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机电传动与控制辅导资料十五主 题：课件第9章 步进电动机传动控制系统学习时间：2012年1月9日1月15日内 容：我们这周主要学习课件第9章信号处理初步第1-3节的相关内容。希望通过下面的内容能使同学们加深对相关知识的理解。一、学习要求1. 了解步进电动机的结构与工作原理；2. 掌握步进电动机的主要特性与性能指标。3. 了解步进电动机环形分配器的基本原理及其硬、软件的实现方法；4. 了解两种不同类型步进电动机的驱动电路及优缺点。重点难点分析：1重点：分析和设计简单的步进电动机驱动电路;2难点：驱动电源对步进电动机运行性能的影响。二、主要内容9.1 步进电动机步进电动机是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）步进电动机的结构与工作原理（1）结构特点步进电动机和一般旋转电动机一样，分为定子和转子两大部分。图13.2为三相反应式步进电动机的结构示意图。定子有六个磁极，每两个相对的磁极上绕有一相控制绕组。转子上装有四个凸齿。（2）工作原理基本工作原理 图13.2三相反应式步进步进电动机的工作原理，其实就是电磁铁的工作 电动机的结构示意图原理，如图13.3所示。设A相绕组先通电，B相和C相不通电，在电磁作用下，转子齿1、齿3被吸引到A下，此时，转子转矩为零，自锁，B、C两相的定子齿和转子齿在不同方向各错开30度。当通电顺序为A-B-C-A时，转子便按顺时针方向一步一步转动。每换接一次，转子就转过一个步距角。电流换接三次，磁场旋转一周，转子转过一个齿距（此例中转子有四个齿时齿距为90度）。欲改变旋转方向，则只要改变通电顺序即可。图13.3 三相单三拍通电方式时转子的位置（a）A相通电 （b）B相通电 （c）C相通电通电方式三相步进电动机一般有单三拍、单双六拍及双三拍等通电方式。单是指每次切换前后只有一相绕组通电，双就是指每次有两相绕组通电，而从一种通电状态转换到另一种通电状态就叫做一“拍”。单相轮流（三相单三拍）通电方式，如图13.3和图13.4所示，这种方式的通电顺序为A-B-C-A，每次只有一相控制绕组通电吸引转子，容易使转子在平衡位置附近产生振荡，运行稳定性较差。另外，在切换时一相控制绕组断电而另一相控制绕组开始通电，容易造成失步，实际很少采用。双相轮流（三相双三拍）通电方式，如图13.2所示，通电顺序为AB-BC-CA-AB。这种通电方式，其转子受到的感应力矩大，静态误差小，定为精度高，工作稳定，不易失步。单双相轮流（三相单双六拍）通电方式，通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A。具有双三拍的特点。图13.5 步进电动机的通电方式（a）A相通电 （b）A、B相通电 （c）B相通电 （d）B、C相通电2）小步距角步进电动机图13.6所示是一个实用的小步距角步进电动机结构。定子上有三对磁极，分别绕有三相绕组，当定子绕组按A-B-C-A顺序轮流通电时，转子就沿顺时针方向一步一步地转动，各相绕组轮流通电一次，转子就转过一个齿距。 设转子的齿数为Z，则齿距为 （13.1）步距角的计算公式为 （13.2）式中，K状态系数（单三拍、双三拍时，K=1；单双六拍时，K=2）。图13.6 三相反应式小步距角步进电动机结构由式（13.2）看出，步进电动机的转子齿数和定子相数（或运行拍数）愈多，步距角就愈小，控制也就越准确。 如果电脉冲的频率为f（通电频率），步距角用弧度表示，则步进电动机的转速为 （13.3）3）步进电动机的分类（1）按步进电动机的工作原理分激磁式（电磁式）。电机的定子转子均有绕组，靠电磁力矩使转子转动。反应式（磁阻式）。转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使转子转动。 永磁式。绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生转矩。 混合式（永磁感应式）。永磁感应式电机具有驱动电流小、效率高、过载能力强等优点，是一种很有发展前途的步进电动机。（2）按步进电动机输出转矩大小分快速步进电动机。连续工作频率高，输出转矩小。 功率步进电动机。输出转矩比较大。可直接驱动机床移动部件。 此外，按励磁相数可分为三相、四相、五相、六 相等。相数越多，步距角越小，但结构越复杂。4）步进电动机的主要特性与性能指标（1）步进电动机的主要特性矩角特性图13.9 步进电动机的矩角特性矩角特性反映了步进电动机电磁转矩T随偏转角的变化关系。如图13.9所示为矩角特性曲线，图中的是电角度。从图看出，当时，转矩T达到最大，称为最大静转矩。步进电动机的负载转矩必须小于最大静转矩，否则，带不动负载。为了能稳定运行，负载转矩只能是最大静转矩的30%50%。因此，这一特性反映了步进电动机带负 载的能力，是步进电动机的最主要性能指标之一。启动惯频特性步进电动机的启动惯频特性反映的是启动频率随电动机转子转动惯量的变化关系，如图13.10所示。步进电机拍数越多，步距角越小，极限启动频率越高；最大静转矩越大，电磁力矩越大，转子加速度就大，启动频率也越高。 图13.10启动惯频特性 图13.11 电流脉冲波形随频率的变化情况 （a）频率很低 （b）频率增高 （c）频率很高运行频率特性 步进电动机启动后，当控制脉冲频率连续上升时能不失步运行的最高脉冲重复频率称为连续运行频率。转子惯量主要影响运行频率连续升降的速度，而步进电机的绕组电感和驱动电源的电压对运行频率的上限影响较大。运行频率比启动频率高很多。步进电动机随运行频率增高，负载能力变差。矩频特性矩频特性描述了步进电动机在负载转动惯量一定且稳态运行时的最大输出转矩与脉冲重复频率的关系。步进电动机的最大输出转矩随脉冲重复频率的升高而下降。随着脉冲重复频率的升高，电流波形的前后沿占通电时间的比例越来越大，如图13.11所示，频率愈高，平均电流愈小，输出转矩也就愈小。（2）步进电动机的主要性能指标步距角步距角是指每给一个电脉冲信号，步进电动机转子所应转过角度的理论值，可由式（13.2）计算。是步进电动机的主要性能指标之一，它的大小直接影响步进电动机的启动和运行频率，因此，在选择步进电动机的步距角时，若通电方式和系统的传动比已初步确定，则步距角应满足 （13.4）式中，传动比； 负载轴要求的最小转角增量（或脉冲当量）。步距角愈小，驱动控制精度愈高，一般反应式步进电动机的步距角为。精度两种表示方法：步距误差最大值、步距累积误差最大值。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。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。大多使用累积误差衡量精度。对于所选用的步进电动机，其步距精度为 （13.5）式中，负载轴上所允许的角度误差。影响步距误差的主要因素有转子齿的分度精度、定子磁极与齿的分度精度、铁芯叠压及装配精度、气隙的不均匀程度、各相激磁电流的不对称度等。最大静转矩最大静转矩是步进电动机可能驱动的最大负载转矩。负载转矩与最大静转矩的关系为 （13.6）为保证步进电动机在系统中正常工作，还必须满足 式中，步进电动机启动转矩； 负载最大静转矩。通常取 （13.7）保持转矩 绕组不通电时，电磁转矩的最大值或转角不超过一定值时的转矩值。 启动频率 步进电机不失步启动的最高脉冲频率。9.2 步进电动机驱动电源的环形分配器步进电动机是受其输入信号，即一系列的电脉冲控制而动作的。脉冲发生器所产生的电脉冲信号，通过环形分配器按一定的顺序加到电动机的各相绕组上。为使电动机能够输出足够的功率，经环形分配器产生的脉冲信号还需进行功率放大。环形分配器、功率放大器以及其他控制线路组合成为步进电动机的驱动电源。步进电动机、驱动电源、和控制器构成步进电动机传动控制系统，如图13.1所示。图13.1 步进电动机传动控制系统框图 1）硬件环形分配器步进电动机驱动电源的环形分配器有硬件和软件两种方式。硬件环形分配器可分为集成触发器型、专用集成电路芯片和通用可编程逻辑器件型等。本文只介绍集成触发器型环形分配器，硬件环形分配器需根据步进电动机的相数和通电方式设计，图13.13所示是一个三相六拍的环形分配器。分配器的主体是三个J-K触发器的Q输出端分别经各自的功放线路与步进电动机A、B、C三相绕组相连接。当时，A相绕组通电；时，B相绕组通电；时，C相绕组通电。和是步进电动机的正、反转控制信号。图13.13 三相六拍环形分配器表13.5 环形分配器逻辑真值表正转时，各相通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA。反转时，各相通电顺序为A-AC-C-CB-B-BA。根据上述通电顺序，可以得到环形分配器的逻辑状态真值表如表13.5所示（表中以正向分配为例）。正转时，=1，=0；反转时，=0，=1。根据真值表以及J-K触发器的逻辑关系，可以得出三个J-K触发器J端和K端的控制信号，从而得到分配器逻辑图（见图13.13）。2）软件环形分配器一个硬件环形分配器只能适应相数相同的步进电动机，而软件环形分配器只要编制不同的软件环形分配程序，将其存入程序存储器中，调用不同程序段就可控制不同相数的步进电动机按不同的方式工作。表13.7给出了三相步进电动机常见的几种工作方式。单片机的一位输出口控制步进电动机的某一相绕组，例如，可以用8155的PC0、PC1、PC2分别控制三相步进电动图13.17 I/O简单结构机的A相、B相和C相绕组等。其简单结构如图13.17所示。 表13.7 三相步进电动机常见的几种工作方式工作方式旋转方向通电顺序三相单三拍正转反转A-B-C-AA-C-B-A三相双三拍正转反转AB-BC-CA-ABAB-CA-BC-AB三相单双六拍正转反转A-AB-B-BC-C-CA-AA-CA-C-BC-B-AB-A 不同的工作方式对应不同的环形分配表，表13.8是三相步进电动机的各种环形分配表。表13.8 三相步进电动机的各种环形分配表9.3 步进电动机驱动电源的功率放大电路功率驱动器也称为功率放大器，功率驱动器最早采用单电压驱动电路，后来出现了高低压驱动电路、斩波电路等，本文只简单介绍前两种。1）单电压限流型驱动电路图13.19 单电压驱动电路图13.19所示是步进电动机的一相驱动电路，L是电动机绕组，晶体管VT可以认为是一个无触点开关，它的理想工作状态应使电流流过绕组L的波形尽可能接近矩形波。为减小时间常数，提高工作速度，在励磁绕组中串以电阻R。在电阻R两端并联电容C使电流上升更快。二极管V在晶体管VT截止时起限流和保护作用，以防止晶体管截止瞬间绕组产生的反电动势造成管子击穿，串联电阻使电流下降更快，从而使绕组电流波形后沿变陡。这种电路的缺点是R上有功率消耗。为提高快速性，需加大R的阻值，随着阻值的加大，电源电压也势必提高，功率消耗也进一步加大，正因为这样，单电压限流型驱动电路的使用受到了限制。2）高低压切换型驱动电路高低压切换性驱动电路原理图和电压、电流波形如图13.20（a）所示，相应的电压电流波形如图13.20（b）所示。这种电路采用高压和低压两种电压供电，一般高压为低压的数倍。高低压通过晶体管、的作用及定时或电流方式实现高低压切换。图13.20 高低压切换性驱动电路原理图和电压、电流波形（a）原理图 （b）电压、电流波形这种驱动电路的优点是功耗小，启动力矩大，突跳频率和工作频率高；缺点是功率管的数量要多用一倍，增加了驱动电源，电流波形呈凹形，低频时振荡严重，运行平稳性较差，输出转矩下降。三、重要考点（一）选择题1、对一台确定的步进电动机而言，其步距角决定于（）A.电源脉冲频率 B.电源脉冲幅值C.电机的通电方式 D.电机的负载大小答案：C2、步进电动机转角与脉冲电源的关系是（）A.与电源脉冲频率成正比 B.与电源脉冲数成正比C.与电源脉冲宽度成正比 D.与电源脉冲幅值成正比答案：B3、从步进电动机的电源脉冲分配器送出的脉冲电压的顺序，决定了此电动机转子的（）A.角位移的大小 B.角速度的大小 C.角加速度的大小 D.角位移的方向答案：D4、最早采用的功率驱动器是（）A.单电压驱动电路 B.高低压驱动电路C.斩波电路 D.调频调压驱动电路答案：A（二）填空题1、 是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。答案：步进电动机2、作为步进电动机的最主要性能指标之一， 反映了步进电动机电磁转矩T随偏转角的变化关系。答案：矩角特性3、 是指每给一个电脉冲信号，步进电动机转子所应转过角度的理论值，是步进电动机主要性能指标之一，计算公式是 。答案：步距角、（三）计算题1、一台三相反应式步进电动机，采用三相六拍分配方式，转子有40个齿，脉