步进电动机传动控制系统PPT学习教案

1、会计学1 步进电动机传动控制系统步进电动机传动控制系统PPT课件课件 ( ( 步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲 信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉 冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段 距离。距离。 13.1 13.1 步进电动机步进电动机结构与工作原理结构与工作原理 第1页/共25页 种类种类：励磁式励磁式和和两种。两种。 下面以反应式步进电机为例说明步进电机的下面以反应式步进电机为例说明步进电机的 结构和工作原理。结构和工作原理。 13.1

2、13.1 步进电动机步进电动机结构与工作原理结构与工作原理 第2页/共25页 步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理 给给A A相绕组通电时，转子位相绕组通电时，转子位 置如图（置如图（a a），转子齿偏离定），转子齿偏离定 子齿一个角度。由于励磁磁子齿一个角度。由于励磁磁 通力图沿磁阻最小路径通过通力图沿磁阻最小路径通过 ，因此对转子产生电磁吸力，因此对转子产生电磁吸力 ，迫使转子齿转动，当转子，迫使转子齿转动，当转子 转到与定子齿对齐位置时转到与定子齿对齐位置时( (图图 b)b)，因转子只受径向力而无，因转子只受径向力而无 切线力，故转矩为零，转子切线力，故转矩为零，转子 被锁定在这个

3、位置上。由此被锁定在这个位置上。由此 可见：错齿是助使步进电机可见：错齿是助使步进电机 旋转的根本原因。旋转的根本原因。 第3页/共25页 如下：如下： A B C IA IB IC 定子内圆周定子内圆周 均匀分布着六个均匀分布着六个 磁极，磁极上有磁极，磁极上有 励磁绕组，每两励磁绕组，每两 个相对的绕组组个相对的绕组组 成一相。转子有成一相。转子有 四个齿。四个齿。 定子定子 转子转子 第4页/共25页 C A B BC A 3 4 1 2 A A相绕组通电，相绕组通电，B B、C C 相相 不通电。由于在磁场作用下，不通电。由于在磁场作用下， 转子总是力图旋转到磁阻最转子总是力图旋转到磁

4、阻最 小的位置，故在这种情况下，小的位置，故在这种情况下， 转子必然转到左图所示位置：转子必然转到左图所示位置： 1 1、3 3齿与齿与A A、A A极对齐。极对齐。 13.1 13.1 步进电动机步进电动机结构与工作原理结构与工作原理 第5页/共25页 C A B BC A 3 4 1 2 同理，同理，B相通电时，转子会转过相通电时，转子会转过30 角，角，2、4 齿和齿和B、B 磁极轴线对齐；当磁极轴线对齐；当C相通电时，转子相通电时，转子 再转过再转过30 角，角，1、3齿和齿和C C 、C 磁极轴线对齐。磁极轴线对齐。 1 C 3 42 C A B B A 13.1 13.1 步进电动

5、机步进电动机结构与工作原理结构与工作原理 第6页/共25页 这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为 一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲 ，所以称为三相单三拍工作方式。，所以称为三相单三拍工作方式。 按按AB C A 的顺序给三相绕的顺序给三相绕 组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍 转过转过30( (步距角步距角) )，每个通电循环周期，每个通电循环周期(3(3拍拍) )转转 过过90( (一个齿距角一个齿距角) )。 13.1 13.1 步进电动机步进电动机

6、结构与工作原理结构与工作原理 第7页/共25页 按按AAB B BC C CA的的 顺序给三相绕组轮流通电。顺序给三相绕组轮流通电。这种方式可这种方式可 以获得更精确的控制特性。以获得更精确的控制特性。 第8页/共25页 C A B BC A 3 4 1 2 C A B BC A 3 4 1 2 A相通电，相通电，转子转子1 1、 3 3齿与齿与A、A 对齐。对齐。 A、B相同时通电，相同时通电， A、A 磁极拉住磁极拉住1、3齿齿 ，B、B 磁极拉住磁极拉住2、4 齿，转子转齿，转子转过过15 ，到达到达 左图所示位置。左图所示位置。 第9页/共25页 C A B BC A 3 4 1 2

7、B B 相通电，相通电，转子转子2、 4齿与齿与B、B 对齐对齐, ,又转又转 过过15 。 3 4 1 2 C A B BC A B、C相同时通电，相同时通电， C 、C 磁极拉住磁极拉住1、3 齿，齿，B、B 磁极拉住磁极拉住 2、4齿，转子再转齿，转子再转过过 15 。 第10页/共25页 三相反应式步进电动机的一个通电循环周三相反应式步进电动机的一个通电循环周 期如下：期如下：AAB B BC C CA，每个每个 循循 环周期分为六拍。环周期分为六拍。 每拍转子转过每拍转子转过15 （步距角），（步距角），一一个通电循个通电循 环周期环周期( (6拍拍) )转子转过转子转过90 ( (

8、齿距角齿距角) )。 与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更 小，更适用于需要精确定位的控制系统中。小，更适用于需要精确定位的控制系统中。 第11页/共25页 按按ABAB BCBC CACA的顺序给三相绕组轮流通的顺序给三相绕组轮流通 电。每拍有两相绕组同时通电电。每拍有两相绕组同时通电。 第12页/共25页 A B 通通 电电 C A B BC A 3 4 1 2 BC通电通电 3 4 1 2 C A B BC A C A 通通 电电 C A B BC A 3 4 1 2 与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循循 环

9、周期也分为三拍。每拍转子转过环周期也分为三拍。每拍转子转过30 ( (步距角步距角) )， 一一个通电循环周期个通电循环周期( (3拍拍) )转子转过转子转过90 ( (齿距角齿距角) )。 第13页/共25页 从以上对步进电机三种驱动方式的分析可从以上对步进电机三种驱动方式的分析可 得步距角计算公式：得步距角计算公式： mZr 360 步距角步距角 Zr 转子齿数转子齿数 m 每个通电循环周期的拍数每个通电循环周期的拍数 实用步进电机的步距角多为实用步进电机的步距角多为3 和和1.5 。为。为 了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿 的，如教材图

10、的，如教材图10.4.4所示。图中转子表面有所示。图中转子表面有4040个个 齿，齿， 第14页/共25页 齿距角是齿距角是9 9 ；定子仍是定子仍是 6 6个磁极，但每个磁极个磁极，但每个磁极 表面加工有五个和转子一样的齿。表面加工有五个和转子一样的齿。 应用：应用： 第15页/共25页 13.2 13.2 步进电动机的步距角步进电动机的步距角 由一个通电状态改变到下一个通电状态时，电动机转子所转过由一个通电状态改变到下一个通电状态时，电动机转子所转过 的角度称为步距角。的角度称为步距角。T11-2.SWFT11-2.SWF 360360 / /ZKmZKm 其中：其中：Z Z转子齿数转子齿

11、数 m m定子绕组相数定子绕组相数 K K通电系数通电系数 K K=1,2=1,2 若二相步进电动机的若二相步进电动机的Z=100，单拍运行时，其步距角，单拍运行时，其步距角 8 . 1 1002 360 9 . 0 10022 360 若按单、双通电方式运行时，步距角若按单、双通电方式运行时，步距角 第16页/共25页 由此可见，步进电动机的转子齿数由此可见，步进电动机的转子齿数Z和定子相数和定子相数(或运行拍数或运行拍数) 愈多，则步距角愈小，控制越精确。愈多，则步距角愈小，控制越精确。 当定子控制绕组按着一定顺序不断地轮流通电时，步进电动机当定子控制绕组按着一定顺序不断地轮流通电时，步进

12、电动机 就持续不断地旋转。如果电脉冲的频率为就持续不断地旋转。如果电脉冲的频率为f(HZ)，步距角用弧度表，步距角用弧度表 示，则步进电动机的转速为：示，则步进电动机的转速为： f KmZ f KmZ f n 60 60 2 2 60 2 13.2 13.2 步进电动机的步距角步进电动机的步距角 第17页/共25页 13.3 13.3 步进电动机的主要性能指标步进电动机的主要性能指标 1. 步距角步距角 2. 最大工作频率：在转子不失步的情况下，电动机连续工作时最大工作频率：在转子不失步的情况下，电动机连续工作时 ，输入脉冲信号的最大频率。，输入脉冲信号的最大频率。 3. 最大突跳频率：在转子

13、不失步的情况下，电动机能增加和最大突跳频率：在转子不失步的情况下，电动机能增加和 减小的最大频率。减小的最大频率。 4. 步距差：理想的步矩角与实际的步矩角之差。步距差：理想的步矩角与实际的步矩角之差。 5. 输出转矩：电动机轴上的输出转矩的大小输出转矩：电动机轴上的输出转矩的大小 步进电动机的输出转矩与脉冲频率的函数关系称为步进电动机的输出转矩与脉冲频率的函数关系称为矩频特性矩频特性 。 第18页/共25页 13.4 13.4 步进电动机的驱动电源步进电动机的驱动电源 一、驱动电源的组成一、驱动电源的组成 脉脉 冲冲 分分 配配 器器 功放电路功放电路 三三 相相 步步 进进 电电 机机 负

14、载负载 功率电功率电 源源 分配器电源分配器电源 功放电路功放电路 功放电路功放电路 功率放大器功率放大器 步进脉冲步进脉冲 方向信号方向信号 f A B C 脉冲分配器+功率放大电路 第19页/共25页 1. 脉冲分配器脉冲分配器 当方向电平为低时，脉冲当方向电平为低时，脉冲 分配器的输出按分配器的输出按A-B-CA-B-C的顺序的顺序 循环产生脉冲。循环产生脉冲。 f A B C 当方向电平为高时，脉当方向电平为高时，脉 冲分配器的输出按冲分配器的输出按A-C-BA-C-B的的 顺序循环产生脉冲。顺序循环产生脉冲。 A B C f 2.功率放大器功率放大器 将脉冲分配器的输出信号进行电流放

15、大后给电动机的定子绕组供将脉冲分配器的输出信号进行电流放大后给电动机的定子绕组供 电，使电动机的转子产生输出转矩。电，使电动机的转子产生输出转矩。 第20页/共25页 二、步进电动机的脉冲分配器二、步进电动机的脉冲分配器 步进电动机的脉冲分配器可由硬件或软件方法来实现步进电动机的脉冲分配器可由硬件或软件方法来实现。 硬件环形分配器：由计数器等数字电路组成的。有较好的响应硬件环形分配器：由计数器等数字电路组成的。有较好的响应 速度，且具有直观、维护方便等优点。速度，且具有直观、维护方便等优点。 软件环分：由计算机接口电路和相应的软件组成的。受到微型软件环分：由计算机接口电路和相应的软件组成的。受

16、到微型 计算机运算速度的限制，有时难以满足高速实时控制的要求。计算机运算速度的限制，有时难以满足高速实时控制的要求。 1. 1.硬件环形分配器硬件环形分配器 第21页/共25页 2 2软件环形分配软件环形分配 软件环分的方法是利用计算机程序来设定硬件接口的位状态，软件环分的方法是利用计算机程序来设定硬件接口的位状态， 从而产生一定的脉冲分配输出。从而产生一定的脉冲分配输出。 1) 1) 输出接口输出接口 8031 8031单片机本身包含单片机本身包含4 4 个个8 8位位I/OI/O端口，分别为端口，分别为P0P0、 P1P1、P2P2、P3P3。 输出接口是将计算机的输出端与步进电动机的每相

17、绕组一一对输出接口是将计算机的输出端与步进电动机的每相绕组一一对 应起来。应起来。 8031 P1.0 P1.1 P1.2 A B C 驱驱 动动 器器 若要实现三相步进电动机若要实现三相步进电动机 的脉冲分配，需要三根输出口的脉冲分配，需要三根输出口 线，本例中选线，本例中选P1P1口的口的P1.0P1.0、 P1.1P1.1、P1.2P1.2位作为脉冲分配的位作为脉冲分配的 输出。输出。 第22页/共25页 三、步进电动机的功率放大电路三、步进电动机的功率放大电路 步进电动机的功率驱动电路实际上是一种脉冲放大电路，使脉步进电动机的功率驱动电路实际上是一种脉冲放大电路，使脉 冲具有一定的功率驱动能力。冲具有一定的功率驱动能力。 由于功率放大器的输出直接驱动电动机绕组，因此，功率放大由于功率放大器的输出直接驱动电动机绕组，因此，功率放大 电路的性能对步进电动机的运行性能影响很大。电路的性能对步进电动机的运行性能影响很大。 1. 1.单电压驱动电路单电压驱动电路 R C RD V L +U VT L是电动机绕组是电动机绕组 VT开关晶体管开关晶体管 电阻电阻R两端并联电容两端并联电容C，使电流上升更快，使电流上升更快 ，所以，电容，所以，电容C又称为加速电容。又称为加速电容。 二极管二极管V在晶体管在晶体管VT截止时起续流和保护截止时起续流和保护 作用，串联电阻使电