第3章32现代机电产品设.docx

1、第3章32现代机电产品设第3章 电动机及其驱动控制3-5 步进电动机一、步进电动机工作原理步进电动机将电脉冲信号转换成直线/角位移的执行元件(转换器)对电动机施加一个电脉冲，转轴转过一个角度，称为一步。脉冲数增加，直线/角位移增加；脉冲频率高，电动机旋转速度高；分配脉冲的相序改变，电动机逆转步进电动机与均匀旋转的电动机差别：步进形式运动；电源脉冲电压步进电动机分类：1)按工作原理分可变磁阻式(反应式)、永磁式、混合式可变磁阻式(VR-Variable Reluctance，反应式)转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使转子转动国产步进电动机主要类型定子、转子无永久磁铁，无励磁时没有保持力永

2、磁式（PM-Permanent Magnet）定子/转子永久磁钢/铁，另一方软磁材料制成绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁钢/铁的恒定磁场相互作用产生转矩绕组断电，由于采用永久磁铁，保持一定转矩具有记忆能力，用作定位驱动混合式（HB-Hybrid，永磁反应式）从定子和转子的导磁体看，如可变磁阻式。区别：转子上有磁钢/反应式转子无磁钢，输入能量全靠定子励磁电流供给；转子上嵌永久磁铁，如永磁式结构不同2）输出转矩大小分类快速步进电动机输出转矩小（0.074Nm），控制小型精密机床工作台功率步进电动机输出转矩大（540Nm），直接驱动机床移动部件3）按励磁相数三相、四相m相相数多，步距角小，结构复杂1

3、结构结构：定子、转子定子由硅钢片叠成，装上一定相数的控制绕组，由环形分配器送来的电脉冲对多相定子绕组轮流进行励磁转子用硅钢片叠成或软磁性材料做成凸级结构步进电动机结构形式很多，工作原理大同小异。以反应式三相步进电动机说明工作原理2工作原理1）基本工作原理步进电动机工作原理，就是电磁铁工作原理图 反应式三相步进电动机定子上三对磁极A,B,C，磁极上有绕组A相、B相、C相；转子是带槽铁心三相步进电动机环形分配器送来脉冲信号，对定子绕组轮流通电。设先对A相绕组通电，B相和C相不通电。由于磁通力图沿磁阻最小路径通过，转子齿1、3的轴线与定子A极轴线对齐（在电磁吸力作用下，转子齿1、3吸引到A极下）。转

4、子只受径向力，无切向力转矩为零；B、C两相的定子齿和转子齿在不同方向各错开300。A相断电，B相绕组通电，转子齿就和B相定子齿对齐，转子顺时针旋转300。B相断电，C相绕组通电，转子齿就和C相定子齿对齐，转子又顺时针旋转300。当通电顺序为ABCA时，转子按顺时针方向一步步转动每换接一次，转子前进一步。一步对应的角度步距角电流换接3次，磁场旋转一周，转子前进一个齿距的位置。一个齿距对应的角度齿距角此例，转子4个齿，齿距角为900改变通电顺序，改变旋转方向。通电顺序ACBA，转子逆时针转动。2）通电方式步进电动机转速取决于：控制绕组通电频率，绕组通电方式通电方式：单相轮流通电方式“单”每次切换前

5、后只有一相绕组通电对定子为p相，转子有z齿的步进电动机，一转需步数pz步通电分配方式p相单p状态，ABCA双相轮流通电方式“双”每次有两相绕组通电两相通电，转矩大些，定位精度提高而不易失步每转需步数pz步通电分配方式p相双p状态，ABBCCAAB单双相轮流通电方式单、双相通电方式组合应用每转需步数2pz步通电分配方式p相2p状态，AABBBCCCAA步进电动机以一种通电状态转换到另一种通电状态一拍按ABCA方式通电，定子绕组为三相，每一次只有一相绕组通电，每一循环只有三次通电三相单三拍通电ABBCCAAB三相双三拍通电AABBBCCCAA三相六拍通电当A、B两相同时通电，转子稳定位置在A、B两

6、定子磁极对称的中心位置一拍，转子转过一个步距角三相单三拍、三相双三拍步距角为300，三相六拍步距角为1503小步距角步进电动机定子内圆、转子外圆有齿和槽，定子、转子的齿宽、齿距相等定子三对磁极，分别绕三相绕组定子上齿与转子上齿位置规律：当A相的定子齿与转子齿对齐时，B相的定子齿相对于转子齿顺时针方向错开1/3齿距，C相的定子齿相对于转子齿顺时针方向错开2/3齿距当某一相的定子齿与转子齿对齐时，下一相磁极下定子齿与转子齿错开/p齿距(齿距，p相数)，再下一相磁极下定子齿与转子齿错开2/p齿距定子绕组按ABCA方式通电，转子顺时针转动，各相绕组轮流通电一次，转子转过一个齿距设转子齿数为z，齿距角=

7、3600/z每通电一次(运行一拍)，转子走一步，步距角=齿距/拍数（步数）=3600/（z拍数）=3600/zkpk状态系数，等于导电拍数m和相数p比值k=m/p三相三拍通电方式，k=1；三相六拍通电方式，k=2步进电动机z=40，三相单三拍/三相双三拍，步距角 =3600/zkm=3600/340=30三相六拍运行，步距角 =3600/2340=1.50步进电动机转子齿数z、定子相数p多，步进电动机运行拍数（步数）多，步距角小，控制精确定子控制绕组按一定顺序轮流通电，步进电动机不停旋转电脉冲频率f（通电频率）Hz，步距角（0），步进电动机转速（r/min）n=60f/kpz二、步进电动机主要

8、特性1、主要性能指标1)步距角 分辨力在一个电脉冲作用下（即一拍），电机转子转过的角位移，越小，分辨力越高。最常用的有0.60/1.20、0.750/l.50、0.90/l.80、10/20、I.50/30等2)矩角特性空载状态下，给步进电动机某相通直流电，转子齿的中心线与定子齿的中心线重合，转子上没有转矩输出转子初始稳定平衡位置转子轴上加负载转矩，转子齿的中心线与定子齿的中心线错开一角度，才能重新稳定。此时，转子上的电磁转矩Mj与负载转矩M相等Mj静态转矩，失调角。=900时，最大静转矩MjmaxMj大致为正弦曲线矩角特性曲线静态转矩大，自锁力矩大，静态误差小(1)静态稳定区当失调角在-到范

9、围内，去掉负载转矩M，转子仍能回到初始稳定平衡位置-步进电动机的静态稳定区(2)最大静态转矩额定电流时的最大静态矩转Mjmax理论分析最大静态转矩与控制电流的平方成正比，其它为电机的结构参数一般负载力矩(3)起动转矩MqA相与B相矩角特性曲线交点对应的转矩表示步进电动机单相励磁时所能带动的极限负载转矩起动转矩与步进电动机相数、通电方式有关动态特性影响系统的快速响应、工作可靠性在某一通电方式下，各相的矩角特性总和矩角特性曲线族。每一曲线依次错开角度=2/m(m运行拍数)三相三拍，=2/3；三相六拍，=/3动态稳定区：步进电动机通电A相B相（或AB相），不致引起丢步的区域每一条曲线依次错开一角度，

10、在拍数越多的运行方式下，动态稳定区越接近静态稳定区(4)空载起动频率fq与惯频特性空载状态下，转子从静止状态能够不失步地起动时的最大控制频率空载起动频率（空载突跳频率）步进电动机带动惯性负载时的起动频率与负载转动惯量间的关系惯频特性在不同负载下，电动机允许的最高连续运行频率不同。技术说明书指明：空载最高连续运行频率与矩频特性曲线、空载起动频率与惯频特性曲线(5)最高连续运行频率与矩频特性步进电动机额定载荷下，连续升速，不失步的最高频率，fmax。代表电机的最高工作速度，一般fmax为fq的十几倍电动机在连续运行状态下，电磁转矩随控制频率升高而下降。转矩与控制频率之间的变化关系矩频特性不同控制频

11、率下电动机所产生的转矩动态转矩(6)精度与运行误差精度包括步距误差和累积误差步距误差空载运行一步的理论步距角与实际步距角之差，用分表示，主要由齿形加工精度、各相电流不平衡等因素造成。一般为十分左右累积误差一转范围内累积误差的最大值。步进电动机的误差在一转后不累积，精度测定只在一转内进行运行误差用负载运行时的定位误差和动态误差表示定位误差(静误差)：电动机负载运行时的定位位置与空载运行时的定位位置之差动态误差：发生于频率突跳、负载突变、低频振荡2步进电动机选用1)步进电动机型号标注反应式步进电动机(电动机外径mm)BF(励磁绕组相数或代号)永磁式BY(电动机外径mm，励磁绕组相数或代号)混合式B

12、YG(动机外径mm，永磁感应式，励磁绕组相数或代号)2)选用要求：步进电机严格跟随指令脉冲，不发生失频、振荡；能快速启动，停止，正反转和高效运转；满足各项性能指标且具有良好的动态特性1)步进电机输出转矩大于负载转矩，电机矩频特性有一定余量2)机械系统的负载惯量和产品所要求的启动频率与步进电机相匹配，有一定余量，最高工作频率满足产品快速移动要求3)步进电机步矩角和机械系统相匹配，以得到所需脉冲当量三、步进电动机驱动与控制步进电机控制系统主要由变频信号源和驱动电源（脉冲分配器、功率放大器）组成变频信号源由微机或数控装置（逻辑控制电路）等构成作用：按控制要求产生脉冲信号及方向信号要求：提供从几Hz到

13、几万Hz的频率信号连续可调的脉冲信号在实际控制中，只要控制输入电脉冲的数量和频率就可精确控制步进电机的转角和速度，变频信号源称为可调脉冲信号发生器类型：微机控制优点是控制过程由软件实现，可根据不同要求进行调整数控装置按控制过程的要求，由各种逻辑控制电路组成，一般用于专用设备的过程控制，其控制方案不宜改变驱动电源由脉冲分配器、功率放大器组成作用：将变频信号源送来的脉冲信号及方向信号，按要求的配电方式自动地循环供给电机各相绕组，以驱动电机转子正反向旋转步进电机的运行特性与配套使用的驱动电源有密切关系1、环形脉冲分配器基本作用：将输入脉冲信号，按电机的运行控制要求（即各相绕组的通电顺序），分配成电机

14、各相绕组的驱动控制信号环形分配方法a、 计算机软件分配利用计算机软件通过查表或计算方法来进行脉冲信号环形分配的方法软环分原理：将电机各相绕组的通电状态，用数据代码表示并列成表格三相六拍控制分配状态表计算机在软件控制下顺次读取表中数据，通过输出接口进行输出通过正向顺序读取和反向顺序读取可控制电机进行正反转通过控制读取一次的时间间隔即可控制电机的转速特点：充分利用计算机软件资源，以降低硬件成本。尤其是对多相电机的脉冲分配具有更大的优点。但由于软环分占用计算机的运行时间，故会使插补一次的时间增加，影响步进电机的运行速度b、 集成电路搭接利用双稳态触发器小规模集成电路进行搭接优点：灵活性大，可搭接任意

15、相、任意通电顺序的环形分配器，同时在工作时不占用计算机的工作时间。c、 专用环形分配器(可编程逻辑器件)GAL16V8三相六拍环形分配器市场上出售的环形分配器器件的种类很多，功能齐全，有的还具有其它功能，如斩波控制等。如用于二相步进电机斩波控制的L297（L297A）、PMM8713和用于五相步进电机的PMM87142、功率放大器驱动电源作用：将环形分配器输出的信号脉冲电流进行放大，驱动步进电机运转从环形分配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安，不能直接驱动步进电机，必须采用功率放大器进行放大，使其增大到几至十几安培，从而驱动步进电机运转需解决主要问题：功率放大器作为驱动电源，在驱动电机类电感

16、较大的感性负载时，需要解决问题：a、 通电时，由于电感的磁惯性作用，使脉冲电流的上升率受到限制，启动电流较小，影响电机力矩输出主要措施：采用高低压或恒流驱动；提高启动电流b、 断电时，由于电感的反电动势作用，使电流不能迅速下降，影响电机输出力矩的准确切换主要措施：增加续流回路；使反电动势得到有效释放，加快电流衰减步进电机是感性负载，电流上升率受感抗影响，电流不能立即达到稳定值，经过电路时间常数的3倍时间接近稳态电感电路时间常数：式中 L每相绕组的电感；R每相电路的总电阻电动机每相绕组的电感为常数。提高电流上升率：增加电路的总电阻或提高供电回路电压功率放大电路类型：电流型恒流驱动、斩波驱动电压型

17、单电压型、双电压型（高低压型）1)限流电阻式驱动电源电路原理图开关S为步进电机运行控制开关S闭合与非门关闭进给脉冲不能通过V1管栅极为低电平电机绕组没有电流流过S断开与非门的一个输入端为高电平，另一端有进给脉冲时，与非门的输出为低电平，通过非门转变为高电平V1管导通V1管是场效应大功率器件(VMOS)，栅极与源极及漏极相绝缘，栅极只要提供一定开启电压，V1管即可饱和。栅极与漏极之间具有10002000pF的结电容，要求驱动电路能提供低阻抗的充放电回路CMOS电路是一种理想驱动电路。充放电回路内阻较大时，会影响V1管开关速度V1管导通时，电流通过R1流过绕组，绕组中电流的上升速率随电源电压的增大

18、而增大要求驱动频率较高时，为保证绕组流过额定电流，电源电压应相应提高由于绕组内阻很小在电流回路中串联一限流电阻，使回路中的电流与绕组的额定电流相配V1管关闭时，为防止绕组中的电流突然消失，形成很大电流变化率击穿V1管，并接续流二极管R1作用：限流电阻；减小电路时间常数，加速电流上升速度限流电阻式驱动电源特点：结构安全可靠，在较高的电源电压下有较好的快速性能效率低、发热严重(主电路电流较大，很大一部分能量消耗在电阻上)限流电阻式驱动电源一般应用在小功率步进电机驱动2)高低压驱动电源特点：先接通高压以保证绕组中有较大的冲击电流，电流波形上升沿很陡，有利于提高步进电机的启动频率和最高连续工作频率；切

19、断高压，由低压供电以保证绕组中稳定电流等于额定值额定电流由低压维持，只需很小限流电阻消耗功率很小，当工作频率提高到每相通电时间高压开通时间时，变成纯高压供电，使在高频下工作时获得较大电流具有较好的矩-频特性双电压驱动放大电路功率晶体管T1、T2；二极管D1、D2；外接电阻Rc，步进电机绕组电感L及电阻RL电路电源Ul和U2，一般Ul是高压，80150V，U2为520V单电压供电的功率放大器电路中，工作控制信号是步进时一相所需的方波信号在高低压驱动功放电路中，除一相所需的方波信号外，还需要高压驱动控制信号高低压驱动功放电路，T1是高压电源开关管，T2是功率驱动管；Dl是低压电源U2的钳位二极管T1导通时处于反向偏置而截止，T1截止时正向导通向电机的绕组提供低压电源U2D2是续流二极管，在T1，T2都截止时向绕组提供放电回路在T1基极上加高压电源开关控制信号Vh时，在T1基极上必须加上步进控制信号V1，且要求Vh和V1的上升沿的上升时刻一致，同时有Th直流步进