機電傳動控制13

1、第十三章第十三章 步進電動機傳動控制系統(tǒng)步進電動機傳動控制系統(tǒng)11.1 11.1 步進電動機步進電動機結(jié)構(gòu)與工作原理結(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。件。 步進電動機的分類：步進電動機的分類：工作原理工作原理反應(yīng)式反應(yīng)式永磁式永磁式混合式混合式輸出轉(zhuǎn)輸出轉(zhuǎn)矩大小矩大小快速步進電機快速步進電機功率步進電機功率步進電機勵磁相數(shù)勵磁相數(shù)二、三、四、五、六、八相等二、三、四、五、六、八相等角位移角位移輸入脈沖個數(shù)輸入脈沖個數(shù)運行速度運行速度輸入脈沖頻率輸入脈沖頻率一、步進電動機的組成一、步進電動機的組成 如圖

2、所示為一臺三相反應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示為一臺三相反應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu)示意圖 定子定子：由定子鐵心、繞組、絕緣：由定子鐵心、繞組、絕緣材料等組成材料等組成 勵磁繞組由外部脈沖信號對各勵磁繞組由外部脈沖信號對各相繞組輪流勵磁。如圖所示。相繞組輪流勵磁。如圖所示。aak1k2k3bcbc 轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子：由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)軸等組成。轉(zhuǎn)子鐵心是由硅鋼片或軟磁材由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)軸等組成。轉(zhuǎn)子鐵心是由硅鋼片或軟磁材料疊壓而成的齒形鐵心料疊壓而成的齒形鐵心。二、步進電動機的工作原理二、步進電動機的工作原理 給給a a相繞組通電時，轉(zhuǎn)子位相繞組通電時，轉(zhuǎn)子位置如圖（置如圖（a a），轉(zhuǎn)子齒偏離定），轉(zhuǎn)子齒

3、偏離定子齒一個角度。由于勵磁磁子齒一個角度。由于勵磁磁通力圖沿磁阻最小路徑通過，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，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)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到與定子齒對齊位置時( (圖圖b)b)，因轉(zhuǎn)子只受徑向力而無切線因轉(zhuǎn)子只受徑向力而無切線力，故轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子被鎖力，故轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子被鎖定在這個位置上。由此可見：定在這個位置上。由此可見：錯齒是助使步進電機旋轉(zhuǎn)的錯齒是助使步進電機旋轉(zhuǎn)的根本原因。根本原因。工作原理工作原理 t11-2.swft11-2.swf 結(jié)論：結(jié)論： 通電順序為通電順序為a ab b時，轉(zhuǎn)子按順時針方向

4、一步一步轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)子按順時針方向一步一步轉(zhuǎn)動通電順序改為通電順序改為a a，時，轉(zhuǎn)子按逆時針方向一步一步轉(zhuǎn)，時，轉(zhuǎn)子按逆時針方向一步一步轉(zhuǎn)動。動。t11-3.swft11-3.swf三、步進電動機的通電方式三、步進電動機的通電方式 1. 1. 單相通電方式：指對每相繞組單獨輪流通電，對于三相步單相通電方式：指對每相繞組單獨輪流通電，對于三相步進電動機：進電動機： 正轉(zhuǎn)：正轉(zhuǎn)：ab時，轉(zhuǎn)子按順時針方向一步一步轉(zhuǎn)動。時，轉(zhuǎn)子按順時針方向一步一步轉(zhuǎn)動。 反轉(zhuǎn)：反轉(zhuǎn)：a時，轉(zhuǎn)子按逆時針方向一步一步轉(zhuǎn)動。時，轉(zhuǎn)子按逆時針方向一步一步轉(zhuǎn)動。 2. 2. 單、雙拍工作方式：單、雙拍工作方式： 正轉(zhuǎn)：正轉(zhuǎn)：a

5、-ab-b-bc-c-ca-aa-ab-b-bc-c-ca-a 反轉(zhuǎn)：反轉(zhuǎn)：a-ca-c-bc-b-ab-aa-ca-c-bc-b-ab-a 3. 3. 雙拍工作方式：雙拍工作方式： 正轉(zhuǎn)：正轉(zhuǎn)：ab-bc-ca-abab-bc-ca-ab 反轉(zhuǎn)：反轉(zhuǎn)：ac-ca-bc-acac-ca-bc-ac 四、步進電動機的步距角四、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。的角度稱為步距角。t11-2.swft11-2.swf 360360 / /zkmzkm 其中：其中：z z轉(zhuǎn)子齒數(shù)轉(zhuǎn)子齒數(shù) m

6、 m定子繞組相數(shù)定子繞組相數(shù) k k通電系數(shù)通電系數(shù) k k=1,2=1,2 若二相步進電動機的若二相步進電動機的z=100，單拍運行時，其步距角，單拍運行時，其步距角8 . 110023609 . 010022360若按單、雙通電方式運行時，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)由此可見，步進電動機的轉(zhuǎn)子齒數(shù)z和定子相數(shù)和定子相數(shù)(或運行拍數(shù)或運行拍數(shù))愈愈多，則步距角愈小，控制越精確。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

7、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，步距角用弧度表示，則步進電動機的轉(zhuǎn)速為：示，則步進電動機的轉(zhuǎn)速為：fkmzfkmzfn606022602五、步進電動機的主要性能指標五、步進電動機的主要性能指標1. 步距角步距角 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，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。輸入脈沖信號的最大頻率。t11-2.swf 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。小的最大頻率。 4. 步距差：理想的步矩角與實際的

8、步矩角之差。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)系稱為矩頻特性矩頻特性。13.2 13.2 步進電動機的驅(qū)動電源步進電動機的驅(qū)動電源 一、驅(qū)動電源的組成一、驅(qū)動電源的組成脈脈沖沖分分配配器器功放電路功放電路三三相相步步進進電電機機負載負載功率電功率電源源分配器電源分配器電源功放電路功放電路功放電路功放電路功率放大器功率放大器步進脈沖步進脈沖方向信號方向信號fabc脈沖分配器+功率放大電路1. 脈沖分配器脈沖分配器 當方向電平為低

9、時，脈沖當方向電平為低時，脈沖分配器的輸出按分配器的輸出按a-b-ca-b-c的順序的順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。循環(huán)產(chǎn)生脈沖。fabc 當方向電平為高時，脈當方向電平為高時，脈沖分配器的輸出按沖分配器的輸出按a-c-ba-c-b的順的順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。 abcf 2.功率放大器功率放大器 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。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)步進電動機的脈沖分配器可由

10、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)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。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。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. 1.硬件環(huán)形分配器硬件環(huán)形分配器 bq cq cq aq aq bq w- qa caj k aq + & & qb cbj k bq + & &am

11、p; r w+ qc cbj k cq + & & r s cp 復(fù)位 & & & a相b相c相序號序號控制信號狀態(tài)控制信號狀態(tài)輸出狀態(tài)輸出狀態(tài)導電繞組導電繞組caj cbj ccjqa qb qc0 01 1 01 1 01 0 01 0 0a a1 10 1 00 1 01 1 01 1 0abab2 20 1 10 1 10 1 00 1 0b b3 30 0 10 0 10 1 10 1 1bcbc4 41 0 11 0 10 0 10 0 1c c5 51 0 01 0 01 0 11 0 1caca6 61 1 01 1 01 0 01 0

12、0a a 2 2軟件環(huán)形分配軟件環(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)，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。從而產(chǎn)生一定的脈沖分配輸出。 1) 1) 輸出接口輸出接口 8031 8031單片機本身包含單片機本身包含4 4個個8 8位位i/oi/o端口，分別為端口，分別為p0p0、p1p1、p2p2、p3p3。 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。應(yīng)起來。8031p1.0p1.1p1.2abc驅(qū)驅(qū)動動器器 若要實現(xiàn)三相步進電動機若要實現(xiàn)三相步進電動

13、機的脈沖分配，需要三根輸出口的脈沖分配，需要三根輸出口線，本例中選線，本例中選p1p1口的口的p1.0p1.0、p1.1p1.1、p1.2p1.2位作為脈沖分配的位作為脈沖分配的輸出。輸出。 2) 2) 輸出模型輸出模型 如果三相步進電動機按單、雙拍通電方式工作，即如果三相步進電動機按單、雙拍通電方式工作，即: : 正轉(zhuǎn)：正轉(zhuǎn)：a-ab-b-bc-c-caa-ab-b-bc-c-ca 反轉(zhuǎn)：反轉(zhuǎn)：a-ac-c-cb-b-bca-ac-c-cb-b-bc 根據(jù)根據(jù)80318031單片機的基本原理，對單片機的基本原理，對p p1.01.0、 p p1.11.1、 p p1.21.2位編程使其位編程

14、使其按表規(guī)定改變輸出狀態(tài)就實現(xiàn)了三相六拍分配任務(wù)。按表規(guī)定改變輸出狀態(tài)就實現(xiàn)了三相六拍分配任務(wù)。p p1.71.7通電通電相相x xx xx xx xx x0 00 01 1a ax xx xx xx xx x0 01 11 1ababx xx xx xx xx x0 01 10 0b bx xx xx xx xx x1 11 10 0bcbcx xx xx xx xx x1 10 00 0c cx xx xx xx xx x1 10 01 1cacap p1.51.5p p1.41.4p p1.31.3p p1.21.2p p1.11.1p p1.01.0p p1.61.6 p1 p1輸送的

15、內(nèi)容依次為：輸送的內(nèi)容依次為： 01h a01h a03h ab03h ab02h b02h b06h bc06h bc04h c 04h c 05h ca05h ca正正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)反反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)輸出模型輸出模型 3) 3) 控制程序控制程序 按正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的要求將輸出模按正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的要求將輸出模型向型向p1p1口發(fā)送，并控制步進電動機口發(fā)送，并控制步進電動機的速度。的速度。 設(shè)輸出模型存放在存儲器中，首設(shè)輸出模型存放在存儲器中，首地址為地址為2000h2000h，地址指針為，地址指針為dpr,dpr,初始值初始值為為2000h2000h。 初始化初始化正轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)（dpr）p1 調(diào)用延時子程序調(diào)用延時子程序

16、(dpr)=05h dpr-5dpr pr+1dpr（dpr）p1 調(diào)用延時子程序調(diào)用延時子程序 (dpr)=01h pr+5dpr dpr-1dprnnnyyy三、步進電動機的功率放大電路三、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。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。電路的性能對步進電動機的運行性能影響很大。 1. 1.單電壓驅(qū)動電路單電壓驅(qū)動電路 r c rd v l +u vt l是電動機繞組是電動機繞組vt開關(guān)晶體管開關(guān)晶體管 電阻電阻r兩端并聯(lián)電容兩端并聯(lián)電容c，使電流上升更快，使電流上升更快，所以，電容所以，電容c又稱為加速電容。又稱為加速電容。 二極管二極管v在晶體管在晶體管vt截止時起續(xù)流和保護截止時起續(xù)流和保護作用，串聯(lián)電阻使