机电一体化系统设计5

第五章 步进电机运动控制

常用于开环运动控制系统的驱动 将电脉冲转换为模拟输出轴运动 结构简单、价格低廉、可靠易维修

第一节

系统组成

输入脉冲对应输出步数(角位移) 输入脉冲频率与转速正比 通电方式对应正反转

第二节 步进电机的原理一、分类及工作原理 反应式、永磁式、 反应式、永磁式、永磁反应式 混合式) (混合式) 反应式-----变磁阻式(结构简单、 变磁阻式(结构简单、 反应式 变磁阻式 频率高、步距小。 频率高、步距小。断电时无 定位转矩) 结构如图 结构如图5-3. 定位转矩),结构如图 定子12个极( ), 三相， 定子 个极(齿),A,B,C三相， 个极 三相 四个极上的绕组串联组成1相 四个极上的绕组串联组成 相。 转子： 个齿 无绕组， 个齿， 转子：16个齿，无绕组，每齿 360º/16=22.5º

1、工作原理：电磁铁工作原理，图5-4 、工作原理：电磁铁工作原理， 来3个脉冲，转过一个齿，每个脉冲转过 22.5º/3=7.5º 个脉冲，转过一个齿， 个脉冲 2,通电方式：从一相绕组通电转换到另一组通电，为一 ，通电方式：从一相绕组通电转换到另一组通电， 一个脉冲),每一拍转动一个步距角。 ),每一拍转动一个步距角 拍(一个脉冲),每一拍转动一个步距角。 3、步距角：每步转动的角度 、步距角： θs=360º/mZrC m --定子相数 定子相数, Zr---转子齿数 C----通电方式系数 转子齿数, 定子相数 转子齿数 通电方式系数 单双拍C=2,单拍双拍 单拍双拍C=1) (单双拍 单拍双拍 ) 例：3相，40齿，单三相 Θs=360 º/(3*40)=3º 相 齿 ( )

4、转速计算： 、转速计算： 转角Θ=N.Θs(N 脉冲数) ( 脉冲数) 转角 转速n=f*Θs(/s)=60*f* Θs(º/mi n) 转速 =60*f*Θs/360º(r/min)=60*f/360*360º/ mZrC (r/min) =60*f/ mZrC (r/min)

5、三相六拍(单双拍) 、三相六拍(单双拍) → A→AB→B→BC→C→CA

优点：换相时，总有一相不断电，不抖动，不会丢步， 优点：换相时，总有一相不断电，不抖动，不会丢步，工作 稳定。 稳定。 6、双三拍 、 →AB→BC→CA

稳定， 稳定，需要大步距角时用 7、反转控制 、 单三拍 三相六拍 A→C→B →A→AC→C→BC→B→AB

二、步进电机特性(P169) 步进电机特性( ) 1.矩角特性曲线 图5-10 矩角特性曲线,图 矩角特性曲线 步一个周期， (1)3步一个周期，每相是 ) 步一个周期 每相是120º (2)正弦曲线：转矩是 的函数 Tem=Kdψ/dΘ )正弦曲线：转矩是θ的函数 从一个相到另一个相，ψ从小到大，按正弦规律变化 从一个相到另一个相， 从小到大， 从小到大

2.单脉冲运行特性 单脉冲运行特性 (1)动稳定区，如图5-11, 从一拍切换到另

拍，不丢步的区域. )动稳定区，如图 从一拍切换到另拍，不丢步的区域 裕量角：动稳定区的边界 点到初始平衡位是 点的区域是Θr, 点到初始平衡位是0.点的区域是 裕量角：动稳定区的边界a点到初始平衡位是 点的区域是 称为裕量角。 越大 运行越稳定。 越大， 称为裕量角。Θr越大，运行越稳定。 Θr=180º-ΘsZr=180º-360º/mZrc*ZR=180º-360 º/mc m 大，c 大，则Θr大，运行稳定性好。 大 运行稳定性好。

最大负载转矩Tst (3)启动转矩 )启动转矩-----最大负载转矩 最大负载转矩 Tst应在“0”曲线和”1“曲线交点处。(在此点 应在“ 曲线和” 曲线交点处。(在此点Tem最小) 最小) 应在 曲线和 曲线交点处。(在此点 最小 Tst=Tsm*sinΘr/2=Tsm*cos180º/mc m大，c大，则Tst 也大。 大 大 也大。

(4)连续脉冲运行特性 ) 步进电机不失步启动的最高脉冲频率称为启动频率。 步进电机不失步启动的最高脉冲频率称为启动频率。 步距角越小、裕量角越大、最大静转矩越大、转动惯量越小、 步距角越小、裕量角越大、最大静转矩越大、转动惯量越小、 相绕组时间常数越小，启动频率越高 相绕组时间常数越小， 启动后， 启动后，不失步运行的最高脉冲频率称为连续运行频率 低频共振， 低频共振，高频共振

第三节 步进电机驱动电路

一般要求： 电流能快速升降，电流波形尽量接近矩形 有续流回路，降低绕组的反电动势 功耗低，效率高

一.单极性驱动电路 图5-14 单极性驱动电路

限流电阻的作用： 释放电阻、二极管的作用：

二.双极性驱动电路 (略) 双极性驱动电路 三. 高低压驱动电路 图5-16

四. 斩波恒流驱动电路

五.

细分电路(微步驱动) 细分电路(微步驱动)

1. 细分原理： 细分原理： 对于步进电机有

是相电流ie和转角 的函数， (1)Tem是相电流 和转角 的函数， ) 是相电流 和转角Θ的函数 Tem=-Kie*sin(ZrΘ),(Kie=Tsm) (2)各相矩角特性 Tem-Θ 曲线的相位差 Θs , 图5-10 ) (3)各平衡点的位置是合力矩为 的点 )各平衡点的位置是合力矩为0的点 细分：改变相电流， 内产生若干个各合力矩为零的点. 细分：改变相电流，在Θs内产生若干个各合力矩为零的点 内产生若干个各合力矩为零的点 细分方法和电路很多。 细分方法和电路很多。 细分的优点： 细分的优点： (1)是步距角度减小 倍，提高了分辨率和定位精度 )是步距角度减小N倍 (2)平滑步进运动，减弱振荡。 )平滑步进运动，减弱振荡。