第7章伺服電機與應用步進電機原理與驅動控制*直流伺服電機交流伺服電機原理與驅動*變頻器原理與應用*重點:步進電機與交流伺服電機17.1

步進電動機原理特點:

(1)來一個脈沖，轉一個步距角。

(2)控制脈沖頻率，可控制電機轉速。

(3)改變脈沖順序，可改變轉動方向。

步進電機是利用電磁鐵的作用原理，將脈沖信號轉換為線位移或角位移的電機。每來一個電脈沖，步進電機轉動一定角度，帶動機械移動一小段距離。實際就是將電信號轉換成機械位移的部件由于步進電動機的這一工作職能正好符合數(shù)字控制系統(tǒng)要求，因此它在數(shù)控機床、鐘表工業(yè)及自動記錄儀等方面都有很廣泛的應用21.勵磁式步進電機的轉子上有勵磁線圈，依靠電磁轉矩工作。2.反應式步進電機的轉子上沒有勵磁線圈。依靠變化的磁阻生成磁阻轉矩工作。反應式步進電機的應用最廣泛，它有兩相、三相、多相之分。這里主要討論三相反應式步進電動機的結構和工作原理。種類：勵磁式和反應式兩種。3三相反應式步進電動機的原理結構圖如下：ABCIAIBIC

定子內圓周均勻分布著六個磁極，磁極上有勵磁繞組，每兩個相對的繞組組成一相。采用Y連接，轉子有四個齒。定子轉子41.工作原理

由于磁力線總是要通過磁阻最小的路徑閉合，因此會在磁力線扭曲時產(chǎn)生切向力，而形成磁阻轉矩，使轉子轉動。現(xiàn)以ABCA的通電順序，使三相繞組輪流通入直流電流，觀察轉子的運動情況。BCIAIBIC51.三相單三拍CA'BB'C'A3412

A相繞組通電，B、C相不通電。氣隙產(chǎn)生以A-A為軸線的磁場，而磁力線總是力圖從磁阻最小的路徑通過，故電動機轉子受到一個反應轉矩，在此轉矩的作用下，轉子必然轉到左圖所示位置：1、3齒與A、A′極對齊?！叭唷敝溉嗖竭M電機；“單”指每次只能一相繞組通電；“三拍”指通電三次完成一個通電循環(huán)。6CA'BB'C'A3412

同理，B相通電時，轉子會轉過30

角，2、4齒和B、B′

磁極軸線對齊；當C相通電時，轉子再轉過30

角，1、3齒和C′、C磁極軸線對齊。1C'342CA'BB'A7

這種工作方式下，三個繞組依次通電一次為一個循環(huán)周期，一個循環(huán)周期包括三個工作脈沖，所以稱為三相單三拍工作方式。

按ABCA……的順序給三相繞組輪流通電，轉子便一步一步轉動起來。每一拍轉過30°(步距角)，每個通電循環(huán)周期(3拍)磁場在空間旋轉了360°而轉子轉過90°(一個齒距角3X30°)。2.三相六拍按AABBBCC

CA的順序給三相繞組輪流通電。這種方式可以獲得更精確的控制特性。8CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412

A相通電，轉子1、3齒與A、A'對齊。

A、B相同時通電，A、A'磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉住2、4齒，轉子轉過15

，到達左圖所示位置。9CA'BB'C'A3412

B相通電，轉子2、4齒與B、B′對齊,又轉過15

。3412CA'BB'C'A

B、C相同時通電，C'、C

磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉住2、4齒，轉子再轉過15

。10三相反應式步進電動機的一個通電循環(huán)周期如下：AABBBCC

CA，每個循環(huán)周期分為六拍。每拍轉子轉過15（步距角），一個通電循環(huán)周期(6拍)轉子轉過90

(齒距角)。與單三拍相比，六拍驅動方式的步進角更小，更適用于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。3.三相雙三拍按AB

BC

CA的順序給三相繞組輪流通電。每拍有兩相繞組同時通電。11AB通電CA'BB'C'A3412BC通電3412CA'BB'C'ACA通電CA'BB'C'A3412與單三拍方式相似，雙三拍驅動時每個通電循環(huán)周期也分為三拍。每拍轉子轉過30(步距角)，一個通電循環(huán)周期(3拍)轉子轉過90

(齒距角)。12

從以上對步進電機三種驅動方式的分析可得步距角計算公式：實用步進電機的步距角多為3

和1.5

。為了獲得小步距角，電機的定子、轉子都做成多齒的，通常轉子表面有40個齒，齒距角是9

；定子仍是6個磁極，但每個磁極表面加工有五個和轉子一樣的齒。式中α—步進電機的步距角m—電機相數(shù)；

Z—轉子齒數(shù)；K—系數(shù)，相鄰兩次通電相數(shù)相同，K＝1；相鄰兩次通電相數(shù)不同，K＝2。13實際應用的五相永磁步進電機如圖所示141.同一相數(shù)的步進電機可有兩種步距角，通常為1.2/0.6、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。2.步距誤差是指步進電機運行時，轉子每一步實際轉過的角度與理論步距角之差值。3.累積誤差,連續(xù)走若干步時，上述步距誤差的累積值稱為步距的累積誤差。由于步進電機轉過一轉后，將重復上一轉的穩(wěn)定位置，即步進電機的步距累積誤差將以一轉為周期重復出現(xiàn)。

1.

步距角和步距誤差反應式步距角和步進電機的相數(shù)、通電方式及電機轉子齒數(shù)的關系如下：7.2

步進電動機特性152.靜態(tài)轉矩與矩角特性

當步進電機上某相定子繞組通電之后，轉子齒將力求與定子齒對齊，使磁路中的磁阻最小，轉子處在平衡位置不動（θ＝0）。如果在電機軸上外加一個負載轉矩Mz，轉子會偏離平衡位置向負載轉矩方向轉過一個角度θ，角度θ稱為失調角。有失調角之后，步進電機就產(chǎn)生一個靜態(tài)轉矩（也稱為電磁轉矩），這時靜態(tài)轉矩等于負載轉矩。靜態(tài)轉矩與失調角θ的關系叫矩角特性，如圖所示，近似為正弦曲線。該矩角特性上的靜態(tài)轉矩最大值稱為最大靜轉矩。在靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)內，當外加負載轉矩除去時，轉子在電磁轉矩作用下，仍能回到穩(wěn)定平衡點位置（θ＝0）。最大靜轉矩最大靜轉矩

（保持轉矩）：通電時能夠維持靜止狀態(tài)的最大轉矩。163.

最大啟動轉矩Mq

圖為三相單三拍矩角特性曲線，圖中的A、B分別是相鄰A相和B相的靜態(tài)矩角特性曲線，它們的交點所對應的轉矩是步進電機的最大啟動轉矩Mq

。如果外加負載轉矩大于Mq

，電機就不能啟動。如圖所示,當A相通電時，若外加負載轉矩Ma>Mq

，對應的失調角為θa

，當勵磁電流由A相切換到B相時，對應角，B相的靜轉矩為θb。從圖中看出Mb<Mq,電機不能帶動負載做步進運動，因而啟動轉矩是電機能帶動負載轉動的極限轉矩。

bABC

三相單三拍步進電機的啟動轉矩MbMqMaMθθa174.啟動頻率

空載時，步進電機由靜止狀態(tài)突然起動，并進入不失步的正常運行的最高頻率，稱為啟動頻率或突跳頻率，加給步進電機的指令脈沖頻率如大于啟動頻率，就不能正常工作，可能發(fā)生丟步或堵轉。步進電機在帶負載（尤其是慣性負載）下的啟動頻率比空載要低。而且，隨著負載加大（在允許范圍內），啟動頻率會進一步降低。18失步轉矩引入轉矩自啟動轉區(qū)保持轉矩旋轉轉區(qū)T5.連續(xù)運行頻率

步進電機起動后，其運行速度能根據(jù)指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率，稱為連續(xù)運行頻率。其值遠大于啟動頻率，它也隨著電機所帶負載的性質和大小而異，與驅動電源也有很大關系。**保持轉矩（HOLDING

TORQUE）是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。比如，當人們說2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為2N.m的步進電機。DETENT

TORQUE

是指永磁式步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉子的力矩。

f19

6.矩頻特性與動態(tài)轉矩

矩頻特性是描述步進電機連續(xù)穩(wěn)定運行時輸出轉矩與連續(xù)運行頻率之間的關系（見下圖），該特性上每一個頻率對應的轉矩稱為動態(tài)轉矩。當步進電機正常運行時，若輸入脈沖頻率逐漸增加，則電動機所能帶動負載轉矩將逐漸下降。在使用時，一定要考慮動態(tài)轉矩隨連續(xù)運行頻率的上升而下降的特點。當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。

矩頻特性fM207.3步進電機的驅動（控制）線路功能：將一定頻率f、數(shù)量N和方向的進給脈沖轉換為控制步進電機定子各相繞阻通斷電狀態(tài)變化的頻率、次數(shù)和順序的功率信號

功率放大器環(huán)形分配器加減速電路脈沖混合電路加減脈沖分配電路進給脈沖至步進電機繞阻211.步進電機功率驅動電路步進電機驅動線路完成由弱電到強電的轉換和放大，也就是將邏輯電平信號變換成電機繞組所需的具有一定功率的電流脈沖信號。驅動控制電路由環(huán)形分配器和功率放大器組成。環(huán)形分配器是用于控制步進電機的通電方式的，其作用是將數(shù)控裝置送來的一系列指令脈沖按照一定的順序和分配方式加到功率放大器上，控制各相繞組的通電、斷電。環(huán)形分配器功能可由硬件或軟件產(chǎn)生，硬件環(huán)形分配器是根據(jù)步進電機的相數(shù)和控制方式設計的，數(shù)控機床上常用三相、四相、五相及六相步進電機?，F(xiàn)介紹三相六拍步進電機環(huán)形分配器的工作原理。硬件環(huán)形分配器是根據(jù)真值表或邏輯關系式采用邏輯門電路和觸發(fā)器來實現(xiàn)。22如圖所示，該線路由與非門和J－K觸發(fā)器組成。指令脈沖加到三個觸發(fā)器的時鐘輸入端CP，旋轉方向由正、反控制端的狀態(tài)決定。QA,QB,QC為三個觸發(fā)器的Q端輸出，連到A、B、C三相功率放大器。若“1”表示通電，“0”表示斷電，對于三相六拍步進電機正向旋轉，正向控制端狀態(tài)置“1”，反向控制端狀態(tài)置“0”。初始時，在預置端加上預置脈沖，將三個觸發(fā)器置為100狀態(tài)，。當在CP端送入一個脈沖時，環(huán)形分配器就由100狀態(tài)變?yōu)?10狀態(tài)，隨著指令脈沖的不斷到來，各相通電狀態(tài)不斷變化，按照100→110→010→011→001→101即A→AB→B→BC→C→CA次序通電。步進電機反轉時，由反向控制信號“1”狀態(tài)控制（正向控制為“0”），通電次序為A→CA→C→CB→B→BA→A。JA

KA

JB

KB

JC

KC

SA相B相C相RRCP指令脈沖置零正反23軟件環(huán)形分配器實現(xiàn)較為簡單、方便。計算機控制的步進電機驅動系統(tǒng)中，使用軟件實現(xiàn)脈沖分配，常用的是查表法。例如對于三相六拍環(huán)形分配器，每當接收到一個進給脈沖指令，環(huán)形分配器軟件根據(jù)表所示真值表，按順序及方向控制輸出接口將A、B、C的值輸出即可。如果上一個進給脈沖到來時，控制輸出接口輸出的A、B、C的值是100，則對于下一個正向進給脈沖指令，控制輸出接口輸出的值是110，再下一個正向進給脈沖，應是010，而使步進電機正向地旋轉起來。序號

A

B

C

方向

1

1

0

0

2

1

1

0

3

0

1

0

4

0

1

1

5

0

0

1

6

1

0

1

反轉

正轉

表三相六拍環(huán)形分配器真值表24環(huán)形分配器輸出為高電平時，T飽和導通，繞組電流按指數(shù)曲線上升，電路時間常數(shù)τ=L/(Ra+Rc)，它表示功放電路在導通時允許步進電機繞組電流上升的速率。串聯(lián)電阻Rc可以使電流上升時間減小，改善帶負載能力。但電阻消耗了一部分功率，降低了效率。當環(huán)形分配器輸出為低電平時，T截止，繞組斷電，因步進電機的繞組是電感性負載，當T管從飽和到突然截止的瞬間，將產(chǎn)生一較大反電勢，此反電勢與電源電壓疊加在一起加在T管的集電極上，可能會使T管擊穿。功率放大器的作用是將環(huán)形分配器發(fā)出的電平信號放大至幾安培到幾十安培的電流送至步進電機各繞組，每一相繞組分別有一組功率放大電路。以下介紹三種典型的驅動電路：單電壓簡單驅動、高低壓驅動和恒流斬波驅動。圖為單電壓功放電路，L為步進電機勵磁繞組的電感，Ra為繞組電阻，Rc為外接電阻，電阻Rc并聯(lián)一電容C，可以提高負載瞬間電流的上升率，從而提高電動機快速響應能力和啟動性能。前置放大輸入VRcRdVDRaUC單電壓驅動電路原理圖25因此，續(xù)流二極管D和電阻Rd接在T管集電極和電源之間，組成放電回路，使T管截止瞬間電機產(chǎn)生的反電勢通過二極管D續(xù)流作用而衰減掉，從而保護晶體管不受損壞。圖右為電流波形，可見電流波形前沿不陡，繞組電流緩慢增加，而使電機帶負載能力下降。單電壓驅動電路的優(yōu)點是線路簡單，缺點是電流上升不夠快，高頻時帶負載能力低。前置放大輸入VRcRdVDRaUC單電壓驅動電路原理圖it單電壓驅動電流波形26如圖所示為高低壓電路，這種電路特點是高壓充電，低壓維持。當環(huán)形分配器輸出高電平時，兩只功率放大管T1，T2同時導通，電機繞組以＋80V高壓供電，繞組電流快速上升，前沿很陡，當接近額定電流時，單穩(wěn)延時時間到，T1管截止，改由低壓＋12V供電，維持繞組額定電流。若高低壓之比為U1/U2，則電流上升也提高U1/U2倍，上升時間明顯減小。當?shù)蛪簲嚅_時，電感中儲能通過構成的放電回路放電，因此也加快了放電過程。這種供電線路由于加快了繞組電流的上升和下降過程，有利于提高步進電機的啟動頻率和最高連續(xù)工作頻率。由于額定電流是由低壓維持的，只需較小的限流電阻，功耗小。該電路能在較寬的頻率范圍內有較大的平均電流，能產(chǎn)生較大且較穩(wěn)定的電磁轉矩，缺點是高低壓電路波形連接處有凹形．單穩(wěn)延時前置放大前置放大U1＋80V＋12VU2

VD2VD1R1R2

Lt1t2V1V2高低壓驅動電路原理圖高低壓驅動電流波形27恒流斬波驅動電路的原理圖見圖，其工作原理是：環(huán)形分配器輸出的正脈沖將T1，T2導通，由于U1電壓較高，繞組回路又沒串電阻，所以繞組電流迅速上升，當繞組電流上升到額定值以上的某一數(shù)值時，由于采樣電阻Re的反饋作用，經(jīng)整形、放大后送自T1的基極，使T1管截止。接著繞組由U2低壓供電，繞組中的電流立即下降，但剛降到額定值以下時，由于采樣電阻Re的反饋作用，使整形電路無信號輸出，此時高壓前置放大電路又使T1導通，電流又上升。如此反復進行，形成一個在額定電流值上下波動呈鋸齒狀的繞組電流波形（見圖），近似恒流。

高壓前置放大低壓前置放大控制門整形U1U1VD1U2VD2T1RT2RaLRe恒流斬波驅動電路原理圖輸入287.4伺服電機原理與驅動一.電機分類

297.4伺服電機原理與驅動二.伺服電機原理

交流永磁同步電機1.直流電機(圖a)定子是永磁/勵磁線圈,轉子有繞組,轉子通電產(chǎn)生磁力使轉子轉動,有換向器保證產(chǎn)生方向不變的電磁力.缺點:有換向器,換向時有火花,影響電機的高速性能轉子線圈產(chǎn)生的熱