《机电一体化系统设计》课件 第9次课步进电机及其控制

1第4章控制电动机及其选择计算4.1步进电动机及其控制4.2直流伺服电动机及其控制4.3交流伺服电动机及其控制4.4直线电动机4.5控制电动机选择与计算实例温故知新：常见的电容式传感器都有哪些分类？新课导入：机电一体化系统中执行单元的作用是什么？你知道的执行系统都有哪些？导学：1.伺服系统2.伺服系统分类：开环、全闭环、半闭环3.电气执行元件：步进电动机（1）步进电动机的结构及工作原理三相单三拍运行、三相单双六拍、三相双三拍。步距角、转角（2）步进电动机的特性及性能指标分辨力、矩-角特性、起动频率、最高工作频率、转矩-工作频率特性知识链接1：伺服系统概述

伺服来自英文单词Servo，指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，运动要素包括位置、速度和力矩。

以数控机床为例：由计算机发出指令脉冲，让哪一个驱动电动机拖着工作台动，这一台电动机就动，而且这台电动机的运动速度、运动的距离，完全按着计算机的指令行事，非常准确无误地完成指令要求的任务。伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气的过程，而电气伺服系统包括控制器、功率放大器、执行机构和检测装置。根据输入和反馈信号决定控制策略常用控制算法：PID控制和最优控制由控制线路和计算机组成检测被控制量，实现反馈传感器和转换电路知识链接2：伺服系统的分类（1）按照控制原理分开环伺服系统电机机械执行部件A相、B相C相、…f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。工作台的位移精度取决于步进电动机的传动件和累计误差

全闭环伺服系统位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈传感器安装在工作台上，可以获得工作台的实际的精确位置。脉冲指令不断产生，工作台随之移动，直到偏差值等于零。精度主要取决于检测反馈部件的误差，与放大器、传动装置没有直接关系可实现高精度位置控制。机械传动链包含在位置闭环中，系统控制和调试成本增加。半闭环数控系统位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈工作台的位置通过电动机上的传感器或安装在丝杆轴端的编码器间接获得检测元件位于系统传动链的中间。角位移测量简单，调整维护方便，定位精度低于全闭环伺服系统知识链接3：伺服系统中的执行元件1.电气执行元件电气执行元件包括直流(DC)伺服电机、交流（AC）伺服电机、步进电机以及电磁铁等，是最常用的执行元件。对伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态性能好，适合于频繁使用，便于维修等

2．液压式执行元件液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点

3．气压式执行元件气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。异步电动机

感应电动机离合器电动机永磁同步电动机

微型直流减速电动机

电磁式液压式

气压式知识链接3：伺服系统中的执行元件伺服系统的对执行元件的要求

4.1步进电动机及其控制

17机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个固定的角度，称为“一步”，这个固定的角度就是步距角。带动机械移动一小段距离。特点:(1)总位移量取决于总脉冲数；(2)转子运动的速度取决于脉冲信号的频率；(3)转子转动的方向取决于脉冲信号的顺序。一、步进电动机种类：分为永磁式、反应式和永磁感应式三种。永磁式：转子有绕组反应式：转子没有绕组应用：步进机主要应用在开环伺服系统中，应用非常广泛。如：在数控机床、自动绘图仪等设备中都得到应用。

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。定子铁心

定子铁心为凸极结构，由硅钢片制成。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。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。定子的磁极为相数的两倍。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。二、基本结构图1四相反应式步进电动机的结构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工作方式可以分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍。①三相单三拍运行

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。三、工作原理20

注意：这里的相和三相交流电中的“相”的概念不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图的联接和组数的区别。①三相单三拍运行

当A相通电B、C相不通电时，由于磁通具有要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A→B→C→A…接通和断开控制绕组转子就连续转动。因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。

每来一个电脉冲，转子转过

30°。此角称为步距角，用θ表示。转向取决于脉冲信号的顺序（即通电顺序）。三相单三拍运行21(a)A相接通；(b)B相接通；(c)C相接通

三相单双六拍A相通电三相绕组的通电顺序为：A

AB

B

BC

C

CA

A

共六拍。工作过程：A、B相同时通电转子1、3齿和A相对齐。,BB'

磁场对

2、4

齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针方向转动。AA'

磁场继续对1、3齿有拉力。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15°。B相通电转子2、4齿和B相对齐，又转了15

。总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相单双六拍，步距角为15

。三相绕组的通电顺序为：A

AB

B

BC

C

CA

A

共六拍。工作过程：三相双三拍三相绕组的通电顺序为：AB

BC

CA

AB

共三拍。AB通电BC通电CA通电工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转30°，即

θ=30°

。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。转速步距角N：拍数①采用单/双三拍时：上图步进电机中：z

=

4，则②采用三相六拍时：步进电动机的几个参数z

：转子齿数m：电机相数完成一个磁场周期性变化所需的脉冲数或导电状态一个θ→

转

(1

/Kmz

)

圈脉冲频率为

f →每秒转

(

f/

Kmz)

圈转子的齿距等于360

/40=9°，齿宽、齿槽各4.5

。为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽和齿槽和转子相同。图中转子40个齿，定子仍是

6个磁极，但每个磁极上也有5个齿。②采用三相单双六拍时：θ=？①采用三相单三拍时：θ=？实际结

构步进电动机的步距角越小，所能达到的位置控制精度越高。为产生小步距角，定、转子都做成多齿的U1U2V1V2W2W1U1U2V1V2W2W1不细分时A相绕组通电：转子停在A-A位置

A、B相绕组通电：转子停在位置Ⅰ，转角300B相绕组通电：转子停在B-B位置

，转角300细分时：

A相绕组额定电流：转子停在A-A位置A相绕组额定电流、B相绕组1/2额定电流：转子停在位置Ⅱ，转角150A相绕组额定电流、B相绕组额定电流时：转子停在位置Ⅰ，转角150A相绕组1/2额定电流、B相绕组额定电流：转子停在位置Ⅲ，转角150B相绕组额定电流：转子停在位置B-B，转角150这就是4细分，即一步分成4步。目前常用细分系数有2、4、8、16、32、64四、步进电动机的运行特性及性能指标矩-角特性起动频率最高工作频率转矩-工作频率特性分辨力（1）步距角同一相数的步进电机可有两种步距角0.6°/1.2°、0.75°/1.5°……（2）步距误差指步进电机运行时，转子每一步实际转过的角度与理论步距角的差值连续走若干步时，步距误差的累积值称为步距的累积误差由于步进电机转过一转后，将重复上一转的稳定位置，因此步进电机的步距累积误差将一转为周期重复出现思考：为什么步进电动机有两个步距角？四、步进电动机的运行特性及性能指标矩-角特性起动频率最高工作频率转矩-工作频率特性分辨力失调角：转子偏离初始平衡位置的角度。空载时当步进电机上某相定子绕组通电后，转子齿将力求与定子齿对齐，使磁路中的磁阻最小，转子处在平衡位置不动(θ=0°)如果在电机轴上加一个负载转矩T，转子就会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度θ，这就是失调角。有失调角后，步进电机就产生一个静态转矩，此时静态转矩＝负载转矩矩角特性：静态转矩与失调角的关系，近似为正弦曲线。最大静转矩：矩角特性上的静态转矩最大在静态稳定区内（-π～π），当外加负载转矩除去时，转子在电磁转矩作用下，仍能回到平衡点(θ=0°)四、步进电动机的运行特性及性能指标矩-角特性起动频率最高工作频率转矩-工作频率特性分辨力指空载时，步进电机由静止状态突然启动，并进入不失步的正常运行的最高频率特点：加给步进电机的指令脉冲频率如大于起动频率，就不能正常工作步进电机在带载状态的起动频率要低于空载时的启起动频率负载越大，起动频率越低四、步进电动机的运行特性及性能指标矩-角特性起动频率最高工作频率转矩-工作频率特性分辨力指步进电机启动后，运行速度根据指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率最高工作频率远大于启动频率四、步进电动机的运行特性及性能指标矩-角特性起动频率最高工作频率转矩-工作频率特性分辨力矩频特性：描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率间的关系动态转矩：指矩频特性上每一个频率对应的转矩输入脉冲频率越大，电机所能带动负载的转矩越小为什么频率升高后电机的转矩会下降？控制绕组呈电感性，它具有延缓电流变化的作用。电机转动惯量越大，同频率下的启动转矩越小Φ=Nθ其中：

Φ是电动机转过的角度，N为控制脉冲数，θ为步距角其中n为电动机转速，f为控制脉冲频率一旦停止输入脉冲，只要维持绕组通电，电动机就可以保持在该固定位置步进电动机受数字脉冲信号控制，输出角位移与输入脉冲数成正比。五、步进电动机的特点步进电动机的转速与输入脉冲频率成正比步进电动机具有自锁能力步进电动机的转向可以通过改变通电顺序来改变步进电动机工作状态不易受到