第九章-步进电动机传动控制系统

第九章步进电动机传动控制系统,9.1步进电动机的基本结构和工作原理9.2步进电动机的运行特性9.3步进电动机的驱动控制电路,1,概述,步进电动机（脉冲电动机）-将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移的电机，即给一个脉冲电信号，电动机就转动一个角度或前进一步，角位移与脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，转向与各相绕组的通电方式有关。,2,特点：在负载能力范围内不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化；适用开环系统中作执行元件；步进电动机可在很宽的范围内通过改变脉冲频率调速；能够快速启动、反转和制动。很适合微型机控制，是数字控制系统中的一种执行元件。应用：数控机床、绘图机、轧钢机、记录仪等方面。基本要求：(1)能迅速启动、正反转、制动和停车，在很宽的范围内调速；(2)要求一个脉冲对应的位移量小，步距小精度高，不得丢步或越步；(3)输出转矩大，直接带负载。,3,分类：按励磁方式分为反应式、永磁式和混合式等。反应式步进电动机用得多，结构简单，故着重讲述。,4,一、基本结构,定子铁心定子铁心为凸极结构，由硅钢片迭压而成。在面向气隙的定子铁心表面有齿距相等磁极，磁极上有小齿。,图1四相反应式步进电动机的结构,定子绕组定子每极上套有一个集中绕组，相对两极的绕组串联构成一相。步进电动机可以做成二相、三相、四相、五相、六相等。,转子转子由叠片铁心构成，沿圆周有很多小齿。转子上没有绕组。,9.1步进电动机的基本结构与原理,5,当定子的某相绕组通电流时，转子齿因受到定子励磁磁极的吸引，使极齿中心线方向趋于一致。如果向定子的各个绕组轮流通入电流，则电动机转子就将按照定子的通电顺序旋转。以三相反应式步进电机为例：定子6极不带小齿，每两个相对的极上绕有一相控制绕组，转子4个齿，齿宽等于定子的极靴宽。三相单三拍运行三相-指步进电机具有三相定子绕组；单-指每次只有一相绕组通电；三拍-指三次换接为一个循环，即按A-B-C-A方式运行的称为三相单三拍运行。,二、工作原理,6,三相单三拍运行当A相通电B、C相不通电时，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，转子齿1和3的轴线与定子A极轴线对齐。同理断开A接通B时、断开B接通C转子转过30。按ABCA接通和断开控制绕组转子就连续转动。转速取决于控制绕组通、断电的频率，转向取决于通电的顺序。,三相单三拍运行,7,(a)A相接通；(b)B相接通；(c)C相接通,第8页,三相单、双相间六拍运行供电方式是AABBBCCCAA，共有6种通电状态，每一循环换接6次，这6种通电状态中有时只有一相绕组通电(如A相)即单拍，有时有两相绕组同时通电(如A相和B相)即双拍，故称三相单、双六拍。图表示按这种方式对控制绕组供电时转子位置和磁通分布的图形。,(a)(b)(c)图三相六拍运行(a)A相通电；(b)A、B相通电；(c)B相通电,三相双三拍运行通电方式ABBCCAAB，一拍转过30。,9,10,步进电动机的结构,电机通电方式变换一次，称为一拍。N为运行拍数每输入一个脉冲电信号（每一拍）转子所转过的角度，称为步距角。,拍和步距角,齿距角转子相邻两齿间的夹角，用z表示。,转子齿数z表示.,若信号脉冲频率为f，则转子每秒钟转了（f/zN）圈，故转子每分钟的转速为：,11,四相单四拍ACBD,四相八拍AABBBCCCDDDAA,12,第13页,3、基本特点(1)步进电动机工作时，每相绕组由专门驱动电源通过“环形分配器”按一定规律轮流通电。对于三相步进电动机，环形分配器是一路输入，三路输出。,脉冲电源环形分配器放大器步进电动机,(2)提高工作精度就要求步距角很小。增加拍数N：增加相数，电源及电机的结构也越复杂。反应式步进电动机一般做到六相，个别也有八相或更多；增加转子齿数z：步距角也可减小，所以反应式步进电动机的转子齿数一般是很多；通常反应式步进电动机的步距角为零点几度到几度，图9-4如转子齿数z=40,三相单三拍方式运行，则步距角为,14,(3)步进电动机可按指令进行角度控制和速度控制。角度控制-每输入一个脉冲，定子绕组就换接一次，输出轴就转过一个角度，输出轴转动的角位移量与输入脉冲数成正比。速度控制-送入步进电动机的是连续脉冲，各相绕组不断地轮流通电，步进电机连续运转，它的转速与脉冲频率成正比。每输入一个脉冲，转子转过的角度是整个圆周角的1/(zN)，因此每分钟转子所转过的圆周数，即转速为：,15,(4)步进电机具有自锁能力。当控制电脉冲停止输入，让最后一个脉冲控制的绕组继续通直流电时，转子将固定于某一位置上保持不动，称为静止状态。静止状态时，即使有一个小的扰动，使转子偏离此位置，磁拉力也能把转子拉回来。综上所述，步进电动机工作时的步数或转速不受电压波动和负载变化的影响(允许负载范围内)，也不受环境条件(温度、压力、冲击、振动等)变化的影响，只与控制脉冲同步，同时它又能按照控制的要求，实现启动、停止、反转或改变转速。因此步进电动机广泛应用于各种数字控制系统中。,16,9.2步进电动机运行特性,静止状态,当控制脉冲不断送入各相绕组按一定程序轮流通电，步进电动机转子就一步步地转动。当控制脉冲停止时，步进电动机一相或几相通入恒定不变的电流（可称为直流电流），这时转子将固定于某一位置上保持不动，称为静止状态。静止状态时，电机能克服一定的扰动。,17,1.,一、稳态运行特性,18,19,定、转子间的作用力,20,2.多相通电时矩角特性,一般来说，多相通电时的矩角特性可近似地由每相各自通电时的矩角特性叠加起来求出。,三相步进电动机当两相通电时（如A、B两相）的矩角特性,图A相、B相定子齿相对转子齿的位置,设A通电时，距角特性为,则B通电时，距角特性为,21,当A、B两相同时通电时合成矩角特性应为,（a）矩角特性（b）转矩矢量图图三相步进电动机单相、两相通电时的转矩,它是一条幅值不变、相移60的正弦曲线。,22,3.静稳定区,稳定平衡点当时，该位置称为稳定平衡点。静稳定区在区间内，与方向相反，总是阻止变化，若由于外力矩使转子偏离稳定平衡点，只要在上述范围内，一旦去掉外力，转子就能在静态转矩的作用下返回到稳定平衡点。区间称为静稳定区。,不稳定平衡点在，虽然也有，但或后，静态转矩与的方向一致，驱使转子背离稳定平衡点，故的位置称为不稳定平衡点。,23,二、步进运行特性,步进运行（单步运行）指步进电动机仅改变一次通电状态时的运行方式，或输入脉冲频率非常之低，加第二脉冲之前前一步已经走完的运行状态。,24,图9.6最大负载能力的确定,情况1：负载转矩时，A相通电时，转子处于a点；改由B相通电时，转子稳定后位于b点，前进一步。,情况2：负载转矩时，A相通电时，转子处于a”点；改由B相通电时，转子不能前进。,25,步进电动机在步进运行时所能带动的最大负载，可由相邻两条矩角特性交点所对应的电磁转矩来确定。相邻矩角特性的交点所对应的转矩是电机作单步运动所能带动的极限负载，也称为极限启动转矩。实际电机所带的负载转矩TL必须小于极限启动转矩才能运行，即电机所带负载的阻转矩TL步距角减少可使相邻矩角特性位移减少，就可提高极限启动转矩Tst，增大电机的负载能力。三相六拍时，矩角特性幅值不变，而步距角小了一半，故极限启动转矩。,最大负载转矩（起动转矩）,26,三、连续运行状态特性,当步进电动机在输入脉冲频率f较高，转子作连续的旋转运动，这种运行状态称作连续运行状态。在运行过程中具有良好的动态性能是保证控制系统可靠工作的前提。如步进电动机经常启动、制动、正转、反转等，并在各种频率下(各种转速)运行，要求电机的步数与脉冲数严格相等，即不丢步也不越步，且转子运动平稳。保证系统精度。此外，当提高使用频率时，步进电机的快速性也是动态性能的重要内容之一,27,2.运行矩频特性当控制脉冲频率达到一定数值之后，再增加频率，由于电感和涡流作用使动态转矩减小。可见，动态转矩是电源脉冲频率的函数，把这种函数关系称为步进电动机运行时的转矩-频率特性，简称为运行矩频特性。,矩频特性表明，在一定控制脉冲频率范围内，随频率升高，电机的功率和转速都相应地提高，超出该范围则随频率升高转矩下降，步进电动机带负载的能力也逐渐下降，达到某一频率以后，就带不动任何负载，而且只要受到一个很小的扰动，就会振荡、失步以至停转。,图4-22运行矩频特性,28,3.最高连续运行频率当控制电源的脉冲频率连续提高时，在一定性质和大小的负载下，步进电动机能正常连续运行时（不丢步、不失步）所能加到的最高频率称为最高连续运行频率或最高跟踪频率。,29,9.3步进电动机的驱动电源,步进电动机及其驱动电源是一个相互联系的整体。步进电动机的运行性能是由电动机和驱动电源两者配合所反映出来的综合效果。步进电动机的驱动电源，基本上包括变频信号源、脉冲分配器和脉冲放大器三个部分。图4-33步进电动机驱动电源方框图按脉冲的供电方式来分有：单一电压型电源；高、低压切换型电源；电流控制的高、低压切换型电源；细分电路电源等。着重介绍常用的单一电压型和高、低压切换型两种电源。,30,9.3步进电动机的驱动电源,1.单一电压型驱动电源单一电压型电源是最简单的驱动电源，其原理电路如图4-34所示。为高电平时VT1导通，绕组通电；为低电平时VT1关断，绕组断电。,图4-34单一电压型驱动电源,作用减小电路的时间常数，这样可增大动态转矩，提高起动和连续运行频率，并使起动和运行矩频特性下降缓慢。C的作用可强迫控制电流加快上升，使电流波形前沿更陡，改善波形。VD1和的作用形成放电回路，限制功率管VT1上的电压，保护功率管。,单一电压型电源线路简单、功放元件少、成本低，但效率较低。,31,9.3步进电动机的驱动电源,2.高、低压切换型驱动电源高、低压切换型电源，其原理电路如图4-35所示。步进电动机的每一相控制绕组需要有两只功率元件串联，它们分别由高压和低压两种不同的电源供电。,图高、低压切换型驱动电源,高压供电是用来加速电流的上升速度，改善电流波形的前沿，而低压是用来维持稳定的电流值。的作用调节控制绕组的电流值，使各相电流平衡。VD2及作用是构成续流电路。这种电源效率较高，起动和运行频率也比单一电压型电源要高。,32,思考题与习题,1.如何控制步进电动机输出的角位移或线位移量，转速或线速度?步进电机有哪些可贵的特点?2.反应式步进电机与永磁式及感应子式步进电机在作用原理方面有什么共同点和差异?步进电机与同步电动机有什么共同点和差异?3.步进电机有哪一些技术指标?它们的具体含义是什么?4.步进电机技术数据中标的步距角有时为两个数，如步距1.5/3，试问这是什么意思?5.如果一台步进电机的负载转动惯量较大，试问它的启动频率有何变化?6.试问步进电机的连续运行频率和它的负载转矩有怎样的关系?为什么?7.为什么步进电动机的连续运行频率比启动频率要高得多?,33,第34页,8.一台四相步进电动机，若单相通电时矩角特性为正弦形，其幅值为Tjmax，请(1)写出四相八拍运行方式时一个循环的通电次序，并