1、第六章控制電機 第一節(jié)第一節(jié) 步進電動機傳動控制系統(tǒng)步進電動機傳動控制系統(tǒng)11.1 11.1 步進電動機步進電動機結構與工作原理結構與工作原理 步進電動機是一種將電脈沖信號轉換成機械位移的機電執(zhí)行元步進電動機是一種將電脈沖信號轉換成機械位移的機電執(zhí)行元件。件。 步進電動機的分類：步進電動機的分類：工作原理工作原理反應式反應式永磁式永磁式混合式混合式輸出轉輸出轉矩大小矩大小快速步進電機快速步進電機功率步進電機功率步進電機勵磁相數(shù)勵磁相數(shù)二、三、四、五、六、八相等二、三、四、五、六、八相等角位移角位移輸入脈沖個數(shù)輸入脈沖個數(shù)運行速度運行速度輸入脈沖頻率輸入脈沖頻率一、步進電動機的組成一、步進電動機

2、的組成 如圖所示為一臺三相反應式步進電動機的結構示意圖如圖所示為一臺三相反應式步進電動機的結構示意圖 定子定子：由定子鐵心、繞組、絕緣：由定子鐵心、繞組、絕緣材料等組成材料等組成 勵磁繞組由外部脈沖信號對各勵磁繞組由外部脈沖信號對各相繞組輪流勵磁。如圖所示。相繞組輪流勵磁。如圖所示。AAK1K2K3BCBC 轉子：轉子：由轉子鐵心、轉軸等組成。轉子鐵心是由硅鋼片或軟磁材由轉子鐵心、轉軸等組成。轉子鐵心是由硅鋼片或軟磁材料疊壓而成的齒形鐵心料疊壓而成的齒形鐵心。二、步進電動機的工作原理二、步進電動機的工作原理 給給A A相繞組通電時，轉子位相繞組通電時，轉子位置如圖（置如圖（a a），），轉子齒

3、偏離定轉子齒偏離定子齒一個角度。由于勵磁磁子齒一個角度。由于勵磁磁通力圖沿磁阻最小路徑通過，通力圖沿磁阻最小路徑通過，因此對轉子產生電磁吸力，因此對轉子產生電磁吸力，迫使轉子齒轉動，當轉子轉迫使轉子齒轉動，當轉子轉到與定子齒對齊位置時到與定子齒對齊位置時( (圖圖b)b)，因轉子只受徑向力而無切線因轉子只受徑向力而無切線力，故轉矩為零，轉子被鎖力，故轉矩為零，轉子被鎖定在這個位置上。由此可見：定在這個位置上。由此可見：錯齒是助使步進電機旋轉的錯齒是助使步進電機旋轉的根本原因。根本原因。工作原理工作原理 T11-2.SWFT11-2.SWF 結論：結論： 通電順序為通電順序為A AB B時，轉子

4、按順時針方向一步一步轉動時，轉子按順時針方向一步一步轉動通電順序改為通電順序改為A A，時，轉子按逆時針方向一步一步轉，時，轉子按逆時針方向一步一步轉動。動。T11-3.SWFT11-3.SWF三、步進電動機的通電方式三、步進電動機的通電方式 1. 1. 單相通電方式：指對每相繞組單獨輪流通電，對于三相步單相通電方式：指對每相繞組單獨輪流通電，對于三相步進電動機：進電動機： 正轉：正轉：AB時，轉子按順時針方向一步一步轉動。時，轉子按順時針方向一步一步轉動。 反轉：反轉：A時，轉子按逆時針方向一步一步轉動。時，轉子按逆時針方向一步一步轉動。 2. 2. 單、雙拍工作方式：單、雙拍工作方式： 正

5、轉：正轉：A-AB-B-BC-C-CA-AA-AB-B-BC-C-CA-A 反轉：反轉：A-CA-C-BC-B-AB-AA-CA-C-BC-B-AB-A 3. 3. 雙拍工作方式：雙拍工作方式： 正轉：正轉：AB-BC-CA-ABAB-BC-CA-AB 反轉：反轉：AC-CA-BC-ACAC-CA-BC-AC 四、步進電動機的步距角四、步進電動機的步距角 由一個通電狀態(tài)改變到下一個通電狀態(tài)時，電動機轉子所轉過由一個通電狀態(tài)改變到下一個通電狀態(tài)時，電動機轉子所轉過的角度稱為步距角。的角度稱為步距角。T11-2.SWFT11-2.SWF 360360 / /ZKmZKm 其中：其中：Z Z轉子齒數(shù)

6、轉子齒數(shù) m m定子繞組相數(shù)定子繞組相數(shù) K K通電系數(shù)通電系數(shù) K K=1,2=1,2 若二相步進電動機的若二相步進電動機的Z=100，單拍運行時，其步距角單拍運行時，其步距角8 . 110023609 . 010022360若按單、雙通電方式運行時，步距角若按單、雙通電方式運行時，步距角 由此可見，步進電動機的轉子齒數(shù)由此可見，步進電動機的轉子齒數(shù)Z和定子相數(shù)和定子相數(shù)(或運行拍數(shù)或運行拍數(shù))愈愈多，則步距角愈小，控制越精確。多，則步距角愈小，控制越精確。 當定子控制繞組按著一定順序不斷地輪流通電時，步進電動機當定子控制繞組按著一定順序不斷地輪流通電時，步進電動機就持續(xù)不斷地旋轉。如果電脈

7、沖的頻率為就持續(xù)不斷地旋轉。如果電脈沖的頻率為f(HZ)，步距角用弧度表步距角用弧度表示，則步進電動機的轉速為：示，則步進電動機的轉速為：fKmZfKmZfn606022602五、步進電動機的主要性能指標五、步進電動機的主要性能指標1. 步距角步距角 2. 最大工作頻率：在轉子不失步的情況下，電動機連續(xù)工作時，最大工作頻率：在轉子不失步的情況下，電動機連續(xù)工作時，輸入脈沖信號的最大頻率。輸入脈沖信號的最大頻率。T11-2.SWF 3. 最大突跳頻率：在轉子不失步的情況下，電動機能增加和減最大突跳頻率：在轉子不失步的情況下，電動機能增加和減小的最大頻率。小的最大頻率。 4. 步距差：理想的步矩角

8、與實際的步矩角之差。步距差：理想的步矩角與實際的步矩角之差。 5. 輸出轉矩：電動機軸上的輸出轉矩的大小輸出轉矩：電動機軸上的輸出轉矩的大小 步進電動機的輸出轉矩與脈沖頻率的函數(shù)關系稱為步進電動機的輸出轉矩與脈沖頻率的函數(shù)關系稱為矩頻特性矩頻特性。13.2 13.2 步進電動機的驅動電源步進電動機的驅動電源 一、驅動電源的組成一、驅動電源的組成脈脈沖沖分分配配器器功放電路功放電路三三相相步步進進電電機機負載負載功率電功率電源源分配器電源分配器電源功放電路功放電路功放電路功放電路功率放大器功率放大器步進脈沖步進脈沖方向信號方向信號fABC脈沖分配器+功率放大電路1. 脈沖分配器脈沖分配器 當方向

9、電平為低時，脈沖當方向電平為低時，脈沖分配器的輸出按分配器的輸出按A-B-CA-B-C的順序的順序循環(huán)產生脈沖。循環(huán)產生脈沖。fABC 當方向電平為高時，脈當方向電平為高時，脈沖分配器的輸出按沖分配器的輸出按A-C-BA-C-B的順的順序循環(huán)產生脈沖。序循環(huán)產生脈沖。 ABCf 2.功率放大器功率放大器 將脈沖分配器的輸出信號進行電流放大后給電動機的定子繞組供將脈沖分配器的輸出信號進行電流放大后給電動機的定子繞組供電，使電動機的轉子產生輸出轉矩。電，使電動機的轉子產生輸出轉矩。二、步進電動機的脈沖分配器二、步進電動機的脈沖分配器 步進電動機的脈沖分配器可由硬件或軟件方法來實現(xiàn)步進電動機的脈沖分

10、配器可由硬件或軟件方法來實現(xiàn)。 硬件環(huán)形分配器：由計數(shù)器等數(shù)字電路組成的。有較好的響應硬件環(huán)形分配器：由計數(shù)器等數(shù)字電路組成的。有較好的響應速度，且具有直觀、維護方便等優(yōu)點。速度，且具有直觀、維護方便等優(yōu)點。 軟件環(huán)分：由計算機接口電路和相應的軟件組成的。受到微型軟件環(huán)分：由計算機接口電路和相應的軟件組成的。受到微型計算機運算速度的限制，有時難以滿足高速實時控制的要求。計算機運算速度的限制，有時難以滿足高速實時控制的要求。 1.1.硬件環(huán)形分配器硬件環(huán)形分配器 BQ CQ CQ AQ AQ BQ W- QA CAJ K AQ + & & QB CBJ K BQ + & & R W+ QC CB

11、J K CQ + & & R S CP 復位 & & & A相B相C相序號序號控制信號狀態(tài)控制信號狀態(tài)輸出狀態(tài)輸出狀態(tài)導電繞組導電繞組CAJ CBJ CCJQA QB QC0 01 1 01 1 01 0 01 0 0A A1 10 1 00 1 01 1 01 1 0ABAB2 20 1 10 1 10 1 00 1 0B B3 30 0 10 0 10 1 10 1 1BCBC4 41 0 11 0 10 0 10 0 1C C5 51 0 01 0 01 0 11 0 1CACA6 61 1 01 1 01 0 01 0 0A A 2 2軟件環(huán)形分配軟件環(huán)形分配 軟件環(huán)分的方法是利用計算

12、機程序來設定硬件接口的位狀態(tài)，軟件環(huán)分的方法是利用計算機程序來設定硬件接口的位狀態(tài)，從而產生一定的脈沖分配輸出。從而產生一定的脈沖分配輸出。 1) 1) 輸出接口輸出接口 80318031單片機本身包含單片機本身包含4 4個個8 8位位I/OI/O端口，分別為端口，分別為P0P0、P1P1、P2P2、P3P3。 輸出接口是將計算機的輸出端與步進電動機的每相繞組一一對輸出接口是將計算機的輸出端與步進電動機的每相繞組一一對應起來。應起來。8031P1.0P1.1P1.2ABC驅驅動動器器 若要實現(xiàn)三相步進電動機若要實現(xiàn)三相步進電動機的脈沖分配，需要三根輸出口的脈沖分配，需要三根輸出口線，本例中選線

13、，本例中選P1P1口的口的P1.0P1.0、P1.1P1.1、P1.2P1.2位作為脈沖分配的位作為脈沖分配的輸出。輸出。 2) 2) 輸出模型輸出模型 如果三相步進電動機按單、雙拍通電方式工作，即如果三相步進電動機按單、雙拍通電方式工作，即: : 正轉：正轉：A-AB-B-BC-C-CAA-AB-B-BC-C-CA 反轉反轉：A-AC-C-CB-B-BCA-AC-C-CB-B-BC 根據根據80318031單片機的基本原理，對單片機的基本原理，對P P1.01.0、 P P1.11.1、 P P1.21.2位編程使其位編程使其按表規(guī)定改變輸出狀態(tài)就實現(xiàn)了三相六拍分配任務。按表規(guī)定改變輸出狀態(tài)

14、就實現(xiàn)了三相六拍分配任務。P P1.71.7通電通電相相X XX XX XX XX X0 00 01 1A AX XX XX XX XX X0 01 11 1ABABX XX XX XX XX X0 01 10 0B BX XX XX XX XX X1 11 10 0BCBCX XX XX XX XX X1 10 00 0C CX XX XX XX XX X1 10 01 1CACAP P1.51.5P P1.41.4P P1.31.3P P1.21.2P P1.11.1P P1.01.0P P1.61.6 P1P1輸送的內容依次為：輸送的內容依次為： 01H A01H A03H AB03H

15、AB02H B02H B06H BC06H BC04H C 04H C 05H CA05H CA正正轉轉反反轉轉輸出模型輸出模型 3) 3) 控制程序控制程序 按正轉和反轉的要求將輸出模按正轉和反轉的要求將輸出模型向型向P1P1口口發(fā)送，并控制步進電動機發(fā)送，并控制步進電動機的速度。的速度。 設設輸出模型存放在存儲器中，首輸出模型存放在存儲器中，首地址為地址為2000H2000H，地址指針為地址指針為DPR,DPR,初始值初始值為為2000H2000H。 初始化初始化正轉正轉（DPR）P1 調用延時子程序調用延時子程序 (DPR)=05H DPR-5DPR PR+1DPR（DPR）P1 調用延

16、時子程序調用延時子程序 (DPR)=01H PR+5DPR DPR-1DPRNNNYYY三、步進電動機的功率放大電路三、步進電動機的功率放大電路 步進電動機的功率驅動電路實際上是一種脈沖放大電路，使脈步進電動機的功率驅動電路實際上是一種脈沖放大電路，使脈沖具有一定的功率驅動能力。沖具有一定的功率驅動能力。 由于功率放大器的輸出直接驅動電動機繞組，因此，功率放大由于功率放大器的輸出直接驅動電動機繞組，因此，功率放大電路的性能對步進電動機的運行性能影響很大。電路的性能對步進電動機的運行性能影響很大。 1.1.單電壓驅動電路單電壓驅動電路 R C RD V L +U VT L是電動機繞組是電動機繞組

17、VT開關晶體管開關晶體管 電阻電阻R兩端并聯(lián)電容兩端并聯(lián)電容C，使電流上升更快，使電流上升更快，所以，電容所以，電容C又稱為加速電容。又稱為加速電容。 二極管二極管V在晶體管在晶體管VT截止時起續(xù)流和保護截止時起續(xù)流和保護作用，串聯(lián)電阻使電流下降更快，從而使繞作用，串聯(lián)電阻使電流下降更快，從而使繞組電流波形后沿變陡。組電流波形后沿變陡。 2.2.高低壓切換型驅動電路高低壓切換型驅動電路 R V1 L +80V Ub1 VT1 Ub2 VT2 V2 +12V Ub1 0 t Ub2 0 t I 0 t t1 t2 t3 高低壓驅動線路的優(yōu)點是：功耗小，啟動力矩大，突跳頻率和高低壓驅動線路的優(yōu)點是

18、：功耗小，啟動力矩大，突跳頻率和工作頻率高。缺點是：大功率管的數(shù)量要多用一倍，增加了驅動電工作頻率高。缺點是：大功率管的數(shù)量要多用一倍，增加了驅動電源。源。動作靈敏、精度高、體積較小。主要動作靈敏、精度高、體積較小。主要是應用于自動控制系統(tǒng)中的一些執(zhí)行是應用于自動控制系統(tǒng)中的一些執(zhí)行元件。它們功率一般不大，完成控制元件。它們功率一般不大，完成控制信號的傳遞和變換信號的傳遞和變換 。當有控制信號 時 轉，信號大轉，信號大 轉速上升轉速上升當無控制信號 時 停停1、調速范圍廣2、慣性小3、控制信號（功率）小與單相電容式的異步電機的結構相似與單相電容式的異步電機的結構相似有兩組相差有兩組相差9090

19、的繞組的繞組勵磁繞組勵磁繞組FWFW加勵磁電源加勵磁電源控制繞組控制繞組CWCW加控制信號加控制信號FWFW與與CWCW的電流頻率相同的電流頻率相同但電源不同但電源不同籠型轉子：籠型轉子：與異步相似與異步相似空心杯型轉子：空心杯型轉子：空心薄壁筒空心薄壁筒特點：特點：慣量小慣量小 細而長細而長FW FW （勵磁繞組）串勵磁繞組）串電容后接勵磁電源電容后接勵磁電源CW CW （控制繞組）接控制繞組）接控制信號控制信號 符號符號 SM SM 表示伺服表示伺服電機電機FWCWUfSMUc 方法是增大轉子電阻R2(S)nn0(0)T-1(1) 0TT+當Uc0時加強了一個方向的旋轉磁場的強度使合力矩變

20、成了與轉動方向相同的方向從而轉動起來 Uc合力矩當Uc相位改變180度時，加強了另一個方向的旋轉磁場，使轉子反轉。 2、杯型轉子做成薄壁型（0.2-0.8mm） R2大 慣量小1三種控制方法:UFWCWCSM1、)幅值控制Uc的幅值變化2、)相位控制Uc與Uf的相 差, 當大時加強,在 0-90度之間比較復雜3、)幅、相控制UC電磁式永磁式交流：結構簡單可靠功率小直流：特性硬、線性好、 結構復雜（有換向器）當工作中n不高時，可用減速器，但復雜,動態(tài)不好力矩電機就是能輸出低速大扭矩的伺服電機交流力矩電機 直流力矩電機異步力矩電機 同步力矩電機 1、扁平形狀 2、軸向短 徑向長3、永磁勵磁當磁極中的B（