机电一体化系统第6 执行装置及其控制-PPT精品文档

6.1.3 步进电动机的控制



步进电动机的驱动控制是通过弱电驱动强电来实现的。 1. 步进电动机的弱电控制 弱电部分实现了频率、数量和方向的变化，主要包括脉冲混 合电路、加减脉冲分配电路、加减速电路和环形分配器四个 部分。下面简要介绍各部分的作用。 (1)脉冲混合电路 无论是数控装置送来的插补进给信号、 齿补信号，还是手动进给、手动回原点信号等等，这些信号 的目的无非是要使工作台正向进给和反向进给，因此首先应 将这些信号混合为使工作台正向运行的“正向进给”信号或 使之反向运行的“反向进给”信号。这就是脉冲混合电路的 作用。




3. 动态特性 步进电动机的控制电流的增加和转速的上升不是瞬间完成的， 它需要有一个过度过程的时间，动态特性就是研究过渡过程 对电动机运行的影响。 当控制脉冲的时间大于步进电动机的过渡时间，电动机 呈步进运行状态。如果控制脉冲的时间间隔适当小于过渡过 程时间，在B相通电时，当转子还未减速到其稳定平衡点以 前，B相就断电而C相通电，则转子将继续顺时针方向转动， 这种状态就称为步进电动机的连续运行状态。如果控制脉冲 的时间间隔过度小于过渡过程时间，则出现丢步或堵转，步 进电动机失去工作能力。
过载能力：步进电动机一般不具有过载能力。 运动性能：步进电动机的控制一般为开环控制，启 动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象， 停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其 控制精度，应处理好升、降速问题。 速度响应性能：步进电动机从静止加速到工作 转速电动机一般为每分钟几百转）需要50～200毫 秒。



(3)加减速电路(自动升降速电路) 步进电动机的加减速特性要求是， 进入步进电动机绕组的脉冲电流的频率变化要平滑。而且应有一定的时 间常数，但各进给脉冲频率间的变化可能是跃变的。因此应该将此跃变 频率经加减速电路缓冲后，再进入步进电动机绕组，使步进电动机工作 正常可靠。这就是加减速电路的作用。 (4)环行分配器 环行分配器的作用是将来自加减速电路的一系列脉 冲按一定方式送入并驱动功率放大器工作。如图6-4是三相六拍环行分配 器原理图，其三根输出引线分别接步进电动机三个线圈的A相、B相、C 相功率放大器输入端，+X表示正转信号，-X表示反转信号，CP0是进给 脉冲序列，其工作状态如表6-1所示。 随着计算机技术的飞速发展，环行分配器已软件化了。关于软环行 分配器在这里不再赘述。
步进电机 6.2 直流伺服电机及其控制 6.3 交流伺服电机及其控制 6.4 液压与气压控制
6.1
第6章 执行装置及其控电系统对执行装置 的一些参数，如位移、速度、加速度、力和力矩等输出参数， 要求越来越高，例如在数控机床中，伺服系统接收来自插补 器的进给脉冲，经放大和变换后转化为机床工作台的位移。 对伺服系统的要求是快速性、精确性和稳定性，即输出量迅 速而精确地响应指令输入的变化。因此认识了解执行装置及 其控制的有关知识是十分必要的 在机电一体化系统中，常见的执行装置包括步进电动机、 直流电动机、交流电动机、液压与气动装置。本章将从工作 原理、特点及控制方式等几个方面阐述这几种执行装置及其 应用。
6.1 步进电动机
6.1.1 步进电动机工作原理 一般的电动机是连续运转的，而步进电 动机则是一步一步运转的。步进电动机的转 子做成多极的，定子上嵌有多相星型联接的 控制绕组，由专用的电源输入电脉冲信号， 每给一个脉冲信号就使步进电动机的转子转 过一个角度，由于输入的是电脉冲信号而输 出的角位移是断续的，因此也称步进电动机 为脉冲电动机。


低频特性：步进电动机在低速时易出现低频振动现象。 振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率 为电动机空载起跳频率的一半。这种由步进电动机的工作原 理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当 步进电动机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频 振动现象，比如在电动机上加阻尼器，或驱动器上采用细分 技术等。 矩频特性：步进电动机的力矩会随转速的升高而下降： 当步进电动机转动时，电动机各相绕组的电感将形成一个反 向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电 动机随频率电动机或速度）的增大而相电流减小，从而导致 力矩下降。所以其最高工作转速一般在300～600RPM。




当仅是A相绕组通电时，气隙磁场与A相绕组轴相重合，如图6-2所示。转子 将受磁场拉力旋转到与A相绕组轴线对齐，此时定子、转子之间取得最大磁导位 置，转子上只受径向力而无切向力，故此位置使转子具有自锁能力。如果从A相 换接到B相通电时，转子将转到使其轴线与B相绕组轴线相重合的位置。可见电 流每换接一相，电动机转子旋转沿逆时针方向转过30度，或说在空间前进了一 步，每一步所转过的角度称作步距角。 从一相通电换接到另一相通电，称作一拍，每一拍转子转过一个步距角。如 果按A-B-C-A顺序通电，转子就沿此顺序一步一步旋转；反之，若按A-C-B-A顺 序通电，转子将反方向转动，如图6-2所示。此种三相依次单相通电方式，称为 三相单三拍式运行。所谓单就是指每次有一相绕组通电，三拍是指一个循环周期 换接了三次，即A、B、C三相。 三相反应式步进电动机也可以是三相双三拍方式运行，即通电方式以AB-BCCA-AB的顺序，每次有两相绕组同时通电。这种电动机动作原理与单三拍方式相 同，双三拍式的转子每拍前进一步也转过30度空间角度。改变通电顺序，将按 AC-CB-BA-AC通电时，则转子旋转方向将相反。如果步进电动机按A-AB-B-BCC-CA-A方式通电就称为三相六拍运行方式，即一个循环内共换接六次，则其步 距角相应地为三拍方式的一半。
6.1.2 反应式步进电动机的主要机械 特性
2. 静态特性 静态特性是指绕组电流为恒定值，转子不动时步进 电动机的一些特性。矩角特性是在单位脉冲、电流 不变的情况下，步进电动机静转矩M与转子失调角 之间的关系。 如图6-3中所示，两曲线的交点所对应的转矩 Mst是电动机的最大起动转矩。实践证明，凡是外 加转矩小于Mst的，均能启动电动机。随着电动机 相数的增加，步距角减小，两曲线的交点就升高， Mst也增大。