09机电一体化技术11578

1、复习1. 执行元件的种类、特点及基本要求；执行元件的种类、特点及基本要求；2.步进电机技术指标；步进电机技术指标；3.机电一体化系统机电一体化系统(或产品或产品)对执行元件的基本要求；对执行元件的基本要求；4.控制用电机的基本要求、种类、特点及选用；控制用电机的基本要求、种类、特点及选用；5.掌握步进电机的工作原理掌握步进电机的工作原理 -步进电机环形脉冲分配方式步进电机环形脉冲分配方式 -步距角的计算步距角的计算 6.步进电机的运行特性及性能指标步进电机的运行特性及性能指标 7.步进电机的驱动与控制步进电机的驱动与控制 驱动电源由脉冲分配器、功率放大器组成驱动电源由脉冲分配器、功率放大器组成

2、 (1)环形脉冲分配器环形脉冲分配器 (2)功率放大器功率放大器 单电压功率放大电路。单电压功率放大电路。 高低压功率放大电路。高低压功率放大电路。8.步进电机的选用方法步进电机的选用方法本次课的内容本次课的内容 (2)功率放大器 单电压功率放大电路。高低压功率放大电路。 恒流源功率放大电路。 细分驱动电路 步进电机的微机控制 步进电机的选用方法(2)功率放大器 步进电机所使用的功率放大电路有电压型和电流型。电压型又有单电压型、双电压型(高低压型)。电流型中有恒流驱动、斩波驱动等。 单电压功率放大电路 ：主要用于对速度要求不高的小型步进电机。 环形脉冲分配器环形脉冲分配器高低压功率放大电路 5

3、.7图为采用脉冲变压器TI组成的高低压控制电路原理图。A相单稳触发器组成的高低压控制电路原理图单稳触发器组成的高低压控制电路原理图0100触发触发1101定时定时结束结束10单稳触发器组成的高低压控制电路特点单稳触发器组成的高低压控制电路特点恒流源功率放大电路恒流源功率放大电路 恒流源功率放大电路恒流源功率放大电路特点特点 斩波恒流功率放大电路输入的一个脉冲绕组的电压波形绕组的电流波形00=0U1=0010U10U1001U1UR比较器输出为比较器输出为001 调频调压功放电路。电源电压一定电源电压一定,绕组电流的上冲值随频率的升高降低，输出转矩随转速的提高降低；要提高转绕组电流的上冲值随频率

4、的升高降低，输出转矩随转速的提高降低；要提高转矩，需提高供电电压；矩，需提高供电电压；调频调压：低频时，供电电压低，高频时，供电电压高；调频调压：低频时，供电电压低，高频时，供电电压高；脉冲信号脉冲信号调压信号调压信号011(3)细分驱动在每次输人脉冲切换时，不是将绕组电流全部通在每次输人脉冲切换时，不是将绕组电流全部通入或切除，而是只改变相应绕组中额定的一部分，入或切除，而是只改变相应绕组中额定的一部分，则电机转子的每步运动也只有步距角的一部分。则电机转子的每步运动也只有步距角的一部分。这里绕组电流不是一个方波，而是阶梯波，额定这里绕组电流不是一个方波，而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切

5、除，电流分成多少个台电流是台阶式的投入或切除，电流分成多少个台阶，则转子就以同样的个数转过一个步距角。这阶，则转子就以同样的个数转过一个步距角。这样将一个步距角细分成若干步的驱动方法称为样将一个步距角细分成若干步的驱动方法称为细细分驱动。分驱动。细分驱动的特点是：细分驱动的特点是： a 在不改动电机结构参数的情况下，能使步距角在不改动电机结构参数的情况下，能使步距角减小。但细分后的步距角精度不高，功率放大驱减小。但细分后的步距角精度不高，功率放大驱动电路也相应复杂；动电路也相应复杂； b 能使步进电机运行平稳，提高匀速性，并能减能使步进电机运行平稳，提高匀速性，并能减弱或消除振荡。弱或消除振荡

6、。例:采用多路功率开关采用多路功率开关用叠加的信号控制用叠加的信号控制阶梯波供电的方法阶梯波供电的方法先放大、后叠先放大、后叠加的供电方法加的供电方法先叠加、后放先叠加、后放大的供电方法大的供电方法恒频脉宽调制细分驱动电路恒频脉宽调制细分驱动电路(4)步进电机的微机控制步进电机的微机控制 有串行和并行两种控制方式有串行和并行两种控制方式: :串行控制：串行控制：具有串行控制功能的单片机系统与步进电机具有串行控制功能的单片机系统与步进电机驱动电源之间具有较少的连线就可以将信号送入步进电机驱驱动电源之间具有较少的连线就可以将信号送入步进电机驱动电源的环形分配器，所以在这种系统中，驱动电源中必须动电

7、源的环形分配器，所以在这种系统中，驱动电源中必须含有环形分配器。见图。含有环形分配器。见图。并行控制：并行控制： 用微型计算机系统的数个端口直接去控制步进电机各相驱用微型计算机系统的数个端口直接去控制步进电机各相驱动电路的方法称为并行控制。在电机驱动电源内，不包括环动电路的方法称为并行控制。在电机驱动电源内，不包括环形分配器，而其功能必须由微型计算机系统完成。形分配器，而其功能必须由微型计算机系统完成。系统实现脉冲分配器的功能又有两种方法：系统实现脉冲分配器的功能又有两种方法： 第一种是纯软件方法第一种是纯软件方法. 第二种是软、硬件相结合的方法。第二种是软、硬件相结合的方法。并行控制方案的示

8、意图见图。并行控制方案的示意图见图。 (5)步进电机的速度控制步进电机的速度控制步进电动机速度控制：控制系统发出脉步进电动机速度控制：控制系统发出脉冲的频率或者是换相周期，其方法有两冲的频率或者是换相周期，其方法有两种：种：一种是软件延时：调用延时子程序，一种是软件延时：调用延时子程序，占用占用CPUCPU的时间来实现。的时间来实现。另一种是用定时器：通过设定定时另一种是用定时器：通过设定定时的时间常数来实现。的时间常数来实现。 步进电机的加减速控制步进电机的加减速控制对于点位控制系统来说：对于点位控制系统来说：1.如果系统要求的运行频率小于极限启动频率，则可以直接起如果系统要求的运行频率小于

9、极限启动频率，则可以直接起动和运行；动和运行；2.如果系统要求的运行频率大于极限启动频率，为了保证正常如果系统要求的运行频率大于极限启动频率，为了保证正常启动或者启动时不丢步，其运行需要一个过程：启动或者启动时不丢步，其运行需要一个过程：“加速一恒速一减速一加速一恒速一减速一(低恒速低恒速)一停止一停止 ”（如图）（如图）升速规律一般可有两种选择：升速规律一般可有两种选择：一是按照直线规律升速；加速度是恒定值，步进电一是按照直线规律升速；加速度是恒定值，步进电机的转矩也应该是恒定值，但是由于电机本身的机的转矩也应该是恒定值，但是由于电机本身的矩矩-频特性可以知道，在低速时可以认为其输出的频特性

10、可以知道，在低速时可以认为其输出的转矩为恒定值，但是随着转速的升高，输出转矩转矩为恒定值，但是随着转速的升高，输出转矩会下降。会下降。二是按指数规律升速，与电机的矩频特性比较吻合。二是按指数规律升速，与电机的矩频特性比较吻合。系统在执行升降速的控制过程中，对加减速的控制系统在执行升降速的控制过程中，对加减速的控制还需准备下列数据：加减速的斜率；升速过还需准备下列数据：加减速的斜率；升速过程的总步数；恒速运行总步数；减速运行的程的总步数；恒速运行总步数；减速运行的总步数。总步数。加减速过程的控制方法：1.步进电动机的开环控制：步进电动机的开环控制：步进电动机驱动系统，其输入的脉冲不依赖于转子步进

11、电动机驱动系统，其输入的脉冲不依赖于转子的位置，而是事先按一定的规律给定的。其缺点是的位置，而是事先按一定的规律给定的。其缺点是电动机的输出转矩、加速度在很大程度上取决于驱电动机的输出转矩、加速度在很大程度上取决于驱动电源和控制方式。对于不同的电动机或者同一种动电源和控制方式。对于不同的电动机或者同一种电动机而不同的负载，很难找到通用的加减速规律，电动机而不同的负载，很难找到通用的加减速规律，因此使步进电动机的性能指标的提高受到限制。因此使步进电动机的性能指标的提高受到限制。2.步进电动机的闭环控制： 步进电动机的输出转矩是励磁电流和失步进电动机的输出转矩是励磁电流和失调角的函数。为了获得较高

12、的输出转矩，必调角的函数。为了获得较高的输出转矩，必须考虑电流的变化和失调角的大小，根据不须考虑电流的变化和失调角的大小，根据不同的使用要求，步进电动机的闭环控制也有同的使用要求，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、不同的方案，主要有核步法、延迟时间法、用位置传感器的闭环控制系统等。用位置传感器的闭环控制系统等。采用光电脉冲编码器作为位置检测元件的采用光电脉冲编码器作为位置检测元件的闭环控制原理框图如图所示。闭环控制原理框图如图所示。 闭环控制是直接或间接检测转子的位置和速度，然后通过反闭环控制是直接或间接检测转子的位置和速度，然后通过反馈及适当的处理，自动给出驱动的

13、脉冲串。采用闭环控制，可馈及适当的处理，自动给出驱动的脉冲串。采用闭环控制，可以获得更加精确的位置控制和高得多、平稳得多的转速，而且以获得更加精确的位置控制和高得多、平稳得多的转速，而且可以在步进电动机的许多其他领域获得更大的通用性。可以在步进电动机的许多其他领域获得更大的通用性。步进电机的选用计算方法步进电机的选用计算方法360l0i（1）计算齿轮的减速比：根据所要求脉冲当量，齿轮减速比）计算齿轮的减速比：根据所要求脉冲当量，齿轮减速比i计算如下：计算如下：式中：式中： 步进电机的步距角（步进电机的步距角（/脉冲）脉冲） S丝杆螺距（丝杆螺距（mm) ， (mm/脉冲）脉冲）(1-1)2l(

14、120221gwJJiJJseq（2）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量Jeq。(1-2)式中：式中：Jeq折算至电机轴上的惯量折算至电机轴上的惯量(Kg.cm.s2) ， J1、J2 齿轮惯量齿轮惯量(Kg.cm.s2) ； Js丝杆惯量丝杆惯量(Kg.cm.s2)； W工作台重量（工作台重量（N）；）； l0丝杆螺距（丝杆螺距（cm）（3）计算电机输出的总力矩）计算电机输出的总力矩M(5.11)tfaMMMM（1-3）TnJJMeqma)(10026. 14（1-4）式中：式中：Ma 电机启动加速力矩（电机启动加速力矩（N.m) ；

15、Jm、Jeq电机自身惯量与负载惯量电机自身惯量与负载惯量(Kg.cm2)； n电机所需达到的转速（电机所需达到的转速（r/min）；）； T电机升速时间（电机升速时间（s）；）；30102ilWMf（1-5）式中：式中： Mf导轨摩擦折算至电机的转矩（导轨摩擦折算至电机的转矩（N.m)； u摩擦系数；摩擦系数； 传递效率传递效率 ；30102)(ilFMxt（1-6）式中：式中： Mt切削力折算至电机力矩（切削力折算至电机力矩（N.m) ； Fx最大切削力（最大切削力（N）（4）负载起动频率估算。数控系统控制电机的启动频）负载起动频率估算。数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，

16、其估算公式为率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为2101)(1meqitfqqJJMMMff（1-7）式中：式中：fq带载起动频率（带载起动频率（Hz）；）； fq0空载起动频率；空载起动频率； Mi空载起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（空载起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（N.m)； 若负载参数无法精确确定若负载参数无法精确确定,则可按则可按fq=1/2fq0进行估算进行估算. （5）运行的最高频率与升速时间的计算。由于电机的输出力矩随着频率的升）运行的最高频率与升速时间的计算。由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留

17、有高而下降，因此在最高频率时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足够的余量。足够的余量。（6）负载力矩和最大静力矩）负载力矩和最大静力矩Mmax。负载力矩可按式（负载力矩可按式（1-5）和式（）和式（1-6）计算，电机在最大进给速度时，由矩频特性）计算，电机在最大进给速度时，由矩频特性决定的电机输出力矩要大于决定的电机输出力矩要大于Mf与与Mt之和，并留有余量。一般来说，之和，并留有余量。一般来说，Mf与与Mt之和应之和应小于（小于（0.2 0.4）Mmax。实例某车床进行数控改造，其小拖板结构简图如图所示，已知进给系统行某车床进行数控改造，其小拖板结构简图如图所示，已知进给系统行程为程

18、为200mm，快速移动的最大速度为，快速移动的最大速度为1.2m /min，最大切削进给速度，最大切削进给速度为为0.25m /min， 溜板和刀架的质量为溜板和刀架的质量为20kg。滚珠丝杠的导程。滚珠丝杠的导程=6mm，试选择步进电机，试选择步进电机 。三相混合式步进电机参数表三相混合式步进电机参数表型号型号 步距角（步距角（） 相数相数 驱动电压驱动电压（V） 相电流（相电流（A） 保持转保持转矩（矩（N.M） 空载启动空载启动频率（频率（pps） 空载运行空载运行频率（频率（kpps） 转动惯转动惯量（量（kg.cm2） 相电感相电感（mH） 相电阻（相电阻（） 重量（重量（kg90B

19、YG5501 0.36/0.72 5 45 4 5 2200 30 4.0 3.8 0.8 4.5 110BYG2501 0.9/1.8 2/4 80-220 4 12 1200 15 11.3 5.8 0.5 8.5 110BYG2502 0.9/1.8 2/4 80-220 5 20 1200 15 15.8 6.5 0.6 10.5 110BYG2601 0.75/1.5 2/4 80-220 4 12 1200 15 11.3 5.8 0.5 8.5 110BYG2602 0.75/1.5 2/4 80-220 5 20 1200 15 15.8 6.5 0.6 10.5 110BYG

20、3500 0.6 3 80-220 3 8 1600 30 7.2 7.4 1.4 6.5 110BYG3501 0.6 3 80-220 3 11 1600 30 11.3 10.0 1.9 8.0 1.计算齿轮的减速比计算齿轮的减速比 根据经验或常见的步进电机初步选定需要的步距角。根据经验或常见的步进电机初步选定需要的步距角。 本设计选用的反应式三相步进电机，假设其步距角为本设计选用的反应式三相步进电机，假设其步距角为0.6/1.2，采用三项六拍的通电方式工作，脉冲当量，采用三项六拍的通电方式工作，脉冲当量为为0.005mm，（脉冲当量应为实际加工时对加工精度的要，（脉冲当量应为实际加工时

21、对加工精度的要求）求） 根据题意：根据题意：2005. 036066 . 036000li2.计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量量Jeq 齿轮的转动惯量为 丝杠的转动惯量 根据题意 又： 所以： 241106 . 1KgmJz242104 . 6KgmJz23102 . 1KgmJs22222122121212121MvJJJJsssZmZmeqmmsi418200llvms).(352. 6).(10352. 610152. 0103106 . 1106 . 16516006. 0102 . 141104 . 641106 . 1)4(41

22、41224444422344202122222221cmKgmKglMJJJvMJJJJsZZmmssmsZZeq3.计算电机输出的总力矩计算电机输出的总力矩tfaMMMMTnJJMeqma)(10026. 14步进电机的加速力矩或步进电机的加速力矩或步进电机的惯性负载力矩步进电机的惯性负载力矩在此公式中，未知的参数有：在此公式中，未知的参数有： Jm步进电机的转动惯量，由于电机是未选定的，所以步进电机的转动惯量，由于电机是未选定的，所以Jm也是未知的；在计算中如何处理？也是未知的；在计算中如何处理？ T电机的加减速的时间，应该根据步进电机的升速规律是线性或指数规律计算出来的，在此假电机的加减

23、速的时间，应该根据步进电机的升速规律是线性或指数规律计算出来的，在此假设为设为0.1s。 有的在电机的参数表中给定机械时间常数，其含义是：电机在额定电压给定有的在电机的参数表中给定机械时间常数，其含义是：电机在额定电压给定，空载情况下，转速达到额定转速的，空载情况下，转速达到额定转速的63%时所需的时间。此参数衡量的主要是时所需的时间。此参数衡量的主要是电机的启动特性，如空心杯的电机，一般都是电机的启动特性，如空心杯的电机，一般都是1-50ms左右。但是对于传统的鼠左右。但是对于传统的鼠笼式异步电机或者无刷（同步）电机，其响应要慢的多笼式异步电机或者无刷（同步）电机，其响应要慢的多 。计算结果

24、：计算结果：m).(4757. 31 . 0400)352. 6117. 2(10026. 14NMam).(724. 01 . 04 .83)352. 6117. 2(10026. 14NMa空载：空载：满载：满载：计算摩擦阻力矩 此公式中的摩擦力有两个：此公式中的摩擦力有两个：1、空载运动时的摩擦力；、空载运动时的摩擦力；2、满载运动时的摩擦力；满载运动时的摩擦力；3、传动效率可以设定一个值，需、传动效率可以设定一个值，需要查阅资料给出，在此设为要查阅资料给出，在此设为0.85。 外载荷的分力外载荷的分力Fy应该根据工作的需要计算出来，在此假设应该根据工作的需要计算出来，在此假设为为130

25、4N。30102ilWMf)(2693. 010285. 014. 326)13048 . 920(1 . 0102F330yNmilWMf）（满载时：)(01102. 010285. 014. 3268 . 9201 . 0102330NmilWMf空载时：外载的等效换算 此公式中，Fx是外载荷在丝杠轴向的分力，应根据外载荷的大小计算得出。外载荷的计算应根据实际工作的极限力求出，然后分解得出。 在此，假设为1779N。30102)(ilFMxt)(9998. 010285. 014. 3261779102)(330NmilFMxt电机输出的总力矩电机输出的总力矩tfaMMMM)(48672.

26、 301102. 04757. 3NmM根据计算的转矩，选用大值作为数据，初步选定步进电机的根据计算的转矩，选用大值作为数据，初步选定步进电机的型号。型号。 110BYG3501 （M应小于（应小于（0.2 0.4）Mmax。空载空载满载满载)(9931. 19998. 02693. 0724. 0NmM4、负载起动频率估算、负载起动频率估算7703 .11352. 617 .179998. 02693. 0116001)(1210meqitfqqJJMMMff矩频特性平均参考值矩频特性平均参考值电机型号电机型号 驱动电源电驱动电源电压（压（V） 运行步运行步距角（距角（） 运行频率（运行频率

27、（PPS） 100 200 500 1000 2000 3000 4000 6000 8000 10000 矩频特性（矩频特性（N.m） 110BYG2501AC100V/4A0.97.07.27.67.46.96.15.33.82.21.4110BYG2502AC100V/4A0.912.9513.314.413.311.29.457.44.83.62.4110BYG2601AC100V/4A0.757.57.88.17.87.16.45.53.31.70.8110BYG2602AC100V/4A0.7512.212.51312.611.910.38.56.342.9110BYG3501AC

28、120V/7A0.618.019.819.819.216.210.856.655.24.93.75110BYG3502AC120V/7A0.624.625.825.824.622.211.57.05.85.25.15、运行的最高频率、运行的最高频率电机型号电机型号 驱动电源驱动电源电压（电压（V） 运行运行步距步距角（角（） 运行频率（运行频率（PPS） 100 200 500 1000 2000 3000 4000 6000 8000 10000 矩频特性（矩频特性（N.m） 110BYG2501AC100V/4A0.97.07.27.67.46.96.15.33.82.21.4110BYG2502AC100V/4A0.912.9513.314.413.311.29.457.44.83.62.4110BYG2601AC100V/4A0.75