第15讲 伺服驱动技术5

伺服驱动技术
②永磁式步进电动机 永磁式步进电动机一般为两相，转矩和体积较小 ，步进角一般为7.5°或15°。永磁式步进电动机输出 力矩大，动态性能好，但步距角大。
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③ 混合式步进电动机 混合式步进电动机综合了反应式步进电动机和永磁
式步进电动机的优点，它的步距角小，出力大，动态性
能好，是目前性能最高的步进电动机。它又分为两相和 五相：两相步进角一般为1.8°，五相步进角一般为 0.72°。这种步进电动机的应用最为广泛。
五、步进电动机及其驱动控制方式
2.步进电动机的工作原理
定子的通电方式： 单相轮流通电（M相M拍）
顺时针轮回 A→B→C→A
逆时针轮回 A→C→B→A
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定子通电顺序： A→B→C→A 转子旋转方向： 顺时针 步距角：
θb = 60°
转子齿数2
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定子通电顺序：
A→C→B→A
转子旋转方向：
机电一体化系统
同学们:今天我们来学习机电一体化系统课 程中伺服驱动技术这部分内容。上一讲,我
们讲述了伺服驱动技术的第四点：交流伺
服系统组成及其控制方式,接下来我们讲第 五点：步进电动机及其驱动控制方式。
五、步进电动机及其驱动控制方式
1.步进电动机的结构
（1）步进电动机的定义
步进电动机是一种将电脉冲信号 转换成机械位移的机电执行元件。每 来一个电脉冲，步进电机转动一定角 度，带动机械移动一小段距离。
主要由脉冲分配器和功率放大电 路组成。
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步进电动机驱动电路框图
五、步进电动机及其驱动控制方式
3.步进电动机驱动控制方式
（2）步进电动机的脉冲分配器
步进电动机的脉冲分配器可由硬 件或软件方法来实现。
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硬件环形分配器：
由计数器等数字电路组成的。有较好的响应速
度，且具有直观、维护方便等优点。
软件环形分配器：
由计算机接口电路和相应的软件组成的。受到
微型计算机运算速度的限制，有时难以满足高速
实时控制的要求。
五、步进电动机及其驱动控制方式
3.步进电动机驱动控制方式
（3）单片机控制步进电动机的 驱动与控制方法
① 脉冲序列的生成
脉冲周期的实现：
脉冲周期=通电时间+断电时间。
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通电时，单片机输出高电平使开关闭合；断电时，单 片机输出低电平使开关断开。对于通电和断电时间的控制， 可以用定时器，也可以用软件延时。周期决定了步进电动 机的转速；占空比决定了功率。
机械系统匹配，这样可以得到机床所需
的脉冲当。
在机械传动过程中为了使得有更 小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的 导程，二是可以通过步进电机的细分 驱动来完成。 但细分只能改变其分 辨率，不改变其精度。精度是由电机 的固有特性所决定。
选择功率步进电机时，应当估算 机械负载的负载惯量和机床要求的启 动频率，使之与步进电机的 惯性频 率特性相匹配还有一定的余量，使之 最高速连续频率能满足机床快速移动 的需要。
下面我们主要讨论反应式步进电动机、永 磁式步进电动机 及 混合式步进电动机特点。
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①反应式步进电动机 反应式步进电动机一般为三相，可实现大转矩输
出，步进角一般为1.5°，但噪声和振动都很大。反应
式步进电动机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有
多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。 反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距 角小，但动态性能差。
五、步进电动机及其驱动控制方式
1.步进电动机的结构
（3）步进电动机的结构
步进电动机的结构形式虽然繁 多，但工作原理基本相同。下面仅以
三相反应式步进电动机为例来说明。
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步进电机内部结构
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步进电机内部结构
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反应式步进电机的内部结构横剖面示意图
五、步进电动机及其驱动控制方式
选择步进电机时，首先要保证 步进电机的输出功率大于负载所需 的功率。而在选用功率步进电机时， 首先要计算机械系统的负载转矩， 电机的矩频特性能满足机械负载 并有一定的余量保证其运行可靠。
在实际过程中，各种频率下的负载
力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一 般地说最大静力矩大的电机，负载力矩 大。 选择步进电机时，应使步距角和
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脉冲序列图解
五、步进电动机及其驱动控制方式
3.步进电动机驱动控制方式
（3）单片机控制步进电动机的 驱动与控制方法 ② 方向控制
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单片机控制步进电动机的方向控制
旋转方向与内部绕组的通电顺序有关，步进电动
机方向信号指定各相导通的先后次序，用以改变步进 电动机旋转方向。控制步进电动机转向如果给定工作 方式正序换相通电，步进电动机正转；如果按反序通 电换相，则电动机反转。
1.步进电动机的结构
（3）步进电动机的结构
定子：由定子铁心、绕组、绝缘材料
等组成。 转子：由转子铁心、转轴等组成。转
子铁心是由硅钢片或软磁材料叠压而成
的齿形铁心。
五、步进电动机及其驱动控制方式
1.步进电动机的结构
2.步进电动机的工作原理
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步进电动机工作原理图
对于上述三相反应式步进电动机， 其运行方式有单三拍、单双拍及双三
逆时针
步距角：
θb = 60°
转子齿数2
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三相单三拍步进电动机工作原理动画
五、步进电动机及其驱动控制方式
2.步进电动机的工作原理
定子的通电方式： 单双相轮流通电（M相M拍）顺 时针轮回
A→AB→B→BC→C→CA→A
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定子通电顺序： A→AB→B→BC→C→CA→A 转子旋转方向： 顺时针
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步进电动机特点: ① 来一个脉冲，转一个步距角。
② 控制脉冲频率，可控制电机转速。
③ 改变脉冲顺序，可改变转动方向。
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步进电动机实物图
五、步进电动机及其驱动控制方式
1.步进电动机的结构
（2）步进电动机的分类
步进电动机种类很多，按工作原理分
，有反应式、永磁式、混合式三种；按输 出转矩大小分，有快速步进电动机、功率 步进电动机；按励磁相数分，有二相、三 相、四相、五相、六相、八相等。
同学们: 本讲伺服驱动技术 （5）这部分的内容我们就讲
到这里,同学们再见!
步进电机驱动器实物图
伺服驱动技术
步进电机驱动器实物图
五、步进电动机及其驱动控制方式
1.步进电动机的结构
2.步进电动机的工作原理
3.步进电动机驱动控制方式
4.步进电动机的选用
步进电机是机电一体化产品中关键部 件之一，通常被用作定位控制和定速控 制。步进电机惯量低、定位精度高、无 累积误差、控制简单等特点。广泛应用 于机电一体化产品中，如：数控机床、 包装机械、计算机外围设备、复印机、 传真机等。
五、步进电动机及其驱动控制方式
3.步进电动机驱动控制方式
（3）单片机控制步进电动机的 驱动与控制方法
③ 转速控制
周期决定了步进电动机的转速，如果 给步进电动机发一个控制脉冲，它就转一 步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个 脉冲的间隔越短，步进电动机转得越快。
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步进电机驱动器实物图
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步距角：
转子齿数2
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三相六拍步进电动机工作原理动画
五、步进电动机及其驱动控制方式
2.步进电动机的工作原理
步进动电机的转速为：
五、步进电动机及其驱动控制方式
1.步进电动机的结构
2.步进电动机的工作原理
3.步进电动机驱动控制方式
五、步进电动机及其驱动控制方式
3.步进电动机驱动控制方式
（1）驱动电源的组成
拍等通电方式。其中
“单”“双”“拍”的意思如下：
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“单”是指每次切换前后只有一相绕组通电。 “双”是指每次切换前后有两相绕组通电。
“拍”是指从一种通电状态转换到另一种通电状态。
步距角：步进电机的定子绕组每改变一次通电状态， 转子转过的角度称步距角。
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式中：m －定子相数 Z － 转子齿数 C －通电方式 C = 1 单相轮流通电、双相轮流通电方式 C = 2 单、双相轮流通电方式