《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課件 第9次課步進(jìn)電機(jī)及其控制

1第4章控制電動(dòng)機(jī)及其選擇計(jì)算4.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制4.2直流伺服電動(dòng)機(jī)及其控制4.3交流伺服電動(dòng)機(jī)及其控制4.4直線電動(dòng)機(jī)4.5控制電動(dòng)機(jī)選擇與計(jì)算實(shí)例溫故知新：常見(jiàn)的電容式傳感器都有哪些分類？新課導(dǎo)入：機(jī)電一體化系統(tǒng)中執(zhí)行單元的作用是什么？你知道的執(zhí)行系統(tǒng)都有哪些？導(dǎo)學(xué)：1.伺服系統(tǒng)2.伺服系統(tǒng)分類：開(kāi)環(huán)、全閉環(huán)、半閉環(huán)3.電氣執(zhí)行元件：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（1）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理三相單三拍運(yùn)行、三相單雙六拍、三相雙三拍。步距角、轉(zhuǎn)角（2）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特性及性能指標(biāo)分辨力、矩-角特性、起動(dòng)頻率、最高工作頻率、轉(zhuǎn)矩-工作頻率特性知識(shí)鏈接1：伺服系統(tǒng)概述

伺服來(lái)自英文單詞Servo，指系統(tǒng)跟隨外部指令進(jìn)行人們所期望的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)要素包括位置、速度和力矩。

以數(shù)控機(jī)床為例：由計(jì)算機(jī)發(fā)出指令脈沖，讓哪一個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)拖著工作臺(tái)動(dòng)，這一臺(tái)電動(dòng)機(jī)就動(dòng)，而且這臺(tái)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)的距離，完全按著計(jì)算機(jī)的指令行事，非常準(zhǔn)確無(wú)誤地完成指令要求的任務(wù)。伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從液壓、氣動(dòng)到電氣的過(guò)程，而電氣伺服系統(tǒng)包括控制器、功率放大器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和檢測(cè)裝置。根據(jù)輸入和反饋信號(hào)決定控制策略常用控制算法：PID控制和最優(yōu)控制由控制線路和計(jì)算機(jī)組成檢測(cè)被控制量，實(shí)現(xiàn)反饋傳感器和轉(zhuǎn)換電路知識(shí)鏈接2：伺服系統(tǒng)的分類（1）按照控制原理分開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件A相、B相C相、…f、nCNC插補(bǔ)指令脈沖頻率f脈沖個(gè)數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大沒(méi)有位置測(cè)量裝置，信號(hào)流是單向的（數(shù)控裝置→進(jìn)給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。工作臺(tái)的位移精度取決于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)件和累計(jì)誤差

全閉環(huán)伺服系統(tǒng)位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)檢測(cè)與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋傳感器安裝在工作臺(tái)上，可以獲得工作臺(tái)的實(shí)際的精確位置。脈沖指令不斷產(chǎn)生，工作臺(tái)隨之移動(dòng)，直到偏差值等于零。精度主要取決于檢測(cè)反饋部件的誤差，與放大器、傳動(dòng)裝置沒(méi)有直接關(guān)系可實(shí)現(xiàn)高精度位置控制。機(jī)械傳動(dòng)鏈包含在位置閉環(huán)中，系統(tǒng)控制和調(diào)試成本增加。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)檢測(cè)與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋工作臺(tái)的位置通過(guò)電動(dòng)機(jī)上的傳感器或安裝在絲桿軸端的編碼器間接獲得檢測(cè)元件位于系統(tǒng)傳動(dòng)鏈的中間。角位移測(cè)量簡(jiǎn)單，調(diào)整維護(hù)方便，定位精度低于全閉環(huán)伺服系統(tǒng)知識(shí)鏈接3：伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行元件1.電氣執(zhí)行元件電氣執(zhí)行元件包括直流(DC)伺服電機(jī)、交流（AC）伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)以及電磁鐵等，是最常用的執(zhí)行元件。對(duì)伺服電機(jī)除了要求運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)以外，一般還要求動(dòng)態(tài)性能好，適合于頻繁使用，便于維修等

2．液壓式執(zhí)行元件液壓式執(zhí)行元件主要包括往復(fù)運(yùn)動(dòng)油缸、回轉(zhuǎn)油缸、液壓馬達(dá)等，其中油缸最為常見(jiàn)。在同等輸出功率的情況下，液壓元件具有重量輕、快速性好等特點(diǎn)

3．氣壓式執(zhí)行元件氣壓式執(zhí)行元件除了用壓縮空氣作工作介質(zhì)外，與液壓式執(zhí)行元件沒(méi)有區(qū)別。氣壓驅(qū)動(dòng)雖可得到較大的驅(qū)動(dòng)力、行程和速度，但由于空氣粘性差，具有可壓縮性，故不能在定位精度要求較高的場(chǎng)合使用。異步電動(dòng)機(jī)

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)離合器電動(dòng)機(jī)永磁同步電動(dòng)機(jī)

微型直流減速電動(dòng)機(jī)

電磁式液壓式

氣壓式知識(shí)鏈接3：伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行元件伺服系統(tǒng)的對(duì)執(zhí)行元件的要求

4.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制

17機(jī)理：步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵原理，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機(jī)。每來(lái)一個(gè)電脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“一步”，這個(gè)固定的角度就是步距角。帶動(dòng)機(jī)械移動(dòng)一小段距離。特點(diǎn):(1)總位移量取決于總脈沖數(shù)；(2)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的速度取決于脈沖信號(hào)的頻率；(3)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的方向取決于脈沖信號(hào)的順序。一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)種類：分為永磁式、反應(yīng)式和永磁感應(yīng)式三種。永磁式：轉(zhuǎn)子有繞組反應(yīng)式：轉(zhuǎn)子沒(méi)有繞組應(yīng)用：步進(jìn)機(jī)主要應(yīng)用在開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)中，應(yīng)用非常廣泛。如：在數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)繪圖儀等設(shè)備中都得到應(yīng)用。

下面以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例說(shuō)明步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。定子鐵心

定子鐵心為凸極結(jié)構(gòu)，由硅鋼片制成。在面向氣隙的定子鐵心表面有齒距相等磁極，磁極上有小齒。定子繞組

定子每極上套有一個(gè)集中繞組，相對(duì)兩極的繞組串聯(lián)構(gòu)成一相。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以做成二相、三相、四相、五相、六相等。定子的磁極為相數(shù)的兩倍。轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子由疊片鐵心構(gòu)成，沿圓周有很多小齒。轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組。二、基本結(jié)構(gòu)圖1四相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)當(dāng)定子的某相繞組通電流時(shí)，轉(zhuǎn)子齒因受到定子勵(lì)磁磁極的吸引，使極齒中心線方向趨于一致。如果向定子的各個(gè)繞組輪流通入電流，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子就將按照定子的通電順序旋轉(zhuǎn)。

以三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例工作方式可以分為：三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍。①三相單三拍運(yùn)行

三相----指步進(jìn)電機(jī)具有三相定子繞組；單----指每次只有一相繞組通電；三拍----指三次換接為一個(gè)循環(huán)，即按A-B-C-A……方式運(yùn)行的稱為三相單三拍運(yùn)行。三、工作原理20

注意：這里的相和三相交流電中的“相”的概念不同。步進(jìn)機(jī)通的是直流電脈沖，這主要是指線圖的聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。①三相單三拍運(yùn)行

當(dāng)A相通電B、C相不通電時(shí)，由于磁通具有要走磁阻最小路徑的特點(diǎn)，轉(zhuǎn)子齒1和3的軸線與定子A極軸線對(duì)齊。同理斷開(kāi)A接通B時(shí)、斷開(kāi)B接通C轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)30°。按A→B→C→A…接通和斷開(kāi)控制繞組轉(zhuǎn)子就連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。因三相繞組中每次只有一相通電，而且，一個(gè)循環(huán)周期共包括三個(gè)脈沖，所以稱三相單三拍。

每來(lái)一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)

30°。此角稱為步距角，用θ表示。轉(zhuǎn)向取決于脈沖信號(hào)的順序（即通電順序）。三相單三拍運(yùn)行21(a)A相接通；(b)B相接通；(c)C相接通

三相單雙六拍A相通電三相繞組的通電順序?yàn)椋篈

AB

B

BC

C

CA

A

共六拍。工作過(guò)程：A、B相同時(shí)通電轉(zhuǎn)子1、3齒和A相對(duì)齊。,BB'

磁場(chǎng)對(duì)

2、4

齒有磁拉力，該拉力使轉(zhuǎn)子順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。AA'

磁場(chǎng)繼續(xù)對(duì)1、3齒有拉力。所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。相對(duì)AA'通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了15°。B相通電轉(zhuǎn)子2、4齒和B相對(duì)齊，又轉(zhuǎn)了15

?？傊?，每個(gè)循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，所以稱為三相單雙六拍，步距角為15

。三相繞組的通電順序?yàn)椋篈

AB

B

BC

C

CA

A

共六拍。工作過(guò)程：三相雙三拍三相繞組的通電順序?yàn)椋篈B

BC

CA

AB

共三拍。AB通電BC通電CA通電工作方式為三相雙三拍時(shí)，每通入一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子也是轉(zhuǎn)30°，即

θ=30°

。以上三種工作方式，三相雙三拍和三相單雙六拍較三相單三拍穩(wěn)定，因此較常采用。轉(zhuǎn)速步距角N：拍數(shù)①采用單/雙三拍時(shí)：上圖步進(jìn)電機(jī)中：z

=

4，則②采用三相六拍時(shí)：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的幾個(gè)參數(shù)z

：轉(zhuǎn)子齒數(shù)m：電機(jī)相數(shù)完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需的脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)一個(gè)θ→

轉(zhuǎn)

(1

/Kmz

)

圈脈沖頻率為

f →每秒轉(zhuǎn)

(

f/

Kmz)

圈轉(zhuǎn)子的齒距等于360

/40=9°，齒寬、齒槽各4.5

。為使轉(zhuǎn)、定子的齒對(duì)齊，定子磁極上的小齒，齒寬和齒槽和轉(zhuǎn)子相同。圖中轉(zhuǎn)子40個(gè)齒，定子仍是

6個(gè)磁極，但每個(gè)磁極上也有5個(gè)齒。②采用三相單雙六拍時(shí)：θ=？①采用三相單三拍時(shí)：θ=？實(shí)際結(jié)

構(gòu)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角越小，所能達(dá)到的位置控制精度越高。為產(chǎn)生小步距角，定、轉(zhuǎn)子都做成多齒的U1U2V1V2W2W1U1U2V1V2W2W1不細(xì)分時(shí)A相繞組通電：轉(zhuǎn)子停在A-A位置

A、B相繞組通電：轉(zhuǎn)子停在位置Ⅰ，轉(zhuǎn)角300B相繞組通電：轉(zhuǎn)子停在B-B位置

，轉(zhuǎn)角300細(xì)分時(shí)：

A相繞組額定電流：轉(zhuǎn)子停在A-A位置A相繞組額定電流、B相繞組1/2額定電流：轉(zhuǎn)子停在位置Ⅱ，轉(zhuǎn)角150A相繞組額定電流、B相繞組額定電流時(shí)：轉(zhuǎn)子停在位置Ⅰ，轉(zhuǎn)角150A相繞組1/2額定電流、B相繞組額定電流：轉(zhuǎn)子停在位置Ⅲ，轉(zhuǎn)角150B相繞組額定電流：轉(zhuǎn)子停在位置B-B，轉(zhuǎn)角150這就是4細(xì)分，即一步分成4步。目前常用細(xì)分系數(shù)有2、4、8、16、32、64四、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性及性能指標(biāo)矩-角特性起動(dòng)頻率最高工作頻率轉(zhuǎn)矩-工作頻率特性分辨力（1）步距角同一相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)可有兩種步距角0.6°/1.2°、0.75°/1.5°……（2）步距誤差指步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子每一步實(shí)際轉(zhuǎn)過(guò)的角度與理論步距角的差值連續(xù)走若干步時(shí)，步距誤差的累積值稱為步距的累積誤差由于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一轉(zhuǎn)后，將重復(fù)上一轉(zhuǎn)的穩(wěn)定位置，因此步進(jìn)電機(jī)的步距累積誤差將一轉(zhuǎn)為周期重復(fù)出現(xiàn)思考：為什么步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)步距角？四、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性及性能指標(biāo)矩-角特性起動(dòng)頻率最高工作頻率轉(zhuǎn)矩-工作頻率特性分辨力失調(diào)角：轉(zhuǎn)子偏離初始平衡位置的角度。空載時(shí)當(dāng)步進(jìn)電機(jī)上某相定子繞組通電后，轉(zhuǎn)子齒將力求與定子齒對(duì)齊，使磁路中的磁阻最小，轉(zhuǎn)子處在平衡位置不動(dòng)(θ=0°)如果在電機(jī)軸上加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩T，轉(zhuǎn)子就會(huì)偏離平衡位置向負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度θ，這就是失調(diào)角。有失調(diào)角后，步進(jìn)電機(jī)就產(chǎn)生一個(gè)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，此時(shí)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩＝負(fù)載轉(zhuǎn)矩矩角特性：靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系，近似為正弦曲線。最大靜轉(zhuǎn)矩：矩角特性上的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大在靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)（-π～π），當(dāng)外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩除去時(shí)，轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)矩作用下，仍能回到平衡點(diǎn)(θ=0°)四、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性及性能指標(biāo)矩-角特性起動(dòng)頻率最高工作頻率轉(zhuǎn)矩-工作頻率特性分辨力指空載時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)突然啟動(dòng)，并進(jìn)入不失步的正常運(yùn)行的最高頻率特點(diǎn)：加給步進(jìn)電機(jī)的指令脈沖頻率如大于起動(dòng)頻率，就不能正常工作步進(jìn)電機(jī)在帶載狀態(tài)的起動(dòng)頻率要低于空載時(shí)的啟起動(dòng)頻率負(fù)載越大，起動(dòng)頻率越低四、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性及性能指標(biāo)矩-角特性起動(dòng)頻率最高工作頻率轉(zhuǎn)矩-工作頻率特性分辨力指步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)后，運(yùn)行速度根據(jù)指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率最高工作頻率遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率四、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性及性能指標(biāo)矩-角特性起動(dòng)頻率最高工作頻率轉(zhuǎn)矩-工作頻率特性分辨力矩頻特性：描述步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率間的關(guān)系動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩：指矩頻特性上每一個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩輸入脈沖頻率越大，電機(jī)所能帶動(dòng)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩越小為什么頻率升高后電機(jī)的轉(zhuǎn)矩會(huì)下降？控制繞組呈電感性，它具有延緩電流變化的作用。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，同頻率下的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩越小Φ=Nθ其中：

Φ是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度，N為控制脈沖數(shù)，θ為步距角其中n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，f為控制脈沖頻率一旦停止輸入脈沖，只要維持繞組通電，電動(dòng)機(jī)就可以保持在該固定位置步進(jìn)電動(dòng)機(jī)受數(shù)字脈沖信號(hào)控制，輸出角位移與輸入脈沖數(shù)成正比。五、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖頻率成正比步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有自鎖能力步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向可以通過(guò)改變通電順序來(lái)改變步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)不易受到