步進電機選用方法課件

復(fù)習(xí)1.執(zhí)行元件的種類、特點及基本要求；2.步進電機技術(shù)指標(biāo)；3.機電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)對執(zhí)行元件的基本要求；4.控制用電機的基本要求、種類、特點及選用；5.掌握步進電機的工作原理-步進電機環(huán)形脈沖分配方式-步距角的計算

6.步進電機的運行特性及性能指標(biāo)

7.步進電機的驅(qū)動與控制

驅(qū)動電源由脈沖分配器、功率放大器組成——(1)環(huán)形脈沖分配器(2)功率放大器單電壓功率放大電路。高低壓功率放大電路。8.步進電機的選用方法本次課的內(nèi)容(2)功率放大器單電壓功率放大電路。高低壓功率放大電路。恒流源功率放大電路。細(xì)分驅(qū)動電路步進電機的微機控制步進電機的選用方法(2)功率放大器

步進電機所使用的功率放大電路有電壓型和電流型。電壓型又有單電壓型、雙電壓型(高低壓型)。電流型中有恒流驅(qū)動、斬波驅(qū)動等。①單電壓功率放大電路：主要用于對速度要求不高的小型步進電機。

環(huán)形脈沖分配器單穩(wěn)觸發(fā)器組成的高低壓控制電路原理圖0100觸發(fā)1101定時結(jié)束10單穩(wěn)觸發(fā)器組成的高低壓控制電路特點高壓導(dǎo)通的時間由單穩(wěn)態(tài)電路決定，通過調(diào)節(jié)Rc參數(shù)使高壓開通的時間恰好使繞組的電流上升到額定值左右再關(guān)閉。時間的調(diào)節(jié)要非常小心，時間稍長即可能燒毀晶體管。高低壓功率放大電路由于僅在脈沖開始的一瞬間接通高壓電源，其余的時間均由低壓供電，故效率很高，由于電流上升率高，故高速運行性能好，但由于電流波形陡，有時還會產(chǎn)生過沖，故諧波成分豐富，電機運行時振動較大(尤其在低速運行時)。③恒流源功率放大電路

當(dāng)A處輸入為低電平時，T1(3DK2)截止，這時由T2(3DK4)及T3(3DDl5)組成的達(dá)林頓管導(dǎo)通，電流由電源正端流經(jīng)電機繞組及達(dá)林頓復(fù)合管經(jīng)由PNP型大功率管T4(2955)組成的恒流源流向電源負(fù)端。④斬波恒流功率放大電路輸入的一個脈沖繞組的電壓波形繞組的電流波形00=0U1=0010U1<UR比較器輸出為11111>0U1>001U1>UR比較器輸出為001⑤調(diào)頻調(diào)壓功放電路。電源電壓一定,繞組電流的上沖值隨頻率的升高降低，輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的提高降低；要提高轉(zhuǎn)矩，需提高供電電壓；調(diào)頻調(diào)壓：低頻時，供電電壓低，高頻時，供電電壓高；脈沖信號調(diào)壓信號0Uct輸出負(fù)脈沖，V1

和v2

導(dǎo)通，電源電壓Ul

作用在電感Ls和電機繞組W上，Ls感應(yīng)出負(fù)電動勢，電流逐漸增大，并對電容C充電，充電時間由負(fù)脈沖寬度決定。在UcT負(fù)脈沖過后，V1

和V2

截止，Ls又產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其方向是U2

處為正。此時，若v3

導(dǎo)通，該感應(yīng)電動勢便經(jīng)電機繞組W、Rs、V3、VD1、Ls回路泄放，同時電容c也向繞組W放電。由此可見，向電機供電的電壓U2取決于V1和v2

的開通時間，即取決于負(fù)脈沖UcT的寬度。負(fù)脈沖寬度越大,U2越高。因此，根據(jù)UcP

的頻率，調(diào)整UcT的負(fù)脈沖寬度，便可實現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓11(3)細(xì)分驅(qū)動在每次輸人脈沖切換時，不是將繞組電流全部通入或切除，而是只改變相應(yīng)繞組中額定的一部分，則電機轉(zhuǎn)子的每步運動也只有步距角的一部分。這里繞組電流不是一個方波，而是階梯波，額定電流是臺階式的投入或切除，電流分成多少個臺階，則轉(zhuǎn)子就以同樣的個數(shù)轉(zhuǎn)過一個步距角。這樣將一個步距角細(xì)分成若干步的驅(qū)動方法稱為細(xì)分驅(qū)動。細(xì)分驅(qū)動的特點是：

a在不改動電機結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，能使步距角減小。但細(xì)分后的步距角精度不高，功率放大驅(qū)動電路也相應(yīng)復(fù)雜；

b能使步進電機運行平穩(wěn)，提高勻速性，并能減弱或消除振蕩。采用多路功率開關(guān)用疊加的信號控制階梯波供電的方法先放大、后疊加的供電方法先疊加、后放大的供電方法(4)步進電機的微機控制

有串行和并行兩種控制方式:串行控制：具有串行控制功能的單片機系統(tǒng)與步進電機驅(qū)動電源之間具有較少的連線就可以將信號送入步進電機驅(qū)動電源的環(huán)形分配器，所以在這種系統(tǒng)中，驅(qū)動電源中必須含有環(huán)形分配器。見圖。并行控制：

用微型計算機系統(tǒng)的數(shù)個端口直接去控制步進電機各相驅(qū)動電路的方法稱為并行控制。在電機驅(qū)動電源內(nèi)，不包括環(huán)形分配器，而其功能必須由微型計算機系統(tǒng)完成。系統(tǒng)實現(xiàn)脈沖分配器的功能又有兩種方法：第一種是純軟件方法.

第二種是軟、硬件相結(jié)合的方法。并行控制方案的示意圖見圖。

(5)步進電機的速度控制步進電動機速度控制：控制系統(tǒng)發(fā)出脈沖的頻率或者是換相周期，其方法有兩種：一種是軟件延時：調(diào)用延時子程序，占用CPU的時間來實現(xiàn)。另一種是用定時器：通過設(shè)定定時的時間常數(shù)來實現(xiàn)。升速規(guī)律一般可有兩種選擇：一是按照直線規(guī)律升速；加速度是恒定值，步進電機的轉(zhuǎn)矩也應(yīng)該是恒定值，但是由于電機本身的矩-頻特性可以知道，在低速時可以認(rèn)為其輸出的轉(zhuǎn)矩為恒定值，但是隨著轉(zhuǎn)速的升高，輸出轉(zhuǎn)矩會下降。二是按指數(shù)規(guī)律升速，與電機的矩頻特性比較吻合。系統(tǒng)在執(zhí)行升降速的控制過程中，對加減速的控制還需準(zhǔn)備下列數(shù)據(jù)：①加減速的斜率；②升速過程的總步數(shù)；③恒速運行總步數(shù)；④減速運行的總步數(shù)。加減速過程的控制方法：1.步進電動機的開環(huán)控制：步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)，其輸入的脈沖不依賴于轉(zhuǎn)子的位置，而是事先按一定的規(guī)律給定的。其缺點是電動機的輸出轉(zhuǎn)矩、加速度在很大程度上取決于驅(qū)動電源和控制方式。對于不同的電動機或者同一種電動機而不同的負(fù)載，很難找到通用的加減速規(guī)律，因此使步進電動機的性能指標(biāo)的提高受到限制。2.步進電動機的閉環(huán)控制：

步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩是勵磁電流和失調(diào)角的函數(shù)。為了獲得較高的輸出轉(zhuǎn)矩，必須考慮電流的變化和失調(diào)角的大小，根據(jù)不同的使用要求，步進電動機的閉環(huán)控制也有不同的方案，主要有核步法、延遲時間法、用位置傳感器的閉環(huán)控制系統(tǒng)等。采用光電脈沖編碼器作為位置檢測元件的閉環(huán)控制原理框圖如圖所示。

閉環(huán)控制是直接或間接檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度，然后通過反饋及適當(dāng)?shù)奶幚恚詣咏o出驅(qū)動的脈沖串。采用閉環(huán)控制，可以獲得更加精確的位置控制和高得多、平穩(wěn)得多的轉(zhuǎn)速，而且可以在步進電動機的許多其他領(lǐng)域獲得更大的通用性。（3）計算電機輸出的總力矩M（1-3）（1-4）式中：Ma——電機啟動加速力矩（N.m)；

Jm、Jt——電機自身慣量與負(fù)載慣量(Kg.cm.s2)；

n——電機所需達(dá)到的轉(zhuǎn)速（r/min）；

T——電機升速時間（s）；（1-5）式中：Mf——導(dǎo)軌摩擦折算至電機的轉(zhuǎn)矩（N.m)；

u——摩擦系數(shù)；

η——傳遞效率；（1-6）式中：Mt——切削力折算至電機力矩（N.m)；

Pt——最大切削力（N）（4）負(fù)載起動頻率估算。數(shù)控系統(tǒng)控制電機的啟動頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩和慣量有很大關(guān)系，其估算公式為（1-7）式中：fq——帶載起動頻率（Hz）；

fq0——空載起動頻率；

Ml——起動頻率下由矩頻特性決定的電機輸出力矩（N.m)；若負(fù)載參數(shù)無法精確確定,則可按fq=1/2fq0進行估算.（5）運行的最高頻率與升速時間的計算。由于電機的輸出力矩隨著頻率的升高而下降，因此在最高頻率時，由矩頻特性的輸出力矩應(yīng)能驅(qū)動負(fù)載，并留有足夠的余量。（6）負(fù)載力矩和最大靜力矩Mmax。負(fù)載力矩可按式（1-5）和式（1-6）計算，電機在最大進給速度時，由矩頻特性決定的電機輸出力矩要大于Mf與Mt之和，