机电传动控制剖析

1、机电传动控制剖析 第三章第三章 步进电动机传动控制步进电动机传动控制 n3.1 3.1 步进电动机步进电动机 n3.2 3.2 步进电动机的环形分配器步进电动机的环形分配器 n3.3 3.3 步进电动机的驱动电路步进电动机的驱动电路 n3.4 3.4 步进电动机的运行特性及使用步进电动机的运行特性及使用 机电传动控制剖析 步进电动机步进电动机 机电传动控制剖析 n对步进电动机施加一个电脉冲后，其转轴就转过一个角度，称为一步。对步进电动机施加一个电脉冲后，其转轴就转过一个角度，称为一步。 n脉冲数增加，直线或角位移随之增加；脉冲频率高，则电动机旋转速度脉冲数增加，直线或角位移随之增加；脉冲频率高

2、，则电动机旋转速度 就高；就高； n改变分配脉冲的相序，电动机便逆转。改变分配脉冲的相序，电动机便逆转。 3.1 步进电动机步进电动机 区别区别步进电机步进电机普通电机普通电机 运动形式运动形式步进步进连续连续 驱动电源驱动电源脉冲电压脉冲电压正旋交流或直流正旋交流或直流 概念：步进电动机是一种将电脉冲信号转换成直线概念：步进电动机是一种将电脉冲信号转换成直线 或角位移的执行元件。或角位移的执行元件。 差别：差别： 机电传动控制剖析 n步进电动机是受其输入信号，即一系列的电脉冲控制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。而动作的。 n步进电动机、驱动电源和控制器构成步进电动机

3、传动步进电动机、驱动电源和控制器构成步进电动机传动 控制系统控制系统 产生的电产生的电 脉冲信号脉冲信号 将电脉冲信号按一定将电脉冲信号按一定 的顺序加到电动机的的顺序加到电动机的 各相绕组上各相绕组上 机电传动控制剖析 步进电机的优点步进电机的优点 n控制特性好： n误差不长期积累； n步距值不受各种干扰因素的影响。 步进电动机的转子运动的速度主要取决于脉冲信号 的频率，总位移量取决于总的脉冲信号数；故它作 为伺服电动机应用于控制系统时，往往可以使系统 简化，工作可靠，而且可获得较高的控制精度，在 多数情况下，可以代替交直流伺服电动机。 机电传动控制剖析 步进电动机的应用步进电动机的应用 在

4、机械、电子、纺织、轻工、化工、石油、 邮电、冶金、文教和卫生等行业，特别是在数控机 床上都获得越来越广泛的应用。 本章从应用的角度介绍步进电动机的基本结 构、工作原理、主要技术指标、运行持性和影响 因素，环形分配器方式和功率驱动电路等。 机电传动控制剖析 n3.1.1 步进电动机的结构与工作原理步进电动机的结构与工作原理 3.1 步进电动机步进电动机 1结构特点结构特点 由定子和转子两大部分组成。由定子和转子两大部分组成。 定子由硅钢片叠成，装上一定相定子由硅钢片叠成，装上一定相 数的控制绕组；数的控制绕组； 转子用硅钢片叠成或用软磁性材转子用硅钢片叠成或用软磁性材 料做成凸极结构；转子本身没

5、有励磁料做成凸极结构；转子本身没有励磁 绕组的叫做绕组的叫做“反应式步进电动机反应式步进电动机”； 用永久磁铁做转子的叫做用永久磁铁做转子的叫做“永磁式步永磁式步 进电动机进电动机”。 定子有定子有6个磁极，每两个个磁极，每两个 相对的磁极上绕有一相相对的磁极上绕有一相 控制绕组。控制绕组。 转子上装有转子上装有4 个凸齿。个凸齿。 机电传动控制剖析 2、 工作原理工作原理U-V-W-U U相通电，V、W相不通电转子齿1和3与U对齐。 而V、W两相的定、转子齿各错开30 （1）基本工作原理 V相通电，U、W相不通电转子齿2和4与V对齐， 转子顺时针方向旋转30 W相通电，U、V相不通电转子齿1

6、和3与W对齐， 转子又顺时针方向旋转30 机电传动控制剖析 结论：结论： 当通电顺序为UVWU时，转子便按顺时 针方向一步一步地转动。 每换接一次，则转子前进一步，一步所对应 的角度称为步距角(30 ) 。 电流换接三次，磁场旋转一周，转子前进一 个齿距的位置，一个齿距所对应的角度称为齿 距角(此例中转子有四个齿，齿距角为90 )。 换向：只要改变通电顺序，如U-W-V-U。 转一圈所需步数：34=mz。 机电传动控制剖析 （2）通电方式）通电方式 步进电动机的转速即取决于控制绕组通电的频率，又步进电动机的转速即取决于控制绕组通电的频率，又 取决于绕组通电方式。取决于绕组通电方式。 1)单相轮

7、流通电方式单相轮流通电方式 ： “单单”是指每次切换前后只有一相绕组通电，是指每次切换前后只有一相绕组通电， 这种通电分配方式叫做这种通电分配方式叫做m相单相单m状态；状态； 步进电动机以一种通电状态转换到另一种通电状态步进电动机以一种通电状态转换到另一种通电状态 就叫做一就叫做一“拍拍”。 上例就是单相轮流通电方式上例就是单相轮流通电方式 ，即三相单三拍通电，即三相单三拍通电， 步距角为步距角为30。 特点：电动机工作的稳定性较差，容易失步。特点：电动机工作的稳定性较差，容易失步。 m相，相，z个齿的步进电动机，转一转所需步数为个齿的步进电动机，转一转所需步数为m z 机电传动控制剖析 2)

8、双相轮流通电方式双相轮流通电方式 “双双”是指每次有两相绕组同时通电是指每次有两相绕组同时通电 这种通电分配方式叫做这种通电分配方式叫做m相双相双m状态，状态， 按照按照UVVWWUUV称为三相双三拍通电，步距称为三相双三拍通电，步距 角为角为30 。 特点：由于两相通电，力矩就大些，定位精度高而不特点：由于两相通电，力矩就大些，定位精度高而不 易失步。易失步。 步进电动机每转步数亦为步进电动机每转步数亦为m z步。步。 机电传动控制剖析 当当U和和V两相同时通电时，转子稳定位置将会停留在两相同时通电时，转子稳定位置将会停留在U、V两两 定子磁极对称的中心位置上，三相六拍步距角为定子磁极对称的

9、中心位置上，三相六拍步距角为15。 是单和双两种通电方式的组合应用，这种通电分配方式是单和双两种通电方式的组合应用，这种通电分配方式 叫做叫做m相相2m状态，转一转所需步数为状态，转一转所需步数为2mz步。步。 如如UUVVVWWWUU称为三相六拍通电。称为三相六拍通电。 3)单双相轮流通电方式单双相轮流通电方式 机电传动控制剖析 3.1.2 3.1.2 小步距角电动机小步距角电动机 机电传动控制剖析 机电传动控制剖析 转子转子 机电传动控制剖析 若和若和U相磁极中心对齐的转子相磁极中心对齐的转子 齿为齿为1号齿，因号齿，因V相磁极与相磁极与U相相 磁极差磁极差120，且，且120/9=13

10、（1/3），故转子齿不能与），故转子齿不能与V相相 定子齿对齐，只有定子齿对齐，只有13号小齿靠号小齿靠 近近V相磁极的中心线，与中心相磁极的中心线，与中心 线相差线相差3； 错位齿距 齿错距 m/ 定子和转子小齿符合如下规则：定子和转子小齿符合如下规则： 当当U相定子齿和转子齿对齐，则相定子齿和转子齿对齐，则 V相的定子齿相对于转子齿顺时相的定子齿相对于转子齿顺时 针方向错开针方向错开13齿距；而齿距；而w相的相的 定子齿相对于转子齿顺时针方向定子齿相对于转子齿顺时针方向 错开错开23齿距；依此类推齿距；依此类推 机电传动控制剖析 电机转动的工作原理 总结：错齿是步进电动机旋转的根本原因总结

11、：错齿是步进电动机旋转的根本原因 当定子绕当定子绕 组按组按U VW顺顺 序轮流通序轮流通 电时，转电时，转 子就顺时子就顺时 针方向一针方向一 步一步地步一步地 移动，各移动，各 相绕组轮相绕组轮 流通电一流通电一 次，转子次，转子 就转过一就转过一 个齿距。个齿距。 机电传动控制剖析 2 . 3 360360 00 ZKmNZ b b 拍数 齿距 步距角 KmNN 21KK Z 拍数 ，状态系数 转子齿数 步距角 步距角步距角绕组每通电一次（即运行一拍），绕组每通电一次（即运行一拍）， 转子就走一步，即转过一定的角度。转子就走一步，即转过一定的角度。 机电传动控制剖析 通电脉冲频率 步进电

12、动机转速 f f KmZ f KmZ f n b 3 . 3 60 60 2 2 60 2 0 0 3 403 360 b 0 0 5 . 1 4032 360 b 若步进电动机的Z40时，其步距角为 三相单三拍 三相双三拍结论：结论：z越多，相数越大，则电机运行拍数越多，步距越多，相数越大，则电机运行拍数越多，步距 角越小，精度越高角越小，精度越高 步进电机即可按角度控制，也可按速度控制 机电传动控制剖析 1 1、按工作原理分类、按工作原理分类 n励磁式：励磁式：电机的定子转子均有绕组，靠电磁力矩使转子转 动。 n反应式：反应式：转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使 转子转动。这是我国

13、步进电动机发展的主要类型 特点：气隙小，定位精度高；步距较小，控制准确；励磁 电流大，要求驱动电源功率大；电动机内部阻尼较 长，相数小时，单步运行震荡时间较长；断电后无 定位转矩，使用中需自锁定位。 3.1.3 步进电动机分类 机电传动控制剖析 永磁式：永磁式：转子或定子的某一方具有永久磁钢，另一方是 由软磁材料制成。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。 特点：控制精度不高，控制功率小，效率高；内阻尼 较大，震荡时间短；断电后有一定的自锁功能 混合式混合式(即永磁感应子式即永磁感应子式) 它与反应式的主要区别是转子上置有磁钢。永磁感应 式电机具有驱动电流小、效率高、

14、过载能力强等优点， 是一种很有发展前途的步进电动机 特点：驱动电流小，效率高，过载能力强、控制精度 高，代表着步进电机的发展趋势 1、按工作原理分类、按工作原理分类 机电传动控制剖析 n快速步进电动机快速步进电动机 该类电动机输出转矩一般为该类电动机输出转矩一般为0.07 N.m4 N.m。可控。可控 制小型精密机床的工作台制小型精密机床的工作台(例如，线切割机床例如，线切割机床)。 n功率步进电动机功率步进电动机 其输出转矩一般为其输出转矩一般为5 N.m40 N.m。可直接驱动机床。可直接驱动机床 移动部件。移动部件。 2、按输出转矩大小分、按输出转矩大小分 按励磁相数可分为三相、四相、五

15、相、六相等。相数越多，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。步距角越小，但结构越复杂。 按定子排列还可分为多段式按定子排列还可分为多段式(轴向式轴向式)和单段式和单段式(径向式径向式)。轴。轴 向式的转动惯量小，快速性和稳定性好，功率步进电动机多向式的转动惯量小，快速性和稳定性好，功率步进电动机多 为轴向式。为轴向式。 机电传动控制剖析 3.2 3.2 步进步进电动机的环形分配器电动机的环形分配器 3.2.1 3.2.1 步进电动机的驱动方式步进电动机的驱动方式 机电传动控制剖析 典型的步进电机控制系统的组成典型的步进电机控制系统的组成 机电传动控制剖

16、析 3.2.2 步进电动机的环形分配器步进电动机的环形分配器 环形分配器是根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加环形分配器是根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加 到放大器上，使各相绕组按一定的顺序和时间导通和关断到放大器上，使各相绕组按一定的顺序和时间导通和关断 步进电机旋转方向和内部绕组的通电顺序有关步进电机旋转方向和内部绕组的通电顺序有关 环形分配器由电动机的励磁绕组数（相数）和工作方式决环形分配器由电动机的励磁绕组数（相数）和工作方式决 定定 环形分配器有硬件和软件两种环形分配器有硬件和软件两种 硬件环分：较好的响应速度，直观、维护方便等特点；硬件环分：较好的响应速度，直观、维护方便等特点

17、； 软件环分：往往受到微机运算速度的限制，有时难以满足软件环分：往往受到微机运算速度的限制，有时难以满足 高速、实时控制的要求。高速、实时控制的要求。 机电传动控制剖析 1.1.硬件环形分配器 硬件环形分配器 机电传动控制剖析 表表3.1 3.1 环形分配器逻辑真值环形分配器逻辑真值 序 号 控制信号状态输出状态 导电绕组 CAJ CBJ CCJQA QB QC 01 1 01 0 0A 10 1 01 1 0AB 20 1 10 1 0B 30 0 10 1 1BC 41 0 10 0 1C 51 0 01 0 1CA 61 1 01 0 0A BXAXCJ AXCXBJ cXBXAJ QW

18、QWC QWQWC QWQWC 机电传动控制剖析 CH50是专为三相反应式步进电动机设计是专为三相反应式步进电动机设计 的环形分配器，这种集成电路采用的环形分配器，这种集成电路采用CMOS 工艺，集成度高，可靠性好。它的管脚图工艺，集成度高，可靠性好。它的管脚图 及三相六拍工作时的接线图如图及三相六拍工作时的接线图如图39所示所示 (1) 集成脉冲分配器集成脉冲分配器 机电传动控制剖析 机电传动控制剖析 1 机电传动控制剖析 2. 软件环分软件环分 一般微机需作如下设置一般微机需作如下设置 u 设置输出口设置输出口 机电传动控制剖析 存储单元地址存储单元地址单元内容单元内容对应通电相对应通电相

19、 K+0K+0 K+1K+1 K+2K+2 K+3K+3 K+4K+4 K+5K+5 01H(0001)01H(0001) 03H(0011)03H(0011) 02H(0010)02H(0010) 06H(0110)06H(0110) 04H(0100)04H(0100) 05H(0101)05H(0101) A A ABAB B B BCBC C C CACA u 设计环形分配子程序设计环形分配子程序 u 设计延时子程序：改变步进频率设计延时子程序：改变步进频率 机电传动控制剖析 3.3 3.3 步进步进电动机的驱动电路电动机的驱动电路 3.3.1 单电压限流型驱动电路单电压限流型驱动电路

20、 Rr/L 时间常数 R R：缩短了绕组中电流的上升时间：缩短了绕组中电流的上升时间 C C：加速电容：加速电容 VDVD：续流和保护作用：续流和保护作用 特点：线路简单，成本低，低频时响应好特点：线路简单，成本低，低频时响应好 缺点：效率低，电阻缺点：效率低，电阻R R上有功率消耗，高上有功率消耗，高 频带载能力差，实际应用少频带载能力差，实际应用少 机电传动控制剖析 3.3.2 双电压驱动电路 优点：功耗小，起动力矩大，突跳频率和工作频率高，高频段出优点：功耗小，起动力矩大，突跳频率和工作频率高，高频段出 力较大；适于高频大功率步进电机。力较大；适于高频大功率步进电机。 缺点：低频运行时输

21、入能量过大，造成低频振荡加剧，波形呈凹缺点：低频运行时输入能量过大，造成低频振荡加剧，波形呈凹 形，输出转矩下降；大功率管的数量要多一倍，增加了驱动电源。形，输出转矩下降；大功率管的数量要多一倍，增加了驱动电源。 环形分配器经环形分配器经 放大后提供放大后提供 定时器或定定时器或定 流器经放大流器经放大 后提供后提供 机电传动控制剖析 3.3.3 斩波驱动电路斩波驱动电路 斩波电路是为了弥补双电压电路斩波电路是为了弥补双电压电路 波形呈现凹形的缺陷，改善输出转波形呈现凹形的缺陷，改善输出转 矩下降，使励磁绕组中的电流维持矩下降，使励磁绕组中的电流维持 在额定值附近。在额定值附近。 特点：特点：

22、 结构复杂。结构复杂。 效高率。由于没有外接阻；效高率。由于没有外接阻； 由于驱动电压较高，电流上升由于驱动电压较高，电流上升 很快；很快； 加反馈，绕组电流恒定，在很加反馈，绕组电流恒定，在很 大的频率范围内输出转矩恒定，大大的频率范围内输出转矩恒定，大 大改善了高频响应特性。大改善了高频响应特性。 斩波驱动分为自激式和他激式斩波驱动分为自激式和他激式。 机电传动控制剖析 3.3.4 3.3.4 升频升压驱动电路升频升压驱动电路 提高供电电压提高供电电压 导致 导致 低频振动加剧 低频振动加剧 为了减小低频振动，要求驱动电源对绕组提供的电压为了减小低频振动，要求驱动电源对绕组提供的电压 与电

23、动机运行频率建立直接联系：与电动机运行频率建立直接联系： 低频时用较低电压供电，使低速时绕组电流上升的低频时用较低电压供电，使低速时绕组电流上升的 前沿较平缓，这样才能使转子在到达新的稳定平衡位置时前沿较平缓，这样才能使转子在到达新的稳定平衡位置时 不产生过冲；不产生过冲； 高频时用较高电压供电，在高速时则应使电流有较高频时用较高电压供电，在高速时则应使电流有较 陡的前沿，以产生足够的绕组电流，才能提高步进电动机陡的前沿，以产生足够的绕组电流，才能提高步进电动机 的带载能力。的带载能力。 升频升压驱动电路可满足此要求。升频升压驱动电路可满足此要求。 机电传动控制剖析 升频升压驱动电路升频升压驱

24、动电路 机电传动控制剖析 3.3.5 细分驱动电路细分驱动电路 特点：特点： 1)不改动电动机结构参数的不改动电动机结构参数的 情况下，能使步距角减小，情况下，能使步距角减小， 但细分后的齿距角精度不但细分后的齿距角精度不 高，且驱动电源的结构也高，且驱动电源的结构也 相应复杂。相应复杂。 2)使步进电动机运行平稳，使步进电动机运行平稳， 提高均匀性，并能减弱或提高均匀性，并能减弱或 消除振荡。消除振荡。 3)绕组电流不是方波而是阶绕组电流不是方波而是阶 梯波梯波 将一个步距角细分为若干个步的驱动电路称为细分电路。将一个步距角细分为若干个步的驱动电路称为细分电路。 机电传动控制剖析 实现阶梯波

25、供电的方法实现阶梯波供电的方法 1) 1)先放大后叠加。是将通过先放大后叠加。是将通过 细分环形分配器所形成的细分环形分配器所形成的 各个等幅等宽的脉冲，分各个等幅等宽的脉冲，分 别进行放大，然后在电动别进行放大，然后在电动 机绕组中叠加起来形成阶机绕组中叠加起来形成阶 梯波。梯波。 2)2)先叠加后放大。利用运算先叠加后放大。利用运算 放大器来叠加，或采用公放大器来叠加，或采用公 共负载的方法，把方波合共负载的方法，把方波合 成变成阶梯波，然后对阶成变成阶梯波，然后对阶 梯波进行放大再去驱动步梯波进行放大再去驱动步 进电动机。其中的放大器进电动机。其中的放大器 可采用线形放大器或恒波可采用线

26、形放大器或恒波 斩波放大器等。斩波放大器等。 机电传动控制剖析 3.3 3.3 步进步进电动机的驱动电路电动机的驱动电路 单电压限流型驱动电路实际接线单电压限流型驱动电路实际接线 缺点：缺点： 电阻电阻R R上有上有 功率消耗功率消耗 机电传动控制剖析 3.4 3.4 步进步进电动机的运行特性及使用电动机的运行特性及使用 基本特点基本特点 n步进电动机工作时的步数或转速既不受电压波动和负载变步进电动机工作时的步数或转速既不受电压波动和负载变 化的影响，也不受环境条件化的影响，也不受环境条件( (温度、压力、冲击和振动等温度、压力、冲击和振动等) ) 变化的影响，只与控制脉冲同步，它又能按照控制

27、的要求变化的影响，只与控制脉冲同步，它又能按照控制的要求 进行启动、停止、反转或改变速度进行启动、停止、反转或改变速度( (且能在较宽的范围内且能在较宽的范围内 通过改变脉冲频率来进行调速通过改变脉冲频率来进行调速) )。 n同时步进电动机具有自锁能力，当控制电脉冲停止输人，同时步进电动机具有自锁能力，当控制电脉冲停止输人， 而让最后一个脉冲控制的绕组继续通人直流时，则电动机而让最后一个脉冲控制的绕组继续通人直流时，则电动机 可以保持在固定的位置上。可以保持在固定的位置上。 3.4.1 步进电动机的运行特性及影响因素步进电动机的运行特性及影响因素 机电传动控制剖析 初始稳定平衡位置初始稳定平衡

28、位置: :指单相通电时，步进电动机在空载情指单相通电时，步进电动机在空载情 况下，转子齿将和通电相磁极上的小齿对齐，此位置为况下，转子齿将和通电相磁极上的小齿对齐，此位置为 ； 偏转角偏转角：转子齿偏离初始平衡位置的角度：转子齿偏离初始平衡位置的角度( (空间角空间角) )。 n1 1 矩角特性矩角特性 矩角特性矩角特性 是反映步进是反映步进电动机电磁转矩电动机电磁转矩T随偏转角随偏转角 的关系。的关系。 机电传动控制剖析 emax sinTT n1 矩角特性矩角特性 若用电角度e表示偏转角则 e = z 矩角特性曲线： T =f（ e ） 此曲线可近似的用一条 正弦曲线表示 maxs TT

29、4 1 时当 te 最大静转矩 步进电动机的最主要性能之一，反映了电机带负载的能力。步进电动机的最主要性能之一，反映了电机带负载的能力。 机电传动控制剖析 2、 单步运行特性单步运行特性 指步进电机在单相或多相通电状态下，仅改变一次 通电状态时的运行方式或输入频率很低，以致加第二脉 冲前，前一步已走完，转子运行已经停止的状态称为单 步运行状态 （1）稳定区 稳定区 静稳定区 动稳定区 机电传动控制剖析 在空载时，稳定平衡位置对应 于=0处，而=180 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

30、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。 emax sinTT 静态稳态区 最大静转矩 机电传动控制剖析 若改变通电状态由U相转为V 相，矩角特性将向前移动一 个矩角be，转子将转到新的 稳定平衡位置O1，新稳定区 为 。 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。 动态稳定区 a b ),( bebe 机电传动控制剖析 n（2）单步运行特性 机电传动控制剖析 n（2）单步运行特性 衰减周期衰减周期 衰减时间衰减时间 机电传动控制剖析 n（2）单步运行特性 机

31、电传动控制剖析 J zTm n 机电传动控制剖析 n3. 连续脉冲运行特性连续脉冲运行特性 (1)极低频条件下运行极低频条件下运行 指控制脉冲周期大于转指控制脉冲周期大于转 子单步运行振荡的衰减时间。子单步运行振荡的衰减时间。 与单步运行方式相同。与单步运行方式相同。 转子的运行特性具有典型转子的运行特性具有典型 的步进特性；运行的步进电的步进特性；运行的步进电 动机多数处于欠阻尼状态，动机多数处于欠阻尼状态， 不可避免地产生振荡，但其不可避免地产生振荡，但其 振幅不会超过步距角，因此振幅不会超过步距角，因此 不会出现失步和越步现象。不会出现失步和越步现象。 b tT 机电传动控制剖析 转子运

32、行特点是前一个脉冲使转子产生的振荡还没衰减转子运行特点是前一个脉冲使转子产生的振荡还没衰减 完，第二个脉冲已经到来，转子所处的位置与脉冲频率有关，该完，第二个脉冲已经到来，转子所处的位置与脉冲频率有关，该 位置是第二个脉冲转子的起始位置。位置是第二个脉冲转子的起始位置。 0 4/1fftb (2) 低频条件下运行低频条件下运行 第一种情况： U相O0 V相S V相b点 W相c点 不失步 第二种情况： U相O0 V相S V相b点 W相c点 失三步 机电传动控制剖析 使步进电动机能正常启动的最高频率。 n拍数越多，极限起动频率越高； n负载转矩越大，起动频率越低；（起动矩频特 性） n转子转动惯量

33、越小，起动频率越高。（起动惯 频特性） 极限启动频率：极限启动频率： 机电传动控制剖析 高频时，在前一个脉冲作用 下，转子的振荡尚没到达第一个振幅， 第二个脉冲已来而又一次改变通电状 态。 步进电动机连续、平稳地 转动。 步进电动机在小于极 限起动频率下正常起动后，控制脉冲 再缓慢地升高。因为缓慢升高脉冲频 率，转子加速度很小，转动惯量的影 响可以忽略。但此时电动机随运行频 率增高，负载能力变差，反映了步进 电动机的运行频率特性。 0 4 ff 最高运行频率受限最高运行频率受限 机电传动控制剖析 注意：最高运行频率受限注意：最高运行频率受限 n原因有三：原因有三： 1、频率增高，输入矩形脉冲信

34、号发生畸变，使电流平、频率增高，输入矩形脉冲信号发生畸变，使电流平 均值下降，引起输出转矩下降；均值下降，引起输出转矩下降； 2、频率增高，定子绕组中产生附加感应电势，最大动、频率增高，定子绕组中产生附加感应电势，最大动 机阻尼；机阻尼； 3、铁心中涡流损耗增加、铁心中涡流损耗增加 n最终造成转子跟不上脉冲变化而导致失步。最终造成转子跟不上脉冲变化而导致失步。 机电传动控制剖析 4、加减速特性、加减速特性 n 步进电机由静止到工作频率或由工作频率到静止过 程中，励磁通电频率与时间的关系 )(00:tfffff过程中，或即 减速 工作工作 加速 要求：频率升，转速升； 频率降，转速降。 限制：升

35、速和减速时间不 能过小，否则易失 步或越步 机电传动控制剖析 5、脉冲信号频率对步进电动机运行的影响、脉冲信号频率对步进电动机运行的影响 频率增高，输入矩形脉冲频率增高，输入矩形脉冲 信号发生畸变，使电流平均值信号发生畸变，使电流平均值 下降，引起输出转矩下降；下降，引起输出转矩下降； 最终造成电机起动不了或转子跟最终造成电机起动不了或转子跟 不上脉冲变化而导致失步。不上脉冲变化而导致失步。 最高运行频率受限最高运行频率受限 提高频率的措施提高频率的措施 减小电机的时间常数、提高减小电机的时间常数、提高 动态转矩、减小惯量、釆用阻尼动态转矩、减小惯量、釆用阻尼 等来提高等来提高fmax 机电传

36、动控制剖析 n惯性影响从两方面分析：惯性影响从两方面分析： 1、起动：使电机起动不起来；、起动：使电机起动不起来； 2、运行中：失步。（由于振荡）、运行中：失步。（由于振荡） n消除方法：阻尼法消除方法：阻尼法 6、转子机械惯性对步进电动机运行的影响、转子机械惯性对步进电动机运行的影响 机电传动控制剖析 n 当控制脉冲的时间间隔大于步进电动机的 过渡过程时，电动机呈步进运行状态，即输入 脉冲频率较低，在第二步走之前第一步已经结 束。 n 步进电动机在运行中存在振荡，它有一个固 有频率，若输入脉冲频率等于固有频率时就要 产生共振，使步进电动机振荡不前。对同一电 动机，在不同负载(如不同机床)情况

37、下，其共 振区是不同的，必要时可外加调节阻尼器，以 保证工作正常进行。 7、步进运行和低频振荡、步进运行和低频振荡 机电传动控制剖析 3.4.2 3.4.2 步进步进电动机的性能指标和应用电动机的性能指标和应用 n1.步进步进电动机的性能指标电动机的性能指标 n1.步距角步距角 n2.精度精度步距角精度步距角精度 负载轴最小位移增量传动比 min 9 . 3min i i b 差负载轴上允许的角度误 累积误差 L Lb i 机电传动控制剖析 最大静负载转矩启动转矩 max max max 11. 35 . 03 . 0 Lst Lst sL TT TT TT 12. 35 . 03 . 0/

38、max Lst TT n3.转矩转矩 1）保持转矩：）保持转矩：绕组不通电时电磁转矩的最大值。反应 式步进电机保持转矩为零 2）静转矩：）静转矩：不改变通电状态即电机静止时转矩，是电 流与偏转角的函数。 3）动转矩：）动转矩：转子转动时最大输出转矩，与运行频率有关 机电传动控制剖析 4 4、响应频率、响应频率 响应频率：在某一频率范围，步进电机可以任 意运行而不丢步,则这一最大频率为。 突跳频率或牵入频率：通常用起动频率来作为衡 量的指标，它是能不丢步地起动的极限频率。 与负载的大小有关，负载的大小包含负载转矩和 负载转动惯量两个方面的意义。 技术参数中常给出空载起动频率，它随负载的增 加而显

39、著下降，选用时应注意这一点。 机电传动控制剖析 5 5、运行频率、运行频率 n运行频率：指频率连续上升时，电动机 能不失步运行的极限频率。它的值也与 负载的大小有关。 n在相同负载情况下，连续频率的值远大 于响应频率或起动频率。 n它也随着电机所带负载的性质和大小而 异，与驱动电源也有很大关系。 机电传动控制剖析 6 6、矩频特性、矩频特性 nfst=f(TL) 起动矩频特性 nfst=f(J) 起动惯频特性 nfc=f(TL) 运行矩频特性 机电传动控制剖析 2.使用步进电动机应注意的几个问题 n( l)起动转矩选择：根据式（起动转矩选择：根据式（3.13）。）。 n(2)步距角及步距累积误

40、差。步距角及步距累积误差。 n(3)起动频率和最高频率满足要求。起动频率和最高频率满足要求。 n(4)驱动电源的优劣对步进电动机控制系统的运行影响极驱动电源的优劣对步进电动机控制系统的运行影响极 大，使用时要特别注意，需根据运行要求，尽量采用先大，使用时要特别注意，需根据运行要求，尽量采用先 进的驱动电源，以满足步进电动机的运行性能。进的驱动电源，以满足步进电动机的运行性能。 n(5)若所带负载转动惯量较大，则应在低频下启动，然后若所带负载转动惯量较大，则应在低频下启动，然后 再上升到工作频率，停车时也应从工作频率下降到适当再上升到工作频率，停车时也应从工作频率下降到适当 频率再停车。频率再停

41、车。 机电传动控制剖析 2.使用步进电动机应注意的几个问题 (6)在工作过程中，应尽量避免由于负载突变而引起的误差。在工作过程中，应尽量避免由于负载突变而引起的误差。 n(7)若在工作中发生失步现象，首先，应检查负载是否过大，若在工作中发生失步现象，首先，应检查负载是否过大， 电源电压是否正常，再检查驱动电源输出波形是否正常，在电源电压是否正常，再检查驱动电源输出波形是否正常，在 处理问题时不应随意变换元件。处理问题时不应随意变换元件。 机电传动控制剖析 n控制指令脉冲的数量数量、频率频率以及通电顺序通电顺序，便可 控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。 n系统的位移精度位移精度主要取决于

42、步进电机的角位移精角位移精 度度、齿轮丝杠等传动元件的节距精度节距精度以及系统的 摩擦阻尼特性摩擦阻尼特性等。 n开环伺服系统的结构简单，调试、维修方便，成 本低廉，但精度差，一般用于经济型数控机床。 3.5.1 步进电机开环控制步进电机开环控制 3.5 3.5 步进电机的控制步进电机的控制 机电传动控制剖析 n使用微机进行控制有串行串行和并行并行两种方式。 1、串行控制、串行控制 单 片 机 系 统 与步进电动机 驱动电源间具 较少的连线。 驱 动 电 源 中 必须含有环行 分配器。 机电传动控制剖析 用微机系统的数条端口线直接去控制步进 电动机各相驱动电路的方法称为并行控制并行控制。 在电

43、动机驱 动电源内，不包 括环形分配器， 而其功能必须由 微机系统完成。 实现方法有两种： 纯软件法和软硬 件结合法。 2、并行控制、并行控制 机电传动控制剖析 3 3、步进电机速度控制、步进电机速度控制 n控制步进电动机的运行速度运行速度，实际上就是控制 系统发出脉冲的频率脉冲的频率或者换相的周期换相的周期。 n系统可用两种方法来确定脉冲的周期：一种是 软件延时，另一种是用定时器。软件延时的方 法是通过调用延时子程序的方法实现的，它占 用CPU时间；定时器方法是通过设置定时时间 常数的方法来实现的。 机电传动控制剖析 4 4、步进电机加减速控制、步进电机加减速控制 系统极限起动频率系统极限起动

44、频率 在点-位控制系统，从起点至终点的运行速度 都有一定要求。 如要求运行的速度小于系统极限起动频率，则系 统可以按要求的速度直接起动，运行至终点后可直 接停发脉冲串而令其停止。系统在这样的运行方式 下速度可认为是恒定的。 如要求运行的速度大于系统极限起动频率，如果 系统以要求的速度直接起动，可能发生丢步或根本 不运行的情况。系统运行起来之后，如果到达终点 时突然停发脉冲串，令其立即停止，则因为系统的 惯性原因，会发生冲过终点的现象。 机电传动控制剖析 n系统在工作过程中， 特别是在要求快速响 应的工作中，从起点 至终点运行的时间要 求最短，都要求加减 速过程时间尽量短， 而恒速时间尽量长，

45、速度最高。 在点位控制过程中，运行速度都需要有一个“加 速-恒速-减速-低恒速-停止”的加减速过程。 机电传动控制剖析 n升速规律一般可有两种选择：一是按照直线规 律升速；二是按指数规律升速。 n用微机对步进电动机进行加减速控制，实际上 就是改变输出脉冲的时间间隔。升速时使脉冲 串逐渐加密，减速时使脉冲串逐渐疏稀。微机 用定时器中断方式来控制电动机变速时，实际 上就是不断改变定时器装载值的大小。一般用 离散方法来逼近理想的升降速曲线。 机电传动控制剖析 3.5.2 3.5.2 步进电动机的闭环控制步进电动机的闭环控制 n闭环控制是直接或间接地检测转子的位置和速度， 然后通过反馈和适当的处理，自

46、动给出驱动的脉 冲串。采用闭环控制，不仅可以获得更加精确的 位置控制和高的多、平稳得多的转速。 n根据不同的使用要求，步进电动机的闭环控制也 有不同的方案。主要有核步法、延迟时间法、带核步法、延迟时间法、带 位置传感器的闭环控制系统位置传感器的闭环控制系统等。 机电传动控制剖析 例例 题题 例例3.1 3.1 一台三相反应式步进电动机，一台三相反应式步进电动机， 采用三相六拍分配方式，转子有采用三相六拍分配方式，转子有4040个齿，脉冲源频率为个齿，脉冲源频率为600Hz600Hz， 求：求： (1)(1)写出一个循环的通电程序写出一个循环的通电程序,(2),(2)求步进电动机步距角求步进电动

47、机步距角 (3)(3)求步进电动机转速求步进电动机转速 n n 解解 (1)(1)脉冲分配方式有两种：脉冲分配方式有两种： A-AB-B-BC-C-CA A-AC-C-CB-B-BA 00 0 5 . 13240/360 360 2 ZKm b min/ r150 3240 60060 ZKm f60 n3 机电传动控制剖析 例例3.2 3.2 若一台若一台 BFBF系列四相反应式步进电动机，其步矩系列四相反应式步进电动机，其步矩 角为角为 1.81.80 0/0.9/0.90 0。试问：。试问： (1)1.8(1)1.80 0/0.9/0.90 0表示什么意思表示什么意思? ? (2) (2

48、)转子齿数为多少转子齿数为多少? ? (3) (3)写出四相八拍运行方式的一个通电顺序。写出四相八拍运行方式的一个通电顺序。 (4)(4)在在A A相测得频率为相测得频率为400Hz400Hz时，其每分钟的转速为多少时，其每分钟的转速为多少? ? 解解 (I)(I)根据步进电机结构的概念可知根据步进电机结构的概念可知1.81.80 0/0.9/0.90 0分别表分别表 示单四拍运行的步距角和单双八拍运行的步距角。示单四拍运行的步距角和单双八拍运行的步距角。 50 148 . 1 360 Z ZKm 360 2 0 00 以单四拍计算 (3) A-AB-B-BC-C-CD-D-DA min/ r

49、480 50 40060 ZN Nf60 ZKm f60 n4 相 机电传动控制剖析 例例3.3 3.3 在开环控制伺服系统中，步进电动机采用一在开环控制伺服系统中，步进电动机采用一 对齿轮与丝杠相连接。步进电机的通电方式是三相对齿轮与丝杠相连接。步进电机的通电方式是三相 六拍方式，电机转子的齿数为六拍方式，电机转子的齿数为40个。已知脉冲当个。已知脉冲当 量为量为0.01mm，滚珠丝杠基本导程为，滚珠丝杠基本导程为6mm，则这，则这 对齿轮的传动比为（对齿轮的传动比为（ ）。）。 A. 5/3 B. 3/5 C. 2/5 D. 5/2 机电传动控制剖析 n可实现多种控制方式选择：单三、双三、

50、 单双六拍 n实现正反转控制 n设置运行步数 n复位全停保护功能 n实现加减速控制：设置升速步数和降速 步数 基于单片机的步进电机控制系统设计基于单片机的步进电机控制系统设计 机电传动控制剖析 n 从步进电机的工作原理可知，步进电机要转动，必须要有从步进电机的工作原理可知，步进电机要转动，必须要有 电脉冲，而且必须按一定的顺序加到电机绕组上才能使步进电机按电脉冲，而且必须按一定的顺序加到电机绕组上才能使步进电机按 预定的规律运转。因此，微机控制步进电机的软件程序要能够产生预定的规律运转。因此，微机控制步进电机的软件程序要能够产生 所需要的脉冲串，并能按规定的顺序送出相应的脉冲信号所需要的脉冲串

51、，并能按规定的顺序送出相应的脉冲信号( (即时序脉即时序脉 冲冲) )。 n 1 1脉冲信号的形成脉冲信号的形成 n 用软件产生脉冲信号的方法是先输出一个高电平，然后进行延用软件产生脉冲信号的方法是先输出一个高电平，然后进行延 时，再输出一个低电平，再进行延时。延时时间的长短，即分别保时，再输出一个低电平，再进行延时。延时时间的长短，即分别保 持高、低电平的时间长短，由步进电机的工作频率决定。根据单片持高、低电平的时间长短，由步进电机的工作频率决定。根据单片 机的结构特点，可以采用程序延时或者定时器延时的办法。机的结构特点，可以采用程序延时或者定时器延时的办法。 n (1)(1)程序延时。程序

52、延时。 n 根据延时时间的长短，可采用单循环延时和双重计数循环延时根据延时时间的长短，可采用单循环延时和双重计数循环延时 程序。程序。 n 单循环延时子程序如下：单循环延时子程序如下： nDELAY1DELAY1： MOV AMOV A，#data #data ；1 1 n LOOP LOOP： DEC A DEC A ；1 1 n JNZ LOOP JNZ LOOP ；2 2 n RET RET ；2 2 机电传动控制剖析 n 该程序的延时时间为该程序的延时时间为 n t t1 1=3+(1+2)=3+(1+2)datadata T T n =3+3 =3+3datadataT T n式中式

53、中T T为单片机的机器周期，当晶振频率为为单片机的机器周期，当晶振频率为6MHz6MHz时，时，T=2 usT=2 us。该程。该程 序的最大延时时间为序的最大延时时间为1.54ms1.54ms。 n 双重计数循环延时子程序如下：双重计数循环延时子程序如下： nDELAY2DELAY2： MOV R2MOV R2，#datal #datal ；1 1 nDELAYlDELAYl： MOV AMOV A，#data2 #data2 ；1 1 n LOOP LOOP： DECDEC： A A ； 1 1 n JNZ LOOP JNZ LOOP ； 2 2 n DJNZ R2 DJNZ R2，DEL

54、AYl DELAYl ；2 2 n RET RET ；2 2 n t t2 2=1+(1+2)=1+(1+2)data2+2data2+2data1+1+2data1+1+2T T 机电传动控制剖析 n(2) (2) 利用定时器进行延时利用定时器进行延时 n 利用定时器利用定时器TOTO的方式的方式l l进行定时，设机器周期进行定时，设机器周期T=2 usT=2 us，计数初，计数初 值为值为X X，延时时间为，延时时间为N N，因，因T0T0、T1T1为加为加1 1计数器，要用补码运算，则计数器，要用补码运算，则 n (256-X)(256-X)2 21010-6 -6= N = N1010

55、-6 -6 n256-X = O.5256-X = O.5N X = 256-O.5N X = 256-O.5N N n用用XHXH表示初值表示初值X X的高字节，的高字节，XLXL表示表示X X的低字节，编写程序如下：的低字节，编写程序如下： nT0T0一一DELYDELY：MOV TMODMOV TMOD，#01H #01H ；T0T0定时器方式定时器方式1 1定时定时 n MOV TLOMOV TLO，#XL #XL ；赋初值；赋初值 n MOV THOMOV THO，#XH#XH n SETB TRO SETB TRO ；起动；起动T0T0计时计时 n L00PL00P：JBC TFO

56、JBC TFO，REPREP n AJMP L00P AJMP L00P n REP REP： n 当改变初值当改变初值X X时，就能改变延时时间，时，就能改变延时时间，X X值越小，延时时间则越值越小，延时时间则越 长。长。通过单片机的某个输出口轮流送出高、低电平就可得到相应的通过单片机的某个输出口轮流送出高、低电平就可得到相应的 脉冲串，高、低电平保持的时间长短决定了脉冲串的周期或频率。脉冲串，高、低电平保持的时间长短决定了脉冲串的周期或频率。 机电传动控制剖析 n脉冲串生成程序流程图脉冲串生成程序流程图如图：如图： n程序延时方式脉冲串程序清单如下：程序延时方式脉冲串程序清单如下： nP

57、ULSElPULSEl： MOV R3MOV R3，#N #N ；计数器赋初值，即脉冲个数；计数器赋初值，即脉冲个数 nLOOP0LOOP0： PUSH A PUSH A ；保存；保存A A n MOV P1 MOV P1，#0FFH #0FFH ；送高电平；送高电平 n ACALL DELAYl ACALL DELAYl ；延时；延时 n MOV P1MOV P1，#00H #00H ；送低电平；送低电平 n ACALL DELAYl ACALL DELAYl ；延时；延时 n DJNZ R3DJNZ R3，LOOP0 LOOP0 ；R3R3不为不为0 0转移转移 n POP A POP A

58、 ；恢复；恢复A A n RET RET nDELAYlDELAYl： MOV AMOV A，#data#data nLOOPLOOP： DEC ADEC A n JNZ LOOP JNZ LOOP n RET RET 机电传动控制剖析 n 利用定时器延时方式的脉冲串程序清单如下：利用定时器延时方式的脉冲串程序清单如下： nPULSE2PULSE2： MOV R3MOV R3，#N #N ；计数器赋初值，即脉冲个数；计数器赋初值，即脉冲个数 n MOV TMODMOV TMOD，#01H #01H ；定时器；定时器TOTO方式方式1 1定时定时 n MOV TL0MOV TL0，#XL #XL

59、 ；赋初值；赋初值 n MOV TH0MOV TH0，#XH#XH n SETB TR0 SETB TR0 ；启动；启动T0T0计时计时 n SETB P1SETB P10 0 ；送脉冲输出为高电平；送脉冲输出为高电平 n LOOPlLOOPl： JBC TF0JBC TF0，REP REP ；查；查TOTO是否溢出是否溢出 n AJMP LOOPlAJMP LOOPl n REP REP： MOV TL0MOV TL0，#XL #XL ；重新赋计时初值；重新赋计时初值 n MOV TH0MOV TH0#XH#XH n CPL P1.0 CPL P1.0 ；输出信号倒相；输出信号倒相 n DJ

60、NZ R3DJNZ R3，LOOPl LOOPl ；不为；不为0 0转移转移 n RETRET 机电传动控制剖析 n2 2时序脉冲信号的形成时序脉冲信号的形成 n 步进电机自旋转方向与内部绕组的通电顺序和通电方式有关。步进电机自旋转方向与内部绕组的通电顺序和通电方式有关。 以常用的三相步进电机为例，通常有三种通电方式：以常用的三相步进电机为例，通常有三种通电方式： n (1)(1)三相单三拍方式三相单三拍方式 ABCAABCA n (2) (2)三相双三拍方式三相双三拍方式 ABBCCAABABBCCAAB n (3) (3)三相六拍方式三相六拍方式 AABBBCCCAAAABBBCCCAA