第4章步进电动机运动控制课件.ppt
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- 步进 电动机 运动 控制 课件
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1、2022-12-16Tianjin University of Technology12022-12-16Tianjin University of Technology2矩角特性及动态特性矩角特性及动态特性 步进电动机的控制电路步进电动机的控制电路 典型步进电动机运动控制系统的硬件和软件典型步进电动机运动控制系统的硬件和软件 步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理2022-12-16Tianjin University of Technology3 步进电动机是一种步进电动机是一种将脉冲信号变换成将脉冲信号变换成相应的角位移相应的角位移(或线位移或线位移)的电磁装置的电磁装置,是,是一种特
2、殊的电动机。一般电动机都是连续一种特殊的电动机。一般电动机都是连续转动的,而步进电动机则有定位和运转两转动的,而步进电动机则有定位和运转两种基本状态,当有脉冲输入时步进电动机种基本状态,当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动,每给它一个脉冲信号,一步一步地转动,每给它一个脉冲信号,它就转过一定的角度。它就转过一定的角度。2022-12-16Tianjin University of Technology4优点优点缺点缺点结构简单、价格便宜、工作可靠,能将数字的电结构简单、价格便宜、工作可靠,能将数字的电脉冲输入直接转换为模拟的输出轴运动。脉冲输入直接转换为模拟的输出轴运动。具有较强的非线性,高
3、性能的闭环控制比较困难。具有较强的非线性,高性能的闭环控制比较困难。2022-12-16Tianjin University of Technology5永磁式步进电动机永磁式步进电动机 永磁感应式步进电动机永磁感应式步进电动机 根据工作原理,步进电动机可以分为根据工作原理,步进电动机可以分为 反应式步进电动机反应式步进电动机2022-12-16Tianjin University of Technology6 定子和转子均由硅钢片定子和转子均由硅钢片铁芯组成铁芯组成,定子上有若干对定子上有若干对磁极,磁极上有控制绕组。磁极,磁极上有控制绕组。在转子的圆柱面上有均匀分在转子的圆柱面上有均匀分布
4、的小齿。依靠定子与转子布的小齿。依靠定子与转子之间的气隙磁场吸力的作之间的气隙磁场吸力的作用,产生电磁矩,使转子向用,产生电磁矩,使转子向气隙磁阻减小的位置方向转气隙磁阻减小的位置方向转动。动。图图4-1 4-1 反应式步进电动机反应式步进电动机 2022-12-16Tianjin University of Technology7l首先有一相线圈首先有一相线圈(设为设为A A相相)通电,则转子通电,则转子1 1、3 3两齿被磁极两齿被磁极A A吸住,转子就停留在图吸住,转子就停留在图a a的位的位置上置上;l然后,然后,A A相断电,相断电,B B相通电,则磁极相通电,则磁极A A的磁场消失
5、磁极的磁场消失磁极B B产生了磁场,磁极产生了磁场,磁极B B的磁场把离它的磁场把离它最近的最近的2 2、4 4两齿吸引过去,停止在图两齿吸引过去,停止在图b b的位置上,这时转子逆时针转了的位置上,这时转子逆时针转了3030;l再接下去再接下去B B相断电,相断电,C C相通电。根据同样道理,转子又逆时针转了相通电。根据同样道理,转子又逆时针转了3030,停止在图,停止在图c c的位的位置上。置上。2022-12-16Tianjin University of Technology8优点优点 结构简单,启动和运行时频率较高,步距角一结构简单,启动和运行时频率较高,步距角一般为般为1.51.5
6、-15-15。缺点缺点 消耗功率较大,断电时无定位转矩。消耗功率较大,断电时无定位转矩。2022-12-16Tianjin University of Technology9 永磁式步进电动机的永磁式步进电动机的定子极上有两相或多相控定子极上有两相或多相控制绕组,转子为一对或多制绕组,转子为一对或多对极的星形对极的星形永久磁钢永久磁钢。转。转子的极数与定子每相的极子的极数与定子每相的极数相同。一个典型的四相数相同。一个典型的四相永磁式步进电动机的原理永磁式步进电动机的原理如图如图4-34-3所示。所示。图图4-3 4-3 永磁式步进电动机永磁式步进电动机 2022-12-16Tianjin U
7、niversity of Technology10优点优点 由于转子为永久磁钢,永磁式步进电动机断电由于转子为永久磁钢,永磁式步进电动机断电时有定位转矩,消耗功率较小;时有定位转矩,消耗功率较小;缺点缺点 步进电动机步距角较大步进电动机步距角较大(一般为一般为7.57.5-18-18),启动和运行频率较低,并需要正、负脉冲供电。启动和运行频率较低,并需要正、负脉冲供电。2022-12-16Tianjin University of Technology11 永磁感应式步进永磁感应式步进电动机定子结构与反电动机定子结构与反应式步进电动机类似,应式步进电动机类似,而转子由环形磁钢且而转子由环形磁钢
8、且两端罩上两段帽式铁两端罩上两段帽式铁芯组成。这两段转子芯组成。这两段转子铁芯的外圆周上有均铁芯的外圆周上有均布的齿槽,二者的装布的齿槽,二者的装配位置从轴向看上去配位置从轴向看上去错开半个齿距。错开半个齿距。图图4-4 4-4 混合式步进电动机混合式步进电动机 2022-12-16Tianjin University of Technology12 图图4-54-5所表示的磁路,所表示的磁路,磁通沿着如下路径:由永磁通沿着如下路径:由永久磁铁的久磁铁的N N极进入极进入A A段转子,段转子,然后由极然后由极1 1和和5 5离开离开(极极l l和和5 5由由I Il l磁化,这时磁路的磁磁化,
9、这时磁路的磁阻为最小阻为最小),经过定子机壳,经过定子机壳,再由定子极再由定子极3 3和和7 7进入进入B B段转段转子子(注意,注意,I I1 1磁化极磁化极3 3和和7 7,磁通进人磁通进人B B段转子的磁阻为段转子的磁阻为最小最小),从而在永久磁铁的,从而在永久磁铁的S S端完成闭路。端完成闭路。图图4-5 4-5 混合式步进电动机磁路混合式步进电动机磁路 2022-12-16Tianjin University of Technology13优点优点 步距角可做得较小步距角可做得较小(一般为一般为0.90.9-3.6-3.6),启,启动和运行频率较高,消耗功率较小,断电时有动和运行频率
10、较高,消耗功率较小,断电时有定位转矩,兼有反应式和永磁式的优点;定位转矩,兼有反应式和永磁式的优点;缺点缺点 需要正、负脉冲供电,制造工艺较复杂。需要正、负脉冲供电,制造工艺较复杂。2022-12-16Tianjin University of Technology14三种步进电动机的比较三种步进电动机的比较永磁式步进电动机永磁式步进电动机 永磁感应式步进电动机永磁感应式步进电动机 结构简单,启动和运行时频率较高,步距角一般结构简单,启动和运行时频率较高,步距角一般1.5 15。但是,消耗功率较大,断电时无定位转矩。但是,消耗功率较大,断电时无定位转矩。断电时有定位转矩,消耗功率较小。但是,这
11、种步进电断电时有定位转矩,消耗功率较小。但是,这种步进电动机步距角较大动机步距角较大(一般为一般为7.57.5 1818),启动和运行频率较,启动和运行频率较低,并需要正、负脉冲供电。低,并需要正、负脉冲供电。步距角可做得较小步距角可做得较小(一般为一般为0.9 3.6),启动和运行频启动和运行频率较高,消耗功率较小,断电时有定位转矩,兼有反应式和率较高,消耗功率较小,断电时有定位转矩,兼有反应式和永磁式的优点,但需要正、负脉冲供电,制造工艺较复杂永磁式的优点,但需要正、负脉冲供电,制造工艺较复杂。反应式步进电动机反应式步进电动机2022-12-16Tianjin University of
12、Technology15步距角和转速步距角和转速 单脉冲运行特性单脉冲运行特性 连续脉冲运行特性连续脉冲运行特性 静态运行特性静态运行特性2022-12-16Tianjin University of Technology16 静态运行特性静态运行特性主要指矩角特性。主要指矩角特性。矩角特性矩角特性是在不改是在不改变控制绕组通电状变控制绕组通电状态的情况下,电磁态的情况下,电磁转矩与转子转角的转矩与转子转角的关系曲线关系曲线。图图4-6 4-6 矩角特性矩角特性2022-12-16Tianjin University of Technology17 步进电动机的电磁转矩是由于磁路磁阻步进电动机
13、的电磁转矩是由于磁路磁阻(从而磁从而磁链链)随转子位置变化而产生的。随转子位置变化而产生的。(4-1)步进电动机的电磁转矩步进电动机的电磁转矩 2022-12-16Tianjin University of Technology18步进电动机的通电方式步进电动机的通电方式单拍制:单拍制:在同一瞬间只有一相绕组通电。在同一瞬间只有一相绕组通电。双拍制:双拍制:双相绕组依次顺序通电。双相绕组依次顺序通电。单双拍制:单双拍制:单、双拍相间依次顺序通电。单、双拍相间依次顺序通电。2022-12-16Tianjin University of Technology19三相反应式步进电动机这三种通电方式的
14、矩角特性三相反应式步进电动机这三种通电方式的矩角特性 (a)三相单三拍三相单三拍(b)三相双三拍三相双三拍 (c)三相六拍三相六拍 2022-12-16Tianjin University of Technology20 式中,式中,PrPr为转子齿距为转子齿距 ,ZrZr为转子齿数,为转子齿数,m m为控制绕为控制绕组相数组相数 ,c c为通电方式系数,单拍或双拍时取为通电方式系数,单拍或双拍时取1 1,单、双,单、双拍交替时取拍交替时取2 2。(4-2)转速转速(4-3)步距角步距角:把步进电动机每步转过的角度称之为步距角。把步进电动机每步转过的角度称之为步距角。2022-12-16Tia
15、njin University of Technology21 当步进电动机输入单脉冲时,电动机从一种当步进电动机输入单脉冲时,电动机从一种通电状态切换到另一种通电状态不引起失步的区通电状态切换到另一种通电状态不引起失步的区域,称为动稳定区,如图域,称为动稳定区,如图4-84-8所示。所示。图图4-8 4-8 步进电动机稳定区步进电动机稳定区 2022-12-16Tianjin University of Technology22裕量角:动稳定区的边界动稳定区的边界a a点到初始稳定平衡位置点到初始稳定平衡位置O Oo o点的区域点的区域r r 自由振荡频率(4-4)(4-5)(4-6)最大负
16、载转矩:又称为启动转矩又称为启动转矩式中:式中:J-J-电动机轴上的总转动惯量电动机轴上的总转动惯量 2022-12-16Tianjin University of Technology23连续运行频率连续运行频率 在负载转矩小于启动转矩的条件下,步进在负载转矩小于启动转矩的条件下,步进电动机不失步启动的最高脉冲频率。电动机不失步启动的最高脉冲频率。启动后,步进电动机不失步运行的最高输启动后,步进电动机不失步运行的最高输入脉冲频率。入脉冲频率。启动频率启动频率2022-12-16Tianjin University of Technology24 图图4-94-9表示了步进电动机的启动停止和连
17、续表示了步进电动机的启动停止和连续运行的转矩运行的转矩-转速特性。图中阴影区是单向变速转速特性。图中阴影区是单向变速区域。连续运行和启动停止转矩区域。连续运行和启动停止转矩-转速曲线之转速曲线之间的差值是电动机转子惯量引起的转矩损失。间的差值是电动机转子惯量引起的转矩损失。图图4-9 4-9 步进电动机转矩步进电动机转矩-转速特性转速特性 2022-12-16Tianjin University of Technology25对步进电动机驱动电路的要求:对步进电动机驱动电路的要求:能够提供快速上升和快速下降的电流,使电流波能够提供快速上升和快速下降的电流,使电流波 形尽量接近矩形形尽量接近矩形
18、 ;具有供截止期间释放电流的回路,以降低相绕组具有供截止期间释放电流的回路,以降低相绕组 两端的反电动势,加快电流衰减两端的反电动势,加快电流衰减 ;功耗低,效率高功耗低,效率高 ;具有细分功能。具有细分功能。2022-12-16Tianjin University of Technology26l限流电阻限流电阻R R的作用:减小相绕组的电气时间常数。的作用:减小相绕组的电气时间常数。l续流二极管续流二极管VDVD和电阻和电阻R Rf f的作用是,在开关晶体管关断时,为相的作用是,在开关晶体管关断时,为相绕组电流提供一条续流回路,沿图中虚线流动,把相绕组电感绕组电流提供一条续流回路,沿图中虚
19、线流动,把相绕组电感中储存的磁能消耗在中储存的磁能消耗在R R和和R Rf f上,让相电流尽快衰减至零。上,让相电流尽快衰减至零。图图4-10 4-10 单极性驱动电路单极性驱动电路2022-12-16Tianjin University of Technology27 工作时,工作时,VTVTl lVTVT4 4成对开关,即成对开关,即VTVT1 1,VTVT4 4同时导通或截止,同时导通或截止,VTVT2 2,VTVT3 3同时导通或截止。当同时导通或截止。当VTVT1 1,VTVT4 4导通时,导通时,VTVT2 2,VTVT3 3则截止,电流则截止,电流从从a a流向流向b b;反之,
20、反之,VTVT1 1,VTVT4 4截止时,截止时,VTVT2 2,VTVT3 3导通,电流从导通,电流从b b流向流向a a。VTVTl lVTVT4 4全部截止时,则无电流通过相绕组。全部截止时,则无电流通过相绕组。图图4-11 4-11 桥式双极性驱动电路桥式双极性驱动电路 2022-12-16Tianjin University of Technology28图图4-12 4-12 高低压驱动电路高低压驱动电路 2022-12-16Tianjin University of Technology29该电路的工作过程如下:该电路的工作过程如下:当输入脉冲刚转为高电位时,晶体管当输入脉冲刚
21、转为高电位时,晶体管VTVT1 1,VTVT2 2均均导通,电流沿图导通,电流沿图4-12(4-12(a)a)所示的回路流动,高压电源所示的回路流动,高压电源U UH H和低压电源和低压电源U UL L全部加在相绕组上,因此相电流迅速上全部加在相绕组上,因此相电流迅速上升升;经过一段很短的时间,经过一段很短的时间,VTVT2 2截止,电流沿图截止,电流沿图4-12(4-12(b)b)所示路径流动,电流仅由所示路径流动,电流仅由U UL L提供。提供。若选择合适的若选择合适的U UL L值,使值,使U UL L/r/r等于额定相电流等于额定相电流(r r为相为相绕组内阻绕组内阻),并维持相绕组电
22、流,那么当输入脉冲为,并维持相绕组电流,那么当输入脉冲为零时,零时,VTVT1 1也截止,则相电流沿图也截止,则相电流沿图4-12(4-12(c)c)所示路径续所示路径续流。由于回路中包含流。由于回路中包含U UH H,故电流衰减速度很快。故电流衰减速度很快。2022-12-16Tianjin University of Technology30 图图4-13 4-13 斩波驱动电路斩波驱动电路 在斩波驱动电路中,晶体管在斩波驱动电路中,晶体管VTVT1 1受脉冲分配器产生的激受脉冲分配器产生的激励信号控制,励信号控制,VTVT2 2则根据相绕组中的电流开或关,以维持相则根据相绕组中的电流开或
23、关,以维持相绕组中的电流大小。绕组中的电流大小。2022-12-16Tianjin University of Technology31 细分驱动细分驱动亦称亦称微步驱动微步驱动。细分电路是建立。细分电路是建立在步进电动机的各相绕组理想对称和矩角特性在步进电动机的各相绕组理想对称和矩角特性严格正弦的基础上的。它通过控制电动机各相严格正弦的基础上的。它通过控制电动机各相绕组中电流的大小和比例,使步距角减小到原绕组中电流的大小和比例,使步距角减小到原来的几分之一至几十分之一。实际上,加工误来的几分之一至几十分之一。实际上,加工误差致使细分后的步距角精度并不高。但是,细差致使细分后的步距角精度并不高
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