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1、第十三章 步进电动机传动控制系统,用途和特点:,由脉冲控制： 一个脉冲转 一个步距角（步），无积累误差 转速与脉冲频率f 通电顺序有关, 调速方便,易于实现数字控制:,数控机床中开环控制系统（以脉冲数来计算工作位置）,廉价的伺服系统（开环伺服）,第十三章 步进电动机传动控制系统,13.1 步进电动机结构与工作原理,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件。,角位移,输入脉冲个数,运行速度,输入脉冲频率,步进电动机的分类：,工作原理,反应式（转子为铁芯）,永磁式（转子为磁铁）,混合式,输出转矩大小,快速步进电机,功率步进电机,励磁相数,二、三、四、五、六、八相等,第十三章 步进电
2、动机传动控制系统,13.1 步进电动机结构与工作原理,激磁式（定子、转子均为绕组）,A B C,一、步进电动机的组成,如图所示为一台三相反应式步进电动机的结构示意图,定子：由定子铁心、绕组、绝缘材料等组成,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：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。,二、步进电动机的工作原理,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
3、位置上。由此可见：错齿是促使步进电机旋转的根本原因。,工作原理 P13-2.SWF,结论： 通电顺序为AB时，转子按顺时针方向一步一步转动通电顺序改为A，时，转子按逆时针方向一步一步转动。,三、步进电动机的通电方式,1. 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： 正转：AB时，转子按顺时针方向一步一步转动。 反转：A时，转子按逆时针方向一步一步转动。,2. 单、双拍工作方式： 正转：A-AB-B-BC-C-CA-A 反转：A-CA-C-BC-B-AB-A,3. 双拍工作方式： 正转：AB-BC-CA-AB 反转：AC-CA-BC-AC,四、步进电动机的步距角,由一个通电状态
4、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。 P13-2.SWF,360/ZKm,其中：Z转子齿数 m定子绕组相数 K通电系数 K=1,2,若三相步进电动机的Z=100，单拍运行时，其步距角,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)，步距角用角度表示，则步进电动机的转速为：,若步距角用度数表示，则步进电动机的转速为：,单位：r/min,13.2 步进电动机的驱动电源,一、驱动电源的组成,脉冲分配器+
5、功率放大电路,1. 脉冲分配器,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。,2.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,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：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。,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。,1.硬件环形分配器,三相六拍硬件环形分配器,2软
6、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。,1) 输出接口,8031单片机本身包含4个8位I/O端口，分别为P0、P1、P2、P3。,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。,若要实现三相步进电动机的脉冲分配，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。,2) 输出模型,如果三相步进电动机按单、双拍通电方式工作，即:,正转：A-AB-B-BC-C-CA,反转：A-AC-C-CB-B-BC,根据8051单片机的基本原理，对P1.0、 P1.1、 P1.2位编程使其按表规定改变输出状态
7、就实现了三相六拍分配任务。,P1输送的内容依次为：,01H A03H AB02H B06H BC04H C 05H CA,正转,反转,输出模型,3) 控制程序,按正转和反转的要求将输出模型向P1口发送，并控制步进电动机的速度。,三、步进电动机驱动电源的功率放大电路,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。,1.单电压驱动电路,L是电动机绕组,VT开关晶体管,电阻R两端并联电容C，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
8、保护作用，串联电阻使电流下降更快，从而使绕组电流波形后沿变陡。,2.高低压切换型驱动电路,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：（1）大功率管的数量要多用一倍，增加了驱动电源，电流波形呈凹行，低频时振动严重。,3.斩波恒流驱动电路,主要特性,13.4.2步进电动机的主要特性与性能指标,1）矩角特性,2）启动惯频特性,3）运行频率特性,4）矩频特性,（1）步距角,13.4.2步进电动机的主要性能指标,每个脉冲所对应的电机轴转角，是步进电机的主要性能指标。,在设计步进电机传动系统时，步距角与系统的传动比之间存在如下关系：,0为转角增量,为位移增量 l 为丝杠导程
9、,已知步进电机的步距角为1.8度，丝杠导程为5mm，电机与丝杠之间没有减速机，求工作台的脉冲当量（即每个脉冲所对应工作台的移动量 ） ？,若电机与丝杠之间有减速机，且要求工作台的脉冲当量为1m/p，那么减速机的传动比为多大？,有两种表示方法：最大步距误差、最大累积误差,（2）精度,最大步距误差是指电动机旋转一转，相邻两步之间实际最大步距和理想步距的差值。,一般为步距角的35，无累积误差。,最大累积误差是指在一转范围内从任意位置开始经过任意步之后，角位移误差的最大值。,（3）最大静态转矩Tsmax(保持转矩holding torque),步进电机通电但没有转动时或低速转动时，定子锁住转子的力矩。
10、,负载转矩TL与保持转矩的关系为：,最大静态转矩Tsmax与定位转矩之间的区别,定位转矩（detent torque）:步进电机没有通电时，定子锁住转子的力矩。,在数值上，定位转矩小于最大静态转矩。,对于反应式步进电机，没有定位转矩。,保持转矩与定位转矩的区别（课本上P416）,定位力矩，又称为detent torque，是指步进电机在没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。,保持转矩，又称为holding torque指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。,（4）空载启动频率f0st,f0st是指步进电机在空载情况下，不失步启动所允许的最高频率。,fc是指步进电机不失步运行所允许的最高频率。远大于启动频率f0st。,（5）连续运行频率fc,（6）矩频特性,在连续运行状态下，步进电动机的电磁转矩与脉冲频率的关系。,步进电动机传动系统实例（开环控制）,PC机,步进电动机驱动器,步进电动机传动系统实例（半闭环控制）,
