步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理PPT通用課件

1、 第3講步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主講老師:劉遙生機(jī)電傳動(dòng)控制技術(shù)系列講座內(nèi)容:第一講：機(jī)電傳動(dòng)概述及控制系統(tǒng)中常用檢測(cè)元件 主要內(nèi)容：講述機(jī)電傳動(dòng)的目的和任務(wù)及發(fā)展概況，介紹機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的元器件（如速度傳感器、線位移傳感器、角位移傳感器等）。 第二講：機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng) 主要內(nèi)容：講述機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和分類，重點(diǎn)介紹機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)速方法。第三講：步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 主要內(nèi)容：講述步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理和控制系統(tǒng);重點(diǎn)介紹步進(jìn)電機(jī)的控制與應(yīng)用等方面的知識(shí)。 第三講 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 目的：1、了解步進(jìn)電機(jī)的一般結(jié)構(gòu)與工作原理 2、掌握步進(jìn)電機(jī)基本特性及應(yīng)用 3、學(xué)會(huì)步進(jìn)電機(jī)控制方法 內(nèi)容：

2、 一、步進(jìn)電機(jī)的分類 二、步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 三、步進(jìn)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo) 四、步進(jìn)電機(jī)的控制第一節(jié) 步進(jìn)電機(jī)分類 1、何謂步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)，是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件。其功用是將脈沖電信號(hào)變換為相應(yīng)的角度位移或直線位移，即給一個(gè)脈沖電信號(hào)，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步。 轉(zhuǎn)角控制電脈沖tt圖1 步進(jìn)電機(jī)的功用驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電機(jī)控制電脈沖第一節(jié) 步進(jìn)電機(jī)分類 2、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品外形步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器第一節(jié) 步進(jìn)電機(jī)分類 2、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品外形第一節(jié) 步進(jìn)電機(jī)分類 3、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分類步進(jìn)電機(jī)在構(gòu)造上有三種主要類型：1、反應(yīng)式（Variable Reluctance，VR）2、永磁式

3、（Permanent Magnet,PM）3、混合式（Hybrid Stepping,HS）。反應(yīng)式永磁式混合式反應(yīng)式結(jié)構(gòu)第一節(jié) 步進(jìn)電機(jī)分類 3、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分類反應(yīng)式：定子上有繞組、轉(zhuǎn)子由軟磁材料組成。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、步距角小，可達(dá)1.2、但動(dòng)態(tài)性能差、效率低、發(fā)熱大，可靠性難保證。永磁式：永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子用永磁材料制成，轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同。其特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性能好、輸出力矩大，但這種電機(jī)精度差，步矩角大（一般為7.5或15）。混合式：混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式的優(yōu)點(diǎn)，其定子上有多相繞組、轉(zhuǎn)子上采用永磁材料，轉(zhuǎn)子和定子上均有多個(gè)小齒以提高步矩精度。其特點(diǎn)是輸出力矩大、動(dòng)態(tài)性能

4、好，步距角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本相對(duì)較高。反應(yīng)式永磁式混合式 20世紀(jì)60年代后期，在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)本體方面隨著永磁材料的發(fā)展，各種實(shí)用性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也應(yīng)運(yùn)而生，而半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展則推進(jìn)了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用。 在近30年間，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)迅速地發(fā)展并成熟起來(lái)。從發(fā)展趨向來(lái)講，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)能與直流電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)、以及同步電動(dòng)機(jī)并列，從而成為電動(dòng)機(jī)的一種基本類型。 我國(guó)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的研究及制造起始于本世紀(jì)50年代后期，從50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研機(jī)構(gòu)為研究一些裝置而使用或開(kāi)發(fā)少量產(chǎn)品，這些產(chǎn)品以多段結(jié)構(gòu)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為主。 70年代初期，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)和研究有所突破，

5、除反映在驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方面的長(zhǎng)足進(jìn)步外，對(duì)反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)本體的設(shè)計(jì)研究發(fā)展到一個(gè)較高水平。 70年代中期至80年代中期為成品發(fā)展階段，新品種高性能電動(dòng)機(jī)不斷被開(kāi)發(fā)。自80年代中期以來(lái)，由于對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)精確模型做了大量研究工作，各種混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器作為產(chǎn)品廣泛利用 4、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展第一節(jié) 步進(jìn)電機(jī)分類 步進(jìn)電機(jī)主要用于一些有定位要求的場(chǎng)合。 例如：線切割的工作臺(tái)拖動(dòng)，植毛機(jī)工作臺(tái)（毛孔定位），包裝機(jī)（定長(zhǎng)度）。打印機(jī)，汽車油門控制系統(tǒng)，掃描儀等。 基本上涉及到定位的場(chǎng)合都用得到。 5、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域第一節(jié) 步進(jìn)電機(jī)分類第二節(jié) 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理1、步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)第二節(jié) 步進(jìn)電

6、機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理1、步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)由定子和轉(zhuǎn)子二大部分組成定子轉(zhuǎn)子第二節(jié) 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理1、步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)定子第二節(jié) 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理1、步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)定子第二節(jié) 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理2、步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子第二節(jié) 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理2、步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子(1)定子由硅鋼片疊成，裝上一定相數(shù)的控制繞組，由環(huán)行分配器送來(lái)的電脈沖對(duì)多相定子繞組輪流進(jìn)行勵(lì)磁；-第二節(jié) 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理3、步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理 由用硅鋼片疊成或用軟磁性材料做成凸極結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)動(dòng)1 個(gè)齒，轉(zhuǎn)角發(fā)生了90度變化。 (2)轉(zhuǎn)子-第二節(jié) 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理3、步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理定子上有六個(gè)均布的磁極，每

7、個(gè)磁極上又有5個(gè)小齒，齒距相等，齒間夾角為9 度轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組，只有均布的40個(gè)小齒，定子磁極的齒與轉(zhuǎn)子上的齒依次錯(cuò)開(kāi)1/3齒距。第二節(jié) 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理4、步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理反應(yīng)式第二節(jié) 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理5、步進(jìn)電機(jī)的工作原理反應(yīng)式依此輪流通電，轉(zhuǎn)子就沿著ABC的方向旋轉(zhuǎn)。從一相通電換接到另一相通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，稱為一拍 在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)換接三次，稱為三相單三拍運(yùn)行 動(dòng)畫如果通電方式按ABBCCA的順序，每次接通兩相繞組，稱為三相雙三拍運(yùn)行。步距角也是30度 動(dòng)畫當(dāng)按AABBBCCCAA順序通電，則一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)換接六次，稱為三相六拍運(yùn)行，此時(shí)步距角為15度 C:/User

8、s/lenovo/Desktop/%E6%AD%A5%E8%BF%9B%E7%94%B5%E6%9C%BA/%E4%B8%89%E7%9B%B8%E5%85%AD%E6%8B%8D.exeA相繞組通電B相繞組通電C相繞組通電第二節(jié) 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理5、步進(jìn)電機(jī)的工作原理反應(yīng)式第二節(jié) 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理5、步進(jìn)電機(jī)的工作原理反應(yīng)式轉(zhuǎn)子齒數(shù)z=40，相數(shù)m=3，t為齒距，其對(duì)應(yīng)空間角度為36040=9度，則定子相鄰磁極間的轉(zhuǎn)子齒數(shù)為 6.2/3第二節(jié) 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理5、步進(jìn)電機(jī)的工作原理反應(yīng)式由此可見(jiàn)，m相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角與定子繞組的相數(shù)m、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)Z和通電方式k（拍數(shù)/m相

9、數(shù)）有關(guān)，即轉(zhuǎn)速為第二節(jié) 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理5、步進(jìn)電機(jī)的工作原理反應(yīng)式1、 步距角 -從一相通電換接到另一相通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，一般范圍在0.5030 。2、起動(dòng)頻率：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能夠不失步起動(dòng)的最高頻率。起動(dòng)頻率是隨著負(fù)載大小而變化的，負(fù)載大，起動(dòng)頻率低。TL0啟動(dòng)矩頻特性fqfq0J啟動(dòng)慣頻特性第三節(jié) 步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)指標(biāo) 3、連續(xù)運(yùn)行頻率： 步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)，如輸入脈沖頻率逐漸升高仍能保證不丟步運(yùn)行的極限頻率，稱為連續(xù)運(yùn)行頻率。有時(shí)稱為最高連續(xù)頻率或最高工作頻率，記作fmax連續(xù)運(yùn)行頻遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率fq ，這是出于啟動(dòng)時(shí)有較大的慣性扭矩并需要一定加速時(shí)間緣故第三節(jié) 步進(jìn)電機(jī)主

10、要技術(shù)指標(biāo)Tjmax-+0Te穩(wěn)定平衡點(diǎn)轉(zhuǎn)角特性圖4、最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mmax-是指在某相始終通電，轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)，所能承受的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩。反映了制動(dòng)能力和低速步進(jìn)運(yùn)行時(shí)的負(fù)載能力。 這項(xiàng)指標(biāo)反映了步進(jìn)電機(jī)的帶負(fù)載能力和工作的快速響應(yīng)特性。Mmax值愈大，電機(jī)帶負(fù)載能力愈強(qiáng)，快速性愈好第三節(jié) 步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)5、矩頻特性：動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩與脈沖頻率的關(guān)系稱為矩頻持性，步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩即電磁力矩隨頻率升高而急劇下降Mq0f矩頻特性第三節(jié) 步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)0Tqf為什么頻率增高以后步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載能力要下降呢？電流放大器電源步進(jìn)電機(jī)一相繞組驅(qū)動(dòng)信號(hào)R1R2第三節(jié) 步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)為什么頻率增高以后步進(jìn)

11、電機(jī)的帶負(fù)載能力要下降呢？電流放大器電源步進(jìn)電機(jī)一相繞組驅(qū)動(dòng)信號(hào)R1R2 因?yàn)轭l率越高，通過(guò)線圈繞組的平均電流越小，電磁力矩就越小。所以，帶負(fù)載能力就要下降。第三節(jié) 步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)1、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)方框圖驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行指令變頻信號(hào)脈沖分配功率放大步進(jìn)電機(jī)控制器執(zhí)行元件步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)由控制器、驅(qū)動(dòng)器和執(zhí)行元件等三大部分組成。第四節(jié) 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)2、控制器運(yùn)行指令變頻信號(hào)控制器變頻脈沖發(fā)生系統(tǒng)指令系統(tǒng)控制器功能： 由指令系統(tǒng)發(fā)出的速度和方向指令，控制脈沖發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)頻率的脈沖信號(hào)和高、低電平的方向信號(hào)。控制器組成：第四節(jié) 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)3、控制的器作用運(yùn)行指令變頻信號(hào)控制器方向信號(hào)

12、正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡信號(hào)速度信號(hào)tET1tET1速度信號(hào)運(yùn)動(dòng)軌跡信號(hào)xvxv第四節(jié) 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)1、控制器的作用運(yùn)行指令變頻信號(hào)控制器方向信號(hào)運(yùn)動(dòng)軌跡信號(hào)速度信號(hào)實(shí)現(xiàn)的方法：（1）PC機(jī)（2）PLC（3）電子電路第四節(jié) 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 步數(shù)控制 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在用于軟盤驅(qū)動(dòng)、打印機(jī)和數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，都需要精確定位，所以在編寫程序時(shí)，需先給定應(yīng)走的步數(shù)。 例如，某數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，步距角=1.5度。脈沖當(dāng)量p=0.005mm，要求走刀距離為L(zhǎng)=20cm。求需要多少個(gè)脈沖？步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)多少圈？答：需要L/=4104個(gè)脈沖，即要走4104步(166.7圈)才能走完這段距離。 速度的控

13、制 通過(guò)控制脈沖分配頻率可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制。速度控制也有硬、軟件兩種方法。 硬件方法是在硬件脈沖分配器的脈沖輸入端(CP)接一個(gè)可變頻率脈沖發(fā)生器，改變其振蕩頻率，即可改變步進(jìn)電動(dòng)機(jī)速度。 (1)步數(shù)和速度控制第四節(jié) 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)(2) 速度軌跡的控制 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)允許的起動(dòng)頻率一般較低(100步秒250步秒)。當(dāng)要求高速運(yùn)行時(shí)，必須從低頻起動(dòng)，然后逐漸加速； 第四節(jié) 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)(3)速度信號(hào)的頻率與步進(jìn)電機(jī)帶負(fù)載能力的分析電流放大器電源步進(jìn)電機(jī)一相繞組驅(qū)動(dòng)信號(hào)R1R2第四節(jié) 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 2、驅(qū)動(dòng)器第四節(jié) 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)環(huán)形分配器第一相放大器器第二相放大器器步進(jìn)電機(jī)輸入

14、脈沖負(fù)載第三相放大器脈沖分配器功率放大器(驅(qū)動(dòng)) 2、驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器由:第四節(jié) 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)（1）脈沖分配器通電相QCQBQA正轉(zhuǎn)X(1)反轉(zhuǎn)X(0)A001AB011B010BC110C100CA101環(huán)形分配器第一相放大器器第二相放大器器步進(jìn)電機(jī)輸入脈沖負(fù)載第三相放大器第四節(jié) 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)環(huán)形分配器第一相放大器器第二相放大器器步進(jìn)電機(jī)輸入脈沖負(fù)載第三相放大器（1）脈沖分配器第四節(jié) 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)環(huán)形分配器第一相放大器器第二相放大器器步進(jìn)電機(jī)輸入脈沖負(fù)載第三相放大器電流放大器電源步進(jìn)電機(jī)一相繞組驅(qū)動(dòng)信號(hào)R1R2（2）功率放大器第四節(jié) 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)R12R12+U1高壓+U2低壓步進(jìn)電機(jī)繞組控制信號(hào)U1U2U高低電壓切換電源低壓控制回路高壓控制回路（2）功率放大器第四節(jié) 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)4、步進(jìn)電機(jī)使用步進(jìn)電機(jī)第四節(jié) 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)4、步進(jìn)電機(jī)使用步進(jìn)電機(jī)第四節(jié) 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)4、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使用第四節(jié) 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)STEP/REV16003200640012800D4ONOFFONOFFD3ONONOFFOFF輸出電流設(shè)定第四節(jié) 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)（1）、運(yùn)動(dòng)控制卡開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)組成運(yùn)動(dòng)控制卡計(jì)算機(jī)并口線I/O板開(kāi)關(guān)電源第四節(jié) 步進(jìn)電機(jī)控