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1、机电传动控制 Transmission and Control of Mechatronics System第13章 步进电动机传动控制系统Chapter 13 Step Motor Transmission and Control System,主讲：刘有源Lecturer:Liu Youyuan武汉理工大学物流工程学院College of Logistics EngineeringWuhan University of Technology,Chapter 13 Step Motor Transmission and Control System,13.1 步进电动机 Step Motor
2、s13.2 步进电动机驱动电源的环形分配器 13.3 步进电动机的驱动电源的功率放大器13.4 步进电动机的控制与应用,主要内容 Contents：,计划学时：2h,13.1 Step Motors,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件,角位移,输入脉冲个数,运行速度,输入脉冲频率,一个电脉冲,一个固定的角度（）,利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线位移或角位移，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。,特点：,转动方向,脉冲顺序,13.1 Step Motors
3、,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,13.1 Step Motors,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,功率放大器,环形分配器,辅助电器,控制器,步进电机,步进电机控制系统的基本构成,步进电机传动控制系统框图,13.1 Step Motors,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,13.1.1 步进电动机的结构与工作原理,1)步进电动机的结构,步进电机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成。,定、转子铁
4、心由软磁材料或硅钢片叠成凸极结构,定、转子磁极上均有小齿，定、转子的齿数相等。其中定子有六个磁极,定子定子磁极上套有星形连接的三相控制绕组，每两个相对的磁极为一相，组成一相控制绕组,转子上没有绕组。转子上相邻两齿间的夹角称为齿距角,13.1 Step Motors,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,13.1 Step Motors,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,2)工作方式,步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。,三相单三拍方式,（1）三相
5、绕组联接方式：Y 型,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，用S表示。,（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。,13.1 Step Motors,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,13.1 Step Motors,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,3)工作原理（三相单三拍）,A相绕组通电，B、C 相不通电。
6、由于在磁场作用下，转子总是力图旋转到磁阻最小的位置，故在这种情况下，转子必然转到左图所示位置：1、3齿与A、A极对齐。,13.1 Step Motors,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,同理，B相通电时，转子会转过30角，2、4齿和B、B 磁极轴线对齐；当C相通电时，转子再转过30角，1、3齿和C、C 磁极轴线对齐。,三相单双六拍,13.1 Step Motors,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,三相绕组的通电顺序为：AABBBCCCAA 共六拍。,工作过程：,A相通
7、电，转子1、3齿和A相对齐。,A、B相同时通电,所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通电，转子转了15。,（1）BB 磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使 转子顺时针方向转动。,（2）AA 磁场继续对1、3齿有拉力。,13.1 Step Motors,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15。,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。,13.1 Step Motors,Ch13 Step Motor Transmission and Control Syste
8、m,三相双三拍,三相绕组的通电顺序为：AB BC CA AB 共三拍。,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。,13.1 Step Motors,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,13.1 Step Motors,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,13.1.2 实用的小步距角步进电机,结构特点：,定子内圈和转子外圈均有齿和槽；定子和转子的齿宽和齿距相等；当A相的定子齿和转子齿对齐时，B相的定子齿应相对于转子齿顺时针方向错开1/3，而C相
9、的定子齿应相对于转子齿顺时针方向错开2/3，,也就是说，当某一相磁极下定子与转子齿相对时，下一相磁极下定子与转子齿的位置刚好错开/m(齿距/相数)，再下一相磁极定子与转子齿错开2/m，以此类推。,步距角：,13.1 Step Motors,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,13.1 Step Motors,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,例如：已知，Z=40，若按三相单三拍运行，则,若按三相单双六拍运行，则,可见：步进电机的转子齿数Z和定子相数（或运行拍数）越多，步距角
10、就越小，控制就越精确。,一般表示为：,f,通电脉冲频率,步进电动机的转速,L,13.1 Step Motors,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,13.1 Step Motors,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,13.1.3 步进电机的分类,1)按步进电动机的工作原理分,(1)励磁式(电磁式),电机的定子转子均有绕组，靠电磁力矩使转子转动,(2)反应式,转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使转子转动。这是我国步进电动机发展的主要类型。,特点：气隙小，定位精度高；步距
11、角小，控制精确；励磁电流较大，要求驱动电源功率大；断电后无定位转矩，使用中需自锁定位。,13.1 Step Motors,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,(3)永磁式,(4)混合式(永磁感应子式),转子或定子一方具有永久磁钢，另一方由软磁材料制成。,特点：步距角大，控制精度不高；控制功率小，效率高；断电后具有一定的定位转矩。,反应式与永磁式的结合。应为其转子上有永久磁钢，所以，产生同样大小的转矩所需的励磁电流大大减小。永磁感应式电机具有步距角小，驱动电流小、效率高、过载能力强，控制精度高，启动和运行频率较高，不通电时有定位转矩等优
12、点，代表步进电动机的最新进展。,按步进电动机输出转矩大小分1)快速步进电动机该类电动机输出转矩一般为0.07 N.m4 N.m。可控制小型精密机床的工作台(例如，线切割机床)。2)功率步进电动机其输出转矩一般为5 N.m40 N.m。可直接驱动机床移动部件。此外，按励磁相数可分为三相、四相、五相、六相等。相数越多，步距角越小，但结构越复杂。按定子排列还可分为多段式(轴向式)和单段式(径向式)。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。,13.1 Step Motors,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,13.1
13、 Step Motors,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,13.1.4 步进电机的主要特性与性能指标,1)主要特性,(1)矩角特性,矩角特性反映了步进电机电磁转矩T随转角变化的关系。,13.1 Step Motors,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,(2)启动惯频特性,(3)运行频率特性,(4)矩频特性,13.1 Step Motors,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,步进电动机的运行特性及影响因素1)步
14、进电动机的基本特点步进电动机工作时的步数或转速既不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件(温度、压力、冲击和振动等)变化的影响，只与控制脉冲同步，它又能按照控制的要求进行启动、停止、反转或改变速度(且能在较宽的范围内通过改变脉冲频率来进行调速)。同时步进电动机具有自锁能力，当控制电脉冲停止输人，而让最后一个脉冲控制的绕组继续通人直流时，则电动机可以保持在固定的位置上。,13.1 Step Motors,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,3).脉冲信号频率对步进电动机的影响,频率低是矩形波频率高I波形畸变电机工作不正常频率很高电流
15、小，负载能力小失步,13.1 Step Motors,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,4).转子机械惯性对步进电动机运行的影响,启动时，由于惯性作用，转子落后于应转过的角度，如果落后太大，或脉冲频率过高，则无法启动。运行中，由于惯性作业，要经过几次振荡后才能停下来。如果这种情况严重，就可能引起失步。因此，应采取措施，消除（减小）振荡。,13.1 Step Motors,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,2).步进电动机的性能指标(1).步距角(2).最大静转矩,13.1
16、 Step Motors,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,2).步进电动机的性能指标(3)空载启动频率f不丢步的最高频率(4)精度步距角精度矩频特性,13.1 Step Motors,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,2)主要性能指标(1).空载启动频率驱动电源的优劣对步进电动机控制系统的运行影响极大，使用时要特别注意，需根据运行要求，尽量采用先进的驱动电源，以满足步进电动机的运行性能。若所带负载转动惯量较大，则应在低频下启动，然后再上升到工作频率，停车时也应从工作频率
17、下降到适当频率再停车。在工作过程中，应尽量避免由于负载突变而引起的误差。若在工作中发生失步现象，首先，应检查负载是否过大，电源电压是否正常，再检查驱动电源输出波形是否正常，在处理问题时不应随意变换元件。,13.1 Step Motors,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,13.2.1步进电动机的驱动,步进电机的驱动控制主要有由分散器件组成的环形脉冲分配器软件环形脉冲分配器专用集成芯片环形脉冲分配器,13.2 步进电机驱动电源的环形分配器,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,
18、13.2 步进电机驱动电源的环形分配器,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,1.硬件环形分配器,13.2 步进电机驱动电源的环形分配器,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,表13.1 环形分配器逻辑真值,13.2 步进电机驱动电源的环形分配器,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,2.软件环分,1)步进电机控制接口,13.2 步进电机驱动电源的环形分配器,Ch13 Step Motor Transmission and
19、 Control System,2).步进电机控制的输出字表,13.2 步进电机驱动电源的环形分配器,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,3 专用集成芯片环形脉冲分配器,PMM8713 专用芯片简介,PMM8713是日本三洋电机公司生产的步进电机脉冲分配器，适用于控制三相或四相步进电机。控制三相或四相步进电机时都可以选择3种励磁方式，每相最小吸入与拉出电流为20mA，它不仅满足后级功率放大器的输入要求，而且在其所有输入端上均内嵌施密特触发电路，抗干扰能力强。,13.2 步进电机驱动电源的环形分配器,Ch13 Step Motor Tr
20、ansmission and Control System,应用实例：,四相步进电机功率驱动电路,13.3.1 单电压限流型驱动电路,缺点：电阻R上有功率消耗,加速电容,13.3 步进电机驱动电源的功率放大器,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,13.3.2 高低压切换型驱动电路,功耗小，启动力矩大，f高。,13.3 步进电机驱动电源的功率放大器,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,步进电动机的驱动,步进电动机的驱动电源主要由脉冲发生器、脉冲分配器和脉冲放大器（也称功率放大器
21、）三部分组成。,步进驱动器与电机的接线,在步进驱动模块面板的24V和0V端子引入DC 24V 电源。驱动器的输入信号为CP+、CP-和DIR+、DIR-，参见下图。在外部接成共阳方式：把CP+和DIR+接在一起作为共阳端，由电气箱中PLC的Y0端子输出脉冲信号，脉冲信号接入CP-端，方向信号接入DIR-端。,步进驱动器与电机的接线,当CP+和DIR+输入+24V时，在脉冲信号接入端CP-，方向信号接入端DIR-分别接入2K限流电阻（本模块已在内部接入2K电阻）。分别把电机的A相、B相接入驱动器的A相、B相输出端。,步进电动机的驱动,13.4 步进电机的控制与应用,Ch13 Step Motor
22、 Transmission and Control System,13.4.1 步进电机步距角的细分控制,步距角由步进电机的结构所限定。,实际应用中物流提高数控设备的控制精度，应减小脉冲当量。采用的方法如下：,(1)减小步进电机的步距角；(2)加大步进电机与传动丝杆间齿轮的传动比和减小传动丝杆的螺距；(3)将步进电机的步距角进行细分。,前两种，受机械结构和制造工艺的限制；,13.4 步进电机的控制与应用,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,1)步距角细分的基本原理,2)步距角细分的控制,13.4 步进电机的控制与应用,Ch13 Ste
23、p Motor Transmission and Control System,13.4.2 步进电机的开环控制,13.4 步进电机的控制与应用,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,13.4.2 步进电机的闭环控制,13.4 步进电机的控制与应用,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,13.4.3 步进电机的控制举例,1)步进电机的单片机控制,2)步进电机的PLC控制,使用PLC直接控制步进电机时，可使用PLC产生控制步进电机所需要的各种时序的脉冲。例如三相步进电机可采用三种工
24、作方式,三相单三拍三相双三拍三相单六拍,13.4 步进电机的控制与应用,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,可根据步进电机的工作方式，以及所要求的频率（步进电机的速度），画出A、B、C各相的时序图。并使用PLC产生各种时序的脉冲,例如：采用西门子S7-300PLC控制三相步进电机的过程,要求通过PLC可实现三相步进电机的起停控制、正反转控制，以及三种工作方式的切换（每相通电时间为1秒钟）,13.4 步进电机的控制与应用,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,启动按钮SB1：I0
25、.0方向选择开关SA1：I0.1停止按钮SB2：I0.2三相单三拍方式选择SA2：I0.3三相双三拍方式选择SA3：I0.4三相单六拍方式选择SA4：I0.5,变量约定如下：,输入：,13.4 步进电机的控制与应用,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,A相加电压：Q0.0B相加电压：Q0.1C相加电压：Q0.2启动指示灯：Q0.3三相单三拍运行方式：Q0.4三相双三拍运行方式：Q0.5三相单六拍运行方式：Q0.6输出脉冲显示灯：Q0.7,输出：,13.4 步进电机的控制与应用,Ch13 Step Motor Transmission
26、and Control System,三相单三拍正向的时序图如图所示,13.4 步进电机的控制与应用,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,三相双三拍正向的时序图如图所示,13.4 步进电机的控制与应用,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,三相单六拍正向时序图如图所示,13.4 步进电机的控制与应用,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,编程方法：,1)使用定时器指令实现各种时序脉冲的要求：使用定器产生不同工作方式下的工
27、作脉冲，然后按照控制开关状态输出到各相对应的输出点控制步进电机,例如：使用图所示的程序可以产生所需要的脉冲,M0.0作为总控制状态位，控制脉冲发生指令是否启动。一旦启动，采用T0、T1、T2以及它们的组合可以得到三相单三拍和三相双三拍的两种工作方式下，各相的脉冲信号。如T0的状态为三相单三拍工作状态下A相的脉冲。同理可使用类似程序得到三相单六拍时各相所需的脉冲信号。,13.4 步进电机的控制与应用,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,13.4 步进电机的控制与应用,Ch13 Step Motor Transmission and Co
28、ntrol System,2)使用移位指令实现各相所需的脉冲信号,例如在MW10中进行移位，每次移位的时间为1秒钟。如图为三相单六拍正向时序流程图，三相单三拍可利用相同的流程图，从M11.1开始移位，每次移两位，而三相双三拍从M11.2开始，每次移两位。,13.4 步进电机的控制与应用,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,在程序段1中，先产生周期为1秒钟的脉冲信号，如图所示,13.4 步进电机的控制与应用,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,在不同的工作方式下赋予MW10不同
29、的初值，如图程序段24所示,13.4 步进电机的控制与应用,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,程序段2：三相单三拍或三相单六拍工作方式，此时均从M11.0开始移位，两种工作方式均为M11.6为“1”时返回。程序段3：三相双三拍工作方式，此时从M11.1开始因为，而在M11.7时返回。程序段4：若按下停止按钮或没有选择工作方式时，MW10中的内容为“0”，则不会有输出。,在不同的工作方式下，将移位指令移动的位数保存在MW20中，程序如图所示,13.4 步进电机的控制与应用,Ch13 Step Motor Transmission an
30、d Control System,13.4 步进电机的控制与应用,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,程序段5：三相单三拍或三相双六拍，每次应移动2位。程序段6：三相单六拍，每次应移动一位。程序段7为移位指令，由于T1的周期为1秒钟，因此每间隔1秒钟，移位指令左移指定的位数。再将MW10中对应的位控制相应的输出，可实现步进电机的控制。步进电机的反向控制可根据相同的办法来实现。,13.4 步进电机的控制与应用,Ch13 Step Motor Transmission and Control System,第13章 步进电动机传动控制系统
31、 例 题,例13.1一台三相反应式步进电动机，采用三相六拍分配方式，转子有40个齿，脉冲源频率为600Hz，求：(1)写出一个循环的通电程序,(2)求步进电动机步距角(3)求步进电动机转速 n 解(1)脉冲分配方式有两种：,A-AB-B-BC-C-CA A-AC-C-CB-B-BA,第13章 步进电动机传动控制系统 例 题,例13.2 若一台 BF系列四相反应式步进电动机，其步距角为 1.80/0.90。试问：(1)1.80/0.90表示什么意思?(2)转于齿数为多少?(3)写出四相八拍运行方式的一个通电顺序。(4)在A相测得频率为400Hz时，其每分钟的转速为多少?解(I)根据步进电机结构的
32、概念可知1.80/0.90分别表示单四拍运行的步距角和单双八拍运行的步距角。,第13章 步进电动机传动控制系统 例 题,例13.2(4)在A相测得频率为400Hz时，其每分钟的转速为多少?解,第13章 步进电动机传动控制系统 小 结,基本要求 掌握步进电动机步矩角和步进电动机转速的数学表达式及其物理意义；了解步进电动机环形分配器的基本原理及其硬、软件的实现方法，了解两种不同类型步进电动机的驱动电路及其优缺点；掌握步进电动机的结构、运行特性及影响因素。,第13章 步进电动机传动控制系统 小 结,重点与难点 1重点 分析和设计简单的步进电动机驱动电路：掌握步进电动机的主要性能指标。2难点 步进电动机的不同结构，不同脉冲分配方式及其运行性能:驱动电路对步进电动机运行性能的影响。,第13章 步进电动机传动控制系统 习 题,13.1 13.8 13.9,
