步進電機及其控制系統(tǒng)

步進電動機傳動控制系統(tǒng) 第13篇 13 1步進電動機結(jié)構(gòu)與工作原理 步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械位移的機電執(zhí)行元件 步進電動機的分類 工作原理 反應(yīng)式 永磁式 混合式 輸出轉(zhuǎn)矩大小 快速步進電機 功率步進電機 勵磁相數(shù) 二 三 四 五 六 八相等 角位移 輸入脈沖個數(shù) 運行速度 輸入脈沖頻率 特點 1 來一個脈沖 轉(zhuǎn)一個步距角 2 控制脈沖頻率 可控制電機轉(zhuǎn)速 3 改變脈沖順序 可改變轉(zhuǎn)動方向 13 1步進電動機結(jié)構(gòu)與工作原理 區(qū)別在于勵磁式步進電機的轉(zhuǎn)子上有勵磁線圈 反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子上沒有勵磁線圈 種類 勵磁式和反應(yīng)式兩種 下面以反應(yīng)式步進電機為例說明步進電機的結(jié)構(gòu)和工作原理 13 1步進電動機結(jié)構(gòu)與工作原理 步進電動機的工作原理 給A相繞組通電時 轉(zhuǎn)子位置如圖 a 轉(zhuǎn)子齒偏離定子齒一個角度 由于勵磁磁通力圖沿磁阻最小路徑通過 因此對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁吸力 迫使轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)動 當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到與定子齒對齊位置時 圖b 因轉(zhuǎn)子只受徑向力而無切線力 故轉(zhuǎn)矩為零 轉(zhuǎn)子被鎖定在這個位置上 由此可見 錯齒是助使步進電機旋轉(zhuǎn)的根本原因 三相反應(yīng)式步進電動機的原理結(jié)構(gòu)圖如下 A 定子內(nèi)圓周均勻分布著六個磁極 磁極上有勵磁繞組 每兩個相對的繞組組成一相 轉(zhuǎn)子有四個齒 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 極對齊 13 1步進電動機結(jié)構(gòu)與工作原理 同理 B相通電時 轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過30 角 2 4齒和B B 磁極軸線對齊 當C相通電時 轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過30 角 1 3齒和C C磁極軸線對齊 13 1步進電動機結(jié)構(gòu)與工作原理 這種工作方式下 三個繞組依次通電一次為一個循環(huán)周期 一個循環(huán)周期包括三個工作脈沖 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)動起來 每一拍轉(zhuǎn)過30 步距角 每個通電循環(huán)周期 3拍 轉(zhuǎn)過90 一個齒距角 13 1步進電動機結(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 對齊 A B相同時通電 A A 磁極拉住1 3齒 B B 磁極拉住2 4齒 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15 到達左圖所示位置 B相通電 轉(zhuǎn)子2 4齒與B B 對齊 又轉(zhuǎn)過15 B C相同時通電 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15 三相反應(yīng)式步進電動機的一個通電循環(huán)周期如下 A AB B BC C CA 每個循環(huán)周期分為六拍 每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15 步距角 一個通電循環(huán)周期 6拍 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90 齒距角 與單三拍相比 六拍驅(qū)動方式的步進角更小 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通電 與單三拍方式相似 雙三拍驅(qū)動時每個通電循環(huán)周期也分為三拍 每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30 步距角 一個通電循環(huán)周期 3拍 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90 齒距角 從以上對步進電機三種驅(qū)動方式的分析可得步距角計算公式 實用步進電機的步距角多為3 和1 5 為了獲得小步距角 電機的定子 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個齒 齒距角是9 定子仍是6個磁極 但每個磁極表面加工有五個和轉(zhuǎn)子一樣的齒 步進電動機的應(yīng)用非常廣泛 如各種數(shù)控機床 自動繪圖儀 機器人等 應(yīng)用 13 2步進電動機的步距角 由一個通電狀態(tài)改變到下一個通電狀態(tài)時 電動機轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角 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 若二相步進電動機的Z 100 單拍運行時 其步距角 若按單 雙通電方式運行時 步距角 由此可見 步進電動機的轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z和定子相數(shù) 或運行拍數(shù) 愈多 則步距角愈小 控制越精確 當定子控制繞組按著一定順序不斷地輪流通電時 步進電動機就持續(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 則步進電動機的轉(zhuǎn)速為 13 2步進電動機的步距角 13 3步進電動機的主要性能指標 1 步距角 2 最大工作頻率 在轉(zhuǎn)子不失步的情況下 電動機連續(xù)工作時 輸入脈沖信號的最大頻率 3 最大突跳頻率 在轉(zhuǎn)子不失步的情況下 電動機能增加和減小的最大頻率 4 步距差 理想的步矩角與實際的步矩角之差 5 輸出轉(zhuǎn)矩 電動機軸上的輸出轉(zhuǎn)矩的大小 步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩與脈沖頻率的函數(shù)關(guān)系稱為矩頻特性 13 4步進電動機的驅(qū)動電源 一 驅(qū)動電源的組成 脈沖分配器 功率放大電路 1 脈沖分配器 當方向電平為低時 脈沖分配器的輸出按A B C的順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖 當方向電平為高時 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進行電流放大后給電動機的定子繞組供電 使電動機的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩 二 步進電動機的脈沖分配器 步進電動機的脈沖分配器可由硬件或軟件方法來實現(xiàn) 硬件環(huán)形分配器 由計數(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 維護方便等優(yōu)點 軟件環(huán)分 由計算機接口電路和相應(yīng)的軟件組成的 受到微型計算機運算速度的限制 有時難以滿足高速實時控制的要求 1 硬件環(huán)形分配器 2 軟件環(huán)形分配 軟件環(huán)分的方法是利用計算機程序來設(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單片機本身包含4個8位I O端口 分別為P0 P1 P2 P3 輸出接口是將計算機的輸出端與步進電動機的每相繞組一一對應(yīng)起來 若要實現(xiàn)三相步進電動機的脈沖分配 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 步進電動機的功率放大電路 步進電動機的功率驅(qū)動電路實際上是一種脈沖放大電路 使脈沖具有一定的功率驅(qū)動能力 由于功率放大器的輸出直接驅(qū)動電動機繞組 因此 功率放大電路的性能對步進電動機的運行性能影響很大 1 單電壓驅(qū)動電路 L 是電動機繞組 VT 開關(guān)晶體管 電阻R兩端并聯(lián)電容C 使電流上升更快