第十一章 步進電動機控制系統(tǒng)

1、第十一章 步進電動機控制系統(tǒng)機電傳動控制Page 2第十一章 步進電動機控制系統(tǒng)本章主要內(nèi)容了解步進電動機環(huán)形分配器的基本原理及其硬、軟件的實現(xiàn)方法；了解兩種不同類型步進電動機的驅(qū)動電路及其優(yōu)缺點。Page 3 步進電機的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。所以，與其它旋轉(zhuǎn)電機不同的是步進電機的工作需要專門的驅(qū)動。步進電機的驅(qū)動包含脈沖分配（環(huán)行分配）和功率放大兩部分。如圖所示。步進電機與驅(qū)動部分是一個不可分開的有機整體，步進電機系統(tǒng)的性能除了與電機本身的性能有關外，在很大程度上取決于所使用的功率驅(qū)動電路的類型與優(yōu)劣。步進電動機的驅(qū)動11.1 步進電動機的環(huán)形分配器Page

2、 4步進電動機的驅(qū)動系統(tǒng)框圖11.1 步進電動機的環(huán)形分配器Page 5 步進電機按三相單三拍方式運行，則脈沖分配器輸出的A、B、C如圖所示。當方向電平為低時，脈沖分配器的輸出按A-B-C的順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。當方向電平為高時，脈沖分配器的輸出按A-C-B的順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。fABCABCf環(huán)形分配器功能11.1 步進電動機的環(huán)形分配器Page 6 步進電動機的脈沖分配器可由硬件或軟件方法來實現(xiàn)。n 硬件環(huán)形分配器有較好的響應速度，且具有直觀、維護方便等優(yōu)點。n 軟件環(huán)分則往往受到微型計算機運算速度的限制，有時難以滿足高速實時控制的要求。環(huán)形分配器實現(xiàn)方法11.1 步進電動機的環(huán)形分配器Page

3、 7硬件環(huán)形分配器 硬件環(huán)形分配器需根據(jù)步進電動機的相數(shù)和步進電機繞組的通電方式設計,圖所示是一個三相六拍的環(huán)形分配器。分配器的主體是三個J-K觸發(fā)器。三個J-K觸發(fā)器的Q輸出端分別經(jīng)各自的功放電路與步進電動機A、B、C三相繞組連接。電機正轉(zhuǎn)時，要使A、B、C按AABBBCCCA順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖信號輸出。電機反轉(zhuǎn)時，則應以AACCCBBBA的順序循環(huán)。電路中，決定正、反轉(zhuǎn)的信號為W+、W-。 當使W+=1、W-=0時對應正轉(zhuǎn)； W+=0、W-=1時對應反轉(zhuǎn)。 硬件環(huán)形分配器11.1 步進電動機的環(huán)形分配器Page 8 根據(jù)數(shù)字電子技術基礎分析電路的工作原根據(jù)數(shù)字電子技術基礎分析電路的工作原理可

4、知，當復位端來一個脈沖信號時，理可知，當復位端來一個脈沖信號時，三個三個J-K觸發(fā)器被置初值，即觸發(fā)器被置初值，即 QA、QB、QC依次置為依次置為1、0、0。 每一個每一個CP脈沖的脈沖的下降沿將下降沿將J-K觸發(fā)器觸發(fā)器J端的狀態(tài)鎖存到端的狀態(tài)鎖存到Q端，可得出正轉(zhuǎn)（端，可得出正轉(zhuǎn)（W+=1、W-=0）時環(huán)時環(huán)形 分 配 器 的 邏 輯 狀 態(tài) 真 值 表 。形 分 配 器 的 邏 輯 狀 態(tài) 真 值 表 。 硬件環(huán)形分配器11.1 步進電動機的環(huán)形分配器Page 9硬件環(huán)形分配器真值表11.1 步進電動機的環(huán)形分配器Page 10 軟件環(huán)分的方法是利用計算機程序來設定硬件接口的位狀態(tài)，從

5、而產(chǎn)生一定的脈沖分配輸出。對于不同的計算機和接口器件，軟件環(huán)分有不同的形式?，F(xiàn)以MCS-51系列單片機8031為例加以說明。 8031單片機本身包含4個8位I/O端口，分別為P0、P1、P2、P3。若要實現(xiàn)三相六拍方式的脈沖分配，需要三根輸出口線，本例中選P1口的P1.0、P1.1、P1.2位作為脈沖分配的輸出。 8031P1.0P1.1P1.2ABC驅(qū)驅(qū)動動器器軟件環(huán)形分配器11.1 步進電動機的環(huán)形分配器Page 11硬件環(huán)形分配器分配表11.1 步進電動機的環(huán)形分配器Page 12P1輸送的內(nèi)容依次為：01H、03H、02H、06H、04H、05H。 編寫程序時，將這些值按順序存放在固定

6、的只讀存儲器中，設計一個正轉(zhuǎn)子程序和一個反轉(zhuǎn)子程序供主程序調(diào)用。正轉(zhuǎn)子程序按順序取表中的內(nèi)容輸出到P1端口，而反轉(zhuǎn)子程序按逆序取表中的內(nèi)容輸出到P1端口。主程序每調(diào)用一次子程序，就完成一次P1端口的輸出。主程序調(diào)用子程序的時間間隔（可用軟件延時或中斷的方法實現(xiàn)）決定了輸出脈沖的頻率，從而決定步進電機轉(zhuǎn)速。下面是正轉(zhuǎn)子程序清單，反轉(zhuǎn)子程序與此相類似。軟件環(huán)形分配器程序設計11.1 步進電動機的環(huán)形分配器Page 13CW： CJNE R0，#6，CW1；R0指示數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)輸出的 相對指針MOV R0，#0； 若指針已指到表尾，則將指針重指表頭CW1：MOV A，R0MOV DPTR，#TABL

7、E；指針DPTR指向表頭MOVC A，A+DPTR；從表中取值送到A中MOV P1，A；A的內(nèi)容送到輸出端口P1INC R0；為取下一個數(shù)做準備RETTABLE：DB 01H，03H，02H，06H，04H，05H軟件環(huán)形分配器程序設計11.1 步進電動機的環(huán)形分配器Page 14 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，使脈沖具有一定的功率驅(qū)動能力。由于功率放大器的輸出直接驅(qū)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。對驅(qū)動電路要求的核心問題則是如何提高步進電動機的快速性和平穩(wěn)性（這樣快速的建立需要的電流）。常見的步進電動機驅(qū)動電路主要有以下幾種。11.2

8、 步進電動機的驅(qū)動電路Page 151單電壓驅(qū)動電路 圖所示是步進電動機一相的驅(qū)動電路，L L是電動機繞組，晶體管VTVT可以認為是一個無觸點開關，它的理想工作狀態(tài)應使電流流過繞組L L的波形盡可能接近矩形波。但由于電感線圈中電流不能突變，在接通電源后繞組中的電流按指數(shù)規(guī)律上升。時間常數(shù): R C RD V L +U VT )1 (LterRUirRL11.2 步進電動機的驅(qū)動電路Page 162. 高低壓切換型驅(qū)動電路 高低壓切換型驅(qū)動電路的最后一級如圖所示。這種電路中，采用高壓和低壓兩種電壓供電，一般高壓為低壓的數(shù)倍。 R V1 L +80V Ub1 VT1 Ub2 VT2 V2 +12V

9、 Ub1 0 t Ub2 0 t I 0 t t1 t2 t3 11.2 步進電動機的驅(qū)動電路Page 173. 斬波恒流型驅(qū)動電路 11.2 步進電動機的驅(qū)動電路Page 18輸出轉(zhuǎn)矩大、效率高。輸出轉(zhuǎn)矩大、效率高。斬波恒流型驅(qū)動的波形 11.2 步進電動機的驅(qū)動電路Page 19切換時，繞組電流并非全部切除或通入，只改變額定值的一部分（如1/4)，轉(zhuǎn)子也只轉(zhuǎn)動步距角的一部分（如1/4)。細分驅(qū)動 11.3 步進電動機的控制與應用Page 20細分時合成磁勢的旋轉(zhuǎn)情況11.3 步進電動機的控制與應用Page 21兩相混合步進電動機（兩相混合步進電動機（5050齒）齒）五相混合步進電動機（五相

10、混合步進電動機（5050齒）齒）三相混合步進電動機（三相混合步進電動機（5050齒）齒）電流型細分驅(qū)動器電流型細分驅(qū)動器11.3 步進電動機的控制與應用主流步進電動機和控制系統(tǒng)Page 22a a、振蕩、振蕩步進電動機的振蕩現(xiàn)象主要發(fā)生在：步進電動機的振蕩現(xiàn)象主要發(fā)生在：步進電動機工作在低頻區(qū)步進電動機工作在低頻區(qū)步進電動機工作在共振區(qū)步進電動機工作在共振區(qū)步進電動機突然停車時步進電動機突然停車時步進電動機的振蕩和失步11.3 步進電動機的控制與應用Page 23b b、失步失步步進電動機的失步原因主要有兩種：步進電動機的失步原因主要有兩種：轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速慢于旋轉(zhuǎn)磁場的速度轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速慢于旋轉(zhuǎn)磁場的

11、速度轉(zhuǎn)子的平均速度大于旋轉(zhuǎn)磁場的速度轉(zhuǎn)子的平均速度大于旋轉(zhuǎn)磁場的速度步進電動機的振蕩和失步11.3 步進電動機的控制與應用Page 24a.a.靜態(tài)特性靜態(tài)特性矩角特性矩角特性步進電動機的特性 11.3 步進電動機的控制與應用Page 25b.b.動態(tài)特性動態(tài)特性起動矩頻特性： 有外加負載時，不失步正常起動所需的脈沖頻率與負載轉(zhuǎn)矩的對應關系運行矩頻特性： 運行時輸出轉(zhuǎn)矩與輸入脈沖頻率的關系。11.3 步進電動機的控制與應用Page 26a a、最大靜轉(zhuǎn)矩、最大靜轉(zhuǎn)矩某相始終通電而處于靜止不動狀態(tài)時所能承受的某相始終通電而處于靜止不動狀態(tài)時所能承受的最大外加轉(zhuǎn)矩（最大外加轉(zhuǎn)矩（即所能輸出的最大電磁轉(zhuǎn)矩即所能輸出的最大電磁轉(zhuǎn)矩）b b、空載起動頻率、空載起動頻率空載狀態(tài)下轉(zhuǎn)子從靜止狀態(tài)能夠空載狀態(tài)下轉(zhuǎn)子從靜止