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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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