步进电机工作原理及实现.ppt

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1、微机控制技术微机控制技术内内 容容 提提 要要一一 步进电机简介步进电机简介二二 步进电机原理介绍步进电机原理介绍三三 步进电机的驱动原理步进电机的驱动原理四四 国内外发展概况与趋势国内外发展概况与趋势 步进电动机的定义：是一种专门用于速度和位置精确控制的特种电机，它旋转是以固定的角度（称为步距角）一步一步运行的，故称步进电机。 步进电动机构造：由转子（转子铁芯、永磁体、转轴、滚珠轴承），定子（绕组、定子铁芯），前后端盖等组成。最典型两相混合式步进电机的定子有8个大齿，40个小齿，转子有50个小齿；三相电机的定子有9个大齿，45个小齿，转子有50个小齿。微机控制技术步进电机的特点步进电机的特点

2、1.1.一般步进电机的精度为步距角的一般步进电机的精度为步距角的3-5%3-5%，且不累积；，且不累积；2.2.步进电机外表允许的最高温度取决于不同电机磁性材料的退磁点；步进电机外表允许的最高温度取决于不同电机磁性材料的退磁点；3.3.步进电机的力矩会随转速的升高而下降。步进电机的力矩会随转速的升高而下降。4.4.空载启动频率：即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，空载启动频率：即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。 5.5.低频振动特性：步进电动机以连续的步

3、距状态边移动边重复运转。其低频振动特性：步进电动机以连续的步距状态边移动边重复运转。其步距状态的移动会产生步距状态的移动会产生1 1步距响应。步距响应。 微机控制技术 步进电机的优点步进电机的优点(1)(1)与负载无关与负载无关: :不超载时步进电机能够按照设定的速度运行不超载时步进电机能够按照设定的速度运行; ;(2)(2)动态响应快动态响应快: :易于启动、停止和反转易于启动、停止和反转; ;(3)(3)保持转矩保持转矩: :停止时能够自锁停止时能够自锁; ;(4)(4)无累积误差无累积误差: :虽然步进电机每转动一步的角位移与标称的步距角具有一定虽然步进电机每转动一步的角位移与标称的步距

4、角具有一定的误差的误差(3(3一一5%),5%),但是转动一周后累积的误差和为零。但是转动一周后累积的误差和为零。(5)(5)步距角与环境无关步距角与环境无关: :步进电机的固有步距角是由本身构造决定的步进电机的固有步距角是由本身构造决定的, ,与温度、与温度、电压、电流等使用环境无关。电压、电流等使用环境无关。(6)(6)易于控制易于控制: :只需控制脉冲的频率和个数只需控制脉冲的频率和个数, ,即可达到定位、调速目的。即可达到定位、调速目的。(7)(7)价格低廉。价格低廉。步进电机的缺点：步进电机的缺点：(l)(l)低速转动时振动和噪声都比较大低速转动时振动和噪声都比较大; ;(2)(2)

5、输出力矩随着转动速度的升高而降低输出力矩随着转动速度的升高而降低; ;(3)(3)启动频率不能太高启动频率不能太高, ,否则会堵转并伴随有呼啸声否则会堵转并伴随有呼啸声; ;(4(4) )速度突变较大时存在丢步和过冲现象速度突变较大时存在丢步和过冲现象; ;(5)(5)最高运动速度较低最高运动速度较低, ,且高速运转时输出力矩小；且高速运转时输出力矩小；(6)(6)开环控制开环控制, ,不能保证实际转动的角度与设想的完全一致。不能保证实际转动的角度与设想的完全一致。一 步进电进电机工作原理 步进电机原理图步进电机原理图 微机控制技术步进电机是一种感应电机，以步进电机是一种感应电机，以两相步进电

6、机为例，它有两个两相步进电机为例，它有两个绕组，当一个绕组通电后，其绕组，当一个绕组通电后，其定子磁极产生磁场，将转子吸定子磁极产生磁场，将转子吸合到此磁极处。若绕组在控制合到此磁极处。若绕组在控制脉冲的作用下，通电方向为脉冲的作用下，通电方向为AAAA -BB-AA-BB-BB-AA-BB四个状态周而复始四个状态周而复始的变化时，电机就逆时针转动。的变化时，电机就逆时针转动。控制作用脉冲每作用一次，通控制作用脉冲每作用一次，通电方向就变化一次，使电机转电方向就变化一次，使电机转动一步，动一步，4 4个脉冲，电机转动个脉冲，电机转动一圈。脉冲频率越高，电机转一圈。脉冲频率越高，电机转动越快。动

7、越快。二 步进电进电机驱动驱动原理微机控制技术步进电机控制系统的组成步进电机控制系统的组成步进电机必须有驱动器和控制器才能正常工作。驱动器的作用步进电机必须有驱动器和控制器才能正常工作。驱动器的作用是对控制脉冲进行环形分配、功率放大，使步进电机绕组按一是对控制脉冲进行环形分配、功率放大，使步进电机绕组按一定顺序通电，控制电机转动。定顺序通电，控制电机转动。（1 1）步进控制器步进控制器 包括：缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及包括：缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及 正、反转向控制门等。正、反转向控制门等。 作用作用: : 把输入脉冲转换成环型脉冲，以控制步进电机的转向。把输入脉冲转换成环型脉

8、冲，以控制步进电机的转向。 采用计算机控制系统，由软件代替步进控制器。采用计算机控制系统，由软件代替步进控制器。 优点：线路简化，降低成本降低，可靠性提高。优点：线路简化，降低成本降低，可靠性提高。 灵活改变步进电机的控制方案，使用起来很方便。灵活改变步进电机的控制方案，使用起来很方便。（2 2）功率放大器）功率放大器 把环型脉冲放大，以驱动步进电机转动。把环型脉冲放大，以驱动步进电机转动。微机控制技术二 步进电进电机驱动驱动原理微机控制技术可以克服步进电机高速起停时存在的堵转、丢步或者过冲等问题可以克服步进电机高速起停时存在的堵转、丢步或者过冲等问题, ,使步使步进电机转动得更加平稳、定位更

9、加精确。进电机转动得更加平稳、定位更加精确。改 进进 方 法可以大大减少低速转动时的振动和噪音可以大大减少低速转动时的振动和噪音, ,还可以起到减小步距角、提还可以起到减小步距角、提高分辨率、增大输出力矩的效果高分辨率、增大输出力矩的效果; ;微机控制技术正弦细细分驱动驱动技术术 步进电机的工作原理本质上靠励磁绕组产生的旋转的合磁场带动转子做同步运动，步进电机的工作原理本质上靠励磁绕组产生的旋转的合磁场带动转子做同步运动，由于励磁绕组通电之后产生磁通量正比于电流的大小由于励磁绕组通电之后产生磁通量正比于电流的大小, ,因而只要控制流过各个绕组因而只要控制流过各个绕组的电流的大小和方向就可以控制

10、步进电机各个绕组产生的合磁场的大小和方向的电流的大小和方向就可以控制步进电机各个绕组产生的合磁场的大小和方向 。工作在细分状态下就需要精确控制流过绕组电流的大小工作在细分状态下就需要精确控制流过绕组电流的大小 。仍以二相步进电机为例，当仍以二相步进电机为例，当A A、B B相绕组同时通电时，转子将停在相绕组同时通电时，转子将停在A A、B B相磁板中相磁板中间，如图。若通电方向顺序按照间，如图。若通电方向顺序按照AA AA+BB BB BB+AA AA AA+ BAA AA+BB BB BB+AA AA AA+ BB BB BB+AA 8B BB BB+AA 8个状态周而复始进行变化，电机顺时

11、针转动；电机每转动个状态周而复始进行变化，电机顺时针转动；电机每转动一步，为一步，为4545度，度，8 8个脉冲电机转一周。为了保证电机输出的力矩均匀，个脉冲电机转一周。为了保证电机输出的力矩均匀，A A、B B相线相线圈电流的大小也要调整，使圈电流的大小也要调整，使A A、B B相产生的合力在每个位置相同，如图相产生的合力在每个位置相同，如图1 1所示为所示为4 4细分时细分时A A、B B相线圈电流的关系。相线圈电流的关系。A A、B B相线圈电流大小与转角关系如图相线圈电流大小与转角关系如图2 2所示。所示。微机控制技术微机控制技术脉冲宽宽度调调制技术术 脉冲宽度调制简称脉冲宽度调制简称

12、pwmpwm , ,原理为通过一系原理为通过一系列脉冲的宽度进行调制，来获得所需要的列脉冲的宽度进行调制，来获得所需要的波形波形步进电机的绕组由于电流不会突变步进电机的绕组由于电流不会突变, ,具有具有明显的惯性环节明显的惯性环节, ,因此可以用因此可以用PWMPWM技术来控技术来控制电机绕组的电流大小。周期脉冲信号的制电机绕组的电流大小。周期脉冲信号的导通阶段对绕组进行充电导通阶段对绕组进行充电, ,截止阶段绕组截止阶段绕组通过续流回路进行放电，当脉冲的频率和通过续流回路进行放电，当脉冲的频率和宽度达到一定值时宽度达到一定值时, ,绕组的电流将基本是绕组的电流将基本是一个恒定值一个恒定值,

13、,并带有微小的纹波信号，当并带有微小的纹波信号，当脉冲宽度改变时脉冲宽度改变时, ,绕组的电流也将发生变绕组的电流也将发生变化，所以化，所以PWMPWM可用来精确控制绕组电流的可用来精确控制绕组电流的大小。大小。微机控制技术升降频频控制技术术 步进电机从静止启动时步进电机从静止启动时, ,由于惯性和摩擦力矩的作用由于惯性和摩擦力矩的作用, ,如果转动频率突变如果转动频率突变太大可能会丢步甚至堵转太大可能会丢步甚至堵转; ;当步进电机在高速运转时如果突然停下来当步进电机在高速运转时如果突然停下来, ,则则可能会过冲可能会过冲, ,这些情况都会导致运动不平稳以及定位精度不高。这在实这些情况都会导致

14、运动不平稳以及定位精度不高。这在实际运用当中是非常有害的，由于步进电机升速过程当中输出力矩明显减际运用当中是非常有害的，由于步进电机升速过程当中输出力矩明显减少少, ,因而步进电机的升速曲线的设计尤为重要，步进电机的升速过程一因而步进电机的升速曲线的设计尤为重要，步进电机的升速过程一般由突变频率和加速曲线过程。突变频率不可太高否则会丢步甚至堵转。般由突变频率和加速曲线过程。突变频率不可太高否则会丢步甚至堵转。由步进电机的运动方程可得出理想的加速曲线为由步进电机的运动方程可得出理想的加速曲线为实际上步进电机转动频率不是连续变化的而是离散的实际上步进电机转动频率不是连续变化的而是离散的, ,因而升

15、因而升速曲线一般是指运行频率与脉冲数的关系曲线速曲线一般是指运行频率与脉冲数的关系曲线( (如图所示如图所示),),一一般采用各种方法来拟合升速曲线般采用各种方法来拟合升速曲线, ,常见的方法有台阶拟合法、常见的方法有台阶拟合法、直线拟合法以及查表法。出于拟合精度和实现难度的折中考虑直线拟合法以及查表法。出于拟合精度和实现难度的折中考虑, ,实际使用中往往采取直线拟合法实际使用中往往采取直线拟合法 微机控制技术四 国内国内外发发展概况与趋势概况与趋势现在，步进电动机的发展（结构的发展）已归结为单段式结构的磁阻式现在，步进电动机的发展（结构的发展）已归结为单段式结构的磁阻式(VR)(VR)、混合

16、式、混合式(HB)(HB)和爪极结构和爪极结构(PM)(PM)的永磁式三类。爪极电机价格便宜，的永磁式三类。爪极电机价格便宜，性能指标不高，混合式和磁阻式主要作为高分辨率电动机，由于混合式性能指标不高，混合式和磁阻式主要作为高分辨率电动机，由于混合式步进电动机具有控制功率小，运行平稳性较好而逐步处于主导地位。最步进电动机具有控制功率小，运行平稳性较好而逐步处于主导地位。最典型的产品是二相典型的产品是二相8 8极极5050齿的电动机，还有五相齿的电动机，还有五相1010极极5050齿和一些转子齿和一些转子100100齿的二相和五相步进电动机，五相电动机主要用于运行性能较高的场合。齿的二相和五相步进电动机，五相电动机主要用于运行性能较高的场合。到目前，工业发达国家的磁阻式步进电动机已极少见。到目前，工业发达国家的磁阻式步进电动机已极少见。微机控制技术当前最有发展前景的当属混合式步进电动机，而混合式电动机又向当前最有发展前景的当属混合式步进电动机，而混合式电动机又向以下四个方向发展：以下四个方向发展：（1 1）继续沿着小型化的方向发展。）继续沿着小型化的方向发展。（2 2）改圆形电动机为方形