1、直流電機(jī) 與步進(jìn)電機(jī),熊磊（組長） 陸斌 趙建龍 唐星,直流電機(jī),定義：輸出或輸入為直流電能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，稱為直流電機(jī)，它是能實(shí)現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的電機(jī)。當(dāng)它作電動機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流電動機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。直流電機(jī)在數(shù)控機(jī)床、光纜線纜設(shè)備、機(jī)械加工、印制電路板設(shè)備、焊接切割、機(jī)車車輛、醫(yī)療設(shè)備、通訊設(shè)備、衛(wèi)星地面接受系統(tǒng)等行業(yè)廣泛應(yīng)用。 分類：按結(jié)果主要分為直流電動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)；按類型主要分為直流有刷電機(jī)和直流無刷電機(jī)；直流電機(jī)的勵磁方式是指對勵磁繞組如何供電、產(chǎn)生勵磁磁通勢而建立主磁場的問題。按勵磁方式主要分為他勵直流電機(jī)、并勵直流電機(jī)

2、 、串勵直流電機(jī)和復(fù)勵直流電機(jī)。,直流電機(jī)的PWM控制系統(tǒng)模塊圖,由設(shè)定值計(jì)數(shù)器、鋸齒波發(fā)生器和數(shù)字比較器構(gòu)成了PWM信號的產(chǎn)生電路： 當(dāng)U/D=1時(shí)，輸入CLK2，設(shè)定值計(jì)數(shù)器輸出值增加，使得PWM的占空比增加，電機(jī)加速。反正，U/D=0時(shí)，電機(jī)變慢。 在鋸齒波計(jì)數(shù)器的CLK0的作用下輸出周期性線性增加的鋸齒波。 經(jīng)過數(shù)字比較器時(shí)，當(dāng)計(jì)數(shù)值小于設(shè)定值時(shí)，則數(shù)字比較器輸出低電平，反之，輸出高電平，由此產(chǎn)生PWM波形。,直流電機(jī)的PWM控制頂層電路圖,示例程序和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)課件位置：EDA_BOOK3_FOR_1C6chpt13EXPT13_4_MOTO工程：step_a,示例程序和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)課件位置

3、：EDA_BOOK3_FOR_1C6chpt13EXPT13_4_MOTO工程：step_a,其中：比較器的cmp3模塊，與步進(jìn)電機(jī)電路中的比較器模塊是相同的。,CNT5是一個(gè)5位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，作為脈寬計(jì)數(shù)器；DECD是一個(gè)轉(zhuǎn)速控制模塊，改變其輸出值，就等于改變PWM輸出信號的占空比；CLK5是計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端，對轉(zhuǎn)速進(jìn)行了32級細(xì)分。,示例程序和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)課件位置：EDA_BOOK3_FOR_1C6chpt13EXPT13_4_MOTO工程：step_a,旋轉(zhuǎn)方向控制電路由兩個(gè)2選1多路選擇器組成?！癝TART”鍵通過與門來控制PWM的輸出，從而達(dá)到控制電機(jī)的開關(guān)。,直流電機(jī)結(jié)構(gòu),直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)

4、應(yīng)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由主磁極、換向極、軸承和電刷等組成。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器等組成。,PWM是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，從而改變負(fù)載兩端的電壓，進(jìn)而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。PWM可以應(yīng)用在許多方面，如電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等。在PWM驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長短。通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占

5、空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。,在脈沖作用下，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，速度增加；電機(jī)斷電時(shí)，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電的時(shí)間，即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為Vmax，設(shè)占空比為D=tT，則電機(jī)的平均速度為Vd=VmaxD 式中， Vd 電機(jī)的平均速度；Vmax電機(jī)全通電時(shí)的速度(最大)；D=t1T占空比。當(dāng)我們改變占空比D=t1T時(shí)，就可以得到不同的電機(jī)平均速度Vd ，從而達(dá)到調(diào)速的目的。在一般應(yīng)用中，可以將平均速度Vd與占空比D近似地看成線性關(guān)系。,步進(jìn)電機(jī),步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電控制中一種常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，

6、在自動化儀表、自動控制、機(jī)器人、自動生產(chǎn)流水線等領(lǐng)域的應(yīng)用相當(dāng)廣泛。它的用途是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移，通俗的說：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個(gè)固定的角度（步進(jìn)角）。通過控制脈沖個(gè)數(shù)即可控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 常用的步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM）、反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）。永磁式一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角為15 和7.5；反應(yīng)式一般為三相，可以實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角為1.5 ，但噪聲和震動較大；混合式是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)，分為兩相和五相，步進(jìn)角分別為1

7、.8 和0.72 ，應(yīng)用最為廣泛。,步進(jìn)電機(jī)的控制方式,根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動原理，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個(gè)固定的角度（稱為步進(jìn)角），它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的 。 可以通過控制一個(gè)周期內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。 可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。,步進(jìn)電機(jī)的單向旋轉(zhuǎn)控制電路,4節(jié)拍分配器 ADDER1,步進(jìn)電機(jī)的單向旋轉(zhuǎn)控制電路,DEC2源代碼,步進(jìn)電機(jī)的雙向旋轉(zhuǎn)控制方式,根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動原理，逆轉(zhuǎn)各項(xiàng)脈沖的順序即可使步進(jìn)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。,步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動控制原理,當(dāng)電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)

8、，由于相序轉(zhuǎn)換造成的速度沖擊和慣性，電機(jī)轉(zhuǎn)子在平衡位置反復(fù)振蕩，影響運(yùn)行精度。并產(chǎn)生比較大的噪音。,有兩種方法解決這個(gè)問題： 一種方法就是增加步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)，減少轉(zhuǎn)子在相序變換時(shí)轉(zhuǎn)過的角度； 另一種方法就是1975年美國學(xué)者T.R.Fredriksen提出步進(jìn)電機(jī)步距角細(xì)分控制方法。實(shí)踐證明，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動控制技術(shù)可以減小步進(jìn)電機(jī)的步距角，提高電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，增加控制的靈活性等。,步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動控制原理,“細(xì)分驅(qū)動”概述,一、概念： 將“電機(jī)固有步距角”細(xì)分成若干小步的驅(qū)動方法，稱為細(xì)分驅(qū)動，細(xì)分是通過驅(qū)動器精確控制步進(jìn)電機(jī)的相電流實(shí)現(xiàn)的，與電機(jī)本身無關(guān)。其原理是，讓定子通電相電流并不

9、一次升到位，而斷電相電流并不一次降為0（繞組電流波形不再是近似方波，而是N級近似階梯波），則定子繞組電流所產(chǎn)生的磁場合力，會使轉(zhuǎn)子有N個(gè)新的平衡位置（形成N個(gè)步距角）。 二、最新技術(shù)發(fā)展： 國內(nèi)外對細(xì)分驅(qū)動技術(shù)的研究十分活躍，高性能的細(xì)分驅(qū)動電路，可以細(xì)分到上千甚至任意細(xì)分。目前已經(jīng)能夠做到通過復(fù)雜的計(jì)算使細(xì)分后的步距角均勻一致，大大提高了步進(jìn)電機(jī)的脈沖分辨率，減小或消除了震蕩、噪聲和轉(zhuǎn)矩波動，使步進(jìn)電機(jī)更具有“類伺服”特性。,步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動控制原理,“細(xì)分驅(qū)動”概述,二、最新技術(shù)發(fā)展： 對實(shí)際步距角的作用：在沒有細(xì)分驅(qū)動器時(shí)，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來滿足自己對步距角的要求。如果

10、使用細(xì)分驅(qū)動器，則用戶只需在驅(qū)動器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以大幅度改變實(shí)際步距角，步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)對改變實(shí)際步距角的作用幾乎可以忽略不計(jì)。 1. 采用細(xì)分技術(shù)與步進(jìn)電機(jī)精度提高的關(guān)系：步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)，其主要目的是減弱或消除步進(jìn)電機(jī)的低頻振動，提高電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度只是細(xì)分技術(shù)的一個(gè)附帶功能。細(xì)分后電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)對每一個(gè)脈沖的分辨率提高了，但運(yùn)轉(zhuǎn)精度能否達(dá)到或接近脈沖分辨率還取決于細(xì)分驅(qū)動器的細(xì)分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細(xì)分驅(qū)動器精度可能差別很大；細(xì)分?jǐn)?shù)越大精度越難控制。,步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動控制原理,“細(xì)分驅(qū)動”概述,二、最新技術(shù)發(fā)展： 2. 真正的細(xì)分對驅(qū)動器要有相當(dāng)高的

11、技術(shù)要求和工藝要求，成本亦會較高。國內(nèi)有一些驅(qū)動器采用對電機(jī)相電流進(jìn)行“平滑”處理來取代細(xì)分，屬于“假細(xì)分”，“平滑”并不產(chǎn)生微步，會引起電機(jī)力矩的下降。真正的細(xì)分控制不但不會引起電機(jī)力矩的下降，相反，力矩會有所增加。,步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動控制原理,方案一： 為了使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)，我們可以設(shè)想在電磁矢量A與B之間插入n步，每步轉(zhuǎn)過的角度： =90/n 當(dāng)插入第一步時(shí)，矢量轉(zhuǎn)過角度，這時(shí)： A 相電流=A cos B 相電流=Bsin 插入第二步時(shí)，矢量轉(zhuǎn)過2角度，這時(shí): A相電流=Acos2 B相電流=Bsin2 以此類推，但要保證角度的均分。,步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動控制原理,方案一： 同樣，B

12、C，C D，D A，各步轉(zhuǎn)換時(shí)同樣插入n步。 從以上分析可以看出，如果要在兩步之間插入若干步，只要控制電機(jī)繞組的電流生成若干個(gè)臺階即可，但為了保證運(yùn)行精度，每個(gè)臺階上的電流精度須得到保證，臺階數(shù)也必須為整數(shù)。,步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動控制原理,方案二： 通過改變脈沖的占空比，改變高電平的存在時(shí)間，從而減小相序變化的大小 。,步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動控制原理,方法二：通過改變脈沖的占空比，改變高電平的存在時(shí)間，從而減小相序變化的大小。,細(xì)分控制的基本思想是以正弦波作為步進(jìn)電機(jī)每相的輸入，每相間隔四分之一個(gè)周期，但是由于步進(jìn)電機(jī)僅允許直流電輸入，為達(dá)到該目的，教材上提出梯形電流作為每相的控制電流。由于每相電流

13、是一個(gè)數(shù)字量，并且只能在0、1之間變換，不可能實(shí)現(xiàn)梯形電流。因此，在具體實(shí)驗(yàn)中，采用PWM的方法模擬出梯形電流。 脈沖寬度調(diào)制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制。脈寬調(diào)制是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。,步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動控制原理,方法二：通過改變脈沖的占空比，改變高電平的存在時(shí)間，從而減小相序變化的大小。,簡而言之，PWM是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個(gè)具體模擬信號的電平進(jìn)行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，