机电控制系统第六章

60 fθ b 60 × 600 ×1.5 n= = = 150(rpm) 360 360
6.3 步进电机的驱动
电
A相驱动驱动电路
C相驱动电路
环形分配器的作用： 环形分配器的作用：把脉冲信号按状态转换表的状态顺序产生 各相的控制信号，每来一个脉冲，环形分配器就转换一次， 各相的控制信号，每来一个脉冲，环形分配器就转换一次，因此步 进电机转速、正反转、起停完全取决于脉冲的频率和有无。 进电机转速、正反转、起停完全取决于脉冲的频率和有无。 驱动电路的作用：把环形分配器输出的各相绕组导通、 驱动电路的作用：把环形分配器输出的各相绕组导通、截止信号 放大、产生电机工作所需的激磁电流 电流。 放大、产生电机工作所需的激磁电流。
6.1 步进电机的工作原理 ——认识 认识
1. 步进电机动作特征的认识
步进电机的速度相对时间不是恒定的， 步进电机的速度相对时间不是恒定的， 所以单位轴转角△ 随时间不是直线增加 随时间不是直线增加， 所以单位轴转角△θ随时间不是直线增加， 而是不连续且分散的值，因此称为数字性。 而是不连续且分散的值，因此称为数字性。
6.2 步进电机的特点与性能指标 步进电机的特点与性能指标——技术指标 技术指标
最大静态位置误差： 最大静态位置误差：当负载转矩作用在步进电机 为了使转子保持平衡， 上，为了使转子保持平衡，此时转子所停留的位 置与励磁所要求的位置存在一定的偏差， 置与励磁所要求的位置存在一定的偏差，这就是 负载转矩产生的静态位置误差
6.2 步进电机的特点与性能指标 步进电机的特点与性能指标——技术指标 技术指标
2. 步进电机的主要技术指标 步距角：每给一个电脉冲信号，电机转子所转过 步距角：每给一个电脉冲信号， 的角度的理论值
360 θb = mNC
矩角特性： 矩角特性：不改变通电状 态时电磁转矩与转子位置间 的关系曲线， 的关系曲线，转子位移不超 过转子齿距的一半时， 过转子齿距的一半时，能够 回到正确的步进位置。 回到正确的步进位置。 通常， 通常，未磁饱和时反应 式步进电机的转矩与相电流 的平方呈正比， 的平方呈正比，混合式步进 电机的转矩与相电流呈线性 比例关系
6.1 步进电机的工作原理 ——VR型原理 型原理
感应子式步进电机与传统反应式步进电机相比： 感应子式步进电机与传统反应式步进电机相比： 结构上的改进： 结构上的改进： 转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点， 转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定 子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点 的耗能。 的耗能。 特点： 特点： 该电机效率高，电流小，发热低。 该电机效率高，电流小，发热低。 因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势， 因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自 尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、 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。 噪音低、低频振动小。
6.3 步进电机的驱动
i1
导通时，电压平衡方程为：
U = i1 RL + L di1 +E dt 假设电机堵转，E = 0, 解方程得：
U/RL
t
t U i1 = (1 e τ ) RL
TL
其中，τ =
L 电气时间常数 RL
关断时，电压平衡方程为：
di2 +E dt 假 E = 0, 解 程 ： 设 方 得 0 = i2 RL + L i2 = i1e τ
6.2 步进电机的特点与性能指标 步进电机的特点与性能指标——缺点和适用场合 缺点和适用场合 步距角是固定的， 步距角是固定的，在步进分辨率方面缺乏灵活性 在单步响应中， 在单步响应中，有较大的超调量和振荡 过载能力较差， 过载能力较差，过载时易丢步 输出功率较小，对于需要大电流的大功率电机， 输出功率较小，对于需要大电流的大功率电机，控制装 置和功率放大器都变得复杂、笨重、不经济， 置和功率放大器都变得复杂、笨重、不经济，所以步进电 机的尺寸和功率都不大 运动时发生共振， 运动时发生共振，需要加入阻尼机构或其他补救措施 目前主要用于开环， 目前主要用于开环，闭环控制时所用元件和线路比较复 杂 不能把步进电机直接接到直流电源上， 不能把步进电机直接接到直流电源上，必须配有驱动电 而驱动定路复杂、 路，而驱动定路复杂、成本较高 总之，步进电机主要用于功率要求不大， 总之，步进电机主要用于功率要求不大，负载波动范 围不大，控制精度要求不是很高，尤其应该指出的是， 围不大，控制精度要求不是很高，尤其应该指出的是，对 于负载较小的点位控制系统，可以优先选用。 于负载较小的点位控制系统，可以优先选用。
6.1 步进电机的工作原理 ——VR型原理 型原理
从A相励磁时的稳定状 态切换到B相通电， 态切换到B相通电，则转子 转过15 15—— 一个步距角 转过15
θb = 15
步距角计算： 步距角计算：
360 θb = mNC
m 为励磁相数 N 为转子的齿数
为通电状态系数， C 为通电状态系数， 单三拍时为1； 单三拍时为 ； 为步距角细分提供了原始思路 三相六拍时为2 三相六拍时为
6.1 步进电机的工作原理 步进电机的工作原理——种类 种类
2. 步进电机的种类
VR型步进电机 型步进电机——Variable Reluctance 型步进电机 亦称变磁阻步进电机 反应式步进电机
PM型步进电机 型步进电机——Permanent Magnet 型步进电机 亦称永磁式步进电机 HB型步进电机 型步进电机——Hybrid 型步进电机 亦称混合式步进电机、 亦称混合式步进电机、感应子式步进电机 还可还运动形式分 旋转型步进电机 直线型步进电机
第六章 步进电机驱动与控制
6.1 步进电机工作原理
照片
接线图
矩频特性
6.1 步进电机的工作原理
1. 步进电机动作特征的认识
步进电机是将电脉冲信号转变为固定角位移或线位移的控制 元件。 元件。 在非超载的情况下，电机的转速、 在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲 信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响， 信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一 个脉冲信号，电机则转过一个步距角。 个脉冲信号，电机则转过一个步距角。 当连续供给电脉冲，步进电机就一步一步地连续转动，因此， 当连续供给电脉冲，步进电机就一步一步地连续转动，因此， 命名为步进电机。 命名为步进电机。 步进电机的位移量与输入的脉冲数量严格成正比， 步进电机的位移量与输入的脉冲数量严格成正比，转速与脉 冲频率成正比。 冲频率成正比。 转向与电机各相绕组的通电顺序有关。 转向与电机各相绕组的通电顺序有关。 只需开环控制，偶尔可以通过闭环控制提高精度。 只需开环控制，偶尔可以通过闭环控制提高精度。
6.2 步进电机的特点与性能指标 步进电机的特点与性能指标——技术指标 技术指标
举例： 三相反应式步进电机为A-B-C-A送电方式时，电机顺 时针方向旋转，步距角1.5，请填入正确答案： 顺时针转，步距角0.75 ，送电方式应为： (A→AB→B→BC→C→CA→A) 逆时针转，步距角0.75 ，送电方式应为： (A←AB←B←BC←C←CA←A) 顺时针转，步距角1.5 ，送电方式应为： (A→B→C→A)或(AB→BC→CA→AB )
6.2 步进电机的特点与性能指标 步进电机的特点与性能指标——优点 优点
1. 步进电机的特点 实现位置和速度的开环控制： 实现位置和速度的开环控制：位置等于总输入脉 冲个数； 冲个数；速度正比于输入脉冲的频率 天生具有数字控制系统元件的特点 位置误差不积累 具有自锁能力 可以超低速度运行， 可以超低速度运行，不用减速器 抗干扰能力强，即在负载能力范围内， 抗干扰能力强，即在负载能力范围内，转角和转 速不受电压大小、负载波动的影响， 速不受电压大小、负载波动的影响，也不受环境 温度、冲击、振动的影响，仅与频率、脉冲数、 温度、冲击、振动的影响，仅与频率、脉冲数、 步距角有关 若用同一频率的脉冲电源控制几台步进电机， 若用同一频率的脉冲电源控制几台步进电机，可 以实现多个电机的同步
各参数定义如前
电磁转矩 最大静转矩 2/3额定电流 1/3额定电流
失调角 稳定点
6.2 步进电机的特点与性能指标 步进电机的特点与性能指标——技术指标 技术指标
最大静转矩：步进电机在规定的通电相数下， 最大静转矩：步进电机在规定的通电相数下，矩 角特性曲线上的转矩最大值 额定电流：电动机静止时， 额定电流：电动机静止时，每一相绕组允许通过 的最大电流 额定电压：驱动电源应供给的电压， 额定电压：驱动电源应供给的电压，一般不等于 加在绕组两端的电压 启动频率：步进电机不失步启动的最高频率， 启动频率：步进电机不失步启动的最高频率，通 常是指空载启动 运行频率：步进电机启动后， 运行频率：步进电机启动后，不失步所达到的最 高频率， 高频率，通常是指空载运行 启动矩频特性：在负载惯量一定情况下， 启动矩频特性：在负载惯量一定情况下，启动频 率随负载转矩变化的特性
6.1 步进电机的工作原理 ——BM型原理 型原理
BM型步进电机工作原理 4. BM型步进电机工作原理 通电方式： 通电方式： 正转： 正转：A→B →C →D… 反转：D→C →B →A… 反转：
360° θb = mp
p 为极对数（极数/2） 为极对数（极数/2 /2）
转子是2 极对数１ 永久磁铁， 转子是2极（极对数１）永久磁铁， 定子上4组线圈连接成四相式：A→B→C→D， 定子上4组线圈连接成四相式：A→B→C→D， 转子每次向顺时针方向旋转90 转子每次向顺时针方向旋转90
6.2 步进电机的特点与性能指标 步进电机的特点与性能指标——技术指标 技术指标
运行矩频特性：在一定的负载力矩下， 运行矩频特性：在一定的负载力矩下，运行频率 和负载转矩之间的关系 惯频特性：在负载力矩一定时，频率和负载惯量 惯频特性：在负载力矩一定时， 之间的关系。 之间的关系。惯频特性分为启动惯频特性和运行 惯频特性。 惯频特性。如图所示