步进电机及其控制系统.ppt

1、13.1步进电机13.1.1定义了将电脉冲信号转换成相应角位移或线性位移的机电致动器。13步进电机驱动控制系统，1。步距角(步距)当输入电脉冲时旋转的固定角度。2.位移与输入脉冲的数量严格成比例(无误差累积)。与3有关。各种操作特性由以下条件决定：1输入脉冲数；l脉冲频率。l电机各相绕组的开启顺序。4.广泛应用于数控系统，如数控机床。13.1.2结构和工作原理1。结构特点1)定子由硅钢片制成，并安装了一定数量的控制绕组。环形分配器发送电脉冲来依次激励多相定子绕组。2)转子为硅钢片或软磁材料制成的凸极结构。l无功步进电机(转子本身没有励磁绕组)l永磁步进电机(转子由永磁体制成)，如三相无功步进电

2、机。定子有6个磁极，每两个相反的磁极有一个相位控制绕组。转子配有四个凸齿。工作原理1)基本工作原理是电磁铁的工作原理。a)环形分配器发送脉冲信号，依次给定子绕组通电。b)a相通电，b相和c相不通电，转子齿1和3与a相定子齿对齐，转子齿2和4在不同方向与b相和c相偏移30(此时，扭矩为0，转子自锁)。c)a相断电，b相通电，转子齿2和4与b相定子齿对齐，顺时针旋转30。d)b相断电，c相通电。类似地，转子顺时针旋转30。e)当通电顺序为ABCA时，转子顺时针旋转。如果ACBA改变，转子反向旋转(逆时针)。f)电流切换三次，磁场旋转一次，转子前进一个俯仰角(90)。l根据ABCA幂，称为三相单三拍

3、运算()。l在AABBBCCCAA模式下通电，这称为三相六拍操作()。注意：阶梯角太大。2)通电模式a)取决于控制绕组的通电频率以及绕组的通电模式。b)单拍三拍、六拍、双拍三拍等。“单”一次仅一相绕组通电；“双”每次都有两相绕组通电；“拍”上电次数(即从一个上电状态到另一个上电状态)。13.1.3小步进角步进电机(实际步进电机)，1。特点：1定子内圈和转子外圈都有齿和槽。定子和转子的齿宽和齿距相等。2.规定当一相磁极的定子与转子的齿相对时，下一相磁极的定子与转子的齿的位置正好错开(齿距，m相数)。3。公式：l齿距(z转子齿数)l步距角(k状态系数，k=1分三拍；在六拍的情况下，K2)，例如Z4

4、0，三相单三拍运行，因此可以看出转子齿数z(或定子相m，或运行拍数Km)，控制越精确。l速度注释：操作：P:360 13.12，13.79，13.2环形分配器13.2.1驱动系统，控制脉冲根据指定的通电模式分配到各相绕组。实现脉冲分配的硬件逻辑电路称为环形分配。脉冲分配可以通过软件实现，这就是所谓的软件环划分(如计算机数字控制系统)。分配器输出的脉冲需要放大以驱动步进电机。13.2.2环形分配器，1。硬件环形分配器，如三相六拍环形分配器。主体为三个J-K触发器，输出端Q连接功率放大电路和三相绕组。在QA1，a相被激励，并且是正和负控制信号。在正向旋转中，通电顺序为1和0正向旋转中的A-AB-B

5、-BC-C-CA-A；反向旋转过程中的通电顺序为A-AC-C-CB-B-BA-A.逻辑状态真值表如表13.1所示(以正向分布为例)。表13.1环形分配器的逻辑真值表，注：2。软件环分为Z-80A中央处理器和PIO配置为例。PIO作为驱动电路的接口脉冲，通过并行输入输出接口输出到步进电机的各相在正向旋转(反向旋转)中，表格中每个单元格的内容依次输出(反向旋转)。当输出状态是底部(标题)状态时，修改索引值以使下一个输出返回顶部(标题)状态。表13.2环分布表，3)环分布子程序与主程序配合，环分布以子程序的形式出现。正向转子程序在正向旋转期间调用。注：HL地址指针；存储索引值。任务：P:361 13

6、.3，13.3驱动电路一种脉冲放大电路，使脉冲具有一定的功率驱动能力。要求：提高步进电机的速度；提高步进电机的稳定性。13.3.1单电压限流驱动电路，VT(晶体管)无触点开关，使流经L的波形接近矩形波。l(电机绕组)l中的电流不能突然变化，经过3(时间常数)时间后达到稳态电流(l绕组电感，r绕组电阻)。严重影响启动频率。串联电阻，缩短上升过渡时间，提高工作速度。C(并联电容器或加速电容器)C上的电压不能突然改变，电源电压在绕组接通的瞬间落在绕组上。当二极管断开时，它起续流和保护作用，防止绕组产生的反电动势击穿。串联电阻，使波形的后沿陡峭。缺点：电阻上有功率损耗(快速性、电阻、功耗，限制了该电路

7、的使用)。13.3.2高低压开关驱动电路，采用高低压电源。此时，VT1和VT2饱和，80V通过VT1和VT2施加到l。当到达时间(定时模式)或上升到一定值(恒流模式)时，处于低电平，VT2关断，L的电流由12V电源通过VT1维持到I，此时为低电平，VT1关断，I0。它是由脉冲分配器通过几个阶段的电流放大，并由单稳态或恒流器件，然后由脉冲变压器。优点：功耗低，起动转矩大，跳跃频率和工作频率高。缺点：大功率管的数量增加了一倍，驱动电源增加了。操作：P:361 13.5、13.4操作特性和注意事项13.4.1操作特性和影响因素的基本特性工作时的步数或速度(角度控制或速度控制)仅与控制脉冲同步，与电压

8、、负载、温度、冲击(环境条件)等因素无关。根据控制要求启动、停止、倒车或变速。广泛使用(在数字控制系统中)。2.力矩和角度特性反映了步进电机电磁转矩与偏转角的关系。在初始平衡位置，定子的第一相绕组通电，转子没有负载转矩，转子齿与通电相磁极上的小齿对齐。转子偏转角(空间角)转子齿偏离初始平衡位置的角度(转子有负载，电磁转矩与负载转矩平衡)。z乘以电角度的空间角度，即矩角特性曲线。近似为正弦曲线。t达到最大静态扭矩(定子和转子齿交错1/4齿距)。它反映了步进电机带负载的能力(负载转矩(0.30.5)。“稳定运行”，3。脉冲信号频率对运行的影响，(a)低频(接近矩形波)；频率增加(波形失真)；(c)

9、频率非常高(I降至I/)。因此，启动步进电机太高。跑出一步，停下来。4。转子的机械惯性对运行的影响受机械惯性的影响。在起动阶段，转子落后于应该转动的角度，并且通常会赶上它。如果事态严重()，就不会启动。在运行中，由于惯性，它会在几次振荡后停止，在严重情况下会导致失步。措施：采用阻尼方法消除或减弱步进电机的振荡。13.4.2主要性能指标和注意事项主要性能指标1)步进角步进电机的主要性能指标之一，它直接影响启动和运行频率。其中：传动比。负载轴所需的最小位移增量(或脉冲当量)。2)最大静态扭矩在负载条件下，失步启动允许的最大频率随着负载的增加而显著降低。4)连续运行频率当步进电机的运行频率连续上升时，电机运行的最高频率不会失步。转矩-频率特性是指步进电机在连续运行中，其电磁转矩随着频率的增加而急剧下降的特性。注：与负荷有关；在相同的负载下。5)精度用一周内最大步距角误差值表示。步进精度公式：负载轴上允许的角度误差。6)输入电压U、输入电流I和相数M与驱动电源有关。2.注意事项驱动电源的质量对控制系统的运行有很大影响。如果负载惯