第4章步进电机的控制3

第四章

顺序控制和数值控制之三杨根科上海交通大学自动化系2010年3月内容提要概述顺序控制器开环数值控制器步进电机的控制小结步进电机的控制步进电机：利用电磁铁的作用原理将电脉冲信号转换为线位移或角位移的机电式数模（D/A）转换器

◆输入：脉冲

◆

输出：位移

◆

脉冲数：决定位移量

◆

脉冲频率：决定位移的速度

步进电机的控制步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。步进电机可以直接用数字信号驱动，使用非常方便。

一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。因此非常适合于单片机控制。步进电机的控制步进电机还具有快速启动、精确步进和定位等特点，因而在数控机床，绘图仪，打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。

步进电机的控制（2）步进电机的工作原理定子：3对磁极，6个齿转子：4个齿步进电机的控制（3）

◆工作过程：

—A相通电：A相磁极与0、2号齿对齐；

—B相通电：由于磁力线作用，B相磁极与1、3号齿对齐；

—C相通电：由于磁力线作用，C相磁极与0、2号齿对齐；

—A相通电：由于磁力线作用，A相磁极与1、3号齿对齐；结论：定子按A->B->C->A相轮流通电，则磁场沿A、B、C方向转动360度角，转子沿ABC方向转动了一个齿距的位置。齿数为4，齿距角为90度，即1个齿距转动了90度步进电机的控制（4）

◆

步进电机的“相”和“拍”

—相：绕组的个数

—拍：绕组的通电状态，三拍表示一个周期共有3种通电状态，六拍表示一个周期有6种通电状态，每个周期步进电机转动一个齿距

◆

步进电机的步距角：步进电机每拍步进的角度

θ＝360/(NZ)(齿距角=360/Z)

—N：步进电机的拍数

—Z：转子的齿数。步进电机的控制（5）步进电机的工作方式

◆

单三拍方式

—正向旋转，通电顺序为A→B→C→A—反向旋转，通电顺序为A→C→B→A单三拍工作的电压波形步进电机的控制（6）◆

双三拍方式

—正向旋转，通电顺序为AB→BC→CA→AB—反向旋转，通电顺序为AB→AC→CB→AB双三拍工作的电压波形步进电机的控制（7）

◆三相六拍方式

—正向旋转，通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A—反向旋转，通电顺序为A→AC→C→CB→B→BA→A三相六拍工作的电压波形步进电机的控制（8）步进电机常规控制系统步进电机微机控制系统步进电机的控制（9）微机的运动控制功能

◆

改变输出脉冲数，控制步进电机的走步数?！

◆

改变各相绕组的通电顺序，控制步进电机的转向，正转、反转

◆

改变输出脉冲的频率，控制步进电机的转速步进电机的控制（10）利用微机实现对步进电机的控制必须解决的问题：

◆脉冲序列的形成

★利用软件形成脉冲序列步进电机的控制（11）★利用定时器形成脉冲序列步进电机的控制（12）◆延时或定时时间的确定设Ti为相邻两个进给脉冲之间的时间间隔，Vi为进给一步后的末速度，a为进给一步的加速度，则有：

步进电机的控制（13）◆步进电机的旋转方向控制

★用单片机的一位输出口控制步进电机的一相绕组，例如，可以用P1.0、P1.1、P1.2分别控制A、B、C三相绕组

★根据步进电机的类型和控制方式找出相应的控制模型

★

按照控制方式规定的顺序向步进电机发送脉冲序列，即可控制步进电机的旋转方向步进电机的控制（14）★三种不同工作方式下的控制模型

—单相三拍方式

—双”相”三拍方式步序控制位通电状态控制数据PC2/C相PC1/B相PC0/A相1001A01H2010B02H3100C04H步序控制位通电状态控制数据PC2/C相PC1/B相PC0/A相1011AB03H2110BC06H3101CA05H步进电机的控制（15）—三相六拍方式步序控制位通电状态控制数据PC2/C相PC1/B相PC0/A相1001A01H2011AB03H3010B02H4110BC06H5100C04H6101CA05H步进电机的控制（16）步进电机控制程序的设计

◆

判断旋转方向

◆按顺序传送控制脉冲

◆判断所要求的控制步数是否传送完毕

步进电机的控制（17）步进电机的变速控制

◆一个静止的步进电机不可能一下子稳定到较高的工作频率，必须在启动的瞬间采取加速的措施；反之，从高速运行到停止也应该有减速的措施

◆变速控制程序：在启动时以低于响应频率的速度运行，然后慢慢加速，加速到一定速率后以此速率恒速运行；当快要到达终点时，又使其慢慢减速，在低于响应频率的速率下运行，直到走完规定的步数后停机步进电机的控制（18）◆变速控制的方法

—改变控制方式

—均匀地改变脉冲时间间隔

—改变定时器时间常数步进电机的控制实例（19）步进电机的控制实例（20）步进电机的控制实例（21）步进电机的控制实例（22）步进电机的控制实例（23）齿距角步距角步/转步进电机的控制实例（24）步进电机的控制实例（25）2的补码表示步进电机的控制实例（26）步进电机的控制实例（27）步进电机的控制实例（28）步进电机的控制实例（29）步进电机的控制实例（30/50）步进电机的控制实例（31）步进电机的控制实例（32）步进电机的控制实例（33）步进电机的控制符号处理（34）步进电机的控制符号处理（35）步进电机的控制符号处理（36）步进电机的控制符号处理（37）步进电机的控制符号处理（38）1-1/128全1码0.9921875步进电机的控制实例（39）步进电机的控制实例（40）转/秒2步进电机的控制实例（41）步进电机的控制实例（42）步进电机的控制实例（43）步进电机的控制实例（44）步进电机的控制实例（45）步进电机的控制实例（47）Vd=Ad*N步进电机的控制实例（48）10进制整数表示小数转AB-1746PLC可选模块接受CPU控制指令,降低软件复杂性特性,图4-53,p131小结通用顺序控制器（PLC）开环数值控制的基本原理逐点比较法直线插补和圆弧插补原理步进电机的工作原理以及微机控制程序设计步进电机的进一步说明（50）步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。一般电动机是连续旋转的，而步进电机的转动是一步一步进行的。每输入一个脉冲电信号，步进电机就转动一个角度。通过改变脉冲频率和数量，即可实现调速和控制转动的角位移大小，具有较高的定位精度，其最小步距角可达0.75°，转动、停止、反转反应灵敏、可靠。在开环数控系统中得到了广泛的应用。步进电机的进一步说明（51）步进电机的分类

1.永磁式步进电机

2.反应式步进电机

3.混合式步进电机步进电机的基本结构和工作原理步进电机的进一步说明（51）1.永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。2.反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。3.混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相。两相步进角一般分为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。步进电机的进一步说明（51）三相反应式步进电机的结构如图所示定子、转子是用硅钢片或其他软磁材料制成的。定子的每对极上都绕有一对绕组，构成一相绕组，共三相称为A、B、C三相。步进电机的进一步说明（51）在定子磁极和转子上都开有齿分度相同的小齿，采用适当的齿数配合，当A相磁极的小齿与转子小齿一一对应时，B相磁极的小齿与转子小齿相互错开1/3齿距，C相则错开2/3齿距。如图所示。步进电机的进一步说明（52）步进电机的基本参数主要有以下内容

1．电机固有步距角

2．步进电机的相数3．保持转矩（HOLDING

TORQUE）4．钳制转矩（DETENT

TORQUE）步进电机的进一步说明（52）电机固有步距角它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，这个步距角可以称之为“电机固有步距角”，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。步进电机的进一步说明（52）步进电机的相数步进电机的相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72°

。步进电机的进一步说明（52）保持转矩保持转矩是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机

。步进电机的进一步说明（52）钳制转矩钳制转矩是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT

TORQUE.步进电机的进一步说明（53）步进电机主要有以下特点1一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。步进电机的进一步说明（53）步进电机主要有以下特点2．步进电机外表允许的最高温度取决于不同电机磁性材料的退磁点。

步进电机温度过高时会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。步进电机的进一步说明（53）步进电机主要有以下特点3．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。

当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。步进电机的进一步说明（53）步进电机主要有以下特点4．步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。

步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。PLC直接控制步进电机(54)使用PLC直接控制步进电机时，可使用PLC产生控制步进电机所需要的各种时序的脉冲。例如三相步进电机可采用三种工作方式：三相单三拍三相双三拍三相单六拍PLC直接控制步进电机(54)可根据步进电机的工作方式，以及所要求的频率（步进电机的速度），画出A、B、C各相的时序图。并使用PLC产生各种时序的脉冲例如：采用西门子S7-300PLC控制三相步进电机的过程。要求通过PLC可实现三相步进电机的起停控制、正反转控制，以及三种工作方式的切换（每相通电时间为1秒钟）。采用西门子S7-300PLC控制三相步进电机的过程(55)变量约定如下输入：启动按钮SB1：I0.0方向选择开关SA1：I0.1停止按钮SB2：I0.2三相单三拍方式选择SA2：I0.3三相双三拍方式选择SA3：I0.4三相单六拍方式选择SA4：I0.5采用西门子S7-300PLC控制三相步进电机的过程(55)输出：A相加电压：Q0.0B相加电压：Q0.1C相加电压：Q0.2

启动指示灯：Q0.3三相单三拍运行方式：Q0.4三相双三拍运行方式：Q0.5三相单六拍运行方式：Q0.6输出脉冲显示灯：Q0.7采用西门子S7-300PLC控制三相步进电机的过程(55)三相单三拍正向的时序图如图所示采用西门子S7-300PLC控制三相步进电机的过程(55)三相双三拍正向的时序图如图所示采用西门子S7-300PLC控制三相步进电机的过程(55)三相单六拍正向时序图如图所示PLC直接控制步进电机(55)编程方法1．使用定时器指令实现各种时序脉冲的要求：使用定器产生不同工作方式下的工作脉冲，然后按照控制开关状态输出到各相对应的输出点控制步进电机。编程方法(55)1．例如：使用图所示的程序可以产生所需要的脉冲：编程方法(55)M0.0作为总控制状态位，控制脉冲发生指