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1、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,
2、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。,图1 步进电机的功用,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（Variable Reluctance，VR）2、永磁式（Permanent M
3、agnet,PM）3、混合式（Hybrid Stepping,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
4、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
5、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
6、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,
7、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ABC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ABBCCA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AABBBCCCAA顺序通电，则一个循环周期内换接六次，称为三相
8、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36040=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,转速为,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
9、一个步距角，一般范围在0.5030。,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。,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,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
10、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,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负载能力要下降呢？,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？,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,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
11、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。,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,运动轨迹信号,速度信号,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
12、。,例如，某数控机床进给系统的五相步进电动机，步距角=1.5度。脉冲当量p=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/=4104个脉冲，即要走4104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
13、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,R1,R2,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,脉冲分配器,功率放大器(驱动),第四节 步进电机控制系统,（1）脉冲分配器,第四节 步进电机控制系统,（1）脉冲分配器,第四节 步进电机控制系统,（2）功率放大器,第四节 步进电机控制系统,R12,R12,+U1高压,+U2低压,步进电机绕组,控制信号,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
14、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,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,34,26.31.33,32,（1）、运动控制卡开环控制系统连接,34,29,32,（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,
