步进电动机控制电机

1、第六章控制电机 第一节第一节 步进电动机传动控制系统步进电动机传动控制系统11.1 11.1 步进电动机步进电动机结构与工作原理结构与工作原理 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。件。 步进电动机的分类：步进电动机的分类：工作原理工作原理反应式反应式永磁式永磁式混合式混合式输出转输出转矩大小矩大小快速步进电机快速步进电机功率步进电机功率步进电机励磁相数励磁相数二、三、四、五、六、八相等二、三、四、五、六、八相等角位移角位移输入脉冲个数输入脉冲个数运行速度运行速度输入脉冲频率输入脉冲频率一、步进电动机的组成一、步进电动机

2、的组成 如图所示为一台三相反应式步进电动机的结构示意图如图所示为一台三相反应式步进电动机的结构示意图 定子定子：由定子铁心、绕组、绝缘：由定子铁心、绕组、绝缘材料等组成材料等组成 励磁绕组由外部脉冲信号对各励磁绕组由外部脉冲信号对各相绕组轮流励磁。如图所示。相绕组轮流励磁。如图所示。AAK1K2K3BCBC 转子：转子：由转子铁心、转轴等组成。转子铁心是由硅钢片或软磁材由转子铁心、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料叠压而成的齿形铁心。二、步进电动机的工作原理二、步进电动机的工作原理 给给A A相绕组通电时，转子位相绕组通电时，转子位置如图（置如图（a a），），转子齿

3、偏离定转子齿偏离定子齿一个角度。由于励磁磁子齿一个角度。由于励磁磁通力图沿磁阻最小路径通过，通力图沿磁阻最小路径通过，因此对转子产生电磁吸力，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转动，当转子转迫使转子齿转动，当转子转到与定子齿对齐位置时到与定子齿对齐位置时( (图图b)b)，因转子只受径向力而无切线因转子只受径向力而无切线力，故转矩为零，转子被锁力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。由此可见：定在这个位置上。由此可见：错齿是助使步进电机旋转的错齿是助使步进电机旋转的根本原因。根本原因。工作原理工作原理 T11-2.SWFT11-2.SWF 结论：结论： 通电顺序为通电顺序为A AB B时，转子

4、按顺时针方向一步一步转动时，转子按顺时针方向一步一步转动通电顺序改为通电顺序改为A A，时，转子按逆时针方向一步一步转，时，转子按逆时针方向一步一步转动。动。T11-3.SWFT11-3.SWF三、步进电动机的通电方式三、步进电动机的通电方式 1. 1. 单相通电方式：指对每相绕组单独轮流通电，对于三相步单相通电方式：指对每相绕组单独轮流通电，对于三相步进电动机：进电动机： 正转：正转：AB时，转子按顺时针方向一步一步转动。时，转子按顺时针方向一步一步转动。 反转：反转：A时，转子按逆时针方向一步一步转动。时，转子按逆时针方向一步一步转动。 2. 2. 单、双拍工作方式：单、双拍工作方式： 正

5、转：正转：A-AB-B-BC-C-CA-AA-AB-B-BC-C-CA-A 反转：反转：A-CA-C-BC-B-AB-AA-CA-C-BC-B-AB-A 3. 3. 双拍工作方式：双拍工作方式： 正转：正转：AB-BC-CA-ABAB-BC-CA-AB 反转：反转：AC-CA-BC-ACAC-CA-BC-AC 四、步进电动机的步距角四、步进电动机的步距角 由一个通电状态改变到下一个通电状态时，电动机转子所转过由一个通电状态改变到下一个通电状态时，电动机转子所转过的角度称为步距角。的角度称为步距角。T11-2.SWFT11-2.SWF 360360 / /ZKmZKm 其中：其中：Z Z转子齿数

6、转子齿数 m m定子绕组相数定子绕组相数 K K通电系数通电系数 K K=1,2=1,2 若二相步进电动机的若二相步进电动机的Z=100，单拍运行时，其步距角单拍运行时，其步距角8 . 110023609 . 010022360若按单、双通电方式运行时，步距角若按单、双通电方式运行时，步距角 由此可见，步进电动机的转子齿数由此可见，步进电动机的转子齿数Z和定子相数和定子相数(或运行拍数或运行拍数)愈愈多，则步距角愈小，控制越精确。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

7、冲的频率为就持续不断地旋转。如果电脉冲的频率为f(HZ)，步距角用弧度表步距角用弧度表示，则步进电动机的转速为：示，则步进电动机的转速为：fKmZfKmZfn606022602五、步进电动机的主要性能指标五、步进电动机的主要性能指标1. 步距角步距角 2. 最大工作频率：在转子不失步的情况下，电动机连续工作时，最大工作频率：在转子不失步的情况下，电动机连续工作时，输入脉冲信号的最大频率。输入脉冲信号的最大频率。T11-2.SWF 3. 最大突跳频率：在转子不失步的情况下，电动机能增加和减最大突跳频率：在转子不失步的情况下，电动机能增加和减小的最大频率。小的最大频率。 4. 步距差：理想的步矩角

8、与实际的步矩角之差。步距差：理想的步矩角与实际的步矩角之差。 5. 输出转矩：电动机轴上的输出转矩的大小输出转矩：电动机轴上的输出转矩的大小 步进电动机的输出转矩与脉冲频率的函数关系称为步进电动机的输出转矩与脉冲频率的函数关系称为矩频特性矩频特性。13.2 13.2 步进电动机的驱动电源步进电动机的驱动电源 一、驱动电源的组成一、驱动电源的组成脉脉冲冲分分配配器器功放电路功放电路三三相相步步进进电电机机负载负载功率电功率电源源分配器电源分配器电源功放电路功放电路功放电路功放电路功率放大器功率放大器步进脉冲步进脉冲方向信号方向信号fABC脉冲分配器+功率放大电路1. 脉冲分配器脉冲分配器 当方向

9、电平为低时，脉冲当方向电平为低时，脉冲分配器的输出按分配器的输出按A-B-CA-B-C的顺序的顺序循环产生脉冲。循环产生脉冲。fABC 当方向电平为高时，脉当方向电平为高时，脉冲分配器的输出按冲分配器的输出按A-C-BA-C-B的顺的顺序循环产生脉冲。序循环产生脉冲。 ABCf 2.功率放大器功率放大器 将脉冲分配器的输出信号进行电流放大后给电动机的定子绕组供将脉冲分配器的输出信号进行电流放大后给电动机的定子绕组供电，使电动机的转子产生输出转矩。电，使电动机的转子产生输出转矩。二、步进电动机的脉冲分配器二、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步进电动机的脉冲分

10、配器可由硬件或软件方法来实现。 硬件环形分配器：由计数器等数字电路组成的。有较好的响应硬件环形分配器：由计数器等数字电路组成的。有较好的响应速度，且具有直观、维护方便等优点。速度，且具有直观、维护方便等优点。 软件环分：由计算机接口电路和相应的软件组成的。受到微型软件环分：由计算机接口电路和相应的软件组成的。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。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。 1.1.硬件环形分配器硬件环形分配器 BQ CQ CQ AQ AQ BQ W- QA CAJ K AQ + & & QB CBJ K BQ + & & R W+ QC CB

11、J K CQ + & & R S CP 复位 & & & A相B相C相序号序号控制信号状态控制信号状态输出状态输出状态导电绕组导电绕组CAJ CBJ CCJQA QB QC0 01 1 01 1 01 0 01 0 0A A1 10 1 00 1 01 1 01 1 0ABAB2 20 1 10 1 10 1 00 1 0B B3 30 0 10 0 10 1 10 1 1BCBC4 41 0 11 0 10 0 10 0 1C C5 51 0 01 0 01 0 11 0 1CACA6 61 1 01 1 01 0 01 0 0A A 2 2软件环形分配软件环形分配 软件环分的方法是利用计算

12、机程序来设定硬件接口的位状态，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。从而产生一定的脉冲分配输出。 1) 1) 输出接口输出接口 80318031单片机本身包含单片机本身包含4 4个个8 8位位I/OI/O端口，分别为端口，分别为P0P0、P1P1、P2P2、P3P3。 输出接口是将计算机的输出端与步进电动机的每相绕组一一对输出接口是将计算机的输出端与步进电动机的每相绕组一一对应起来。应起来。8031P1.0P1.1P1.2ABC驱驱动动器器 若要实现三相步进电动机若要实现三相步进电动机的脉冲分配，需要三根输出口的脉冲分配，需要三根输出口线，本例中选线

13、，本例中选P1P1口的口的P1.0P1.0、P1.1P1.1、P1.2P1.2位作为脉冲分配的位作为脉冲分配的输出。输出。 2) 2) 输出模型输出模型 如果三相步进电动机按单、双拍通电方式工作，即如果三相步进电动机按单、双拍通电方式工作，即: : 正转：正转：A-AB-B-BC-C-CAA-AB-B-BC-C-CA 反转反转：A-AC-C-CB-B-BCA-AC-C-CB-B-BC 根据根据80318031单片机的基本原理，对单片机的基本原理，对P P1.01.0、 P P1.11.1、 P P1.21.2位编程使其位编程使其按表规定改变输出状态就实现了三相六拍分配任务。按表规定改变输出状态

14、就实现了三相六拍分配任务。P P1.71.7通电通电相相X XX XX XX XX X0 00 01 1A AX XX XX XX XX X0 01 11 1ABABX XX XX XX XX X0 01 10 0B BX XX XX XX XX X1 11 10 0BCBCX XX XX XX XX X1 10 00 0C CX XX XX XX XX X1 10 01 1CACAP P1.51.5P P1.41.4P P1.31.3P P1.21.2P P1.11.1P P1.01.0P P1.61.6 P1P1输送的内容依次为：输送的内容依次为： 01H A01H A03H AB03H

15、AB02H B02H B06H BC06H BC04H C 04H C 05H CA05H CA正正转转反反转转输出模型输出模型 3) 3) 控制程序控制程序 按正转和反转的要求将输出模按正转和反转的要求将输出模型向型向P1P1口口发送，并控制步进电动机发送，并控制步进电动机的速度。的速度。 设设输出模型存放在存储器中，首输出模型存放在存储器中，首地址为地址为2000H2000H，地址指针为地址指针为DPR,DPR,初始值初始值为为2000H2000H。 初始化初始化正转正转（DPR）P1 调用延时子程序调用延时子程序 (DPR)=05H DPR-5DPR PR+1DPR（DPR）P1 调用延

16、时子程序调用延时子程序 (DPR)=01H PR+5DPR DPR-1DPRNNNYYY三、步进电动机的功率放大电路三、步进电动机的功率放大电路 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。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。电路的性能对步进电动机的运行性能影响很大。 1.1.单电压驱动电路单电压驱动电路 R C RD V L +U VT L是电动机绕组是电动机绕组

17、VT开关晶体管开关晶体管 电阻电阻R两端并联电容两端并联电容C，使电流上升更快，使电流上升更快，所以，电容所以，电容C又称为加速电容。又称为加速电容。 二极管二极管V在晶体管在晶体管VT截止时起续流和保护截止时起续流和保护作用，串联电阻使电流下降更快，从而使绕作用，串联电阻使电流下降更快，从而使绕组电流波形后沿变陡。组电流波形后沿变陡。 2.2.高低压切换型驱动电路高低压切换型驱动电路 R V1 L +80V Ub1 VT1 Ub2 VT2 V2 +12V Ub1 0 t Ub2 0 t I 0 t t1 t2 t3 高低压驱动线路的优点是：功耗小，启动力矩大，突跳频率和高低压驱动线路的优点是

18、：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。源。动作灵敏、精度高、体积较小。主要动作灵敏、精度高、体积较小。主要是应用于自动控制系统中的一些执行是应用于自动控制系统中的一些执行元件。它们功率一般不大，完成控制元件。它们功率一般不大，完成控制信号的传递和变换信号的传递和变换 。当有控制信号 时 转，信号大转，信号大 转速上升转速上升当无控制信号 时 停停1、调速范围广2、惯性小3、控制信号（功率）小与单相电容式的异步电机的结构相似与单相电容式的异步电机的结构相似有两组相差有两组相差9090

19、的绕组的绕组励磁绕组励磁绕组FWFW加励磁电源加励磁电源控制绕组控制绕组CWCW加控制信号加控制信号FWFW与与CWCW的电流频率相同的电流频率相同但电源不同但电源不同笼型转子：笼型转子：与异步相似与异步相似空心杯型转子：空心杯型转子：空心薄壁筒空心薄壁筒特点：特点：惯量小惯量小 细而长细而长FW FW （励磁绕组）串励磁绕组）串电容后接励磁电源电容后接励磁电源CW CW （控制绕组）接控制绕组）接控制信号控制信号 符号符号 SM SM 表示伺服表示伺服电机电机FWCWUfSMUc 方法是增大转子电阻R2(S)nn0(0)T-1(1) 0TT+当Uc0时加强了一个方向的旋转磁场的强度使合力矩变

20、成了与转动方向相同的方向从而转动起来 Uc合力矩当Uc相位改变180度时，加强了另一个方向的旋转磁场，使转子反转。 2、杯型转子做成薄壁型（0.2-0.8mm） R2大 惯量小1三种控制方法:UFWCWCSM1、)幅值控制Uc的幅值变化2、)相位控制Uc与Uf的相 差, 当大时加强,在 0-90度之间比较复杂3、)幅、相控制UC电磁式永磁式交流：结构简单可靠功率小直流：特性硬、线性好、 结构复杂（有换向器）当工作中n不高时，可用减速器，但复杂,动态不好力矩电机就是能输出低速大扭矩的伺服电机交流力矩电机 直流力矩电机异步力矩电机 同步力矩电机 1、扁平形状 2、轴向短 径向长3、永磁励磁当磁极中的B（