步進(jìn)電機(jī)選用方法課件

復(fù)習(xí)1.執(zhí)行元件的種類、特點(diǎn)及基本要求；2.步進(jìn)電機(jī)技術(shù)指標(biāo)；3.機(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)對(duì)執(zhí)行元件的基本要求；4.控制用電機(jī)的基本要求、種類、特點(diǎn)及選用；5.掌握步進(jìn)電機(jī)的工作原理-步進(jìn)電機(jī)環(huán)形脈沖分配方式-步距角的計(jì)算

6.步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性及性能指標(biāo)

7.步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制

驅(qū)動(dòng)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(jìn)電機(jī)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(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)的微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的選用方法(2)功率放大器

步進(jìn)電機(jī)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(dòng)、斬波驅(qū)動(dòng)等。①單電壓功率放大電路：主要用于對(duì)速度要求不高的小型步進(jìn)電機(jī)。

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(shí)結(jié)束10單穩(wěn)觸發(fā)器組成的高低壓控制電路特點(diǎn)高壓導(dǎo)通的時(shí)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(shí)間恰好使繞組的電流上升到額定值左右再關(guān)閉。時(shí)間的調(diào)節(jié)要非常小心，時(shí)間稍長(zhǎng)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(shí)間均由低壓供電，故效率很高，由于電流上升率高，故高速運(yùn)行性能好，但由于電流波形陡，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生過沖，故諧波成分豐富，電機(jī)運(yùn)行時(shí)振動(dòng)較大(尤其在低速運(yùn)行時(shí))。③恒流源功率放大電路

當(dāng)A處輸入為低電平時(shí)，T1(3DK2)截止，這時(shí)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(jī)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(gè)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(shí)，供電電壓低，高頻時(shí)，供電電壓高；脈沖信號(hào)調(diào)壓信號(hào)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(jī)繞組W上，Ls感應(yīng)出負(fù)電動(dòng)勢(shì)，電流逐漸增大，并對(duì)電容C充電，充電時(shí)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(dòng)勢(shì)，其方向是U2

處為正。此時(shí)，若v3

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

的開通時(shí)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(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓11(3)細(xì)分驅(qū)動(dòng)在每次輸人脈沖切換時(shí)，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(jī)轉(zhuǎn)子的每步運(yùn)動(dòng)也只有步距角的一部分。這里繞組電流不是一個(gè)方波，而是階梯波，額定電流是臺(tái)階式的投入或切除，電流分成多少個(gè)臺(tái)階，則轉(zhuǎn)子就以同樣的個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這樣將一個(gè)步距角細(xì)分成若干步的驅(qū)動(dòng)方法稱為細(xì)分驅(qū)動(dòng)。細(xì)分驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是：

a在不改動(dòng)電機(jī)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(dòng)電路也相應(yīng)復(fù)雜；

b能使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)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(hào)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(jìn)電機(jī)的微機(jī)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(jī)系統(tǒng)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源之間具有較少的連線就可以將信號(hào)送入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的環(huán)形分配器，所以在這種系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電源中必須含有環(huán)形分配器。見圖。并行控制：

用微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)個(gè)端口直接去控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)電路的方法稱為并行控制。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源內(nèi)，不包括環(huán)形分配器，而其功能必須由微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成。系統(tǒng)實(shí)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(jìn)電機(jī)的速度控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(shí)：調(diào)用延時(shí)子程序，占用CPU的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。另一種是用定時(shí)器：通過設(shè)定定時(shí)的時(shí)間常數(shù)來實(shí)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(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩也應(yīng)該是恒定值，但是由于電機(jī)本身的矩-頻特性可以知道，在低速時(shí)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(huì)下降。二是按指數(shù)規(guī)律升速，與電機(jī)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(duì)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(yùn)行總步數(shù)；④減速運(yùn)行的總步數(shù)。加減速過程的控制方法：1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩、加速度在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)電源和控制方式。對(duì)于不同的電動(dòng)機(jī)或者同一種電動(dòng)機(jī)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(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)的提高受到限制。2.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制：

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩是勵(lì)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(jìn)電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制也有不同的方案，主要有核步法、延遲時(shí)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(cè)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(cè)轉(zhuǎn)子的位置和速度，然后通過反饋及適當(dāng)?shù)奶幚恚詣?dòng)給出驅(qū)動(dòng)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(jìn)電動(dòng)機(jī)的許多其他領(lǐng)域獲得更大的通用性。（3）計(jì)算電機(jī)輸出的總力矩M（1-3）（1-4）式中：Ma——電機(jī)啟動(dòng)加速力矩（N.m)；

Jm、Jt——電機(jī)自身慣量與負(fù)載慣量(Kg.cm.s2)；

n——電機(jī)所需達(dá)到的轉(zhuǎn)速（r/min）；

T——電機(jī)升速時(shí)間（s）；（1-5）式中：Mf——導(dǎo)軌摩擦折算至電機(jī)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(jī)力矩（N.m)；

Pt——最大切削力（N）（4）負(fù)載起動(dòng)頻率估算。數(shù)控系統(tǒng)控制電機(jī)的啟動(dòng)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(dòng)頻率（Hz）；

fq0——空載起動(dòng)頻率；

Ml——起動(dòng)頻率下由矩頻特性決定的電機(jī)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(jìn)行估算.（5）運(yùn)行的最高頻率與升速時(shí)間的計(jì)算。由于電機(jī)的輸出力矩隨著頻率的升高而下降，因此在最高頻率時(shí)，由矩頻特性的輸出力矩應(yīng)能驅(qū)動(dòng)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(jì)算，電機(jī)在最大進(jìn)給速度時(shí)，由矩頻特性決定的電機(jī)輸出力矩要大于Mf與Mt之和，