步進電動機驅(qū)動及其控制

1、2 步進電動機驅(qū)動及其控制 2.1 步進電動機的特點與種類步進電動機的特點與種類 2.2 步進電動機的工作原理步進電動機的工作原理 2.3 步進電動機的運行特性及性步進電動機的運行特性及性能指標能指標 2.4 步進電動機的驅(qū)動與控制步進電動機的驅(qū)動與控制 2.1 步進電動機的特點與種類步進電動機的特點與種類 步進電動機又稱脈沖電動機步進電動機又稱脈沖電動機。它。它是一是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的電種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的電磁機械裝置磁機械裝置。 當當給它輸入一個電脈沖信號時，其輸出給它輸入一個電脈沖信號時，其輸出軸就轉(zhuǎn)動一個角度，把這個角度叫做軸就轉(zhuǎn)動一個角度，把這個角度叫

2、做步距步距角角。 若若連續(xù)不斷地給它輸入電脈沖信號，連續(xù)不斷地給它輸入電脈沖信號，它就一步一步不斷地轉(zhuǎn)動。它就一步一步不斷地轉(zhuǎn)動。 一一. 步進電動機的特點步進電動機的特點 步進電動機的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素(如電源電壓的波動、電流的大小與波形的變化、溫度等)的影響，只要它們的大小在未引起步進電動機產(chǎn)生“丟步”現(xiàn)象之前，就不影響其正常工作。 輸出轉(zhuǎn)角與輸入脈沖嚴格成比例，且在時間上與輸入脈沖同步。 轉(zhuǎn)子慣量小。啟動、停止的時間短，般在信號輸入幾毫秒至十幾毫秒后，就能使電機達到同步轉(zhuǎn)速，信號切斷后電機立即停止轉(zhuǎn)動。 步進電動機的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步數(shù)以后也會出現(xiàn)累積誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一

3、轉(zhuǎn)以后，其累積誤差變?yōu)椤傲恪?，因此不會長期積累。 可實現(xiàn)平滑無級調(diào)速，且調(diào)速范圍相當寬。 借助控制線路，可獲得正、反轉(zhuǎn)動及間歇運動等特殊功能。 二二. 步進電動機的種類步進電動機的種類 ( (1)1)可變可變磁阻型磁阻型 該類電動機由定子繞組產(chǎn)生的反應(yīng)電磁力吸引用軟磁鋼制成的齒形轉(zhuǎn)子作步進驅(qū)動，故又稱作反應(yīng)式反應(yīng)式步進電動機步進電動機。 其結(jié)構(gòu)原理如圖5-4所示。其定子1與轉(zhuǎn)子2由鐵心構(gòu)成，沒有永久磁鐵，定子上嵌有線圈，圖5-4 可變磁阻型(反應(yīng)式)三相步進電動機斷面圖1. 轉(zhuǎn)子朝定子與轉(zhuǎn)子之間磁阻最小方向轉(zhuǎn)動，并由此而得名可變磁型。這類電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)子直徑小，有利于高速響應(yīng)。2.

4、該類電動機的定子與轉(zhuǎn)子均不含永久磁鐵，故無勵磁時沒有保持力。3.另外，需要將氣隙做得盡可能小，例如幾個微米。這種電動機具有制造成本高、效率低、轉(zhuǎn)子的阻尼差、噪聲大等缺點。4.但是，由于其制造材料費用低、結(jié)構(gòu)簡單、步距角小，隨著加工技術(shù)的進步，可望成為多用途的機種。( (2)2)永磁型永磁型 PM型步進電動機的轉(zhuǎn)子2采用永久磁鐵、定子l采用軟磁鋼制成，繞組3輪流通電，建立的磁場與永久磁鐵的恒定磁場相互吸引與排斥產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，其結(jié)構(gòu)如圖5-5所示。圖 兩相永磁型步進電動機的結(jié)構(gòu)原理圖 這種電動機由于采用了永久磁鐵，即使定子繞組斷電也能保持一定轉(zhuǎn)矩，故具有記億能力，可用作定位驅(qū)動定位驅(qū)動。 PM型電動機

5、的特點是勵磁功率小、效率高、造價便宜，因此需要量也大。 由于轉(zhuǎn)子磁鐵的磁化間距受到限制，難于制造，故步距角較大。與VR型相比轉(zhuǎn)矩大，但轉(zhuǎn)子慣量也較大。 (3) (3)混合混合(HB(HBHybrid)Hybrid)型型 這種電動機轉(zhuǎn)子上嵌有永久磁鐵，故可以說是永磁型步進電動機，但從定子和轉(zhuǎn)子的導(dǎo)磁體來看，又和可變磁阻型相似，所以是永磁型和可變磁阻型相結(jié)合的一種形式，故稱為混合型步進電動機，其結(jié)構(gòu)如圖5-6所示。圖5-6 混合型步進電動機結(jié)構(gòu)原理圖 它不僅具有VR型步進電動機步距角小、響應(yīng)頻率高的優(yōu)點，而且還具有PM型步進電動機勵磁功率小、效率高的優(yōu)點。 2.2 步進電動機的工作原理步進電動機的

6、工作原理 圖7 為反應(yīng)式步進電動機工作原理圖。其定子有六個均勻分布的磁極，每兩個相對磁極組成一相，即有A-A、B-B 、C-C三相，磁極上繞有勵磁繞組，轉(zhuǎn)子上有四個齒。 圖7 步進電動機的工作原理 如果先將電脈沖加到A相勵磁繞組，定子A相磁極就產(chǎn)生磁通，并對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁拉力，使轉(zhuǎn)子的1、3兩個齒與定子的A相磁極對齊。而后再將電脈沖通入B相勵磁繞組，B相磁極便產(chǎn)生磁通。由圖上可以看出，這時轉(zhuǎn)子2、4兩個齒與B相磁極靠得最近，于是轉(zhuǎn)子便沿著逆時針方向轉(zhuǎn)過30度角，使轉(zhuǎn)子2、4兩個齒與定子B相磁極對齊。 如果按照ABCA的順序通電，轉(zhuǎn)子則沿逆時針方向一步步地轉(zhuǎn)動，每步轉(zhuǎn)過30度，這個角度就叫步距角步距

7、角。 顯然，單位時間內(nèi)通入的電脈沖數(shù)越多，即電脈沖頻率越高，電動機轉(zhuǎn)速就越高。如果按照ACBA的順序通電，步進電動機將沿順時針方向一步步地轉(zhuǎn)動。 從一相通電換接到另一相通電稱為一拍一拍，每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個步距角。 上述的步進電動機，三相勵磁繞組依次單獨通電運行，換接三次完成一個通電循環(huán)，稱為三相單三拍三相單三拍通電方式。 如果使兩相勵磁繞組同時通電，即按ABBCCAAB順序通電，這種通電方式稱為三相雙三拍三相雙三拍，其步距角仍為30度。 還有一種是按三相六拍三相六拍通電方式工作的步進電動機，即按照AABBBCCCAA順序通電，換接六次完成一個通電循環(huán)。這種通電方式的步距角為15度。如果按AAC

8、CCBBBAA的順序通電，步進電動機就沿逆時針方向，以15度步距角一步步轉(zhuǎn)動。 一般地，工作在三相三拍工作方式時，切換瞬間步進電動機失去自鎖轉(zhuǎn)矩，容易失步，而且只有一相繞組通電吸引轉(zhuǎn)子，易在平衡位置產(chǎn)生振蕩。 而采用三相六拍控制方式，步距角小一半（15度），在通電狀態(tài)改變時保持一相繞組通電，工作穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換頻率也提高一倍，是三相步進電機較常用的控制方式。 綜上所述，可以得出如下一些結(jié)論： 步進電動機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過一個確定的角度，即步進電動機的步距角步距角。 改變步進電動機定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向也隨之改變。 步進電動機定子繞組的通電狀態(tài)的改變速度越快，其轉(zhuǎn)

9、子的旋轉(zhuǎn)速度也越快，即通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高。 步進電機的步距角 與定子的相數(shù)m，轉(zhuǎn)子的齒數(shù)z、通電方式系數(shù)k有關(guān)，可用式(5-1)表示：mzk360(5-1) 式中， k由控制方式確定的拍數(shù)與相數(shù)的比例系數(shù)，即k拍數(shù)相數(shù)，如三相三拍k1；三相六拍k2；五相十拍k2。 例如，圖5-4所示電動機，轉(zhuǎn)子上有40個齒，當它以三相三拍通電方式工作時，其步距角為：31403360若按三相六拍方式工作，則步距角為：5 . 12403360 定子磁極上的小齒和轉(zhuǎn)子磁極上的小齒大小一樣，兩種小齒的齒寬和齒距相等。當一相定子磁極的小齒與轉(zhuǎn)子的齒對齊時，其他兩相磁極的小齒都與轉(zhuǎn)子的齒錯過一個角度。

10、圖5-8 不同通電方式時的矩頻特性雙三拍六拍單三拍0500100015000.10.20.3f / HzT / Nm 2.3 步進電動機的運行特性及性能指標步進電動機的運行特性及性能指標 1. 分辨率分辨率 在一個電脈沖作用下(即一拍)，電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移，即步距角。步距角越小，分辨率越高。 2. 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 當步進電機不改變通電狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子處在不動狀態(tài)即靜態(tài)，如果在電機軸上外加一個負載轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子按一定方向(如順時鐘)轉(zhuǎn)過一個角度 ，此時轉(zhuǎn)子所受的電磁轉(zhuǎn)矩稱為靜態(tài)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩Tj或者保持轉(zhuǎn)矩。或者保持轉(zhuǎn)矩。 靜態(tài)轉(zhuǎn)矩越大，自鎖力矩越大，靜態(tài)誤差靜態(tài)轉(zhuǎn)矩越大，自鎖力矩越大，靜態(tài)誤差就

11、越小。一般產(chǎn)品說明書中標示的最大靜轉(zhuǎn)矩就越小。一般產(chǎn)品說明書中標示的最大靜轉(zhuǎn)矩就是指在額定電流和單相通電方式下的就是指在額定電流和單相通電方式下的Tjmax。 圖5-9 步進電動機單相矩角特性 3. 動態(tài)特性動態(tài)特性 步進電動機的動態(tài)特性將直接影響到系統(tǒng)的快速響應(yīng)及工作的可靠性。這里僅就動態(tài)穩(wěn)定區(qū)動態(tài)穩(wěn)定區(qū)、起動轉(zhuǎn)矩起動轉(zhuǎn)矩、矩頻特矩頻特性性等幾個問題做一簡要說明。在某一通電方式下，各相的矩角特性總和為矩角特性曲線族，如圖5-10所示。每一曲線依次錯開的電角度為2/m(m為運行拍數(shù))，當通電方式為三相單三拍時， 2/m= 2/3（圖a)），三相六拍時， 2/m= 2/6 /3 （圖b)）。 圖

12、5-10 矩角特性曲線族 (1)動態(tài)穩(wěn)定區(qū)動態(tài)穩(wěn)定區(qū) 由圖5-10可知，步進電動機從A相通電狀態(tài)切換到B相(或AB相)通電狀態(tài)時，不致引起丟步，該區(qū)域被稱為動態(tài)穩(wěn)定區(qū)動態(tài)穩(wěn)定區(qū)。由于每一條曲線依次錯開一個電角度，故步進電動機在拍數(shù)越多的運行方式下，其動態(tài)穩(wěn)定區(qū)就越接近于靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)，裕量角也就越大，在運行中也就越不易丟步。 (2) 起動轉(zhuǎn)矩起動轉(zhuǎn)矩Tq 設(shè)有三相步進電動機的矩角特性如圖5-10所示。則A相和B相的矩角特性的交點所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩Tq稱為起動力矩起動力矩，它表示步進它表示步進電機單相勵磁時承受的極限負載力矩電機單相勵磁時承受的極限負載力矩。 當步進電機所受負載TL Tq時，當勵磁電流從A

13、相切換到B相時，轉(zhuǎn)子不能轉(zhuǎn)動。所以，最大負載轉(zhuǎn)矩不可大于A、B兩矩角特性的交點的縱坐標Tq 。不同相數(shù)步進電機的起動轉(zhuǎn)矩是不同的，如表5-3所示。表5-3 步進電動機的起動轉(zhuǎn)矩運行運行方式方式相數(shù)相數(shù)3456拍數(shù)拍數(shù)3648510612Tq/Tjmax0.50.8660.7070.7070.809 0.9510.8660.866 (3)最高連續(xù)運行頻率及矩最高連續(xù)運行頻率及矩-頻特性頻特性 步進電動機在連續(xù)運行時所能接受的最高控制頻率被稱為最高運行頻率最高運行頻率，以fmax表示。電動機在連續(xù)運行狀態(tài)下，其電磁轉(zhuǎn)矩隨控制頻率的升高而逐步下降。這種轉(zhuǎn)矩與控制頻率之間的變化關(guān)系稱為矩矩-頻特性頻特

14、性。在不同控制頻率下電動機所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱為動態(tài)轉(zhuǎn)矩動態(tài)轉(zhuǎn)矩。 如圖5-11所示為步進電動機運行的矩-頻特性。圖5-11 運行矩-頻特性f / Hz20000400060008000T / Nm1.963.92 4. 步進電動機技術(shù)指標實例步進電動機技術(shù)指標實例 步進電動機的型號表示方法舉例如下(不同生產(chǎn)廠家其表示方法也有所不同)。 其中，BF表示反應(yīng)式步進電動機；BY表示永磁式步進電動機；BYG表示混合式步進電動機。下面的表格為部分步進電動機技術(shù)性能數(shù)據(jù)。表5-4 反應(yīng)式步進電動機技術(shù)性能數(shù)據(jù)表5-5 永磁感應(yīng)式步進電動機技術(shù)性能數(shù)據(jù) 2.4 步進電動機的驅(qū)動與控制步進電動機的驅(qū)動與控制 一一

15、. 開環(huán)伺服系統(tǒng)的一般構(gòu)成開環(huán)伺服系統(tǒng)的一般構(gòu)成 如前所述，步進電動機正常運行時，其轉(zhuǎn)角嚴格與控制脈沖的個數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與控制脈沖的頻率成正比，能方便地實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)控制及調(diào)速和定位。因此，步進電動機大多數(shù)用于開環(huán)控制系統(tǒng)，如簡易數(shù)控機床、線切割機等。 圖5-13所示為步進電動機驅(qū)動直線工作臺，當用步進電機驅(qū)動其他機械負載時，其伺服系統(tǒng)的組成與此相似?？刂葡到y(tǒng)包含邏輯控制電路，脈沖分配器，加、減速電路等。一般將控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)和功率放大電路功率放大電路統(tǒng)稱為步進電動機的驅(qū)動電源步進電動機的驅(qū)動電源。 圖5-13 步進電動機驅(qū)動的開環(huán)系統(tǒng) 二二. 脈沖分配控制脈沖分配控制 由步進電動機工作原理知

16、，要使步進電動機正確運轉(zhuǎn)，必須按一定順序?qū)Χㄗ痈飨嗬@組勵磁，以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，即將指令脈沖按一定規(guī)律分配給步進電動機各相繞組。實現(xiàn)這一功能的器件稱為脈沖分配器脈沖分配器或環(huán)環(huán)形分配器形分配器，可由硬件電路或軟件程序來實現(xiàn)。 1. 硬件脈沖分配器硬件脈沖分配器 傳統(tǒng)的脈沖分配器由一些門電路和觸發(fā)器等組成?，F(xiàn)在己生產(chǎn)出脈沖分配器專用集成電路，降低了驅(qū)動電源的成本，提高了可靠性，用起來特別方便。 2. 軟件脈沖分配器軟件脈沖分配器 軟件脈沖分配控制的基本原理是：根據(jù)步進電動機與計算機的接線情況及通電方式列出脈沖分配控制數(shù)據(jù)表脈沖分配控制數(shù)據(jù)表；運行時按節(jié)拍序號查表獲得相應(yīng)控制數(shù)據(jù)；在規(guī)定時刻通過輸出口

17、將數(shù)據(jù)輸出到步進電動機驅(qū)動電路。 三三. 速度控制速度控制 通過控制脈沖分配頻率可實現(xiàn)步進電動機的速度控制。速度控制也有硬、軟件兩種方法。 硬件方法硬件方法是在硬件脈沖分配器的時鐘脈沖輸入端(CP端)接一可變頻率脈沖發(fā)生器，改變其振蕩頻率，即可改變步進電動機速度。 軟件方法軟件方法常采用定時器來確定每相鄰兩次脈沖分配的時間，即脈沖分配周期，并通過中斷服務(wù)程序向輸出口分配控制數(shù)據(jù)。 四四. 加減速控制加減速控制 步進電動機允許的啟動啟動頻率一般較低，當要求高速運行時，必須用較低的頻率啟動，然后逐漸加速，否則不能正常啟動。制動制動時也應(yīng)逐漸降到較低頻率后再制動，否則定位不準。步進電動機加減速控制也

18、可通過硬、軟件兩種方法實現(xiàn)。 五五. 步進電動機的功率驅(qū)動電路步進電動機的功率驅(qū)動電路 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。從環(huán)行分配器輸出的控制脈沖信號必須經(jīng)過功率驅(qū)動電路進行功率放大才能驅(qū)動步進電動機運行。步進電動步進電動機驅(qū)動電路核心問題是如何提高步進電機機驅(qū)動電路核心問題是如何提高步進電機的快速性和平穩(wěn)性的快速性和平穩(wěn)性。步進電動機功率放大電路的種類很多，常用的有單電壓驅(qū)動電單電壓驅(qū)動電路路、雙電壓驅(qū)動電路雙電壓驅(qū)動電路和斬波型驅(qū)動電路斬波型驅(qū)動電路等。 4. 步進電動機的細分驅(qū)動步進電動機的細分驅(qū)動 可以看出，按上述的步進電動機的控制方法及驅(qū)動電路，步距角由電機的結(jié)構(gòu)決定，僅有整步和半步兩種。 那么那么，在不改變步進電動機的結(jié)構(gòu)，在不改變步進電動機的結(jié)構(gòu)的情況下，有沒有辦法減小步進電機的的情況下，有沒有辦法減小步進電機的步距角步距角? 這樣就提出了步進電動機步距細分步距細分的問題。 步距細分原理：步進電動機是一種電流驅(qū)動元件。改變步進電機各相電流的大小，就能使其轉(zhuǎn)子相對于每個驅(qū)動脈沖的變化量減小，使原有平衡位置之間增加新的平衡點，便實現(xiàn)步距細分。 以步進電機三相六拍驅(qū)動方式為例，每次僅讓一相電流變化，使其三