第二節(jié)步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動控制

1、第二節(jié) 步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動控制 一、步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號變換成相應(yīng)的角位移或直線位移的電磁機(jī)械裝置。每當(dāng)對其施加一個電脈沖時，其輸出軸便轉(zhuǎn)過一個固定的角度，稱為一步，當(dāng)供給連續(xù)電脈沖時就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動，這種電機(jī)的運(yùn)行方式與普通勻速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)有一定的差別，是步進(jìn)式運(yùn)動，因此命名為步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)的位移量與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，與數(shù)字系統(tǒng)配套時，體現(xiàn)出更大的優(yōu)越性 步進(jìn)電機(jī)每步轉(zhuǎn)過的角度叫做步距角。 （一）步進(jìn)電機(jī)的特點 1.步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素（如電壓波動、負(fù)載變化、環(huán)境條件等）的影響，僅與控制脈沖有關(guān)。 2控制性能好，能快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)，無穩(wěn)定問題，且

2、有自鎖能力。 3位移與輸入脈沖數(shù)相對應(yīng)，輸出轉(zhuǎn)角的精度高，雖有相鄰步距誤差，但無長期位置積累誤差。 4步距角選擇范圍大，可以從幾十分至幾十度大范圍內(nèi)選擇，轉(zhuǎn)速可以在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)整。即使同一臺步進(jìn)電機(jī)，采用不同的脈沖輸入方式，也可得到不同的步距角。 5在小步距角情況下，可以在很低速度下穩(wěn)定運(yùn)行，往往可以不經(jīng)減速器直接驅(qū)動負(fù)載。 盡管步進(jìn)電機(jī)具備有上述優(yōu)點，但也存在一些不足：運(yùn)動增量和步距角固定，步進(jìn)分辨率缺乏靈活性；單步響應(yīng)時有過沖量和震蕩；承受大慣性負(fù)載能力差；控制線路復(fù)雜，成本高。（二）步進(jìn)電機(jī)的分類 根據(jù)其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)通常可分為三種類型，即反應(yīng)式(VR) 、永磁式(PM) 和混合式(H

3、B)（三）步進(jìn)電機(jī)的工作原理 步進(jìn)電機(jī)的工作原理，類似于電磁鐵作用原理。當(dāng)某相繞組通電時，定子產(chǎn)生磁場，并與轉(zhuǎn)子形成磁路，如果這時定子齒與轉(zhuǎn)子齒沒有對齊，則由于磁力線力圖走磁阻最小的路線，而帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，使定子齒與轉(zhuǎn)子齒對齊，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)動一角度。(錯齒原理） 每次只有一相繞組通電，叫三相單三拍工作方式。ABC。（反向反向ACB） 三相六拍控制方式，即通電順序按AABBBCCCAA進(jìn)行。（反向反向AACCCBBBAA) 雙三拍控制方式，即通電順序按ABBCCAAB進(jìn)行.（反向反向ABACCBAB) 繞組的相數(shù)、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)和通電方式?jīng)Q定了步距角 的大小，它們之間的關(guān)系可用下式表示：mzk360式中

4、m電機(jī)繞組相數(shù)；z轉(zhuǎn)子齒數(shù)；k通電狀態(tài)系數(shù)，k=拍數(shù)/相數(shù)，如三相三拍k = 1,三相六拍k = 2；五相十拍k = 2。（四）步進(jìn)電機(jī)主要性能指標(biāo) 步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo)有以下幾項： 1.步距角 ,每輸入一個電脈沖信號轉(zhuǎn)子應(yīng)轉(zhuǎn)過角度的理論值。 2.最大靜轉(zhuǎn)矩Timax ,步進(jìn)電機(jī)在規(guī)定的通電相數(shù)下，距角特性上的轉(zhuǎn)矩最大值。通常技術(shù)數(shù)據(jù)中給定的最大靜轉(zhuǎn)矩是指每相繞組通上額定電流值所得的值。 3.額定電流Ie , 電機(jī)不動時每一相繞組允許通過的電流定為額定電流。 4.額定電壓Ue , 電動機(jī)各相繞組允許施加的最高電壓。 5.啟動頻率fQ ,又稱突變頻率，指步進(jìn)電機(jī)能夠不失步啟動和停轉(zhuǎn)的最高頻率。

5、它分為空載啟動頻率和負(fù)載啟動頻率。 6.運(yùn)行頻率fL , 步進(jìn)電機(jī)啟動后，脈沖頻率連續(xù)上升時保證不失步所能達(dá)到的最高頻率。 7.啟動矩頻特性 在給定驅(qū)動條件下，負(fù)載慣量J一定時，啟動頻率fQ隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩T變化的特性。如圖66中曲線1所示。 8.運(yùn)行矩頻特性 在一定的負(fù)載慣量下，運(yùn)行頻率fL與負(fù)載轉(zhuǎn)矩T之間的關(guān)系。如圖曲線2所示。 9.啟動慣頻特性 負(fù)載力矩一定時，啟動頻率fQ與負(fù)載慣性J之間的關(guān)系。 10.靜態(tài)步距角誤差 實際的步距角與理論的步距角之間的差值，一般在空載情況下測量。二、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能，除了與電機(jī)本身的性能有關(guān)外，在很大程度上取決于驅(qū)動電源性能的優(yōu)劣.（一）環(huán)

6、形分配器 步進(jìn)電動機(jī)在一個脈沖的作用下，轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)的步距角，因而只要控制一定的脈沖數(shù)和脈沖頻率，即可精確控制步進(jìn)電動機(jī)相應(yīng)的轉(zhuǎn)動角度和速度。但步進(jìn)電動機(jī)的各繞組必須照一定的順序通電才能正確工作。 使電動機(jī)繞組的通電順序按電機(jī)運(yùn)行使電動機(jī)繞組的通電順序按電機(jī)運(yùn)行規(guī)定規(guī)律而循環(huán)變化的電路稱為脈沖規(guī)定規(guī)律而循環(huán)變化的電路稱為脈沖分配器，又稱環(huán)形分配器。分配器，又稱環(huán)形分配器。 接受時鐘脈沖和方向電平，輸出各相的導(dǎo)通信號，是環(huán)形分配器的基本功能。電機(jī)有正反轉(zhuǎn)要求，因此要求環(huán)電機(jī)有正反轉(zhuǎn)要求，因此要求環(huán)形分配器的輸出既是周期性又是可逆的。形分配器的輸出既是周期性又是可逆的。通常環(huán)形分配器還有一些附加功

7、能，主要有： 使能輸入 電平信號控制。使能有效時，允許鐘脈沖和其他信號的接受，環(huán)形分配器輸出繞組勵磁狀態(tài)順序表；否則，禁止輸入信號起作用，環(huán)形分配器維持原輸出狀態(tài)。 零狀態(tài)輸出 脈沖輸出信號。零狀態(tài)即初始狀態(tài)，對應(yīng)一種勵磁方式，一般指狀態(tài)轉(zhuǎn)換表中第一種狀態(tài)。 清零輸人 脈沖信號控制。使環(huán)形分配器的輸出置為零狀態(tài)。 方式輸入 電平信號控制。一種步進(jìn)電機(jī)可能有多種勵磁方式，如三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)有整步和半步工作方式。方式輸入就是對各種勵磁方式的選擇信號。 除上述功能外，環(huán)形分配器還應(yīng)有較強(qiáng)的抗干擾能力，不允許有非法狀態(tài)的出現(xiàn)。 環(huán)形分配器的構(gòu)成方式有多種，歸納起來，通常可分為采用通用邏輯芯片構(gòu)成的環(huán)

8、形分配器、環(huán)形分配器專用集成芯片、采用EPROM構(gòu)成的環(huán)形分配器、采用可編程邏輯芯片構(gòu)成的環(huán)形分配器以及由控制計算機(jī)自身通過軟件直接產(chǎn)生勵磁順序的軟件分配器。下面重點介紹廣泛應(yīng)用的環(huán)形分配器專用集成芯片專用集成芯片和軟件分配器軟件分配器。 1.環(huán)形分配器專用集成芯片 典型芯片如日本三洋公司的PMM8713、PMM8723、上海華嶺公司的CH250、CH224等。 2. 軟件分配器節(jié)拍序號P12P11P10通電相控制數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)方向1001A01H2011AB03H3010B02H4110BC06H5100C04H6101CA05H三相六拍脈沖分配控制數(shù)據(jù)表 （二）功放電路 1.單電壓驅(qū)動 單電壓驅(qū)

9、動方式結(jié)構(gòu)簡單，但工作性能較差，在高頻工作狀態(tài)時效率尤其差，在實際應(yīng)用中較少，一般只用于對速度要求不高的小功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。2.高低壓驅(qū)動高低壓驅(qū)動在很寬的頻段內(nèi)都能保證相繞組有較大的平均電流，在截止時又能迅速釋放，因此能產(chǎn)生較大的且較穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)具有較高的響應(yīng)，是目前應(yīng)用較多的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動方式之一。但在低頻時繞組電流有較大的上沖，電機(jī)振動噪聲較大，低頻共振現(xiàn)象仍然存在。3.斬波型驅(qū)動1）斬波恒流驅(qū)動 上述斬波恒流驅(qū)動中，斬波頻率是由繞組的電感、比較器的回差等諸因素決定，沒有外來固定頻率，這種電路又稱為自激式斬波恒流驅(qū)動電路。 斬波恒流驅(qū)動電路中，由于驅(qū)動電壓很高，電機(jī)繞組回路由于不串電阻，電流上升速度很快，當(dāng)達(dá)到額定值時，由于采樣電阻反饋作用，繞組電流可以保持在額定值附近內(nèi)波動，而且不隨電機(jī)的轉(zhuǎn)速而變化，從而保證在很寬的頻率范圍內(nèi)電機(jī)都能輸出恒定的轉(zhuǎn)矩。由于電源電壓并不是一直向繞組供電，而只是一個個窄脈沖，總的輸入能量是各脈沖時間的電壓與電流乘積積分的總和，取自電源的能量大幅度下降，具有很高的效率。由于電機(jī)共振的基本原因是能量過剩，而斬波恒流驅(qū)動輸人的能量是自動隨著繞組電流調(diào)節(jié)，能量過剩時，續(xù)流時間延長，供電時間減短，因此減少