第三章 步进电动机的控制.ppt

第三章 步进电动机的控制,3.1.1 结构特点 由两大部分构成：定子和转子。,1)定子由硅钢片叠成，六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。定子三相绕组联接方式：Y 型,A,B,C,定子,转子,2)转子用硅钢片叠成或软磁性材料做成的凸极结构。,3.1 步进电机的结构与工作原理,步进电动机由环形分配器送来电脉冲，对多相定子绕组轮流励磁，利用电磁铁原理，每来一个电脉冲，电机转动一个角度，将脉冲信号转换成角位移。,A 相通电， A 方向的磁通经转子形成闭合回路。磁力线力图走磁阻最小的路径，若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁化吸引，使转、定子的齿对齐，使得通电相磁路的磁阻最小。,A 相通电使转子1、3齿和 AA 对齐。,(1)其电源型式既不是正弦波，也不是恒定直流，而是脉冲电压/电流，每来一个脉冲，转子转过 一定角度,此角称为步距角，角位移与脉冲数成正比。 (2)控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)改变通电相序，可改变转向。,特点：,反应式步进电机的转子用硅钢片叠成，其上没有励磁线圈，结构和原理简单。 电磁式步进电机的转子上有励磁线圈。 混合式步进电动机转子为永磁材料，在同样的励磁电流下，可以产生更大的转矩，效率高，电流小，发热低。,3.1.2 步进电动机分类,目前混合式步进电动机在数控机床等领域得到了广泛的应用。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。,步进电机的工作方式可分为： 三相单三拍、三相六拍、三相双三拍等。,“单”每次只有一相绕组通电； “双”每次有两相绕组通电； “拍”通电次数（即从一种通电状态转到另一种通电状态）。,3.1.3 工作原理,注意：这里的相和三相交流电中的“相”的概念不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图的联接和组数的区别。,这种工作方式，三相绕组中每次只有一相通电，一个循环周期共包括三个脉冲。,（1）三相绕组中的正向通电顺序为：,（1）、三相单三拍,三相单三拍的特点：,（1）电流换接三次，磁场转一周，转子前进一个齿距角90 （90 3b ）； l齿距 （Z转子齿数） （2）步距角用b表示， b =30 ； l步距角 m相数 （K状态系数，单拍时，K=1；单双拍时，K2） (3)控制脉冲频率，可控制电机转速。 l转速 f：电脉冲的频率,(4)改变通电顺序即可改变转子的旋转转向； (5)单三拍通电方式每次只有一相绕组通电，容易使转子在平衡位置附近振荡，并且在换相时，一相断电一相开始通电，容易造成失步。,（2）三相单双六拍,通电顺序为： AABBBCCCAA 共六拍。 每个循环周期有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为15。,工作过程：,1、A相通电： 2、A、B相同时通电： 3、B相通电：,转子1、3齿和A相对齐。,（1）BB 磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针方向转动； （2）AA 磁场继续对1、3齿有拉力。所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通电，转子转了15。,转子2、4齿和B相对齐，又转了15。,（3）三相双三拍,通电顺序为： AB BC CA AB 共三拍。步距角也为30。,以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。,3.1.4 小步距角的步进电动机,实际采用的步进电机的步距角多为小步距角，步距角越小，机加工的精度越高，为产生小步距角，定、转子都做成多齿的。,*图中转子40个齿，定子仍是 6个磁极，但每个磁极上也有五个齿。 *转子的齿距等于360/ 40=9 ，齿宽、齿槽各4.5 。 *为使转、定子的齿对齐，定子磁极上小齿的齿宽/齿槽和转子相同。,1、工作原理：(假设是单三拍通电工作方式),（1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对齐。此时，B相转子和定子相差 1/3 个齿（3），C相转子、定子差2/3个齿（6）。 因为，B 相和 A 相空间差120，含120/9 = 齿。A 相和 C 相差240，含240/ 9 = 个齿。，,（2）A 相断电、B 相通电后，转子只需转过1/3个齿（既3），使 B 相转子、定子齿对齐。 （3）同理，C 相通电再转3 若工作方式改为三相六拍，则每换一相电脉冲，转子只转 1.5 。,当一相磁极下定子与转子的齿相对时，下一相磁极下定子与转子齿的位置刚好错开 （ 齿距，m相数）。,1、步距角及静态步距角误差,3.2 步进电动机的主要技术指标及运行特性,步距角 步进电动机的主要性能指标之一，步距角越小，机加工的精度越高。 静态步距角误差是实际步距角与理论步距角之间的误差。 累积误差是指在一圈范围内，转子从任意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之间的最大值。电动机转一周，其积累误差应为零。 按静态步距角误差，步进电动机的精度分为两级。,3.2.1 步进电动机的主要技术指标,静特性是指在稳定状态（通电状态不变，转子保持不动的定位状态）时的特征，包括静转距、距角特性及静态稳定区。 A）静转距：电动机处于稳定状态下的电磁转距。它是绕组内电流与失调角的函数。 在稳定状态下，若无负载，转子齿与定子齿对齐，处于初始平衡状态，电磁转矩为0。若在转子加一负载转距，转子齿要偏离初始位置，转过一个角度，这时定转子之间产生的电磁转矩，此转矩克服负载转矩达到平衡，转子停在一个新的平衡点，这时电动机的电磁转距即为静态转矩。,2、静特性：,近似一条正弦曲线。 时，T达到最大静转矩 （定、转子齿错开1/4齿距）。 反映了步进电动机带负载的能力，负载转矩（0.30.5）,转子偏转角 ：空间角。 电角度 空间角度的Z倍，即 。 矩角特性反映步进电动机电磁转距T随偏转角 变化的关系，,显然当转子加上负载后，其静稳定区在-/2/2之间。当负载转矩是脉动时，转子的失调角将随负载变化而变化，可以看见转子在作轻微的晃动，这种现象是正常的，步矩角越小，晃动范围越小，对数控系统精度的影响也就越小。 当多相通电时，矩角特性可由单项矩角特性以矢量和的方式算出，当绕组数大于3时，多相通电多数能提高静态转矩（见表）。功率较大的步进电动机多数采用大于三相的励磁绕组，而且多相通电。,图为三相单三拍矩角特性曲线，图中的A、B分别是相邻A相和B相的静态矩角特性曲线，它们的交点所对应的转矩是步进电机的最大启动转矩。,如果外加负载转矩大于最大启动转矩，电机就不能启动。,3、最大启动转矩,起动频率fst是指步进电动机不失步起动所能施加的最高控制脉冲频率。 Fst的大小与驱动电路和负载大小有关，在电动机空载情况下，成为空载起动频率。在有负载情况下，不失步起动所允许的最高起动频率将大大降低。 因为在启动时，加速度很大，在有加速度的场合就有转动惯量负载，所以起动负载包括负载转矩和转动惯量。 步进电动机起动后，连续缓慢提高脉冲频率直到不丢步运行的最高频率称为运行频率fc。 fc比起动频率Fst大得多。因此步进电动机常采用升降速控制，起停时频率降低，正常运行时，频率升高。,4、起动频率和起动特性,步进电动机进入连续运行状态时，电机产生的转距，称为动态转距。 步进电机的最大动态转距和脉冲频率的关系，称为距频特性。 步进电机的动态转距随着脉冲频率的升高而降低。在使用时，一定要考虑此特点。,5、 距频特性,步进电机运行速度不高，一般用在600r/min以下的场合。,(a) 频率很低（接近矩形波）； (b) 频率增高（波形畸变）； (c) 频率很高（I 下降到 I/ ）。 故f过高使步进电动机 启动不起来； 运行时失步而停下。,脉冲信号频率对运行的影响：,提高步进电机距频特性的方法： A、设法减小控制绕组的电气时间常数（=L/R）。 B、采用双电压供电：即在控制绕组电流上升阶段由高电压供电，以缩短达到稳定的时间，然后再改为低电压供电以维持其电流值。对驱动电路提出要求。,70BF3 电机外径70mm，反应式步进电机，励磁绕组相数3相 42BYG008 电机外径42mm，永磁感应式（混合式）步进电机，代号8 140BY005 电机外径140mm，永磁式步进电机，励磁绕组相数5相,6、 步进电机型号,（1）脉冲频率极低时连续的单步运动。 电动机由一个稳定点变化到另一个稳定点时，转子要在新的稳定点附近来回振荡若干次才稳定下来。当第二个脉冲还没到来时，前一次的脉冲已经完毕，转子处在稳定位置，每一步都和单步运动一样。这种状态易使步进电动机低频振荡。 （2）脉冲频率升高，这时脉冲间隔短，在前一步还没有振荡结束，后一个脉冲就已经来临，使步进电动机连续平滑的转动，转速比较稳定。 （3）低频共振，当脉冲频率介于两者之间，容易接近于电动机本身的振荡频率，产生强烈振动，甚至失步无法工作。这就是步进电动机低频共振丢步现象。措施：采用阻尼方法，消除或减弱步进电机的振荡。,3.2.2 步进电动机的运行特征,如何克服低速时的震动和噪声？,步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，一般可采用以下方案来克服： A.如步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比等机械传动避开共振区； B.采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的、最简便的方法； C.换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机； D.换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高；,（4.） 失步 在启动阶段，受机械惯性作用，转子落后于应转过的角度，一般会跟上来，严重（ ）时会启动不起来。 在运转时，因惯性作用，经过几次振荡后才停下来，严重时会引起失步，振荡失步。 制动或突然换相时，转子的平均速度大于旋转磁场的速度，造成过冲失步。,1 步进电机的结构和工作原理 步进电机的分类 步进电动机的主要技术指标 步进电动机的运行特性 步进驱动系统的概述（组成、各部分作用及基本实现）,复习,步距角整步/半步、细分 细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电流所产生，与电机无关。主要目的是减弱和消除步进电机的低频振动。 静态力矩静态参数是额定参数 了解失调角、距角特性 3 空载启动频率、运行频率 4 动态转矩和距频特性,步进电动机的主要技术指标,3.3 步进电机的驱动控制,步进电机的运行特性不仅与步进电机本身的特性和负载有关，而且与配套使用的驱动电源（驱动装置）有十分密切的关系。,脉冲分配有两种方式：一种是硬件脉冲分配，另一种是软件分配，是由计算机的软件完成的。,3.3.1 步进驱动系统组成,1、环形分配器 环形脉冲分配器的作用是将CNC出来的控制脉冲串按规定方式分配到各相绕组上。,硬件环形分配器,有专门的成熟的TTL和CMOS步进环形分配集成芯片，例：五相带细分功能的步进驱动芯片BY5064等。,在计算机控制的步进电动机驱动系统中，通常采用软件的方法实现环形脉冲分配。图是一个8031单片机五个引脚经过光电隔离与步进电动机驱动电路接口的框图。例设P1的某位为高电平时，相应的电动机相通电。,软件脉冲分配,把表中的数值按顺序存入内存的EPROM中，并分别设定表头的地址为TAB0。计算机的P1口按从表头开始逐步加1的顺序变化，电动机正相旋转，如果按从TAB5，逐步减1的顺序变化，电动机则反转。 通过改变延时时间的长短来控制电动机的速度。在以计算机为控制核心的经济型数控机床中采用软件进行脉冲分配已形成趋势。虽然软件脉冲分配增加了编程的复杂程度，但它省去了环形脉冲分配器，系统减少了器件，降低了成本，也提高了系统的可靠性。,环型脉冲分配器输出的电流很小，必需经过功率放大至几安培到几十安培的电流送至步进电机各绕组。 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。 驱动电路要求： 提高步进电动机的快速性； 提高步进电动机的平稳性。 过去常采用单电压简单驱动、高低压驱动电源，现在则多采用恒流斩波和调频调压等形式的驱动电源。,2、功率放大器,单电压限流型驱动电路,L为步进电机励磁绕组的电感，Ra为绕组电阻，Rc为外接电阻，电阻Rc并联一电容C，,VT（晶体管）无触点开关，使流过L的波形接近矩形波。 L（电动机绕组） L 中电流不能突变，经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。 R（串联电阻） ，缩短 上升的过渡时间，提高工作速度。 C（并联电容或加速电容）C上的电压不能突变，在截止到导通的瞬间，电源电压全落在绕组上， 。 V(二极管)VT截止时起续流和保护作用，以防绕组产生的反电势击穿。 RD（串联电阻） ，使 波形后沿变陡。,缺点：R上有功率损耗（快速性，R，功耗，限制使用这 种电路）。,高低压切换型驱动电路,这种电路特点是高压充电，低压维持。当环形分配器输出高电平时，两只功率放大管T1，T2同时导通，电机绕组以80V高压供电，绕组电流快速上升，前沿很陡，当接近额定电流时，单稳延时时间到，T1管截止，改由低压12V供电，维持绕组额定电流。若高低压之比为U1/U2，则电流上升也提高U1/U2倍，上升时间明显减小。当低压断开时，电感中储能通过构成的放电回路放电，因此也加快了放电过程。这种供电线路由于加快了绕组电流的上升和下降过程，有利于提高步进电机的启动频率和最高连续工作频率。由于额定电流是由低压维持的，只需较小的限流电阻，功耗小。该电路能在较宽的频率范围内有较大的平均电流，能产生较大且较稳定的电磁转矩，缺点是高低压电路波形连接处有凹形 ,采用高压和低压两种电压供电。 时间，VT1和VT2饱和导通，80V经过VT1和VT2加到L上， 。 到 时（定时方式）或 上升到某一数值（定流方式）， 为低电平，VT2截止，L的电流由12V电源经VT1维持， 到 I额。 到 时， 为低电平，VT1截止， ，I0。 由脉冲分配器经几级电流放大获得， 由单稳定时或定流装置再经脉冲变压器获得。 优点：功耗小，启动力矩大，突跳频率和工作频率高。 缺点：大功率管数量多用一倍，增加了驱动电源。,分频段调压控制,思考题：,步进电机连续运行时，为什么频率越高，电动机所能带的负载越小。 如何减小或消除步进电机的振荡现象？如何改善步进电机的高频性能和低频性能？,3.4 步进电动机的开、闭环控制,步进电机开环控制系统的组成（图319） 如何用单片机控制步进电机 1、步进电机步数的确定 2、步进电机控制速率的确定 3、步进电机加、减速控制升速时使脉冲串逐渐加密，减速时使脉冲串逐渐稀疏。,