机电一体化技术与系统项目四.ppt

项目四 步进驱动系统任务一 熟悉步进电机工作原理能 力 目 标：1了解步进电机的结构。2熟悉三相三拍、三相六拍运行原理。3掌握步进电机的工作特性。工 作 内 容：1什么叫步进电机？它是怎样实现速度与位置控制的？2什么叫“三相三拍”与“三相六拍”运行？3步进电机的静态特性与动态特性有什么特点？步进电动机就是一种将电脉冲信号转换成相应角位移的电动机。1、认识步进电动机、认识步进电动机 步进电动机具有独特的优点：步进电动机具有独特的优点：(1)控制特性好；控制特性好；(2)误差不长期积累；误差不长期积累；(3)步距值不受各种干扰因素的影响。步距值不受各种干扰因素的影响。1.1 步进电机分类分类分类 按定子相数不同：三相、四相、五相、六相等；按定子相数不同：三相、四相、五相、六相等；按转子材料不同：永磁式、磁阻式（反应式）按转子材料不同：永磁式、磁阻式（反应式）和混合式。和混合式。1.2 步进电机的基本结构14 23(1)定子定子(2)转子转子U1U2V1V2W2W1三相磁阻式步进三相磁阻式步进电动机原理图电动机原理图 步进电动机的典型结构步进电动机的典型结构 U2U1W2W1V1V21.3 步进电机的工作原理 一拍一拍 从一次通电到另一次通电。从一次通电到另一次通电。步距角步距角 每一拍转子转过的角度。每一拍转子转过的角度。(1)m 相单相单 m 拍运行（三相单三拍运行）拍运行（三相单三拍运行）(2)m 相双相双 m 拍运行（三相双三拍运行）拍运行（三相双三拍运行）(3)m 相单双相单双 2m 拍运行（三相单双六拍运行）拍运行（三相单双六拍运行）14 2314 2314 2314 23U1U2V1V2W2W1(1)m 相单相单 m 拍运行（三相单三拍运行）拍运行（三相单三拍运行）通电顺序：通电顺序：U 相相V 相相W 相相U 相。相。U 相通电相通电 14 23U1U2V1V2W2W114 23 V 相通电相通电 U1U2V1V2W2W1 W 相通电相通电 14 2314 23一步一步两步两步三步三步 步距角：步距角：=30(2)m 相双相双 m 拍运行（三相双三拍运行）拍运行（三相双三拍运行）通电顺序：通电顺序：UV 相相VW 相相WU 相。相。14 23U1U2V1V2W2W1 UV 相通电相通电 14 2314 23U1U2V1V2W2W1 VW 相通电相通电 14 2314 23U1U2V1V2W2W1 WU 相通电相通电 14 23 步距角：步距角：=3014 2314 23(3)m 相单双相单双 2m 拍运行拍运行(三相单双六拍运行）三相单双六拍运行）通电顺序：通电顺序：UUV VVW W WU U。14 23U1U2V1V2W2W1114 23U1U2V1V2W2W1214 23U1U2V1V2W2W1314 23U1U2V1V2W2W1414 23U1U2V1V2W2W1514 23U1U2V1V2W2W1614 23步距角：步距角：=15 三相六拍通电方式工作原理：三相单三拍：正转：ABCA 相序通电 反转：CBAC 相序通电三相双三拍：正转：ABBCCAAB 相序通电 反转：CABCABCA 相序通电三相单双六拍：正转：AABBBCCCAA 相序通电 反转：ACACBCBABA 相序通电步进双三步进六拍 步距角步距角=360m z z：转子齿数：转子齿数m：拍数：拍数 转速转速 一个一个 转转(1/zN)圈，圈，脉冲频率为脉冲频率为 f 每秒转每秒转(f /zN)圈。圈。n=60 fz N例如：例如：三相步进电动机三相步进电动机 z=40，则，则采用单采用单/双三拍时：双三拍时：采用三相六拍时：采用三相六拍时：=360z N 360403=3=360z N 360406=1.5思考1:“二相三相”运行思考2：某三相变磁阻步进电机，转子60齿，试计算各种运行方式下的步距角？如果要求电机转速为每分钟20转，求脉冲频率为多少？1.3 步进电机的工作原理四、步进电动机的参数步进电动机的参数 最大静转矩、起动频率、运行频率。最大静转矩、起动频率、运行频率。步进电动机的运行特性及影响因素步进电动机的运行特性及影响因素 1矩角特性 2单步运行特性 3连续脉冲运行特性 4加减速特性 5脉冲信号频率对步进电动机运行的影响 6转子机械惯性对步进电动机运行的影响 7.步进运行和低频振荡三、小步距角电机运行三、小步距角电机运行原理原理图4-1.4 小步距角的步进电机展开图四、混合式四、混合式步进电机步进电机实践指导一、步进电机的静态特性一、步进电机的静态特性静态是指步进电机通电状态不变，转子不动时的输出特性。图4-1.6 步进电机的矩角特性 图4-1.7 步进电机的静转矩特性二、步进电机的动态特性二、步进电机的动态特性步进电机的动态特性将影响到系统的快速性与工作可靠性。动态特性与电机性能、负载、驱动电源、通电方式等因素有关。图4-1.8 步进电机的矩频特性思考:步进电机的正反转任务二 了解步进驱动器原理能 力 目 标：1了解步进驱动器的功能。2熟悉单电压驱动、双电压驱动与PWM调压驱动电源。工 作 内 容：1步进驱动器需要具备哪些功能？2驱动电源是怎样提高启动电流的？3在功率晶体管关断时，电机绕组是如何泄放电流的？一、步进驱动器的一、步进驱动器的功能功能图4-2.1 步进驱动系统的组成步进驱动器的功能：电压隔离 脉冲分配 功率放大二、驱动电源的工作二、驱动电源的工作原理原理步进驱动器的功率放大电路常称为“驱动电源”，它是步进驱动器的关键部件。图4-2.2中的UCP代表步进电机的绕组通断控制信号；W代表电机绕组。图中的VD与RD为续流回路，用于绕组断开时的放电；RS为限流电阻，用来限制绕组电流，并起到减小绕组电气时间常数的作用；电容C用来提高导通瞬间的启动电流，提高电机响应速度。单电压驱动电源实践指导一、双电压驱动一、双电压驱动电电源源驱动电源有两组电源向电机绕组供电，高压部分用来提高启动瞬间的绕组电流，低压部分用来维持绕组额定电流图4-2.3 定时控制高低压驱动电源二、二、PWM调压驱动电源调压驱动电源PWM调压驱动电源的最大优点是驱动线路中的向绕组供电的电源电压可以根据要求进行自动调节，因此，它既可以实现高低压驱动功能，还可以根据步进电机的运行频率自动改变供电电压，解决系统快速性与低频工作的冲击、振荡与噪声问题。2.2.5 PWM调压驱动电源调压驱动电源 2.3 步进电动机的主要性能指标和应用步进电动机的主要性能指标和应用 2.3.1步进电动机的主要性能指标 1)步距角b 2)精度 3)转矩 4)响应频率 5)运行频率 6)起动矩频特性 7)起动惯频特性 8)运行矩频特2.3.2 步进电机 伺服电机对比一、控制精度不同 德国百格拉公司的三相混合式步进电机步距角可通过拨码开关设置为1.8,0.9,0.72,0.36,0.18,0.09,0.072,0.036.交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。松下全数字式交流伺服电机：2500线编码器、四倍频，其脉冲当量为360/10000=0.036。17位编码器，脉冲当量360/217=9.89秒。是步距角为1.8的步进电机的脉冲当量的1/655。二、低频特性不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。2.3.2 步进电机 伺服电机对比三、矩频特四、过载能力不同 五、运行性能不同六、速度响应性能不同2.3.2 步进电机 伺服电机对比3、运动控制系统设计举例设计要求：XY工作台，采用滚珠丝杠副传动，丝杠螺距4mm，工作台行程200mm。最大运动速度100mm/min,最大加速度不小于0.5g,在刀具处安装一铅笔，以便画出运动轨迹选择步进电动机的型号、并设计工作台的运动控制系统。3.1 设计过程设计过程1、步进电动机的选择2、步进电动机驱动器的选择3、计算机及其接口设计4、步进电动机控制程序任务三 步进驱动的应用与实践 3.1 设计过程设计过程注意事项：注意事项：1、步进电机工作情况检查；万用表的使用；2、检查控制板的连线；3、不同工作拍节的线路连接。3.2 任务实施及练习任务实施及练习分析要点：分析要点：1 通过分析步进电动机的工作原理和通电方式，可以得出什么结沦?2 实用中的步进电动机为什么采用小步距角?步距角如何确定?3 步进电动机按工作原理分类有哪几种?各有什么特点?4 步进电动机环行分配器由什么确定?如何进行设计?5 如何修改环行分配器子程序，以实现步进电动机的反向运行?6 步进电动机步距角的含义是什么?一台步进电动机可以有两个步距角，例如3/1.5，这是什么意思?什么是单三拍、双三拍、单双六拍、五相十拍?3.2 任务实施及练习任务实施及练习实施任务：查找资料，对YL335B自动生产线输送站进行步进电机驱动的选型设计、电气连线、调试设计对实训台进行电气连接并检查编程驱动，检验控制效果小组资料整理汇报小组评价3.2 任务实施及练习任务实施及练习3.3 步进驱动器使用帮助步进驱动器使用帮助1、SIEMENS步进驱动产品步进驱动产品STEPDRIVE C/C+步进驱动器组成：步进驱动器组成：（1）电源部分用来产生驱动器所需的电源部分用来产生驱动器所需的DC24V、DC5V等控等控制电压以及步进电机绕组驱动用的制电压以及步进电机绕组驱动用的DC120V电压电压FM STEPDRIVE步进驱动器的内部组成与步进驱动器的内部组成与STEPDRIVE C/C+系列基本相同，但驱动器的驱动电压可以达到系列基本相同，但驱动器的驱动电压可以达到DC325V，最大输出电流同为，最大输出电流同为5A。3.3 步进驱动器使用帮助步进驱动器使用帮助1、SIEMENS步进驱动产品步进驱动产品（2）控制部分包括控制部分包括“五相十拍五相十拍”环形分配、恒流斩波控环形分配、恒流斩波控制、过电流保护等环节；制、过电流保护等环节；（3）功率放大部分用来产生电机绕组控制用的高压、大电功率放大部分用来产生电机绕组控制用的高压、大电流信号。流信号。驱动器的保护措施较完善，设计有过电压、欠电压、过载、驱动器的保护措施较完善，设计有过电压、欠电压、过载、对地短路、相间短路等保护措施。对地短路、相间短路等保护措施。3.3 步进驱动器使用帮助步进驱动器使用帮助2.步进驱动器的选择步进驱动器的选择 选择步进驱动系统是必须综合考虑系统的启动特性与运行特性，必须注意的是：步进电机不具有过载性能!2.步进驱动器的选择步进驱动器的选择首先计算出系统的负载惯量根据负载惯量JL将空载启动特性平移后才能得到正确的启动特性最后，根据平移后的启动特性与启动频率确定启动时的输出转矩Ma的值。3.3 步进驱动器使用帮助步进驱动器使用帮助3.4 SIEMENS步进驱动器的连接步进驱动器的连接 3.4 SIEMENS步进驱动器的连接步进驱动器的连接 电源连接：根据要求将AC85V输入电源连接到驱动器的L/N/PE端。电机连接：将驱动器上的A+E-与电机上的对应端连接。控制信号连接：驱动器上的控制信号连接要求如下。+PULS/-PULS：位置指令脉冲，上升沿有效，最高频率不能超过250kHz。+DIR/-DIR：电机转向选择，“0”为顺时针；“1”为逆时针；转向可用驱动器的设定开关调整。+ENA/-ENA：驱动器“使能”信号，输入“0”禁止驱动器输出，电机无输出转矩；输入“1”驱动器使能，电机绕组加入运行或保持电流。3.4 SIEMENS步进驱动器的连接步进驱动器的连接以上输入为DC5V信号，具体要求如下。高电平（“1”信号）：VH3.7V/20mA与4.5V/100A。低电平（“0”信号）：VL1V/20mA。+24V/+24VGND：驱动器准备好（RDY）信号输出用的DC24V电源输入；RDY：驱动器“准备好”信号输出，当驱动器工作正常时，+24V与RDY间的触点闭合。当使用多个驱动器时，信号可以按照图5-3.5所示的方式进行串联，并将最后一只驱动器的RDY输出作为全部驱动器准备好信号，输出到外部控制器（如作为PLC输入等）。3.5 SIEMENS驱动器的设定与调整驱动器的设定与调整STEPDRIVE C/C+步进驱动器正面安装有4只调整开关（见图5-3.4），其作用如下。调整开关CURR1/CURR2：驱动器输出电流的设定，当驱动器用于不同规格电机时，以STEPDRIVE C/C+为例，开关设定与输出电流的对应关系如表5-3.1所示。3.5 SIEMENS驱动器的设定与调整驱动器的设定与调整驱动器的工作状态可以通过指示灯进行检查，正常工作时的指示灯（参见图5-3.4）显示如下。驱动器电源加入：指示灯DIS亮；电机无输出转矩；驱动器等待使能信号输入。加入使能信号：在+ENA/-ENA端加入DC5V信号后，指示灯DIS灭、RDY亮，步进电机绕组通电，并且产生保持力矩。3.5 SIEMENS驱动器的设定与调整驱动器的设定与调整 加入指令脉冲：在+PULS/-PULS端与+DIR/-DIR端输入DC5V“脉冲+方向”信号，电机则按照要求旋转。指令脉冲可来自CNC、PLC或DC5V手轮输入。转向检查：如果电机转向不正确，可切断驱动器电源，利用DIR开关交换电机转向。故障分析：如果驱动器运行时出现故障，报警指示灯FLT或TMP亮，可按表5-3.2分析原因并排除故障。3.5 SIEMENS驱动器的设定与调整驱动器的设定与调整思考：某步进电机有80个齿,采用3相6拍方式驱动,经丝杠螺母副驱动工作台做直线运动,丝杠的导程为6mm。求:1、步进电机的步矩角。2、当脉冲当量要求为0.01mm时,试设计此传动系统 传动比1、k=6/3=2=360/mzk=360/3802=0.75。2、I=Z2/Z1=L/360=0.756/3600.01=2/1可选Z1=20，Z2=40，模数=1.5的齿轮传动副例：三相变磁阻式步进电动机，转子80个齿。(1)要求电动机转速为60r/min,单双拍制通电，输入脉冲频率为多少?(2)要求电动机转速为100r/min，单拍制通电，输入脉冲频率为多少?4.任务验收及习题检验教师检验学生设备上任务完成情况教师给定本任务相关知识及技能要点设计的习题，检验学生学习情况综合评价(根据自评、小组评价、教师评价、习题考核评价，态度及过程开展情况，给出本任务综合评价）习题：1 某步进电动机有48个齿，采用五相五拍方式运行，其步距角为 （）A.0.75 B.1.5 C.6 D.3 4.任务验收及习题检验2.某步进电机有80个齿,采用3相6拍方式驱动,经丝杠螺母副驱动工作台做直线运动,丝杠的导程为6mm。求:（1）步进电机的步矩角。2）当脉冲当量要求为0.01mm时，试设计此传动系统减速比。（1）步进电机的步矩角：360/(2380)0.75（度）（2）传动比：i=Z2/Z1=L/360 0.756（3600.01）=1.25 3、用步进电机控制工作台的运动，假设步距角、用步进电机控制工作台的运动，假设步距角1.8，细分，细分系数系数5，丝杠螺距，丝杠螺距2mm，进给速度，进给速度v=120mm/min，求进给求进给脉冲频率脉冲频率fc。5.评价 提问时间