機電一體化技術與系統(tǒng)項目四

項目四步進驅動系統(tǒng)任務一

熟悉步進電機工作原理能力目標：1．了解步進電機的結構。2．熟悉三相三拍、三相六拍運行原理。3．掌握步進電機的工作特性。工作內容：1．什么叫步進電機？它是怎樣實現(xiàn)速度與位置控制的？2．什么叫“三相三拍”與“三相六拍”運行？3．步進電機的靜態(tài)特性與動態(tài)特性有什么特點？

步進電動機就是一種將電脈沖信號轉換成相應角位移的電動機。1、認識步進電動機

步進電動機具有獨特的優(yōu)點：

(1)控制特性好；

(2)誤差不長期積累；

(3)步距值不受各種干擾因素的影響。1.1步進電機分類分類按定子相數(shù)不同：三相、四相、五相、六相等；

按轉子材料不同：永磁式、磁阻式（反應式）和混合式。1.2步進電機的基本結構1423(1)定子(2)轉子U1U2V1V2W2W1三相磁阻式步進電動機原理圖

步進電動機的典型結構U2U1W2W1V1V21.3步進電機的工作原理

一拍從一次通電到另一次通電。步距角每一拍轉子轉過的角度。(1)m相單m拍運行（三相單三拍運行）(2)m相雙m拍運行（三相雙三拍運行）(3)m相單－雙2m拍運行（三相單－雙六拍運行）1423142314231423U1U2V1V2W2W1(1)m相單m拍運行（三相單三拍運行）

通電順序：U相→V相→W相→U相。①U相通電1423U1U2V1V2W2W11423②V相通電U1U2V1V2W2W1③W相通電14231423一步兩步三步※

步距角：θ=30°(2)m相雙m拍運行（三相雙三拍運行）

通電順序：UV相→VW相→WU相。1423U1U2V1V2W2W1①UV相通電14231423U1U2V1V2W2W1②VW相通電14231423U1U2V1V2W2W1③WU相通電1423※

步距角：θ=30°14231423(3)m相單－雙2m拍運行(三相單－雙六拍運行）通電順序：U→UV→V→VW→W→WU→U。1423U1U2V1V2W2W111423U1U2V1V2W2W121423U1U2V1V2W2W131423U1U2V1V2W2W141423U1U2V1V2W2W151423U1U2V1V2W2W161423※步距角：

θ=15°三相六拍通電方式工作原理：

三相單三拍：

正轉：A→B→C→A…相序通電

反轉：C→B→A→C…相序通電

三相雙三拍：

正轉：AB→BC→CA→AB…相序通電

反轉：CA→BC→AB→CA…相序通電

三相單雙六拍：

正轉：A→AB→B→BC→C→CA→A…相序通電

反轉：A→CA→C→BC→B→AB→A…相序通電

步進雙三步進六拍

步距角θ=360°mzz

：轉子齒數(shù)m：拍數(shù)

轉速一個θ→轉(1/

zN)圈，脈沖頻率為f→每秒轉(f

/

zN)圈。n=60fzN例如：三相步進電動機z=40，則①采用單/雙三拍時：②采用三相六拍時：θ=360°zN360°40×3==3°θ=360°zN360°40×6==1.5°思考1:“二相三相”運行思考2：某三相變磁阻步進電機，轉子60齒，試計算各種運行方式下的步距角？如果要求電機轉速為每分鐘20轉，求脈沖頻率為多少？1.3步進電機的工作原理四、

步進電動機的參數(shù)

最大靜轉矩、起動頻率、運行頻率。步進電動機的運行特性及影響因素

1．矩角特性

2．單步運行特性

3．連續(xù)脈沖運行特性

4．加減速特性

5．脈沖信號頻率對步進電動機運行的影響

6．轉子機械慣性對步進電動機運行的影響

7.步進運行和低頻振蕩三、小步距角電機運行原理

圖4-1.4小步距角的步進電機展開圖四、混合式步進電機實踐指導一、步進電機的靜態(tài)特性靜態(tài)是指步進電機通電狀態(tài)不變，轉子不動時的輸出特性。圖4-1.6步進電機的矩角特性

圖4-1.7步進電機的靜轉矩特性二、步進電機的動態(tài)特性步進電機的動態(tài)特性將影響到系統(tǒng)的快速性與工作可靠性。動態(tài)特性與電機性能、負載、驅動電源、通電方式等因素有關。圖4-1.8步進電機的矩頻特性思考:步進電機的正反轉任務二了解步進驅動器原理能力目標：1．了解步進驅動器的功能。2．熟悉單電壓驅動、雙電壓驅動與PWM調壓驅動電源。工作內容：1．步進驅動器需要具備哪些功能？2．驅動電源是怎樣提高啟動電流的？3．在功率晶體管關斷時，電機繞組是如何泄放電流的？一、步進驅動器的功能圖4-2.1步進驅動系統(tǒng)的組成步進驅動器的功能：①電壓隔離②脈沖分配③功率放大二、驅動電源的工作原理步進驅動器的功率放大電路常稱為“驅動電源”，它是步進驅動器的關鍵部件。圖4-2.2中的UCP代表步進電機的繞組通斷控制信號；W代表電機繞組。圖中的VD與RD為續(xù)流回路，用于繞組斷開時的放電；RS為限流電阻，用來限制繞組電流，并起到減小繞組電氣時間常數(shù)的作用；電容C用來提高導通瞬間的啟動電流，提高電機響應速度。單電壓驅動電源實踐指導一、雙電壓驅動電源驅動電源有兩組電源向電機繞組供電，高壓部分用來提高啟動瞬間的繞組電流，低壓部分用來維持繞組額定電流圖4-2.3定時控制高低壓驅動電源二、PWM調壓驅動電源PWM調壓驅動電源的最大優(yōu)點是驅動線路中的向繞組供電的電源電壓可以根據(jù)要求進行自動調節(jié)，因此，它既可以實現(xiàn)高低壓驅動功能，還可以根據(jù)步進電機的運行頻率自動改變供電電壓，解決系統(tǒng)快速性與低頻工作的沖擊、振蕩與噪聲問題。2.2.5PWM調壓驅動電源

2.3步進電動機的主要性能指標和應用

2.3.1．步進電動機的主要性能指標

1)步距角θb2)精度

3)轉矩

4)響應頻率

5)運行頻率

6)起動矩頻特性

7)起動慣頻特性

8)運行矩頻特2.3.2步進電機伺服電機對比一、控制精度不同德國百格拉公司的三相混合式步進電機步距角可通過撥碼開關設置為1.8°,0.9°,0.72°,0.36°,0.18°,0.09°,0.072°,0.036°.交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證。松下全數(shù)字式交流伺服電機：2500線編碼器、四倍頻，其脈沖當量為360°/10000=0.036°。17位編碼器，脈沖當量360°/217=9.89秒。是步距角為1.8°的步進電機的脈沖當量的1/655。二、低頻特性不同步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。振動頻率與負載情況和驅動器性能有關，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機器的正常運轉非常不利。當步進電機工作在低速時，一般應采用阻尼技術來克服低頻振動現(xiàn)象，比如在電機上加阻尼器，或驅動器上采用細分技術等。交流伺服電機運轉非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統(tǒng)內部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點，便于系統(tǒng)調整。2.3.2步進電機伺服電機對比三、矩頻特四、過載能力不同五、運行性能不同六、速度響應性能不同2.3.2步進電機伺服電機對比3、運動控制系統(tǒng)設計舉例設計要求：XY工作臺，采用滾珠絲杠副傳動，絲杠螺距4mm，工作臺行程200mm。最大運動速度100mm/min,最大加速度不小于0.5g,在刀具處安裝一鉛筆，以便畫出運動軌跡選擇步進電動機的型號、并設計工作臺的運動控制系統(tǒng)。3.1設計過程1、步進電動機的選擇2、步進電動機驅動器的選擇3、計算機及其接口設計4、步進電動機控制程序任務三步進驅動的應用與實踐3.1設計過程注意事項：

1、步進電機工作情況檢查；萬用表的使用；

2、檢查控制板的連線；

3、不同工作拍節(jié)的線路連接。3.2任務實施及練習分析要點：

1通過分析步進電動機的工作原理和通電方式，可以得出什么結淪?2實用中的步進電動機為什么采用小步距角?步距角如何確定?3步進電動機按工作原理分類有哪幾種?各有什么特點?4步進電動機環(huán)行分配器由什么確定?如何進行設計?5如何修改環(huán)行分配器子程序，以實現(xiàn)步進電動機的反向運行?6步進電動機步距角的含義是什么?一臺步進電動機可以有兩個步距角，例如3°/1.5°，這是什么意思?什么是單三拍、雙三拍、單雙六拍、五相十拍?

3.2任務實施及練習實施任務：查找資料，對YL335B自動生產線輸送站進行步進電機驅動的選型設計、電氣連線、調試設計對實訓臺進行電氣連接并檢查編程驅動，檢驗控制效果小組資料整理匯報小組評價3.2任務實施及練習3.3步進驅動器使用幫助1、SIEMENS步進驅動產品STEPDRIVEC/C+步進驅動器組成：（1）電源部分用來產生驅動器所需的DC24V、DC5V等控制電壓以及步進電機繞組驅動用的DC120V電壓FMSTEPDRIVE步進驅動器的內部組成與STEPDRIVEC/C+系列基本相同，但驅動器的驅動電壓可以達到DC325V，最大輸出電流同為5A。3.3步進驅動器使用幫助1、SIEMENS步進驅動產品（2）控制部分包括“五相十拍”環(huán)形分配、恒流斬波控制、過電流保護等環(huán)節(jié)；（3）功率放大部分用來產生電機繞組控制用的高壓、大電流信號。驅動器的保護措施較完善，設計有過電壓、欠電壓、過載、對地短路、相間短路等保護措施。

3.3步進驅動器使用幫助2.

步進驅動器的選擇

選擇步進驅動系統(tǒng)是必須綜合考慮系統(tǒng)的啟動特性與運行特性，必須注意的是：步進電機不具有過載性能!2.

步進驅動器的選擇首先計算出系統(tǒng)的負載慣量根據(jù)負載慣量JL將空載啟動特性平移后才能得到正確的啟動特性最后，根據(jù)平移后的啟動特性與啟動頻率確定啟動時的輸出轉矩Ma的值。3.3步進驅動器使用幫助3.4SIEMENS步進驅動器的連接

3.4SIEMENS步進驅動器的連接①電源連接：根據(jù)要求將AC85V輸入電源連接到驅動器的L/N/PE端。②電機連接：將驅動器上的A+~E-與電機上的對應端連接。③控制信號連接：驅動器上的控制信號連接要求如下。+PULS/-PULS：位置指令脈沖，上升沿有效，最高頻率不能超過250kHz。+DIR/-DIR：電機轉向選擇，“0”為順時針；“1”為逆時針；轉向可用驅動器的設定開關調整。+ENA/-ENA：驅動器“使能”信號，輸入“0”禁止驅動器輸出，電機無輸出轉矩；輸入“1”驅動器使能，電機繞組加入運行或保持電流。3.4SIEMENS步進驅動器的連接以上輸入為DC5V信號，具體要求如下。高電平（“1”信號）：VH≥3.7V/20mA與4.5V/100μA。低電平（“0”信號）：VL≤1V/20mA。+24V/+24VGND：驅動器準備好（RDY）信號輸出用的DC24V電源輸入；RDY：驅動器“準備好”信號輸出，當驅動器工作正常時，+24V與RDY間的觸點閉合。當使用多個驅動器時，信號可以按照圖5-3.5所示的方式進行串聯(lián)，并將最后一只驅動器的RDY輸出作為全部驅動器準備好信號，輸出到外部控制器（如作為PLC輸入等）。3.5SIEMENS驅動器的設定與調整STEPDRIVEC/C+步進驅動器正面安裝有4只調整開關（見圖5-3.4），其作用如下。調整開關CURR1/CURR2：驅動器輸出電流的設定，當驅動器用于不同規(guī)格電機時，以STEPDRIVEC/C+為例，開關設定與輸出電流的對應關系如表5-3.1所示。3.5SIEMENS驅動器的設定與調整驅動器的工作狀態(tài)可以通過指示燈進行檢查，正常工作時的指示燈（參見圖5-3.4）顯示如下。①驅動器電源加入：指示燈DIS亮；電機無輸出轉矩；驅動器等待使能信號輸入。②加入使能信號：在+ENA/-ENA端加入DC5V信號后，指示燈DIS滅、RDY亮，步進電機繞組通電，并且產生保持力矩。3.5SIEMENS驅動器的設定與調整③加入指令脈沖：在+PULS/-PULS端與+DIR/-DIR端輸入DC5V“脈沖+方向”信號，電機則按照要求旋轉。指令脈沖可來自CNC、PLC或DC5V手輪輸入。④轉向檢查：如果電機轉向不正確，可切斷驅動器電源，利用DIR開關交換電機轉向。⑤故障分析：如果驅動器運行時出現(xiàn)故障，報警指示燈FLT或TMP亮，可按表5-3.2分析原因并排除故障。3.5SIEMENS驅動器的設定與調整思考：某步進電機有80個齒,采用3相6拍方式驅動,經絲杠螺母副驅動工作臺做直線運動,絲杠的導程為6mm。求:1、步進電機的步矩角。2、當脈沖當量要求為0.01mm時,試設計此傳動系統(tǒng)傳動比1、k=6/3=2á=360/mzk=360/3×80×2=0.75。2、I=Z2/Z1=αL/360δ=0.75×6/360×0.01=2/1可選Z1=20，Z2=40，模數(shù)=1.5的齒輪傳動副例：三相變磁阻式步進電動機，轉子80個齒。(1)要求電動機轉