第4章步進(jìn)電機(jī)的控制3

第四章

順序控制和數(shù)值控制之三楊根科上海交通大學(xué)自動(dòng)化系2010年3月內(nèi)容提要概述順序控制器開環(huán)數(shù)值控制器步進(jìn)電機(jī)的控制小結(jié)步進(jìn)電機(jī)的控制步進(jìn)電機(jī)：利用電磁鐵的作用原理將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為線位移或角位移的機(jī)電式數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換器

◆輸入：脈沖

◆

輸出：位移

◆

脈沖數(shù)：決定位移量

◆

脈沖頻率：決定位移的速度

步進(jìn)電機(jī)的控制步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)變換成角位移或直線位移的執(zhí)行部件。步進(jìn)電機(jī)可以直接用數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)，使用非常方便。

一般電動(dòng)機(jī)都是連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)則有定位和運(yùn)轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)，當(dāng)有脈沖輸入時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)，每給它一個(gè)脈沖信號(hào)，它就轉(zhuǎn)過一定的角度。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移量和輸入脈沖的個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比，在時(shí)間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)繞組通電的相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)方向。在沒有脈沖輸入時(shí)，在繞組電源的激勵(lì)下氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)。因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)的控制步進(jìn)電機(jī)還具有快速啟動(dòng)、精確步進(jìn)和定位等特點(diǎn)，因而在數(shù)控機(jī)床，繪圖儀，打印機(jī)以及光學(xué)儀器中得到廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已成為除直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)以外的第三類電動(dòng)機(jī)。傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，在人類的生產(chǎn)和生活進(jìn)入電氣化過程中起著關(guān)鍵的作用。

步進(jìn)電機(jī)的控制（2）步進(jìn)電機(jī)的工作原理定子：3對(duì)磁極，6個(gè)齒轉(zhuǎn)子：4個(gè)齒步進(jìn)電機(jī)的控制（3）

◆工作過程：

—A相通電：A相磁極與0、2號(hào)齒對(duì)齊；

—B相通電：由于磁力線作用，B相磁極與1、3號(hào)齒對(duì)齊；

—C相通電：由于磁力線作用，C相磁極與0、2號(hào)齒對(duì)齊；

—A相通電：由于磁力線作用，A相磁極與1、3號(hào)齒對(duì)齊；結(jié)論：定子按A->B->C->A相輪流通電，則磁場沿A、B、C方向轉(zhuǎn)動(dòng)360度角，轉(zhuǎn)子沿ABC方向轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)齒距的位置。齒數(shù)為4，齒距角為90度，即1個(gè)齒距轉(zhuǎn)動(dòng)了90度步進(jìn)電機(jī)的控制（4）

◆

步進(jìn)電機(jī)的“相”和“拍”

—相：繞組的個(gè)數(shù)

—拍：繞組的通電狀態(tài)，三拍表示一個(gè)周期共有3種通電狀態(tài)，六拍表示一個(gè)周期有6種通電狀態(tài)，每個(gè)周期步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距

◆

步進(jìn)電機(jī)的步距角：步進(jìn)電機(jī)每拍步進(jìn)的角度

θ＝360/(NZ)(齒距角=360/Z)

—N：步進(jìn)電機(jī)的拍數(shù)

—Z：轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。步進(jìn)電機(jī)的控制（5）步進(jìn)電機(jī)的工作方式

◆

單三拍方式

—正向旋轉(zhuǎn)，通電順序?yàn)锳→B→C→A—反向旋轉(zhuǎn)，通電順序?yàn)锳→C→B→A單三拍工作的電壓波形步進(jìn)電機(jī)的控制（6）◆

雙三拍方式

—正向旋轉(zhuǎn)，通電順序?yàn)锳B→BC→CA→AB—反向旋轉(zhuǎn)，通電順序?yàn)锳B→AC→CB→AB雙三拍工作的電壓波形步進(jìn)電機(jī)的控制（7）

◆三相六拍方式

—正向旋轉(zhuǎn)，通電順序?yàn)锳→AB→B→BC→C→CA→A—反向旋轉(zhuǎn)，通電順序?yàn)锳→AC→C→CB→B→BA→A三相六拍工作的電壓波形步進(jìn)電機(jī)的控制（8）步進(jìn)電機(jī)常規(guī)控制系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的控制（9）微機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制功能

◆

改變輸出脈沖數(shù)，控制步進(jìn)電機(jī)的走步數(shù)?！

◆

改變各相繞組的通電順序，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)

◆

改變輸出脈沖的頻率，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速步進(jìn)電機(jī)的控制（10）利用微機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制必須解決的問題：

◆脈沖序列的形成

★利用軟件形成脈沖序列步進(jìn)電機(jī)的控制（11）★利用定時(shí)器形成脈沖序列步進(jìn)電機(jī)的控制（12）◆延時(shí)或定時(shí)時(shí)間的確定設(shè)Ti為相鄰兩個(gè)進(jìn)給脈沖之間的時(shí)間間隔，Vi為進(jìn)給一步后的末速度，a為進(jìn)給一步的加速度，則有：

步進(jìn)電機(jī)的控制（13）◆步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向控制

★用單片機(jī)的一位輸出口控制步進(jìn)電機(jī)的一相繞組，例如，可以用P1.0、P1.1、P1.2分別控制A、B、C三相繞組

★根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的類型和控制方式找出相應(yīng)的控制模型

★

按照控制方式規(guī)定的順序向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖序列，即可控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向步進(jìn)電機(jī)的控制（14）★三種不同工作方式下的控制模型

—單相三拍方式

—雙”相”三拍方式步序控制位通電狀態(tài)控制數(shù)據(jù)PC2/C相PC1/B相PC0/A相1001A01H2010B02H3100C04H步序控制位通電狀態(tài)控制數(shù)據(jù)PC2/C相PC1/B相PC0/A相1011AB03H2110BC06H3101CA05H步進(jìn)電機(jī)的控制（15）—三相六拍方式步序控制位通電狀態(tài)控制數(shù)據(jù)PC2/C相PC1/B相PC0/A相1001A01H2011AB03H3010B02H4110BC06H5100C04H6101CA05H步進(jìn)電機(jī)的控制（16）步進(jìn)電機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)

◆

判斷旋轉(zhuǎn)方向

◆按順序傳送控制脈沖

◆判斷所要求的控制步數(shù)是否傳送完畢

步進(jìn)電機(jī)的控制（17）步進(jìn)電機(jī)的變速控制

◆一個(gè)靜止的步進(jìn)電機(jī)不可能一下子穩(wěn)定到較高的工作頻率，必須在啟動(dòng)的瞬間采取加速的措施；反之，從高速運(yùn)行到停止也應(yīng)該有減速的措施

◆變速控制程序：在啟動(dòng)時(shí)以低于響應(yīng)頻率的速度運(yùn)行，然后慢慢加速，加速到一定速率后以此速率恒速運(yùn)行；當(dāng)快要到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，又使其慢慢減速，在低于響應(yīng)頻率的速率下運(yùn)行，直到走完規(guī)定的步數(shù)后停機(jī)步進(jìn)電機(jī)的控制（18）◆變速控制的方法

—改變控制方式

—均勻地改變脈沖時(shí)間間隔

—改變定時(shí)器時(shí)間常數(shù)步進(jìn)電機(jī)的控制實(shí)例（19）步進(jìn)電機(jī)的控制實(shí)例（20）步進(jìn)電機(jī)的控制實(shí)例（21）步進(jìn)電機(jī)的控制實(shí)例（22）步進(jìn)電機(jī)的控制實(shí)例（23）齒距角步距角步/轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)的控制實(shí)例（24）步進(jìn)電機(jī)的控制實(shí)例（25）2的補(bǔ)碼表示步進(jìn)電機(jī)的控制實(shí)例（26）步進(jìn)電機(jī)的控制實(shí)例（27）步進(jìn)電機(jī)的控制實(shí)例（28）步進(jìn)電機(jī)的控制實(shí)例（29）步進(jìn)電機(jī)的控制實(shí)例（30/50）步進(jìn)電機(jī)的控制實(shí)例（31）步進(jìn)電機(jī)的控制實(shí)例（32）步進(jìn)電機(jī)的控制實(shí)例（33）步進(jìn)電機(jī)的控制符號(hào)處理（34）步進(jìn)電機(jī)的控制符號(hào)處理（35）步進(jìn)電機(jī)的控制符號(hào)處理（36）步進(jìn)電機(jī)的控制符號(hào)處理（37）步進(jìn)電機(jī)的控制符號(hào)處理（38）1-1/128全1碼0.9921875步進(jìn)電機(jī)的控制實(shí)例（39）步進(jìn)電機(jī)的控制實(shí)例（40）轉(zhuǎn)/秒2步進(jìn)電機(jī)的控制實(shí)例（41）步進(jìn)電機(jī)的控制實(shí)例（42）步進(jìn)電機(jī)的控制實(shí)例（43）步進(jìn)電機(jī)的控制實(shí)例（44）步進(jìn)電機(jī)的控制實(shí)例（45）步進(jìn)電機(jī)的控制實(shí)例（47）Vd=Ad*N步進(jìn)電機(jī)的控制實(shí)例（48）10進(jìn)制整數(shù)表示小數(shù)轉(zhuǎn)AB-1746PLC可選模塊接受CPU控制指令,降低軟件復(fù)雜性特性,圖4-53,p131小結(jié)通用順序控制器（PLC）開環(huán)數(shù)值控制的基本原理逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)原理步進(jìn)電機(jī)的工作原理以及微機(jī)控制程序設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)一步說明（50）步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。一般電動(dòng)機(jī)是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的，而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)是一步一步進(jìn)行的。每輸入一個(gè)脈沖電信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。通過改變脈沖頻率和數(shù)量，即可實(shí)現(xiàn)調(diào)速和控制轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移大小，具有較高的定位精度，其最小步距角可達(dá)0.75°，轉(zhuǎn)動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)反應(yīng)靈敏、可靠。在開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)一步說明（51）步進(jìn)電機(jī)的分類

1.永磁式步進(jìn)電機(jī)

2.反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)

3.混合式步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)一步說明（51）1.永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度或15度。2.反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。3.混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相。兩相步進(jìn)角一般分為1.8度而五相步進(jìn)角一般為0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)一步說明（51）三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖所示定子、轉(zhuǎn)子是用硅鋼片或其他軟磁材料制成的。定子的每對(duì)極上都繞有一對(duì)繞組，構(gòu)成一相繞組，共三相稱為A、B、C三相。步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)一步說明（51）在定子磁極和轉(zhuǎn)子上都開有齒分度相同的小齒，采用適當(dāng)?shù)凝X數(shù)配合，當(dāng)A相磁極的小齒與轉(zhuǎn)子小齒一一對(duì)應(yīng)時(shí)，B相磁極的小齒與轉(zhuǎn)子小齒相互錯(cuò)開1/3齒距，C相則錯(cuò)開2/3齒距。如圖所示。步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)一步說明（52）步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)主要有以下內(nèi)容

1．電機(jī)固有步距角

2．步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)3．保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING

TORQUE）4．鉗制轉(zhuǎn)矩（DETENT

TORQUE）步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)一步說明（52）電機(jī)固有步距角它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，這個(gè)步距角可以稱之為“電機(jī)固有步距角”，它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)一步說明（52）步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72°

。步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)一步說明（52）保持轉(zhuǎn)矩保持轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說2N.m的步進(jìn)電機(jī)，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進(jìn)電機(jī)

。步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)一步說明（52）鉗制轉(zhuǎn)矩鉗制轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有DETENT

TORQUE.步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)一步說明（53）步進(jìn)電機(jī)主要有以下特點(diǎn)1一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)一步說明（53）步進(jìn)電機(jī)主要有以下特點(diǎn)2．步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)。

步進(jìn)電機(jī)溫度過高時(shí)會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)一步說明（53）步進(jìn)電機(jī)主要有以下特點(diǎn)3．步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢；頻率越高，反向電動(dòng)勢越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)一步說明（53）步進(jìn)電機(jī)主要有以下特點(diǎn)4．步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無法啟動(dòng)，并伴有嘯叫聲。

步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。PLC直接控制步進(jìn)電機(jī)(54)使用PLC直接控制步進(jìn)電機(jī)時(shí)，可使用PLC產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)所需要的各種時(shí)序的脈沖。例如三相步進(jìn)電機(jī)可采用三種工作方式：三相單三拍三相雙三拍三相單六拍PLC直接控制步進(jìn)電機(jī)(54)可根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作方式，以及所要求的頻率（步進(jìn)電機(jī)的速度），畫出A、B、C各相的時(shí)序圖。并使用PLC產(chǎn)生各種時(shí)序的脈沖例如：采用西門子S7-300PLC控制三相步進(jìn)電機(jī)的過程。要求通過PLC可實(shí)現(xiàn)三相步進(jìn)電機(jī)的起?？刂?、正反轉(zhuǎn)控制，以及三種工作方式的切換（每相通電時(shí)間為1秒鐘）。采用西門子S7-300PLC控制三相步進(jìn)電機(jī)的過程(55)變量約定如下輸入：啟動(dòng)按鈕SB1：I0.0方向選擇開關(guān)SA1：I0.1停止按鈕SB2：I0.2三相單三拍方式選擇SA2：I0.3三相雙三拍方式選擇SA3：I0.4三相單六拍方式選擇SA4：I0.5采用西門子S7-300PLC控制三相步進(jìn)電機(jī)的過程(55)輸出：A相加電壓：Q0.0B相加電壓：Q0.1C相加電壓：Q0.2

啟動(dòng)指示燈：Q0.3三相單三拍運(yùn)行方式：Q0.4三相雙三拍運(yùn)行方式：Q0.5三相單六拍運(yùn)行方式：Q0.6輸出脈沖顯示燈：Q0.7采用西門子S7-300PLC控制三相步進(jìn)電機(jī)的過程(55)三相單三拍正向的時(shí)序圖如圖所示采用西門子S7-300PLC控制三相步進(jìn)電機(jī)的過程(55)三相雙三拍正向的時(shí)序圖如圖所示采用西門子S7-300PLC控制三相步進(jìn)電機(jī)的過程(55)三相單六拍正向時(shí)序圖如圖所示PLC直接控制步進(jìn)電機(jī)(55)編程方法1．使用定時(shí)器指令實(shí)現(xiàn)各種時(shí)序脈沖的要求：使用定器產(chǎn)生不同工作方式下的工作脈沖，然后按照控制開關(guān)狀態(tài)輸出到各相對(duì)應(yīng)的輸出點(diǎn)控制步進(jìn)電機(jī)。編程方法(55)1．例如：使用圖所示的程序可以產(chǎn)生所需要的脈沖：編程方法(55)M0.0作為總控制狀態(tài)位，控制脈沖發(fā)生指