（电机与电器专业论文）双自由度双余度步进电机驱动控制系统.pdf

西北t 业大学硕七学位论文 捐要 a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o nd i s c u s s e sa n da n a l y z e sp a r t i c u l a r l yt h es t r u c t u r e sa n dw o r k t h e o r i e so fh y b r i ds t e pm o t o ra n dv a r i a b l er e l u c t a n c es t e pm o t o r i n p a r t i c u l a r , i t p u t se m p h a s e so nt h e r o r e t i cs t u d ya n dt e c h n i c a la r g u m e n t i o na b o u ts u b d i v i s i o n c o n t r o lt e c h n i q u ea n dd r i v ec i r c u i to fs t e pm o t o r 1 6 b i t ss i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r r e a l i z e st od i g i t a l l yc o n t r o ls o m es a t e l l i t e ss o l a rp a n e lo fat w od e g r e eo ff r e e d o m p r e c i s i o nd r i v e rs y s t e m t h es y s t e mi sb a s e do n c h o p p e r c o n s t a n tc u r r e n td r i v e t e c h n i q u e a c c o r d i n gt o t h et o pl e v e ld e s i g ni d e a ，a d o p t i n ga d v a n c e ds p e c i c a ls u b d i v i s i o nc o n t r o li n t e g r a t e c i r c u i ta n dp o w e r f u lf u n c t i o n8 0 c 1 9 6 k ct oo r g a n i z et h es y s t e m f l a m e ，d e s i g i n gt h e m i n i m u m s y s t e m o f s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r , m u l t i f u n c t i o n i oi n t e r f a c e c i r c u i t ，r e l a ys w i t c hc i r c u i t ，k e y b o a r da n dd i s p l a yc i r c u i t , m u l t i f u n c t i o nd i g i t a ls e t t i n g i n t e r f a c ec i r c u i ta n ds oo n ，u t i l i z i n gt h eh s 0a n dh s ii n t e r f a c ec i r c u i tw h i c ha l e o w n e db yt h i s s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e re x c l u s i v e l ya n di t sp o w e r f u lc o m m a n d s y s t e mt or e a l i z ed u a l d e g r e es w i t c hc o n t r o l ，a u t o m a t i o no r i e n t a t i o n ，a u t o m a t i c a l l y s e a r c h i n gz e r op o s i t i o n ，l o c k i n gm a c h i n ew h e ns t o p p i n g ，f r e q u e n c yt os e td i g i t a l l y ， a u t o m a t i c a l l ya d j u s t i n gs p e e dt h r o u g hc h a n g i n gf r e q u e n c y , s w i t h i n gs u b d i v i s i o no r s q u a r e w a v ec o n t r o l ，o n t h eb a s i so fa b o v e ，t h e s y s t e ma l s oh a v et h ef u n c t i o no f r u n n i n ga c c o r d i n gt o t h es e t t i n g s t e p s a n dt h ef i e q u e n c y , v o l t a g ea n dc u r r e n tt o d i s p l a yt h r o u g ht h el e d ，e t c t om e a s u r er u n n i n go f s y s t e mi n d i c a t e ：t h es y s t e m sf u n c t i o no fh a r d w a r ea n d s o f t w a r ei sa l lr e a d y ，t h eo p e r a t i o ni sc o n v e n i e n t ，t h ed e g r e eo f i n t e l l i g e n ti sh i g h ，i t h a st h eh i g ho r i e n t a t i o nv e r a c i t y , r u n n i n gs t a b i l i t ya n ds o m eo t h e r a d v a n t a g e s n o w , i th a sa l r e a d yc h e c k e db e f o r ea c c e p t a n c e dt op a s s k e yw o r d s ：h y b r i d ，v a r i a b kr e l u c t a n c e ，s t e pm o t o r , d r i v e c i r c u i t ， s u b d i v i s i o n ，d u a l d e g r e e ，s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r i v 西北1 = 业丈学碗e 学位论文鳍论 绪论 1 步进电动机的特点 步进电动机是种将电脉冲信号转换成相应的角位移的机电元件。 步近电动机是在专用的脉冲电源供电下运转的，其转子走过的步数，或者 说转子的角位移量，与输入脉冲数严格成正比。尽管由于加工精度使每走一步 的步距角存在一定的误差，然而，连续旋转一周3 6 0 0 后，其积累误差为零。另 外，步进电动机动态响应好，控制性能好，只要改变各相绕组脉冲分配的顺序， 就能方便地改变其旋转方向。 2 步进电动机及其控制技术的发展 基于步进电动机的上述特点，使得它易于实现数字控制和微机控制，特别 是细分技术的发展，使进行开环控制就能实现精确、平稳的转速控制或定位控 制。现代步进电动机控制技术己发展到闭环控制方式，有的可构成闭环失步检 测系统，有的则设计成闭环控制系统，使步进电动机的控制系统达到了一个新 的水平。 近年来，随着大规模集成电路技术的飞速发展，数字技术也获得了飞速发 展。数字信号处理器在步进电机的控制中得到广泛地使用，它的强大的数据处 理能力可以使面向电机控制的控制算法如矢量控制、直接转距控制得以数字 化实现，而且也有条件完成现代控制理论或智能控制理论的一些复杂算法，它 的面向电机控制的外设，又可使控制系统的硬件得到简化。现在，t i 公司和a d 公司正在不断推出更高性能的电机控制用d s p 芯片，可以预见d s p 将在步进电 机控制中得到越来越广泛的应用。 3 步进电动机的应用 步进电动机较多用于数控机床和机器人中。在现代工业，特别是航空、航 天、电子等工业中，要求完成的工作量大，任务复杂，精度高，利用人工操作 不仅劳动强度大，生产效率低，而且难以达到所要求的精度，还有一些工作环 西北丁业大学硕士学位论文 境是对人类健康有害的或人类无法到达的，这就需要数控机床和机器人来完成 这些工作。 另外，在计算机外设和办公自动化设备中也大量运用步进电动机，如磁盘 驱动、打印机、绘图仪和复印机等。 4 本课题拟解决的问题 4 1 课题来源 本科研课题“某卫星太阳帆扳双自由度精密驱动系统”是航天预研项目。 该步进电动机控制系统驱动某卫星的太阳电池阵，使其可以实现正常跟踪、快 速捕获、停转和定位等功能。 4 2 技术指标与要求 1 ) 系统功能描述： a = 睾油3 6 0 0 转动控制：a 轴驱动电路执行归零命令，由手动指令发出归零命 令后，以快速捕获速度使电机轴反时针旋转( 反时针为正向) ，驱动机构发出的 归零脉冲。收到零位信号的上升沿后，电机转速转换为正常跟踪速度；收到零 位信号的下降沿时，电机停止转动。 b 轴俯仰转动控制：b 轴控制部分设俯仰方向识别开关，高电平表示 0 0 9 0 0 区间，低电平( 0 矿) 表示0 0 _ 9 0 0 区间；b 轴初始位置处在零位高 电平处；从0 0 向9 0 0 方向转动，或从9 0 0 向0 0 方向转动，或从0 。向一9 0 。方 向转动，或从一9 0 0 向0 。方向转动，首先以捕获速度转动，收到位置信号的上升 沿时，用跟踪速度转动，收到位置信号的下降沿时，停止转动，并用显示灯显 示。 a 、b 轴电机停止( 锁定) ：电机带电保持； 2 ) 技术指标： 转动范围：a 轴：h 3 6 0 0 ，b 轴：9 0 0 ； 频率调节：频率调节设粗调和细调档；粗调节点的频率为：i o o h ， 2 两北工业大学硕士学位论文 6 6 6 7 h ：，3 3 3 4 h z ，1 6 6 7 h z ，6 6 6 h z ，6 5 3 h z ；频率细调：在粗点以外 的频率，按1 h z 进行调； 可进行启动停止控制； 可进行电机正反转控制； 可预置电机运转步数：预置步数为1 9 9 8 步； 电机可单步、连续、按预置步数运转； 频率显示1 1 0 0 h ，显示分辨率，整数显示3 位，小数显示2 位 4 3 理论上的探讨与关键技术攻关内容 混合式和反应式步进电动机的结构、工作原理和驱动： 步进电机细分控制技术； 频率粗调节点的设定及在粗调节点间的频率按1 h z 进行频率细调； 按预置步数运转时，预置步数的设定： 整个控制系统的软件实现安全、可靠、稳定的运行。 西北丁业丈学埙t 学位沧文 第一章步逆电动剖l 及其工作康理 第一章步进电动机及其工作原理 第一节步进电动机的概述 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移的机电元件。步进电 动机又称脉冲电动机或阶跃电动机。步进电动机的输入是脉冲信号，它绕组内 的电流既不是通常的交流电，也不是恒定的直流电，而是脉冲电流。 步进电动机的机理是基于最基本的电磁铁磁阻最小原理，其原始模型起源 于1 8 3 0 年至1 8 6 0 年间，定、转子采用双凸极结构。2 0 世纪6 0 年代后期，随 着永磁材料的发展，在步进电动机本体方面，各种实用性步进电动机应运而生， 而半导体技术的发展则推进了步进电动机在众多领域的应用。在近3 0 年间，步 进电动机迅速地发展并成熟起来。 自本世纪中叶，步进电动机的应用渗透到数字控制的各个领域，其开环控 制的特点尤其在数控机械中广泛利用。近十几年来，步进电动机在o a 机器 ( o f f i c e a u t o m a t i o n ) 、f a 机器( f a c t o r ya u t o m a t i o n ) 和计算机外部设备等领域 作为控制用电动机和驱动用电动机而被广泛使用。 步进电动机是较早实用的典型的机电一体化元件。步进电动机本体、步进 电动机驱动器和控制器是构成步进电动机系统不可分割的三大部分。其系统框 图如图卜一1 所示。 广一一一i广一一一一一一一一1 i i i i 电路用电潺电机甩直流电源 图卜一1步进电动机系统框图 步进电动机的特点，归纳起来有： 4 堕! ! ! 些查兰堡主兰堡丝圣星二兰生垡里塑垫墨苎三堡堕些 ( t ) 可用数字信号直接进行开环控制，容易构成简单廉价的数字控制系统。 ( 2 ) 位移与输入脉冲信号数相对应。步距误差不长期积累，可以组成结构 较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高精度时组成闭环 控制系统。 ( 3 ) 无刷，电动机本体部件少，可靠性高。 ( 4 ) 易于起动、停止、正反转及变速，响应性也好。 ( 5 ) 停止时，具有一定的自锁能力。 ( 6 ) 步距角选择范围大，可在几十角分至1 8 0 0 大范围内选择。在小步距 情况下，可以在超低速下获得高转矩稳定运行，通常可以不经减速器直接驱动 负载。 ( 7 ) 速度可在相当宽范围内平滑调节。同时用一台控制器控制几台步进电 动机可使它们完全同步运行。 同时步进电动机也有自己的一些缺点： ( 1 ) 步进电动机带惯性负载的能力较差。 ( 2 ) 由于存在失步和共振，因此步进电动机的加减速方法根据利用状态的 不同而复杂化。 ( 3 ) 不能直接使用普通的交直流电源驱动。 从结构特点进行分类，一般常使用的电磁式步进电动机主要类型见表l l 所示。如前所述，步迸电动机种类繁多，本节就其典型的几种电动机结构，即 v r 型、p m 型、h b 型和直线p m 型来加以说明。 表l l 主要结构类型 反应式步进电动机( v r 型) 旋转电机 永磁式步进电动机( p m 型) 混合式步进电动机( h b 型) v r 型 直线电机 p m 型 h b 型 旦! ! 三些查兰堕主兰些生兰 笙二兰兰坐皇苎墨墨曼三堡堕些 1 h b 型步进电动机的基本结构( h y b r i d ) 混合式步进电动机具有轴向励磁和径向励磁这一特点。从结构上看，它的 定转子上开有很多齿槽，这与反应式步进电动机相似；磁路内含有永久磁钢， 这与永磁式步进电动机相似。从性能上看，它可以做成像反应式一样的小步距、 也具有永磁式的控制功率小的优点。这种电动机常常也被作为低速同步电动机 使用。 h b 型步进电动机从构造来看由定子部件、转子部件、机壳和端盖四部分 组成。 ( 1 ) 定子部件 定子部件包括定子铁心、绕组和绝缘材料。定子铁心上有若干大极齿，在 每个大极齿上设计有若干小齿。在定子相邻大极齿的槽内放置绕组。 ( 2 ) 转子部件 转子部件由转子铁心、永磁材料和轴组成。该种电动机的转子铁心分为二 个部分，两部分的铁心相差半个齿距装配而成。永磁材料为轴向充磁的圆环形。 般使用铝镍钴、稀土钴或钕铁硼材质，性能上有余量时可使用廉价的铁氧体 材料。 ( 3 ) 机壳 机壳的作用有三个，即加强电机的刚度、保护电机和构成定子铁心的部分 磁路。一股由铁磁材料做成圆筒形，表面防锈处理。 ( 4 ) 端盖 端盖起支撑转子保证气隙的作用。一般使用铝合金或粉末冶金材料，用模 具一次成型。同样，为保证小气隙的要求，对机械加工的同心度、椭圆度等应 予足够重视。 2 v r 型步进电动机结构( v a r i a b l er e l u c t a n c e ) v r 型步进电动机结构与h b 型类似其不同之处是转子铁心为一个铁心， 不分割为二块，同时转子上不使用永磁材料。其材料和制造方法和h b 型相同。 3 p m 型步进电动机( p e r m a n e n tm a g n e t l 塑! ! 三些查兰堡主兰垡堡三兰苎二童生兰皇塑! ! 些墨三堡堕曼 p m 型电动机的转子由永磁材料和轴组成，转子上没有h b 型步进电动机 那样的齿。永磁材料圆周方向充磁。材料一般使用铁氧体和铝镍钴居多。通常 为大步距步进电动机。使用铁氧体时多为每步7 5 0 和1 5 0 ，使用铝镍钻时常为每 步4 5 0 和9 0 。 4 p m 型直线步进电动机 p m 型直线步进电动机由固定子和可动子二部分组成，这种结构的电动机 因永磁材料的形状和配置、线圈的位置等有不同种类。比较典型而是结构简单 的电动机示意如图1 2 。 j n - 一s i 旨气r 硎 几n 几几几几几几n 几几 围l 一2p m 型直线步进电动机 其定子铁心形成主磁路，相当于把旋转型v r 或h b 电动机的定子铁心在 一维空间展开。其可动子由励磁线圈以及形成永磁材料和主要磁路的铁心组成， 完成直线运行。 第二节三相混合式步进电动机及其工作原理 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移( 或线移位) 的机电元 件，就是外加一个脉冲信号于这种电动机时，它就运行步。 步进电动机种类很多，如第一节所述，大体上可以分为反应式、永磁式、 混合式和直线式四大类。其中混合式和反应式比较常用。 2 1 混合式步进电动机的结构特点 混合式步迸电动机的典型结构如图1 3 所示。它的定子结构与反应式步进 电动机基本相同，即分成若干极，极上有小齿及控制线圈。转子由环形磁钢及 两段铁心组成，环形磁钢在转子的中部，轴向充磁，两段铁心分别装在磁钢的 两北_ 业 学硕上学位论文 第一章步进电动机及其丁作原理 两端，转子铁心上也有如反应式步迸电动机那样的小齿，但两段铁心上的小齿 相互错开半个齿距，定转子小齿的齿距通常相同。 翻1 - - 3 四相混台式步进电动帆结构不意图 三相混合式步进电动机的定子为三相六极，三相绕组分别绕在相对的两个 磁极上，且这两个磁极的极性是相同的，在这一点上，它与三相反应式步进电 动机是不同的。它的每段转子铁心上有八个小齿。 从电动机的某一端看，当定子的一个磁极与转子齿的轴线重台时，相邻磁 极与转子齿的轴线就错开1 3 齿距。如图1 4 ( a ) 中所示a 段转子铁心的情况，a 相磁极下定转子齿的轴线重合时，b 、c 相磁极分别与转子齿错开1 3 齿距。a 、 b 、c 极下的情况分别与a 、b 、c 极下的情况相同。 假如转子上没有磁钢，只是在定子的控制绕组里通电，这个电动机不产生 转矩。由于转子磁钢的作用，使a 段转子铁心呈n 极性，b 段转子铁心里s 极 性。当a 相通电时，转子处于图中所示的位置，此时与a 段转子铁心相对的定 子a 相极下气隙磁导为最大，与b 段转子铁心相对的定子a 相极下气隙磁导为 最小。当转子转动时，a 段转子铁心对应的a 相极下气隙磁导减小，b 段转子铁 心对应的a 相极下气隙磁导增大，使得a 相主磁路上的总磁导基本不变，其他 相通电时也一样，所以没有转矩，可见它与三相反应式步进电动机不一样。三 相反应式步进电动机不存在转子错齿现象，通电相主磁路的磁导随着转子的转 动而增大或减小。 两北t 业大学硕 学位论文 第一章步进电动机厦其工作原理 ( a ) a 段铣芯截面| 划( b ) b 段铣芯截面图 图i 一4 三相混合式步进电动机的横截面图 三相混合式步进电动机的转子磁钢充磁以后，端为n 极，并使得与之相 邻的转子铁心的整个圆周都呈n 极性；另一端为s 极，并使得与之相邻的转子 铁心的整个圆周都呈s 极性。如果定子绕组不通电，仅仅有转子磁钢的作用， 电动机也基本上不产生转矩。永磁磁路是轴向的，从转予a 端到定子的a 端， 轴向到定子的b 端、转予的b 端，经磁钢闭合。在这个磁路上每个极的范围内， 由于两段转子的齿错开了l 2 齿距，当一端磁导增大时，另端磁导必然减小， 在忽略高次谐波时，使每个极的总磁导在转子位置不同时基本保持不变，因而 整个磁路的总磁导与转子位置无关。 只有在转子磁钢与定子磁势相互作用下，才产生电磁转矩。例如转子磁钢 充磁，且定子a 相通电的情况下，转子就有一定的稳定平衡位置，即a 相a 段 极下定转子齿对齿的位置。当外加力矩使转子偏离稳定平衡位置时，例如转子 向逆时针方向转了一个小的角度a o ，则两段定转子齿的相对位置及作用转矩的 方向，如图1 5 ( a ) 、( b ) 所示，由于沿圆周方向电动机结构的对称性，图中只画 出了通电相一个极下的情况。可以看到，两段转子铁心所受到的电磁转矩是同 方向的，都是使转子回到稳定平衡位置的方向。这是由于在电动机两端，定子 极性相同，转子极性相反，但互相锚开了半个齿距，所以当转子偏离稳定平衡 位置时，两端作用转矩的方向是一致的。同时可以清楚地看到，混合式步迸电 堕j ! 三些点兰塑圭堂堡丝兰 星二里生堂皇垫垫墨苎三生堕望 动机的稳定平衡位置是：定转子异极性的极下磁导最大、而同极性的极下磁导 最小。 ( a ) a 段的情况 刚tu 占u c ：_ - ( b ) b 段的情况 i 兰| i - - 5 转子向逆时针方向转过6 ，时t 两段定转子齿的相对位置及作用转矩图 2 2 混合式步进电动机的基本工作原理 上述电动机任意二个相邻定子磁极轴线间的夹角为3 6 = 6 0 。，每一个转 子齿距所对应的空间角度为3 6 哆= 4 5 。 当一相绕组通电，例如a 相绕组正向通电b 、c 二相绕组不通电时，电 动机内建立以a a 7 为轴线的磁场。这时a 相磁极呈s 极性而转子铁一i i , a 段呈 n 极性，b 段呈s 极性，由于转子的稳定平衡位置是使定转子异极性的极下磁 导最大，同极性的极下磁导最小的位置，故转子处于图1 4 所示的位置：a 相 磁极与a 段转子齿轴线重合，与b 段转予齿错开齿距。a 、b 相磁极轴线间 所包含的转子齿距数为6 哆5 。= 1 + ，则b 相磁极沿彳b c 方向分别与a 、b 段 转子齿相差、一齿距，而c 相磁极沿4 b c 方向分别超前a 、b 段转子齿、 十齿眠 在a 相断电的同时，给b 相反向通电，则建立以b b 为轴线的磁场。此时 耍! ! ! ：些茎兰竺：! 兰竺堡塞苎二兰生垄里塑垫墨苎三堡堕翌 b 相磁极呈n 极性，转子沿a 方向转过齿距，达到b 相磁极与b 段转子 齿轴线重合、与a 段转子齿错开齿距的位置。此时c 相磁极沿c b a 方向分 别超前a 、b 段转子齿、一齿距；a 相磁极沿_ 方向分别超前a 、b 段转子齿一、齿距。 相似地，在b 相断电的同时，给c 相正向通电，则建立磁场的轴线为c c 方向，转子又沿c b _ 方向转过了齿距- 达到c 相磁极与a 段转子齿轴线重 合、与b 段转子齿错开坛齿距的位置。 可见，在连续不断地按4 一b c 一爿一日一c 一4 的顺序分别给各相绕组通 电时，每改变通电状态一次时，转子沿o 方向转过齿距，即7 5 。空间角。 2 3 混合式步进电动机的控制特点 1 ) 步距角的控制 对步进电动机加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断她转动。 每一个脉冲信号对应于绕组的通电状态改变一次也就对应于转子转过一定的 角度( 一个步距角) 。可见，转子的平均转速正比于控制脉冲的频率。电动机也可 以按特定的指令转过一定的角度。 如上所述，在a b c 三相绕组内分别轮流单独通电的运行方式，称为三相单 六拍运行。“三相”是指三相步进电动机；“单”是指同时只有一相绕组通电； “六拍”是表示六种通电状态为一个循环，即六次通电状态后又回复到起始的 状况，电动机内的磁场恢复到初始的状态，转子转过一个齿距，定转子齿的相 对关系不变。 除了前面讲的三相单六拍运行方式外，三相混合式步进电动机还可以在不 同的通电方式下运行。它可以采用双六拍和十二拍等常规运行方式，也可以采 用增大步距角的运行方式，如双三拍2 2 、双三拍3 3 和双四拍等。 在不同的运行方式下，步进电动机的步距角是不一样的，其大小为齿距角 塑兰! 些查堂竺! ! 堂些笙壅兰二兰生堂皇垫塑! 墨些三堡璺堡 除以拍数。 2 ) 转向的控制 由上面的分析可知，按a b c a b c a 一的顺序轮流通电，循环一 次，转子沿c b a 方向转过一个齿距，郎4 5 。空间角。 同理，如果按a c b a c b a 一的顺序轮流通电，转子沿a b c 方 向以较慢的速度断续转动。也就是说，改变轮流通电的顺序，就可以改变电动 机的转向。 3 ) 运行与定位 步迸电动机的运行或静止位置与合成磁势的方向密切相关。图1 6 为三相 混合式步进电动机典型励磁状态的合成磁势。在理想条件下，合理地调节各相 的励磁电流，步进电动机可以停在要求的任一位置，亦可按要求的步距角和方 向稳定运行。在等电流推动的条件下，根据合成磁势的方向可以方便地确定电 动机的稳定平衡位置。图中，a 、b 、c 为假定的正向电流，爿、口、c 则表示 绕组中通以反相电流。a b 为二相励磁状态，a b c 为三相励磁状态。图中，以 一个齿距作为3 6 0 0 电角度，即对应于定子a 、b 、c 三相磁极完成一个励磁循 环。三相三极时，对应于3 6 0 0 的机械角。从该图亦可清楚地看出在不同励磁组 合情况下步进电动机的步距角，以及推算出定转子齿之间的相对几何位置。 图卜一6 三相捏合式步进电动机典型励磁状态的合成蹴势 两北t 业丈学硕七学位沦文 第一章步进电动帆展其工作原理 第三节三相反应式步进电动机及其工作原理 3 1 反应式步进电动机的基本工作原理 图1 7 是一台三相反应式步进电动机的横截面图。它的定子上有三对磁 极，每一对磁极上绕着一相绕组，绕组通电时，这两个磁极的极性相反；三相 绕组接成星形。转子铁心及定子极靴上有小齿，定转子齿距通常相等。转子铁 心上没有绕组，图中所示的转予齿数为z ，= 4 0 ，每一个齿距对应的空间角度为 3 6 0 么o = 9 。 皤i - - 7 三相反应式步避电动审【的横截面图 当某一相绕组通电，例如a 相绕组通电时，电动机内建立以幽为轴的磁 场，如图1 8 ( a ) 。由于定转子上有齿和槽，所以当定转子齿的相对位置不同时， 磁路的磁导也不同，定转子齿对齿处的每个极磁导为最大，定转子齿对槽处的 每个极磁导为最小。转子的稳定平衡位置是使通电相磁路的磁导为最大的位置， 所以a 相通电时转子处于a 相极下定转子竭对齿的位置，如图l 一7 所示的情 况。 b 相绕组的轴线，与a 相绕组轴线的夹角为1 2 0 0 。中间包含的齿距数为 1 2 。= 1 3 + ；，即当a 相极下定转子齿对齿时，b 相磁极上定子齿的轴线， 沿a b c 方向超前转子齿的轴线蟛齿距；c 相磁极上定子齿的轴线，则沿a b c 方 西北工业大学硕士学位论文 第一章步进电动机及其工作原理 向超前转子齿的轴线齿距。 【a ) a 相通电( b ) b 相通电( c ) c 相通电 图l - - $ 一相通电时的磁场情况 在a 相断电的同时给b 相通电，则建立以b b 为轴线的磁场，如图1 8 ( b ) ，即磁场沿a b c 方向转过了1 2 0 0 空间角。此时，转子齿的轴线将力求与b 相磁极上定子齿的轴线对齐，以达到图1 9 所示的稳定平衡位置。很显然，比 起a 相通电时，即比起图l 一7 所示的位置来，转子沿a b c 方向转过蟛齿距。 j 相似地，在b 相断电的同时，给c 相通电，则建立磁场的轴线如图l 一8 ( c ) 所示的c c 方向，转子又沿a b c 方向转过齿距以求使c 相极下定转子齿 对齿，如图1 一1 0 。 图l 9 b 相通电时 转了的稳定平衡位置( 空载) 3 2 反应式步进电动机的控制原理 图l 一1 0c 相通电时， 转子的稳定平衡位置( 空载) 塑! ! 三些叁兰塑主兰些堕兰兰二兰垄堂皇垫垫墨墨三生堕墨 可见，在连续不断地按爿一b c 一4 一的顺序分别给各相绕组通电时，电 动机内磁场的轴线沿a b c 方向不断转动，且每改变通电状态一次时，转过的角 度为二相磁极轴线间的夹角1 2 0 0 。而转子则每次转过必齿距，即3 0 空间角。转 子的转动，可以清楚地从图1 7 、1 8 及1 9 中转子第1 、第1 4 或第2 7 个 齿的位置的变动看出。当定子各相轮流通电完成一个循环时，磁场沿a b c 向转 过3 6 0 0 空间角，转子沿a b c 方向转过一个齿距。磁场转速与转子转速的速比等 于转子齿数。 aa口 ( a ) a b 相通电( b ) b c 相通电( c ) c a 相通电 图i l i 两相同时通电时的磁场情况 同理，如果按爿一c b a 一的顺序轮流通电，则磁场沿a c b 方向断续转 动，转子也沿a c b 方向以较慢的速度断续转动。也就是说，改变轮流通电的顺 序，可以改变电动机的转向。这两种通电方式都是三相单三拍运行方式。 三相反应式步进电动机也可以按三相双三拍( a b b c c a a b 一) 方式运 行。当a b 二相同时通电时，建立的磁场大致如图1 1 1 ( a ) 所示，合成磁场的轴 线在c 方向，转子的稳定平衡位置也是使通电相极下总的磁导为最大，即a b 两相磁极上的齿分别与转子齿的轴线错开齿距，如图1 - - 1 2 ( a ) ，图中画出 了电动机的相邻半数极下定转子齿的相对位置。此时，a 和b 两个极下定转子 相互作用的电磁转矩大小相等，方向相反，使转子处于平衡状态。另外一种位 置，如图l 1 3 所示，看起来好象是平衡位置，但由于通电相磁路的总磁导不 西北工业上学硕士学位论文第一章步进电动机及苋t 作原理 是最大，所以它是不稳定平衡点。 ( b ) b c 相通电 图1 - - 1 2 两相通电时转子的稳定平衡位置 当a b 二相通电变换成8 c 二相通电时，电动机内合成磁场的轴线转过 1 2 0 0 ，大致在a 方向，如图1 _ 一1 l ( b ) 所示。转子的稳定平衡位置则如图1 一1 2 ( b ) 所示，转子齿与b c 二相极上的齿分别错开齿距。从b 相极下看，转子齿 轴线与定子齿轴线的相对位置，从相距一齿距变为+ 齿距，可见转子转过 以齿距。b c 通电变换成c a 通电时，磁场和转子的运动情况也相似。 图l 1 3a b 两相通电时的不稳定平衡点 可咀看出，双三拍运行方式作用原理与单三拍运行相似，每改变一次通电 6 耍i ! ! ：些查兰墼主兰些堡苎墨= 至生堂皇塑! ! 丝苎三竖望望 状态- 磁场轴线转过1 2 0 。，转子转过齿距。但由于通电方式不同，运行性能 有些差别。 三相反应式步进电动机也可以采用三相六拍( 一a b b b c c c a 一一) 的通电方式，每改变一次通电状态，电动机内磁场的轴线转过6 0 。，转子转过 齿距，为三拍时的一半。 从前面的分析可以知道，同一台电动机，可以有不同的通电方式和不同的 运行拍数，若用m 。表示运行拍数，o 表示转子齿数，则每改变一次通电状态时 转子转过角度的平均值称为步距角，用瓯表示，则 眈：3 6 0 0 盯h z ， 从式中可以看出，拍数和转子齿数不同时，步距角不同，且步距角与拍数或转 子齿数成反比。 第四节几种步进电机的特性比较 反应式、永磁式和混合步进电动机的特点从以下两方面进行比较。 1 结构特点 1 ) 反应式步进电动机 定子上有多相绕组，定子磁极和转子上开有小齿，定、转子铁心可做成单 段式或多段式。 2 ) 永磁式步进电动机 定子上有多相绕组，但定子磁极上不开齿。转子用永久磁钢制成，转子极 数与定子每相的极数相同。 3 ) 混合步进电动机 结构复杂。为永磁式和反应式的组合，定子结构与反应式相同，转子由位 于中部的环形永久磁钢和位于两端的无磁性铁心组成。环形磁钢轴向充磁， 17 竺堕生生竖茎兰鱼兰羔! 堡生一一墨二里垄坐生垫! ! 墨墨王堡堕里 两端的铁心上开有小槽。 2 性能特点 1 ) 反应式步进电动机 齿距角可以做得很小，起动和运行频率较高。断电时无定位力矩，需用带 电定位，消耗功率大。 2 ) 永磁式步进电动机 步距角较小，起动和运行频率较低，断电时有定位力矩，消耗功率小。 3 ) 混合步进电动机 步距角较小，有较高的起动和运行频率，消耗功率小，有定位力矩，兼有 以上两种步进电动机的优点。 西北工业大学硕士学位论文 第二章步进电机的驱动及其控制技术 第二章步进电机的驱动及其控制技术 第一节步进电机驱动器 步进电动机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动 机驱动器。步进电动机驱动系统的性能，除与电动机自身的性能有关外，也在 很大程度上取决于驱动器的性能。 步进电动机驱动器的主要构成如图2 1 所示，一般由环形分配器、信号处 理级、推动级、驱动级等各部分组成，用于功率步进电动机的驱动器还需要有 多种保护电路。 图2 一i 步进电动机驱动器构成 环形分配器用来接受来自控制器的c p 脉冲，并按步进电动机状态转换表 要求的状态顺序产生各相导通或截止的信号。每来一个c p 脉冲，环形分配器 的输出转换一次。因此，步进电动机转速的高低、升速或降速、起动或停止都 完全取决于c p 脉冲的有无或频率的高低。同时，环形分配器还必须接受控制 器的方向信号，从而决定其输出的状态转换是按正序或者反序转换，于是就决 定了步进电动机的转向。 从环形分配器输出的各相导通或截止的信号送入信号放大级与处理级。信 号放大的作用是将环分输出信号加以放大，变成足够大的信号送入推动级这 中删一般既需要电压放大，也需要电流放大。 信号处理是实现的某些转换、合成等功能，产生斩波、抑制等特殊功能的 信号，从而产生特殊功能的驱动。本级还经常与各种保护电路、各种控制电路 】9 堕! ! 些查兰堡主兰些笙三兰笙三兰生堂里垫塑矍垫墨苎丝塑! 垫苎 组合在一起，形成较高性能的驱动输出。 推动级的作用是将较小的信号加以放大，变成足以推动驱动级的较大的信 号。有时推动级还承担电平转换的作用。 保护级的作用是保护驱动级的安全。一般可根据需要设置过电流保护、过 热保护、过压保护、欠压保护等。有时还要对输入信号进行监控，发现输入异 常并提供保护工作。 第二节单电压驱动 单电压驱动是指在电动机绕组工作过程中，只用一个方向电压对绕组供电。 其线路图如图2 2 所示，前面推动级输出信号j 。作用于三极管的基级，其集电 极接电动机的一相绕组，绕组另一端直接与电源电压连接。因此，三极管导通 时，电源电压全部作用在电动机绕组上。 ( a ) 单元线路( b ) 导通时( c 截止时 图2 - - 2 单电压驱动的单元线路 当输入信号是高电平，l 提供足够大的基级电流使三极管五处于饱和状 态，若忽略其饱和压降，则电源电压全部作用在电动机绕组上。等值电路如图 2 2 ( b ) 所示，其中，r 是绕组电阻，是绕组的平均电感，是电动机运动 而产生的反电势。 出导通相的等值电路，可知其电压平衡方程为 u = 她+ l d 出i _ 2 l + e l l l e r珀掣 西北_ 业大学硕上学位论文第二章步进电乩的驱动及其控制技术 卿呆将电动利l 堵鞲，! j ! i j 电动机小能逐褥，具及电努为零。此时由绕组电流 的单步响应可以解方程求出，即 卜百u ( 1 一e _ t 7 ) 式中，r 为绕组回路的电气时间常数，f = ，f i 的波形如图2 3 ( a ) 所示。 这是一条指数上升的曲线。在通电瞬间，即f = 0 ，i ，= 0 时；在t = m 时，f 达 到稳态时，f 】= 簧。 图2 3 单步响应韵电流拔形 如果电动机不是处于堵转状态，则换相一次的结果，将使电动机前进一步。 反电势的大小和方向既与转子的位置有关也与电动机运行瞬时速度有关。详 细的分析表明，反电势是转子位置的周期函数，基波为正弦波，同时，反电势 又与速度成正比，速度越大，反电势越大，转速为零时，反电势也为零。因此， 当绕组导通开始时，转速为零，反电势为零( e = o ) ，电流上升的起始斜率与堵 转时相同。在电磁转矩的作用下，转子开始加速，此时的反电势应该与电流的 方向相反。这是因为只有e 与f i 相反时，电动机才能吸收电源供给的电能转换 为电磁功率从而推动转子旋转使转子获得动能。速度越快，反电势越大，这 个反电势会使作用在绕组上的静电压降低，限制电动机的电流，从而使绕组电 流上升过程中出现一个凹点。转子到达新的稳定平衡位置时，由于转子有一定 的速度，故会冲过这个平衡点，此时电势的方向变成与电流方向相同，因此电 流也会发生上冲，形成暂时大于稳态电流的情况。而此