第30课--步进电机学习

13.1 步进电动机13.1.1 定义一种将 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。1.步距角 （步距） 当输入 一个电脉冲 时所转过的 一个固定角度 。2.位移量与 输入脉冲数 严格 成比例 （无误差积累） 。与 有关3.各种运行特性由下列条件决定： 输入脉冲数； 脉冲频率； 电动机各相绕组的接通次序。4.广泛用于数字控制系统，如数控机床。13.1.2 结构与工作原理1. 结构特点1) 定子 由 硅钢片 叠成，装上一定相数的控制绕组，由环形分配器送来电脉冲，对多相定子绕组轮流励磁。2) 转子 用 硅钢片 叠成或软磁性材料做成的凸极结构。 反应式步进电动机 （转子本身无励磁绕组） 永磁式步进电动机 （用永久磁铁做转子）如：三相反应式步进电机。 定子 6个磁极，每两相对磁极上有一相控制绕组。 转子 装有 4个凸齿。 2. 工作原理1) 基本工作原理 就是电磁铁工作原理。a) 环形分配器送来脉冲信号，对定子绕组轮流通电。b) A相通电 ， B、 C相不通电，转子齿 1、 3与 A相定子齿对齐，转子齿 2、 4与 B、 C相在不同方向上错开 30（此时转矩为 0，转子自锁）。c) A相断电， B相通电 ，转子齿 2、 4与 B相定子齿对齐，顺时针旋转 30。d) B相断电， C相通电 ，同理转子顺时针旋转 30。e) 通电顺序为 ABCA 时，转子顺时针旋转。如改为 ACBA 时，转子反向（逆时针）转动。f) 电流换接三次，磁场转一周，转子前进一个齿距角（90 ）。按 ABCA 方式通电，称为 三相单三拍 运行（ ）。按 AABBBCCCAA 方式通电，称为 三相六拍运行（ ）。注：步距角 太大。2) 通电方式a) 取决于控制绕组 通电频率 ，也取决于绕组 通电方式 。b) 通电方式 单三拍、六拍及双三拍等。“ 单 ” 每次只有一相绕组通电；“ 双 ” 每次有两相绕组通电；“ 拍 ” 通电次数（即从一种通电状态转到另一种通电状态）。13.1.3 小步距角步进电动机（实际的步进电动机）1. 特征： 定子内圆和转子外圆均有 齿和槽 。 定子和转子的 齿宽和齿距 相等。2. 规定：当一相磁极下定子与转子的齿 相对 时，下一相磁极下定子与转子齿的位置刚好 错开（ 齿距， m 相数）。3. 公式： 齿距 （ Z 转子齿数） 步距角（ K 状态系数， 三拍时， K=1； 六拍时， K 2）例如： Z 40， 三相单三拍运行，则 由此可见， 转子齿数 Z（ 或定子相数 m， 或运行拍数 Km）， 则 ，控制越精确。 转速 注：作业：P:360 13.12， 13.7913.2 环形分配器13.2.1 驱动系统1. 控制脉冲 按规定的通电方式 分配 到每相绕组。2. 实现脉冲分配的 硬件 逻辑电路，称为 环形分配 。3. 可采用 软件 实现脉冲分配，这种方式称为软件环分 （如：计算机数字控制系统）。4. 分配器输出的脉冲需进行 功率放大 ，才能驱动步进电动机。13.2.2 环形分配器1. 硬件环形分配器如：三相六拍环形分配器。1) 主体是三个 J-K触发器，输出端 Q接功放线路与三相绕组相连。 QA 1时， A相通电 2) 和 是 正、反转控制信号 。正转时， 1， 03) 正转时通电顺序为 A-AB-B-BC-C-CA-A； 反转 时通电顺序为 A-AC-C-CB-B-BA-A。4) 逻辑状态 真值表 如表 13.1所示（以 正向分配 为例）。序号 控制信号状 态 输 出状 态 导电绕组CAJ CBJ CCJ QA QB QC01234561 1 00 1 00 1 10 0 11 0 11 0 01 1 01 0 01 1 00 1 00 1 10 0 11 0 11 0 0AABBBCCCAA表 13.1 环形分配器逻辑真值表注： 2. 软件环分以 Z-80A CPU和 PIO配置为例。1) 由 PIO作为驱动电路接口脉冲经 Z-80A的 并行 I/O接口 PIO输出至步进电动机各相，如图所示。PIO A口 A2A1A0图 13.7 I/O接口图C相B相A相2) 建立环形分配表 PIO是 可编程控制器件 。 运行程序时，对应存储器单元的内容送到 PIO的 A口，使 A0、 A1、 A2依次发送信号，从而使 绕组轮流通电 。 正转 （ 反转 ） 时， （ 反向 ） 依次输出表中各单元内容，输出状态是表底 （表首 ） 状态时，修改索引值使下一次输出重新为表首 （ 表底 ） 状态。表 13.2 环形分配表存 储单 元地址 单 元内容 对应 通 电 相K+0 01H(0001) AK+1 03H(0011) ABK+2 02H(0010) BK+3 06H(0110) BCK+4 04H(0100) CK+5 05H(0101) CA3) 环形分配子程序 与主程序配合，环形分配器以 子程序 的形式出现。 正转时调用 正转子程序 。注： HL 地址指针； B 存索引值。作业：P:361 13.313.3 驱动电路驱动电路 一种脉冲放大电路，使脉冲具有一定的功率驱动能力。要求： 提高步进电动机的 快速性 ； 提高步进电动机的 平稳性 。13.3.1 单电压限流型驱动电路1. VT（ 晶体管 ） 无触点开关，使流过 L的波形接近 矩形波。2. L（ 电动机绕组 ） L 中电流不能突变，经 3 （时间常数 ） 时间后达到稳态电流 （ L 绕组电感， r 绕组电阻） 。 ，严重影响 启动频率 。3. R（ 串联电阻） ，缩短 上升的过渡时间，提高工作速度。4. C（ 并联电容 或 加速电容 ） C上的电压不能突变，在截止到导通的瞬间，电源电压全落在绕组上， 。5. V(二极管 ) VT截止时起续流和保护作用，以防绕组产生的反电势击穿。6. RD（ 串联电阻 ） ，使 波形后沿变陡。缺点： R上有功率损耗 （快速性 ， R， 功耗 ，限制使用这种电路） 。13.3.2 高低压切换型驱动电路1. 采用 高压和低压 两种电压供电。2. 时间， VT1和 VT2饱和导通 ， 80V经过 VT1和VT2加到 L上， 。3. 到 时（ 定时方式 ）或 上升到某一数值（ 定流方式 ）， 为低电平， VT2截止 ， L的电流由 12V电源经 VT1维持， 到 I额 。4. 到 时， 为低电平， VT1截止 ， ， I 0。5. 由脉冲分配器经几级电流放大获得， 由单 稳定时或定流装置 再经脉冲变压器获得。优点： 功耗小，启动力矩大，突跳频率和工作频率高。缺点： 大功率管数量多用一倍，增加了驱动电源。作业：P:361 13.513.4 运行特性及注意事项13.4.1 运行特性及影响因素1. 基本特点1) 工作时的 步数 或 转速（角度控制或速度控制） 只与 控制脉冲 同步，而与电压、负载、 温度 、 冲击（环境条件） 等因素 无关 。2) 按控制要求进行 启动 、 停止 、 反转 或改 变速度。3) 应用广泛（在数字控制系统中）。2. 矩角特性 反映步进电动机 电磁转距 T随 偏转角 变化的关系。1) 初始平衡位置 定子一相绕组通电，转子无负载转矩 ，转子齿与通电相磁极上小齿对齐。2) 转子偏转角 （空间角） 转子齿偏离初始平衡位置的角度（转子 有负载作用 ，电磁转矩与负载转矩平衡）。3) 电角度 空间角度的 Z倍，即 。4) 矩角特性曲线 。 近似一条正弦曲线。 时， T达到最大静转矩 （定、转子齿错开 1/4齿距）。 反映了步进电动机带负载的能力（ 负载转矩（ 0.3 0.5） ）。 “ 稳定运行 ”3. 脉冲信号频率对运行的影响(a) 频率很低 （接近矩形波）；(b) 频率增高 （波形畸变）；(c) 频