步進(jìn)電機(jī)及其控制系統(tǒng)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng) 第13篇 13 1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移的機(jī)電執(zhí)行元件 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類 工作原理 反應(yīng)式 永磁式 混合式 輸出轉(zhuǎn)矩大小 快速步進(jìn)電機(jī) 功率步進(jìn)電機(jī) 勵(lì)磁相數(shù) 二 三 四 五 六 八相等 角位移 輸入脈沖個(gè)數(shù) 運(yùn)行速度 輸入脈沖頻率 特點(diǎn) 1 來(lái)一個(gè)脈沖 轉(zhuǎn)一個(gè)步距角 2 控制脈沖頻率 可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速 3 改變脈沖順序 可改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向 13 1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理 區(qū)別在于勵(lì)磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上有勵(lì)磁線圈 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒(méi)有勵(lì)磁線圈 種類 勵(lì)磁式和反應(yīng)式兩種 下面以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例說(shuō)明步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 13 1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 給A相繞組通電時(shí) 轉(zhuǎn)子位置如圖 a 轉(zhuǎn)子齒偏離定子齒一個(gè)角度 由于勵(lì)磁磁通力圖沿磁阻最小路徑通過(guò) 因此對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁吸力 迫使轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)動(dòng) 當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到與定子齒對(duì)齊位置時(shí) 圖b 因轉(zhuǎn)子只受徑向力而無(wú)切線力 故轉(zhuǎn)矩為零 轉(zhuǎn)子被鎖定在這個(gè)位置上 由此可見(jiàn) 錯(cuò)齒是助使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的根本原因 三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理結(jié)構(gòu)圖如下 A 定子內(nèi)圓周均勻分布著六個(gè)磁極 磁極上有勵(lì)磁繞組 每?jī)蓚€(gè)相對(duì)的繞組組成一相 轉(zhuǎn)子有四個(gè)齒 定子 轉(zhuǎn)子 13 1 1三相單三拍 A相繞組通電 B C相不通電 由于在磁場(chǎng)作用下 轉(zhuǎn)子總是力圖旋轉(zhuǎn)到磁阻最小的位置 故在這種情況下 轉(zhuǎn)子必然轉(zhuǎn)到左圖所示位置 1 3齒與A A 極對(duì)齊 13 1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理 同理 B相通電時(shí) 轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)30 角 2 4齒和B B 磁極軸線對(duì)齊 當(dāng)C相通電時(shí) 轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過(guò)30 角 1 3齒和C C磁極軸線對(duì)齊 13 1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理 這種工作方式下 三個(gè)繞組依次通電一次為一個(gè)循環(huán)周期 一個(gè)循環(huán)周期包括三個(gè)工作脈沖 所以稱為三相單三拍工作方式 按A B C A 的順序給三相繞組輪流通電 轉(zhuǎn)子便一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái) 每一拍轉(zhuǎn)過(guò)30 步距角 每個(gè)通電循環(huán)周期 3拍 轉(zhuǎn)過(guò)90 一個(gè)齒距角 13 1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理 13 1 2三相六拍 按A AB B BC C CA的順序給三相繞組輪流通電 這種方式可以獲得更精確的控制特性 A相通電 轉(zhuǎn)子1 3齒與A A 對(duì)齊 A B相同時(shí)通電 A A 磁極拉住1 3齒 B B 磁極拉住2 4齒 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)15 到達(dá)左圖所示位置 B相通電 轉(zhuǎn)子2 4齒與B B 對(duì)齊 又轉(zhuǎn)過(guò)15 B C相同時(shí)通電 C C磁極拉住1 3齒 B B 磁極拉住2 4齒 轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過(guò)15 三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一個(gè)通電循環(huán)周期如下 A AB B BC C CA 每個(gè)循環(huán)周期分為六拍 每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)15 步距角 一個(gè)通電循環(huán)周期 6拍 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)90 齒距角 與單三拍相比 六拍驅(qū)動(dòng)方式的步進(jìn)角更小 更適用于需要精確定位的控制系統(tǒng)中 13 1 3三相雙三拍 按AB BC CA的順序給三相繞組輪流通電 每拍有兩相繞組同時(shí)通電 與單三拍方式相似 雙三拍驅(qū)動(dòng)時(shí)每個(gè)通電循環(huán)周期也分為三拍 每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)30 步距角 一個(gè)通電循環(huán)周期 3拍 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)90 齒距角 從以上對(duì)步進(jìn)電機(jī)三種驅(qū)動(dòng)方式的分析可得步距角計(jì)算公式 實(shí)用步進(jìn)電機(jī)的步距角多為3 和1 5 為了獲得小步距角 電機(jī)的定子 轉(zhuǎn)子都做成多齒的 如教材圖10 4 4所示 圖中轉(zhuǎn)子表面有40個(gè)齒 齒距角是9 定子仍是6個(gè)磁極 但每個(gè)磁極表面加工有五個(gè)和轉(zhuǎn)子一樣的齒 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用非常廣泛 如各種數(shù)控機(jī)床 自動(dòng)繪圖儀 機(jī)器人等 應(yīng)用 13 2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角 由一個(gè)通電狀態(tài)改變到下一個(gè)通電狀態(tài)時(shí) 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為步距角 T11 2 SWF 360 ZKm 其中 Z 轉(zhuǎn)子齒數(shù)m 定子繞組相數(shù)K 通電系數(shù)K 1 2 若二相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的Z 100 單拍運(yùn)行時(shí) 其步距角 若按單 雙通電方式運(yùn)行時(shí) 步距角 由此可見(jiàn) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z和定子相數(shù) 或運(yùn)行拍數(shù) 愈多 則步距角愈小 控制越精確 當(dāng)定子控制繞組按著一定順序不斷地輪流通電時(shí) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就持續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn) 如果電脈沖的頻率為f HZ 步距角用弧度表示 則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為 13 2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角 13 3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo) 1 步距角 2 最大工作頻率 在轉(zhuǎn)子不失步的情況下 電動(dòng)機(jī)連續(xù)工作時(shí) 輸入脈沖信號(hào)的最大頻率 3 最大突跳頻率 在轉(zhuǎn)子不失步的情況下 電動(dòng)機(jī)能增加和減小的最大頻率 4 步距差 理想的步矩角與實(shí)際的步矩角之差 5 輸出轉(zhuǎn)矩 電動(dòng)機(jī)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩的大小 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與脈沖頻率的函數(shù)關(guān)系稱為矩頻特性 13 4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源 一 驅(qū)動(dòng)電源的組成 脈沖分配器 功率放大電路 1 脈沖分配器 當(dāng)方向電平為低時(shí) 脈沖分配器的輸出按A B C的順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖 當(dāng)方向電平為高時(shí) 脈沖分配器的輸出按A C B的順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖 2 功率放大器 將脈沖分配器的輸出信號(hào)進(jìn)行電流放大后給電動(dòng)機(jī)的定子繞組供電 使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩 二 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖分配器 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖分配器可由硬件或軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn) 硬件環(huán)形分配器 由計(jì)數(shù)器等數(shù)字電路組成的 有較好的響應(yīng)速度 且具有直觀 維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn) 軟件環(huán)分 由計(jì)算機(jī)接口電路和相應(yīng)的軟件組成的 受到微型計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的限制 有時(shí)難以滿足高速實(shí)時(shí)控制的要求 1 硬件環(huán)形分配器 2 軟件環(huán)形分配 軟件環(huán)分的方法是利用計(jì)算機(jī)程序來(lái)設(shè)定硬件接口的位狀態(tài) 從而產(chǎn)生一定的脈沖分配輸出 1 輸出接口 8031單片機(jī)本身包含4個(gè)8位I O端口 分別為P0 P1 P2 P3 輸出接口是將計(jì)算機(jī)的輸出端與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的每相繞組一一對(duì)應(yīng)起來(lái) 若要實(shí)現(xiàn)三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖分配 需要三根輸出口線 本例中選P1口的P1 0 P1 1 P1 2位作為脈沖分配的輸出 三 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率放大電路 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上是一種脈沖放大電路 使脈沖具有一定的功率驅(qū)動(dòng)能力 由于功率放大器的輸出直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)繞組 因此 功率放大電路的性能對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能影響很大 1 單電壓驅(qū)動(dòng)電路 L 是電動(dòng)機(jī)繞組 VT 開(kāi)關(guān)晶體管 電阻R兩端并聯(lián)電容C 使電流上升更快