机电传动控制13

第十三章步进电动机传动控制系统本章要求：掌握步进电动机的基本结构和工作原理，了解驱动电路等。第一节步进电动机一般电动机都是连续旋转，而步进电动却是一步一步转动的，故叫步进电动机。每输入一个冲信号，该电动机就转过一定的角度（有的步进电动机可以直接输出线位移，称为直线电动机）。因此步进电动机是一种把脉冲变为角度位移（或直线位移）的执行元件。步进电动机的转子为多极分布，定子上嵌有多相星形连接的控制绕组，由专门电源输入电脉冲信号，每输入一个脉冲信号，步进电动机的转子就前进一步。由于输入的是脉冲信号，输出的角位移是断续的，所以又称为脉冲电动机。步进电动机具有结构简单、维护方便、精确度高、起动灵敏、停车准确等性能。此外，步进电动机的转速决定于电脉冲频率，并与频率同步。随着数字控制系统的发展，步进电动机的应用将逐渐扩大。一、步进电动机的结构与工作原理步进电动机的种类很多，按结构可分为反应式和激励式两种；按相数分则可分为单相、两相和多相三种。右图是反应式步进电动机结构示意图，它的定子具有均匀分布的六个磁极，磁极上绕有绕组。两个相对的磁极组成一组，联法如图所示。下面介绍反应式步进电动机单三拍、六拍及双三拍通电方式的基本原理。二、单三拍通电方式的基本原理设A相首先通电（B、C两相不通电），产生A-A′轴线方向的磁通，并通过转子形成闭合回路。这时A、A′极就成为电磁铁的N、S极。在磁场的作用下，转子总是力图转到磁阻最小的位置，也就是要转到转子的齿对齐A、A′极的位置（图a）；接着B相通电（A、C两相不通电），转了便顺时针方向转过30°，它的齿和C、C′极对齐（图c）。不难理解，当脉冲信号一个一个发来时，如果按A→C→B→A→…的顺序通电，则电机转子便逆时针方向转动。这种通电方式称为单三拍方式。三、六拍通电方式的基本原理•设A相首先通电，转子齿与定子A、A′对齐（图a）。然后在A相继续通电的情况下接通B相。这时定子B、B′极对转子齿2、4产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，但是A、A′极继续拉住齿1、3，因此，转子转到两个磁拉力平衡为止。这时转子的位置如图b所示，即转子从图(a)位置顺时针转过了15°。接着A相断电，B相继续通电。这时转子齿2、4和定子B、B′极对齐（图c），转子从图(b)的位置又转过了15°。其位置如图3d所示。这样，如果按A→A、B→B→B、C→C→C、A→A…的顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步地转动，步距角15°。电流换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距角。如果按A→A、C→C→C、B→B→B、A→A…的顺序通电，则电机转子逆时针方向转动。这种通电方式称为六拍方式。a）.A相通电b）.A、B相通电c）.B相通电d）.B、C相通电四、双三拍通电方式的基本原理如果每次都是两相通电，即按A、B→B、C→C、A→A、B→…的顺序通电，则称为双三拍方式，从图b，和图d可见，步距角也是30°。因此，采用单三拍和双三拍方式时转子走三步前进了一个齿距角，每走一步前进了三分之一齿距角；采用六拍方式时，转子走六步前进了一个齿距角，每走一步前进了六分之一齿距角。a.A相通电b.A、B相通电c.B相通电d.B、C相通电五、步距角θ的计算：步距角θ可用下式计算：式中Z是转子齿数；m是运行拍数。mZZ360360拍数拍数齿距一般步进电动机最常见的步距角是3°或1．5°。由上式可知，转子上不只4个齿（齿距角90°），而有40个齿（齿距角为9°）。为了使转子齿与定子齿对齐，两者的齿宽和齿距必须相等。因此，定子上除了6个极以外，在每个极面上还有5个和转子齿一样的小齿。步进电动机的结构图如图所示。13.2步进电动机的驱动电源1、驱动电源的组成脉冲分配器功放电路三相步进电机负载功率电源分配器电源功放电路功放电路功率放大器步进脉冲方向信号fABC脉冲分配器+功率放大电路1).脉冲分配器当方向电平为低时，脉冲分配器的输出按A-B-C的顺序循环产生脉冲。fABC当方向电平为高时，脉冲分配器的输出按A-C-B的顺序循环产生脉冲。ABCf2).功率放大器将脉冲分配器的输出信号进行电流放大后给电动机的定子绕组供电，使电动机的转子产生输出转矩。2、步进电动机的脉冲分配器步进电动机的脉冲分配器可由硬件或软件方法来实现。硬件环形分配器：由计数器等数字电路组成的。有较好的响应速度，且具有直观、维护方便等优点。软件环分：由计算机接口电路和相应的软件组成的。受到微型计算机运算速度的限制，有时难以满足高速实时控制的要求。1).硬件环形分配器BQCQCQAQAQBQW-QACAJKAQ+&&QBCBJKBQ+&&RW+QCCBJKCQ+&&RSCP复位&&&A相B相C相序号控制信号状态输出状态导电绕组CAJCBJCCJQAQBQC0110100A1010110AB2011010B3001011BC4101001C5100101CA6110100A2)．软件环形分配软件环分的方法是利用计算机程序来设定硬件接口的位状态，从而产生一定的脉冲分配输出。a)输出接口8031单片机本身包含4个8位I/O端口，分别为P0、P1、P2、P3。输出接口是将计算机的输出端与步进电动机的每相绕组一一对应起来。8031P1.0P1.1P1.2ABC驱动器若要实现三相步进电动机的脉冲分配，需要三根输出口线，本例中选P1口的P1.0、P1.1、P1.2位作为脉冲分配的输出。b)输出模型如果三相步进电动机按单、双拍通电方式工作，即:正转：A-AB-B-BC-C-CA反转：A-AC-C-CB-B-BC根据8031单片机的基本原理，对P1.0、P1.1、P1.2位编程使其按表规定改变输出状态就实现了三相六拍分配任务。P1.7通电相XXXXX001AXXXXX011ABXXXXX010BXXXXX110BCXXXXX100CXXXXX101CAP1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0P1.6P1输送的内容依次为：01HA03HAB02HB06HBC04HC05HCA正转反转输出模型3)控制程序按正转和反转的要求将输出模型向P1口发送，并控制步进电动机的速度。设输出模型存放在存储器中，首地址为2000H，地址指针为DPR,初始值为2000H。初始化正转（DPR）→P1调用延时子程序(DPR)=05HDPR-5→DPRPR+1→DPR（DPR）→P1调用延时子程序(DPR)=01HPR+5→DPRDPR-1→DPRNNNYYY3、步进电动机的功率放大电路步进电动机的功率驱动电路实际上是一种脉冲放大电路，使脉冲具有一定的功率驱动能力。由于功率放大器的输出直接驱动电动机绕组，因此，功率放大电路的性能对步进电动机的运行性能影响很大。1).单电压驱动电路RCRDVL+UVTL－是电动机绕组VT－开关晶体管电阻R两端并联电容C，使电流上升更快，所以，电容C又称为加速电容。二极管V在晶体管VT截止时起续流和保护作用，串联电阻使电流下降更快，从而使绕组电流波形后沿变陡。2).高低压切换型驱动电路RV1L+80VUb1VT1Ub2VT2V2+12VUb10tUb20tI0tt1t2t3高低压驱动线路的优点是：功耗小，启动力矩大，突跳频率和工作频率高。缺点是：大功率管的数量要多用一倍，增加了驱动电源。