機器人驅動及控制 課件 第2章 機器人步進電動機驅動及控制

機器人驅動及控制第2章機器人步進電動機驅動及控制●學習目標了解步進電動機結構和性能要求掌握反應式步進電動機工作原理了解混合式步進電動機工作原理掌握步進電動機基本特點掌握反應式步進電動機運動特性掌握步進電動機驅動控制方法了解步進電動機在六自由度切削機器人中的應用01020304050607

機器人并不像人靠肌肉收縮和彈性產生力，把機器人“解剖”后，發(fā)現每個機器人都有外來的“動力來源和精密的傳動機構”，產生力并傳遞力。

電動機是最常見的動力源之一。工業(yè)機器人每個關節(jié)處的電動機都用于驅動運動，為手臂提供準確的角度。

對工業(yè)機器人動作速度和精度的要求實際上就是對電動機響應速度和控制精度的要求。2.1步進電動機概述

步進電動機是一種將電脈沖信號轉換成相應角位移或線位移的電動機。每輸入一個脈沖信號改變一次勵磁狀態(tài)，轉子就轉動一個角度或前進一步，若不改變勵磁狀態(tài)，則保持一定位置而靜止。

輸出的角（線）位移與輸入的脈沖數成正比，轉速與脈沖的頻率成正比。

步進電動機精度高、慣性小，不丟步的情況下運行，步距誤差不會長期積累，特別適用于開環(huán)數字控制的定位系統(tǒng)。2025/2/112.2步進電動機結構及性能要求

2.2.1步進電動機結構步進電動機的結構由定子和轉子兩大部分組成。定子由定子鐵心和控制繞組組成。由專門電源輸入脈沖信號，輸入的脈沖信號對多個定子繞組輪流進行勵磁而產生磁場。定子繞組的個數稱為相數。轉子用硅鋼片疊成或用軟磁性材料做成凸極結構。凸極的個數稱為齒數。定子鐵心轉子鐵心步進電機結構簡圖步進電機安裝位置2025/2/112.2步進電動機結構及性能要求

2.2.1步進電動機結構步進電動機反應式步進電動機永磁式步進電動機混合式步進電動機按結構分類2025/2/112.2步進電動機結構及性能要求

反應式步進電動機

根據結構的不同分為單段式和多段式兩種。

單段式又稱徑向分相式，目前廣泛使用的步進電動機多采用這種結構。

徑向磁路多段式的定子、轉子鐵心沿電動機軸向按相數分段，每一段定子鐵心的磁極上均放置同一相控制繞組。

定子上裝有磁極（大齒），每個磁極的極弧上有許多小齒。磁極大齒成對出現，每個磁極上都有控制繞組，每相控制繞組由放在徑向相對的兩個磁極上的集中控制繞組串聯而成。

轉子沿圓周均勻沖有小齒，而且轉子上小齒的齒距=定子磁極上小齒的齒距。轉子上沒有繞組。2025/2/112.2步進電動機結構及性能要求

永磁式步進電動機

定子上有突出的磁極，磁極上裝有控制繞組。轉子上安裝有永久磁鋼制成的磁極，轉子極數與定子極數相同。

永磁式步進電動機的特點：

步距角大

起動頻率比較低（轉速不一定低）

控制功率小

有定位轉矩

有較強的內阻尼力矩2025/2/112.2步進電動機結構及性能要求

混合式步進電動機

混合了永磁式和反應式的優(yōu)點，具有反應式步進電動機步距小、運行頻率高的特點，還具有永磁式步進電動機消耗功率小的優(yōu)點，是目前發(fā)展較快的一種步進電動機。

特點：結構簡單、體積小、安裝方便、免維護、噪聲小和成本低。2025/2/112.2步進電動機結構及性能要求

2.2.2步進電動機性能要求

在一定速度范圍內，在脈沖信號控制下，步進電動機能迅速起動、正/反轉和停轉及在較寬范圍內平滑調節(jié)。

每個脈沖對應的位移量小且準確、均勻，即要求步進電動機步距小、步距精度高、不丟步或越步，以保證系統(tǒng)精度。

輸出轉矩大，可直接驅動負載工作。2025/2/112.3反應式步進電動機工作原理

反應式步進電動機是根據磁阻性質產生轉矩，遵循磁通總是沿磁阻最小路徑閉合的原理，由磁拉力形成驅動轉矩。

定子鐵心為凸極式，共有3對（三相）6個磁極，不帶小齒，磁極上繞有控制繞組，相對兩個磁極的繞組串聯，組成一相控制繞組。轉子為凸極結構，有4個均勻分布的齒，沒有繞組。2025/2/112.3反應式步進電動機工作原理

2.3.1通電方式分析

步進電動機有單相輪流通電、雙相輪流通電和單、雙相輪流通電三種通電方式。“單”是指每次切換前后只有一相繞組通電，“雙”是指每次切換前后有兩相繞組通電。定子勵磁繞組每改變一次通電狀態(tài)，稱為一拍。三相反應式步進電動機的工作原理圖2025/2/112.3反應式步進電動機工作原理

三相單三拍通電

A相通電，B、C相不通電，轉子齒1、3的軸線向定子A極軸線對齊，轉子只受徑向力，無切向力，轉矩為零，被鎖定在這個位置。通電順序為A—B—Ｃ—Ａ

B相通電，定子B極軸線使最靠近的轉子齒2、4軸線向其對齊，轉子在空間順時針旋轉30°。

C相通電，定子C極軸線使最靠近的轉子齒1、3軸線向其對齊，轉子在空間順時針再旋轉30°。

轉子齒與齒的角度稱齒距角，4個齒，一個齒距角為90°。

轉子每步轉過的角度稱為步距角，一個步距角為30°。2025/2/112.3反應式步進電動機工作原理

三相單三拍通電

通電順序改為A—Ｃ—B—A時，轉子按逆時針方向一步一步轉動。

改變通電順序即改變轉子旋轉方向。2025/2/112.3反應式步進電動機工作原理

三相雙三拍通電

若按ABBCCA順序給三相繞組輪流通電。每拍有兩相繞組同時通電。

與單三拍相似，雙三拍驅動時每個通電循環(huán)周期也分為三拍。每拍轉子轉過30(步距角)，一個通電循環(huán)周期(3拍)轉子轉過90(齒距角)。AB通電CA'BB'C'A3412BC通電3412CA'BB'C'ACA通電CA'BB'C'A3412

電動機改變狀態(tài)時，總有一相繞組持續(xù)通電，起電磁阻尼作用，工作平穩(wěn)，三相單三拍時因沒有這種阻尼，轉子到達新的平衡位置后會產生振蕩，穩(wěn)定性遠不如雙三拍通電。2025/2/112.3反應式步進電動機工作原理

三相單雙六拍通電

按三相單雙六拍AABBBCC

CA順序給三相繞組輪流通電，每個循環(huán)周期分為六拍。每拍轉子轉過15（步距角），一個通電循環(huán)周期(6拍)轉子轉過90(齒距角)。這種方式可以獲得更精確的控制特性。

A相通電，轉子1、3齒與A、A'對齊。

A、B相同時通電，A、A’磁極拉住1、3齒，B、B’磁極拉住2、4齒，轉子轉過15

，到達上圖所示位置。

B相通電，轉子2、4齒與B、B′對齊,又轉過15

。

B、C相同時通電，C'、C

磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉住2、4齒，轉子再轉過15

。2025/2/112.3反應式步進電動機工作原理

在微型或小型機器人實際應用中常需要較小的步距角如3°、1.5°等，因此電動機的定子磁極和轉子鐵心加工成多齒形。它定子上有3對磁極，每對磁極上繞有一相繞組，定子磁極上帶有小齒，轉子齒數很多的反應式步進電動機，其步距角可以做到很小。2.3.2小步距角步進電動機2025/2/112.4混合式步進電動機工作原理

定子、轉子都有小齒，轉子永磁體分兩段，軸向勵磁，且左、右轉子相互錯開半個齒距。當一段鐵心的齒與定子某相極下的齒對齊時，另一段鐵心的齒便與該極下的槽對齊。

轉子由兩段鐵心和夾在中間的永磁體組成。轉子鐵心一段為N極，另一段為S極。永磁磁路也是軸向的，從轉子N極端到定子I端，軸向到定子的II端、轉子S極端，經磁體閉合。

定子有兩對磁極，磁極下有小齒，每一對磁極上繞有一相繞組，通電時這兩個磁極極性相反。2.4.1兩相混合式步進電動機結構2025/2/112.4混合式步進電動機工作原理

混合式步進電動機是在永磁磁場和變磁阻原理共同作用下工作。

若轉子永磁體沒有充磁，只給定子控制繞組通電和定子繞組不通電，僅有轉子永磁體磁場作用，電動機均不產生轉矩。只有轉子永磁磁場與定子磁場相互作用，電動機才會產生電磁轉矩。

在轉子永磁體充磁且有某一相通電的情況下，轉子就有使通電相磁路的磁阻為最小的穩(wěn)定平衡位置，而混合式步進電動機定、轉子異極性的磁極下磁阻最小，同極性的磁極下磁阻最大。2.4.1兩相混合式步進電動機工作原理

2025/2/112.4混合式步進電動機工作原理

兩相單四拍通電兩相單四拍運行是在U、V兩相繞組內按UVU-V-U順序通入正、反方向電流。U相繞組正向通電V相不通電，建立UU’為軸線的磁場。此時U相磁極為S極，U’為N極。U相磁極與N段轉子齒軸線重合，與S段轉子齒錯開1/2齒距。此時，V相磁極與轉子齒錯開1/4齒距。在U相斷電V相繞組正向通電，建立以VV’為軸線的磁場。此時V相磁極為S極V’為N極，轉子沿順時針方向轉過1/4齒距，V相磁極與N段轉子齒軸線重合，與S段轉子齒錯開1/2齒距。在V相斷電U相繞組反向通電，建立以UU’為軸線的磁場。此時U相磁極為N極U’為S極，轉子沿順時針方向再次轉過1/4齒距，

到達U相磁極與S段轉子齒軸線重合，并與N段轉子齒錯開1/2齒距。2025/2/112.4混合式步進電動機工作原理

兩相單四拍通電兩相單四拍運行是在U、V兩相繞組內按UVU-V-U順序通入正、反方向電流。在U相斷電V相繞組反向通電，建立以VV’為軸線的磁場。此時V相磁極為N極V’為S極，轉子繼續(xù)沿順時針方向轉過1/4齒距，

到達V相磁極與S段轉子齒軸線重合，并與N段轉子齒錯開1/2齒距。

連續(xù)不斷地按UVU-V-U的順序分別給各相繞組通電，每改變一次通電狀態(tài)，轉子就沿順時針方向轉過1/4齒距，且循環(huán)通電一次轉子轉過1個齒距。若改變通電順序，以UV-U-VU的順序給各相繞組通電，就可改變轉向，使步進電動機沿逆時針方向旋轉。2025/2/112.4混合式步進電動機工作原理

兩相雙四拍通電兩相雙四拍按UVU-VU-V-UV-UV順序給U、V兩相繞組同時正向通電U、V兩相繞組同時正向通電，建立以UV兩相磁極幾何中線為軸線的磁場。此時U、V兩磁極都為S極。U、V兩磁極和U’V’兩磁極與N段轉子齒軸線分別錯開1/8齒距和3/8齒距，與S段分別錯開3/8齒距和1/8齒距。U-V、U-V-、UV-

通電分析類似。

兩相雙四拍運行按UVU-VU-V-UV-UV順序通電，電動機沿順時針方向轉動，且每改變一次通電狀態(tài)，電動機轉過1個步距角（即1/4齒距角）。

若按UVUV-U-V-U-VUV順序通電，按逆時針方向轉動。

與單四拍運行方式相比，雙四拍運行方式因兩相繞組同時通電，所以產生的電磁轉矩較大，帶負載能力更強。2025/2/112.5步進電動機基本特點

1.每相脈沖信號頻率步進電動機工作時，每相控制繞組不是恒定通電，而是通過環(huán)形分配器按一定規(guī)律控制驅動電路導通和關斷，給各相繞組輪流通電。

按三相雙三拍運行的環(huán)形分配器有1路輸入，輸出有U、V、W三路，起始時U、V有電壓，則輸入1個控制脈沖信號后，就變?yōu)閂、W有電壓，再輸入1個控制脈沖信號，則變?yōu)閃、U有電壓，再輸入1個控制脈沖信號，又變?yōu)閁、V有電壓。

環(huán)形分配器輸出的各路控制脈沖信號，經各自的放大器放大后送入步進電動機各相繞組，使步進電動機一步步地轉動起來。2025/2/112.5步進電動機基本特點

1.每相脈沖信號頻率

步進電動機每循環(huán)1次所包含的通電狀態(tài)數稱為狀態(tài)數或拍數。

狀態(tài)數等于相數稱為單拍制分配方式（三相單三拍），等于相數的兩倍稱為雙拍制分配方式（三相六拍）。

同一臺電動機可有多種分配方式，但不管哪種分配方式，每循環(huán)1次，控制電脈沖的個數總等于拍數N，而加在每相繞組上的脈沖電壓或電流個數為1，因而控制脈沖信號頻率f

是每相脈沖電壓或電流頻率fp

的N倍，即2025/2/112.5步進電動機基本特點

2.齒距角和步距角

步進電動機每輸入1個電脈沖信號，轉子轉過的角度稱為步距角θb。

轉子相鄰兩齒間的夾角稱為齒距角θt。

ZR為轉子的齒數。

減小步距角：①增加拍數，即增加相數和采用雙拍制。但是相數越多，電源即電機結構越復雜。②增加轉子齒數。

N為轉子轉過1個齒距所需要的拍數，N=Km；m為電動機的相數；K為通電系數，相數=拍數，K=1，否則K=2。2025/2/112.5步進電動機基本特點

3.齒距角誤差不會長期累積

由于定、轉子的齒距分度或氣隙不均勻，實際步距角和理論步距角之間存在偏差，即步距角誤差。

當轉子轉過一定步數，步距角會產生累積誤差，但是每轉1周都有固定的步數，當轉子轉過1周后又恢復到原來位置，累積誤差將變?yōu)榱恪?/p>

步進電動機的步距角只有周期性誤差，而無累積誤差。2025/2/112.5步進電動機基本特點

4.轉速

每輸入1個脈沖信號，轉子轉過的角度是整個圓周角的1/(ZRN)即轉過1/(ZRN)圈，因此每分鐘轉子所轉過的圓周數，即轉速為

轉速取決于脈沖頻率、轉子齒數和拍數，而與電壓、負載和溫度等因素無關。

改變通電順序，即改變定子磁場旋轉的方向，就可控制電動機正轉或反轉。

f為控制脈沖的頻率。

脈沖頻率f一定時，步距角越小，電動機轉速越低，輸出功率越小。2025/2/112.5步進電動機基本特點5.自鎖能力

當控制脈沖停止輸入，而讓最后一個脈沖控制的繞組繼續(xù)通電時，電動機可以保持在固定位置上，即停在最后一個脈沖控制的角位移的終點位置上。這樣步進電動機可以實現停車時轉子的準確定位。

一臺三相反應式步進電動機采用三相六拍運行方式，轉子齒數ZR為40，脈沖頻率f為800Hz。試求解以下問題：

寫出一個循環(huán)的通電順序。

求步進電動機的步距角。

求步進電動機的轉速。

求步進電動機每秒轉過的角度。2025/2/112.5步進電動機基本特點

寫出一個循環(huán)的通電順序。因為采用了三相六拍運行方式，所以通電順序為U

UV

V

VW

W

WU

U

或U

UW

W

WV

V

VU

U

求步進電動機的步距角。三相六拍運行步進電動機步距角為

求步進電動機的轉速。

或

求步進電動機每秒轉過的角度?；?025/2/112.6反應式步進電動機運動特性

2.6.1靜態(tài)特性當步進電動機各相繞組按一定順序通入控制脈沖時，轉子就一步步地轉動。當控制脈沖停止時，若某相繞組仍通入幅值不變的直流電，轉子將固定在某一位置保持不動，稱為靜止狀態(tài)。靜止狀態(tài)下即使有小的擾動，轉子偏離此位置，也會在磁力的作用下恢復原位。

初始穩(wěn)定平衡位置空載情況下，控制繞組中通以直流電時轉子的最后穩(wěn)定平衡位置，即定子、轉子齒軸線重合的位置。此處電磁轉矩（即靜轉矩）為零。

單相通電2025/2/112.6反應式步進電動機運動特性

步進電動機轉子偏離初始穩(wěn)定平衡位置的電角度。

不改變通電狀態(tài)，控制繞組電流不變時，步進電動機靜轉矩隨轉子失調角的變化規(guī)律，即。2.失調角3.矩角特性

為時產生的電磁轉矩2025/2/112.6反應式步進電動機運動特性

2.6.2動態(tài)特性

連續(xù)運行狀態(tài)

當控制脈沖頻率達到一定數值之后，頻率再升高，步進電機因受到定子繞組電感影響，負載能力下降。

控制脈沖頻率升高，步進電機鐵心中渦流迅速增加，熱損耗和阻轉矩使輸出功率和動態(tài)轉矩下降。

動態(tài)轉矩

運行矩頻特性

在一定控制脈沖頻率范圍內，隨頻率升高，功率和轉速都相應提高，超出該范圍，隨頻率升高轉矩下降，帶載能力也逐漸下降，到某一頻率后，就帶不動任何負載，而且只要受到一個很小的擾動，就會振蕩、失步以致停轉。2025/2/112.6反應式步進電動機運動特性

控制電源脈沖頻率連續(xù)提高時，在一定負載下，步進電機能正常連續(xù)運行（不丟步、不失步）所能加到的最高頻率稱為最高連續(xù)運行頻率或最高跟蹤頻率。

最高連續(xù)運行頻率與負載有關，分空載運行頻率和額定負載運行頻率，且空載大于額定。

最高連續(xù)運行頻率

高頻振蕩

反應式步進電動機在脈沖電壓的頻率相當高的情況下，有時會出現明顯的振蕩現象。因為此時控制繞組內電流產生振蕩，相應地使轉子轉動不均勻，以致失步。但脈沖頻率若快速越過這一頻段，電動機仍能繼續(xù)穩(wěn)定運行，這一現象稱為高頻振蕩。2.6.2動態(tài)特性

連續(xù)運行狀態(tài)2025/2/112.6反應式步進電動機運動特性

在給定驅動電源的條件下，負載轉動慣量一定時，啟動頻率與負載轉矩的關系。

當電動機帶負載轉矩啟動時，負載轉矩越大，作用在電機轉子上的加速轉矩（電磁轉矩-負載轉矩）就越小，電動機就越不易啟動，當有較低的脈沖頻率時電動機才可能啟動。

啟動頻率隨負載轉矩增大呈下降趨勢。

啟動矩頻特性2.6.2動態(tài)特性

啟動狀態(tài)2025/2/112.6反應式步進電動機運動特性

在給定驅動電源的條件下，負載轉矩不變，啟動頻率與負載轉動慣量的關系。

隨轉動慣量的增大，在一定的脈沖周期內轉子加速過程將變慢，難于趨向平衡。要電機啟動，也需要較長脈沖周期使電機加速，即要求降低脈沖頻率。

啟動頻率隨轉動慣量增大呈下降趨勢。

啟動慣頻特性2.6.2動態(tài)特性

啟動狀態(tài)2025/2/112.6反應式步進電動機運動特性

電機正常啟動時（不丟步、不失步）所能施加的最高控制頻率。是衡量步進電機快速性能的重要指標。

啟動頻率比連續(xù)運行頻率低。

增大電機動態(tài)轉矩；減小轉動部分轉動慣量；增加拍數，減小步距角，均可實現步進電機啟動頻率的提高。

啟動頻率2.6.2動態(tài)特性

啟動狀態(tài)2025/2/112.7步進電動機驅動控制

2.7.1驅動控制器步進電機驅動控制

步進電動機驅動器通過外加控制脈沖，按環(huán)形分配器分配方式，控制各相繞組導通或截止，從而產生步進運動。

步進電機工作性能除取決于自身性能因素外，還取決于驅動器性能優(yōu)劣。

步進電機與驅動器構成一個整體，統(tǒng)稱為步進電機系統(tǒng)，其運行性能是電動機本體和驅動器兩者配合所反映出來的綜合效果。

控制器組成

控制器由脈沖發(fā)生器、脈沖分配器和功率放大器組成。2025/2/112.7步進電動機驅動控制

驅動控制器的相數、電壓、電流和通電方式都要滿足步進電動機的要求。

驅動控制器的頻率要滿足步進電動機起動頻率和連續(xù)運行頻率的要求。

能最大限度地抑制步進電動機的振蕩，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

工作可靠，抗干擾能力強。

成本低，效率高，安裝和維護方便。

對驅動控制器的要求2.7.1驅動控制器2025/2/112.7步進電動機驅動控制2.7.2功率驅動電路步進電動機的驅動電路實際上是一種脈沖功率放大電路，使脈沖具有一定功率驅動能力。由于功率放大器的輸出直接驅動電動機繞組，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。單電壓限流型驅動電路高低壓切換型驅動電路PWM（脈寬調制）型驅動電路細分驅動電路2025/2/112.7步進電動機驅動控制2.7.2功率驅動電路

單電壓限流型驅動電路

L是電動機繞組，VT是無觸點電子開關，C加速電容，VD在晶體管VT截止時起續(xù)流和保護作用，防止晶體管截止瞬間繞組產生的反電勢使晶體管擊穿。

缺點：R上有功率消耗。

只用于動態(tài)性能要求不高的小功率步進電動機驅動。2025/2/112.7步進電動機驅動控制2.7.2功率驅動電路

高低壓切換型驅動電路

高壓供電，用于快速提升電流，低壓供電，用于維持穩(wěn)態(tài)電流。

Ub1低壓脈沖，Ub2高壓脈沖。

t1-t2，高壓加到電機繞組上，使電流迅速上升，t2時刻，低壓維持。

優(yōu)點：功率損耗小，動態(tài)響應好。2025/2/112.7步進電動機驅動控制2.7.2功率驅動電路

PWM（脈寬調制）型驅動電路

步進信號為高電平，VT2導通，比較器輸出高電平，恒頻斬波脈寬調制信號V1控制D觸發(fā)器輸出高電平，VT1導通。比較器輸出低電平，D觸發(fā)器被復位，輸出低電平，VT1關斷。

恒頻脈寬調制功率放大電路實際上是一個電流負反饋控制電路。

恒頻脈寬調制功率放大電路具有很好的高頻特性，穩(wěn)定的電流輸出，有效地減少了電機噪聲，同時還降低了功耗。2025/2/112.7步進電動機驅動控制2.7.2功率驅動電路

細分驅動電路

細分驅動控制又稱為微步距控制，把步進電動機的步距角減小，電機轉動近似勻速運動，在任何位置準確停步。

實現階梯波電流的方法：①順序脈沖發(fā)生器形成等幅等寬脈沖，用脈沖放大器進行放大，繞組疊加。適用于中、大功率步進電動機驅動。

順序脈沖發(fā)生器形成等幅等寬脈沖，用加法器合成后經過功率放大器進行放大。適用于微、小型步進電動機驅動。