1、 項目七 步進電機的控制電路教學目標：教學目標：學習目標：學習目標：1、步進電機開環控制方式； 2、步進電機控制實例分析。能力目標：能力目標： 步進電機控制方式及控制線路的連接教學重點和難點：教學重點和難點：重重 點：點：從應用的角度在介紹步進電動機的基本結構、工作原理、主要技術指標、運行特性和影響因素基礎上，進行環形分配器方式和功率驅動電路線路連接，進行開環和閉環控制方案以及驅動系統設計舉例與傳動控制應用實例訓練。 難難 點：點：步進電機控制方式及控制線路的連接電機及機床電氣控制電機及機床電氣控制 教學方法：教學方法： 項目教學法：1、引出問題；2項目分析；3、行為引導法；4、學練結合 學時

2、、教具、課前準備學時、教具、課前準備 學時：4學時 教具：步進電機、步進電機控制裝備、萬用表 課前準備：學生預習相關課程知識；設備調試；規范標準準備；電機及機床電氣控制電機及機床電氣控制 教學過程：教學過程： 一、項目提出一、項目提出 環形分配器、功率放大器以及其它控制線路組合稱為步進電動機的驅動電源，它對步進電動機來說是不可分割的一部分。步進電動機、驅動電源和控制器構成步進電動機傳動控制系統。 二、項目分析二、項目分析 脈沖供電方式是步進電機的能源特征。掌握磁路的兩個重要特征，即走磁阻最小路徑和走磁路最短的特征，對步進電機工作原理掌握大有幫助。步距角、轉速公式和特性的理解對步進電機控制是必要

3、的。電機及機床電氣控制電機及機床電氣控制三、項目計劃決策三、項目計劃決策 (1)控制特性； (2)使用特點； (3)準備工具、資料。電機及機床電氣控制電機及機床電氣控制 四、項目實施四、項目實施 一）、步進電動機的開環控制方式一）、步進電動機的開環控制方式 使用微機對步進電動機進行控制有串行和并行兩種方式。 1串行控制串行控制 具有串行控制功能的單片機系統與步進電動機驅動電源之間具有較少的連線。這種系統中，驅動電源中必須含有環行分配器。電機及機床電氣控制電機及機床電氣控制 2并行控制并行控制 用微機系統的數條端口線直接去控制步進電動機各相驅動電路的方法稱為并行控制。有兩種方法： 一種是純軟件方

4、法，即完全用編程來實現相序的分配，直接輸出各相導通或截止的控制信號，主要有寄存器移位法和查表法 第二種是軟、硬件相結合的方法，有專門設計的編程器接口，計算機向接口輸出簡單形式的代碼數據，而接口輸出的是步進電動機各相導通或截止的控制信號。電機及機床電氣控制電機及機床電氣控制 3步進電動機速度控制步進電動機速度控制 控制步進電動機的運行速度，實際上就是控制系統發出脈沖的頻率或者換相的周期。系統可用兩種方法來確定脈沖的周期：一種是軟件延時，另一種是用定時器。 電機及機床電氣控制電機及機床電氣控制 4步進電動機的加減速控制步進電動機的加減速控制 對于步進電動機的點位控制系統，從起點至終點的運行速度都有

5、一定要求。各種系統在工作過程中，都要求加減速過程時間盡量短，而恒速時間盡量長。特別是在要求快速響應的工作中，從起點至終點運行的時間要求最短，這就必須要求加速、減速的過程最短，而恒速時的速度最高。電機及機床電氣控制電機及機床電氣控制 升速規律一般可有兩種選擇：一是按照直線規律升速；二是按指數規律升速。按直線規律升速時加速度為恒定，因此要求步進電動機產生的轉矩為恒值。從電動機本身的矩頻特性來看，在轉速不是很高的范圍內，輸出的轉矩將有所下降，如按指數規律升速，加速度是逐漸下降的，接近電動機輸出轉矩隨轉速變化的規律。 用微機對步進電動機進行加減速控制，實際上就是改變輸出脈沖的時間間隔。升速時使脈沖串逐

6、漸加密，減速時使脈沖串逐漸疏稀。微機用定時器中斷方式來控制電動機變速時，實際上就是不斷改變定時器裝載值的大小。一般用離散方法來逼近理想的升降速曲線。為了減少每步計算裝載值的時間，系統設計時就把各離散點的速度所需的裝載值固化在系統的ROM中，系統運行中用查表方法查出所需的裝載值，從而大大減少占用CPU時間，提高系統響應速度。 系統在執行升降速的控制過程中，對加減速的控制還需準備下列數據：加減速的斜率升速過程的總步數；恒速運行總步數；減速運行的總步數。 對升降速過程的控制有很多種方法，軟件編程也十分靈活，技巧很多。此外，利用模擬數字集成電路也可實現升降速控制，但缺點是實現起來較復雜且不靈活。 電機

7、及機床電氣控制電機及機床電氣控制二）、步進電動機的閉環控制二）、步進電動機的閉環控制 開環控制的步進電動機驅動系統，其輸入的脈沖不依賴于轉子的位置，而是事先按一定的規律給定的。缺點是電動機的輸出轉矩加速度在很大的程度上取決于驅動電源和控制方式。對于不同的電動機或者同種電動機而不同的負載，很難找到通用的加減速規律，因此使提高步進電動機的性能指標受到限制。 閉環控制是直接或間接地檢測轉子的位置和速度，然后通過反饋和適當的處理，自動給出驅動的脈沖串。采用閉環控制，不僅可以獲得更加精確的位置控制和高的多、平穩得多的轉速，而且可以在步進電動機的許多其它領域內獲得更大的通用性。 步進電動機的輸出轉矩是勵磁

8、電流和失調角的函數。為了獲得較高的輸出轉矩，必須考慮到電流的變化和失調角的大小，這對于開環控制來說是很難實現的。電機及機床電氣控制電機及機床電氣控制 根據不同的使用要求，步進電動機的閉環控制也有不同的方案。主要有核步法、延遲時間法、帶位置傳感器的閉環控制系統等。 采用光電脈沖編碼器作為位置檢測元件的閉環控制功能框圖如圖3-2-4所示。其中編碼器的分辨率必須與步講電動機的步矩角相匹配。該系統不同于通常控制技術中的閉環控制，步進電動機由微機發出的一個初始脈沖起動，后續控制脈沖由編碼器產生。 編碼器直接反映切換角這一參數。然而編碼器相對于電動機的位置是固定的。因此發出相切換的信號也是一定的，只能是一

9、種固定的切換角數值。采用時間延遲的方法可獲得不同的轉速。在閉環控制系統中，為了擴大切換角的范圍，有時還要插入或刪去切換脈沖。通常在加速時要插入脈沖，而在減速時要刪除脈沖，從而實現電動機的加速和減速控制。電機及機床電氣控制電機及機床電氣控制電機及機床電氣控制電機及機床電氣控制 在固定切換角的情況下，如負載增加，則電動機轉速將下降。要實現勻速控制可利用編碼器測出電動機的實際轉速(編碼器兩次發出脈沖信號的時間間隔)，以此作為反饋信號不斷的調節切換角，從而補償由負載所引起的轉速變化。 三）、步進電動機驅動系統設計舉例及傳動控制應用實例三）、步進電動機驅動系統設計舉例及傳動控制應用實例 每臺步進電動機可

10、驅動一個坐標的伺服機構，利用兩個或三個坐標軸連動就能加工出一定的幾何形狀來。圖3-2-5所示為數控銑床工作原理框圖。在這種開環數控機床中，由于計算機的速度和精度都很高，完全能滿足數控機床高速度、高精度的要求；因而數控機床的精度好壞和速度陜慢等完全取決于步進電動機的伺服系統性能。只要步進電動機伺服系統的選擇及應用得當，可以滿足一般數控銑床速度和精度的要求。下面介紹步進電動機伺服系統在XK5040數控立式升降臺銑床中的應用實例。MM主控制器My軸x軸步進電動機機床上指令脈沖器控制輸出運算器控制機輸入閱讀機紙帶電機及機床電氣控制電機及機床電氣控制 (1)機床的功能及主要參數機床的功能及主要參數 XK

11、5040數控立式銑床，適用于加工各種復雜曲線的凸輪、樣板、靠模、弧形槽等平面或立體零件。 1)機床主要參數 工作臺尺寸(長寬)：1 600mm400 mm 丁作行程：縱向(x坐標) 900mm (2)伺服驅動系統特點伺服驅動系統特點 1) 主要特點是x、y、z三坐標均采用功率步進電動機，經過兩對齒輪減速直接驅動進給絲杠。 2) 三坐標功率步進電動機均采用30012V高頻晶閘管驅動電源，通電方式為三相六拍。 3) 數控銑床在自動升降頻過程中，可以切削加工。 電機及機床電氣控制電機及機床電氣控制 (3) 應用效果應用效果 1) 機床進給系統采用功率步進電動機開環驅動，達到廠設計標準。 2) 采用了手動快速和=130ms的自動升降頻電路，切削進給速度可達12mmin；快速進給速度可達2mmi