第3講步進電機控制系統,主講老師:劉遙生,機電傳動控制技術系列講座內容:,第一講：機電傳動概述及控制系統中常用檢測元件主要內容：講述機電傳動的目的和任務及發展概況，介紹機電傳動控制系統中常用的元器件（如速度傳感器、線位移傳感器、角位移傳感器等）。,第二講：機電傳動控制系統主要內容：講述機電傳動控制系統的組成和分類，重點介紹機電傳動控制系統調速方法。,第三講：步進電機控制系統主要內容：講述步進電機的結構、原理和控制系統;重點介紹步進電機的控制與應用等方面的知識。,第三講步進電機控制系統,目的：1、了解步進電機的一般結構與工作原理2、掌握步進電機基本特性及應用3、學會步進電機控制方法,內容：一、步進電機的分類二、步進電機的結構和工作原理三、步進電機的主要技術指標四、步進電機的控制,第一節步進電機分類,1、何謂步進電動機又稱為脈沖電動機，是數字控制系統中的一種執行元件。其功用是將脈沖電信號變換為相應的角度位移或直線位移，即給一個脈沖電信號，電動機就轉動一個角度或前進一步。,圖1步進電機的功用,第一節步進電機分類,2、步進電動機產品外形,步進電機,驅動器,第一節步進電機分類,2、步進電動機產品外形,第一節步進電機分類,3、步進電動機分類,步進電機在構造上有三種主要類型：1、反應式（VariableReluctance，VR）2、永磁式（PermanentMagnet,PM）3、混合式（HybridStepping,HS）。,反應式,永磁式,混合式,反應式結構,第一節步進電機分類,3、步進電動機分類,反應式：定子上有繞組、轉子由軟磁材料組成。結構簡單、成本低、步距角小，可達1.2、但動態性能差、效率低、發熱大，可靠性難保證。,永磁式：永磁式步進電機的轉子用永磁材料制成，轉子的極數與定子的極數相同。其特點是動態性能好、輸出力矩大，但這種電機精度差，步矩角大（一般為7.5或15）。,混合式：混合式步進電機綜合了反應式和永磁式的優點，其定子上有多相繞組、轉子上采用永磁材料，轉子和定子上均有多個小齒以提高步矩精度。其特點是輸出力矩大、動態性能好，步距角小，但結構復雜、成本相對較高。,反應式,永磁式,混合式,20世紀60年代后期，在步進電動機本體方面隨著永磁材料的發展，各種實用性步進電動機也應運而生，而半導體技術的發展則推進了步進電動機在眾多領域的應用。在近30年間，步進電動機迅速地發展并成熟起來。從發展趨向來講，步進電動機已經能與直流電動機、異步電動機、以及同步電動機并列，從而成為電動機的一種基本類型。我國步進電動機的研究及制造起始于本世紀50年代后期，從50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研機構為研究一些裝置而使用或開發少量產品，這些產品以多段結構三相反應式步進電動機為主。70年代初期，步進電動機的生產和研究有所突破，除反映在驅動器設計方面的長足進步外，對反應式步進電動機本體的設計研究發展到一個較高水平。70年代中期至80年代中期為成品發展階段，新品種高性能電動機不斷被開發。自80年代中期以來，由于對步進電動機精確模型做了大量研究工作，各種混合式步進電動機及驅動器作為產品廣泛利用,4、步進電動機的發展,第一節步進電機分類,步進電機主要用于一些有定位要求的場合。例如：線切割的工作臺拖動，植毛機工作臺（毛孔定位），包裝機（定長度）。打印機，汽車油門控制系統，掃描儀等。基本上涉及到定位的場合都用得到。,5、步進電動機的應用領域,第一節步進電機分類,第二節步進電機結構和工作原理,1、步進電機的結構,第二節步進電機結構和工作原理,1、步進電機的結構由定子和轉子二大部分組成,定子,轉子,第二節步進電機結構和工作原理,1、步進電機的結構定子,第二節步進電機結構和工作原理,1、步進電機的結構定子,第二節步進電機結構和工作原理,2、步進電機的結構轉子,第二節步進電機結構和工作原理,2、步進電機的結構轉子,(1)定子由硅鋼片疊成，裝上一定相數的控制繞組，由環行分配器送來的電脈沖對多相定子繞組輪流進行勵磁；,第二節步進電機結構和工作原理,3、步進電機的結構原理,由用硅鋼片疊成或用軟磁性材料做成凸極結構。轉動1個齒，轉角發生了90度變化。,(2)轉子,第二節步進電機結構和工作原理,3、步進電機的結構原理,定子上有六個均布的磁極，每個磁極上又有5個小齒，齒距相等，齒間夾角為9度,轉子上無繞組，只有均布的40個小齒，定子磁極的齒與轉子上的齒依次錯開1/3齒距。,第二節步進電機結構和工作原理,4、步進電機的結構原理反應式,第二節步進電機結構和工作原理,5、步進電機的工作原理反應式,依此輪流通電，轉子就沿著ABC的方向旋轉。,從一相通電換接到另一相通電，轉子轉過一個步距角，稱為一拍,在一個循環周期內換接三次，稱為三相單三拍運行動畫,如果通電方式按ABBCCA的順序，每次接通兩相繞組，稱為三相雙三拍運行。步距角也是30度動畫,當按AABBBCCCAA順序通電，則一個循環周期內換接六次，稱為三相六拍運行，此時步距角為15度動畫,A相繞組通電,B相繞組通電,C相繞組通電,第二節步進電機結構和工作原理,5、步進電機的工作原理反應式,第二節步進電機結構和工作原理,5、步進電機的工作原理反應式,轉子齒數z=40，相數m=3，t為齒距，其對應空間角度為36040=9度，則定子相鄰磁極間的轉子齒數為6.2/3,第二節步進電機結構和工作原理,5、步進電機的工作原理反應式,由此可見，m相步進電動機的步距角與定子繞組的相數m、轉子的齒數Z和通電方式k（拍數/m相數）有關，即,轉速為,第二節步進電機結構和工作原理,5、步進電機的工作原理反應式,1、步距角-從一相通電換接到另一相通電，轉子轉過一個步距角，一般范圍在0.5030。,2、起動頻率：步進電動機能夠不失步起動的最高頻率。起動頻率是隨著負載大小而變化的，負載大，起動頻率低。,第三節步進電機主要技術指標,3、連續運行頻率：步進電機連續運行時，如輸入脈沖頻率逐漸升高仍能保證不丟步運行的極限頻率，稱為連續運行頻率。有時稱為最高連續頻率或最高工作頻率，記作fmax連續運行頻遠大于啟動頻率fq，這是出于啟動時有較大的慣性扭矩并需要一定加速時間緣故,第三節步進電機主要技術指標,4、最大靜態轉矩Mmax-是指在某相始終通電，轉子不動時，所能承受的最大負載轉矩。反映了制動能力和低速步進運行時的負載能力。,這項指標反映了步進電機的帶負載能力和工作的快速響應特性。Mmax值愈大，電機帶負載能力愈強，快速性愈好,第三節步進電機主要技術指標,5、矩頻特性：動態轉矩與脈沖頻率的關系稱為矩頻持性，步進電機的動態轉矩即電磁力矩隨頻率升高而急劇下降,第三節步進電機主要技術指標,為什么頻率增高以后步進電機的負載能力要下降呢？,第三節步進電機主要技術指標,為什么頻率增高以后步進電機的帶負載能力要下降呢？,因為頻率越高，通過線圈繞組的平均電流越小，電磁力矩就越小。所以，帶負載能力就要下降。,第三節步進電機主要技術指標,1、步進電機控制系統方框圖,驅動器,控制器,執行元件,步進電機控制系統由控制器、驅動器和執行元件等三大部分組成。,第四節步進電機控制系統,2、控制器,運行指令,變頻信號,控制器,變頻脈沖發生系統,指令系統,控制器功能：由指令系統發出的速度和方向指令，控制脈沖發生系統產生相應頻率的脈沖信號和高、低電平的方向信號。,第四節步進電機控制系統,3、控制的器作用,運行指令,變頻信號,控制器,方向信號,運動軌跡信號,速度信號,第四節步進電機控制系統,1、控制器的作用,運行指令,變頻信號,控制器,方向信號,運動軌跡信號,速度信號,實現的方法：（1）PC機（2）PLC（3）電子電路,第四節步進電機控制系統,步數控制步進電動機在用于軟盤驅動、打印機和數控機床進給系統中，都需要精確定位，所以在編寫程序時，需先給定應走的步數。,例如，某數控機床進給系統的五相步進電動機，步距角=1.5度。脈沖當量p=0.005mm，要求走刀距離為L=20cm。求需要多少個脈沖？步進電機轉多少圈？,答：需要L/=4104個脈沖，即要走4104步(166.7圈)才能走完這段距離。,速度的控制通過控制脈沖分配頻率可實現步進電動機的速度控制。速度控制也有硬、軟件兩種方法。硬件方法是在硬件脈沖分配器的脈沖輸入端(CP)接一個可變頻率脈沖發生器，改變其振蕩頻率，即可改變步進電動機速度。,(1)步數和速度控制,第四節步進電機控制系統,(2)速度軌跡的控制步進電動機允許的起動頻率一般較低(100步秒250步秒)。當要求高速運行時，必須從低頻起動，然后逐漸加速；,第四節步進電機控制系統,(3)速度信號的頻率與步進電機帶負載能力的分析,電流放大器,電源,步進電機一相繞組,驅動信號,R1,R2,第四節步進電機控制系統,2、驅動器,第四節步進電機控制系統,脈沖分配器,功率放大器(驅動),第四節步進電機控制系統,（1）脈沖分配器,第四節步進電機控制系統,（1）脈沖分配器,第四節步進電機控制系統,（2）功率放大器,第四節步進電機控制系統,R12,R12,+U1高壓,+U2低壓,步進電機繞組,控制信號,高低電壓切換電源,低壓控制回路,高壓控制回路,（2）功率放大器,第四節步進電機控制系統,4、步進電機使用,步進電機,第四節步進電機控制系統,4、步進電機使用,步進電機,第四節步進電機控制系統,4、步進電機驅動器使用,第四節步進電機控制系統,輸出電流設定,第四節步進電機控制系統,（1）、運動控制卡開環控制系統組成,運動控制卡,計算機,并口線,I/O板,開關電源,第四節步進電機控制系統,驅動器,步進電機,I/O板,開關電源,運動控制卡,計算機,并口線,（1）、運動控制卡開環控制系統連接,34,26.31.33,32,（1）、運動控制卡開環控制系統連接,34,29,32,（1）、運動控制卡開環控制系統實際連接