步进电动机传动控制系统

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1.硬件环形分配器 (1)逻辑电路环形分配器 (2)EPROM环形分配器
图7.9EPROM型环形分配器
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7.2.2步进电动机的环形分配器
1.硬件环形分配器 (1)逻辑电路环形分配器 (2)EPROM环形分配器 (3)集成环形分配器
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图7.10CH250环形分配器
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EPROM设计的环形分配器具有以下特点:1)线路简单, 仅有可逆计数器和存储器两部分;2)一种线路可实现多 种励磁方式的分配,只要在不同的地址区域存储不同的 状态表,除软件工作外,硬件线路不变;3)可彻底排除 非法状态;4)可有多种输入端,便于同控制器接口。
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7.2.2步进电动机的环形分配器
反应式步进电动机结构示意图
反应式步进电动机多段环形线圈结构
反应式步进电动机多段分布绕组结构
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反应式直线步进电动机
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永磁式步进电动机示意图
永磁式步进电动机环形线圈结构
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混合式步进电动机结构示意图
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7.2 步进电动机驱动电源
步进电动机的驱动运行要求足够功率的电 脉冲信号按一定的顺序分配到各相绕组。为 了实现这种驱动,要求有脉冲分配和功率放 大功能的专门驱动电源。驱动电源和步进电 动机是一个有机的整体,步进电动机的运行 性能是电动机及其驱动电源二者配合所反映 的综合效果。
相对时,下一相磁极下定子与转 子齿的位置刚好错开τ/m.其中, τ为齿距,m为相数;再下一相磁 极下定子与转子的齿则错开2τ/ m;依此类推。
当定子绕组按U-V-W顺序轮流通 电时,转子就顺时针方向一步一 步地移动,各相绕组轮流通电一 次,转子就转过一个齿距。
图7.6实际的三相反应式步进电动机结构 简图
步进电动机的工作机理是Βιβλιοθήκη Baidu于最基本的电 磁铁机理。
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第7章步进电动机传动控制系统
步进电动机的运动是由一系列电脉冲控制,脉冲发生器 所产生的电脉冲信号,通过环形分配器按一定的顺序加 到电动机的各相绕组上。为了使电动机能够输出足够的 功率,经过环形分配器产生的脉冲信号还需要进行功率 放大。环形分配器、功率放大器以及其他辅助电路统称 为步进电机的驱动电源。步进电动机、驱动电源和控制 器构成步进电动机传动控制系统,如图7.1所示。
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(2)通电方式
步进电动机的转速即取决于控制绕组通电的频率,又取决 于绕组通电方式。步进电动机的通电方式一般有单相轮流 通电方式、双相轮流通电方式和单双相轮流通电方式 。
1)单相轮流通电方式-运行的稳定性差。 2)双相轮流通电方式-输出力矩较大,定位精度高而且不
易失步。 3)单双相轮流通电方式-步距角减小一倍。
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7.2.3步进电动机的驱动电路
3.斩波驱动电路
图7.14 斩波驱动电路
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斩波驱动电路实用电路(1)
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该电路由于电流顶部的波动会产生电磁嘈声
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斩波驱动电路实用电路(2)
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恒频脉宽调制功率电路可以克服电流顶部的波动而产生的电磁嘈声。
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图7.5三相六拍通电方式
7.1.2小步距角步进电动机
定子极面小齿和转子上的小齿位 置符合下列规律:
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当U相的定子齿和转子齿对齐时, V相的定子齿应相对于转子齿顺 时针方向错开1/3齿距,而W相
的定子齿又应相对于转子齿顺时 针方向错开2/3齿距。也就是说,
当某一相磁极下定子与转子的齿
m相
相数越多,步距角越小,相同工作频率下运行越 平稳,控制精度越高;随着相数增多,结构也越 复杂,成本越高。
径向分布式电机各相按圆周依次排列
按各相绕组分

轴向分布式
电机各相按轴向依次排列,转动惯量小,快速性 和稳定性好;功率步进电动机多为轴向式, 14
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步进电动机的典型分类
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近似反应式和永磁式的结合体。与反应式的主要区别是转子 上有磁钢,反应式转子则无磁钢,静态电流比永磁式大许多 永磁式。
混合式步进电动机可以做成像反应式一样的小步距角,又具 有永磁式控制功率小的优点;故具有驱动电流小,效率高13、 过载能力强、控制精度高等特点,代表着步进电动机的最新 发展,是一种很有应用前景的步进电动机。
C—C剖 面 C
A1
B1
B4
D 电机 绕组 转子
D—D剖 面 A1
B1
B4
N
A2
N3
N
A4
N
NS
永 磁 体 A2
S
S
A4
定子
B2
B3
A3
C
B2
B3
D
A3
1.结构特点
图7.2所示为一台三相反应式步进电动机的结构简图。其定 子有6个磁极,每两个相对的磁极上绕有一相控制绕组, 由外部脉冲信号对各相绕组轮流励磁。转子上有均布的四 个凸齿。
驱动电源
控制器
环形分配器
功率放大器
步进电动机
辅助电路
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图7.1步进电动机传动控制系统框图
7.1 步进电动机工作原理及分类
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7.1.1 步进电动机的结构与工作原理
步进电动机的结构分为定子和转子两大部分。定子由硅钢片叠 加而成,绕有一定相数的控制绕组,由环形分配器送来的电脉冲 对各相定子绕组轮流进行励磁。转子用硅钢片叠成或用软磁性材 料做成凸极结构;转子本身没有励磁绕组的叫做“反应式步进电 动机”;用永久磁铁做转子的叫做“永磁式步进电动机”。步进 电动机的结构形式虽然繁多,但工作原理基本相同,下图是两相 混合式步进电动机结构图 。
若按三相六拍运行时,其步距角为
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7.1.2小步距角步进电动机
如果步进电动机电定子各相绕组轮流通电的脉冲的频率 为f,步距角θb的单位为(o),则步进电动机的转速(单位为 r/min)为
可知,步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快,其 转子旋转的速度越快,即通电状态的变化频率越高,转 子的转速越高。
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7.2.1步进电动机的驱动方式
环形分配器功能是将控制脉冲按规定的方式分配给步进 电动机;功率放大器是将环形分配器的输出信号进行功 率放大以能驱动步进电动机运行。
图7.7步进电动机驱动系统图
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7.2.2步进电动机的环形分配器
1.硬件环形分配器 (1)逻辑电路环形分配器
K+3
06H(0110)
K+4
04H(0100)
K+5表7-4环05形H(分01配01)表
A AB B BC C CA
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7.2.3步进电动机的驱动电路
1.单电压驱动电路
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7.2.3步进电动机的驱动电路
2.双电压驱动电路
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7.2.3步进电动机的驱动电路
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7.1.2小步距角步进电动机
设转子的齿数为Z,则齿距角为
360
z
因为每通电一次(即运行一拍),转子就走一步,故步距角

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式中:K为状态系数,相邻两次通电相数一致时K=1,如 单、双三拍时;反之则K=2,如三相六拍时。
若步进电动机的z=40,三相单三拍或三相双三拍时,其 步距角为
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第7章步进电动机传动控制系统
步进电动机(Step motor 或Stepping motor),是一种利用电磁感应原理,将电 脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件。 每输入一个脉冲,电机就转过一个角度,运 行一步,其运动形式是步进式的,故称为步 进电动机。由于其输入的是脉冲电压,所以 又称脉冲电动机或阶跃电动机。
图7.8三相单三拍脉冲分配器 (a)硬件电路图;(b)输出脉冲波形图
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表7-2JK触发器真值表
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7.2.2步进电动机的环形分配器
1.硬件环形分配器 (1)逻辑电路环形分配器 (2)EPROM环形分配器 其基本思想是:结合驱动电源线路按步进电动机励磁状
态转换表求出所需的环形分配器输出状态表(输出状态表 与状态转换表相对应),以二进制码的形式依次存入 EPROM中,在线路中只要按照地址的正向或反向顺序依 次取出地址的内容,则EPROM的输出端即依次表示各励 磁状态。
7.1.3步进电动机的分类`
分类方式 具体类型
结构特点
按输出力矩大 小
按相数
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输出力矩在百分之几之几至十分之几(N·m)只能 伺服式 驱动较小的负载,要与液压扭矩放大器配用,才
能驱动机床工作台等较大的负载。
功率式
输出力矩在5-50N·m以上,可以直接驱动机床工 作台等较大的负载。
三相 四相 …
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分类方式 按工作原理
7.1.3步进电动机的分类`
具体类型 反应式
(又称磁阻式)
结构特点 转子无绕组,由被激磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运 行,是我国步进电动机发展的主要类型。
其主要特点是气隙小、步距角小,定位精度高,控制准确; 但励磁电流较大,要求有较大的驱动电源功率,且电动机内 部阻尼较小,当相数较小时,单步运行振荡时间较长或断电 后无定位转矩,所以使用中需要自锁定位。
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激磁式
定、转子均有激磁绕组(或转子用永久磁钢),由电磁力矩实 现步进运行。输出力矩大,但结构复杂,实际较少应用。
永磁式 混合式 (永磁感应式)
转子和定子的某一方具有永久磁钢,另一方由软磁材料制成。 绕组轮流通电,建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用 产生转矩。
主要特点时步距角大,一般为15、30、45等,控制精度不高; 控制功率较小,效率高;由于有用具磁钢,内部阻尼较大, 单步振荡时间较短,断电后具有一定的定位自锁力矩。
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图7.2三相反应式 步进电动机结构简图
(a)
(b)
图7.3三相反应式步进电动机工作原理 4
(1)基本工作原理
2. 工作原理
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7.4单三拍通电方式时的转子位置
步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次,它的转子便 转过一个确定的角度,即步进电机的步距角,用θb表示; 5 改变步进电机定子绕组的通电顺序,转子的旋转方向随之 改变。
7.2.3 步进电动机的驱动电路
4.升频升压驱动电路
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图3.15升频升压驱动电路
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升频升压驱动电路实用电路(3)
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7.2.3步进电动机的驱动电路
5.细分驱动电路
图7.16细分驱动电流阶梯波
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7.2.3 步进电动机的驱动电路
5.细分驱动电路
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三相反应式步进电动机定子、转子展开图
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两相混合式步进电动机定子磁极上的齿与左右段转子齿的 相对位置
B2
A2
B1
A1
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N
B2
A2
B1
左段 A1
右段
S
若以转子左段铁心作参考,当A1、A3极上的齿与转子齿对齐时, 则有 A2、A4极上的齿与转子槽相对,B1、B3极上的齿沿顺时针方向超前转 子齿1/4齿距,B2、B4极上的齿沿顺时针方向超前转子齿3/4齿距;在 转子右段铁心,则A1、A3极上的齿与转子槽相对,A2、A4极上的齿与 转子齿对齐,B1、B3极上的齿沿顺时针方向超前转子3/4齿距,B2、B4 9 极上的齿沿顺时针方向超前转子齿1/4齿距。
细分驱动有如下特点: (1)不改动电动机结构参数的情况下,能使步距角减小,使步进电动机 运行平稳,提高均匀性,并能减弱或消除振荡。改善了低频特性,负载 能力也有所增加。 (2)但细分后的齿距角精度不高,且驱动电源的结构也相应复杂。
表7-3CH250环形分配器状态表
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7.2.2步进电动机的环形分配器
2.软件环形分配器 (1)设置输出接口 (2)设计环形分配子程序 (3)设计延时子程序
图7.11I/O接口图
存储元件地址 单元内容 对应通电相
K+0
01H(0001)
K+1
03H(0011)
K+2
02H(0010)
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结论:
通过以上分析可知,转子的齿数不能任意选取。因为在 同一相的几个磁极下,定转子齿应同时对齐或同时错开, 才能使几个磁极的作用相加,产生足够的反应转矩,而 定子圆周上属于同一相的极总是成对出现的,所以转子 齿数应是偶数。
另外,在不同相的磁极下,定转子相对位置应依次错开1 /m齿距,这样才能在连续改变通电状态下,获得连续 不断的运动。否则,当某一相控制绕组通电时,转子齿 都将处于磁路的磁阻最小位置上,各相绕组轮流通电时, 转子将一直处于静止状态,电动机不能正常转动运行。 为此,要求两相邻相磁极轴线之间转子的齿数为整数加 或减1/m。
2.双电压驱动电路 双电压驱动电路习惯上称为高低压切换型电路,其最后
一级如图7.13a)所示。这种电路的特点是电动机绕组主电 路中采用高压和低压两种电压供电一般高压为低压的数 倍。其基本思想是:不论电动机工作频率如何,在导通 相的前沿用高电压供电来提高电流的前沿上升率,而在 前沿过后用低压来维持绕组的电流。
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