第25次课 步进电机及其驱动器基础知识

1、常用电机驱动装置应用二,电气化教研室 常用电机驱动装置应用课程组,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,2,常用电机驱动装置应用二,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,3,1、绪论,一、本学期主要内容 1、常用电机驱动器的基本原理。 2、常用电机驱动器基本接线和内部参数设置。 3、常用电机驱动器基本调试方法。 4、常用电机驱动器型号选择。 5、融会贯通，举一反三。通过学习方法的掌握和学习能力的提高，可以在较短的时间内学习其他型号驱动器的使用。,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,4,1、绪论,二、本学期教学方法 1、本期教学分理论、实训两部分。 （1）、理论：讲授 （2）、实训：讲授

2、+自学。 例如：变频器学习两种型号MM420，ACS150。其中MM420在教师讲授后完成实训项目，而ACS150要求大家自学，然后完成相关实训项目。 2、研究性学习，提高同学们自己分析问题、解决问题的能力。,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,5,1、绪论,三、本学期考核方法 期末考核分理论、实训两部分。 1、理论：期末统考，时间60分钟。 2、实训：课程结束后考试，时间待定。 每位同学发一本某型号电机驱动器的说明书，根据控制要求， （1）绘制外部接线图 （2）完成内部参数设置 （3）写出面板操作顺序 注：三选二,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,6,合作愉快，共赢美好未来,四川工

3、程职业技术学院电气系电气化教研室,7,2、步进电机驱动器,2.1 步进电机工作原理 2.2 步进电机驱动电路 2.3 步进电机型号选择 2.4 步进电机驱动器 2.4.1 步进电机驱动器的型号选择 2.4.2 步进电机驱动器基本使用,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,8,2.1步进电机工作原理,一、步进电机基本知识 1、步进电机的概念 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移（或直线位移）的执行机构。,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,9,2.1步进电机工作原理,一、步进电机基本知识 2、步进电机的应用,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,10,2.1步进电机工作原理,一、步进电机基

4、本知识 2、步进电机的应用 数控铣床,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,11,2.1步进电机工作原理,一、步进电机基本知识 2、步进电机的应用 自动绘图仪,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,12,2.1步进电机工作原理,二、步进电机工作原理,例： 内部结构：定子内圆周均匀分布着六个磁极，磁极上有励磁绕组，每两个相对的绕组组成一相。转子有四个齿。,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,13,2.1步进电机工作原理,1.三相单三拍,A相绕组通电，B、C相 不通电。由于在磁场作用下， 转子总是力图旋转到磁阻最 小的位置，故在这种情况下， 转子必然转到左图所示位置： 1、3齿与A、A极对

5、齐。,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,14,2.1步进电机工作原理,同理，B相通电时，转子会转过30角，2、4 齿和B、B 磁极轴线对齐；当C相通电时，转子 再转过30角，1、3齿和C、C磁极轴线对齐。,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,15,2.1步进电机工作原理,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，所以称为三相单三拍工作方式。,按AB C A 的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过30(步距角)，每个通电循环周期(3拍)转过90(一个齿距角)。,2. 三相六拍,按AAB B BC C CA的顺序给三相绕组轮流

6、通电。这种方式可以获得更精确的控制特性。,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,16,2.1步进电机工作原理,A相通电，转子1、 3齿与A、A 对齐。,A、B相同时通电，A、A 磁极拉住1、3齿，B、B 磁极拉住2、4齿，转子转过15，到达左图所示位置。,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,17,2.1步进电机工作原理,B 相通电，转子2、 4齿与B、B 对齐,又转 过15。,B、C相同时通电， C 、C 磁极拉住1、3 齿，B、B 磁极拉住 2、4齿，转子再转过 15。,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,18,2.1步进电机工作原理,三相反应式步进电动机的一个通电循环周 期如下：

7、AAB B BC C CA，每个循 环周期分为六拍。每拍转子转过15（步距角）， 一个通电循环周期(6拍)转子转过90 (齿距角)。,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。,3. 三相双三拍,按AB BC CA的顺序给三相绕组轮流通 电。每拍有两相绕组同时通电。,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,19,2.1步进电机工作原理,与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循 环周期也分为三拍。每拍转子转过30 (步距角)， 一个通电循环周期(3拍)转子转过90(齿距角)。,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,20,2.1步进电机工作原理,4、多齿结构 为

8、了提高步进电机的定位精度，常采用多齿结构。如：三相步进电机，定子上六个大齿极，每个大齿极上三个小齿极；而转子上均匀分布50各小齿。,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,21,2.1步进电机工作原理,4、多齿结构,步进电动机定、转子齿的相对位置 （a）A相通电 （b）B相通电 （c）C相通电,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,22,2.1步进电机工作原理,三、常用术语 1、静态术语 （1）相数：产生不同对极的激磁线圈对数，用m表示。 （2）拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，用n表示。 例：三相单三拍，四相双四派，四相八拍，五相十拍等。目前，由于电机的制造工艺，最多有五相

9、。,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,23,2.1步进电机工作原理,三、常用术语 1、静态术语 （3）步距角： 例：转子齿数为50，电机四拍运行。 问：电机可能的相数和步距角大小。,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,24,2.1步进电机工作原理,三、常用术语 1、静态术语 （4）静转（扭）矩：,注：“引数”为引线数量,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,25,2.1步进电机工作原理,三、常用术语 2、动态术语 （1）步距角精度：注-不累计 （2）失步：电机运转步数不等于理论步数 （3）失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度 （4）最大空载启动频率 （5）最大空载运行频率 （6）

10、运行矩频特性 （7）电机的共振点：每一个步进电机均有共振区。与电机驱动电压、电流大小，负载轻重和电机体积有关。工作点应偏移共振区较多。,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,26,2.1步进电机工作原理,四、步进电机分类 1、反应式步进电动机（VR）：一般为三相。 2、永磁式步进电动机（PM）：一般为两相。 3、混合式步进电动机（HB）：一般为两相和五相。,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,27,2.2步进电动机驱动电路,一、步进电机驱动电路框图,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,28,2.2步进电动机驱动电路,二、步进电机典型驱动接口电路 1、单电压功率驱动接口,2N5551：

11、中功率管 BU826：达林顿管。在开关状态下也有较大的放大倍数 3/150W：缩短电机绕组充放电时间常数，提高电机高频响应；增加功耗，需要散热，因此加大电机体积。 2CN1B：电机绕组续流二极管 L：电机A相绕组,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,29,2.2步进电动机驱动电路,二、步进电机典型驱动接口电路 1、单电压功率驱动接口,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,30,2.2步进电动机驱动电路,二、步进电机典型驱动接口电路 2、双电压功率驱动接口 目的：为了改善高频特性 （1）改善导通电流上升前沿波形 （2）减少驱动电路损耗，减小电机体积 方法：低频时用低电压（UL）驱动，高频时

12、用高电 压（UH）驱动 具体电路如下：,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,31,2.2步进电动机驱动电路,二、步进电机典型驱动接口电路 2、双电压功率驱动接口 具体电路如下：,低频：IH使TH关断,Dl导通。 通过UL供电 高频：IH使TH导通， Dl关断。 通过UH供电 缺点：仍需串联电阻，存在发热问题。在频率分界处，电机输出特性不连续。低于临界频率时，输出特性下降太多。,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,32,2.2步进电动机驱动电路,二、步进电机典型驱动接口电路 3、高低压功率驱动接口 驱动电路的矛盾： 解决方法：高压启动，低压维持导通电流 缺点：低频时电机震动噪声较大,四川

13、工程职业技术学院电气系电气化教研室,33,2.2步进电动机驱动电路,（二）步进电机典型驱动接口电路 3、高低压功率驱动接口,电路,要求,前端同步,IH持续时间长短合适，与电机电气时间常数相当,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,34,2.2步进电动机驱动电路,（二）步进电机典型驱动接口电路 4、斩波恒流功率驱动接口 目的：导通相不论在锁定、低频或高频工作时都为 额定电流值。,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,35,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,36,2.2步进电动机驱动电路,二、步进电机典型驱动接口电路 5、细分驱动 引入：步进电机只能工作中半步或整步的工作状态。 影响控制

14、精度，同时具有一定的电机震动和 噪声。 解决：减小步进电机每一步旋转的角度。 减小合成磁场每一步旋转的角度。 方法：绕组电流通入梯形波而不是方波，是电机的 合成磁势只旋转步距角的一部分。,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,37,2.2步进电动机驱动电路,（二）步进电机典型驱动接口电路 5、细分驱动：以三相电机单双六拍为例,单双六拍四细分各相电流波形,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,38,2.2步进电动机驱动电路,（二）步进电机典型驱动接口电路 5、细分驱动： 以三相电机单双六拍为例 横坐标数字为切换输入脉冲CP的序号，同时 也是细分后的状态序号。初始状态0为A相通额定 电流，即i

15、A=IN，当第一个CP脉冲到来时，B相不 是通入额定电流，而是只通入额定电流的四分之 一，即iB=IN/4，此时，电机中的合成磁势由A相 中的IN和B相中的IN/4合成。,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,39,2.2步进电动机驱动电路,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,40,2.2步进电动机驱动电路,（二）步进电机典型驱动接口电路 5、细分驱动： 注意事项 （1）细分多用于半步工作状态。因整步细分驱动如想达到与半步细分驱动相同的控制精度,要细分次数更多，控制线路复杂。 （2）由于靠改变绕组电流进行细分驱动，因此上述驱动电路中只有单电压串电阻驱动和斩波横流驱动适用于细分驱动方式。,

16、四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,41,2.3步进电动机型号选择,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,42,2、步进电机驱动器,2.4.1 步进电机驱动器的型号选择 2.4.2 步进电机驱动器基本使用,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,43,2.4.1 步进电机驱动器型号选择,一、驱动器的电流：电流是判断驱动器能力的重要指标之一，驱动器的最大电流要略大于电机标称电流，通常驱动器有0.8A，2A， 3A， 4A， 5A， 5.8A，6A， 6.8A，8A，10A，13A等规格。 二、驱动器供电电压：供电电压是判断驱动器升速能力的标志，通常驱动器供电电压有：12VDC、24VDC、

17、40VDC、80VDC、110VAC等规格。 三、驱动器的细分：细分是控制精度的标志，通过增大细分能改善精度。细分能增加电机平稳性，通常步进电机都有低频振动的特点，通过加大细分可以得到改善，使电机运行非常平稳。,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,44,2.4.2 步进电机驱动器使用实例,一、两相式混合式步进电机驱动器YKA2404S,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,45,2.4.2 步进电机驱动器使用实例,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,46,2.4.2 步进电机驱动器使用实例,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,47,2.4.2 步进电机驱动器使用实例,四川工程职业

18、技术学院电气系电气化教研室,48,2.4.2 步进电机驱动器使用实例,二、步进电机驱动器SH-2024B2,项目中选用的步进电机驱动器是一种二相混合式步进电机驱动器。该驱动器采用PWM 方式驱动，具有工作电压范围宽、效率高，相电流细分数可调,自动半流的特点，相电流设定从0.5-2A， 细分数设定有2、4、8、16、32、64共六档，可满足微步距驱动的要求。,步进电机在脉冲停止以后，会有锁定力矩，一般电流越大，锁定力矩越大。一般的驱动器在脉冲停止后自动半流（相对驱动器设定的相电流）。满流就是停止锁定电流和工作时的相电流一样，这时锁定力矩大，但是发热和功耗增加。,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,49,2.4.2 步进电机驱动器使用实例,步进电机参数及性能指标,四川工程职业技术学院电气系电气化教研室,50,2.4.2 步进电机驱动器使用实例,步进电机驱动器SH-2024B2接线示意图,OPTO：控制系统的公共阳端，连接控制电路的VCC。 DIR：电机正反转