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步进电机的结构与原理
发布时间:步进电机的结构与原理

  步进电机的结构与原理_物理_自然科学_专业资料。第3讲 步进电机控制系统 主讲老师:刘遥生 机电传动控制技术系列讲座内容: 第一讲:机电传动概述及控制系统中常用检测元件 主要内容:讲述机电传动的目的和任务及发展概况,介 绍机电传动控制系统中常用

  第3讲 步进电机控制系统 主讲老师:刘遥生 机电传动控制技术系列讲座内容: 第一讲:机电传动概述及控制系统中常用检测元件 主要内容:讲述机电传动的目的和任务及发展概况,介 绍机电传动控制系统中常用的元器件(如速度传感器、线位 移传感器、角位移传感器等)。 第二讲:机电传动控制系统 主要内容:讲述机电传动控制系统的组成和分类,重点 介绍机电传动控制系统调速方法。 第三讲:步进电机控制系统 主要内容:讲述步进电机的结构、原理和控制系统;重 点介绍步进电机的控制与应用等方面的知识。 第三讲 步进电机控制系统 目的:1、了解步进电机的一般结构与工作原理 2、掌握步进电机基本特性及应用 3、学会步进电机控制方法 内容: 一、步进电机的分类 二、步进电机的结构和工作原理 三、步进电机的主要技术指标 四、步进电机的控制 第一节 步进电机分类 1、何谓步进电动机 又称为脉冲电动机,是数字控制系统中的一种执行元件。 其功用是将脉冲电信号变换为相应的角度位移或直线位移,即 给一个脉冲电信号,电动机就转动一个角度或前进一步。 步进电机 驱动器 控制电脉冲 控制电脉冲 t 转角 t 图1 步进电机的功用 第一节 步进电机分类 2、步进电动机产品外形 步进电机 驱动器 第一节 步进电机分类 2、步进电动机产品外形 第一节 步进电机分类 3、步进电动机分类 步进电机在构造上有三种主要类型: 1、反应式(Variable Reluctance,VR) 2、永磁式(Permanent Magnet,PM) 3、混合式(Hybrid Stepping,HS)。 反应式结构 反应式 永磁式 混合式 第一节 步进电机分类 3、步进电动机分类 反应式:定子上有绕组、转子由软磁材料组成。结构简单、成本低、步距角 小,可达1.2°、但动态性能差、效率低、发热大,可靠性难保证。 永磁式:永磁式步进电机的转子用永磁材料制成,转子的极数与定子的极数 相同。其特点是动态性能好、输出力矩大,但这种电机精度差,步矩角大 (一般为7.5°或15°)。 混合式:混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点,其定子上有多相绕 组、转子上采用永磁材料,转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。其 特点是输出力矩大、动态性能好,步距角小,但结构复杂、成本相对较高。 反应式 永磁式 混合式 第一节 步进电机分类 4、步进电动机的发展 20世纪60年代后期,在步进电动机本体方面随着永磁材料的发展,各种实用 性步进电动机也应运而生,而半导体技术的发展则推进了步进电动机在众多领域 的应用。 在近30年间,步进电动机迅速地发展并成熟起来。从发展趋向来讲,步进电 动机已经能与直流电动机、异步电动机、以及同步电动机并列,从而成为电动机 的一种基本类型。 我国步进电动机的研究及制造起始于本世纪50年代后期,从50年代后期到60 年代后期,主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品, 这些产品以多段结构三相反应式步进电动机为主。 70年代初期,步进电动机的生产和研究有所突破,除反映在驱动器设计方面 的长足进步外,对反应式步进电动机本体的设计研究发展到一个较高水平。 70年代中期至80年代中期为成品发展阶段,新品种高性能电动机不断被开发。 自80年代中期以来,由于对步进电动机精确模型做了大量研究工作,各种混合式 步进电动机及驱动器作为产品广泛利用 第一节 步进电机分类 5、步进电动机的应用领域 步进电机主要用于一些有定位要求的场合。 例如:线切割的工作台拖动,植毛机工作台(毛孔定位), 包装机(定长度)。打印机,汽车油门控制系统,扫描仪等。 基本上涉及到定位的场合都用得到。 第二节 步进电机结构和工作原理 1、步进电机的结构 第二节 步进电机结构和工作原理 1、步进电机的结构 由定子和转子二大部分组成 转子 定子 第二节 步进电机结构和工作原理 1、步进电机的结构--定子 第二节 步进电机结构和工作原理 1、步进电机的结构--定子 第二节 步进电机结构和工作原理 2、步进电机的结构--转子 第二节 步进电机结构和工作原理 2、步进电机的结构--转子 第二节 步进电机结构和工作原理 3、步进电机的结构原理 (1)定子由硅钢片叠成,装上一定相数的 控制绕组,由环行分配器送来的电脉冲对 多相定子绕组轮流进行励磁; - 第二节 步进电机结构和工作原理 3、步进电机的结构原理 (2)转子 由用硅钢片叠成或用软磁性 材料做成凸极结构。 - 转动1 个齿,转角发生了90度变化。 第二节 步进电机结构和工作原理 4、步进电机的结构原理--反应式 定子上有六个均布的磁极,每个 磁极上又有5个小齿,齿距相等, 齿间夹角为9 度 转子上无绕组,只有均布的40个小 齿,定子磁极的齿与转子上的齿依 次错开1/3齿距。 第二节 步进电机结构和工作原理 5、步进电机的工作原理--反应式 第二节 步进电机结构和工作原理 5、步进电机的工作原理--反应式 依此轮流通电,转子就沿着A—B— C的方向旋转。 在一个循环周期内换接三次,称为 三相单三拍运行 动画 从一相通电换接到另一相通电,转 子转过一个步距角,称为一拍 如果通电方式按AB—BC—CA的顺序, 每次接通两相绕组,称为三相双三 拍运行。步距角也是30度 动画 A相绕组通电 B相绕组通电 C相绕组通电 当 按 A—AB—B—BC—C—CA—A 顺 序 通电,则一个循环周期内换接六次, 称为三相六拍运行,此时步距角为 15度 动画 第二节 步进电机结构和工作原理 5、步进电机的工作原理--反应式 第二节 步进电机结构和工作原理 5、步进电机的工作原理--反应式 转 子 齿 数 z=40 , 相 数 m=3 , t 为 齿 距,其对应空间 角 度 为 360 / 40=9 度,则定子相邻 磁极间的转子齿 数为 6.2/3 第二节 步进电机结构和工作原理 5、步进电机的工作原理--反应式 由此可见,m相步进电动机 的步距角与定子绕组的相 数m、转子的齿数Z和通电 方 式k( 拍数/m 相数 )有 关,即 ? ? 360 mzk 转速为 n ? 60 f (r / min) mzk 第三节 步进电机主要技术指标 1、 步距角 ----从一相通电换接到另一相通电,转子转过一 个步距角,一般范围在0.50~30 。 2、起动频率:步进电动机能够不失步起动的最高频率。起动 频率是随着负载大小而变化的,负载大,起动频率低。 fq fq 0 TL 启动矩频特性 0 J 启动惯频特性 第三节 步进电机主要技术指标 3、连续运行频率: 步进电机连续运行时,如输入脉 冲频率逐渐升高仍能保证不丢步运行的极限频率,称为连续 运行频率。有时称为最高连续频率或最高工作频率,记作 fmax.连续运行频远大于启动频率fq ,这是出于启动时有较 大的惯性扭矩并需要一定加速时间缘故. 第三节 步进电机主要技术指标 4、最大静态转矩Mmax----是指在某相始终通电,转子不动时, 所能承受的最大负载转矩。反映了制动能力和低速步进运行 时的负载能力。 T Tjmax -π 稳定平衡点 +π θe 0 转角特性图 这项指标反映了步进电机的带负载能力和工作的快速响应 特性。Mmax值愈大,电机带负载能力愈强,快速性愈好. 第三节 步进电机主要技术指标 5、矩频特性:动态转矩与脉冲频率的关系称为矩频持性,步 进电机的动态转矩即电磁力矩随频率升高而急剧下降. Mq 0 f 矩频特性 第三节 步进电机主要技术指标 为什么频率增高以后步进电机的负载能力 要下降呢? Tq 电源 0 步进电机 R1 一相绕组 f R2 驱动信号 电流放大器 Ta ? L R 第三节 步进电机主要技术指标 为什么频率增高以后步进电机的带负载能力要下降呢? 因为频率越高,通过线圈绕组的平均电流越小,电磁力矩就 越小。所以,带负载能力就要下降。 Ta ? L R 步进电机 一相绕组 R2 电源 R1 驱动信号 电流放大器 第四节 步进电机控制系统 1、步进电机控制系统方框图 运行指令 变频信号 控制器 脉冲分配 功率放大 驱动器 步进电机 执行元件 步进电机控制系统由控制器、驱动器和执行元件等三大部分组成。 第四节 步进电机控制系统 2、控制器 运行指令 变频信号 指令系统 控制器组成: 变频脉冲发生系统 控制器 控制器功能: 由指令系统发出的速度和方 向指令,控制脉冲发生系统产生 相应频率的脉冲信号和高、低电 平的方向信号。 第四节 步进电机控制系统 3、控制的器作用 运行指令 变频信号 E 控制器 方向信号 正转 速度信号 运动轨迹信号E T1 速t 度信号 v v x 运动轨迹信号 反转 t T1 x 第四节 步进电机控制系统 1、控制器的作用 方向信号 运行指令 变频信号 控制器 速度信号 运动轨迹信号 实现的方法: (1)PC机 (2)PLC (3)电子电路 步数控制 步进电动机在用于软盘驱动、打印机和数控机床进 给系统中,都需要精确定位,所以在编写程序时,需先 给定应走的步数。 例如,某数控机床进给系统的五相步进电动机,步 距角θ=1.5度。脉冲当量δp=0.005mm,要求走刀距离 为L=20cm。求需要多少个脉冲?步进电机转多少圈? 答:需要L/δ=4×104个脉冲,即要走4×104步(166.7 圈)才能走完这段距离。 第四节 步进电机控制系统 (1)步数和速度控制 速度的控制 通过控制脉冲分配频率可 实现步进电动机的速度控制。 速度控制也有硬、软件两种 方法。 硬件方法是在硬件脉冲分 配器的脉冲输入端(CP)接一 个可变频率脉冲发生器,改 变其振荡频率,即可改变步 进电动机速度。 第四节 步进电机控制系统 (2) 速度轨迹的控制 步进电动机允许的起动频 率一般较低(100步/秒~ 250步/秒)。当要求高速运 行时,必须从低频起动, 然后逐渐加速; 第四节 步进电机控制系统 (3)速度信号的频率与步进电机带负载能力的分析 电源 Ta ? L R 步进电机 一相绕组 R1 R2 驱动 信号 电流 放大器 第四节 步进电机控制系统 2、驱动器 第四节 步进电机控制系统 2、驱动器 步进电动机的驱动器由: 脉冲分配器 功率放大器(驱动) 输入脉冲 环形 分配器 第一相放大器器 第二相放大器器 第三相放大器 步进 电机 负载 第四节 步进电机控制系统 (1)脉冲分配器 第一相放大器器 输入脉冲 环形 分配器 第二相放大器器 步进 电机 第三相放大器 负载 通电 相 QC QB QA 正转 反转 X(1) X(0) A 0 0 1 AB 0 1 1 B 0 1 0 BC 1 1 0 C 1 0 0 CA 1 0 1 第四节 步进电机控制系统 (1)脉冲分配器 第一相放大器器 输入脉冲 环形 步进 分配 第二相放大器器 电机 器 第三相放大器 负载 第四节 步进电机控制系统 (2)功率放大器 输入脉冲 环形 分配器 步进电机 一相绕组 第一相放大器器 第二相放大器器 步进 电机 第三相放大器 电源 R1 负载 R2 驱动信号 电流放大器 第四节 步进电机控制系统 (2)功率放大器 +U1高压 +U2低压 控制信号 高压控制 回路 步进电机 绕组 低压控制 回路 R12 U R12 U1 U2 高低电压切换电源 第四节 步进电机控制系统 4、步进电机使用 步进电机 第四节 步进电机控制系统 4、步进电机使用 步进电机 第四节 步进电机控制系统 4、步进电机驱动器使用 第四节 步进电机控制系统 STEP/ 1600 REV 3200 6400 12800 D4 ON OFF ON OFF D3 ON ON OFF OFF 输出电流设定 第四节 步进电机控制系统 (1)、运动控制卡开环控制系统—组成 并口线 运动控制卡 开关电源 I/O板 计算机 (1)、运动控制卡开环控制系统—连接 I/O板 并口线 步进电机 驱动器 运动控制卡 计算机 开关电源 (1)、运动控制卡开环控制系统—连接 26.31.33 34 32 DIR1+ 方向信号输入端 (DIR1-) OUT1+ 脉冲信号输入端 (OUT1-) 步进电机 DC24V (1)、运动控制卡开环控制系统—实际连接 29 34 32 (1)、运动控制卡开环控制系统—与计算机相连接 (2)、单片机开环控制系统 单片机 步进电机 驱动器 开关电源 (2)、单片机开环控制系统 (2)、单片机开环控制系统 输入 AC220V 单片机 开关电源 步进电机 (3)、PLC开环控制系统 可编程序控制器 (s7-200) 步进电机 驱动器 开关电源 (4)、自制脉冲发生组成开环控制系统 可编程序控制器 (s7-200) 步进电机 驱动器 开关电源 练习步进电机系统的控制接线