第11-1章步進電動機傳動控制系統(tǒng)

1、第第7章步進電動機傳動控制系統(tǒng)章步進電動機傳動控制系統(tǒng) 步進電動機（步進電動機（Step motor 或或Stepping motor），是一種利用電磁感應(yīng)原理，將電），是一種利用電磁感應(yīng)原理，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件。脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖，電機就轉(zhuǎn)過一個角度，運每輸入一個脈沖，電機就轉(zhuǎn)過一個角度，運行一步，其運動形式是步進式的，故稱為步行一步，其運動形式是步進式的，故稱為步進電動機。由于其輸入的是脈沖電壓，所以進電動機。由于其輸入的是脈沖電壓，所以又稱脈沖電動機或階躍電動機。又稱脈沖電動機或階躍電動機。 步進電動機的工作機理是基于最基本的電步進

2、電動機的工作機理是基于最基本的電磁鐵機理。磁鐵機理。第第7章步進電動機傳動控制系統(tǒng)章步進電動機傳動控制系統(tǒng) 步進電動機的運動是由一系列電脈沖控制，脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的電脈沖信號，通過環(huán)形分配器按一定的順序加到電動機的各相繞組上。為了使電動機能夠輸出足夠的功率，經(jīng)過環(huán)形分配器產(chǎn)生的脈沖信號還需要進行功率放大。環(huán)形分配器、功率放大器以及其他輔助電路統(tǒng)稱為步進電機的驅(qū)動電源。步進電動機、驅(qū)動電源和控制器構(gòu)成步進電動機傳動控制系統(tǒng)，如圖7.1所示?？刂破鳝h(huán)形分配器功率放大器步進電動機輔助電路驅(qū)動電源圖7.1步進電動機傳動控制系統(tǒng)框圖7.1 步進電動機工作原理及分類步進電動機工作原理及分類7.1.1 步進

3、電動機的結(jié)構(gòu)與工作原理步進電動機的結(jié)構(gòu)與工作原理步進電動機的結(jié)構(gòu)分為定子和轉(zhuǎn)子兩大部分。定子由硅鋼片疊加而成，繞有一定相數(shù)的控制繞組，由環(huán)形分配器送來的電脈沖對各相定子繞組輪流進行勵磁。轉(zhuǎn)子用硅鋼片疊成或用軟磁性材料做成凸極結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)子本身沒有勵磁繞組的叫做“反應(yīng)式步進電動機”；用永久磁鐵做轉(zhuǎn)子的叫做“永磁式步進電動機”。步進電動機的結(jié)構(gòu)形式雖然繁多，但工作原理基本相同，下圖是兩相混合式步進電動機結(jié)構(gòu)圖 。1結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)特點圖7.2所示為一臺三相反應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu)簡圖。其定子有6個磁極，每兩個相對的磁極上繞有一相控制繞組，由外部脈沖信號對各相繞組輪流勵磁。轉(zhuǎn)子上有均布的四個凸齒。圖7.2三相

4、反應(yīng)式(a)(b)步進電動機結(jié)構(gòu)簡圖圖7.3三相反應(yīng)式步進電動機工作原理2. 工作原理工作原理(1)基本工作原理基本工作原理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，即步進電機的步距角，用轉(zhuǎn)過一個確定的角度，即步進電機的步距角，用b表示；表示；改變步進電機定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向隨之改變步進電機定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向隨之改變。改變。 7.4單三拍通電方式時的轉(zhuǎn)子位置（2）通電方式）通電方式步進電動機的轉(zhuǎn)速即取決于控制繞組通電的頻率，又取決于繞組通電方式。步進電動機的通電方式一般有單相輪流通電方式

5、、雙相輪流通電方式和單雙相輪流通電方式 。1）單相輪流通電方式-運行的穩(wěn)定性差。 2）雙相輪流通電方式-輸出力矩較大，定位精度高而且不易失步。 3）單雙相輪流通電方式-步距角減小一倍。圖7.5三相六拍通電方式7.1.2小步距角步進電動機小步距角步進電動機定子極面小齒和轉(zhuǎn)子上的小齒位置符合下列規(guī)律：當(dāng)U相的定子齒和轉(zhuǎn)子齒對齊時，V相的定子齒應(yīng)相對于轉(zhuǎn)子齒順時針方向錯開1/3齒距，而W相的定子齒又應(yīng)相對于轉(zhuǎn)子齒順時針方向錯開23齒距。也就是說，當(dāng)某一相磁極下定子與轉(zhuǎn)子的齒相對時，下一相磁極下定子與轉(zhuǎn)子齒的位置剛好錯開/m其中，為齒距，m為相數(shù)；再下一相磁極下定子與轉(zhuǎn)子的齒則錯開2m；依此類推。當(dāng)定

6、子繞組按U-V-W順序輪流通電時，轉(zhuǎn)子就順時針方向一步一步地移動，各相繞組輪流通電一次，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個齒距。圖7.6實際的三相反應(yīng)式步進電動機結(jié)構(gòu)簡圖三相反應(yīng)式步進電動機定子、轉(zhuǎn)子展開圖 兩相混合式步進電動機定子磁極上的齒與左右段轉(zhuǎn)子齒的相對位置 NS右段左段B2A2A1B1B2A2A1B1若以轉(zhuǎn)子左段鐵心作參考，當(dāng)A1、A3極上的齒與轉(zhuǎn)子齒對齊時， 則有A2、A4極上的齒與轉(zhuǎn)子槽相對，B1、B3極上的齒沿順時針方向超前轉(zhuǎn)子齒1/4齒距，B2、B4極上的齒沿順時針方向超前轉(zhuǎn)子齒34齒距；在轉(zhuǎn)子右段鐵心，則A1、A3極上的齒與轉(zhuǎn)子槽相對，A2、A4極上的齒與轉(zhuǎn)子齒對齊，B1、B3極上的齒沿順時針

7、方向超前轉(zhuǎn)子3/4齒距，B2、B4極上的齒沿順時針方向超前轉(zhuǎn)子齒14齒距。結(jié)論：通過以上分析可知，轉(zhuǎn)子的齒數(shù)不能任意選取。因為在同一相的幾個磁極下，定轉(zhuǎn)子齒應(yīng)同時對齊或同時錯開，才能使幾個磁極的作用相加，產(chǎn)生足夠的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩，而定子圓周上屬于同一相的極總是成對出現(xiàn)的，所以轉(zhuǎn)子齒數(shù)應(yīng)是偶數(shù)。另外，在不同相的磁極下，定轉(zhuǎn)子相對位置應(yīng)依次錯開1m齒距，這樣才能在連續(xù)改變通電狀態(tài)下，獲得連續(xù)不斷的運動。否則，當(dāng)某一相控制繞組通電時，轉(zhuǎn)子齒都將處于磁路的磁阻最小位置上，各相繞組輪流通電時，轉(zhuǎn)子將一直處于靜止?fàn)顟B(tài)，電動機不能正常轉(zhuǎn)動運行。為此，要求兩相鄰相磁極軸線之間轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為整數(shù)加或減1m。7.1.2小

8、步距角步進電動機小步距角步進電動機設(shè)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為Z，則齒距角為因為每通電一次(即運行一拍)，轉(zhuǎn)子就走一步，故步距角為式中：K為狀態(tài)系數(shù)，相鄰兩次通電相數(shù)一致時K=1，如單、雙三拍時；反之則K=2，如三相六拍時。若步進電動機的z=40，三相單三拍或三相雙三拍時，其步距角為若按三相六拍運行時，其步距角為360z7.1.2小步距角步進電動機小步距角步進電動機如果步進電動機電定子各相繞組輪流通電的脈沖的頻率為f，步距角b的單位為(o)，則步進電動機的轉(zhuǎn)速(單位為rmin)為可知，步進電機定子繞組通電狀態(tài)的改變速度越快，其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度越快，即通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高。7.1.3步進電動機

9、的分類步進電動機的分類分類方式分類方式具體類型具體類型結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)特點按工作原理反應(yīng)式轉(zhuǎn)子無繞組，由被激磁的定子繞組產(chǎn)生反應(yīng)力矩實現(xiàn)步進運行，是我國步進電動機發(fā)展的主要類型。(又稱磁阻式)其主要特點是氣隙小、步距角小，定位精度高，控制準確；但勵磁電流較大，要求有較大的驅(qū)動電源功率，且電動機內(nèi)部阻尼較小，當(dāng)相數(shù)較小時，單步運行振蕩時間較長或斷電后無定位轉(zhuǎn)矩，所以使用中需要自鎖定位。激磁式定、轉(zhuǎn)子均有激磁繞組(或轉(zhuǎn)子用永久磁鋼)，由電磁力矩實現(xiàn)步進運行。輸出力矩大，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實際較少應(yīng)用。永磁式轉(zhuǎn)子和定子的某一方具有永久磁鋼，另一方由軟磁材料制成。繞組輪流通電，建立的磁場與永久磁鋼的恒定磁場相互

10、作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。主要特點時步距角大，一般為15、30、45等，控制精度不高；控制功率較小，效率高；由于有用具磁鋼，內(nèi)部阻尼較大，單步振蕩時間較短，斷電后具有一定的定位自鎖力矩?；旌鲜浇品磻?yīng)式和永磁式的結(jié)合體。與反應(yīng)式的主要區(qū)別是轉(zhuǎn)子上有磁鋼，反應(yīng)式轉(zhuǎn)子則無磁鋼，靜態(tài)電流比永磁式大許多永磁式。(永磁感應(yīng)式)混合式步進電動機可以做成像反應(yīng)式一樣的小步距角，又具有永磁式控制功率小的優(yōu)點；故具有驅(qū)動電流小，效率高、過載能力強、控制精度高等特點，代表著步進電動機的最新發(fā)展，是一種很有應(yīng)用前景的步進電動機。7.1.3步進電動機的分類步進電動機的分類分類方式分類方式具體類型具體類型結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)特點按輸出力矩

11、大小伺服式輸出力矩在百分之幾之幾至十分之幾(Nm)只能驅(qū)動較小的負載，要與液壓扭矩放大器配用，才能驅(qū)動機床工作臺等較大的負載。功率式輸出力矩在5-50Nm以上，可以直接驅(qū)動機床工作臺等較大的負載。按相數(shù)三相相數(shù)越多，步距角越小，相同工作頻率下運行越平穩(wěn)，控制精度越高；隨著相數(shù)增多，結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜，成本越高。四相m相按各相繞組分布徑向分布式電機各相按圓周依次排列軸向分布式電機各相按軸向依次排列，轉(zhuǎn)動慣量小，快速性和穩(wěn)定性好；功率步進電動機多為軸向式，步進電動機的典型分類 反應(yīng)式步進電動機結(jié)構(gòu)示意圖反應(yīng)式步進電動機結(jié)構(gòu)示意圖 反應(yīng)式步進電動機多段環(huán)形線圈結(jié)構(gòu)反應(yīng)式步進電動機多段環(huán)形線圈結(jié)構(gòu) 反應(yīng)式步

12、進電動機多段分布繞組結(jié)構(gòu)反應(yīng)式步進電動機多段分布繞組結(jié)構(gòu) 反應(yīng)式直線步進電動機反應(yīng)式直線步進電動機 永磁式步進電動機示意圖永磁式步進電動機示意圖 永磁式步進電動機環(huán)形線圈結(jié)構(gòu)永磁式步進電動機環(huán)形線圈結(jié)構(gòu) 混合式步進電動機結(jié)構(gòu)示意圖混合式步進電動機結(jié)構(gòu)示意圖7.2 步進電動機驅(qū)動電源步進電動機驅(qū)動電源 步進電動機的驅(qū)動運行要求足夠功率的電脈沖信號按一定的順序分配到各相繞組。為了實現(xiàn)這種驅(qū)動，要求有脈沖分配和功率放大功能的專門驅(qū)動電源。驅(qū)動電源和步進電動機是一個有機的整體，步進電動機的運行性能是電動機及其驅(qū)動電源二者配合所反映的綜合效果。7.2.1步進電動機的驅(qū)動方式步進電動機的驅(qū)動方式環(huán)形分配器

13、功能是將控制脈沖按規(guī)定的方式分配給步進電動機；功率放大器是將環(huán)形分配器的輸出信號進行功率放大以能驅(qū)動步進電動機運行。 圖7.7步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)圖7.2.2步進電動機的環(huán)形分配器步進電動機的環(huán)形分配器1.硬件環(huán)形分配器硬件環(huán)形分配器(1)邏輯電路環(huán)形分配器邏輯電路環(huán)形分配器圖7.8三相單三拍脈沖分配器(a)硬件電路圖；(b)輸出脈沖波形圖表7-2JK觸發(fā)器真值表7.2.2步進電動機的環(huán)形分配器步進電動機的環(huán)形分配器1.硬件環(huán)形分配器硬件環(huán)形分配器(1)邏輯電路環(huán)形分配器邏輯電路環(huán)形分配器(2)EPROM環(huán)形分配器環(huán)形分配器其基本思想是：結(jié)合驅(qū)動電源線路按步進電動機勵磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換表求出所需的環(huán)形分

14、配器輸出狀態(tài)表(輸出狀態(tài)表與狀態(tài)轉(zhuǎn)換表相對應(yīng))，以二進制碼的形式依次存入EPROM中，在線路中只要按照地址的正向或反向順序依次取出地址的內(nèi)容，則EPROM的輸出端即依次表示各勵磁狀態(tài)。EPROM設(shè)計的環(huán)形分配器具有以下特點：1)線路簡單，僅有可逆計數(shù)器和存儲器兩部分；2)一種線路可實現(xiàn)多種勵磁方式的分配，只要在不同的地址區(qū)域存儲不同的狀態(tài)表，除軟件工作外，硬件線路不變；3)可徹底排除非法狀態(tài)；4)可有多種輸入端，便于同控制器接口。7.2.2步進電動機的環(huán)形分配器步進電動機的環(huán)形分配器1.硬件環(huán)形分配器硬件環(huán)形分配器(1)邏輯電路環(huán)形分配器邏輯電路環(huán)形分配器(2)EPROM環(huán)形分配器環(huán)形分配器圖

15、7.9EPROM型環(huán)形分配器7.2.2步進電動機的環(huán)形分配器步進電動機的環(huán)形分配器1.硬件環(huán)形分配器硬件環(huán)形分配器(1)邏輯電路環(huán)形分配器邏輯電路環(huán)形分配器(2)EPROM環(huán)形分配器環(huán)形分配器(3)集成環(huán)形分配器集成環(huán)形分配器圖7.10CH250環(huán)形分配器表7-3CH250環(huán)形分配器狀態(tài)表7.2.2步進電動機的環(huán)形分配器步進電動機的環(huán)形分配器2.軟件環(huán)形分配器軟件環(huán)形分配器(1)設(shè)置輸出接口設(shè)置輸出接口(2)設(shè)計環(huán)形分配子程序設(shè)計環(huán)形分配子程序(3)設(shè)計延時子程序設(shè)計延時子程序圖7.11I/O接口圖存儲元件地址存儲元件地址單元內(nèi)容單元內(nèi)容對應(yīng)通電相對應(yīng)通電相K0K1K2K3K4K501H(00

16、01)03H(0011)02H(0010)06H(0110)04H(0100)05H(0101)AABBBCCCA表7-4環(huán)形分配表7.2.3步進電動機的驅(qū)動電路步進電動機的驅(qū)動電路1.單電壓驅(qū)動電路單電壓驅(qū)動電路7.2.3步進電動機的驅(qū)動電路步進電動機的驅(qū)動電路2.雙電壓驅(qū)動電路雙電壓驅(qū)動電路7.2.3步進電動機的驅(qū)動電路步進電動機的驅(qū)動電路2雙電壓驅(qū)動電路雙電壓驅(qū)動電路雙電壓驅(qū)動電路習(xí)慣上稱為高低壓切換型電路，其最后一級如圖7.13a)所示。這種電路的特點是電動機繞組主電路中采用高壓和低壓兩種電壓供電一般高壓為低壓的數(shù)倍。其基本思想是：不論電動機工作頻率如何，在導(dǎo)通相的前沿用高電壓供電來提

17、高電流的前沿上升率，而在前沿過后用低壓來維持繞組的電流。7.2.3步進電動機的驅(qū)動電路步進電動機的驅(qū)動電路3斬波驅(qū)動電路斬波驅(qū)動電路圖7.14 斬波驅(qū)動電路斬波驅(qū)動電路實用電路（斬波驅(qū)動電路實用電路（1）該電路由于電流頂部的波動會產(chǎn)生電磁嘈聲斬波驅(qū)動電路實用電路（斬波驅(qū)動電路實用電路（2）恒頻脈寬調(diào)制功率電路可以克服電流頂部的波動而產(chǎn)生的電磁嘈聲。7.2.3 步進電動機的驅(qū)動電路步進電動機的驅(qū)動電路4.升頻升壓驅(qū)動電路升頻升壓驅(qū)動電路圖3.15升頻升壓驅(qū)動電路升頻升壓驅(qū)動電路實用電路（升頻升壓驅(qū)動電路實用電路（3）7.2.3步進電動機的驅(qū)動電路步進電動機的驅(qū)動電路5.細分驅(qū)動電路細分驅(qū)動電路圖

18、7.16細分驅(qū)動電流階梯波7.2.3 步進電動機的驅(qū)動電路步進電動機的驅(qū)動電路5.細分驅(qū)動電路細分驅(qū)動電路細分驅(qū)動有如下特點：細分驅(qū)動有如下特點：(1)不改動電動機結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，能使步距角減小，使步進電動機運行平穩(wěn)，提高均勻性，并能減弱或消除振蕩。改善了低頻特性，負載能力也有所增加。(2)但細分后的齒距角精度不高，且驅(qū)動電源的結(jié)構(gòu)也相應(yīng)復(fù)雜。目前實現(xiàn)階梯波供電的方法有：目前實現(xiàn)階梯波供電的方法有：1) 先放大后疊加2) 2)先疊加后放大a)先放大后疊加b)先疊加后放大圖7.17階梯波合成電路圖細分驅(qū)動電路驅(qū)動電路實用電路（細分驅(qū)動電路驅(qū)動電路實用電路（4）細分驅(qū)動電路驅(qū)動電路實用電路（細分

19、驅(qū)動電路驅(qū)動電路實用電路（5）細分驅(qū)動電路驅(qū)動電路實用電路（細分驅(qū)動電路驅(qū)動電路實用電路（6）7.3步進電動機運行特性及影響因數(shù)步進電動機運行特性及影響因數(shù)7.3.1步進電動機的運行特性步進電動機的運行特性1. 矩角特性矩角特性 矩角特性是反映步進電動機電磁轉(zhuǎn)矩T隨偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系。步進電動機的一相或多相控制繞組通入直流電流，且不改變它的通電狀態(tài)，這時轉(zhuǎn)子將固定在某一平衡位置上保持不動，稱為靜止?fàn)顟B(tài)(簡稱靜態(tài))。在空載情況下，轉(zhuǎn)子齒和通電相磁極上的小齒對齊，這個位置稱為步進電動機的初始平衡位置。靜態(tài)時的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩叫靜轉(zhuǎn)矩，在理想空載時靜轉(zhuǎn)矩為零。當(dāng)轉(zhuǎn)子有負載作用時，轉(zhuǎn)子齒就要偏離初始位置由于磁力線有

20、力圖縮短的傾向，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，直到這個轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相平衡。轉(zhuǎn)子齒偏離初始平衡位置的角度就叫做偏轉(zhuǎn)角(空間角)。若用電角度e表示偏轉(zhuǎn)角，則由于定子每相繞組通電循環(huán)一周(360 電角度)，對應(yīng)轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過一個齒距角(=360o z空間角度)，故電角度是空間角度的z倍，即e= z 。靜轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系稱為矩角特性，即T=f(e)。 7.3.1 步進電動機的運行特性步進電動機的運行特性e 達到/ 2時，即在定子齒與轉(zhuǎn)子齒錯過14個齒距時，轉(zhuǎn)矩T達到最大值，稱為最大靜轉(zhuǎn)矩Tsmax。步進電動機的負載轉(zhuǎn)矩必須小于最大靜轉(zhuǎn)矩，否則，根本帶不動負載。為了能穩(wěn)定運行，負載轉(zhuǎn)矩一般只能是最大靜轉(zhuǎn)矩的

21、3050左右。因此，這一特性反映了步進電動機帶負載的能力，通常在技術(shù)數(shù)據(jù)中都有說明，它是步進電動機的最主要的性能指標(biāo)之一。 圖7.18步進電動機矩角特性圖7.19步進電動機穩(wěn)定區(qū)2. 單步運行特性單步運行特性加一個控制脈沖改變一次通電狀態(tài)，步進電動機的這種工作狀態(tài)稱為單步運行。(1)穩(wěn)定區(qū)穩(wěn)定區(qū)(2)單步運行特性單步運行特性只要滿足-e，當(dāng)外力矩消失后，在步進電動機自身的電磁力矩作用下轉(zhuǎn)子仍能回到原平衡點O，將-至區(qū)間稱為步進電動機的靜穩(wěn)定區(qū)。在改變通電狀態(tài)前或改變過程中，只要轉(zhuǎn)子的步進角e滿足(-+be) e(+be)，步進電動機轉(zhuǎn)子就可趨向新的平衡點，稱區(qū)間(-+be)至(兀+be)為動穩(wěn)

22、定區(qū)。 只要轉(zhuǎn)角e不超過動穩(wěn)定區(qū)，如此往復(fù)以新平衡點為基準作減幅振蕩，T為周期，tb為步距角be對應(yīng)的衰減時間。 7.3.1步進電動機的運行特性步進電動機的運行特性3.連續(xù)脈沖運行特性連續(xù)脈沖運行特性(1)極低頻條件下運行極低頻條件下運行控制脈沖周期T大于轉(zhuǎn)子單步運行振蕩的衰減時間tb，當(dāng)?shù)诙胃淖兺姞顟B(tài)前(即第二個脈沖到來前)，第一次改變通電狀態(tài)使轉(zhuǎn)子的運行已經(jīng)結(jié)束，所以運行方式與單步運行方式相同。在這種條件下，運行的步進電動機多數(shù)處于欠阻尼狀態(tài)，不可避免的產(chǎn)生振蕩，但其振幅不會超過步距角be ，因此不會出現(xiàn)失步和越步現(xiàn)象。 圖7.21極低頻運行規(guī)律圖7.22低頻起動與失步的條件7.3.1

23、步進電動機的運行特性步進電動機的運行特性(2)低頻條件下運行低頻條件下運行當(dāng)控制脈沖的頻率為l/tbf4f0條件下運行條件下運行當(dāng)步進電動機處在高頻狀態(tài)下運行時，在前一個脈沖作用下，轉(zhuǎn)子的振蕩尚沒到達第一個振蕩的最大振幅，第二個脈沖已經(jīng)過來而又一次改變通電狀態(tài)。致使步進電動機的運行如同同步電動機連續(xù)、平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動。7.3.1步進電動機的運行特性步進電動機的運行特性4.加減速特性加減速特性步進電動機由靜止到工作頻率或由工作頻率到靜止的加減速過程中，勵磁繞組通電狀態(tài)的變化頻率f與時間t的關(guān)系。當(dāng)要求步進電動機起動到大于起動頻率的工作頻率f時，速度必須上升；當(dāng)從最高工作頻率fmax或高于起動頻率的工作

24、頻率f停止時，速度必須下降；步進電動機的加減速特性如圖7.24所示。圖7.24步進電動機漸漸速特性7.3.2步進電動機的運行特性的影響因素步進電動機的運行特性的影響因素1.脈沖信號頻率對步進電動機運脈沖信號頻率對步進電動機運行的影響行的影響當(dāng)脈沖信號頻率很低時，控制脈沖以矩形波輸入，電流波形比較接近于理想的矩形波，脈沖信號頻率增高，由于電動機繞組的電感的作用，因此電流發(fā)生畸變，在開始通電瞬間，由于電流不能突變，其值不能立即升起，故使轉(zhuǎn)矩下降，起動轉(zhuǎn)矩減小，有可能動不起來。在斷電的瞬間，電流也不能迅速下降，而產(chǎn)生反轉(zhuǎn)矩致使電動機不能正常工作。脈沖頻率很高，則電流還來不及上升到穩(wěn)定值I就開始下降，

25、于是電流的幅值降低（由I降到I），因而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩減小致使帶負載的能力下降。故頻率過高會使步講電動機起動不了或運行時失步。圖7.25脈沖信號畸變7.3.2步進電動機的運行特性的影響因素步進電動機的運行特性的影響因素2轉(zhuǎn)子機械慣性對步進電動機運行的影響轉(zhuǎn)子機械慣性對步進電動機運行的影響從物理學(xué)可知，機械慣性對瞬時運動物體要發(fā)生作用，當(dāng)步進電動機從靜止到起步，由于轉(zhuǎn)子部分的機械慣性的作用，轉(zhuǎn)子一下子轉(zhuǎn)不起來，因此，要落后于它應(yīng)轉(zhuǎn)過的角度。如果落后不太大，還會跟上來；如果落后太多，或者脈沖頻率過高，電動機將會起動不起來。另外，即使電動機在運轉(zhuǎn)，也不是每一步都迅速地停留在相應(yīng)的位置，而是受機械慣性的作用

26、要經(jīng)過幾次振蕩才停下來；如果這種情況嚴重，就可能引起失步。因此，步進電動機都采用阻尼方法，以消除（或減緩)步進電動機的振蕩。隨著轉(zhuǎn)動慣量的增加，會引起機械阻尼作用的加強，摩擦力矩也會相應(yīng)增大，轉(zhuǎn)子就跟不上磁場變化的速度，最后兇超出動穩(wěn)定區(qū)而失步或產(chǎn)生振蕩，從而限制連續(xù)運行的頻率。7.3.3步進電動機的主要性能指標(biāo)和應(yīng)用步進電動機的主要性能指標(biāo)和應(yīng)用1步進電動機的主要性能指標(biāo)步進電動機的主要性能指標(biāo)(1)步距角步距角b若通電方式和系統(tǒng)的傳動比已初步確定，則步距角應(yīng)滿足bimin式中：i為傳動比；min為負載軸要求的最小位移增量(或稱脈沖當(dāng)量，即每一個脈沖所對應(yīng)的負載軸的位移增量)。7.3.3步進

27、電動機的主要性能指標(biāo)和應(yīng)用步進電動機的主要性能指標(biāo)和應(yīng)用(2)精度精度對于所選用的步進電動機，其步距精度為：=i(L)式中：L為負載軸上所允許的角度誤差。7.3.3步進電動機的主要性能指標(biāo)和應(yīng)用步進電動機的主要性能指標(biāo)和應(yīng)用(3)靜轉(zhuǎn)矩靜轉(zhuǎn)矩負載轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為TL=0.30.5Tsmax為保證步進電動機在系統(tǒng)中正常工作，還必須滿足：TstTLmax式中：Tst為步進電動機起動轉(zhuǎn)矩；TLmax為步進電動機最大靜負載轉(zhuǎn)矩。通常取Tst=TLmax(0.30.5)7.3.3步進電動機的主要性能指標(biāo)和應(yīng)用步進電動機的主要性能指標(biāo)和應(yīng)用(4)響應(yīng)頻率響應(yīng)頻率在某一頻率范圍，步進電動機可以任意運

28、行而不丟失一步，這一最大頻率稱為響應(yīng)頻率。通常用起動頻率fst來作為衡量的指標(biāo)，它是能不丟步地起動的極限頻率，有時也叫做突跳頻率或牽入頻率。 (5)運行頻率運行頻率運行頻率是指頻率連續(xù)上升時，電動機能不失步運行的極限頻率。它的值也與負載的大小有關(guān)。在相同負載情況下，連續(xù)頻率fc的值遠大于響應(yīng)頻率或起動頻率fst。(6)起動矩頻特性起動矩頻特性在給定的驅(qū)動條件下，負載慣量定時，起動頻率與負載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系稱為起動矩頻特性。當(dāng)電動機帶著一定的負載轉(zhuǎn)矩起動時，作用在電動機轉(zhuǎn)子上的加速轉(zhuǎn)矩為電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩之差。負載轉(zhuǎn)矩越大，加速轉(zhuǎn)矩就越小，電動機就越不容易起動，其起動的脈沖頻率就應(yīng)該越低。7.3.

29、3步進電動機的主要性能指標(biāo)和應(yīng)用步進電動機的主要性能指標(biāo)和應(yīng)用(7)起動慣頻特性起動慣頻特性負載力矩一定時，起動頻率與負載慣量之間的關(guān)系稱為起動慣頻特性或牽入慣頻特性。轉(zhuǎn)動慣量越大，轉(zhuǎn)子速度的增加越慢，起動頻率也應(yīng)越低。(8)運行矩頻特性運行矩頻特性在負載慣量不變時，運行頻率與負載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系稱為運行矩頻特性。隨著步進電動機運行頻率連續(xù)上升時，電動機不失步運行的最高頻率稱為連續(xù)運行頻率fc ，它的值也與負載有關(guān)。很顯然，在同樣負載下，運行頻率fc 遠大于啟動頻率。f c 反映了步進電機的最高運行速度，直接影響生產(chǎn)率。在連續(xù)運行狀態(tài)下，步進電動機的電磁力矩隨頻率的升高而急劇下降。7.3.3步進

30、電動機的主要性能指標(biāo)和應(yīng)用步進電動機的主要性能指標(biāo)和應(yīng)用2步進電動機的應(yīng)用注意事項步進電動機的應(yīng)用注意事項(1)為使步進電動機正常運行(不失步，不越步)、正常起動并滿足對轉(zhuǎn)速的要求，必須保證步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩大于負載所需的轉(zhuǎn)矩。所以應(yīng)計算機械系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩，并使所選電動機的輸出轉(zhuǎn)矩有一定的余量，以保證可靠運行。被選電動機能與機械系統(tǒng)的負載慣量及所要求的起動頻率相匹配并留有一定余量，還應(yīng)使其最高工作頻率能滿足機械系統(tǒng)移動部件加速移動的要求。(2)應(yīng)使步進電動機的步矩角be與機械負載相匹配，以得到步進電動機所驅(qū)動部件需要的脈沖當(dāng)量。(3)驅(qū)動電源的優(yōu)劣對步進電動機控制系統(tǒng)的運行影響極大，使用時要

31、特別注意。需根據(jù)運行要求，盡量采用先進的驅(qū)動電源，以滿足步進電動機的運行性能。(4)若所帶負載轉(zhuǎn)動慣量較大，則應(yīng)在低頻下起動，然后再上升到工作頻率；停車時也應(yīng)從工作頻率下降到適當(dāng)頻率再停車；在工作過程中，應(yīng)盡量避免由于負載突變而引起的誤差。(5)若在工作中發(fā)生失步現(xiàn)象，首先應(yīng)檢查負載是否過大，電源電壓是否正常，再檢查驅(qū)動電源輸出波形是否正常，在處理問題時不應(yīng)隨意變換元件。7.4步進電動機的開、閉環(huán)控制步進電動機的開、閉環(huán)控制由于步進電動機能直接接收數(shù)字量信號，所以被廣泛應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。步進電動機的工作過程一般由控制器控制按照設(shè)計者的要求完成一定的控制過程，使驅(qū)動電源按照要求的規(guī)律驅(qū)動電動

32、機運行。較簡單的控制電路利用一些數(shù)字邏輯單元組成，即采用硬件的方式。但要改變系統(tǒng)的控制功能，一般都要重新設(shè)計硬件電路，靈活性較差。以微型計算機為核心的計算機控制系統(tǒng)為步進電動機的控制開辟了新的途徑，利用計算機的軟件或軟、硬件相結(jié)合的方法，大大增強了系統(tǒng)的功能，同時也提高了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。以步進電動機作為執(zhí)行元件的控制系統(tǒng)，包括開環(huán)和閉環(huán)兩種形式。7.4.1步進電動機的開環(huán)控制步進電動機的開環(huán)控制步進電動機系統(tǒng)的主要特點是能實現(xiàn)精確位移、精確定位，且無積累誤差。這是因為步進電動機的運動受輸入脈沖控制，其位移量是斷續(xù)的，總的位移量嚴格等于輸入的指令脈沖數(shù)或其平均轉(zhuǎn)速嚴格正比于輸入指令脈沖的頻

33、率；若能準確控制輸入指令脈沖的數(shù)量或頻率，就能夠完成精確的位置或速度控制，無需系統(tǒng)的反饋，形成所謂的開環(huán)控制系統(tǒng)。 圖7.26步進電動機開環(huán)控制原理框圖7.4.1步進電動機的開環(huán)控制步進電動機的開環(huán)控制1.串行控制串行控制圖7.27串行控制功能框圖7.4.1步進電動機的開環(huán)控制步進電動機的開環(huán)控制2.并行控制并行控制圖7.28并行控制方案的功能框圖7.4.1步進電動機的開環(huán)控制步進電動機的開環(huán)控制3.速度控制速度控制控制步進電動機的運行速度，實際上就是控制系統(tǒng)發(fā)出脈沖的頻率或者換相的周期。系統(tǒng)可用兩種方法來確定脈沖的周期：一種是軟件延時，另一種是用定時器。軟件延時的方法是通過調(diào)用延時子程序的方

34、法實現(xiàn)的，它占用CPU時間；定時器方法是通過設(shè)置定時時間常數(shù)的方法來實現(xiàn)的。由于開環(huán)控制系統(tǒng)不需要反饋元件，結(jié)構(gòu)比較簡單、工作可靠、成本低，因而在數(shù)字控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。圖7.29步進電動機的加減速定位控制7.4.2 步進電動機的閉環(huán)控制步進電動機的閉環(huán)控制圖7.30步進電動機閉環(huán)控制功能框圖開環(huán)控制的步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩在很大的程度上取決于驅(qū)動電源和控制方式。在某些運行速度范圍寬、負載大小變化頻繁的場合，步進電動機很容易失步，使整個系統(tǒng)趨于失控。對于高精度的控制系統(tǒng)，采用開環(huán)控制往往滿足不了精度的要求。閉環(huán)控制是直接或間接地檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度，然后通過反饋和適當(dāng)?shù)奶幚?/p>

35、，自動給出驅(qū)動的脈沖串。采用閉環(huán)控制，不僅可以獲得更加精確的位置控制和高的多、平穩(wěn)得多的轉(zhuǎn)速。與開環(huán)系統(tǒng)相比多了一個由位置傳感器組成的反饋環(huán)節(jié)。 7.5.步進電動機控制系統(tǒng)應(yīng)用實例步進電動機控制系統(tǒng)應(yīng)用實例 步進電動機的應(yīng)用十分廣泛，如機械加工、繪圖機、機器人、計算機的外部設(shè)備、自動記錄儀表等。它主要用于工作難度大、要求速度快、精度高的場合。尤其是電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展為步進電動機的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。下面舉幾個實例簡要說明步進電動機的一些典型應(yīng)用。7.5.1步進電機在數(shù)控車床中開環(huán)控制的應(yīng)用步進電機在數(shù)控車床中開環(huán)控制的應(yīng)用圖7.31步進電機伺服系統(tǒng)示意圖7.5.1步進電機在數(shù)控車

36、床中開環(huán)控制的應(yīng)用步進電機在數(shù)控車床中開環(huán)控制的應(yīng)用1.步進電機的選擇步進電機的選擇1)計算計算(1)切削力的計算切削力的計算(2)減速齒輪的選擇減速齒輪的選擇(3)轉(zhuǎn)動慣量的計算轉(zhuǎn)動慣量的計算(4)轉(zhuǎn)矩的計算轉(zhuǎn)矩的計算7.5.1步進電機在數(shù)控車床中開環(huán)控制的應(yīng)用步進電機在數(shù)控車床中開環(huán)控制的應(yīng)用1.步進電機的選擇步進電機的選擇1)計算計算2)分析分析7.5.1步進電機在數(shù)控車床中開環(huán)控制的應(yīng)用步進電機在數(shù)控車床中開環(huán)控制的應(yīng)用2.步進電機的控制步進電機的控制圖7.35單片機控制步進電機接口圖7.5.1步進電機在數(shù)控車床中開環(huán)控制的應(yīng)用步進電機在數(shù)控車床中開環(huán)控制的應(yīng)用2.步進電機的控制步進電

37、機的控制(1)步進電機通電相序方向控制步進電機通電相序方向控制表7-5步進電機三相六拍勵磁時的開關(guān)順序表7.5.1步進電機在數(shù)控車床中開環(huán)控制的應(yīng)用步進電機在數(shù)控車床中開環(huán)控制的應(yīng)用2.步進電機的控制步進電機的控制(1)步進電機通電相序方向控制步進電機通電相序方向控制(2)步進電機的轉(zhuǎn)速控制步進電機的轉(zhuǎn)速控制7.5.2步進電機閉環(huán)控制在擠壓機速度系統(tǒng)中的應(yīng)用步進電機閉環(huán)控制在擠壓機速度系統(tǒng)中的應(yīng)用圖5擠壓機速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成1.主缸2.主柱缸3.動梁4.擠壓桿5.擠壓筒6.主驅(qū)動電機7.變量油泵8.液壓變量控制器9.恒壓油源10.系統(tǒng)控制閥門11.速度/位置控制器12.光電測速13.速度給定器14.PLC可編程控制器7.5.2 步進電機閉環(huán)控制在擠壓機速度系統(tǒng)中的應(yīng)用步進電機閉環(huán)控制在擠壓機速度系統(tǒng)