《机电传动控制》讲义(8)

1、机电传动控制机电传动控制彭健重庆工商大学机械与包装工程学院20062007学年第二学期第四章 步进电机传动控制第一节 步进电机原理v步进电机伺服驱动装置是电气伺服驱动装置中结构最简单，控制最容易，维修最方便，而且是全数字化的装置。同时由于步进电机伺服驱动不需另配反馈元件，就可进行伺服控制。因此，特别适合数字数字控制控制(NC)的系统使用。 步进电机伺服驱动装置一般只用于步进电机伺服驱动装置一般只用于开环系统开环系统，而开环系统的精度远不如，而开环系统的精度远不如闭环系统高。步进电机伺服驱动装置的速度闭环系统高。步进电机伺服驱动装置的速度(转速转速)也远不如直流伺服驱动或也远不如直流伺服驱动或交

2、流伺服驱动装置高，而且功率越大，速度越低。因此，步进电机伺服驱动交流伺服驱动装置高，而且功率越大，速度越低。因此，步进电机伺服驱动装置一般只用于装置一般只用于小容量、加工速度低、精度较高小容量、加工速度低、精度较高的场合。如经济型数控机床、的场合。如经济型数控机床、电加工机床、计算机的打印机、磁盘驱动器等外部设备。电加工机床、计算机的打印机、磁盘驱动器等外部设备。 v一、什么是步进电机？步进电机是一种同步电机，其定子上绕有控制绕组，若给控制绕组以一定的方式依次通入电流，就会在空间产生一步一步的旋转磁场。其转子则会跟随磁场一步一步地同步旋转。步进电机可用数字脉冲信号驱动，因此又称为数字电机。步进

3、电机的分类v步进电机按结构来分有反应式、永磁式和混合式(或感应子式)三大类。v按运动方式分：旋转式步进电机，和直线步进电机。v从励磁相数来分：有三相、四相、五相、六相等步进电机。（a）凸极式 （b）隐极式 同步电动机的结构示意图 同步电机有旋转磁极式和旋转电枢式两种结构形式。 由于旋转磁极式具有转子重量小、制造工艺较简单、通过电刷和滑环的电流较小等优点，大中容量的同步电动机多采用旋转磁极式结构。 根据转子形状的不同，旋转磁极式又可分为凸极式和隐极式两种，如图所示。 凸极式多用于要求低转速的场合，其转子粗而短，气隙不均匀。隐极式多用于要求高转速的场合，其转子细而长，气隙均匀。v二、步进电机的工作

4、原理 同步电动机工作时，定子的三相绕组中通入三相对称交流交流电，转子的励磁绕组通入直流直流电流。 在定子三相对称绕组中通入三相交变电流时，将在气隙中产生旋转磁场。在转子励磁绕组中通入直流电流时，将产生极性恒定的静止磁场。若转子磁场的磁极对数与定子磁场的磁极对数相等，转子转子磁场因受定子磁场磁拉力作用磁场因受定子磁场磁拉力作用而随定子旋转磁场同步旋转，即转子以等同于旋转磁场的速度、方向旋转，这就是同步电动机的基本工作原理。 定子旋转磁场与转子的速度为 ，称为同步转速。它的大小只决定于电源频率 的大小和定、转子的极对数p，不会因负载变化而改变。 定子旋转磁场或转子的旋转方向决定于通入定子绕组的三相

5、电流相序相序，改变其相序即可改变同步电动机的旋转方向。pfn1160 定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。极组成一相。 与同步电机不同，步进机电子的定子控制磁极与同步电机不同，步进机电子的定子控制磁极依次通入依次通入直流电脉冲直流电脉冲，带动转子转动。，带动转子转动。ABC定子定子转子转子IAIBIC步进电机步进电机工作原理工作原理 可以将转子可以将转子锁止锁止在任意一相控制磁极。在任意一相控制磁极。可变磁阻型(VR型一Variable)。v该类电机由定子绕组产生的反应电磁力吸引用软磁钢制的齿形转子作步进驱动，定子上有多相励磁绕组，利用磁

6、导的变化产生转矩，故又称作反应式步进电机。v转子没有励磁绕组，转子的磁性由定子绕组产生。其结构原理如图所示。转子结构简单、转子直径小，有利于高速响应。转子结构简单、转子直径小，有利于高速响应。制造成本高、效率低、制造成本高、效率低、无制动力矩、噪声大等。无制动力矩、噪声大等。制造材料费用低、结构简单、步距角小制造材料费用低、结构简单、步距角小电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。力矩： 电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量）当转子与定子错开一定角度产生力F与（d/d）成正比 。 磁通量=BrS Br 为磁通密度， S 为导磁面积 F正比于L

7、DBr L 为铁芯有效长度， D 为转子直径 Br=NI/RNI 为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数） R 为磁阻。 力矩=力*半径 力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比（只考虑线性状态）。推论： 电机有效体积越大，励磁安匝数越大。电机有效体积越大，励磁安匝数越大。 定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。 永磁型(PM型一Permanent Magnet Type)步进电机vPM型步进电机的转子2采用永久磁铁、定子1采用软磁钢制成，绕组3轮流通电，建立的磁场与永久磁铁的恒定磁场相互吸引与排斥产生转矩。其结构如图所示。 PM型电机的特点是励磁功型电机的特

8、点是励磁功率小、效率高、造价便宜。率小、效率高、造价便宜。由于转子磁铁的磁化间距由于转子磁铁的磁化间距受到限制，难于制造，故受到限制，难于制造，故步距角较大步距角较大。与与VR型相比转矩大，但转型相比转矩大，但转子惯量也较大。子惯量也较大。制动力矩大。制动力矩大。混合型(HB型一Hybrid Type)。v这种电机转子上嵌有永久磁铁，故可以说是永磁型步进电机，但从定子和转子的导磁体来看，又和可变磁阻型相似，所以是永磁型和可变磁阻型相结合的一种形式。故称为混合型步进电机，其结构如图312所示。v它不仅具有VR型步进电机步距角小、响应频率高的优点，而且还具有PM型步进电机励磁功率小、效率高的优点，

9、是一种很有发展前途的步进电机。 步进电机的工作方式可分为：步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。双六拍、三相双三拍等。一、三相单三拍一、三相单三拍（1 1）三相绕组联接方式：）三相绕组联接方式：Y 型型（2 2）三相绕组中的通电顺序为：）三相绕组中的通电顺序为：A 相相 B 相相 C 相相通电顺序也可以为：通电顺序也可以为： A 相相 C 相相 B 相相 第二节 步进电机的工作方式（3）工作过程）工作过程化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。路的磁阻最小，使转、定子

10、的齿对齐停止转动。A 相通电，相通电，A 方向的磁方向的磁通经转子形成闭合回路。通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁场的作用下，转子被磁A A 相通电使转子相通电使转子1 1、3 3齿和齿和 AA 对齐。对齐。CABBCA3412CABBCA3412同理，同理，B相通电，转子相通电，转子2、4齿和齿和B相轴线对齐，相轴线对齐，相对相对A相通电位置转相通电位置转30 ；C相通电再转相通电再转30 。1C342CABBA 这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且

11、，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相三相单三拍单三拍。三相单三拍的特点：三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过）每来一个电脉冲，转子转过 30 。此角称为。此角称为步距角步距角，用，用 S表示。表示。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。改变通电顺序即可改变转向。二、三相单双六拍二、三相单双六拍三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为： AABBBCCCAA 共六拍。共六拍。工作过程：工作过程：A相通电，相通电，转子转子1 1、3 3齿和齿和A相对齐。相对齐。CA

12、BBCA3412所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通电，转子转了通电，转子转了15。（1）BB 磁场对磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使齿有磁拉力，该拉力使 转子顺时针方向转动。转子顺时针方向转动。A、B相同时通电相同时通电（2）AA 磁场继续对磁场继续对1、3齿有拉力。齿有拉力。CABBCA3412总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为为三相六拍，步距角为15 。CABBCA3412B相通电，相通电，转子转子2、4齿和齿和B相对齐，又转了相对齐，又转了15 。三、三相双三拍三、

13、三相双三拍三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为： AB BC CA AB 共三拍。共三拍。AB通电通电CABBCA3412CABBCA3412BC通电通电以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。工作方式为三相双三工作方式为三相双三拍时，每通入一个电拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转脉冲，转子也是转30 ，即，即 S = 30 。CA通电通电CABBCA3412步进电机脉冲环形分配方式步进电机脉冲环形分配方式 步进电机也可以制成四相、五相、六相或更多的相数，步进电机也可以制成四相、五

14、相、六相或更多的相数，以减小步距角并改善步进电机的性能。以减小步距角并改善步进电机的性能。 与三相步进电机相同：五相步进电机的通电方式也可以与三相步进电机相同：五相步进电机的通电方式也可以是五相五拍、五相十拍等。但是，为了提高电机运行的是五相五拍、五相十拍等。但是，为了提高电机运行的平稳性，多采用五相十拍的通电方式。常用的反应式步平稳性，多采用五相十拍的通电方式。常用的反应式步进电机脉冲环形分配方式见下进电机脉冲环形分配方式见下表表。 v分辨力v在一个电脉冲作用下(即一拍)，电机转子转过的角位移，即步距角。步距角越小，分辨力越高。v静态特性步进电机的静态特性是指它在稳定状态时的特性，包括静转矩

15、、矩-角特性及静态稳定区。第三节 步进电机的运行特性及性能指标步进电动机不改变通电情况的运行状态称为步进电动机不改变通电情况的运行状态称为静态运行静态运行。电机定子齿与。电机定子齿与转子齿中心线之间的夹角转子齿中心线之间的夹角 叫做叫做失调角失调角，用电角度表示。步进电动机静，用电角度表示。步进电动机静态运行时转子受到的反应转矩态运行时转子受到的反应转矩 叫做静转矩，通常以使叫做静转矩，通常以使 增加的方向为增加的方向为正。步进电机的静转矩正。步进电机的静转矩 与失调角之间的关系与失调角之间的关系 叫做叫做矩角特性矩角特性。 当步进电机的控制绕组通电状态变化一个循环，转子当步进电机的控制绕组通

16、电状态变化一个循环，转子正好转过一齿，故转子一个齿对应电角度为正好转过一齿，故转子一个齿对应电角度为 ，在步，在步进电机某一相控制绕组通电时，如果该相磁极下的定进电机某一相控制绕组通电时，如果该相磁极下的定子齿与转子齿对齐，那么失调角子齿与转子齿对齐，那么失调角 ，静转矩，静转矩 ，如，如图所示；如果定子齿与转子齿未对齐，即图所示；如果定子齿与转子齿未对齐，即 ，出现，出现切向磁力。切向磁力。 动态特性v步进电机的动态特性将直接影响到系统的快速响应及工作的可靠性。在某一通电方式下，各相的矩角特性总和为矩角特性曲线族，如图317(a)所示。 动态稳定区动态稳定区 由图由图317可知，步进电机从可

17、知，步进电机从A相通电状相通电状态切换到态切换到B相相(或或AB相相)通电状态时，不至引通电状态时，不至引起丢步，该区域被称为动态稳定区。由于每起丢步，该区域被称为动态稳定区。由于每一曲线依次错开一个电角度，故步进电机在一曲线依次错开一个电角度，故步进电机在拍数越多的运行方式下，其动态稳定区就越拍数越多的运行方式下，其动态稳定区就越接近于静态稳定区，裕量角接近于静态稳定区，裕量角r也就越大，在也就越大，在运行中也就越不易丢步。运行中也就越不易丢步。起动转矩起动转矩Tq图图317中中A相与相与B相矩相矩角特性曲线之交点角特性曲线之交点所对应的转矩所对应的转矩Tq被称为起动转矩，它表示步进被称为起

18、动转矩，它表示步进电机单相励磁时所能带动的极限负载转矩。起电机单相励磁时所能带动的极限负载转矩。起动转矩通常与步进电机相数和通电方式有关。动转矩通常与步进电机相数和通电方式有关。最高连续运行频率及矩最高连续运行频率及矩频特性频特性步进电机在连续运行时所能接受的最高控制频率被步进电机在连续运行时所能接受的最高控制频率被称为最高运行频率，以称为最高运行频率，以fmax表示。电机在连续运行状表示。电机在连续运行状态下，其电磁转矩随控制频率的升高而逐步下降。态下，其电磁转矩随控制频率的升高而逐步下降。这种转矩与控制频率之间的变化关系称为矩这种转矩与控制频率之间的变化关系称为矩频频特性。在不同控制频率下

19、电机所产生的转矩称为动特性。在不同控制频率下电机所产生的转矩称为动态转矩。态转矩。空载起动频率与惯空载起动频率与惯频特性频特性在空载状态下，转子从静止状态能够不失步地起动时在空载状态下，转子从静止状态能够不失步地起动时的最大控制频率称为空载起动频率或空载突跳频率的最大控制频率称为空载起动频率或空载突跳频率(fq)。当带载起动时，所允许的起跳控制频率会大大。当带载起动时，所允许的起跳控制频率会大大下降。步进电机带动惯性负载时的起跳频率与负载惯下降。步进电机带动惯性负载时的起跳频率与负载惯量之间的关系为惯量之间的关系为惯频特性。频特性。步进电机的选择 v步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电

20、流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。 v步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。v静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸） v电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特

21、性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）。 v力矩与功率换算 步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下： P= M =2n/60 P=2nM/60 其中P为功率单位为瓦，为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿米 P=2fM/400(半步工作） 其中f为每秒脉冲数（简称PPS) v步进电机的运行特性与配套使用的驱动电源有密切关系。驱步进电机的运行特性与配套使用的驱动电源有密切关系。驱动电源由动电源由脉冲分配器、功率放大器脉冲分配器、功率放大器组成，如组成，如图图318所示。所示。第四节 步进

22、电机的驱动与控制环形脉冲分配器v步进电机的各相绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作。这种使电机绕组的通电顺序按一定规律变化的设备称为脉冲分配器，又称环形脉冲分配器。实现环形分配的方法有三种：v软环分一种是采用计算机软件利用查表或计算方法来进行脉冲的环形分配，简称软环分。表310为三相六拍分配状态。v小规模集成电路采用小规模集成电路搭接而成的三相六拍环形脉冲分配器，如图319所示，图中C1、C、c3为双稳态触发器。这种方式灵活性很大，可搭接任意相任意通电顺序的环形分配器，同时在工作时不占用计算机的工作时间。v专用环形分配器器件如市售的CH250即为一种三相步进电机专用环形分配器。它可以实现三相步

23、进电机的各种环形分配，使用方便、接口简单。图320为CH250的管脚图(a)和三相六拍接线图(b)。其工作状态表如表311。功率放大器v从计算机输出口或从环形分配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安，不能直接驱动步进电机，必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大，使其增大到几至十几安培，从而驱动步进电机运转。v由于电机各相绕组都是绕在铁芯上的线圈，所以电感较大，绕组通电时，电流上升率受到限制因而影响电机绕组电流的大小。v绕组断电时，电感中磁场的储能元件将维持绕组中已有的电流不能突变，在绕组断电时会产生反电动势，为使电流尽快衰减，并释放反电动势，必须增加适当的续流回路。v步进电机所使用的功率放大电路

24、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。v单电压功率放大电路单电压功率放大电路v高低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的工作原理在图1 中Usr 为来自微机的输出信号。当Usr 由低电平变为高电平时T1 和T2 的基极同时出现正脉冲Ub1和Ub2 ，T1 和T2 同时导通，+80V 电源给步进电机的定子绕组L 供电，电流以较快速度上升。当电流上升到额定电流之后，Ub2 变低T2 截止切断高压+80V。但此时Ub1 仍为高电平，故T1 仍然导通低压+12V 电源继续给定子绕组L 供电提供额定电流。 这种高低压驱动电路保证了在开始

25、通电瞬间加一高压使电流快速上升，而后低压驱动电流不会太大，从而改进了步进电机的频率特性又减小了功耗。 不足之处：高压产生的电流上冲作用在低频工作时会令输入能量过大，使电机的低频振荡加重。另外在高低衔接处的电流有谷点，不够平滑，电机运行时振动较大，电机运行时振动较大，影响电机运行的平稳性。v斩波限流驱动电路斩波限流驱动电路这种驱动电路是为了弥补双电压驱动电路波形呈凹形的缺陷而设计的。这种电路采用单一高压电源供电，以加快电流上升速度，并通过对绕组电流的检测，控制功放管的开和关，使电流在控制脉冲持续期间始终保持在规定值上下，其波形如图所示。这种电路功率大，功耗小，效率高，目前应用最广。ttOOiuv

26、恒流源功率放大电路恒流源功率放大电路v调频调压功放电路调频调压功放电路细分驱动上述步进电机的各种功率放大电路都是安装环形分配器决定的分配方式，上述步进电机的各种功率放大电路都是安装环形分配器决定的分配方式，控制电机各相绕组的导通或截止，从而使电机产生步进运动，步距角的控制电机各相绕组的导通或截止，从而使电机产生步进运动，步距角的大小只有两种，即整步工作或半步工作。步距角已由步进电机结构所确大小只有两种，即整步工作或半步工作。步距角已由步进电机结构所确定。如果要求步进电机有更小的步距角或者为减小电机振动、噪声等原定。如果要求步进电机有更小的步距角或者为减小电机振动、噪声等原因，可以在每次输入脉冲切换时，不是将绕组电流全部通入或切除，而因，可以在每次输入脉冲切换时，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，则电机转子的每步运动也只有步距是只改变相应绕组中额定的一部分，则电机转