交流伺服電機的工作原理(1)PPT優(yōu)秀課件

1、 執(zhí)行元件的種類 交 流 (AC)伺 服 電 動 機 直 流 (DC)伺 服 電 動 機 步 進 電 機 其 它 電 機 雙 金 屬 片 形 狀 記 憶 合 金 壓 電 元 件其 它 電 磁 鐵 及 其 它 與 材 料 有 關 氣 壓 馬 達 氣 缸 液 壓 馬 達 油 缸 電 動 機 電 磁 式 液 壓 式 氣 壓 式 執(zhí) 行 元 件 伺服電動機控制方式的基本形式 伺服電動機又稱執(zhí)行電動機。其伺服電動機又稱執(zhí)行電動機。其 伺服電動機可控性好，反應迅速。是自動控伺服電動機可控性好，反應迅速。是自動控 制系統(tǒng)和計算機外圍設備中常用的執(zhí)行元件。制系統(tǒng)和計算機外圍設備中常用的執(zhí)行元件。 交流伺服電動

2、機就是一臺交流伺服電動機就是一臺兩相交流異步電機。兩相交流異步電機。 它的定子上裝有空間互差它的定子上裝有空間互差9090 的的兩個繞組：勵磁繞兩個繞組：勵磁繞 組和控制繞組，其結(jié)構(gòu)如圖所示。組和控制繞組，其結(jié)構(gòu)如圖所示。 勵磁繞組勵磁繞組 控制繞組控制繞組 杯形轉(zhuǎn)子杯形轉(zhuǎn)子 內(nèi)定子內(nèi)定子 放放 大大 器器 檢檢 測測 元元 件件 2 U 2 I + U + 控制繞組控制繞組 勵磁繞組勵磁繞組 U C U 1 I 1 U + + + 勵磁繞組串聯(lián)電容勵磁繞組串聯(lián)電容C , 是為了產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場。是為了產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場。 適當選擇電容的大小，可使通入兩個繞組的電流適當選擇電容的大小，可使通入兩

3、個繞組的電流 相位差接近相位差接近9090 , ,從而產(chǎn)生所需的旋轉(zhuǎn)磁場。從而產(chǎn)生所需的旋轉(zhuǎn)磁場。 1 U C U 1 I 1 U 2 U U 放放 大大 器器 檢檢 測測 元元 件件 2 U 2 I + U + 控制繞組控制繞組 1 I 2 I 0 2 s 1 21 ss s 0 1 s 2 2 s 2 1 s 1 T 2 T 正正 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 反反 0 2 s 1 21 ss s 0 1 s 2 2 s 2 1 s 1 T 2 T 0.8 U2 0.6 U2 o n 交流伺服電機的輸出功率一般為交流伺服電機的輸出功率一般為0.1-100 W， 電源頻率分電源頻率分50Hz、400Hz等多種

4、。它的應用很廣等多種。它的應用很廣 泛，如用泛，如用在各種自動控制、自動記錄等系統(tǒng)中。在各種自動控制、自動記錄等系統(tǒng)中。 工作原理也與直流電動機工作原理也與直流電動機 相同。相同。 供電方式：供電方式：他勵供電。勵磁繞組和電樞分別由兩他勵供電。勵磁繞組和電樞分別由兩 個獨立的電源供電。個獨立的電源供電。 U1為勵磁電壓，為勵磁電壓， U2為電樞電壓為電樞電壓 M U1 I1 I2 U2 U + + 直流伺服電動機的接線圖直流伺服電動機的接線圖 直流伺服電機的機直流伺服電機的機 械特性與他勵直流電機械特性與他勵直流電機 相同一樣，也可用下式相同一樣，也可用下式 表示表示 T KK R K U n

5、 TEE 2 a2 機械特性曲線如圖所示。機械特性曲線如圖所示。 直流伺服電動機的直流伺服電動機的 n=f(T)曲線曲線(U1=常數(shù)常數(shù)) U2 0.8U2 0.6U2 0.4U2 n T O 直流伺服電機的特性較交流伺服電機硬。通常直流伺服電機的特性較交流伺服電機硬。通常 應用于功率稍大的系統(tǒng)中，如隨動系統(tǒng)中的位置控應用于功率稍大的系統(tǒng)中，如隨動系統(tǒng)中的位置控 制等。制等。 直流伺服電機輸出功率一般為直流伺服電機輸出功率一般為1-600W。 測速發(fā)電機是一種轉(zhuǎn)速測量傳感器。在許測速發(fā)電機是一種轉(zhuǎn)速測量傳感器。在許 多自動控制系統(tǒng)中，它被用來測量旋轉(zhuǎn)裝置的多自動控制系統(tǒng)中，它被用來測量旋轉(zhuǎn)裝置

6、的 轉(zhuǎn)速，向控制電路提供與轉(zhuǎn)速大小成正比的信轉(zhuǎn)速，向控制電路提供與轉(zhuǎn)速大小成正比的信 號電壓。號電壓。 測速發(fā)電機分為交流和直流兩種類型。測速發(fā)電機分為交流和直流兩種類型。 交流測速發(fā)電機又分為同步式和異步式兩交流測速發(fā)電機又分為同步式和異步式兩 種，這里只分析異步式交流測速發(fā)電機的工作種，這里只分析異步式交流測速發(fā)電機的工作 原理。原理。 1 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 定子定子 勵磁繞組勵磁繞組 輸出繞組輸出繞組 異步式交流測速發(fā)電機的結(jié)構(gòu)與杯形轉(zhuǎn)子異步式交流測速發(fā)電機的結(jié)構(gòu)與杯形轉(zhuǎn)子 交流伺服電機相似，它的定子上有兩個繞組，交流伺服電機相似，它的定子上有兩個繞組， 一個是勵磁繞組，一個是輸出繞組。一個是勵

7、磁繞組，一個是輸出繞組。 輸出輸出 繞組繞組 2 U + 勵磁勵磁 繞組繞組 1 U 1 I 1 + 工作時，測速發(fā)電機的勵磁繞組接交流電工作時，測速發(fā)電機的勵磁繞組接交流電 源源U U1 1，由，由 U U1 1 4.44 4.44 f1 1N N1 1 1 1 可知： 可知： 11 U 當被測轉(zhuǎn)動軸帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)當被測轉(zhuǎn)動軸帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn) 子切割子切割 1 1產(chǎn)生轉(zhuǎn)子感應電勢產(chǎn)生轉(zhuǎn)子感應電勢E Er r和轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子電流I Ir r， 它們的大小與它們的大小與 1 1和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 成正比：成正比： nEI 1rr 轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)子電流 Ir也產(chǎn)生磁通也產(chǎn)生磁通

8、 r ， r 在輸出繞組在輸出繞組 中感應出電壓中感應出電壓U2 ， ， U2的大小與 的大小與 r r成正比：成正比： r2 U 綜合上述分析可知：綜合上述分析可知： nUnU 112 當當 U U1 1恒定不變時，恒定不變時， U U2 2與與n 成正比，這樣，成正比，這樣， 發(fā)電機就把被測裝置的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)變成了電壓發(fā)電機就把被測裝置的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)變成了電壓 信號，輸出給控制系統(tǒng)。信號，輸出給控制系統(tǒng)。 由于鐵心線圈電感的非線性影響，交流測由于鐵心線圈電感的非線性影響，交流測 速發(fā)電機的輸出速發(fā)電機的輸出電壓電壓 U U2 2與與n 間存在著一定的非間存在著一定的非 線性誤差，使用時要注意加

9、以修正。線性誤差，使用時要注意加以修正。 直流測速發(fā)電機分永磁式和他勵式兩種。直流測速發(fā)電機分永磁式和他勵式兩種。 兩種電機的電樞相同，工作時電樞接負載電阻兩種電機的電樞相同，工作時電樞接負載電阻 RL。但永磁式的定子使用永久磁鐵產(chǎn)生磁場，。但永磁式的定子使用永久磁鐵產(chǎn)生磁場， 因而沒有勵磁線圈；他勵式的結(jié)構(gòu)與直流伺服因而沒有勵磁線圈；他勵式的結(jié)構(gòu)與直流伺服 電機相同，工作時勵磁繞組加直流電壓電機相同，工作時勵磁繞組加直流電壓U1勵磁。勵磁。 他他勵式直流測速發(fā)電機接線圖勵式直流測速發(fā)電機接線圖 TG RL I2 U2 + Ra + E I1 U1 + 當被測裝置轉(zhuǎn)動軸帶動發(fā)電機電樞旋轉(zhuǎn)時，當

10、被測裝置轉(zhuǎn)動軸帶動發(fā)電機電樞旋轉(zhuǎn)時， 電樞產(chǎn)生電動勢電樞產(chǎn)生電動勢E，其大小為：，其大小為： nKE E 發(fā)電機的發(fā)電機的輸出電壓為：輸出電壓為： 2a2a2 IRnKIREU E 上式中代入：上式中代入： L 2 2 R U I 于是于是 n R R K U E L 2 a 1 可見，當勵磁電壓可見，當勵磁電壓U1保持恒定時（保持恒定時（ 亦亦恒恒 定定），若，若Ra、RL不變，則輸出電壓不變，則輸出電壓U2的大小的大小與與 電樞轉(zhuǎn)速電樞轉(zhuǎn)速 n 成正比。成正比。這樣，發(fā)電機就把被測裝這樣，發(fā)電機就把被測裝 置的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)變成了電壓信號，輸出給控制置的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)變成了電壓信號，輸出給控制 系

11、統(tǒng)。系統(tǒng)。 0 n U2 RL2RL1 RL= RL2 RL1 值得注意的是，由于直流電機中存在著電值得注意的是，由于直流電機中存在著電 樞反應現(xiàn)象，使得輸出電壓樞反應現(xiàn)象，使得輸出電壓U2與轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速n 有一定有一定 的線性誤差。的線性誤差。 RL越小、越小、n 越大，誤差越大。因越大，誤差越大。因 此，在使用中應使此，在使用中應使RL和和 n的大小符合的大小符合直流測速直流測速 發(fā)電機的技術(shù)要求。發(fā)電機的技術(shù)要求。 測速發(fā)電機的作用是將機械速度轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷簻y速發(fā)電機的作用是將機械速度轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷?信號，在自動控制系統(tǒng)和計算裝置中作為檢測元信號，在自動控制系統(tǒng)和計算裝置中作為檢測元 件、校正元件

12、等。如在恒速控制系統(tǒng)中，測速發(fā)件、校正元件等。如在恒速控制系統(tǒng)中，測速發(fā) 電機將速度轉(zhuǎn)換為電壓信號作為反饋信號，達到電機將速度轉(zhuǎn)換為電壓信號作為反饋信號，達到 調(diào)節(jié)速度的作用。調(diào)節(jié)速度的作用。 ( 步進電機是利用電磁鐵的作用原理，將脈沖步進電機是利用電磁鐵的作用原理，將脈沖 信號轉(zhuǎn)換為線位移或角位移的電機。每來一個電脈信號轉(zhuǎn)換為線位移或角位移的電機。每來一個電脈 沖，步進電機轉(zhuǎn)動一定角度，帶動機械移動一小段沖，步進電機轉(zhuǎn)動一定角度，帶動機械移動一小段 距離。距離。 種類種類：勵磁式勵磁式和和兩種。兩種。 下面以反應式步進電機為例說明步進電機的下面以反應式步進電機為例說明步進電機的 結(jié)構(gòu)和工作原

13、理。結(jié)構(gòu)和工作原理。 如下：如下： A B C IA IB IC 定子內(nèi)圓周定子內(nèi)圓周 均勻分布著六個均勻分布著六個 磁極，磁極上有磁極，磁極上有 勵磁繞組，每兩勵磁繞組，每兩 個相對的繞組組個相對的繞組組 成一相。采用成一相。采用Y 連接，轉(zhuǎn)子有四連接，轉(zhuǎn)子有四 個齒。個齒。 定子定子 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 由于磁力線總是要通過磁阻最小的路徑閉合，由于磁力線總是要通過磁阻最小的路徑閉合， 因此會在磁力線扭曲時產(chǎn)生切向力，而形成磁阻轉(zhuǎn)因此會在磁力線扭曲時產(chǎn)生切向力，而形成磁阻轉(zhuǎn) 矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。 現(xiàn)以現(xiàn)以A B C A的通電順序，使三相繞組的通電順序，使三相繞組 輪流通入直流電流，觀察轉(zhuǎn)子

14、的運動情況。輪流通入直流電流，觀察轉(zhuǎn)子的運動情況。 B C IA IB IC C A B BC A 3 4 1 2 A相繞組通電，相繞組通電，B、C相相 不通電。氣隙產(chǎn)生以不通電。氣隙產(chǎn)生以A-AA-A為軸線為軸線 的磁場，而磁力線總是力圖從的磁場，而磁力線總是力圖從 磁阻最小的路徑通過，故電動磁阻最小的路徑通過，故電動 機轉(zhuǎn)子受到一個反應轉(zhuǎn)矩，在機轉(zhuǎn)子受到一個反應轉(zhuǎn)矩，在 此轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子必然轉(zhuǎn)此轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子必然轉(zhuǎn) 到左圖所示位置：到左圖所示位置：1、3齒與齒與A、 A極對齊。極對齊。 C A B BC A 3 4 1 2 同理，同理，B相通電時，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過相通電時，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過30

15、 角，角，2、4 齒和齒和B、B 磁極軸線對齊；當磁極軸線對齊；當C相通電時，轉(zhuǎn)子相通電時，轉(zhuǎn)子 再轉(zhuǎn)過再轉(zhuǎn)過30 角，角，1、3齒和齒和C 、C磁極軸線對齊。磁極軸線對齊。 1 C 3 42 C A B B A 這種工作方式下，三個繞組依次通電一次為這種工作方式下，三個繞組依次通電一次為 一個循環(huán)周期，一個循環(huán)周期包括三個工作脈沖，一個循環(huán)周期，一個循環(huán)周期包括三個工作脈沖， 所以稱為三相單三拍工作方式。所以稱為三相單三拍工作方式。 按按AB C A 的順序給三相繞組的順序給三相繞組 輪流通電，轉(zhuǎn)子便一步一步轉(zhuǎn)動起來。每一拍轉(zhuǎn)輪流通電，轉(zhuǎn)子便一步一步轉(zhuǎn)動起來。每一拍轉(zhuǎn) 過過30( (步距角步

16、距角) )，每個通電循環(huán)周期，每個通電循環(huán)周期( (3拍拍) )磁場在磁場在 空間旋轉(zhuǎn)了空間旋轉(zhuǎn)了360而轉(zhuǎn)子而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)過90( (一個齒距角一個齒距角) )。 按按AAB B BC C CA的順序給三相的順序給三相 繞組輪流通電。繞組輪流通電。這種方式可以獲得更精確的控制這種方式可以獲得更精確的控制 特性。特性。 C A B BC A 3 4 1 2 C A B BC A 3 4 1 2 A相通電，相通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子1 1、 3 3齒與齒與A、A 對齊。對齊。 A、B相同時通電，相同時通電， A、A 磁極拉住磁極拉住1、3齒，齒， B、B 磁極拉住磁極拉住2、4齒，齒， 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過過15

17、 ，到達左圖到達左圖 所示位置。所示位置。 C A B BC A 3 4 1 2 B B 相通電，相通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子2、 4齒與齒與B、B 對齊對齊, ,又轉(zhuǎn)又轉(zhuǎn) 過過15 。 3 4 1 2 C A B BC A B、C相同時通電，相同時通電， C 、C 磁極拉住磁極拉住1、3 齒，齒，B、B 磁極拉住磁極拉住 2、4齒，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)齒，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過過 15 。 三相反應式步進電動機的一個通電循環(huán)周三相反應式步進電動機的一個通電循環(huán)周 期如下：期如下：AAB B BC C CA，每個循每個循 環(huán)周期分為六拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過環(huán)周期分為六拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15 （步距角），（步距角）， 一一個通電循環(huán)周期個

18、通電循環(huán)周期( (6拍拍) )轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90 ( (齒距角齒距角) )。 與單三拍相比，六拍驅(qū)動方式的步進角更與單三拍相比，六拍驅(qū)動方式的步進角更 小，更適用于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。小，更適用于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。 按按AB BC CA的順序給三相繞組輪流通的順序給三相繞組輪流通 電。每拍有兩相繞組同時通電電。每拍有兩相繞組同時通電。 AB通電通電 C A B BC A 3 4 1 2 BC通電通電 3 4 1 2 C A B BC A CA通電通電 C A B BC A 3 4 1 2 與單三拍方式相似，雙三拍驅(qū)動時每個通電與單三拍方式相似，雙三拍驅(qū)動時每個通電循循 環(huán)周期也

19、分為三拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過環(huán)周期也分為三拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30 ( (步距角步距角) )， 一一個通電循環(huán)周期個通電循環(huán)周期( (3拍拍) )轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90 ( (齒距角齒距角) )。 從以上對步進電機三種驅(qū)動方式的分析可從以上對步進電機三種驅(qū)動方式的分析可 得步距角計算公式：得步距角計算公式： mZr 360 步距角步距角 Zr 轉(zhuǎn)子齒數(shù)轉(zhuǎn)子齒數(shù) m 每個通電循環(huán)周期的拍數(shù)每個通電循環(huán)周期的拍數(shù) 實用步進電機的步距角多為實用步進電機的步距角多為3 和和1.5 。為了。為了 獲得小步距角，電機的定子、轉(zhuǎn)子都做成多齒的，獲得小步距角，電機的定子、轉(zhuǎn)子都做成多齒的， 如教材圖如教材圖10.4.4所

20、示。圖中轉(zhuǎn)子表面有所示。圖中轉(zhuǎn)子表面有4040個齒，個齒， 齒距角是齒距角是9 9 ；定子仍是定子仍是 6 6個磁極，但每個磁極表個磁極，但每個磁極表 面加工有五個和轉(zhuǎn)子一樣的齒。面加工有五個和轉(zhuǎn)子一樣的齒。 應用：應用： 步進電動機根據(jù)數(shù)控裝置步進電動機根據(jù)數(shù)控裝置 發(fā)出的指令帶動電位器的發(fā)出的指令帶動電位器的 動觸電轉(zhuǎn)動，使其偏離中動觸電轉(zhuǎn)動，使其偏離中 點產(chǎn)生電位差，經(jīng)放大后點產(chǎn)生電位差，經(jīng)放大后 控制伺服閥的開口量，壓力油經(jīng)閥口進入油缸，使控制伺服閥的開口量，壓力油經(jīng)閥口進入油缸，使 機械手按照存儲在數(shù)控裝置中的指令動作。機械手按照存儲在數(shù)控裝置中的指令動作。 步進電機控制系統(tǒng)原理步進

21、電機控制系統(tǒng)原理 主要解決如下幾個問題：主要解決如下幾個問題： (1) 用軟件的方法實現(xiàn)脈沖序用軟件的方法實現(xiàn)脈沖序 列；列； (2) 步進電機的方向控制；步進電機的方向控制； (3) 步進電機控制程序的設計。步進電機控制程序的設計。 微機控制技術(shù) 步進電機控制系統(tǒng)原理步進電機控制系統(tǒng)原理 1脈沖序列的生成脈沖序列的生成 圖圖 脈沖序列脈沖序列 微機控制技術(shù) P130P130 步進電機控制系統(tǒng)原理步進電機控制系統(tǒng)原理 脈沖幅值脈沖幅值 由數(shù)字元件電平?jīng)Q定。由數(shù)字元件電平?jīng)Q定。 TTL 0 5V CMOS 0 10V 接通和斷開時間可用延時的辦法控制。接通和斷開時間可用延時的辦法控制。 要求：確

22、保步進到位。要求：確保步進到位。 微機控制技術(shù) 2方向控制方向控制 步進電機旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)部繞組的通電順序相關。步進電機旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)部繞組的通電順序相關。 三相步進電機有三種工作方式：三相步進電機有三種工作方式： 單三拍，通電順序為單三拍，通電順序為 ABC ； 雙三拍，雙三拍， 通電順序為通電順序為 ABBCCA ； 三相六拍，通電順序為三相六拍，通電順序為 AABBBCCCA ； 步進電機控制系統(tǒng)原理步進電機控制系統(tǒng)原理 微機控制技術(shù) 改變通電順序可以改變步進電機的轉(zhuǎn)向改變通電順序可以改變步進電機的轉(zhuǎn)向 步進電機控制系統(tǒng)原理步進電機控制系統(tǒng)原理 3.步進電機通電模型的建立：步進電機通電模型的

23、建立： （1）用微型機輸出接口的每一位控制一相繞組，）用微型機輸出接口的每一位控制一相繞組， 【例如】用【例如】用 8255 控制三相步進電機時，控制三相步進電機時， 可用可用 PC.O、PC.1、PC.2 分別接至步進電機的分別接至步進電機的 A、 B、 C 三相繞組。三相繞組。 （2）根據(jù)所選定的步進電機及控制方式，寫出相）根據(jù)所選定的步進電機及控制方式，寫出相 應控制方應控制方 式的數(shù)學模型。式的數(shù)學模型。 上面講的三種控制方式的數(shù)學模型分別為：上面講的三種控制方式的數(shù)學模型分別為： 微機控制技術(shù) 步進電機控制系統(tǒng)原理步進電機控制系統(tǒng)原理 三相單三拍三相單三拍 步步 序序 控控 制制 位

24、位 工工 作作 狀狀 態(tài)態(tài) 控控 制制 模模 型型 PC. 7 PC. 6 PC. 5 PC. 4 PC. 3 PC. 2 C 相相 PC. 1 B 相相 PC. 0 A 相相 100000001A01 H 200000010B02 H 300000100C04 H微機控制技術(shù) 三相雙三拍三相雙三拍 用用 P1P1口口 的的 P1.2 P1.2 、P1.1P1.1、P1.0 P1.0 對應對應 C C、B B、A A 相相 進進行控行控 制制 。 步進電機控制系統(tǒng)原理步進電機控制系統(tǒng)原理 同理，可以得出雙三拍和三相六拍的控制模型：同理，可以得出雙三拍和三相六拍的控制模型： 雙三拍雙三拍 03H

25、，06H，05H 三相六拍三相六拍 01H，03H，02H，06H，04H，05H 以上為步進電機正轉(zhuǎn)時的控制順序及數(shù)學模型，以上為步進電機正轉(zhuǎn)時的控制順序及數(shù)學模型， 如按逆序進行控制，步進電機將向相反方向轉(zhuǎn)動。如按逆序進行控制，步進電機將向相反方向轉(zhuǎn)動。 微機控制技術(shù) 步進電機與微型機的接口及程序設計 4.步進電機與微型機的接口電路步進電機與微型機的接口電路 （1）由于步進電機的驅(qū)動電流較大，所以微型機與）由于步進電機的驅(qū)動電流較大，所以微型機與 步進電機的連接都需要專門的接口及驅(qū)動電路。步進電機的連接都需要專門的接口及驅(qū)動電路。 接口電路可以是鎖存器，也可以是可編程接口芯片，接口電路可以

26、是鎖存器，也可以是可編程接口芯片， 如如 8255、8155等。等。 驅(qū)動器可用大功率復合管，也可以是專門的驅(qū)動器。驅(qū)動器可用大功率復合管，也可以是專門的驅(qū)動器。 光電隔離器，一是抗干擾，二是電隔離，光電隔離器，一是抗干擾，二是電隔離， 微機控制技術(shù) 步進電機與微型機的接口及程序設計 步進電機與微型機接口電路之一步進電機與微型機接口電路之一 微機控制技術(shù) 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 步進電機與微型機的接口及程序設計 總之，總之， 只要按一定的順序只要按一定的順序 改變改變 P1.0P1.2 三位通電的狀況，三位通電的狀況， 即可控制步進電機依選定的方

27、向步進。即可控制步進電機依選定的方向步進。 微機控制技術(shù) 步進電機與微型機的接口及程序設計 由于步進電機運行時功率較大，由于步進電機運行時功率較大， 可在微型機與驅(qū)動器之間增加一級光電隔離可在微型機與驅(qū)動器之間增加一級光電隔離 器，器， 以防強功率的干擾信號反串進主控系統(tǒng)。以防強功率的干擾信號反串進主控系統(tǒng)。 如如 圖圖4-25 微機控制技術(shù) 步進電機與微型機的接口及程序設計 步進電機與微型機接口電路之二步進電機與微型機接口電路之二 微機控制技術(shù) 0 0 0 0 1 10 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 步進電機與微型機的接口及程序設計 2.步進電機程序設計步進電機程序設計 (1)

28、步進電機程序設計的主要任務是： 判斷旋轉(zhuǎn)方向；判斷旋轉(zhuǎn)方向； 按順序傳送控制脈沖；按順序傳送控制脈沖； 判斷所要求的控制步數(shù)是否傳送完畢。判斷所要求的控制步數(shù)是否傳送完畢。 （2）程序框圖 下面以三相雙三拍為例說明這類程序 的設計. 微機控制技術(shù) 圖圖4.46 4.46 三相雙三拍步進電機控制程序流程圖三相雙三拍步進電機控制程序流程圖 p134p134微機控制技術(shù) 步進電機與微型機的接口及程序設計 ORGORG0100H0100H ROUNT1ROUNT1：MOVMOVA A，#N#N；步進電機步數(shù)；步進電機步數(shù)A A JNB JNB00H00H，LOOP2LOOP2；反向，轉(zhuǎn)；反向，轉(zhuǎn) LO

29、OP2LOOP2 LOOP1LOOP1： MOVMOVP1P1，#03H#03H；正向，輸出第一拍；正向，輸出第一拍 ACALLACALL DELAYDELAY；延時；延時 DECDECA A；A A0 0，轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)DONEDONE JZ JZDONEDONE MOV MOVP1P1，06H06H；輸出第二拍；輸出第二拍 ACALLACALL DELAYDELAY；延時；延時 DECDECA A；A A0 0，轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)DONEDONE JZ JZDONEDONE MOV MOVP1P1，05H05H；輸出第三拍；輸出第三拍 ACALLACALL DELAYDELAY；延時；延時 DECDECA A

30、；A A0 0，轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)LOOP1LOOP1 JNZJNZ LOOP1LOOP1 （3 3）程序）程序 根據(jù)圖根據(jù)圖4-464-46可寫出如下步進電機控制程序可寫出如下步進電機控制程序 微機控制技術(shù) 步進電機與微型機的接口及程序設計 微機控制技術(shù) AJMP DONE AJMP DONE ；A A0 0，轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)DONEDONE LOOP2LOOP2： MOVMOV P1 P1，03H03H；反向，輸出第一拍；反向，輸出第一拍 ACALL DELAY ACALL DELAY ；延時；延時DEC ADEC A；A A0 0，轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)DONDON JZ JZ DONE DONE MOV P1 MOV P1

31、，05H05H；輸出第二拍；輸出第二拍 ACALL DELAYACALL DELAY；延時；延時 DECDEC A A JZ JZ DONE DONE； MOVMOV P1 P1，06H06H；輸出第三拍；輸出第三拍 ACALL DELAYACALL DELAY；延時；延時 DECDEC A A ；A A0 0，轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)LOOP2LOOP2 JNZ JNZ LOOP2 LOOP2 DONEDONE： RETRET DELAY： 計算例題（直線運動) 運動學計算 動力學計算 選擇同步帶直徑和步進電機細分數(shù)m 計算電機力矩，選擇電機型號 四、計算例題（直線運動） 已知：直線平臺水平往復運動，最大行程

32、L400 mm，同步帶 傳動；往復運動周期為T 4s；重復定位誤差 0.05 mm； 平臺運動質(zhì)量M 10 kg，無外力。 求：電機型號、同步帶輪直徑、最大細分數(shù)。 平臺結(jié)構(gòu)簡圖 運動學計算 平均速度為： 設加速時間為0.1 S；(步進電機一般取加速時間為：0.11秒) (伺服電機一般取加速時間為：0.050.5秒) 則加減速時間共為0.2 S，且加減速過程的平均速度為最大速度的一 半。 smV/ 2 . 02/4 . 0 故有：L 0.2 Vmax / 2 1.8 Vmax 0.4 m 得： Vmax 0.4 / （ 0.2 / 2 1.8 ） 0.211 m/s 所以，加速度為： 2 m/

33、s 11.2 1 .0 0211.0 t V a 加速距離： 勻速距離： 減速距離和加速距離相同， m 0106. 01 . 011. 2 2 1 2 1 22 001 atVSS m 380. 08 . 1211. 0 max2 tVS m 0106. 0 13 SS m 401.0 321 SSSS 動力學計算 同步帶上需要拉力： F M a + f 摩擦力：f M g 設導軌摩擦系數(shù) 0.1 則摩擦力：f 0.1 10 9.8 9.8 N 慣性力: F1 M a 10 2.11 21.1 N 故：同步帶上要有拉力 F F1+ f 21.19.8 30.9 N 選擇同步帶直徑和步進電機細分

34、數(shù)m 設同步帶直徑30 mm 周長為C3.14 3.14 30 94.2 mm 核算定位精度：脈沖當量 C / (200 m) C / (200 0.05)= 94.2 / (200 0.05) = 9.42 核算最大轉(zhuǎn)速：nmax Vmax/ C 0.211 / (94.2/1000) 2.24 r/s 第2級主動輪直徑仍?。? 30 mm； 第1級主動輪直徑?。? 25 mm； 減速比?。篿 1 ：3； 顯然，細分數(shù)太大，最大轉(zhuǎn)速太低。 但是，同步帶直徑也不可能小2倍，所以只能增加一級減速 則第1級從動輪直徑為?。?75 mm； 電機最大轉(zhuǎn)速為： 驅(qū)動器細分數(shù)： 故，取4細分就很合適了。

35、實際脈沖當量： 計算電機力矩，選擇電機型號 第2級主動輪上的力矩：T2F3 / 2 第1級主動輪上，即電機軸上的力矩：T1T2 i F 3 / 2 i = 0.155 Nm 由于沒有考慮同步帶的效率、導軌和滑塊裝配誤差造成的摩擦、同步帶 輪的摩擦和轉(zhuǎn)動慣量等因素，同時，步進電機在高速時扭矩要大幅度下 降；所以，取安全系數(shù)為3比較保險。 故，電機力矩To0.155 3 0.465 Nm )/(72. 6/3 maxmax srCVn 14. 3)/05. 0200/(iCm mmimC04. 0)/200/( 步進驅(qū)動系統(tǒng)的常見問題步進驅(qū)動系統(tǒng)的常見問題 1、什么是步進電機？在何種情況下該使用步

36、進電機？ 步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。通俗一點講：當步進驅(qū)動器 接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進 角）。 您可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時您可 以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達調(diào)速的目的。因此在需 要準確定位或調(diào)速控制時均可考慮使用步進電機。 2、步進電機分哪幾種？有什么區(qū)別？ 步進電機分三種：永磁式（），反應式（）和混合式（） 永磁式步進一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度或15度； 反應式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動 都很大

37、。在歐美等發(fā)達國家年代已被淘汰。 混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相四相和五相：兩相 步進角一般為1.8度而五相步進角一般為0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛。 3、什么是保持轉(zhuǎn)矩(HOLDING TORQUE）？ 保持轉(zhuǎn)矩（)是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定 子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩 接近保持轉(zhuǎn)矩。保持轉(zhuǎn)矩越大則電機帶負載能力越強。由于步進電機的輸出力矩隨速 度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量 步進電機重要的參數(shù)之一。比如，當人們說2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況 下是指

38、保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進電機。 4、步進電機的驅(qū)動方式有幾種？ 一般來說，步進電機有恒壓，恒流驅(qū)動兩種，恒壓驅(qū)動已近淘汰，目前普遍使用 恒流驅(qū)動。 5、步進電機精度為多少？是否累積？ 一般步進電機的精度為步進角的3-5%。步進電機單步的偏差并不會影響到下一步 的精度因此步進電機精度不累積。 6、步進電機的外表溫度允許達到多少？ 步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降甚至于丟失。 因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來說，磁性 材料的退磁點都在攝氏度以上，因此步進電機外表溫度在攝氏度完 全正常。 7、為什么步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速升高而下降？ 當步

39、進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反 向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導 致力矩下降。 8、為什么步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫 聲? 步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟 動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。 在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應該有 加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速 升到高速）。我們建議空載啟動頻率選定為電機運轉(zhuǎn)一圈所需脈沖

40、數(shù)的倍。 9、如何克服兩相混合式步進電機在低速運轉(zhuǎn)時的振動和噪聲？ 步進電機低速轉(zhuǎn)動時振動和噪聲大是其固有的缺點，一般可采用以下方案來克服： A、如步進電機正好工作在共振區(qū)，可通過改變減速比提高步進電機運行速度。 、采用帶有細分功能的驅(qū)動器，這是最常用的，最簡便的方法。因為細分型驅(qū)動器 電機的相電流變流較半步型平緩。 、換成步距角更小的步進電機，如三相或五相步進電機，或兩相細分型步進電機。 、換成直流或交流伺服電機，幾乎可以完全克服震動和噪聲，但成本較高。 、在電機軸上加磁性阻尼器，市場上已有這種產(chǎn)品，但機械結(jié)構(gòu)改變較大。 10、細分驅(qū)動器的細分數(shù)是否能代表精度？ 步進電機的細分技術(shù)實質(zhì)上是一

41、種電子阻尼技術(shù)（請參考有關文獻），其主要目的是 減弱或消除步進電機的低頻振動，提高電機的運轉(zhuǎn)精度只是細分技術(shù)的一個附帶功能。比 如對于步進角為1.8度的兩相混合式步進電機，如果細分驅(qū)動器的細分數(shù)設置為，那么 電機的運轉(zhuǎn)分辨率為每個脈沖0.45度，電機的精度能否達到或接近0.45度，還取決于細分 驅(qū)動器的細分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細分驅(qū)動器精度可能差別很大；細分 數(shù)越大精度越難控制。 11、四相驅(qū)動合式步進電機與驅(qū)動器的串聯(lián)接法和并聯(lián)接法有什么區(qū)別？ 四相混合式步進電機一般由兩相驅(qū)動器來驅(qū)動，因此，連接時可以采用串聯(lián)接法或 并聯(lián)接法將四相電機接成兩相使用。串聯(lián)接法一般在電機轉(zhuǎn)速較的場合使用。此時需要的 驅(qū)動器輸出電流為電機相電流的0.7倍，因而電機發(fā)熱??；并聯(lián)接法一般在電機轉(zhuǎn)速較高 的場合使用（又稱高速接法），所需要的驅(qū)動器輸出電流為電機相電流的1.4倍，因而電 機發(fā)熱較大。 12、如何確定步進電機驅(qū)動器直流供電電源？ 、供電電源供電電壓的確定 混合式步進電機驅(qū)動器的供電電源電壓一般是一個較寬的范圍，電源電壓通常根據(jù)電 機的工作轉(zhuǎn)速和響應要求來選擇。如果電機工作轉(zhuǎn)速較高或響應要求較快，那么電壓 取值也高，但注意電源電壓的紋波不能超過驅(qū)動器的最大輸入電壓