《电机与控制》PPT课件.ppt

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1、优点：用于位置与速度控制最简单，优点：用于位置与速度控制最简单，优点：用于位置与速度控制最简单，优点：用于位置与速度控制最简单，且没有累积误差。且没有累积误差。且没有累积误差。且没有累积误差。第四章第四章 步进电动机传动控制系统步进电动机传动控制系统缺点：功率小（如几百瓦以下），伺缺点：功率小（如几百瓦以下），伺缺点：功率小（如几百瓦以下），伺缺点：功率小（如几百瓦以下），伺服精度不很高。服精度不很高。服精度不很高。服精度不很高。步进电动机输入一个步进脉冲则转动一定角步进电动机输入一个步进脉冲则转动一定角步进电动机输入一个步进脉冲则转动一定角步进电动机输入一个步进脉冲则转动一定角度，称为步距角

2、度，称为步距角度，称为步距角度，称为步距角，常用于打印机、数码相机、，常用于打印机、数码相机、，常用于打印机、数码相机、，常用于打印机、数码相机、经济型数控机床的进给伺服系统等经济型数控机床的进给伺服系统等经济型数控机床的进给伺服系统等经济型数控机床的进给伺服系统等。（P92P92）步进步进步进步进电动机电动机电动机电动机1 1.结构特点结构特点结构特点结构特点一一一一.三相步进电动机三相步进电动机三相步进电动机三相步进电动机结构与工作原理结构与工作原理结构与工作原理结构与工作原理定子绕组：三相定子绕组：三相定子绕组：三相定子绕组：三相A A A A、B B B B、C C C C，为，为，为

3、，为3 3 3 3个独立绕个独立绕个独立绕个独立绕组，用于产生旋转磁场。组，用于产生旋转磁场。组，用于产生旋转磁场。组，用于产生旋转磁场。转子转子转子转子采用软磁性材料，称为反应式（采用软磁性材料，称为反应式（采用软磁性材料，称为反应式（采用软磁性材料，称为反应式（VRVRVRVR）：）：）：）：步距角小、电流较大、效率较低。步距角小、电流较大、效率较低。步距角小、电流较大、效率较低。步距角小、电流较大、效率较低。步进电机工作原理就步进电机工作原理就步进电机工作原理就步进电机工作原理就是电磁铁的工作原理是电磁铁的工作原理是电磁铁的工作原理是电磁铁的工作原理采用永久磁铁，称为永磁式（采用永久磁铁

4、，称为永磁式（采用永久磁铁，称为永磁式（采用永久磁铁，称为永磁式（PMPMPMPM）：）：）：）：步距角大、步距角大、步距角大、步距角大、电流较小、电流较小、电流较小、电流较小、效率较高。效率较高。效率较高。效率较高。采用软磁性材料采用软磁性材料采用软磁性材料采用软磁性材料+永久磁铁，称为混合永久磁铁，称为混合永久磁铁，称为混合永久磁铁，称为混合 式式式式(HB):(HB):(HB):(HB):步距角小、步距角小、步距角小、步距角小、电流较小、电流较小、电流较小、电流较小、效率效率效率效率 较高、价格较高。较高、价格较高。较高、价格较高。较高、价格较高。ABC定子定子6个齿，转子齿个齿，转子齿

5、4个、个、6个个2 2.三相反应式步进电机工作原理三相反应式步进电机工作原理三相反应式步进电机工作原理三相反应式步进电机工作原理当当A相定子齿与转子齿对齐时，相定子齿与转子齿对齐时，B相定子齿与转子齿顺时针方相定子齿与转子齿顺时针方向错开向错开1/3转子齿距角转子齿距角(图中图中30)，C相定子齿与转子齿逆时相定子齿与转子齿逆时针方向错开针方向错开1/3转子齿距角转子齿距角(30)CABBCA3412通电相序：通电相序：定子各相定子各相绕组的通电顺序，如绕组的通电顺序，如绕组的通电顺序，如绕组的通电顺序，如ABCA(ABCA(单三拍单三拍单三拍单三拍)A相相绕组通电时，绕组通电时，绕组通电时，

6、绕组通电时，转子齿转子齿1与与A相定子齿对齐相定子齿对齐B相相绕组通电时，绕组通电时，绕组通电时，绕组通电时，转子齿转子齿2与与B相定子齿近，吸引对齐，转子顺时相定子齿近，吸引对齐，转子顺时针转针转30，即，即步距角步距角步距角步距角=30 C相相绕组通电时，绕组通电时，绕组通电时，绕组通电时，转子齿转子齿3与与C相定子齿近，吸引对齐，顺转相定子齿近，吸引对齐，顺转=30 CABBCA34121C342CABBA一个一个通电循环（这里为通电循环（这里为通电循环（这里为通电循环（这里为3 3步，称步，称步，称步，称3 3拍），拍），拍），拍），转子转转子转1个齿。个齿。通电相序反了则电机反转通电

7、相序反了则电机反转，如，如，如，如ACBAACBA单双六拍单双六拍单双六拍单双六拍AAB B BC C CAACABBCA3412A相相绕组通电时，绕组通电时，绕组通电时，绕组通电时，转子齿转子齿1与与A相定子齿对齐相定子齿对齐A、B绕组同时通电时，绕组同时通电时，绕组同时通电时，绕组同时通电时，转子齿转子齿1、2吸向吸向A、B相定子齿中间，转相定子齿中间，转子顺时针转子顺时针转15，即，即步距角步距角步距角步距角=15 CABBCA3412一个一个通电循环，通电循环，通电循环，通电循环，转子转转子转1个齿，个齿，(这里为这里为这里为这里为6 6拍，拍，拍，拍，步距角步距角步距角步距角=转子齿

8、距角转子齿距角/6=9090/6=/6=15)B相相绕组通电时，绕组通电时，绕组通电时，绕组通电时，转子齿转子齿2与与B相定子齿近，吸引对齐，转子再顺相定子齿近，吸引对齐，转子再顺时针转时针转15 CABBCA3412双三拍双三拍双三拍双三拍AB BC CAAB：步距角步距角步距角步距角=30 二二二二.小步距角步进电机小步距角步进电机小步距角步进电机小步距角步进电机转子开许多小齿，定子开同样的小转子开许多小齿，定子开同样的小转子开许多小齿，定子开同样的小转子开许多小齿，定子开同样的小齿以便吸引转子齿，对于三相齿以便吸引转子齿，对于三相齿以便吸引转子齿，对于三相齿以便吸引转子齿，对于三相步进步

9、进步进步进电机，电机，电机，电机，当当A相定子齿与转子齿对齐时，相定子齿与转子齿对齐时，B相定子齿与转子齿顺时针方向错开相定子齿与转子齿顺时针方向错开1/3转子齿距角转子齿距角，对于五相对于五相对于五相对于五相步进电步进电步进电步进电机则机则机则机则错开错开1/5转子齿距角转子齿距角通电相序通电相序ABCAABCA一个一个循环，循环，循环，循环，转子转转子转1个齿个齿 ，p p为拍数，为拍数，为拍数，为拍数，mm为相数，为相数，为相数，为相数，K=1K=1（单三拍、双三拍），（单三拍、双三拍），（单三拍、双三拍），（单三拍、双三拍），K=2K=2（单双六拍）（单双六拍）（单双六拍）（单双六拍）

10、设转子齿数为设转子齿数为设转子齿数为设转子齿数为Z Z，则，则，则，则转子齿距角转子齿距角步距角步距角步距角步距角例例例例.某五相步进电机按五相十拍方式运行，某五相步进电机按五相十拍方式运行，某五相步进电机按五相十拍方式运行，某五相步进电机按五相十拍方式运行，转子齿数转子齿数转子齿数转子齿数Z=40Z=40，求求求求步距角步距角步距角步距角;当步进脉冲频率当步进脉冲频率当步进脉冲频率当步进脉冲频率f=120Hzf=120Hz时，求电机转速时，求电机转速时，求电机转速时，求电机转速n n解：解：解：解：转子齿距角转子齿距角步距角步距角步距角步距角三三三三.步进电机的主要特性步进电机的主要特性1.

11、1.主要特性主要特性 矩角特性（电磁转矩矩角特性（电磁转矩T与偏转角与偏转角(或电角或电角 度度 )间的关系）间的关系）当当转子齿与定子齿对齐时，转子齿与定子齿对齐时，偏转角偏转角=0，电磁转矩，电磁转矩T=0，当，当转子齿与定转子齿与定子齿偏离子齿偏离1/4齿齿(即电角度即电角度 )时，时，T达最大静转矩达最大静转矩Tsmax）为使电机运转可靠，负载转矩只能为为使电机运转可靠，负载转矩只能为3050%Tsmax 启动惯频特性启动惯频特性启动频率启动频率(突跳频率突跳频率)：在负载转矩为零的条件下启动，不失步：在负载转矩为零的条件下启动，不失步地进入正常运行状态所允许的最高启动频率，主要受限于

12、转子地进入正常运行状态所允许的最高启动频率，主要受限于转子及传动机构的惯量。及传动机构的惯量。运行频率特性运行频率特性连续运行频率：电机不失步地运行的最高频率，主要受限于绕连续运行频率：电机不失步地运行的最高频率，主要受限于绕组电流上升、下降速度；电机加速时不能使频率增加过快。组电流上升、下降速度；电机加速时不能使频率增加过快。矩频特性矩频特性矩频特性指在正常运行情况下矩频特性指在正常运行情况下最大输出转矩与步进脉冲最大输出转矩与步进脉冲频率间频率间的关系，主要受限于绕组电流上升、下降速度。的关系，主要受限于绕组电流上升、下降速度。2.2.性能指标性能指标 步距角步距角步距角步距角 精度：精度

13、：步距误差最大值或步距累积误差最大值。步距误差最大值或步距累积误差最大值。步距误差最大值或步距累积误差最大值。步距误差最大值或步距累积误差最大值。(P97P97)最大静转矩最大静转矩Tsmax 保持保持转矩（定位转矩）转矩（定位转矩）对对永磁式电机而言，永磁式电机而言，永磁式电机而言，永磁式电机而言，绕组不通电的情况下能维持的输出绕组不通电的情况下能维持的输出转矩。转矩。空载下不失步启动的最高步进脉冲频率空载下不失步启动的最高步进脉冲频率为使电机转动可靠，应使负载转矩为使电机转动可靠，应使负载转矩TL=(0.30.5)Tsmax且负载最大静转矩且负载最大静转矩TLmax=(0.30.5)Tst

14、，Tst为电机启动转矩为电机启动转矩 启动频率启动频率fst 环形分配器环形分配器环形分配器环形分配器（P318P318）二二二二.环形分配器环形分配器环形分配器环形分配器一一一一.步进电机步进电机步进电机步进电机驱动系统框图驱动系统框图驱动系统框图驱动系统框图环形环形环形环形分配器分配器分配器分配器功率功率功率功率放大器放大器放大器放大器步进步进步进步进电机电机电机电机A相相(mA级级)B相相(mA级级)C相相(mA级级)A相相(A级级)B相相(A级级)C相相(A级级)步进脉冲步进脉冲通电相序通电相序环形分配器：用于将步进脉冲转换成通电相序。环形分配器：用于将步进脉冲转换成通电相序。环形分配

15、器：用于将步进脉冲转换成通电相序。环形分配器：用于将步进脉冲转换成通电相序。1.1.用触发器等构造：可靠性不高用触发器等构造：可靠性不高2.2.用专用集成电路，如用专用集成电路，如CH250，L297，PM03等，方便等，方便3.3.用单片机编程实现：方便，成本低。用单片机编程实现：方便，成本低。用用8051单片机单片机P1口口8个引脚中的个引脚中的3个即可个即可80518051CBAP1.0P1.2P1.1通电相序：通电相序：通电相序：通电相序：AAB B BC C CAAP1口赋值口赋值(2进制进制)：001 011 010 110 100 101 001P1口赋值口赋值(16进制进制)：

16、01H 03H 02H 06H 04H 05H 01H编程：编程：MOV DPTR,#TAB MOV A,#03H MOVC A,A+DPTR MOV P1,A TAB:DB 01H,03H,02H,06H,04H,05HP1=06H1.1.步进电机步进电机步进电机步进电机驱动的特点驱动的特点驱动的特点驱动的特点 各相定子绕组工作在脉冲供电方式下各相定子绕组工作在脉冲供电方式下各相定子绕组工作在脉冲供电方式下各相定子绕组工作在脉冲供电方式下 各相绕组有较大电感，阻碍电流变化各相绕组有较大电感，阻碍电流变化各相绕组有较大电感，阻碍电流变化各相绕组有较大电感，阻碍电流变化理想绕组电流理想绕组电流理

17、想绕组电流理想绕组电流I I：实际电流实际电流实际电流实际电流I I：故步进电机高速（高频）性能差，需改进驱故步进电机高速（高频）性能差，需改进驱故步进电机高速（高频）性能差，需改进驱故步进电机高速（高频）性能差，需改进驱动电路，使绕组电流尽可能上升快、下降快，动电路，使绕组电流尽可能上升快、下降快，动电路，使绕组电流尽可能上升快、下降快，动电路，使绕组电流尽可能上升快、下降快，如斩波恒流驱动。如斩波恒流驱动。如斩波恒流驱动。如斩波恒流驱动。功率放大电路功率放大电路功率放大电路功率放大电路2.2.单电压限流型驱动电路单电压限流型驱动电路单电压限流型驱动电路单电压限流型驱动电路RDL,rRV3I

18、C+UVT大功率晶体管大功率晶体管大功率晶体管大功率晶体管VTVT导通导通导通导通(饱和饱和饱和饱和)则电则电则电则电机绕组通电，机绕组通电，机绕组通电，机绕组通电，VTVT关断则绕组断电。关断则绕组断电。关断则绕组断电。关断则绕组断电。先看基本电路：先看基本电路：先看基本电路：先看基本电路：L,rR3I+UVTL,rL,r为绕组电感、内阻为绕组电感、内阻为绕组电感、内阻为绕组电感、内阻VTVT导通绕组电流导通绕组电流导通绕组电流导通绕组电流I I：时间常数时间常数时间常数时间常数当当当当t=3Tt=3T时，电流时，电流时，电流时，电流I I会达到稳态值的会达到稳态值的会达到稳态值的会达到稳态

19、值的95%95%；t=4Tt=4T时，电流时，电流时，电流时，电流I I达到稳达到稳达到稳达到稳态值的态值的态值的态值的98.2%98.2%，故时间常数，故时间常数，故时间常数，故时间常数T T越小越好。越小越好。越小越好。越小越好。L,rR3I+UVTVTVT导通，电压导通，电压导通，电压导通，电压U U立即加到绕组上，但电流立即加到绕组上，但电流立即加到绕组上，但电流立即加到绕组上，但电流I I只只只只能逐渐增大，规律如下图能逐渐增大，规律如下图能逐渐增大，规律如下图能逐渐增大，规律如下图红线红线红线红线所示：所示：所示：所示：时间常数时间常数时间常数时间常数绕组电感绕组电感绕组电感绕组电

20、感L L大，而内阻大，而内阻大，而内阻大，而内阻r r小，不串电阻小，不串电阻小，不串电阻小，不串电阻R R则则则则T T大，串大，串大，串大，串R R则则则则T T大大减小，大大减小，大大减小，大大减小，电流电流电流电流上升、下降速度大大加快，电机性能明显提高。上升、下降速度大大加快，电机性能明显提高。上升、下降速度大大加快，电机性能明显提高。上升、下降速度大大加快，电机性能明显提高。RDL,rRV3IC+UVT电容电容电容电容C C在在在在VTVT导通瞬间能进一步加导通瞬间能进一步加导通瞬间能进一步加导通瞬间能进一步加快电流快电流快电流快电流I I上升速度。上升速度。上升速度。上升速度。V

21、TVT关断时必须让绕组续流，磁场能（电流）逐关断时必须让绕组续流，磁场能（电流）逐关断时必须让绕组续流，磁场能（电流）逐关断时必须让绕组续流，磁场能（电流）逐渐释放，否则会产生数千伏反电势烧坏电路渐释放，否则会产生数千伏反电势烧坏电路渐释放，否则会产生数千伏反电势烧坏电路渐释放，否则会产生数千伏反电势烧坏电路。RDRVI+UI续流电路续流电路续流电路续流电路特点：简单，电流上升速度加特点：简单，电流上升速度加特点：简单，电流上升速度加特点：简单，电流上升速度加快，效率低，用于小电机。快，效率低，用于小电机。快，效率低，用于小电机。快，效率低，用于小电机。3.3.高低压切换型驱动电路高低压切换型

22、驱动电路 特特点点：电电电电流流流流上上上上升升升升速速速速度度度度大大大大大大大大提提高高，启启动动力力矩矩大大，高高频频（高高速）性能大大提高，效率高。速）性能大大提高，效率高。先用高压给绕组供电先用高压给绕组供电先用高压给绕组供电先用高压给绕组供电,V,V2 2将低压隔离，电流将低压隔离，电流将低压隔离，电流将低压隔离，电流上升极大加快上升极大加快上升极大加快上升极大加快(如几十倍如几十倍如几十倍如几十倍),),短时后关短时后关短时后关短时后关VTVT2 2,低压给绕组供电得正常电流。低压给绕组供电得正常电流。低压给绕组供电得正常电流。低压给绕组供电得正常电流。R浪费能量，浪费能量，应去

23、掉应去掉续流电路续流电路续流电路续流电路如下：如下：如下：如下：R+12VI+80V对对对对+80V+80V充电，节能高效，充电，节能高效，充电，节能高效，充电，节能高效，电流下降很快。电流下降很快。电流下降很快。电流下降很快。高压前置放大低压前置放大控制门整形U1U1V2U2V1VT1 RDVT2LRe图6-14 恒流斩波驱动电路原理图输入 4.4.斩波恒流驱动电路斩波恒流驱动电路 通过采样电阻通过采样电阻通过采样电阻通过采样电阻R Re e测绕组电流测绕组电流测绕组电流测绕组电流I I，IIIImaxmax则关高压管则关高压管则关高压管则关高压管VTVT1 1，低，低，低，低压给绕组供电，

24、电流下降；压给绕组供电，电流下降；压给绕组供电，电流下降；压给绕组供电，电流下降；IIIIminmin则开则开则开则开VTVT1 1，高压给绕组供，高压给绕组供，高压给绕组供，高压给绕组供电，电流上升，使电流基本恒定。电，电流上升，使电流基本恒定。电，电流上升，使电流基本恒定。电，电流上升，使电流基本恒定。RD浪费能量，浪费能量，应去掉应去掉特特点点：电电电电流流流流上上上上升升升升速速速速度度度度大大大大大大大大提提高高，启启动动力力矩矩大大，高高频频（高高速速）性性能能大大大大提提高高，效效率率高高，可可灵灵活活控控制制绕绕绕绕组组组组电电电电流流流流，低低低低频时减小电流以免振动厉害频时减小电流以免振动厉害频时减小电流以免振动厉害频时减小电流以免振动厉害。续续续续流流流流电电电电路路路路原原原原理理理理同同同同高高低低压压切切换型驱动电路换型驱动电路 5.5.调频调压驱动电路调频调压驱动电路（P326，效果没，效果没斩波恒流好）斩波恒流好）应注意的一些问题（应注意的一些问题（P331）步进电机其他次要知识步进电机其他次要知识 步进电机的细分驱动步进电机的细分驱动（P327）：一般用细分集成电路。）：一般用细分集成电路。步进电机开环控制与闭环控制步进电机开环控制与闭环控制（P329）