需驱动功率小，驱动系统简单 开关速度非常快10100ns；频率在100KHZ以上 热稳定性好、安全工作区大等优点。与大功率晶体管相比有许多与大功率晶体管相比有许多优点：优点：电流容量小，耐压低典型的应用有高频开关电源。供直流和交流电动机调速用的斩波器和逆变器系统、感应加热用高频发生器、超声波发生器、音频放大器、调幅发射机、计算机外围设备、通讯设备以及一些特殊场合。缺点：缺点：应用：应用：5、绝缘栅双极晶体管（IGBT）P-MOSFET通断驱动控制功率小开关速度快通态压降大难制成高压大电流器件GTR通断驱动控制功率大开关

58、速度慢通态压降小可制成高压大电流器件IGBT组成：输入采用P-MOSFET 输出采用GRT4.3 4.3 直流电动机无级调速系统直流电动机无级调速系统 4.3.1 他励直流电机 1、基本结构换向器定子转子 根据电动机的工作原理，直流电机的组成可分为根据电动机的工作原理，直流电机的组成可分为定子定子、转子转子和和换向器换向器三大部分。三大部分。 定子部分定子部分主要由定子铁心和绕在上面的励磁绕组两部分组成。主要由定子铁心和绕在上面的励磁绕组两部分组成。 转子部分转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。 换向器换向器由换向片和电刷组成，电刷固定在定子上，换向

59、片与由换向片和电刷组成，电刷固定在定子上，换向片与电电枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触。枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触。 定子剖面图主磁极换向极磁极数主磁极的个数磁极对数=磁极数/2转子换向片转轴电枢线圈转子结构图转子结构图 (转子硅钢冲片图）电枢铁芯硅钢冲片电刷换向片 换向器图换向器图2 2、 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理 为了讨论直流电机的工作原理，可把复杂的直流电机结为了讨论直流电机的工作原理，可把复杂的直流电机结构简化为电机具有一对主磁极，电枢绕组只是一个线圈，线圈构简化为电机具有一对主磁极，电枢绕组只是一个线圈，线圈两端分别联在两个换向片上，换向片上压着电刷两端

60、分别联在两个换向片上，换向片上压着电刷A和和B。1 主磁极主磁极：励磁绕组上加：励磁绕组上加上直流电压，励磁绕组上有上直流电压，励磁绕组上有励磁电流通过，使定子铁心励磁电流通过，使定子铁心产生固定磁场，即定子的主产生固定磁场，即定子的主要作用是产生主磁场。要作用是产生主磁场。 2电枢绕组电枢绕组：在固定的磁场中：在固定的磁场中旋转，主要作用是产生旋转，主要作用是产生感应电动感应电动势或产生势或产生机械转矩机械转矩，实现能量的，实现能量的转换。转换。3、4换向器换向器：电刷固定不动，：电刷固定不动，换向片与电枢绕组一起旋转，换向片与电枢绕组一起旋转，主要作用对主要作用对电动机电动机而言，则是而言