機(jī)電一體化(四)-執(zhí)行元件及驅(qū)動(dòng)技術(shù)-步進(jìn)電機(jī)ppt課件

1、第四章 執(zhí)行元件與驅(qū)動(dòng)技術(shù)第四章 執(zhí)行元件與驅(qū)動(dòng)技術(shù)知識點(diǎn)： 機(jī)電一體化系統(tǒng)執(zhí)行元件的特點(diǎn)及類型 步進(jìn)電機(jī)的任務(wù)原理及驅(qū)動(dòng)技術(shù) 直流伺服電機(jī)的任務(wù)原理及驅(qū)動(dòng)技術(shù) 交流伺服電機(jī)的任務(wù)原理及驅(qū)動(dòng)技術(shù)4.1 執(zhí)行元件的特點(diǎn)及類型 4.1. 機(jī)電控制系統(tǒng)對執(zhí)行元件的要求 普通來說，任務(wù)機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)要對外界做功，因此必需實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)和傳送必要的動(dòng)力。通常對執(zhí)行機(jī)構(gòu)提出如下根本要求：1可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的運(yùn)動(dòng)。2傳送必要的動(dòng)力。3保證系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)質(zhì)量。機(jī)電一體化系統(tǒng)的執(zhí)行元件應(yīng)滿足以下幾項(xiàng)性能要求：1慣量小、動(dòng)力大；2體積小、分量輕；3快速性好，加減速扭矩大，頻率特性好；4位置控制精度高4.2 步進(jìn)

2、電機(jī)的任務(wù)原理及驅(qū)動(dòng)技術(shù)步進(jìn)電機(jī)是一種把開關(guān)鼓勵(lì)的變化變換成準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置增量運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接納到一個(gè)脈沖信號，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度及步距角。步進(jìn)電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩大、慣性小、呼應(yīng)頻率高等優(yōu)點(diǎn),因此具有瞬間起動(dòng)與急速停頓的優(yōu)越特性。 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)用開環(huán)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如：三相反響式步進(jìn)電機(jī)。 定子6個(gè)磁極，每兩相對磁極上有一相控制繞組。 轉(zhuǎn)子裝有4個(gè)凸齒。 4.2.1 構(gòu)造與任務(wù)原理2. 任務(wù)原理 1)根本任務(wù)原理就是電磁鐵任務(wù)原理。 2)通電方式 “單每次只需一相繞組通電； “雙每次有兩相繞組通電； “拍通電次數(shù)即從一種通電形狀轉(zhuǎn)到另一種

3、通電形狀。4.2.2 小步距角步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)踐的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)1.特征： l定子內(nèi)圓和轉(zhuǎn)子外圓均有齒和槽。 l定子和轉(zhuǎn)子的齒寬和齒距相等。2.規(guī)定： 當(dāng)一相磁極下定子與轉(zhuǎn)子的齒相對時(shí)，下一相磁極下定子與轉(zhuǎn)子齒的位置剛好錯(cuò)開 齒距，m相數(shù)。圖所示為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的展開圖。其中定子有6個(gè)極，轉(zhuǎn)子有40個(gè)齒。當(dāng)A極下定、轉(zhuǎn)子齒對齊時(shí)，B極和C極下的齒就分別和轉(zhuǎn)子齒相錯(cuò)三分之一的轉(zhuǎn)子齒距 。 3.公式： l齒距 Z轉(zhuǎn)子齒數(shù) l步距角 K形狀系數(shù)，三拍時(shí)，K=1；六拍時(shí)，K2 例如：Z40，三相單三拍運(yùn)轉(zhuǎn)，那么 由此可見，轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z或定子相數(shù)m，或運(yùn)轉(zhuǎn)拍數(shù)K，那么 ，控制越準(zhǔn)確。 l轉(zhuǎn)速 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特點(diǎn)：

4、1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角與輸入的脈沖個(gè)數(shù)嚴(yán)厲成正比，故控制輸入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖個(gè)數(shù)就能控制位移量； 2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入的脈沖頻率成正比，只需控制脈沖頻率就能調(diào)理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速； 3當(dāng)停頓送入脈沖時(shí)，只需維持繞組內(nèi)電流不變，電動(dòng)機(jī)軸可以堅(jiān)持在某固定位置上，不需求機(jī)械制動(dòng)安裝； 4改動(dòng)通電相序即可改動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向； 5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)存在齒間相鄰誤差，但是不會(huì)產(chǎn)生累積誤差； 6步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，起動(dòng)、停頓迅速。4.2.3 運(yùn)轉(zhuǎn)特性1. 矩角特性靜態(tài)特性 反映步進(jìn)電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)距T隨偏轉(zhuǎn)角 變化的關(guān)系。假設(shè)在電機(jī)軸上外加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩Mz，轉(zhuǎn)子會(huì)偏離平衡位置向負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，角度稱為失調(diào)角。

5、有失調(diào)角之后，步進(jìn)電機(jī)就產(chǎn)生一個(gè)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩也稱為電磁轉(zhuǎn)矩，這時(shí)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系叫矩角特性，近似為正弦曲線。該矩角特性上的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩Tsmax。2. 矩角特性族4.2.3 運(yùn)轉(zhuǎn)特性每一曲線依次錯(cuò)開的電角度e=2/km 1)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū):動(dòng)穩(wěn)定區(qū)指步進(jìn)電機(jī)從一種通電形狀切換到另種通電形狀時(shí)，不引起失步的區(qū)域。3. 動(dòng)態(tài)特性4.2.3 運(yùn)轉(zhuǎn)特性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能帶動(dòng)的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩要比最大靜轉(zhuǎn)矩小 .電機(jī)能帶動(dòng)的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩值可由矩角特性族上相鄰的兩條矩角特性的交點(diǎn)所決議 , 就是最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩值，有時(shí)也稱它為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 .2)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq:3. 動(dòng)態(tài)特性最

6、大負(fù)載轉(zhuǎn)矩 0.30.53) 自在振蕩過程3. 動(dòng)態(tài)特性3)脈沖信號頻率對運(yùn)轉(zhuǎn)的影響矩頻特性圖 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性1-起動(dòng) 2-延續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn) 步進(jìn)電機(jī)在起動(dòng)后，當(dāng)脈沖頻率延續(xù)上升時(shí)，能不失步運(yùn)轉(zhuǎn)的最高脈沖頻率 ,稱為該電機(jī)的延續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的延續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率要比起動(dòng)頻率高得多。 步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)頻率 ,是指它在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，可以不失步地起動(dòng)的最高脈沖頻率運(yùn)轉(zhuǎn)矩頻特性起動(dòng)曲線運(yùn)轉(zhuǎn)曲線在這個(gè)輸出轉(zhuǎn)矩區(qū)間，步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的輸入脈沖頻率必需緩慢添加3)脈沖信號頻率對運(yùn)轉(zhuǎn)的影響(a) 頻率很低接近矩形波；(b) 頻率增高波形畸變；(c) 頻率很高I 下降到 I/ 。 故 過高使步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 啟動(dòng)不起來

7、； 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)失步而停下。慣頻特性 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)慣頻特性延續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的慣頻特性4.) 轉(zhuǎn)子機(jī)械慣性對運(yùn)轉(zhuǎn)的影響受機(jī)械慣性作用，在啟動(dòng)階段，轉(zhuǎn)子落后于應(yīng)轉(zhuǎn)過的角度，普通會(huì)跟上來，嚴(yán)重 時(shí)會(huì)啟動(dòng)不起來。在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，因慣性作用，經(jīng)過幾次振蕩后才停下來，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起失步。措施：采用阻尼方法，消除或減弱步進(jìn)電機(jī)的振蕩。4.2.3 主要性能目的和本卷須知主要性能目的 1) 步距角 2) 最大靜轉(zhuǎn)矩3) 空載起動(dòng)頻率4) 延續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率5) 慣-頻曲線，矩-頻曲線.2.4 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4.2.4.1 脈沖分配器1.硬件環(huán)形分配器2.軟件環(huán)行分配器3. 公用環(huán)行分配器芯片4.2.4.1 脈沖分配器1. 硬件環(huán)

8、形分配器如：三相六拍環(huán)形分配器。2. 軟件環(huán)分脈沖經(jīng)并行I/O接口輸出至步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相，如下圖。CH250 管腳定義與三相六拍任務(wù)形狀的接線圖 運(yùn)用方便，接口簡單，專業(yè)化消費(fèi)質(zhì)量可靠，本錢低等。如：CH250三相繞組分頻器 ；L297和PMM8714兩相繞組分頻器；PMM8713五相繞組電機(jī)分頻器等。3. 公用環(huán)行分配器芯片.2.4 驅(qū)動(dòng)電路 驅(qū)動(dòng)電路一種脈沖放大電路，使脈沖具有一定的功率驅(qū)動(dòng)才干。 為了提高步進(jìn)電機(jī)的高頻任務(wù)特性，希望在高頻時(shí)步進(jìn)電機(jī)的任務(wù)電流波形盡能夠接近控制信號的波形，即應(yīng)盡能夠使電流的上升沿和下降沿變陡。 步進(jìn)電機(jī)是感性負(fù)載，為提高高頻任務(wù)特性，應(yīng)使上升沿變陡，為此帶來

9、的另一個(gè)問題是當(dāng)電流上升到額定值以后，驅(qū)動(dòng)電路必需限制其電流的繼續(xù)上升，即對其采取恒流供電方式。.2.4 驅(qū)動(dòng)電路 驅(qū)動(dòng)電路一種脈沖放大電路，使脈沖具有一定的功率驅(qū)動(dòng)才干。 要求： 提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的快速性； 提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)性。1 .單電壓限流型驅(qū)動(dòng)電路VT晶體管無觸點(diǎn)開關(guān)L電動(dòng)機(jī)繞組 L 中電流不能突變，經(jīng)3 時(shí)間常數(shù) 時(shí)間后到達(dá)穩(wěn)態(tài)電流L繞組電感，r繞組電阻. ，嚴(yán)重影響啟動(dòng)頻率。R串聯(lián)電阻 ，縮短 上升的過渡時(shí)間，提高任務(wù)速度。C并聯(lián)電容或加速電容C上的電壓不能突變，在截止到導(dǎo)通的瞬間，電源電壓全落在繞組上， 。V(二極管)VT截止時(shí)起續(xù)流和維護(hù)作用，以防繞組產(chǎn)生的反電勢擊穿。RD串

10、聯(lián)電阻 ，使 波形后沿變陡。缺陷：R上有功率損耗2 高低壓切換型驅(qū)動(dòng)電路采用高壓和低壓兩種電壓供電。 時(shí)間，VT1和VT2飽和導(dǎo)通，80V經(jīng)過VT1和VT2加到L上， 。到 時(shí)定時(shí)方式或 上升到某一數(shù)值定流方式， 為低電平，VT2截止，L的電流由12V電源經(jīng)VT1維持， 到 I額。到 時(shí)， 為低電平，VT1截止， ，I0。 由脈沖分配器經(jīng)幾級電流放大獲得， 由單穩(wěn)定時(shí)或定流安裝再經(jīng)脈沖變壓器獲得。優(yōu)點(diǎn)：功耗小，啟動(dòng)力矩大，突跳頻率和任務(wù)頻率高。缺陷：大功率管數(shù)量多用一倍，添加了驅(qū)動(dòng)電源。3. 斬波恒流源驅(qū)動(dòng)電路5. 細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路 采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的目的：整步運(yùn)轉(zhuǎn)或半步運(yùn)轉(zhuǎn)根底上，不改動(dòng)步進(jìn)電機(jī)

11、構(gòu)造，提高步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)、控制精度 。 細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的根本任務(wù)原理 ：對每一控制脈沖，細(xì)分使其電流逐漸添加到達(dá)脈沖的最大電流Imax，又逐漸減少到達(dá)脈沖的最小電流0，從而可實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)轉(zhuǎn)、控制、分辨，以及提高步進(jìn)精度。常用的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路 任務(wù)原理：由基極開關(guān)電壓U1U5控制多路功率開關(guān)管VTd1VTd5的通斷，從而控制功放管VT的導(dǎo)通電流大小，即步進(jìn)電機(jī)線圈繞組電流的大小，實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)量的細(xì)分。 特點(diǎn)：功率開關(guān)管任務(wù)在開關(guān)形狀，功耗很低，但器件多、體積大。 多路功率開關(guān)細(xì)分電路五、步進(jìn)電機(jī)選型設(shè)計(jì)1、脈沖當(dāng)量：步進(jìn)電機(jī)每接受一個(gè)脈沖時(shí)，任務(wù)臺走過的位移單位為 mm/pulse= 0.0010.0025 精細(xì)機(jī)床0.0050.01 數(shù)控機(jī)床 0.10.15 普通機(jī)床M驅(qū)動(dòng)器指令脈沖如以下圖，步進(jìn)電機(jī)經(jīng)過絲杠螺母副帶開任務(wù)臺運(yùn)動(dòng)時(shí)，其脈沖當(dāng)量為：步進(jìn)電機(jī)有步距角涉及到相數(shù)、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號便確定下來了。設(shè)計(jì)時(shí)，先根據(jù)運(yùn)動(dòng)精度選定，再根據(jù)負(fù)載確定步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)，并選定絲杠的導(dǎo)程L,計(jì)算出傳動(dòng)比i后，最后設(shè)計(jì)傳動(dòng)齒輪的各參數(shù)等。 2、最大靜轉(zhuǎn)矩Tmax與相數(shù)、拍數(shù)普通根據(jù) TL3050%Tmax選擇Tmax其中TL為把負(fù)載折合到步進(jìn)電機(jī)軸的負(fù)載力矩，假設(shè)相數(shù)、拍數(shù)較多