步进电机的结构与原理

第3讲步进电机控制系统主讲老师:刘遥生机电传动控制技术系列讲座内容:第一讲：机电传动概述及控制系统中常用检测元件主要内容：讲述机电传动的目的和任务及发展概况，介绍机电传动控制系统中常用的元器件（如速度传感器、线位移传感器、角位移传感器等）。第二讲：机电传动控制系统主要内容：讲述机电传动控制系统的组成和分类，重点介绍机电传动控制系统调速方法。第三讲：步进电机控制系统主要内容：讲述步进电机的结构、原理和控制系统;重点介绍步进电机的控制与应用等方面的知识。第三讲步进电机控制系统目的：1、了解步进电机的一般结构与工作原理2、掌握步进电机基本特性及应用3、学会步进电机控制方法内容：一、步进电机的分类二、步进电机的结构和工作原理三、步进电机的主要技术指标四、步进电机的控制第一节步进电机分类1、何谓步进电动机又称为脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行元件。其功用是将脉冲电信号变换为相应的角度位移或直线位移，即给一个脉冲电信号，电动机就转动一个角度或前进一步。转角控制电脉冲tt图1步进电机的功用驱动器步进电机控制电脉冲第一节步进电机分类2、步进电动机产品外形步进电机驱动器第一节步进电机分类2、步进电动机产品外形第一节步进电机分类3、步进电动机分类步进电机在构造上有三种主要类型：1、反应式（VariableReluctance，VR）2、永磁式（PermanentMagnet,PM）3、混合式（HybridStepping,HS）。反应式永磁式混合式反应式结构第一节步进电机分类3、步进电动机分类反应式：定子上有绕组、转子由软磁材料组成。结构简单、成本低、步距角小，可达1.2°、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。永磁式：永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大（一般为7.5°或15°）。混合式：混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。反应式永磁式混合式20世纪60年代后期，在步进电动机本体方面随着永磁材料的发展，各种实用性步进电动机也应运而生，而半导体技术的发展则推进了步进电动机在众多领域的应用。在近30年间，步进电动机迅速地发展并成熟起来。从发展趋向来讲，步进电动机已经能与直流电动机、异步电动机、以及同步电动机并列，从而成为电动机的一种基本类型。我国步进电动机的研究及制造起始于本世纪50年代后期，从50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品，这些产品以多段结构三相反应式步进电动机为主。70年代初期，步进电动机的生产和研究有所突破，除反映在驱动器设计方面的长足进步外，对反应式步进电动机本体的设计研究发展到一个较高水平。70年代中期至80年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电动机不断被开发。自80年代中期以来，由于对步进电动机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电动机及驱动器作为产品广泛利用4、步进电动机的发展第一节步进电机分类步进电机主要用于一些有定位要求的场合。例如：线切割的工作台拖动，植毛机工作台（毛孔定位），包装机（定长度）。打印机，汽车油门控制系统，扫描仪等。基本上涉及到定位的场合都用得到。5、步进电动机的应用领域第一节步进电机分类第二节步进电机结构和工作原理1、步进电机的结构第二节步进电机结构和工作原理1、步进电机的结构由定子和转子二大部分组成定子转子第二节步进电机结构和工作原理1、步进电机的结构－－定子第二节步进电机结构和工作原理1、步进电机的结构－－定子第二节步进电机结构和工作原理2、步进电机的结构－－转子第二节步进电机结构和工作原理2、步进电机的结构－－转子(1)定子由硅钢片叠成，装上一定相数的控制绕组，由环行分配器送来的电脉冲对多相定子绕组轮流进行励磁；-第二节步进电机结构和工作原理3、步进电机的结构原理由用硅钢片叠成或用软磁性材料做成凸极结构。转动1个齿，转角发生了90度变化。(2)转子-第二节步进电机结构和工作原理3、步进电机的结构原理定子上有六个均布的磁极，每个磁极上又有5个小齿，齿距相等，齿间夹角为9度转子上无绕组，只有均布的40个小齿，定子磁极的齿与转子上的齿依次错开1/3齿距。第二节步进电机结构和工作原理4、步进电机的结构原理－－反应式第二节步进电机结构和工作原理5、步进电机的工作原理－－反应式依此轮流通电，转子就沿着A—B—C的方向旋转。从一相通电换接到另一相通电，转子转过一个步距角，称为一拍在一个循环周期内换接三次，称为三相单三拍运行动画如果通电方式按AB—BC—CA的顺序，每次接通两相绕组，称为三相双三拍运行。步距角也是30度动画当按A—AB—B—BC—C—CA—A顺序通电，则一个循环周期内换接六次，称为三相六拍运行，此时步距角为15度动画A相绕组通电B相绕组通电C相绕组通电第二节步进电机结构和工作原理5、步进电机的工作原理－－反应式第二节步进电机结构和工作原理5、步进电机的工作原理－－反应式转子齿数z=40，相数m=3，t为齿距，其对应空间角度为360／40=9度，则定子相邻磁极间的转子齿数为6.2/3第二节步进电机结构和工作原理5、步进电机的工作原理－－反应式由此可见，m相步进电动机的步距角与定子绕组的相数m、转子的齿数Z和通电方式k（拍数/m相数）有关，即mzk360转速为min)/(60rmzkfn第二节步进电机结构和工作原理5、步进电机的工作原理－－反应式1、步距角----从一相通电换接到另一相通电，转子转过一个步距角，一般范围在0.50～30。2、起动频率：步进电动机能够不失步起动的最高频率。起动频率是随着负载大小而变化的，负载大，起动频率低。TL0启动矩频特性fqfq0J启动惯频特性第三节步进电机主要技术指标3、连续运行频率：步进电机连续运行时，如输入脉冲频率逐渐升高仍能保证不丢步运行的极限频率，称为连续运行频率。有时称为最高连续频率或最高工作频率，记作fmax．连续运行频远大于启动频率fq，这是出于启动时有较大的惯性扭矩并需要一定加速时间缘故．第三节步进电机主要技术指标Tjmax-π+π0Tθe稳定平衡点转角特性图4、最大静态转矩Mmax----是指在某相始终通电，转子不动时，所能承受的最大负载转矩。反映了制动能力和低速步进运行时的负载能力。这项指标反映了步进电机的带负载能力和工作的快速响应特性。Mmax值愈大，电机带负载能力愈强，快速性愈好．第三节步进电机主要技术指标5、矩频特性：动态转矩与脉冲频率的关系称为矩频持性，步进电机的动态转矩即电磁力矩随频率升高而急剧下降．Mq0f矩频特性第三节步进电机主要技术指标0Tqf为什么频率增高以后步进电机的负载能力要下降呢？电流放大器电源步进电机一相绕组驱动信号R1R2RLTa第三节步进电机主要技术指标为什么频率增高以后步进电机的带负载能力要下降呢？电流放大器电源步进电机一相绕组驱动信号R1R2RLTa因为频率越高，通过线圈绕组的平均电流越小，电磁力矩就越小。所以，带负载能力就要下降。第三节步进电机主要技术指标1、步进电机控制系统方框图驱动器运行指令变频信号脉冲分配功率放大步进电机控制器执行元件步进电机控制系统由控制器、驱动器和执行元件等三大部分组成。第四节步进电机控制系统2、控制器运行指令变频信号控制器变频脉冲发生系统指令系统控制器功能：由指令系统发出的速度和方向指令，控制脉冲发生系统产生相应频率的脉冲信号和高、低电平的方向信号。控制器组成：第四节步进电机控制系统3、控制的器作用运行指令变频信号控制器方向信号正转反转运动轨迹信号速度信号tET1tET1速度信号运动轨迹信号xvxv第四节步进电机控制系统1、控制器的作用运行指令变频信号控制器方向信号运动轨迹信号速度信号实现的方法：（1）PC机（2）PLC（3）电子电路第四节步进电机控制系统步数控制步进电动机在用于软盘驱动、打印机和数控机床进给系统中，都需要精确定位，所以在编写程序时，需先给定应走的步数。例如，某数控机床进给系统的五相步进电动机，步距角θ=1.5度。脉冲当量δp=0.005mm，要求走刀距离为L=20cm。求需要多少个脉冲？步进电机转多少圈？答：需要L/δ=4×104个脉冲，即要走4×104步(166.7圈)才能走完这段距离。速度的控制通过控制脉冲分配频率可实现步进电动机的速度控制。速度控制也有硬、软件两种方法。硬件方法是在硬件脉冲分配器的脉冲输入端(CP)接一个可变频率脉冲发生器，改变其振荡频率，即可改变步进电动机速度。(1)步数和速度控制第四节步进电机控制系统(2)速度轨迹的控制步进电动机允许的起动频率一般较低(100步／秒～250步／秒)。当要求高速运行时，必须从低频起动，然后逐渐加速；第四节步进电机控制系统(3)速度信号的频率与步进电机带负载能力的分析电流放大器电源步进电机一相绕组驱动信号R1R2RLTa第四节步进电机控制系统2、驱动器第四节步进电机控制系统环形分配器第一相放大器器第二相放大器器步进电机输入脉冲负载第三相放大器脉冲分配器功率放大器(驱动)2、驱动器步进电动机的驱动器由:第四节步进电机控制系统（1）脉冲分配器通电相QCQBQA正转X(1)反转X(0)A001AB011B010BC110C100CA101环形分配器第一相放大器器第二相放大器器步进电机输入脉冲负载第三相放大器第四节步进电机控制系统环形分配器第一相放大器器第二相放大器器步进电机输入脉冲负载第三相放大器（1）脉冲分配器第四节步进电机控制系统环形分配器第一相放大器器第二相放大器器步进电机输入脉冲负载第三相放大器电流放大器电源步进电机一相绕组驱动信号R1R2（2）功率放大器第四节步进电机控制系统R12R12+U1高压+U2低压步进电机绕组控制信号U1U2U高低电压切换电源低压控制回路高压控制回路（2）功率放大器第四节步进电机控制系统4、步进电机使用步进电机第四节步进电机控制系统4、步进电机使用步进电机第四节步进电机控制系统4、步进电机驱动器使用第四节步进电机控制系统STEP/REV16003200640012800D4ONOFFONOFFD3ONONOFFOFF输出电流设定第四节步进电机控制系统（1）、运动控制卡开环控制系统—组成运动控制卡计算机并口线I/O板开关电源第四节步进电机控制系统驱动器步进电机I/O板开关电源运动控制卡计算机并口线（1）、运动控制卡开环控制系统—连接方向信号输入端（DIR1-）脉冲信号输入端（OUT1-）DIR1+OUT1+步进电机DC24V3426.31.3332（1）、运动控制卡开环控制系统—连接342932（1）、运动控制卡开环控制系统—实际连接（1）、运动控制卡开环控制系统—与计算机相连接（2）、单片机开环控制系统驱动器步进电机开关电源单片机（2）、单片机开环控制系统（2）、单片机开环控制系统单片机步进电机开关电源输入AC220V（3）、PLC开环控制系统驱动器步进电机开关电源可编程序控制器(s7-200)（4）、自制脉冲发生组成开环控制系统驱动器步进电机开关电源可编程序控制器(s7-200)练习步进电机系统的控制接线