直流电机与步进电机区别(详细解说).ppt

直流电机与步进电机 熊磊 组长 陆斌赵建龙唐星 直流电机 定义 输出或输入为直流电能的旋转电机 称为直流电机 它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机 当它作电动机运行时是直流电动机 将电能转换为机械能 作发电机运行时是直流发电机 将机械能转换为电能 直流电机在数控机床 光缆线缆设备 机械加工 印制电路板设备 焊接切割 机车车辆 医疗设备 通讯设备 卫星地面接受系统等行业广泛应用 分类 按结果主要分为直流电动机和直流发电机 按类型主要分为直流有刷电机和直流无刷电机 直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电 产生励磁磁通势而建立主磁场的问题 按励磁方式主要分为他励直流电机 并励直流电机 串励直流电机和复励直流电机 直流电机的PWM控制系统模块图 由设定值计数器 锯齿波发生器和数字比较器构成了PWM信号的产生电路 当U D 1时 输入CLK2 设定值计数器输出值增加 使得PWM的占空比增加 电机加速 反正 U D 0时 电机变慢 在锯齿波计数器的CLK0的作用下输出周期性线性增加的锯齿波 经过数字比较器时 当计数值小于设定值时 则数字比较器输出低电平 反之 输出高电平 由此产生PWM波形 直流电机的PWM控制顶层电路图 示例程序和实验指导课件位置 EDA BOOK3 FOR 1C6 chpt13 EXPT13 4 MOTO 工程 step a 示例程序和实验指导课件位置 EDA BOOK3 FOR 1C6 chpt13 EXPT13 4 MOTO 工程 step a 其中 比较器的cmp3模块 与步进电机电路中的比较器模块是相同的 CNT5是一个5位二进制计数器 作为脉宽计数器 DECD是一个转速控制模块 改变其输出值 就等于改变PWM输出信号的占空比 CLK5是计数时钟输入端 对转速进行了32级细分 示例程序和实验指导课件位置 EDA BOOK3 FOR 1C6 chpt13 EXPT13 4 MOTO 工程 step a 旋转方向控制电路由两个2选1多路选择器组成 START 键通过与门来控制PWM的输出 从而达到控制电机的开关 直流电机结构 直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成 直流电机运行时静止不动的部分称为定子 定子的主要作用是产生磁场 由主磁极 换向极 轴承和电刷等组成 运行时转动的部分称为转子 其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势 是直流电机进行能量转换的枢纽 所以通常又称为电枢 由转轴 电枢铁心 电枢绕组 换向器等组成 PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率 从而改变负载两端的电压 进而达到控制要求的一种电压调整方法 PWM可以应用在许多方面 如电机调速 温度控制 压力控制等 在PWM驱动控制的调整系统中 按一个固定的频率来接通和断开电源 并根据需要改变一个周期内 接通 和 断开 时间的长短 通过改变直流电机电枢上电压的 占空比 来改变平均电压的大小 从而控制电动机的转速 因此 PWM又被称为 开关驱动装置 在脉冲作用下 当电机通电时 速度增加 电机断电时 速度逐渐减少 只要按一定规律 改变通 断电的时间 即可让电机转速得到控制 设电机始终接通电源时 电机转速最大为Vmax 设占空比为D t T 则电机的平均速度为Vd Vmax D式中 Vd电机的平均速度 Vmax电机全通电时的速度 最大 D t1 T占空比 当我们改变占空比D t1 T时 就可以得到不同的电机平均速度Vd 从而达到调速的目的 在一般应用中 可以将平均速度Vd与占空比D近似地看成线性关系 步进电机 步进电机是机电控制中一种常用的执行机构 在自动化仪表 自动控制 机器人 自动生产流水线等领域的应用相当广泛 它的用途是将电脉冲转化为角位移 通俗的说 当步进驱动器接收到一个脉冲信号 它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度 步进角 通过控制脉冲个数即可控制角位移量 从而达到准确定位的目的 同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度 从而达到调速的目的 常用的步进电机分三种 永磁式 PM 反应式 VR 和混合式 HB 永磁式一般为两相 转矩和体积较小 步进角为15 和7 5 反应式一般为三相 可以实现大转矩输出 步进角为1 5 但噪声和震动较大 混合式是指混合了永磁式和反应式的优点 分为两相和五相 步进角分别为1 8 和0 72 应用最为广泛 步进电机的控制方式 根据步进电机的驱动原理 当步进驱动器接收到一个脉冲信号 它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度 称为步进角 它的旋转是以固定的角度一步一步运行的 可以通过控制一个周期内脉冲个数来控制角位移量 从而达到准确定位的目的 可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度 从而达到调速的目的 步进电机的单向旋转控制电路 4节拍分配器ADDER1 步进电机的单向旋转控制电路 DEC2源代码 步进电机的双向旋转控制方式 根据步进电机的驱动原理 逆转各项脉冲的顺序即可使步进电机反向旋转 步进电机的细分驱动控制原理 当电机低速运行时 由于相序转换造成的速度冲击和惯性 电机转子在平衡位置反复振荡 影响运行精度 并产生比较大的噪音 有两种方法解决这个问题 一种方法就是增加步进电机的相数 减少转子在相序变换时转过的角度 另一种方法就是1975年美国学者T R Fredriksen提出步进电机步距角细分控制方法 实践证明 步进电机细分驱动控制技术可以减小步进电机的步距角 提高电机运行的平稳性 增加控制的灵活性等 步进电机的细分驱动控制原理 细分驱动 概述 一 概念 将 电机固有步距角 细分成若干小步的驱动方法 称为细分驱动 细分是通过驱动器精确控制步进电机的相电流实现的 与电机本身无关 其原理是 让定子通电相电流并不一次升到位 而断电相电流并不一次降为0 绕组电流波形不再是近似方波 而是N级近似阶梯波 则定子绕组电流所产生的磁场合力 会使转子有N个新的平衡位置 形成N个步距角 二 最新技术发展 国内外对细分驱动技术的研究十分活跃 高性能的细分驱动电路 可以细分到上千甚至任意细分 目前已经能够做到通过复杂的计算使细分后的步距角均匀一致 大大提高了步进电机的脉冲分辨率 减小或消除了震荡 噪声和转矩波动 使步进电机更具有 类伺服 特性 步进电机的细分驱动控制原理 细分驱动 概述 二 最新技术发展 对实际步距角的作用 在没有细分驱动器时 用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己对步距角的要求 如果使用细分驱动器 则用户只需在驱动器上改变细分数 就可以大幅度改变实际步距角 步进电机的 相数 对改变实际步距角的作用几乎可以忽略不计 1 采用细分技术与步进电机精度提高的关系 步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术 其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动 提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能 细分后电机运转时对每一个脉冲的分辨率提高了 但运转精度能否达到或接近脉冲分辨率还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素 不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大 细分数越大精度越难控制 步进电机的细分驱动控制原理 细分驱动 概述 二 最新技术发展 2 真正的细分对驱动器要有相当高的技术要求和工艺要求 成本亦会较高 国内有一些驱动器采用对电机相电流进行 平滑 处理来取代细分 属于 假细分 平滑 并不产生微步 会引起电机力矩的下降 真正的细分控制不但不会引起电机力矩的下降 相反 力矩会有所增加 步进电机的细分驱动控制原理 方案一 为了使步进电机运行更平稳 我们可以设想在电磁矢量A与B之间插入n步 每步转过的角度 90 n当插入第一步时 矢量转过 角度 这时 A相电流 Acos B相电流 Bsin 插入第二步时 矢量转过2 角度 这时 A相电流 Acos2 B相电流 Bsin2 以此类推 但要保证角度的均分 步进电机的细分驱动控制原理 方案一 同样 B C C D D A 各步转换时同样插入n步 从以上分析可以看出 如果要在两步之间插入若干步 只要控制电机绕组的电流生成若干个台阶即可 但为了保证运行精度 每个台阶上的电流精度须得到保证 台阶数也必须为整数 步进电机的细分驱动控制原理 方案二 通过改变脉冲的占空比 改变高电平的存在时间 从而减小相序变化的大小 步进电机的细分驱动控制原理 方法二 通过改变脉冲的占空比 改变高电平的存在时间 从而减小相序变化的大小 细分控制的基本思想是以正弦波作为步进电机每相的输入 每相间隔四分之一个周期 但是由于步进电机仅允许直流电输入 为达到该目的 教材上提出梯形电流作为每相的控制电流 由于每相电流是一个数字量 并且只能在0 1之间变换 不可能实现梯形电流 因此 在具体实验中 采用PWM的方法模拟出梯形电流 脉冲宽度调制 PWM 是英文 PulseWidthModulation 的缩写 简称脉宽调制 脉宽调制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术 广泛应用在从测量 通信到功率控制与变换的许多领域中 步进电机的细分驱动控制原理 方法二 通过改变脉冲的占空比 改变高电平的存在时间 从而减小相序变化的大小 简而言之 PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法 通过高分辨率计数器的使用 方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码 PWM信号仍然是数字的 因为在给定的任何时刻 满幅值的直流供电要么完全有 ON 要么完全