精密机械步进电机控制技术.pptx

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精密机械步进电机控制技术课件

1.交流伺服电机种类及工作原理 ●转子结构 ●旋转编码器(变压器) 2.相关定义 ●主磁通 ●漏磁通 ●气隙 ●气隙磁场 3.感应型交流伺服电机(IM) (1)控制参数 ●磁化电流 ●有效电流 (2)控制策略 ●力矩 ●位置 ●速度 ●混合 上次课程主要内容 21/01 5.步进电机及其控制 将输入的电脉冲信号转换成电机主轴机械 角位移的执行电机系列。 过程描述: 专用驱动器(控制器)发出一定频率的脉 冲信号,每当电机定子绕组接受到一个电脉冲, 转子就转过一个相应的步距角。 即: 电脉冲数量(频率 )→ 角位移大小(转速) 21/02 步进电机控制质量评价: 步进电机控制质量主要是运动实现的稳定 性、角位移精确度两个方面。 运行稳定性: ●脉冲数与转角数的对应关系 ●频率响应在时间上的同步 角位移精确度:步进角大小 一般步进角可做到1.8 °,与电机自身结 构有关;经驱动器细分,可得角位移微步。 例:细分数为256时,电机微步1.8/256=0.007 ° 21/03 (1)步进电机种类及性能 目前常用步进电机可分为反应式(VR)、永 磁式(PM)、混合式(HS)三种主要类型。 1)反应式步进电机 传统的步进电机,由磁性转子铁芯(软磁材 料)通过与由定子产生的脉冲电磁场相互作用而 产生转动力矩。 特点:结构简单、成本低、步距角可达1.2°,但 动态性能较差、工作效率低、自身发热大,控制 的可靠性难以保证。 21/04 应用领域: 反应式步进电机主要应用于计算机外部设备、 摄影系统、光电组合装置、阀门控制、银行终端、 数控机床、自动绕线机、电子钟表及医疗设备等 领域中。 2)永磁式步进电机 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。 性能与特点: 动态性能好、输出力矩相对较大,结构紧凑 体积小;步距角取决于电机定子绕组数量,能实 现的控制精度较低。 常用的定子绕组数为2、4组: ●两相永磁步进电机:步矩角15° ●四相永磁步进电机:步矩角7.5° 21/05 3)混合式步进电机 综合了反应式和永磁式优点,定子上有多相 绕组、转子为永磁材料;转子和定子上均设计有 细分小齿,步距精度高。 性能及特点:输出力矩大、动态性能好,步距角 较小,但结构复杂、成本相对较高。 应用:混合型步进电机为该类型电机应用的首选, 约占市场95%以上。 常用型定子绕组数:2相、5相 21/06 (2)步进电机特点及应用 1)步进电机特征 位移精确、扭矩稳定、频率响应快。 ●工作状态仅与输入脉冲有关,只要驱动器 保证脉冲幅值足够大即可不丢步; ●步距角误差无累积现象,当电机转子转过 一周之后,步距累积误差为“零”; ●控制性能好,可实时执行启动、停止、反 转等控制,一定条件下,状态变化时能保持不 “丢步”。 21/07 2)步进电机的应用 ●开环控制:步进电机本身无累误差,广泛应用 于各类开环结构的机电一体化系统。 系统简洁可靠,位置精度高。 ●闭环控制:需要时控制系统可配备位置、速 度、扭矩等检测元件,实施闭环数字控制。 实现方式: 如:打印机、带读出器、计数器、绘图机、数 控机床、阀门执行、定位平台和数模转换器 21/08 常用输出运动形式: ●旋转式步进电机 :主轴旋转输出 ●直线式步进电机:主轴往返移动 此类产品应用进一步简化机械传动,但当 前技术存在推力小、抗干扰差等问题。 21/09 (3)工作原理及驱动 1)定子结构:由若干相互独立的绕组线圈组成, 按不同顺序接通脉冲信号,生成瞬间电磁场。 常用绕组对数2-5组,称为两相、三相…… 21/10 2)转子结构 永磁体或软磁材料制成,外形如图。 转子参数:齿数、转动惯量 转子转动惯量与使用场合有直接关系。 21/11 3)工作原理及驱动 三相驱动为例:转子顺时针控制 定子结构:六个均匀分布的磁极,每两个相对 磁极成一相,即有AA′、BB′ 、CC′三相。 转子结构:假设均匀分布的四个磁极 21/12 步距 A→B → C三相三拍通电方式 A通电 B通电 C通电 步进电机控制节拍: 步进电机相数由硬件结构确定,应用时可 利用控制节拍改善控制效果。 节拍:驱动器一个工作循环输出信号的状态数 如:两相四拍策略 21/13 控制输出的四种状态 步进电机扭矩-频率曲线: 驱动器电脉冲 信号频率与被驱动 步进电机输出扭矩 的关系。 电机选用的依据: ●扭矩 ●转速(范围) 21/14 其他控制器情形: 四相步进电机控制示意图(常用2-5相) 步距角α:每个脉冲转子转过的角度 其中:Z——转

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