電機控制與調速技術課件 項目四 步進電動機控制與調速技術

項目四

步進電動機控制與調速技術電機控制與調速【項目工作場景】步進電動機是除直流電動機和交流電動機以外的第三類電動機。是一種具備控制功能的電動機系統(tǒng)。隨著計算機技術的發(fā)展，步進電動機在自動控制系統(tǒng)中已得到了廣泛的應用，例如數(shù)控機床、繪圖機、計算機外圍設備、自動記錄儀表、鐘表和數(shù)/模轉換裝置等?！鞠嚓P知識和技能】步進電機接收數(shù)字控制信號電脈沖信號并轉化成與之相對應的角位移或直線位移，它本身就是一個完成數(shù)字模式轉化的執(zhí)行元件。步進電機可開環(huán)位置控制，輸入一個脈沖信號就得到一個規(guī)定的位置增量。步進電機的角位移量與輸入的脈沖個數(shù)嚴格成正比，而且在時間上與脈沖同步。因而只要控制脈沖的數(shù)量、頻率和電機繞組的相序，即可獲得所需的轉角、速度和方向。目錄CONTENTS任務一、步進電動機的基本結構和工作原理、運行特點任務二、步進電機的轉向和速度控制技術任務三、

PLC實現(xiàn)步進電機調速應用實例任務一步進電動機的基本結構和工作原理、運行特點目錄CONTENTS【任務目標】

1.掌握步進電機的結構和分類。2.了解步進電機的工作原理。3.知道步進電機的工作方式。【知識準備】一、步進電機的結構和分類步進電動機是輸入電脈沖信號，并將電脈沖信號轉換成相應的角位移或線位移的控制電動機。它由專用電源供給電脈沖，每輸入一個脈沖，步進電動機就移動一步，所以稱為步進電動機。步進電動機的特點：1.能較精確地進行速度控制和定位控制；2.能快速啟動，反轉及制動；3.有較大的調速范圍，且不受電壓、負載及環(huán)境條件變化的影響。1.步進電機的結構步進電機外形結構圖步進電機內部結構圖

步進電機一般由前后端蓋、軸承、中心軸、轉子鐵芯、定子鐵芯、定子組件、波紋墊圈、螺釘?shù)炔糠謽嫵伞?/p>

在電機中，繞在定子齒槽上的金屬絲則叫做繞組、線圈、或相。步進電機內部結構示意圖2.步進電機的分類分類方式具體類型按力矩產生的原理(1)反應式:轉子無繞組，由被激磁的定子繞組產生反應力矩實現(xiàn)步進運行；(2)激磁式:定、轉子均有激磁繞組(或轉子用永久磁鋼)，由電磁力矩實現(xiàn)步進運行按輸出力矩大小(1)伺服式:輸出力矩在百分之幾至十分之幾(N·m)只能驅動較小的負載，要與液壓扭矩放大器配合使用，才能驅動機床工作臺等較大的負載；(2)功率式:輸出力矩在5~50N·m以上，可以直接驅動機床工作臺等較大的負載按定子數(shù)(1)單定子式；(2)雙定子式；(3)三定子式；(4)多定子式按各相繞組分布(1)徑向分布式:電機各相按圓周依次排列；(2)軸向分布式:電機各相按軸向依次排列反應式步進電動機是我國目前使用最廣泛的一種，它具有慣性小、反應快和速度高的特點。3.步進電動機的原理1）三相反應式步進電動機的結構在結構上分為定子和轉子兩部分。定子、轉子用硅鋼片或其他軟磁材料制成，定子上有6個磁極，每個磁極上繞有勵磁繞組，相對的兩個磁極組成一相，分成U、V、W三相。轉子上有4個均勻分布的齒，無繞組，它是由帶齒的鐵芯做成的。三相反應式步進電動機的結構示意圖2)三相反應式步進電動機的工作原理三相反應式步進電動機有三種運行方式:三相單三拍運行，三相雙三拍運行，三相單、雙六拍運行。三相”是指步進電動機的相數(shù)；“單”是指每次只給一相繞組通電；“雙”則是每次同時給二相繞組通電；定子繞組每改變一次通電方式，就稱為一拍?！叭摹笔侵附涍^三次切換控制繞組的通電狀態(tài)為一個循環(huán)。(1)三相單三拍工作方式（a）A相通電（b）B相通電（c）C相通電當A相控制繞組通電時，因磁通要沿著磁阻最小的路徑閉合，將使轉子齒1、3和定子磁極A-X對齊，如圖4-5(a)所示。當A相斷電B相控制繞組通電時，轉子將在空間逆時針轉過30°，即步距角θs=30°。轉子齒2、4與定子磁極B-Y對齊，如圖4-5(b)所示。如再使B相斷電，C相控制繞組通電，轉子又在空間逆時針轉過θs=30°，使轉子齒1、3和定子磁極C-Z對齊，如圖4-5(c)所示。電動機的轉速取決于控制繞組與電源接通或斷開的變化頻率。三相單三拍通電運行方式中，步進電動機的步距角為θs=30°1.單三拍通電運行方式由于在切換時一相控制繞組斷電后而另相控制繞組才開始通電，這種情況容易造成失步。2.由單一控制繞組通電吸引轉子，也容易使轉子在平衡位置附近產生振蕩，故運行的穩(wěn)定性較差。三相單三拍的缺點：(2)三相雙三拍工作方式(a)A、B相通電(b)B、C相通電C、A相通電當A、B兩相同時通電時，轉子齒的位置同時受到兩個定子磁極的作用，只有A相磁極和B相磁極對轉子齒所產生的磁拉力相等時轉子才平衡，如圖(a)所示。當B、C兩相同時通電時，轉子齒的位置同時受到兩個定子磁極的作用，只有B相磁極和C相磁極對轉子齒所產生的磁拉力相等時轉子才平衡，如圖(b)所示。當C、A兩相同時通電時，原理相同，如圖(c)所示。步距角與單三拍通電方式相同，也是30°“雙三拍”通電運行方式，即按AB→BC→CA→AB的順序或按AC→CB→BA→AC的順序通電。(3)三相單、雙六拍通電運行方式(a)A相通電(b)A、B相通電(c)斷開A相，B相通電控制繞組的通電順序為:A→AB→B→BC→C→CA→A，或是A→AC→C→CB→B→BA→A，則稱步進電動機工作在三相單、雙六拍通電方式。當A相控制繞組通電時和單三拍運行的情況相同；A、B兩相同時通電時和雙拍運行方式相同。步距角θs=30°/2=15°特點：三相六拍控制方式比三相三拍控制方式步距角小一半，因而精度更高，且轉換過程中始終保證有一個繞組通電，工作穩(wěn)定。3)小步距角三相反應式步進電動機工作原理小步距角三相反應式步進電動機

定子上有六個極，上面裝有控制繞組組成A、B、C三相，轉子上均勻分布40個齒，定子每個極面上也各有5個齒，定、轉子的齒寬和齒距都相同。當A相控制繞組通電時，電機中產生沿A極軸線方向的磁場，因磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合，轉子受到磁阻轉矩的作用而轉動，直至轉子齒和定子A極面上的齒對齊為止。因轉子上共有40個齒，每個齒的齒距為360°/40=9°，而每個定子磁極的極距為360°/6=60°，所以每一個極距所占的齒距數(shù)不是整數(shù)。當A極面下的定、轉子齒對齊時，Y極和Z極極面下的齒就分別和轉子齒相錯三分之一的轉子齒距，即3°。反應式步進電動機的轉子齒數(shù)Zr的大小由步距角的大小所決定。轉子齒數(shù)應符合下式條件:式中，2p——反應式步進電動機的定子極數(shù)；m—一電機的相數(shù)；K—正整數(shù)

電機相數(shù)越多，相應電源就越復雜，造價也越高。所以，步進電動機一般最多做到六相，只有個別電機才做成更多相數(shù)的?！救蝿諏嵤?/p>

任務名稱：步進電動機的拆裝一、工具、儀表及電氣元件1.工具:測試筆、螺釘旋具、斜口鉗、尖嘴鉗、剝線鉗、電工刀等。2.儀表:MF47型萬用表、5050型兆歐表。3.器材:步進電動機。二、任務內容1.實訓目標（1）熟悉步進電動機的基本結構和工作原理。（2）熟悉基本拆裝工藝組成與相關工藝材料。（3）熟練掌握基本儀表和工具的使用。2.實訓步驟（1）電動機外殼的拆裝（2）主要零部件的拆裝方法①皮帶輪或聯(lián)軸器的拆裝②軸承蓋的拆裝③端蓋的拆裝④轉子的拆裝⑤滾動軸承的拆裝【任務總結】步進電機具有結構簡單、維護方便、精確度高、啟動靈敏、停車準確等性能。此外,步進電機的轉速決定于電脈沖頻率，并與頻率同步。任務二步進電機的轉向和速度控制技術目錄CONTENTS【任務目標】1.了解步進電機的轉向與速度控制技術。2.掌握步距角的計算和轉速的計算。3.會根據工作需要選用合適的步進電機?！局R準備】一、步進電動機的轉向與速度控制步進電機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進電動機驅動器，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅動單元、保護單元等組成。驅動器的作用是對控制脈沖進行環(huán)形分配、功率放大，使步進電機繞組按一定順序通電，控制電機轉動。1.步進電機加減速過程控制技術步進電機的轉速取決于脈沖頻率、轉子齒數(shù)和拍數(shù)。其角速度與脈沖頻率成正比,而且在時間上與脈沖同步。步進電機的啟動頻率是不高的。因為步進電機借助它的同步力矩而啟動的,當啟動頻率越大時，啟動力矩越小，帶動負載的能力越差，容易產生失步現(xiàn)象。步進電機的運行一般要經過加速、勻速、減速三個階段。步進電機的啟動頻率特性使步進電機啟動時不能直接達到運行頻率,而要有一個啟動過程,即從一個低的轉速逐漸升速到運行轉速。步進電機停止時，高速運行的電機有著較大的慣性，運行頻率不能立即降為零,而要有一個高速逐漸降速到零的過程。步進電機的過沖現(xiàn)象是指步進電機在停止時，由于系統(tǒng)慣性作用，轉過了控制器所要求的平衡位置。步進電動機控制技術

2.步進電機的細分驅動控制步進電機由于受到自身制造工藝的限制,如步距角的大小由轉子齒數(shù)和運行拍數(shù)決定,但轉子齒數(shù)和運行拍數(shù)是有限的,因此步進電機的步距角一般較大并且是固定的,步進的分辨率低、缺乏靈活性、在低頻運行時振動,噪音比其他微電機都高,使物理裝置容易疲勞或損壞。細分驅動技術：通過改變A、B相電流的大小，以改變合成磁場的夾角，從而將一個步距角細分為多步。二、步進電動機參數(shù)1.步距角與轉速的計算（1）步距角每輸入一個脈沖信號，步進電動機所轉過的角度稱為步距角。步距角的大小由轉子的齒數(shù)Z，運行相數(shù)m所決定，它們之間的關系可表示為：齒距角：步距角：式中C為控制系數(shù)，是拍數(shù)與相數(shù)的比例系數(shù)，也稱為通電狀態(tài)系數(shù)。采用m相m拍通電運行方式時，C=1；采用m相2m拍通電運行方式時，C=2；(2)步進電動機的轉速步進電動機的步距角的大小是由轉子的齒數(shù)Zr，控制繞組的相數(shù)m和通電方式所決定。它們之間的關系為：若步進電動機通電脈沖的脈沖頻率為f，由于轉子經過個脈沖旋轉一周，則步進電動機的轉速為：式中，f的單位為1/s；n的單位是r/min?！救蝿諏嵤?/p>

一、工具、儀表及電氣元件1.工具:測試筆、螺釘旋具、斜口鉗、尖嘴鉗、剝線鉗、電工刀等。2.儀表:MF47型萬用表、5050型兆歐表。3.器材:35BYG250步進電動機，SH—20403驅動器。二、任務內容1.認識步進電動機

實驗采用的步進電動機為兩相混合式步進電動機，電壓為10～40V。其型號為35BYG250[其中35（mm）—機座尺寸，BYG—為混合式，2—兩相，50—轉子齒數(shù)]，其技術參數(shù)如表所示：型號35BYG250相數(shù)2步距角（°）1．8靜態(tài)相電流（A）0．8相電阻（Ω）5．7相電感（mH）7保持轉矩（mN?m）110定位轉矩（mN?m）12轉動慣量（g?cm2）14重量（kg）0．18步進電動機接線端2.認識步進電動機驅動器（1）驅動器型號為SH—20403，它是兩相混合式步進電動機細分驅動器，它的特點是能適應較寬電壓范圍10V～40VDC（容量30VA），采用恒電流控制，它的電氣性能如表所示。供電電源10V～40VDC（30VA）輸出電流峰值3A/相（Max）（由面板撥碼開關設定）驅動方式恒相電流PWM控制（H橋雙極）勵磁方式整步，半步，4、8、16、32、64細分（七種）輸入信號（參見圖4-10）光電隔離，（共陽單脈沖接口），提供“0”信號輸入信號包括：步進脈沖、方向變換和脫機保持等三個（2）步進電動機驅動器接線圖步進驅動器接線圖（3）輸入信號說明：①公共端：本驅動器的輸入信號采用共陽極接線方式，用戶應將輸入信號的電源正極連接到該端子上，將輸入的控制信號連接到對應的信號端子上。②脈沖信號輸入：共陽極時該脈沖信號下降沿被驅動器解釋為一個有效脈沖，并驅動電機運行一步。③方向信號輸入：該端信號的高電平和低電平控制電機的兩個轉向。④脫機信號輸入：該端接受控制機輸出的高/低電平信號，共陽極時低電平時電機相電流被切斷，轉子處于自由狀態(tài)（脫機狀態(tài)）。共陽極時高電平或懸空時，轉子處于鎖定狀態(tài)。（4）輸出電流選擇輸出電流選擇567567

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ONONONONOFFON0.7AONONOFF0.6AONOFFOFF0.9AOFFONONOFFOFFON1.3AOFFONOFF1.2AOFFOFFOFF1.5A123

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ONONON保留ONOFFON32細分ONONOFF8細分ONOFFOFF半步OFFONON64細分OFFOFFON16細分OFFONOFF4細分OFFOFFOFF整步3.按照任務要求完成接線，接線圖如下所示；步進控制系統(tǒng)接線圖調節(jié)驅動器的最大輸出電流為1.8A；調節(jié)驅動器的細分為“1”；接通電源，給PLC（控制機）寫入程序如下；【任務總結】步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈神信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。任務三PLC實現(xiàn)步進電機調速應用實例目錄CONTENTS【任務目標】1.了解PLC控制步進電機運動的兩種方式。2.掌握PLC與步進電機連接的方法，會進行簡單程序高度。【知識準備】

一、控制方式常見的有下列兩種控制方式：PLC直接輸出脈沖控制和PLC通過步進驅動器進行控制。1.PLC直接輸出脈沖信號控制

這種控制方式是PLC的輸出口Y直接和電機相連。PLC必須通過編制程序使PLC脈沖輸出口Y1，Y2，Y3的脈沖輸出時序符合三相步進電機的旋轉要求。特點：不適用于精度較高的定位控制。二、PLC通過步進電機驅動器控制一般情況下，PLC是通過步進電機驅動器去控制步進電機的運行的。PLC只管發(fā)出脈沖，通過控制脈沖的頻率對步進電機進行精確調整，通過方向信號對步進電機進行換向。PLC通過步進電機驅動器控制步進電機驅動器是一個集功率放大、脈沖分配和步進細分為一體的電子裝置。它把PLC發(fā)出的脈沖信號轉化為步進電機的角位移。三菱FX系列的脈沖輸出指令PLSY，PLSR和定位指令ZRN，DRVI，DRVA均可使用，這對步進電機的定位控制程序編制帶來了很大的方便。三、應用舉例例1：圖4-17為一個三相六拍步進電機脈沖系列，要求編制梯形圖程序輸出符合要求的脈沖系列。梯形圖程序如右圖所示梯形圖程序也可用另一種方式，如右圖所示例2：PLC通過步進電機驅動器控制步進電機運行的連接如圖4-16所示。假設電機一周需要1000個脈沖，試編制如下控制步進電機運行程序?？刂埔螅弘姍C運轉速度為1r/s，電機正轉5周，停止2s。再反轉5周，停止2s,再正轉5周，如此循環(huán)，直到按下停止按鈕。分析：電機運行頻率為1r/s=1000PLUS/S，頻率為K1000。為了減少步進電機的失步和過沖，采用PLSR指令輸出脈沖。指令的各操作數(shù)設置：輸出脈沖最高頻率為K10