機(jī)電一體化技術(shù)與系統(tǒng)項(xiàng)目四

項(xiàng)目四步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)任務(wù)一

熟悉步進(jìn)電機(jī)工作原理能力目標(biāo)：1．了解步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)。2．熟悉三相三拍、三相六拍運(yùn)行原理。3．掌握步進(jìn)電機(jī)的工作特性。工作內(nèi)容：1．什么叫步進(jìn)電機(jī)？它是怎樣實(shí)現(xiàn)速度與位置控制的？2．什么叫“三相三拍”與“三相六拍”運(yùn)行？3．步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)特性與動(dòng)態(tài)特性有什么特點(diǎn)？

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移的電動(dòng)機(jī)。1、認(rèn)識(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

(1)控制特性好；

(2)誤差不長(zhǎng)期積累；

(3)步距值不受各種干擾因素的影響。1.1步進(jìn)電機(jī)分類(lèi)分類(lèi)按定子相數(shù)不同：三相、四相、五相、六相等；

按轉(zhuǎn)子材料不同：永磁式、磁阻式（反應(yīng)式）和混合式。1.2步進(jìn)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)1423(1)定子(2)轉(zhuǎn)子U1U2V1V2W2W1三相磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)原理圖

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的典型結(jié)構(gòu)U2U1W2W1V1V21.3步進(jìn)電機(jī)的工作原理

一拍從一次通電到另一次通電。步距角每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度。(1)m相單m拍運(yùn)行（三相單三拍運(yùn)行）(2)m相雙m拍運(yùn)行（三相雙三拍運(yùn)行）(3)m相單－雙2m拍運(yùn)行（三相單－雙六拍運(yùn)行）1423142314231423U1U2V1V2W2W1(1)m相單m拍運(yùn)行（三相單三拍運(yùn)行）

通電順序：U相→V相→W相→U相。①U相通電1423U1U2V1V2W2W11423②V相通電U1U2V1V2W2W1③W相通電14231423一步兩步三步※

步距角：θ=30°(2)m相雙m拍運(yùn)行（三相雙三拍運(yùn)行）

通電順序：UV相→VW相→WU相。1423U1U2V1V2W2W1①UV相通電14231423U1U2V1V2W2W1②VW相通電14231423U1U2V1V2W2W1③WU相通電1423※

步距角：θ=30°14231423(3)m相單－雙2m拍運(yùn)行(三相單－雙六拍運(yùn)行）通電順序：U→UV→V→VW→W→WU→U。1423U1U2V1V2W2W111423U1U2V1V2W2W121423U1U2V1V2W2W131423U1U2V1V2W2W141423U1U2V1V2W2W151423U1U2V1V2W2W161423※步距角：

θ=15°三相六拍通電方式工作原理：

三相單三拍：

正轉(zhuǎn)：A→B→C→A…相序通電

反轉(zhuǎn)：C→B→A→C…相序通電

三相雙三拍：

正轉(zhuǎn)：AB→BC→CA→AB…相序通電

反轉(zhuǎn)：CA→BC→AB→CA…相序通電

三相單雙六拍：

正轉(zhuǎn)：A→AB→B→BC→C→CA→A…相序通電

反轉(zhuǎn)：A→CA→C→BC→B→AB→A…相序通電

步進(jìn)雙三步進(jìn)六拍

步距角θ=360°mzz

：轉(zhuǎn)子齒數(shù)m：拍數(shù)

轉(zhuǎn)速一個(gè)θ→轉(zhuǎn)(1/

zN)圈，脈沖頻率為f→每秒轉(zhuǎn)(f

/

zN)圈。n=60fzN例如：三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)z=40，則①采用單/雙三拍時(shí)：②采用三相六拍時(shí)：θ=360°zN360°40×3==3°θ=360°zN360°40×6==1.5°思考1:“二相三相”運(yùn)行思考2：某三相變磁阻步進(jìn)電機(jī)，轉(zhuǎn)子60齒，試計(jì)算各種運(yùn)行方式下的步距角？如果要求電機(jī)轉(zhuǎn)速為每分鐘20轉(zhuǎn)，求脈沖頻率為多少？1.3步進(jìn)電機(jī)的工作原理四、

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)

最大靜轉(zhuǎn)矩、起動(dòng)頻率、運(yùn)行頻率。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性及影響因素

1．矩角特性

2．單步運(yùn)行特性

3．連續(xù)脈沖運(yùn)行特性

4．加減速特性

5．脈沖信號(hào)頻率對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的影響

6．轉(zhuǎn)子機(jī)械慣性對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的影響

7.步進(jìn)運(yùn)行和低頻振蕩三、小步距角電機(jī)運(yùn)行原理

圖4-1.4小步距角的步進(jìn)電機(jī)展開(kāi)圖四、混合式步進(jìn)電機(jī)實(shí)踐指導(dǎo)一、步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)特性靜態(tài)是指步進(jìn)電機(jī)通電狀態(tài)不變，轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)的輸出特性。圖4-1.6步進(jìn)電機(jī)的矩角特性

圖4-1.7步進(jìn)電機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩特性二、步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性將影響到系統(tǒng)的快速性與工作可靠性。動(dòng)態(tài)特性與電機(jī)性能、負(fù)載、驅(qū)動(dòng)電源、通電方式等因素有關(guān)。圖4-1.8步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性思考:步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)任務(wù)二了解步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器原理能力目標(biāo)：1．了解步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的功能。2．熟悉單電壓驅(qū)動(dòng)、雙電壓驅(qū)動(dòng)與PWM調(diào)壓驅(qū)動(dòng)電源。工作內(nèi)容：1．步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器需要具備哪些功能？2．驅(qū)動(dòng)電源是怎樣提高啟動(dòng)電流的？3．在功率晶體管關(guān)斷時(shí)，電機(jī)繞組是如何泄放電流的？一、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的功能圖4-2.1步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的功能：①電壓隔離②脈沖分配③功率放大二、驅(qū)動(dòng)電源的工作原理步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的功率放大電路常稱為“驅(qū)動(dòng)電源”，它是步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵部件。圖4-2.2中的UCP代表步進(jìn)電機(jī)的繞組通斷控制信號(hào)；W代表電機(jī)繞組。圖中的VD與RD為續(xù)流回路，用于繞組斷開(kāi)時(shí)的放電；RS為限流電阻，用來(lái)限制繞組電流，并起到減小繞組電氣時(shí)間常數(shù)的作用；電容C用來(lái)提高導(dǎo)通瞬間的啟動(dòng)電流，提高電機(jī)響應(yīng)速度。單電壓驅(qū)動(dòng)電源實(shí)踐指導(dǎo)一、雙電壓驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)電源有兩組電源向電機(jī)繞組供電，高壓部分用來(lái)提高啟動(dòng)瞬間的繞組電流，低壓部分用來(lái)維持繞組額定電流圖4-2.3定時(shí)控制高低壓驅(qū)動(dòng)電源二、PWM調(diào)壓驅(qū)動(dòng)電源PWM調(diào)壓驅(qū)動(dòng)電源的最大優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)線路中的向繞組供電的電源電壓可以根據(jù)要求進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，因此，它既可以實(shí)現(xiàn)高低壓驅(qū)動(dòng)功能，還可以根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率自動(dòng)改變供電電壓，解決系統(tǒng)快速性與低頻工作的沖擊、振蕩與噪聲問(wèn)題。2.2.5PWM調(diào)壓驅(qū)動(dòng)電源

2.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)和應(yīng)用

2.3.1．步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)

1)步距角θb2)精度

3)轉(zhuǎn)矩

4)響應(yīng)頻率

5)運(yùn)行頻率

6)起動(dòng)矩頻特性

7)起動(dòng)慣頻特性

8)運(yùn)行矩頻特2.3.2步進(jìn)電機(jī)伺服電機(jī)對(duì)比一、控制精度不同德國(guó)百格拉公司的三相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角可通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)置為1.8°,0.9°,0.72°,0.36°,0.18°,0.09°,0.072°,0.036°.交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。松下全數(shù)字式交流伺服電機(jī)：2500線編碼器、四倍頻，其脈沖當(dāng)量為360°/10000=0.036°。17位編碼器，脈沖當(dāng)量360°/217=9.89秒。是步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/655。二、低頻特性不同步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí)，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來(lái)克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，比如在電機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等。交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（FFT），可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。2.3.2步進(jìn)電機(jī)伺服電機(jī)對(duì)比三、矩頻特四、過(guò)載能力不同五、運(yùn)行性能不同六、速度響應(yīng)性能不同2.3.2步進(jìn)電機(jī)伺服電機(jī)對(duì)比3、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例設(shè)計(jì)要求：XY工作臺(tái)，采用滾珠絲杠副傳動(dòng)，絲杠螺距4mm，工作臺(tái)行程200mm。最大運(yùn)動(dòng)速度100mm/min,最大加速度不小于0.5g,在刀具處安裝一鉛筆，以便畫(huà)出運(yùn)動(dòng)軌跡選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)、并設(shè)計(jì)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。3.1設(shè)計(jì)過(guò)程1、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇2、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇3、計(jì)算機(jī)及其接口設(shè)計(jì)4、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制程序任務(wù)三步進(jìn)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用與實(shí)踐3.1設(shè)計(jì)過(guò)程注意事項(xiàng)：

1、步進(jìn)電機(jī)工作情況檢查；萬(wàn)用表的使用；

2、檢查控制板的連線；

3、不同工作拍節(jié)的線路連接。3.2任務(wù)實(shí)施及練習(xí)分析要點(diǎn)：

1通過(guò)分析步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理和通電方式，可以得出什么結(jié)淪?2實(shí)用中的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為什么采用小步距角?步距角如何確定?3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按工作原理分類(lèi)有哪幾種?各有什么特點(diǎn)?4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)環(huán)行分配器由什么確定?如何進(jìn)行設(shè)計(jì)?5如何修改環(huán)行分配器子程序，以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的反向運(yùn)行?6步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角的含義是什么?一臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以有兩個(gè)步距角，例如3°/1.5°，這是什么意思?什么是單三拍、雙三拍、單雙六拍、五相十拍?

3.2任務(wù)實(shí)施及練習(xí)實(shí)施任務(wù)：查找資料，對(duì)YL335B自動(dòng)生產(chǎn)線輸送站進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的選型設(shè)計(jì)、電氣連線、調(diào)試設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)訓(xùn)臺(tái)進(jìn)行電氣連接并檢查編程驅(qū)動(dòng)，檢驗(yàn)控制效果小組資料整理匯報(bào)小組評(píng)價(jià)3.2任務(wù)實(shí)施及練習(xí)3.3步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器使用幫助1、SIEMENS步進(jìn)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品STEPDRIVEC/C+步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器組成：（1）電源部分用來(lái)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)器所需的DC24V、DC5V等控制電壓以及步進(jìn)電機(jī)繞組驅(qū)動(dòng)用的DC120V電壓FMSTEPDRIVE步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部組成與STEPDRIVEC/C+系列基本相同，但驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電壓可以達(dá)到DC325V，最大輸出電流同為5A。3.3步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器使用幫助1、SIEMENS步進(jìn)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品（2）控制部分包括“五相十拍”環(huán)形分配、恒流斬波控制、過(guò)電流保護(hù)等環(huán)節(jié)；（3）功率放大部分用來(lái)產(chǎn)生電機(jī)繞組控制用的高壓、大電流信號(hào)。驅(qū)動(dòng)器的保護(hù)措施較完善，設(shè)計(jì)有過(guò)電壓、欠電壓、過(guò)載、對(duì)地短路、相間短路等保護(hù)措施。

3.3步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器使用幫助2.

步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的選擇

選擇步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是必須綜合考慮系統(tǒng)的啟動(dòng)特性與運(yùn)行特性，必須注意的是：步進(jìn)電機(jī)不具有過(guò)載性能!2.

步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的選擇首先計(jì)算出系統(tǒng)的負(fù)載慣量根據(jù)負(fù)載慣量JL將空載啟動(dòng)特性平移后才能得到正確的啟動(dòng)特性最后，根據(jù)平移后的啟動(dòng)特性與啟動(dòng)頻率確定啟動(dòng)時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩Ma的值。3.3步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器使用幫助3.4SIEMENS步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的連接

3.4SIEMENS步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的連接①電源連接：根據(jù)要求將AC85V輸入電源連接到驅(qū)動(dòng)器的L/N/PE端。②電機(jī)連接：將驅(qū)動(dòng)器上的A+~E-與電機(jī)上的對(duì)應(yīng)端連接。③控制信號(hào)連接：驅(qū)動(dòng)器上的控制信號(hào)連接要求如下。+PULS/-PULS：位置指令脈沖，上升沿有效，最高頻率不能超過(guò)250kHz。+DIR/-DIR：電機(jī)轉(zhuǎn)向選擇，“0”為順時(shí)針；“1”為逆時(shí)針；轉(zhuǎn)向可用驅(qū)動(dòng)器的設(shè)定開(kāi)關(guān)調(diào)整。+ENA/-ENA：驅(qū)動(dòng)器“使能”信號(hào)，輸入“0”禁止驅(qū)動(dòng)器輸出，電機(jī)無(wú)輸出轉(zhuǎn)矩；輸入“1”驅(qū)動(dòng)器使能，電機(jī)繞組加入運(yùn)行或保持電流。3.4SIEMENS步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的連接以上輸入為DC5V信號(hào)，具體要求如下。高電平（“1”信號(hào)）：VH≥3.7V/20mA與4.5V/100μA。低電平（“0”信號(hào)）：VL≤1V/20mA。+24V/+24VGND：驅(qū)動(dòng)器準(zhǔn)備好（RDY）信號(hào)輸出用的DC24V電源輸入；RDY：驅(qū)動(dòng)器“準(zhǔn)備好”信號(hào)輸出，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器工作正常時(shí)，+24V與RDY間的觸點(diǎn)閉合。當(dāng)使用多個(gè)驅(qū)動(dòng)器時(shí)，信號(hào)可以按照?qǐng)D5-3.5所示的方式進(jìn)行串聯(lián)，并將最后一只驅(qū)動(dòng)器的RDY輸出作為全部驅(qū)動(dòng)器準(zhǔn)備好信號(hào)，輸出到外部控制器（如作為PLC輸入等）。3.5SIEMENS驅(qū)動(dòng)器的設(shè)定與調(diào)整STEPDRIVEC/C+步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器正面安裝有4只調(diào)整開(kāi)關(guān)（見(jiàn)圖5-3.4），其作用如下。調(diào)整開(kāi)關(guān)CURR1/CURR2：驅(qū)動(dòng)器輸出電流的設(shè)定，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器用于不同規(guī)格電機(jī)時(shí)，以STEPDRIVEC/C+為例，開(kāi)關(guān)設(shè)定與輸出電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表5-3.1所示。3.5SIEMENS驅(qū)動(dòng)器的設(shè)定與調(diào)整驅(qū)動(dòng)器的工作狀態(tài)可以通過(guò)指示燈進(jìn)行檢查，正常工作時(shí)的指示燈（參見(jiàn)圖5-3.4）顯示如下。①驅(qū)動(dòng)器電源加入：指示燈DIS亮；電機(jī)無(wú)輸出轉(zhuǎn)矩；驅(qū)動(dòng)器等待使能信號(hào)輸入。②加入使能信號(hào)：在+ENA/-ENA端加入DC5V信號(hào)后，指示燈DIS滅、RDY亮，步進(jìn)電機(jī)繞組通電，并且產(chǎn)生保持力矩。3.5SIEMENS驅(qū)動(dòng)器的設(shè)定與調(diào)整③加入指令脈沖：在+PULS/-PULS端與+DIR/-DIR端輸入DC5V“脈沖+方向”信號(hào)，電機(jī)則按照要求旋轉(zhuǎn)。指令脈沖可來(lái)自CNC、PLC或DC5V手輪輸入。④轉(zhuǎn)向檢查：如果電機(jī)轉(zhuǎn)向不正確，可切斷驅(qū)動(dòng)器電源，利用DIR開(kāi)關(guān)交換電機(jī)轉(zhuǎn)向。⑤故障分析：如果驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)故障，報(bào)警指示燈FLT或TMP亮，可按表5-3.2分析原因并排除故障。3.5SIEMENS驅(qū)動(dòng)器的設(shè)定與調(diào)整思考：某步進(jìn)電機(jī)有80個(gè)齒,采用3相6拍方式驅(qū)動(dòng),經(jīng)絲杠螺母副驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)做直線運(yùn)動(dòng),絲杠的導(dǎo)程為6mm。求:1、步進(jìn)電機(jī)的步矩角。2、當(dāng)脈沖當(dāng)量要求為0.01mm時(shí),試設(shè)計(jì)此傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比1、k=6/3=2á=360/mzk=360/3×80×2=0.75。2、I=Z2/Z1=αL/360δ=0.75×6/360×0.01=2/1可選Z1=20，Z2=40，模數(shù)=1.5的齒輪傳動(dòng)副例：三相變磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子80個(gè)齒。(1)要求電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)