《变频与伺服控制技术》课件-项目8：伺服系统

变频与伺服控制技术认识步进电机1CONTENTS目录步进电机特点与构造步进电机工作原理0102步进电机参数032Part.01步进电机特点与构造3步进电机特点与构造步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进电机接收到一个脉动直流电，它就按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它接受到持续的脉动直流电便能够以固定的角度一步一步的旋转。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机特点与构造步进电机工作原理步进电机参数4步进电机特点与构造步进电机特点与构造步进电机工作原理步进电机参数5步进系统原理及应用亚龙

YL-158GA现代电气控制系统安装与调试实训考核装置和亚龙

YL-335B自动化生产线实训考核装备新的装配站都采用步科

3S57Q-04079三相步进电机，三向

SX-815Q机电一体化综合实训考核装备的机器人单元采用研控

YK42XQ47-02A两相步进电机，天煌

THJDQG-2光机电一体化实训考核装置采用雷赛42J1834-810两相步进电机，其实物图如图所示。

步科3S57Q-04079研控YK42XQ47-02A雷赛42J1834-810步进电机特点与构造步进电机特点与构造步进电机工作原理步进电机参数6

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34一般步进电动机的精度为步进角的3%～5%，且不累积。步进电动机外表允许的最高温度取决于不同电动机磁性材料的退磁点。一般来讲，磁性材料的退磁点都在130℃以上，有的甚至高达200℃以上，所以步进电动机外表温度在80～90℃完全正常。步进电动机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。低频振动特性。步进电动机以连续的步距状态边移动边重复运转。其步距状态的移动会产生1步距响应。电动机驱动电压越高，电动机电流越大，负载越轻，电动机体积越小，反之亦然。步进电机特点与构造步进电机特点与构造步进电机工作原理步进电机参数713步进电机2反应式步进电动机混合式步进电动机永磁式步进电动机转子的极数等于每相定子极数，不开小齿，步距角较大，转矩较大。

转子无绕组，定转子，开小齿、步距小，其应用最广。

开小齿，比永磁式转矩更大、动态性能更好、步距角更小。步进电机特点与构造步进电机特点与构造步进电机工作原理步进电机参数8定子转子步进电机主要由两部分构成，即定子和转子，它们均由磁性材料构成。定、转子铁心由软磁材料或硅钢片叠成凸极结构。步进电机的定子、转子磁极上均有小齿，其齿数相等。Part.02步进电机工作原理9步进电机工作原理步进电机特点与构造步进电机工作原理步进电机参数10

当A相控制绕组通电，其余两相均不通电，电机内建立以定子A相极为轴线的磁场，定子被磁化后，吸引转子转动，使转子的齿与该相定子磁极上的齿对齐，实际上就是电磁铁的作用原理。同理，B和C相通电后也会带动转子旋转。A相通电B相通电C相通电步进电机工作原理步进电机特点与构造步进电机工作原理步进电机参数11如果把控制绕组的通电方式改为A→AB→B→BC→C→CA→A，即一相通电接着二相通电间隔地轮流进行，完成一个循环需要经过六次改变通电状态，称为三相单、双六拍通电方式。“双”是指每次有两相绕组通电，当A、B两相绕组同时通电时，转子齿的位置应同时考虑到两对定子极的作用，只有A相极和B相极对转子齿所产生的磁拉力相平衡的中间位置，才是转子的平衡位置。这样，单、双六拍通电方式下转子平衡位置增加了一倍。这样，三相反应式步进电机的通电方式有：三相单三拍、三相双三拍、三相单双六拍。步进电机工作原理步进电机特点与构造步进电机工作原理步进电机参数12实践中定子的齿数在40个以上，而转子的齿数在50个以上，定子和转子的齿数不相等，产生了错齿。错齿造成磁力线扭曲，由于定子的励磁磁通沿磁阻最小路径通过，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转动。错齿是促使步进电动机旋转的根本原因。这样，步距角大小等于错齿的角度。错齿角度的大小取决于转子上的齿数和磁极数，磁极数越多，转子上的齿数越多，步距角越小，步进电动机的位置精度越高，其结构也越复杂。Part.03步进电机参数13步进电机参数步进电机特点与构造步进电机工作原理步进电机参数14（5）钳制转矩--钳制转矩是指步进电动机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。由于反应式步进电动机的转子不是永磁材料，所以它没有钳制转矩。（3）拍数--完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，用K表示，或指电动机转过一个齿距角所需脉冲数。以四相电动机为例，有四相四拍运行方式，即AB-BC-CD-DA-AB。（4）保持转矩--保持转矩是指步进电动机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。比如，常说2N·m的步进电动机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N·m的步进电动机。（2）相数--步进电动机的相数是指电动机内部的线圈组数，或者说产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。（1）步距角--控制系统每发一个步进脉冲，步进电机所转动的角度。（6）失步--电动机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。速度过高、速度过低或者负载过大都会产生失步，失步会产生刺耳的啸叫声。步进电机参数步进电机特点与构造步进电机工作原理步进电机参数15

这里选用的Kinco（步科）三相步进电机3S57Q-04079，它的步距角是在整步方式下为1.2°，半步方式下为0.6°。3S57Q-04079部分技术参数见表。型号3S57Q‐04079步距角1.2°±5%相电流（A）5.8保持转矩（N·m）1.5阻尼转矩（N·m）0.07相电阻（Ω）1.05±10%相电感（mH）2.4±20%电机惯量（kg.cm²）0.48电机长度L（mm）79电机轴径（mm）8引线数量6绝缘等级B耐压等级500VAC1min最大轴向负载（N）15最大径向负载（N）75工作环境温度-20℃～+50℃表面温升最高80℃（相线圈接通额定相电流）绝缘阻抗最小100MΩ，500VDC质量（kg）116变频与伺服控制技术步进电动机的定位控制17CONTENTS目录情境导入实操思路分析0102调试、运行0318Part.01情景导入19情景描述情境导入实操思路分析调试、运行某包装设备的传动由步进电动机进行驱动，控制要求如下：（1）按下启动按钮后，先进行正转5000个脉冲，频率K1000；（2）等正转完成后，延时2s，进行反转，5000个脉冲，频率K1000；（3）等反转完成后，延时2s，进行正转，5000个脉冲，频率K1000，如此循环；（4）按下停止按钮，步进电机停机。情景描述：20Part.02实操思路分析21实操思路分析情境导入实操思路分析调试、运行22实训器材步科3S57Q-04079步进电机一台步科3M458步进驱动器一个直流24V开关电源一个导线若干FX5u-32MTPLC一台实操思路分析情境导入实操思路分析调试、运行231.电气接线本例采用共阳接线方式；步进驱动器与步进电机采用两相方式。下面给出电气接线图，其中开关电源的选择与步进驱动器有关，如果步进驱动器是5V，而开关电源为24VDC，建议在Y0、Y1输出端串接2K电阻；FX5UPLC选择晶体管输出，如本实例中的FX5U-32MT；步进驱动器的接线注意与PLC对应端子，实操思路分析情境导入实操思路分析调试、运行242.确定PLC输入/输出(I/O)定义下表为步进电机进行正向和反向循环定位控制的输入/输出(I/O)分配表实操思路分析情境导入实操思路分析调试、运行253.PLC程序分析调试、运行情境导入实操思路分析调试、运行将编好的程序写入PLC，进行调试。按下启动按钮SB1先进行正转5000个脉冲，频率K1000；等正转完成后，延时2s，进行反转，5000个脉冲，频率K1000；等反转完成后，延时2s，进行正转，5000个脉冲，频率K1000，如此循环；按下停止按钮SB2，步进电机停机，调试完毕。调试运行：26真正的强者，不是没有眼泪的人，而是含着眼泪依然奔跑的人27变频与伺服控制技术认识步进驱动器28CONTENTS目录步进驱动器特点与接线步进驱动器步距角细分0102步进驱动器应用实例0329Part.01步进驱动器特点与接线30步进驱动器特点与接线步进电机驱动器是把控制系统或控制器提供的弱电信号放大为步进电机能够接受的强电流信号。相关实物图如下：步进驱动器特点与接线步进驱动器步距角细分步进驱动器应用实例31

步科3M458研控内部电路

步进驱动器特点与接线控制系统提供给驱动器的信号主要有以下三路：步进驱动器特点与接线步进驱动器步距角细分步进驱动器应用实例32端子号含义CP+冲正输入端CP-脉冲负输入端DIR+方向电平的正输入端DIR-方向电平的负输入端PD+脱机信号正输入端PD-脱机信号负输入端步进脉冲信号CP：这是最重要的一路信号，因为步进电机驱动器的原理就是要把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移。驱动器每接受一个脉冲信号CP，就驱动步进电机旋转一步距角，CP的频率和步进电机的转速成正比，CP的脉冲个数决定了步进电机旋转的角度。这样，控制系统通过脉冲信号CP就可以达到电机调速和定位的目的。步进驱动器特点与接线控制系统提供给驱动器的信号主要有以下三路：步进驱动器特点与接线步进驱动器步距角细分步进驱动器应用实例33端子号含义CP+冲正输入端CP-脉冲负输入端DIR+方向电平的正输入端DIR-方向电平的负输入端PD+脱机信号正输入端PD-脱机信号负输入端方向电平信号DIR：此信号决定电机的旋转方向。比如说，此信号为高电平时电机为顺时针旋转，此信号为低电平时电机则为反方向逆时针旋转。此种换向方式，又称之为单脉冲方式。步进驱动器特点与接线控制系统提供给驱动器的信号主要有以下三路：步进驱动器特点与接线步进驱动器步距角细分步进驱动器应用实例34端子号含义CP+冲正输入端CP-脉冲负输入端DIR+方向电平的正输入端DIR-方向电平的负输入端PD+脱机信号正输入端PD-脱机信号负输入端脱机信号PD：此信号为选用信号，并不是必须要用的，只在一些特殊情况下使用，此端输入一个5V电平时，电机处于无转矩状态；此端为高电平或悬空不接时，此功能无效，电机可正常运行，此功能若用户不采用，只需将此端悬空即可。步进驱动器特点与接线对于不同绕组接线的电机，步进电机驱动器的连接需要按照以下方式进行。（1）步进电机与驱动器可以直接相连。如图所示的步进电机绕组为2相且相互独立，可以直接相连。步进驱动器特点与接线步进驱动器步距角细分步进驱动器应用实例35（2）绕组不是独立的电机就不能与步进驱动器相连，如图所示Part.02步进驱动器步距角细分36步进驱动器步距角细分在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电机，细分驱动器的原理是通过改变相邻（A、B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。采用细分驱动技术可以大大提高步进电动机的步矩分辨率，减小转矩波动，避免低频共振及降低运行噪声。例如当步进电动机的步距角为1.8°，那么当细分为2时，步进电动机收到一个脉冲，只转动1.8°/2=0.9°。步进驱动器特点与接线步进驱动器步距角细分步进驱动器应用实例37步进驱动器步距角细分步进驱动器特点与接线步进驱动器步距角细分步进驱动器应用实例38如在驱动器HB-4020M可以对拨码开关DIP-SW进行细分设定，具体如图所示。Part.03步进驱动器应用实例39步进驱动器应用实例HB-4020M细分型步进电机