步进电机驱动系统优秀课件.ppt

步进电机驱动系统第1页，本讲稿共41页10.1 步进电动机的结构与工作原理机理机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号 转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉 冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距 离。离。特点特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。来一个脉冲，转一个步距角。(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。控制脉冲频率，可控制电机转速。(3)改变脉冲顺序，改变方向。改变脉冲顺序，改变方向。第2页，本讲稿共41页分类:永磁式(PM)、变磁阻式(RM)、混合式(HB)三种;(1)永磁式(PM)转子由一对或多对极的星形永久磁铁组成;定子极上相应的有两相或多相绕组;当定子绕组通电后，定子和转子的磁极之间的磁力使电机转动;效率高,造价便宜,步距角为7.518之间;第3页，本讲稿共41页分类:永磁式(PM)、变磁阻式(RM)、混合式(HB)三种;(2)变磁阻式(RM,亦称反应式)定子和转子均由铁心组成;定子有若干对磁极，上绕控制绕组;转子圆柱上有均布小齿，转子向定子与转子之间磁阻最小的位置转动;用量最大;结构简单,转子阻尼大,运行噪声大,步距角为1.515 之间;定子定子转子转子定子绕组定子绕组第4页，本讲稿共41页分类:永磁式(PM)、变磁阻式(RM)、混合式(HB)三种;(3)混合式(HB)u定子结构与变磁阻式相似;u转子由环形永久磁铁且两端罩上两段帽式铁心构成;u两段铁心上均带有均布的小齿，但两者的装配位置从轴向看上去错开半个齿距;u步距角为0.7515之间;u组合了PM和RM的特点;第5页，本讲稿共41页10.1 步进电动机的结构与工作原理 步步进进电电机机主主要要由由两两部部分分构构成成：定定子子和和转转子子。它它们们均均由由磁磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极性材料构成，其上分别有六个、四个磁极 。定子定子转子转子定子绕组定子绕组第6页，本讲稿共41页 定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。一相。注意：注意：这里的相和三相交流电中的这里的相和三相交流电中的“相相”的概念不同。的概念不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图的联接和组数步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图的联接和组数的区别。的区别。ABC定子定子转子转子IAIBIC第7页，本讲稿共41页步进电机工作原理(以三相四齿反应式步进电机为例):A相通电B相通电C相通电A,B,C三相依次通电(某相通电时另两相断电),产生转矩,使转子上的齿朝向磁阻最小的方向转动;转矩为零后停在静平衡位置;例如,A相通电,转子到达如左图位置;接着B相通电,转子到达如中图位置,完成一个步距角;接着C相通电,又完成一个步距角;第8页，本讲稿共41页步进电机运行方式：步进电机转过的角度由输入脉冲的数量决定;转向由输入脉冲的顺序决定;转速由输入脉冲的频率决定;步进电机的角位移控制是对其输入脉冲的数量和顺序进行控制;步进电机的角速度控制是对其输入脉冲的频率和顺序进行控制;(题3-39)第9页，本讲稿共41页步进电机通电方式:拍-定子控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍;单、双-如果每次只有一相通电,称为“单”;如果每次有二相通电,称为“双”;几拍-经过几次切换控制绕组的通电状态完成一个循环;例:三相单三拍-三相绕组,每次只有一相绕组通电,经过三次切换控制绕组的通电状态完成一个循环;三相单双六拍-三相绕组,单、双相通电方式交替进行，经过六次切换控制绕组的通电状态完成一个循环;三相双三拍-由于单相工作容易产生失步现象，所以很少使用，经常使用的是双三拍的通电方式;第10页，本讲稿共41页工作方式工作方式 步进电机的工作方式可分为：步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。六拍、三相双三拍等。一、三相单三拍一、三相单三拍（1 1）三相绕组联接方式：）三相绕组联接方式：Y 型型（2 2）三相绕组中的通电顺序为：）三相绕组中的通电顺序为：A 相相 B 相相 C 相相通电顺序也可以为：通电顺序也可以为：A 相相 C 相相 B 相相 第11页，本讲稿共41页（3）工作过程）工作过程化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。A 相通电，相通电，A 方向的磁方向的磁通经转子形成闭合回路。通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁场的作用下，转子被磁A A 相通电使转子相通电使转子1 1、3 3齿和齿和 AA 对齐。对齐。CABBCA3412第12页，本讲稿共41页CABBCA3412同理，同理，B相通电，转子相通电，转子2、4齿和齿和B相轴线对齐，相对相轴线对齐，相对A相相通电位置转通电位置转30；C相通电再转相通电再转30。1C342CABBA第13页，本讲稿共41页 这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。三相单三拍的特点：三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过）每来一个电脉冲，转子转过 30。此角称为步。此角称为步距角，用距角，用 S表示。表示。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。变通电顺序即可改变转向。第14页，本讲稿共41页二、三相单双六拍二、三相单双六拍三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为：AABBBCCCAA 共六拍。共六拍。工作过程：工作过程：A相通电，相通电，转子转子1 1、3 3齿和齿和A相对齐。相对齐。CABBCA3412第15页，本讲稿共41页所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通电，通电，转子转了转子转了15。（1）BB 磁场对磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使齿有磁拉力，该拉力使 转子顺时针方向转动。转子顺时针方向转动。A、B相同时通电相同时通电（2）AA 磁场继续对磁场继续对1、3齿有拉力。齿有拉力。CABBCA3412第16页，本讲稿共41页总总之之，每每个个循循环环周周期期，有有六六种种通通电电状状态态，所所以以称称为为三三相相六拍，步距角为六拍，步距角为15。CABBCA3412B相通电，相通电，转子转子2、4齿和齿和B相对齐，又转了相对齐，又转了15。第17页，本讲稿共41页三、三相双三拍三、三相双三拍三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为：AB BC CA AB 共三拍。共三拍。AB通电通电CABBCA3412CABBCA3412BC通电通电第18页，本讲稿共41页以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。工工作作方方式式为为三三相相双双三三拍拍时时，每每通通入入一一个个电电脉脉冲冲，转转子子也也是是转转30，即，即 S=30。CA通电通电CABBCA3412第19页，本讲稿共41页小步距角的步进电动机小步距角的步进电动机 实际采用的步进电机的步距角多为实际采用的步进电机的步距角多为3度和度和1.5度，步度，步距角越小，机加工的精度越高。距角越小，机加工的精度越高。为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子中转子40个齿，定子仍是个齿，定子仍是 6个磁极，但每个磁极上个磁极，但每个磁极上也有五个齿。也有五个齿。第20页，本讲稿共41页转子的齿距转子的齿距等于等于360/40=9 ，齿宽、齿槽各，齿宽、齿槽各4.5 。为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽和齿槽和转子相同。和齿槽和转子相同。第21页，本讲稿共41页工作原理：工作原理：假设是单三拍通电工作方式。假设是单三拍通电工作方式。（1）A 相通电时，定子相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对相的五个小齿和转子对齐。此时，齐。此时，B 相和相和 A 相空间差相空间差120120，含，含 120 120/9/9 =齿齿 A 相和相和 C 相差相差240240，含，含240240/9 9 =个齿。所以，个齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿相的转子、定子的五个小齿对齐时，对齐时，B 相、相、C 相不能对齐，相不能对齐，B相的转子、相的转子、定子相差定子相差 1/3 1/3 个齿（个齿（3 3），），C相的转子、相的转子、定子相差定子相差2/32/3个齿（个齿（6 6）。）。第22页，本讲稿共41页若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，转子只转转子只转 1.5 。转动方向仍由相序决定。转动方向仍由相序决定。同理，同理，C 相通电再转相通电再转3 （2）A 相相断断电电、B 相相通通电电后后，转转子子只只需需转转过过1/3个个 齿齿（3），使），使 B 相转子、定子对齐。相转子、定子对齐。第23页，本讲稿共41页f：电脉冲的频率电脉冲的频率 转速转速 步进电机通过一个电脉冲步进电机通过一个电脉冲,转子转过的角度转子转过的角度,称为称为步距角。步距角。m:一个周期的运行拍数一个周期的运行拍数Zr：转子齿数：转子齿数如：如：Zr=40,m=3 时时步距角步距角第24页，本讲稿共41页10.2 步进电动机的环形分配器第25页，本讲稿共41页步进电机及驱动器步进电机及驱动器第26页，本讲稿共41页步进电机及驱动器步进电机及驱动器第27页，本讲稿共41页10.2 步进电动机的环形分配器序号序号控制信号状态控制信号状态输出状态输出状态导电绕组导电绕组CAJ CBJ CCJQA QB QC01234561 1 00 1 00 1 10 0 11 0 11 0 01 1 01 0 01 1 00 1 00 1 10 0 11 0 11 0 0AABBBCCCAA第28页，本讲稿共41页10.2 步进电动机的环形分配器第29页，本讲稿共41页10.2 步进电动机的环形分配器第30页，本讲稿共41页10.3 步进电动机驱动电路单电压限流型驱动电路单电压限流型驱动电路 这种电路的特点是线路简单，这种电路的特点是线路简单，成本低，低频时响应较好；缺成本低，低频时响应较好；缺点是效率低，尤其在高频工作点是效率低，尤其在高频工作的电动机效率更低。在实际中的电动机效率更低。在实际中较少使用，只有在小功率步进较少使用，只有在小功率步进电动机且在简单应用中才使用。电动机且在简单应用中才使用。第31页，本讲稿共41页10.3 步进电动机驱动电路双电压驱动电路双电压驱动电路双电压驱动电路双电压驱动电路 这种电路的特点是电动这种电路的特点是电动这种电路的特点是电动这种电路的特点是电动机绕组主电路中采用高压机绕组主电路中采用高压机绕组主电路中采用高压机绕组主电路中采用高压和低压两种电压供电，一和低压两种电压供电，一和低压两种电压供电，一和低压两种电压供电，一般高压为低压的数倍。适般高压为低压的数倍。适般高压为低压的数倍。适般高压为低压的数倍。适用于大功率和高频工作的用于大功率和高频工作的用于大功率和高频工作的用于大功率和高频工作的步进电动机，优点是功耗步进电动机，优点是功耗步进电动机，优点是功耗步进电动机，优点是功耗小，起动力矩大，突跳频小，起动力矩大，突跳频小，起动力矩大，突跳频小，起动力矩大，突跳频率和工作频率高，缺点是率和工作频率高，缺点是率和工作频率高，缺点是率和工作频率高，缺点是低频振荡加剧，波形呈凹低频振荡加剧，波形呈凹低频振荡加剧，波形呈凹低频振荡加剧，波形呈凹形，输出转矩下降；大功形，输出转矩下降；大功形，输出转矩下降；大功形，输出转矩下降；大功率管的数量多用一倍，增率管的数量多用一倍，增率管的数量多用一倍，增率管的数量多用一倍，增加了驱动电源。加了驱动电源。加了驱动电源。加了驱动电源。第32页，本讲稿共41页10.4 步进电动机的运行特性及应用一一 运行特性及影响因素运行特性及影响因素1.1.基本特点基本特点1)工作时的步数或转速（角度控制或速度控制）只与控制脉冲同步，而与电压、负载、温度、冲击（环境条件）等因素无关。2)按控制要求进行启动、停止、反转或改变速度。3)应用广泛（在数字控制系统中）。第33页，本讲稿共41页2.2.矩角特性矩角特性 反映步进电动机电电磁磁转转距距T随偏偏转转角角 变化的关系。1)初始平衡位置定子一相绕组通电，转子无负载转矩，转子齿与通电相磁极上小齿对齐。2)转子偏转角 （空间角）转子齿偏离初始平衡位置的角度（转子有负载作用，电磁转矩与负载转矩平衡）。3)电角度 空间角度的Z倍，即 。4)矩角特性曲线 。第34页，本讲稿共41页 近似一条正弦曲线。时，T达到最大静转矩 （定、转子齿错开1/4齿距）。反映了步进电动机带负载的能力（负载转矩（0.30.5）。“稳定运行”第35页，本讲稿共41页3.3.脉冲信号频率对运行的影响脉冲信号频率对运行的影响(a)频率很低（接近矩形波）；(b)频率增高（波形畸变）；(c)频率很高（I 下降到 I/）。故 过高使步进电动机 启动不起来；运行时失步而停下。第36页，本讲稿共41页4.4.转子机械惯性对运行的影响转子机械惯性对运行的影响1)受机械惯性作用，在启动阶段，转子落后于应转过的角度，一般会跟上来，严重（）时会启动不起来。2)在运转时，因惯性作用，经过几次振荡后才停下来，严重时会引起失步。措施：措施：采用阻尼方法，消除或减弱步进电机的振荡。第37页，本讲稿共41页二二 主要性能指标和注意事项主要性能指标和注意事项1.1.主要性能指标主要性能指标 1)步距角 步进电动机的主要性能指标之一，它直接影响启动和运行频率。式中：传动比；负载轴要求的最小位移增量（或称脉冲当量）。2)最大静转矩 式中：步进电动机启动转矩；最大静负载转矩。通常取 。第38页，本讲稿共41页3)空载启动频率 步进电动机在空载情况下，不失步启动所允许的最高频率。在负载情况下，不失步启动所允许的最高频率随负载的增加而显著下降。4)连续运行频率 当步进电动机运行频率连续上升时，电动机不失步运行的最高频率。矩频特性是指在连续运行状态下，步进电动机的电磁力矩随频率的升高而急剧下降的特性。注：注：与负载有关；在同样负载下，与负载有关；在同样负载下，。第39页，本讲稿共41页5)精度用一周内最大的步距角误差值表示。步距精度式中：负载轴上所允许的角度误差。6)输入电压U、输入电流I和相数m三项指标与驱动电源有关。第40页，本讲稿共41页2.注意事项1)驱动电源的优劣对控制系统的运行影响极大。2)若负载转动惯量较大，则在低频下启动，再上升到工作频率；停车时从工作频率下降到适当频率再停车。3)在工作过程中，尽量避免由负载突变而引起的误差。4)在工作中若发生失步现象，先检查负载（是否过大）、电源电压（是否正常），再检查驱动电源输出波形（是否正常），不应随意变换元件。第41页，本讲稿共41页