第4章步进电动机运动控制选读.ppt

Tianjin University of Technology 第4章 步进电动机运动控制 本章主要内容安排如下： 概念 步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移(或线位移)的电磁装置，是一种特殊的电动机。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，它就转过一定的角度。 4．1 步进电动机工作原理 4．1．1 反应式步进电动机 定子和转子均由硅钢片 铁芯组成,定子上有若干对 磁极，磁极上有控制绕组。 在转子的圆柱面上有均匀分 布的小齿。依靠定子与转子 之间的气隙磁场吸力的作 用，产生电磁矩，使转子向 气隙磁阻减小的位置方向转 动。 首先有一相线圈(设为A相)通电，则转子1、3两齿被磁极A吸住，转子就停留在图a的位置上; 然后，A相断电，B相通电，则磁极A的磁场消失磁极B产生了磁场，磁极B的磁场把离它最近的2、4两齿吸引过去，停止在图b的位置上，这时转子逆时针转了30°; 再接下去B相断电，C相通电。根据同样道理，转子又逆时针转了30°，停止在图c的位置上。 4．1．2 永磁式步进电动机 永磁式步进电动机的 定子极上有两相或多相控 制绕组，转子为一对或多 对极的星形永久磁钢。转 子的极数与定子每相的极 数相同。一个典型的四相 永磁式步进电动机的原理 如图4-3所示。 4．1．3 永磁感应式步进电动机 4．2 特性及主要技术指标 4．2．1 静态运行特性 静态运行特性主要指矩角特性。矩角特性是在不改变控制绕组通电状态的情况下，电磁转矩与转子转角的关系曲线。 4．2．2 步距角和转速 步进电动机的通电方式 三相反应式步进电动机这三种通电方式的矩角特性 4．2．3 单脉冲运行特性 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域，称为动稳定区，如图4-8所示。 4．2．4 连续脉冲运行特性 图4-9表示了步进电动机的启动／停止和连续运行的转矩-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-转速曲线之间的差值是电动机转子惯量引起的转矩损失。 4．3 驱动电路 4．3．1 单极性驱动电路 限流电阻R的作用：减小相绕组的电气时间常数。 续流二极管VD和电阻Rf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，把相绕组电感中储存的磁能消耗在R和Rf上，让相电流尽快衰减至零。 4．3．2 双极性驱动电路 工作时，VTl~VT4成对开关，即VT1，VT4同时导通或截止，VT2，VT3同时导通或截止。当VT1，VT4导通时，VT2，VT3则截止，电流从a流向b；反之，VT1，VT4截止时，VT2，VT3导通，电流从b流向a。VTl~VT4全部截止时，则无电流通过相绕组。 4．3．3 高低压驱动电路 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VT1，VT2均 导通，电流沿图4-12(a)所示的回路流动，高压电源UH 和低压电源UL全部加在相绕组上，因此相电流迅速上 升; 经过一段很短的时间，VT2截止，电流沿图4-12(b) 所示路径流动，电流仅由UL提供。 若选择合适的UL值，使UL/r等于额定相电流(r为相 绕组内阻)，并维持相绕组电流，那么当输入脉冲为 零时，VT1也截止，则相电流沿图4-12(c)所示路径续 流。由于回路中包含UH，故电流衰减速度很快。 4．3．4 斩波驱动电路 4．3．5 细分(微步)驱动电路 细分驱动亦称微步驱动。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，细分驱动能极大地改善步进电动机运行的平稳性，提高匀速性，减弱甚至消除振荡。 细分驱动原理 实现细分驱动，就是要在每一个步距角θs之内产生若干个合力矩为零的平衡点。细分驱动可以通过改变相电流的大小和通电相数、相序来实现。 细分数可以定义为电动机以细分步距角运行一个状态周期所需要的步数，因此它与电动机的相数有关。 三相的Tem－θ曲线可分别表示如下： 细分驱动电路 4．3．6 各种驱动电路的性能比较 4．4脉冲分配器 脉冲分配器是步进电动机运动控制系统的重要组成部分。它的作用是把输入脉冲按一定的逻辑关系转换为合适的脉冲序列，然后通过驱动电路加到步进电动机的相绕组上，使电动机按一定的方式工