步进电机的结构与原理.ppt

第3讲步进电机控制系统 主讲老师 刘遥生 机电传动控制技术系列讲座内容 第一讲 机电传动概述及控制系统中常用检测元件主要内容 讲述机电传动的目的和任务及发展概况 介绍机电传动控制系统中常用的元器件 如速度传感器 线位移传感器 角位移传感器等 第二讲 机电传动控制系统主要内容 讲述机电传动控制系统的组成和分类 重点介绍机电传动控制系统调速方法 第三讲 步进电机控制系统主要内容 讲述步进电机的结构 原理和控制系统 重点介绍步进电机的控制与应用等方面的知识 第三讲步进电机控制系统 目的 1 了解步进电机的一般结构与工作原理2 掌握步进电机基本特性及应用3 学会步进电机控制方法 内容 一 步进电机的分类二 步进电机的结构和工作原理三 步进电机的主要技术指标四 步进电机的控制 第一节步进电机分类 1 何谓步进电动机又称为脉冲电动机 是数字控制系统中的一种执行元件 其功用是将脉冲电信号变换为相应的角度位移或直线位移 即给一个脉冲电信号 电动机就转动一个角度或前进一步 图1步进电机的功用 第一节步进电机分类 2 步进电动机产品外形 步进电机 驱动器 第一节步进电机分类 2 步进电动机产品外形 第一节步进电机分类 3 步进电动机分类 步进电机在构造上有三种主要类型 1 反应式 VariableReluctance VR 2 永磁式 PermanentMagnet PM 3 混合式 HybridStepping HS 反应式 永磁式 混合式 反应式结构 第一节步进电机分类 3 步进电动机分类 反应式 定子上有绕组 转子由软磁材料组成 结构简单 成本低 步距角小 可达1 2 但动态性能差 效率低 发热大 可靠性难保证 永磁式 永磁式步进电机的转子用永磁材料制成 转子的极数与定子的极数相同 其特点是动态性能好 输出力矩大 但这种电机精度差 步矩角大 一般为7 5 或15 混合式 混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点 其定子上有多相绕组 转子上采用永磁材料 转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度 其特点是输出力矩大 动态性能好 步距角小 但结构复杂 成本相对较高 反应式 永磁式 混合式 20世纪60年代后期 在步进电动机本体方面随着永磁材料的发展 各种实用性步进电动机也应运而生 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30年间 步进电动机迅速地发展并成熟起来 从发展趋向来讲 步进电动机已经能与直流电动机 异步电动机 以及同步电动机并列 从而成为电动机的一种基本类型 我国步进电动机的研究及制造起始于本世纪50年代后期 从50年代后期到60年代后期 主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品 这些产品以多段结构三相反应式步进电动机为主 70年代初期 步进电动机的生产和研究有所突破 除反映在驱动器设计方面的长足进步外 对反应式步进电动机本体的设计研究发展到一个较高水平 70年代中期至80年代中期为成品发展阶段 新品种高性能电动机不断被开发 自80年代中期以来 由于对步进电动机精确模型做了大量研究工作 各种混合式步进电动机及驱动器作为产品广泛利用 4 步进电动机的发展 第一节步进电机分类 步进电机主要用于一些有定位要求的场合 例如 线切割的工作台拖动 植毛机工作台 毛孔定位 包装机 定长度 打印机 汽车油门控制系统 扫描仪等 基本上涉及到定位的场合都用得到 5 步进电动机的应用领域 第一节步进电机分类 第二节步进电机结构和工作原理 1 步进电机的结构 第二节步进电机结构和工作原理 1 步进电机的结构由定子和转子二大部分组成 定子 转子 第二节步进电机结构和工作原理 1 步进电机的结构 定子 第二节步进电机结构和工作原理 1 步进电机的结构 定子 第二节步进电机结构和工作原理 2 步进电机的结构 转子 第二节步进电机结构和工作原理 2 步进电机的结构 转子 1 定子由硅钢片叠成 装上一定相数的控制绕组 由环行分配器送来的电脉冲对多相定子绕组轮流进行励磁 第二节步进电机结构和工作原理 3 步进电机的结构原理 由用硅钢片叠成或用软磁性材料做成凸极结构 转动1个齿 转角发生了90度变化 2 转子 第二节步进电机结构和工作原理 3 步进电机的结构原理 定子上有六个均布的磁极 每个磁极上又有5个小齿 齿距相等 齿间夹角为9度 转子上无绕组 只有均布的40个小齿 定子磁极的齿与转子上的齿依次错开1 3齿距 第二节步进电机结构和工作原理 4 步进电机的结构原理 反应式 第二节步进电机结构和工作原理 5 步进电机的工作原理 反应式 依此轮流通电 转子就沿着A B C的方向旋转 从一相通电换接到另一相通电 转子转过一个步距角 称为一拍 在一个循环周期内换接三次 称为三相单三拍运行动画 如果通电方式按AB BC CA的顺序 每次接通两相绕组 称为三相双三拍运行 步距角也是30度动画 当按A AB B BC C CA A顺序通电 则一个循环周期内换接六次 称为三相六拍运行 此时步距角为15度动画 A相绕组通电 B相绕组通电 C相绕组通电 第二节步进电机结构和工作原理 5 步进电机的工作原理 反应式 第二节步进电机结构和工作原理 5 步进电机的工作原理 反应式 转子齿数z 40 相数m 3 t为齿距 其对应空间角度为360 40 9度 则定子相邻磁极间的转子齿数为6 2 3 第二节步进电机结构和工作原理 5 步进电机的工作原理 反应式 由此可见 m相步进电动机的步距角与定子绕组的相数m 转子的齿数Z和通电方式k 拍数 m相数 有关 即 转速为 第二节步进电机结构和工作原理 5 步进电机的工作原理 反应式 1 步距角 从一相通电换接到另一相通电 转子转过一个步距角 一般范围在0 50 30 2 起动频率 步进电动机能够不失步起动的最高频率 起动频率是随着负载大小而变化的 负载大 起动频率低 第三节步进电机主要技术指标 3 连续运行频率 步进电机连续运行时 如输入脉冲频率逐渐升高仍能保证不丢步运行的极限频率 称为连续运行频率 有时称为最高连续频率或最高工作频率 记作fmax 连续运行频远大于启动频率fq 这是出于启动时有较大的惯性扭矩并需要一定加速时间缘故 第三节步进电机主要技术指标 4 最大静态转矩Mmax 是指在某相始终通电 转子不动时 所能承受的最大负载转矩 反映了制动能力和低速步进运行时的负载能力 这项指标反映了步进电机的带负载能力和工作的快速响应特性 Mmax值愈大 电机带负载能力愈强 快速性愈好 第三节步进电机主要技术指标 5 矩频特性 动态转矩与脉冲频率的关系称为矩频持性 步进电机的动态转矩即电磁力矩随频率升高而急剧下降 第三节步进电机主要技术指标 为什么频率增高以后步进电机的负载能力要下降呢 第三节步进电机主要技术指标 为什么频率增高以后步进电机的带负载能力要下降呢 因为频率越高 通过线圈绕组的平均电流越小 电磁力矩就越小 所以 带负载能力就要下降 第三节步进电机主要技术指标 1 步进电机控制系统方框图 驱动器 控制器 执行元件 步进电机控制系统由控制器 驱动器和执行元件等三大部分组成 第四节步进电机控制系统 2 控制器 运行指令 变频信号 控制器 变频脉冲发生系统 指令系统 控制器功能 由指令系统发出的速度和方向指令 控制脉冲发生系统产生相应频率的脉冲信号和高 低电平的方向信号 第四节步进电机控制系统 3 控制的器作用 运行指令 变频信号 控制器 方向信号 运动轨迹信号 速度信号 第四节步进电机控制系统 1 控制器的作用 运行指令 变频信号 控制器 方向信号 运动轨迹信号 速度信号 实现的方法 1 PC机 2 PLC 3 电子电路 第四节步进电机控制系统 步数控制步进电动机在用于软盘驱动 打印机和数控机床进给系统中 都需要精确定位 所以在编写程序时 需先给定应走的步数 例如 某数控机床进给系统的五相步进电动机 步距角 1 5度 脉冲当量 p 0 005mm 要求走刀距离为L 20cm 求需要多少个脉冲 步进电机转多少圈 答 需要L 4 104个脉冲 即要走4 104步 166 7圈 才能走完这段距离 速度的控制通过控制脉冲分配频率可实现步进电动机的速度控制 速度控制也有硬 软件两种方法 硬件方法是在硬件脉冲分配器的脉冲输入端 CP 接一个可变频率脉冲发生器 改变其振荡频率 即可改变步进电动机速度 1 步数和速度控制 第四节步进电机控制系统 2 速度轨迹的控制步进电动机允许的起动频率一般较低 100步 秒 250步 秒 当要求高速运行时 必须从低频起动 然后逐渐加速 第四节步进电机控制系统 3 速度信号的频率与步进电机带负载能力的分析 电流放大器 电源 步进电机一相绕组 驱动信号 R1 R2 第四节步进电机控制系统 2 驱动器 第四节步进电机控制系统 脉冲分配器 功率放大器 驱动 第四节步进电机控制系统 1 脉冲分配器 第四节步进电机控制系统 1 脉冲分配器 第四节步进电机控制系统 2 功率放大器 第四节步进电机控制系统 R12 R12 U1高压 U2低压 步进电机绕组 控制信号 高低电压切换电源 低压控制回路 高压控制回路 2 功率放大器 第四节步进电机控制系统 4 步进电机使用 步进电机 第四节步进电机控制系统 4 步进电机使用 步进电机 第四节步进电机控制系统 4 步进电机驱动器使用 第四节步进电机控制系统 输出电流设定 第四节步进电机控制系统 1 运动控制卡开环控制系统 组成 运动控制卡 计算机 并口线 I O板 开关电源 第四节步进电机控制系统 驱动器 步进电机 I O板 开关电源 运动控制卡 计算机 并口线 1 运动控制卡开环控制系统 连接 34 26 31 33 32 1 运动控制卡开环控制系统 连接 34 29 32 1 运动控制