步进电动机的控制-1

《步进电动机的控制-1》由会员分享，可在线阅读，更多相关《步进电动机的控制-1（77页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、步进电动机的控制,第3章,内容提要,第1节 步进电动机的工作原理及驱动方法 第2节 步进电动机的开、闭环控制 第3节 步进电动机的最佳点-位控制 第4节 步进电动机控制的程序设计,引 言,步进电动机主要用于开环控制系统，也可以用于闭环控制系统。 由于它可以直接接收计算机输出的数字信号，而不需要进行数/模转换，所以广泛应用于数字控制系统。 步进电机角位移与控制脉冲间精确同步，若将角位移的改变转变为线性位移、位置、体积、流量等物理量的变化，便可实现对它们的控制。（例如，在机械结构中，可以用丝杠把角度变成直线位移，也可以用它带动螺旋定位器，调节电压和电流，实现对执行机构的控制。） 步进电动机具有快速

2、启停、精确步进的特点，使其在定位场合中得到了广泛的应用。(如绘图机、打印机及光学仪器中，采用步进电动机来定位绘图笔、印字头或光学镜头。在工业过程控制的位置控制系统中应用也越来越广泛。),第1节 步进电动机的工作原理及驱动方法,步进电动机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件。相当于一个数字/角度转换器，也是一个串行的数/模转换器。输入一个电脉冲，电动机就转动一个固定的角度，称为“一步”，这个固定的角度称为步距角。 控制信号是脉冲电压、电流，所以有时也称为脉冲电动机或电脉冲马达。,1. 电机输出轴的角位移与输入脉冲数成正比；转速与脉冲频率成正比；转向与通电相序有关。没有累积

3、误差，具有良好的跟随性。 2. 由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既简单、廉价，又非常可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。 3. 步进电机的动态响应快，易于起停、正反转、变速。 4. 步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。 5. 步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。,步进电动机有如下特点：,1.按运动方式来分：分为旋转运动、直线运动、平面运动（印刷绕组式）和滚切运动式步进电机。 2.按工作原理来分：分为反应式(磁阻式)、电磁式、永磁式、永磁感应式（混合式）步进电机。 3.按其工作方式来分：分为功率式和伺服式。前者输出转

4、矩较大，能直接带动较大的负载；后者输出转矩较小，只能带动较小的负载，对于大负载需通过液压放大元件来传动。 4.按结构来分：分为单段式（径向式）、多段式（轴向式）、印刷绕组式。 5.按相数来分：分为三相、四相、五相、六相等。 6.按使用频率来分：分为高频步进电机和低频步进电机。 不同类型步进电机其工作原理、驱动装置也不完全一样，但其工作过程基本是相同的。,一、步进电动机的种类,步进电动机的工作原理是基于电磁感应原理。 步进电动机和一般旋转电动机一样，分为定子和转子两大部分。 定子由硅钢片叠成，配以一定相数的控制绕组，输入电脉冲对多相定子绕组轮流进行励磁； 转子用硅钢片叠成或用软磁性材料做成凸极结

5、构，转子本身没有励磁绕组的称为“反应式”步进电动机；用永久磁铁做转子的称为“永磁式”步进电动机；兼有永磁式和反应式两种步进电机的特点，称为混合式步进电机。目前以反应式步进电动机用得较多。,二、步进电动机的工作原理,（一）反应式步进电机的结构,1.单段（径向式）三相反应式步进电机的结构原理图,主要由定子和转子两部分组成。,定子铁芯由硅钢片叠压而成，定子上有六个均匀分布的极，每两个为一对。定子绕组是绕置在定子上的六个均匀分布铁芯齿上的线圈，它把沿直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。图中所示的步进电机为A、B、C三相控制绕组，故称为三相步进电机。当任一相绕组通电时，便形成一对

6、定子磁极，即形成N、S极。 在定子的每个磁极上，即定子铁芯的每个齿上又开了五个小齿，齿槽等宽，齿间夹角为9，在空间位置上依次错开1/3齿距其展开图如图所示。,图3-1 单段式反应式步进电动机 结构原理图,转子是一个带齿的铁芯，转子上没有绕组，转子上均匀分布了40个小齿，齿槽等宽，齿间夹角也是9，与定子磁极上的小齿一致。当定子A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，定子B相磁极上的小齿刚好超前(或滞后)转子小齿1/3齿距角，定子C相磁极上的小齿超前(或滞后)转子小齿2/3齿距角。,11,步进电机A相通电状态,2.单段三相反应式步进电机的工作原理（近似于电磁铁的工作原理）,三相单三拍工作方式：如图转

7、子上有四个均匀分布的齿1、2、3、4。当A相通电，B、C都不通电，因磁通总是要沿着磁阻最少的路径闭合，将使转子齿1、3吸引到定子磁极A、A下，并对齐，图(a),因转子只受到径向力而无切向力，故转矩为零，转子被自锁在这个位置；当B相绕组通电，A、C相不通电，将使转子齿2、4和定子磁极B、B对齐，在电磁力矩的作用下使转子沿逆时针方向转过30，图(b)；C相通电，A、B相断电，又使转子齿1、3和定子磁极C、C对齐，在电磁力矩的作用下使转子再沿着逆时针方向转过30，图(C)。若使定子绕组按A-B-C-A的顺序通电，则步进电机转子便不停地沿逆时针方向转动。如果定子绕组的通电顺序为A-C-B-A则步进电机

8、转子沿顺时针方向转动。,要点：磁力线力图走磁阻最小的路径，从而产生反应力矩； 各相定子齿之间彼此错开1/m齿距，m为相数，这里m=3。,磁力线：外边是从N极指向S极。,三相单三拍工作方式从一相绕组的通电或断电切换到另一相绕组的断电或通电时，由于电机绕组是电感性元件，磁场的消失或建立均需一定时间，因此，切换期间容易使电机产生失步。 此外，由单一绕组通电吸引转子，也容易使转子在平衡位置附近产生振荡，运行的稳定性较差，所以很少采用。,三相双三拍工作方式：为了克服以上不足，通常将其改为三相双三拍通电方式，即按AB-BC-CA-AB方式通电，可使电机正转；反之按AB-AC-BC-AB方式通电，可使电机反

9、转。这种工作方式每个通电状态均为两相绕组同时通电，且相邻的两个工作节拍中总有一相保持通电的状态不变，因此，可避免三相单三拍工作方式的失步和低频振荡等现象。三相双三拍工作方式下，每改变一次通电状态可使步进电机旋转30。,三相六拍工作方式：为减小每改变一次通电状态使步进电机所转过的角度，而采用三相六拍通电方式。即按A-AB-B-BC-C-CA-A方式通电，使电机正转；反之，按A-AC-C-BC-B-AB-A方式通电，使电机反转。三相六拍工作方式除具有三相双三拍的特点外，还可使步进电机每改变一次通电状态仅旋转15。,通电方式: 从一相通电改换成另一相通电，即通电方式改变一次叫“一拍”。步进电动机有单

10、相轮流通电、双相轮流通电和单双相轮流通电的方式。,图3-2 三段三相反应式步进电动机结构原理图,3.多段反应式步进电机结构及工作原理,前面介绍的单段反应式步进电机是按径向分相的，此外，还有一种反应式步进电机是按轴向分相，这种步进电机又称为多段反应式步进电机。 多段反应式步进电机是沿轴向分成磁性相对独立的几段，每一段都有一组励磁绕组，形成一相，因此，三相电动机有三段，其结构如图3-2所示。,这种反应式步进电动机的步距角较大，不适合一般用途的要求。,4.小步距角步进电动机 图3-1所示为三相反应式步进电动机。设m为相数，z为转子的齿数则齿距： 因为每通电一次（即运行一拍），转子就走一步，各相绕组轮

11、流通电一次，转子就转过一个齿距。故步距角：,K-定子绕组通电方式系数。相邻两次通电的相数一样，取K=l，如三相单三拍、三相双三拍工作方式；反之，取K=2，如三相单双六拍工作方式。（拍数/相数）,若步进电动机的转子齿数z=40，按三相单三拍运行时，K=1，m=3： 若按五相十拍运行时，则K=2，m=5，z=40： 可见，步进电动机的相数和转子齿数越多，步距角就越小，控制越精确。故步进电动机可以做成三相，也可以做成二相、四相、五相、六相或更多相数。,若步进电动机通电的脉冲频率为(脉冲数/秒)，步距角用弧度表示，则步进电动机的转速： 由上式可知，步进电动机在一定脉冲频率下，电动机的相数和转子齿数越多

12、，转速就越低。而且相数越多，驱动电源也越复杂，成本也就越高。,步进电动机应用在机床上一般是通过减速器和丝杆螺母副带动工作台移动。所以，步距角对应工作台的移动量便是工作台的最小运动单位，也称脉冲当量（mm/脉冲）： 式中 t ：丝杆导程（mm），丝杆的导程就是丝杠旋转一周所走的行程，也有人叫螺距。 b ：步距角（） i ：减速装置传动比 工作台的进给速度v(mm/min)： v =60,解：脉冲分配方式有两种： 根据 ，其中K=2,m=3,Z=40. b=360/(4023)=1.5 根据 n= ,其中=600HZ n=1.5*600*60/360=150r/min,例3-1.一台三相反应式步进

13、电动机，采用三相六拍分配方式，转子有40个齿，脉冲频率为600Hz，求：写出一个循环的通电顺序；求步进电动机步距角；求步进电动机转速。,反应式步进电动机具有控制方便、步距小、价格低廉的优点；具有带负载能力差、高速时易失步、断电后无定位转矩的缺点。,21,22,23,（1）主要技术指标与运行特性 1）步距角和静态步距误差 a.步距角 步距角:也称为步距。它的大小由下式（3-2）决定。目前我国步进电动机的步距角为0.36至90。常用的为7.5/15、3/6、1.5/3、0.9/1.8、0.75/1.5、0.6/1.2、0.36/0.72等几种。 若通电方式和系统的传动比已初步确定，则步距角应满足:

14、 bimin,5.步进电动机的主要技术指标与运行特性,i 传动比 min负载轴要求的最小位移增量（即每个脉冲对应的最小角位移增量）,（3-2）,例如，所用丝杠螺距为12.7mm (t),线性增量为0.529mm/每步()（取决于运动精度），所需电动机步距为角：,步距脚b也可用分辨率bs来表示：bs=360/ b（步/转）,当步进电机拖动的机械作直线运动时，用丝杠作运动转换器，步进电机的步距角可按以下公式计算：,直线增量运动当量（mm/每步） t丝杠螺距（mm/周）,可知，360/15=24，需要一台每转24步的步进电机。,设传动比为1,b.静态步距误差 静态步距角误差:从理论上讲，每一个脉冲信

15、号应使电动机转子转过相同的步距角。但实际上，由于定、转子的齿距分布不均匀，定、转子之间的气隙不均匀或铁心分段时的错位误差等，实际步距角与理论步距角之间会存在偏差，这个偏差称为静态步距角误差。 步距精度b应满足:,L丝杠传动精度,步进电动机的静特性，是指步进电动机在稳定状态（即步进电动机不改变通电情况的运行状态）时的特性，包括静转矩、矩角特性及静态稳定区。 静转矩：指步进电动机处于稳定状态下的电磁转矩。它是绕组电流和失调角的函数。 在稳定状态下，如果在转子轴上加一负载转矩使转子转过一个角度，并能稳定下来，这时转子受到的电磁转矩与负载转矩相等，该电磁转矩即为静转矩，而角度即为失调角（或：电机定子齿

16、与转子齿中心线之间的夹角叫做失调角）。 对应于某个失调角时，静转矩最大，称为最大静转矩Tjmax。可从矩角特性上反映Tjmax，如图3-4所示，当失调角=90时，将有最大静转矩。,2）最大静转矩,静转矩和失调角之间的特性曲线，叫做矩角特性： T = -C sin,由此我们可以发现步进电动机的工作过程就是实现失调角为零的过程。,多相通电时的矩角特性和最大静态转矩：按照叠加原理，根据各相通电时的矩角特性叠加起来求出。例如三相步进电动机常用单-双相通电的方式。当两相通电时，由于正弦量可以用相量相加的方法求和，因此两相通电时的最大静态转矩可用相量图求取。用相量TA和TB分别表示A相和B相单独通电时的最大静态转矩，两相通电时的最大静态转矩TAB为：,式中，Tmax=TA=