步进电机驱动.pdf

Chapter 2Stepping Motor 2 1 Outline 步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制 并将电脉冲 信号转换成相应的角位移或线位移的控制电机 主要优点主要优点 步距角和转速不受电压波和负载变化的影响 仅 与脉冲频率有关 它每转一周都有固定的步数 在不丢步的 情况下运行 其步距误差不会长期积累 从而使它适合于在 数字控制的开环系统中作为驱动电动机 也可用作闭环系统 的驱动元件 主要缺点主要缺点 效率较低 需配适当的驱动电源 带惯性负载的 能力不强 东南大学电气工程系电机教研室东南大学电气工程系电机教研室EE Chapter 2Stepping Motor 种类 种类 东南大学电气工程系电机教研室东南大学电气工程系电机教研室EE 励 磁 方 式 磁阻式 反应式 永磁式 永磁感应子式 运 行 方 式 旋转型 直线型 平面型 系统构成 步进 电机 脉冲分配器脉冲放大器 脉冲信 号输入 Chapter 2Stepping Motor 2 2 Operation Principle 三相反应式步进电动机有三种运行方式 1 三相单三拍运行 2 三相双三拍运行 3 三相单 双六拍运行 三相 指步进电机的相数 单 指每次只给一相绕组通电 双 则是每次同时给 二相绕组通电 三拍 指通电三次完成一个循环 1 三相单三拍运行方式 东南大学电气工程系电机教研室东南大学电气工程系电机教研室EE 1 2 3 4 1 2 3 4 Chapter 2Stepping Motor 东南大学电气工程系电机教研室东南大学电气工程系电机教研室EE A A B B C C A相导通 A A B B C C B相导通 A A B B C C 1 2 3 4 1 2 3 4 Chapter 2Stepping Motor 东南大学电气工程系电机教研室东南大学电气工程系电机教研室EE A A B B C C C相导通A相导通 Chapter 2Stepping Motor 按A B C A的顺序通电 电机转子在磁阻转矩作用下沿 ABC方向转动 电机的转速直接取决于控制绕组的换接频率 定子控制绕组每改变一次通电方式 称为一拍 此时电 机转子所转过的空间角度称为步距角 东南大学电气工程系电机教研室东南大学电气工程系电机教研室EE 90 360 r t Z 3 90 3 t s 齿距角 步距角 Chapter 2Stepping Motor 2 三相双三拍运行方式 按AB BC CA AB或相反的顺序通电 每次同时给两相 绕组通电 且三次换接为一个循环 步距角与三相单三拍 运行方式的步距角相同 东南大学电气工程系电机教研室东南大学电气工程系电机教研室EE Chapter 2Stepping Motor 3 三相单 双六拍运行方式 这种运行方式按A AB B BC C CA或相反顺序通电 即需要 六拍才完成一个循环 因此步距角为 东南大学电气工程系电机教研室东南大学电气工程系电机教研室EE 15 6 90 6 t s Chapter 2Stepping Motor 对于其它相数的步进电动机 同样可以有多种运行方式 例如四相步进电动机有 四相单四拍 四相双四拍 四相单 双八拍等动行方式 一般而言 无论几相电机以及采用何种运行方式 步距 角与转子齿数Zr和拍数N之间有如下关系 东南大学电气工程系电机教研室东南大学电气工程系电机教研室EE NZr s 360 机械角度 此处 m为控制绕组相数 C为状态系数 单三 双三拍时 C 1 单双六拍时C 2 如果连续不断地输入脉冲 则电机转子就连续旋转 其转 速与脉冲频率有关 每输入一个脉冲 转子转过 mCN Chapter 2Stepping Motor 每秒钟输入f 脉冲 则转过f ZrN转 故电机转速为 东南大学电气工程系电机教研室东南大学电气工程系电机教研室EE NZr 1 NZ f n r 60 rpm 4 小步距角磁阻式步进电机 转子上有均匀分布的40个齿 9 40 360 t 3 1340 360360 NZr s Chapter 2Stepping Motor 小步距角步进电动机中的转子齿数 必须满足一定的要 求 才能保证电机产生步进运动 东南大学电气工程系电机教研室东南大学电气工程系电机教研室EE 当A相极面下的定 转子齿对齐时 B 和C 极面下的齿就 分别和转子齿相错三分之一的转子齿 即3度 m KpZr 1 2转子齿数应符合 Chapter 2Stepping Motor 5 永磁式步进电动机 东南大学电气工程系电机教研室东南大学电气工程系电机教研室EE 定子为两相 或多相 绕组 转子为星形永久磁钢 转子极数应与定子每相极数相 同 优缺点 步距角较大 起动和运行频率较 低 需正 负电脉冲供电 消耗的功率较小 有定位转矩 Chapter 2Stepping Motor 6 永磁感应子式步进电动机 东南大学电气工程系电机教研室东南大学电气工程系电机教研室EE 1 定子A相通入负脉冲 1 3极的极性分别为N和S 这 时转子处于稳定平衡位置 此时B相2 4极上的小齿与转 子齿都错开1 4齿距 Chapter 2Stepping Motor 2 A相断开负脉冲 B相输入负脉冲 定子极2 4分别呈N和 S 其下的所有转子齿 包括I I和II II端面 均受到向右的电 磁转矩作用 东南大学电气工程系电机教研室东南大学电气工程系电机教研室EE NNNN NN N NNN SSSS SS SS SSSS NN t 2 t 4 t 1 234 A A B B II IIII T T Chapter 2Stepping Motor 2 3 运行特性 Characteristics 以磁阻式步进电动机为例 一 静态特性 静态运行是指通电状态不变 电机处于稳定状态时的特 性 东南大学电气工程系电机教研室东南大学电气工程系电机教研室EE 静特性 静转矩 矩角特性 静态稳定区 需要弄清楚的几个名称 1 初始稳定平衡位置 指步进电动机在空载情况下 控制 Chapter 2Stepping Motor 绕组中通以直流电流时 转子的最后稳定位置 2 失调角 指步进电动机转子偏离初始平衡位置的电角度 在反应式步进电动机中 转子一个齿距所对应的电角度为2 3 矩角特性 在不改变通电状态 即控制绕组电流不变 时 步进电动机的静转矩与转子失调角的关系 即 f 4 静态稳态区 在空载时 稳定平衡位置对应于 0处 而 180度则为不稳定平衡位置 在静态情况下 如受外力矩 的作用使转子偏离稳定平衡位置 但没有超出相邻的不稳定 平衡点 则当外力矩除去以后 电动机转子在静态转矩作用 下仍能回到原来的稳定平衡点 所以二个不稳定平衡点之间 的区域构成静态稳定区 5 最大静转矩 Tsm 东南大学电气工程系电机教研室东南大学电气工程系电机教研室EE Chapter 2Stepping Motor 东南大学电气工程系电机教研室东南大学电气工程系电机教研室EE 0 180o 180o Tsm T 稳定平衡点 静稳定区 步进电动机的矩角特性 Chapter 2Stepping Motor 二 动态特性 1 单脉冲运行 东南大学电气工程系电机教研室东南大学电气工程系电机教研室EE 当加上一个控制脉冲信 号 矩角特性将转移到 矩角特性簇中的下一条 矩角特性曲线 转子将 转到新的稳定平衡位置 o1 在改变通电状态时 只有当转子起始位置位 于ab之间才能使它向o1 点运动 因此称区间ab 为电动机空载时的动态 稳定区 o0 T o1 se r ab 动态稳定区 静态稳定区 Chapter 2Stepping Motor 动态稳定区 se se a点与o1点之间的夹角 r称为稳定裕度 或裕量角 裕量角越 大 电动机运行越稳定 东南大学电气工程系电机教研室东南大学电气工程系电机教研室EE 2 2 mC mC Z CmZ r r ser 由上式可见 C 1时 反应式步进电动机的相数最少为3 电动机的相数越多 步距角越小 相应的稳定裕度越大 运行的稳定性也越好 最大负载转矩 又称起动转矩 Chapter 2Stepping Motor 东南大学电气工程系电机教研室东南大学电气工程系电机教研室EE o0 T o1 Tst o 0 TL2 o 1 o0 T o1 Tst o 0 TL1 o 1 TL1Tst 新矩角特性上对应点的转矩小于 负载转矩 转子不能到达新的稳 定平衡点o 1 而是向 减小的方 向运动 因此不能作步进运动 Chapter 2Stepping Motor 由此可知 步进电动机能带的最大负载转矩要比最大静转矩 Tsm小 只有当负载转矩小于起动转矩 最大负载转矩 Tst 才 能保证电动机进行正常的步进运动 若矩角特性为幅值相等的正弦波时 可得 东南大学电气工程系电机教研室东南大学电气工程系电机教研室EE mC TTTT sm se sm se smst cos 2 cos 2 sin 当C 1时 m 最小为3 m越大 起动转矩越大 C越大 起 动转矩越大 转子振荡过程 转子振荡过程 以上分析时认为 切换控制绕组时 转子单调地趋向新的平 衡位置 但实际上要经过一个衰减的振荡过程 Chapter 2Stepping Motor 东南大学电气工程系电机教研室东南大学电气工程系电机教研室EE 为减小振荡幅度和时间 可 增加阻尼 机械阻尼 增加电机转子的 干摩擦阻力或增加粘性阻力 缺点 增大了惯性 快速性 能变坏 体积增大 电气阻尼 多相激磁阻尼 延迟断开阻尼 优点 方法 简单 效果好 Chapter 2Stepping Motor 当负载转矩为零 且不计阻尼作用时 用外力使转子偏离稳 定平衡位置一个小角度 然后释放 则转子奖在电磁转矩作 用下向稳定位置运动 形成一个自由振荡 其运动方程为 东南大学电气工程系电机教研室东南大学电气工程系电机教研室EE T dt d J esm T dt d J sin 2 2 0sin 2 2 e e smr dt d TZ J re Z 0 2 2 e e smr dt d TZ J ee sin t ee00 cos 解为 J TZ smr 0 J TZ f smr 2 1 0 Chapter 2Stepping Motor 2 连续脉冲运行 极低频 连续步进运行 东南大学电气工程系电机教研室东南大学电气工程系电机教研室EE 脉冲频率很高 连续运 行 Chapter 2Stepping Motor 脉冲频率很低时的低频共振 频率介于极低频与高频之间 此时脉冲间隔较长 电动机起 动和运行一般不会有问题 但是 如果等于或接近于步进电 动机的振荡频率时 电动机就会出现低频共振 东南大学电气工程系电机教研室东南大学电气工程系电机教研室EE e 2 e 4 e 6 e 8 a t 0 a t 2 a t 3 a t 4 e t Chapter 2Stepping Motor 起动频率和起动特性fst 是指一定负载转矩下能够不失步地起动的脉冲最高频率 它的大小与电动机本身参数 负载转矩及转动惯量的大小 以及电源条件等因素有关 它是步进电动机的一项重要技术 指标 fst f TL 起动矩频特性 fst f J 起动惯频特性 连续运行频率与运行矩频特性 步进电动机带一定负载正常起动后 连续缓慢地升高脉 冲频率 直到不丢步运行的最高频率 称为运行频率 东南大学电气工程系电机教研室东南大学电气工程系电机教研室EE Chapter 2Stepping Motor 东南大学电气工程系电机教研室东南大学电气工程系电机教研室EE f L T 0 起动 连续运行 f 0J 矩频特性起动惯频特性 Chapter 2Stepping Motor 2 4 步进电动机的驱动电源 一 对驱动电源的基本要求 1 驱动电源的相数 通电方式和电压 电流都要满 足步进电动机的要求 2 要满足步进电动机起动频率和连续运行频率的要 求 3 能最大限度地抑制步进电动机的振荡 4 工作可靠 抗干扰能力强 5 成本低 效率高 安装维护方便 东南大学电气工程系电机教研室东南大学电气工程系电机教研室EE Chapter 2Stepping Motor 二 驱动电源组成 东南大学电气工程系电机教研室东南大学电气工程系电机教研室EE 变频 信号源 脉冲 分配器 功率 放大器 步进 电动机 负载 指令 1 变频信号源 是一个脉冲频率由几赫到几十千赫可连续 变化的信号发生器 可以是计算机或振荡器 2 脉冲分配器 一种逻辑电路 由双稳态触发器和门电路 组成 它可将输入的电脉冲信号根据需要循环地分配到 脉冲放大器进行功率放大 并使步进电动机按选定的运 行方式工作 Chapter 2Stepping Motor 三相单三拍脉冲分配器 东南大学电气工程系电机教研室东南大学电气工程系电机教研室EE 1 J 2 J 2 K 1 K 1 Q 1 Q 2 Q 2 Q CPCP 1 Q 2 Q 2 Q 1 Q 2 Q A B C 0 U 预置 A B C Chapter 2Stepping Motor 东南大学电气工程系电机教研室东南大学电气工程系电机教研室EE 三相单 双六拍单转向脉冲分配器 Q Q S R Q Q S R Q Q S R RS1RS2RS3 123456 AB C Chapter 2Stepping Motor 3 功率放大电路 单一电压型功率放大电路 高 低电压切换型功率放大电路 东南大学电气工程系电机教研室东南大学电气工程系电机教研室EE Chapter 2Stepping Motor 2 4 步进电动机应用 用于数字程序控制系统 东南大学电气