步进电机与自动控制课件电子教案幻灯片.ppt

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1、 ( 步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段距离。距离。 种类种类：励磁式励磁式和和两种。两种。 下面以反应式步进电机为例说明步进电机的下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。结构和工作原理。如下：如下：ABCIAIBIC 定子内圆周定子内圆周均匀分布着六个均匀分布着六个磁极，磁极上有磁极，磁极上有励磁绕组，每两励磁绕组，每两个相对的绕组组个相对的绕组组成一相。采用成一

2、相。采用Y连接，转子有四连接，转子有四个齿。个齿。定子定子转子转子 由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻转因此会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻转矩，使转子转动。矩，使转子转动。 现以现以A B C A的通电顺序，使三相绕组的通电顺序，使三相绕组 轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。BCIAIBICCABBCA3412 A相绕组通电，相绕组通电，B、C相相不通电。气隙产生以不通电。气隙产生以A-AA-A为轴线为轴线的磁场，而磁力线总是力图从的磁场，而磁力线总是力图从

3、磁阻最小的路径通过，故电动磁阻最小的路径通过，故电动机转子受到一个反应转矩，在机转子受到一个反应转矩，在此转矩的作用下，转子必然转此转矩的作用下，转子必然转到左图所示位置：到左图所示位置：1、3齿与齿与A、A极对齐。极对齐。CABBCA3412同理，同理，B相通电时，转子会转过相通电时，转子会转过30 角，角，2、4齿和齿和B、B 磁极轴线对齐；当磁极轴线对齐；当C相通电时，转子相通电时，转子再转过再转过30 角，角，1、3齿和齿和C 、C磁极轴线对齐。磁极轴线对齐。1C342CABBA这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三

4、个工作脉冲，一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。所以称为三相单三拍工作方式。 按按AB C A 的顺序给三相绕组的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过过30( (步距角步距角) )，每个通电循环周期，每个通电循环周期( (3拍拍) )磁场在磁场在空间旋转了空间旋转了360而转子而转子转过转过90( (一个齿距角一个齿距角) )。 按按AAB B BC C CA的顺序给三相的顺序给三相绕组轮流通电。绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制这种方式可以获得更精确的控制特性。特性。CABBCA341

5、2CABBCA3412 A相通电，相通电，转子转子1 1、3 3齿与齿与A、A 对齐。对齐。 A、B相同时通电，相同时通电，A、A 磁极拉住磁极拉住1、3齿，齿，B、B 磁极拉住磁极拉住2、4齿，齿，转子转转子转过过15 ，到达左图到达左图所示位置。所示位置。CABBCA3412 B B 相通电，相通电，转子转子2、4齿与齿与B、B 对齐对齐, ,又转又转过过15 。3412CABBCA B、C相同时通电，相同时通电，C 、C 磁极拉住磁极拉住1、3齿，齿，B、B 磁极拉住磁极拉住2、4齿，转子再转齿，转子再转过过15 。 三相反应式步进电动机的一个通电循环周三相反应式步进电动机的一个通电循环

6、周期如下：期如下：AAB B BC C CA，每个循每个循环周期分为六拍。每拍转子转过环周期分为六拍。每拍转子转过15 （步距角），（步距角），一一个通电循环周期个通电循环周期( (6拍拍) )转子转过转子转过90 ( (齿距角齿距角) )。 与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更小，更适用于需要精确定位的控制系统中。小，更适用于需要精确定位的控制系统中。 按按AB BC CA的顺序给三相绕组轮流通的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电电。每拍有两相绕组同时通电。AB通电通电CABBCA3412BC通电通电3412CABBCACA通电通电CABBCA

7、3412 与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循循环周期也分为三拍。每拍转子转过环周期也分为三拍。每拍转子转过30 ( (步距角步距角) )，一一个通电循环周期个通电循环周期( (3拍拍) )转子转过转子转过90 ( (齿距角齿距角) )。 从以上对步进电机三种驱动方式的分析可从以上对步进电机三种驱动方式的分析可得步距角计算公式：得步距角计算公式：mZr360 步距角步距角Zr 转子齿数转子齿数m 每个通电循环周期的拍数每个通电循环周期的拍数 实用步进电机的步距角多为实用步进电机的步距角多为3 和和1.5 。为了。为了获得小步距角，电机的定子、转子都做成

8、多齿的，获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的，如教材图如教材图10.4.4所示。图中转子表面有所示。图中转子表面有4040个齿，个齿，齿距角是齿距角是9 9 ；定子仍是定子仍是 6 6个磁极，但每个磁极表个磁极，但每个磁极表面加工有五个和转子一样的齿。面加工有五个和转子一样的齿。应用：应用：步进电动机根据数控装置步进电动机根据数控装置发出的指令带动电位器的发出的指令带动电位器的动触电转动，使其偏离中动触电转动，使其偏离中点产生电位差，经放大后点产生电位差，经放大后控制伺服阀的开口量，压力油经阀口进入油缸，使控制伺服阀的开口量，压力油经阀口进入油缸，使机械手按照存储在数控装置中的指令动作。

9、机械手按照存储在数控装置中的指令动作。 用某种装置代替人，按照人的意愿自动完用某种装置代替人，按照人的意愿自动完成一系列控制过程，称作自动控制。成一系列控制过程，称作自动控制。 从结构上看，自动控制系统分为开环控制从结构上看，自动控制系统分为开环控制和闭环控制两类。和闭环控制两类。 控制对象控制对象控制控制指令指令输出输出 开环控制系统结构开环控制系统结构简单，控制对象按照控简单，控制对象按照控制指令工作，但不能根制指令工作，但不能根据输出结果自动调节，据输出结果自动调节，仅用于对控制精度要求仅用于对控制精度要求不高的场合。不高的场合。控制对象控制对象反馈环节反馈环节误差误差输出输出给定给定反

10、馈反馈 闭环控制系统结构比较复杂。把输出信号的闭环控制系统结构比较复杂。把输出信号的一部分通过反馈环节引回到输入端，与给定信号一部分通过反馈环节引回到输入端，与给定信号比较，得到误差信号，再送入控制对象去调节输比较，得到误差信号，再送入控制对象去调节输出结果。如此反复循环，直至误差为零。这种控出结果。如此反复循环，直至误差为零。这种控制是通过反馈来实现的，所以也叫做反馈控制系制是通过反馈来实现的，所以也叫做反馈控制系统。统。 给定元件给定元件 放大元件放大元件 执行元件执行元件 控制对象控制对象检测元件检测元件被调量被调量控制指令控制指令+UgUdUf 闭环控制系统（反馈控制系统）的各个基闭环

11、控制系统（反馈控制系统）的各个基本环节如下图所示：本环节如下图所示：系统中各部分的作用如下：系统中各部分的作用如下：把控制指令变成给定值。它把控制指令变成给定值。它与被调量存在着一定的函数关系。改变给定值，与被调量存在着一定的函数关系。改变给定值，即可改变被调量。即可改变被调量。把被调量检测出来，按一定的把被调量检测出来，按一定的函数关系反馈到输入端。函数关系反馈到输入端。把反馈信号把反馈信号Uf与给定信号与给定信号Ug比比较以获取误差信号较以获取误差信号Ud。当误差信号太微弱时，需要用当误差信号太微弱时，需要用放大元件把误差信号放大到足以推动执行元件的放大元件把误差信号放大到足以推动执行元件的程度。程度。直接推动控制对象改变被调量。直接推动控制对象改变被调量。由执行元件推动的各种装置，由执行元件推动的各种装置，如各种机械负载、发电机、加热炉、闸门等，相如各种机械负载、发电机、加热炉、闸门等，相应的被调量就是转速、电压、温度、位移等。应的被调量就是转速、电压、温度、位移等。