1、1,运动控制,北京邮电大学自动化学院 叶 平 Email: Tel: 010-61198209,2,步进电机,反应式步进电机的结构及工作原理 反应式步进电机的静态特性 反应式步进电机的动态特性 步进电机的驱动电源 步进电机的控制与应用,3,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，带动机械负载移动一小段距离。,特点: (1) 来一个脉冲，转过一个步距角。(2) 控制脉冲个数，可控制电机角度。 (3) 控制脉冲频率，可控制电机转速。(4) 改变脉冲顺序，改变方向。,4,分类：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
2、有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。,应用：步进电机的应用非常广泛。如：在数控机床、自动绘图仪和自动记录仪表等设备中都得到应用。,以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。,5,反应式步进电机的结构,反应式步进电机主要由两部分构成：定子和转子。定转子铁心均由硅钢片叠压而成，其上分别有六个、四个磁极。,定子,转子,控制绕组,6,IA,IB,IC,定子六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。,7,反应式步进电机工作原理,按通电方式可分为（也称运行方式） 三相单三拍 三相单、双六拍 三相双三拍“三相” - 指步进电机的相数 “单” - 指每次只给一相绕组通电；“双”则是每次
3、同时给二相绕组通电 “三拍” - 指通电三次完成一个循环,8,三相单三拍,A 相通电，A 方向的磁通经转子形成闭合回路。即使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，力图使通电磁路的磁阻最小（磁导率最大），转子发生转动，直到定转子的齿对齐，停止转动。,A 相通电使转子1/3齿和 A/A 对齐。,9,同理，B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电位置转30；C相通电再转30。,10,这种运行方式，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
4、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。,11,按 A B C A 的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过30(步距角)，每个通电循环周期(三拍)转过90(一个齿距角)。,逆时针转动,顺时针转动,12,三相单、双六拍,三相绕组的通电顺序为：AABBBCCCAA 共六拍。,A相通电，转子1、3齿和A相对齐。,13,A、B相同时通电 BB 磁场对 2、4 齿有磁拉力，使转子顺时针方向转动。 AA磁场继续对1、3齿有磁拉力。 转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通电，转子转了15。,14,B相通电 转子2、4齿和B相对齐，又转了15。
5、,总之，每个循环周期，有六种通电状态，因此称为三相单、双六拍，步距角为15。,如果要使步进电机反转，只要按AACCCBBBA 顺序通电就行了。,AABBBCCCAA,15,三相单、双六拍步进电机每个循环周期分为六拍；每拍转子转过15（步距角），一个通电循环周期(六拍)转子转过90 (齿距角)；该运行方式下步距角更小，因而更适用于需要精确定位的控制系统中。 结论：从上面两种运行方式可看出，错齿是促使步进电机旋转的根本原因。当某相通电，相应的齿对齐，迫使电机旋转一个步距角，未通电的各相的齿出现了新的错位。改变通电的顺序和通电的相数，可组合出其它的运行方式。,16,三相双三拍,三相绕组的通电顺序为：
6、AB BC CA AB 共三拍。,AB通电,BC通电,17,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 s = 30。,CA通电,BC通电,18,三相单三拍 三相单、双六拍 三相双三拍,步距角/齿距角,数字脉冲对应通电状态改变,19,小步距角的步进电机,实际采用的步进电机的步距角多为3度和1.5度，步距角越小，机械加工的精度越高。,为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子40个齿，定子仍是 6个磁极，但每个磁极上又有五个齿。,20,转子的齿距等于360/ 40=9 ，齿宽、齿槽各4.5 。,为使
7、定子、转子的齿对齐，定子磁极上的小齿，其齿宽和齿槽应该与转子的齿宽和齿槽相同。,21,单三拍通电工作方式（1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对齐。,22,此时，B 相和 A 相空间差60，含60/9 = 齿A 相和 C 相差120，含120/ 9 = 个齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿对齐时，B 相、C 相不能对齐，B 相的转子、定子相差 1/3 个齿（3），C相的转子、定子相差2/3个齿（6）。,23,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 。,步进电机的转动方向仍由相序决定。,同理，C 相通电再转3 ,（2）A 相断电、B 相通电后，转子只需转过1/3
8、个 齿（3），使 B 相转子、定子对齐。,24,25,f：电脉冲的频率,转速,步进电机通过一个电脉冲，转子转过的角度，称为步距角。,N:一个周期的运行拍数 Zr：转子齿数,如：Zr=40 , N=3 时,步距角,26,反应式步进电机的静态特性,矩角特性 最大静转矩 矩角特性族,27,矩角特性,静止状态 初始稳定平衡位置 静稳定区,28,29,机械角度 齿距角电角度 2 磁路变化一个周期,30,静止状态 初始稳定平衡位置 失调角 静转矩 矩角特性 静转矩与转子失调角的关系,31,矩角特性曲线 静转矩 最大静转矩 静稳定区 稳定平衡点,32,矩角特性族,三相单三拍的矩角特性曲线族,步距角 （电角度
9、）：,33,矩角特性族,34,35,步进电机的动态特性,动稳定区 最大负载能力 转子振荡、失步 脉冲频率对电机工作的影响 矩频特性 连续运行频率、起动频率,36,动稳定区,稳定裕度,37,稳定裕度,38,最大负载能力,39,40,结论：只有负载转矩小于相邻两个矩角特性交点s所对应的电磁转矩 时，才能保证电机的正常的步进运行，因此把 称为最大负载转矩，也称为起动转矩。,41,最大负载转矩与最大静转矩的关系：,-步进电机的运行拍数,可见，增加运行拍数可以增大最大负载转矩。,是步进电机作单步运行时的负载转矩的极限，由于负载可能发生变化，同时电机还要具有一定的转速，因而实际应用时，最大负载转矩比 要小
10、得多，通常,42,步进电机的动态特性,动稳定区 最大负载能力 转子振荡、失步 脉冲频率对电机工作的影响 矩频特性 连续运行频率、起动频率,43,转子振荡,44,脉冲频率对电机工作的影响,频率极低时的连续步进运行 频率很低时的低频共振 频率很高时的连续运行,45,频率极低时的连续步进运行,脉冲持续时间很长，大于转子的衰减振荡的时间。,46,频率很高时的连续运行,脉冲间隔时间很短； 电机转子尚未达到第一次振荡周期的幅值，甚至还没有达到新的稳定平衡位置，下一个脉冲就到来； 电机的运行状态由步进运行变成连续平滑的转动，转速也比较的稳定。,47,矩频特性,电磁转矩与脉冲频率的关系称为步进电机的矩频特性。
11、,48,失步,转子的速度慢于旋转磁场的速度例如：在起动时，如果脉冲频率较高，由于电机来不及获得足够的能量，使得转子无法跟上旋转磁场的速度，引起失步。因此，超过步进电机的起动频率时，肯定会造成失步。 转子的速度大于旋转磁场的速度主要发生在电机制动和突然换向时，由于转子具有较大的能量，产生严重的过冲现象，引起失步。,49,连续运行频率和起动频率,连续运行频率：在一定负载转矩下，不失步连续运行的最高频率称为步进电机的连续运行频率。起动频率：在一定负载转矩下，不失步的正常起动所能加的最高控制频率称为步进电机的起动频率。,50,其他型式步进电机,永磁式步进电动机, 定子为两相(或多相)绕组 转子为永久磁
12、钢 转子极数与定子每相极数相同,极对数p=2,二相单四拍AB(-A)(-B)A的次序通电。转子将顺时针方向转动。,步距角为：,51,二相双四拍定子绕组按ABB(-A)(-A)(-B)(-B)AAB的次序通电，转子将顺时针方向转动。,52,永磁式步进电机的特点是：步距角大，起动和运行频率低，需正负电源供电。但所需控制功率小，效率高。,53,混合式步进电机 反应式步进电机小步距角的特点 永磁式步进电机的高效率、绕组电感比较小的特点 十分流行,定子结构与反应式步进电机基本相同,54,转子由环形磁钢和两段铁芯组成，环形磁钢在转子中部， 轴向充磁，两段铁芯分别装在磁钢的两端,55,56,57,58,定子
13、A相通入负电流，1、3极的极性分别为N和S，这时转子处于稳定平衡位置。此时B相2、4极上的小齿与转子齿都错开1/4齿距。A相断开负电流，B相输入负电流，定子极2、4分别呈N和S，其下的所有转子齿均受到向右的电磁转矩作用。,59,单四拍 双四拍 单、双八拍,60,步进电机的驱动电源,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，带动机械负载移动一小段距离。,61,绕组电源频率 控制脉冲频率,62,三相双三拍运行时各相控制电压波形图,绕组电源频率 控制脉冲频率,63,三相单、双六拍,64,每相绕组需要专门的驱动电源，依据脉冲分配器按一定规律轮流通电，实现步进电机在各种运行
14、方式下的正反转。,65,单片机,工业PC,可编程控制器,控制步进电机的速度方波脉冲信号 控制步进电机的方向数字电平信号,步进电机驱动器,66,脉冲分配器：又称环形分配器，把脉冲信号按一定的逻辑关系分配到每一相脉冲放大器上，使各相绕组按一定的顺序和时间导通和关断，实现确定的运行方式；脉冲分配器可以由硬件和软件两种方式实现。,变频信号源：脉冲信号发生器，脉冲频率可达几十kHz；最常见有多谐振荡器。,功率放大器：进行脉冲功率放大。,67,步进电机的典型驱动方式,单极性驱动单电压驱动方式高低电压驱动方式斩波驱动方式调频调压驱动方式细分驱动方式双极性驱动,68,单电压驱动方式,特点：线路简单、功率元件少
15、、成本低；缺点：Rf1消耗能量，工作效率低。在实际中较少使用，只有在小功率步进电机且在简单应用中才使用。,69,细分驱动方式,如果要求步进电机有更小的步距角，更高的分辨率。 如何实现？,三相双三拍,AB通电,BC通电,70,在每次输入脉冲切换时，只改变相应绕组中额定的一部分，则电机的合成磁场也只旋转步距角的一部分，转子的每步运行也只有步距角的一部分，绕组电流分成数个台阶，则转子就以同样的次数转过一个步距角，这种将一个步距角细分成若干步的驱动力法，称为细分驱动。,71,细分驱动电路的特点： 不改变电动机结构参数的情况下，能使步距角减小； 使步进电动机运行平稳，提高均匀性，并能减弱或消除振荡。,7
16、2,目前实现细分阶梯波供电的方法有： 先放大后叠加，如图a所示。 先叠加后放大，如图b所示。,73,双极性驱动（永磁式或混合式步进电机）,74,L298,75,76,主要优点： 它每转一周都有固定的步数，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累，从而使它适合于在数字控制的开环系统中作为驱动电机，也可用作闭环系统的驱动元件。 步距角和转速不受电压波动和负载变化的影响，仅与脉冲频率有关。,步进电机的控制与应用,77,步进电机的开环控制,控制器（包括变频信号源） 脉冲分配器 驱动电路 步进电机,78,单片机,工业PC,可编程控制器,控制步进电机的速度方波脉冲信号 控制步进电机的方向数字电平信号,
17、步进电机驱动器,79,步进电机的加减速控制在点位控制过程中，运行速度需要有一个“加速恒速减速低恒速停止”的加减速过程。点位控制的加减速过程。,80,步进电机的闭环控制,闭环控制是直接或间接地检测转子的位置和速度，通过反馈和适当的处理，自动给出驱动的脉冲序列。 采用闭环控制，不仅可以获得精确的位置精度和速度控制，而且扩大步进电机的应用领域。,81,步进电机的选择,步进电机的选择，应考虑被驱动的机械系统的工作情况和控制要求，通常考虑的选用原则有： 1.步距角步进电机的通电方式确定后，其步距角为固定值，若传动比已初步确定，则应满足：为负载轴要求的最小位移增量，即脉冲当量。,82,2. 电机电磁转矩正
18、常工作状态下，步进电机起动转矩必须大于折算到电机轴上的负载转矩，其计算公式：式中0.3 0.5为安全系数，以保证步进电机运行的可靠性。同时在系统要求的运行频率范围内，步进电机的电磁转矩应大于折算到电机轴上的最大静态负载转矩与最大惯性力矩之和，以保证加速性能。,83,3.起动频率和工作频率 步进电机的起动频率应大于系统起动频率，工作频率应大于系统连续运行频率，以保证步进电机不失步地正常工作。,84,4.额定电流和额定电压 电机不动时每相绕组容许通过的电流定为额定电流； 额定电压是指加在驱动电源各相主回路的电流电压； 单一电压型：6、12、27、48、60、80 高低压切换型：60/12、80/12,
