第3章步进电机传动控制

第3章步进电动机传动控制杨艳娟[e-mail]13710171451机电传动控制华南理工大学工控学院步进电动机传动控制特点：(1)总位移量取决于总脉冲数；(2)转子运动的速度取决于脉冲信号的频率；(3)转子转动的方向取决于脉冲信号的顺序。机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。机电传动控制华南理工大学工控学院步进电动机传动控制种类：有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。应用：步进机的应用非常广泛。如：在数控机床、自动绘图仪等设备中都得到应用。下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。机电传动控制华南理工大学工控学院步进电动机传动控制脉冲分配器功放电路三相步进电机负载放大器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步进电动机驱动系统框图机电传动控制华南理工大学工控学院步进电动机的结构步进机主要由两部分构成：定子和转子。定子由硅钢片叠成，装上一定相数的控制绕组；转子用硅钢片叠成或软磁性材料做成凸极结构。定子转子定子绕组三相反应式步进电动机的结构简图机电传动控制华南理工大学工控学院步进电动机的结构定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。注意：这里的相和三相交流电中的“相”的概念不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图的联接和组数的区别。U1V1定子转子IUIVIWU2V2W2W1三相反应式步进电动机机电传动控制华南理工大学工控学院步进电动机的工作原理给U相绕组通电时，转子位置如图（a），转子齿偏离定子齿一个角度。由于励磁磁通力图沿磁阻最小路径通过，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转动，当转子转到与定子齿对齐位置时(图b)，因转子只受径向力而无切线力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。由此可见：错齿是助使步进电机旋转的根本原因。（a）（b）机电传动控制华南理工大学工控学院三相绕组中的通电顺序为：U相V相W相U相通电，U方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。U相通电使转子1、3齿和U相对齐。W1V1V2W2U13412U2通电方式——单相轮流通电方式机电传动控制华南理工大学工控学院U1同理，V相通电，转子2、4齿和V相轴线对齐，相对U相通电位置转30；W相通电再转30。W2W1U2V1V2U1W2V2V1W1U2机电传动控制华南理工大学工控学院W1V1V2W2U12341U2U相通电使转子2、4齿和U相对齐。U相V相W相U相W1V1V2W2U13412U2U相V相机电传动控制华南理工大学工控学院U1W2V2V1W1U2U相V相W相U相V相机电传动控制华南理工大学工控学院W2W1U2V1V2U1U相V相W相U相V相W相机电传动控制华南理工大学工控学院W1V1V2W2U11234U2U相V相W相U相V相W相U相机电传动控制华南理工大学工控学院W2W1U2V1V2U1U相V相W相U相V相W相U相V相机电传动控制华南理工大学工控学院W2W1U2V1V2U1U相V相W相U相V相W相U相V相W相机电传动控制华南理工大学工控学院W1V1V2W2U14123U2U相V相W相U相V相W相U相V相W相U相机电传动控制华南理工大学工控学院U1W2V2V1W1U2U相V相W相U相V相W相U相V相W相U相V相机电传动控制华南理工大学工控学院W2W1U2V1V2U1U相V相W相U相V相W相U相V相W相U相V相W相机电传动控制华南理工大学工控学院U相V相W相U相V相W相U相V相W相U相V相W相U相W1V1V2W2U13412U2步进电动机以一种通电状态换到另一种通电状态就叫做一”拍”。机电传动控制华南理工大学工控学院这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过30。此角称为步距角。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。机电传动控制华南理工大学工控学院通电方式——三相单双六拍三相绕组的通电顺序为：UUVVVWWWUU共六拍。工作过程：U相通电，转子1、3齿和U相对齐。W1V1V2W2U13412U2机电传动控制华南理工大学工控学院所以转子转到两磁拉力平衡的位置上(UV两定子磁极对称的中心)。相对U1U2通电，转子转了15°。（1）V1V2磁场对2、4齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针方向转动。（2）U1U2磁场继续对1、3齿有拉力。U、V相同时通电W1U2V1V2W2U1W1V1V2W2U13412U2U相通电机电传动控制华南理工大学工控学院总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为15。W1U2V1V2W2U1V相通电，转子2、4齿和V相对齐，又转了15。机电传动控制华南理工大学工控学院通电方式——三相双三拍三相绕组的通电顺序为：UVVWWUUV共三拍。UV通电W1U2V1V2W2U1VW通电W1U2V1V2W2U1机电传动控制华南理工大学工控学院以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转30，即步距角=30。WU通电通电方式——三相双三拍W1U2V1V2W2U1机电传动控制华南理工大学工控学院小步距角的步进电动机定子上有三对磁极，分别绕有三相绕组，当U相的定子齿与转子对齐时，，V相的定子齿与转子齿顺时针方向错开1/3齿距，而W相磁极下定子与转子齿顺时针方向错开2/3齿距。当定子各相绕组轮流通电一次，转子就转过一个齿距。为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽和齿槽和转子相同。定子上有m相，齿距为，，当某一相磁极下定子与转子的齿对齐时，下一相磁极下定子齿与转子齿顺时针方向错开/m，而再下一相磁极下定子与转子齿顺时针方向错开2/3。机电传动控制华南理工大学工控学院（1）U相通电时，定子U相的五个小齿和转子对齐。此时，V相和U相空间差120，含120/9=个齿。U相和W相差240，含240/9=个齿。所以，U相定子的五个小齿与转子对齐时，V相、W相不能对齐，V相的转子、假设转子齿数在z＝40，则转子的齿距等于360/40=9，齿宽、齿槽各4.5。小步距角的步进电动机工作原理：假设是单三拍通电工作方式。定子相差1/3个齿（3），W相的转子、定子相差2/3个齿（6）。31133226机电传动控制华南理工大学工控学院若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，转子只转1.5。步进电动机的转动方向仍由通电顺序决定。（3）V相断电、W相通电后，转子只需转过1/3个齿（3），使W相定子与转子对齐。（2）U相断电、V相通电后，转子只需转过1/3个齿（3），使V相定子与转子对齐。小步距角的步进电动机机电传动控制华南理工大学工控学院f：电脉冲的频率步进电机的转速(r/min)fKmzfKmzfnb606022602步进机通过一个电脉冲,转子转过的角度,称为步距角。K：状态系数，相邻两次通电相数一致时，K＝1，如单、双三拍；反之K＝2，如三相六拍；z：转子齿数。zKmb360如：z=40,三相单三拍或三相双三拍时3340360bb如：z=40,三相六拍时5.13240360b小步距角的步进电动机机电传动控制华南理工大学工控学院步进电机的分类1.按工作原理分类激磁式（电磁式）步进电动机的定子和转子均有绕组，靠电磁力矩使转子转动。反应式（磁阻式）转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使转子转动。永磁式转子和定子的某一方具有永久磁钢，另一方由软磁材料制成。绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生转矩。混合式（永磁感应式）从定子或转子的导磁体来看，它如反应式，与反应式的主要区别是转子上置有磁钢，输入能量全靠定子励磁电流供给，静电电流比永磁式大许多；从它的磁路内含有永久磁钢这点看，又可以说它是永磁式，但因其结构的不同，使其作用原理以及性能方面，都与永磁式步进电动机有明显的区别，它好像是反应式和永磁式的结合。机电传动控制华南理工大学工控学院步进电机的分类2.按输出转矩的大小分类快速步进电动机电动机的输出转矩一般为0.07～4Nm，可以控制小型精密机床的工作台，例如线切割机床。功率步进电动机电动机的输出转矩一般为5～40Nm，可直接驱动机床的移动部件。此外，按励磁相数可分为三相、四相、五相、六相、等等。相数越多，步距角越小，但结构越复杂。按运动方式分为旋转运动、直线运动、平面运动等。按定子排列还可分为径向式（单段式）和轴向式（多段式），轴向式的转动惯量小，快速性和稳定性好，功率步进电动机多为轴向式，机电传动控制华南理工大学工控学院3.2.1步进电机的驱动方式脉冲分配器功放电路三相步进电机负载放大器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步进电动机驱动系统框图机电传动控制华南理工大学工控学院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。机电传动控制华南理工大学工控学院3.2.2步进电机的环形分配器硬件环形分配器：硬件环形分配器由门电路和双稳态触发器组成的逻辑电路构成。有较好的响应速度，且具有直观、维护方便等优点。（1）集成脉冲分配器（2）EPROM在环形分配器中的应用软件环分：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。机电传动控制华南理工大学工控学院集成脉冲分配器R,R*——R是双三拍的复位端，R*是六拍的复位端J3r、J3L两端子是三相双三拍的控制端，J6r、J6L是三相六拍的控制端，三相双三拍工作时，若J3r＝“1”，而J3L＝“0”，则电机正转；若J3r＝“0”，J3L＝“1”，则电机反转；三相六拍供电时，若J6r＝“1”，J6L＝“0”，则电机正转；若J6r＝“0”，J6L＝“1”，电机反转。CL端是时钟脉冲输入端，EN是时钟脉冲允许端，用以控制时钟脉冲的允许与否。当脉冲CP由CL端输入，只有EN端为高电平时，时钟脉冲的上升沿才起作用。CH250也允许以EN端作脉冲CP的输入端，此时，只有CL为低电平时，时钟脉冲的下降沿才起作用。机电传动控制华南理工大学工控学院EPEOM在环形分配器中的应用结合驱动电源线路按步进电机励磁状态转换表求出所需的环形分配器输出状态表，以二进制码的形式依次存入EPROM中，在线路中只要按照地址的正向或反向顺序依次取出地址的内容，则EPROM的输出端即依次表示各励磁状态。机电传动控制华南理工大学工控学院软件环分2.软件环形分配器设置输出接口设输出口的A0接U相；A1接V相；A2接W相。设计环形分配子程序在存储器中建立环形分配表。设计延时子程序主程序每调用一次环形分配子程序，就按顺序改变一次步进电动机通电状态，而后调用延时子程序控制通断节拍，从而改变步进频率。I/O接口图I/O接口A口1A2A0AW相V相U相机电传动控制华南理工大学工控学院软件环分表3.6环形分配表存储元件地址单元内容对应通电相K＋0K＋1K＋2K＋3K＋4K＋501H（0001）03H（0011）02H（0010）06H（0110）04H（0100）05H（0101）UUVVV存储器各单元中存放对应绕组通电的顺序数值。当运行程序时