步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng).ppt

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項(xiàng)目6數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 1 調(diào)速范圍要寬2 精度要高3 響應(yīng)要快4 低速大轉(zhuǎn)矩5 穩(wěn)定性要好 可靠性要高 一 數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)的要求 二 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分類(lèi) 進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 主軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 直流電動(dòng)機(jī)的晶閘管驅(qū)動(dòng)控制 直流電動(dòng)機(jī)的PWM驅(qū)動(dòng)控制 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制 交流永磁同步電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制 直流電動(dòng)機(jī)的晶閘管驅(qū)動(dòng)控制 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制 三相交流異步電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制 任務(wù)6 1步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng) 一 步進(jìn)電機(jī) 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖 指令脈沖 步進(jìn)電機(jī) 齒輪箱 步進(jìn)電機(jī)通常構(gòu)成開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) 在精度要求不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床或普通機(jī)床的數(shù)控改造中比較常見(jiàn) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種把電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移的電機(jī) 其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角與輸入的脈沖數(shù)成比 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與脈沖的頻率成正比 轉(zhuǎn)向取決于步進(jìn)電機(jī)的各相通電順序 并且保持電機(jī)各相通電狀態(tài)就能使電機(jī)自鎖 但由于該系統(tǒng)沒(méi)有反饋檢測(cè)環(huán)節(jié) 其精度主要由步進(jìn)電機(jī)來(lái)決定 速度也受到步進(jìn)電機(jī)性能的限制 1 按定子獨(dú)立繞組數(shù)分兩相 三相 四相 五相 六相步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù) 指定子上的獨(dú)立繞組數(shù) 2 按轉(zhuǎn)子性質(zhì)分反應(yīng)式 轉(zhuǎn)子無(wú)勵(lì)磁 無(wú)繞組 也非永磁鐵 永磁式 轉(zhuǎn)子常為永久磁鐵 1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分類(lèi) 2 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu) 定子上有六個(gè)磁極 每個(gè)磁極上繞有勵(lì)磁繞組 每相對(duì)的兩個(gè)磁極組成一相 分成A B C三相 轉(zhuǎn)子無(wú)繞組 它是由帶齒的鐵心做成的 步進(jìn)電機(jī)是按電磁吸引的原理進(jìn)行工作的 當(dāng)定子繞組按順序輪流通電時(shí) A B C三對(duì)磁極就依次產(chǎn)生磁場(chǎng) 并每次對(duì)轉(zhuǎn)子的某一對(duì)齒產(chǎn)生電磁引力 將其吸引過(guò)來(lái) 而使轉(zhuǎn)子一步步轉(zhuǎn)動(dòng) 每當(dāng)轉(zhuǎn)子某一對(duì)齒的中心線與定子磁極中心線對(duì)齊時(shí) 磁阻最小 轉(zhuǎn)矩為零 如果控制線路不停地按一定方向切換定子繞組各相電流 轉(zhuǎn)子便按一定方向不停地轉(zhuǎn)動(dòng) 步進(jìn)電機(jī)每次轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱(chēng)為步距角 實(shí)際應(yīng)用的步進(jìn)電機(jī)如圖所示 轉(zhuǎn)子鐵心和定子磁極上均有齒距相等的小齒 且齒數(shù)要有一定比例的配合 步距角 3600 mZk式中 m 定子相數(shù)Z 轉(zhuǎn)子齒數(shù)k 整步或半步系數(shù) 整步為1 半步為2 例如 圖a中 m 3 Z 4 假如k 1 則 3600 3 4 1 300圖b中 m 3 Z 40 假如k 1 則 3600 3 40 1 30 圖a步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu) 圖b步進(jìn)電機(jī)常見(jiàn)結(jié)構(gòu) 3 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 我們以步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu) 即定子沒(méi)有分齒 轉(zhuǎn)子上有4個(gè)齒 為例 分析步進(jìn)電機(jī)的三種工作方式 繼而認(rèn)識(shí)步進(jìn)電機(jī)的工作原理 步進(jìn)電機(jī)的三種工作方式 三相單三拍 三相雙三拍 三相單雙六拍 單 每次只給一相繞組通電 雙 每次給兩相繞組通電 拍 從一種通電狀態(tài)變?yōu)榱硪环N通電狀態(tài) 稱(chēng)為一拍 1 三相單三拍 1 在磁拉力的作用下 轉(zhuǎn)子上的齒與主磁極對(duì)齊 2 當(dāng)由U相繞組通電 1 3齒與U1 U2對(duì)齊 換成V相通電時(shí) 因?yàn)樵瓉?lái) a 圖上的2 4齒距V相主磁極近 所以2 4齒順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角3003 當(dāng)U V W U順序通電為正轉(zhuǎn) 瞬時(shí)針 時(shí) 則U W V U順序通電為反轉(zhuǎn) 逆時(shí)針 且一個(gè)循環(huán)周期為3拍 4 由于每次只有一相繞組通電 轉(zhuǎn)子易在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩 穩(wěn)定性不佳 故實(shí)際應(yīng)用中不采用單三拍工作方式 2 三相雙三拍 1 通電順序UV VW WU UV順序通電為正轉(zhuǎn) 順時(shí)針 反之為反轉(zhuǎn) 逆時(shí)針 2 當(dāng)UV相繞組通電時(shí) 1 4齒U V對(duì)齊 當(dāng)換成VW相通電時(shí) 因?yàn)樵瓉?lái) a 圖上的3 4齒距VW相主磁極近 所以3 4齒順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角300后 3 4齒與VW相主磁極對(duì)齊 3 由于雙三拍控制每次有二相繞組通電 而且切換時(shí)總保持一相繞組通電 所以工作比較穩(wěn)定 3 三相單雙六拍 1 通電順序U UV V VW W WU U順序通電為正轉(zhuǎn) 反之為反轉(zhuǎn) 2 它比三相三拍控制方式步距角小一半 因而精度更高 且轉(zhuǎn)換過(guò)程中始終保證有一個(gè)繞組通電 工作穩(wěn)定 因此這種方式被大量采用 4 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)受脈沖的控制 脈沖的頻率決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速 脈沖的個(gè)數(shù)決定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角位移 改變脈沖的通電相序可改變步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向 2 維持定子繞組的電流不變 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將停在某一位置上不動(dòng) 即步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有自整角能力 不需要機(jī)械制動(dòng) 3 有一定的步距誤差 但旋轉(zhuǎn)一周后 總的誤差為零 沒(méi)有累計(jì)誤差 4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的效率較低 拖動(dòng)負(fù)載的能力不大 調(diào)速范圍不寬 最高輸入頻率不超過(guò)25KHZ 否則會(huì)失步 環(huán)形分配器的作用是將數(shù)控裝置送來(lái)的一系列指令脈沖按照一定的順序和分配方式加到功率放大器上 控制各相繞組的通電 斷電 二 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng) 環(huán)形分配器功能可由硬件或軟件產(chǎn)生 稱(chēng)為硬環(huán)分或軟環(huán)分 1 環(huán)形分配器 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)由環(huán)形分配器和功率放大器組成 1 硬分配 脈沖分配器的輸入 輸出信號(hào)一般均為T(mén)TL電平 輸出A B C信號(hào)變?yōu)楦唠娖絼t表示相應(yīng)的繞組通電 低電平則表示相應(yīng)的繞組失電 CP為數(shù)控裝置發(fā)出的一串脈沖信號(hào) 每一個(gè)脈沖信號(hào)的上升或下降沿到來(lái)時(shí) 則改變一次繞組的通電狀態(tài) DIR為數(shù)控裝置發(fā)出的方向信號(hào) 其電平的高低即對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)繞組通電順序的改變 即步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的正 反轉(zhuǎn) FULL HALF用于控制電動(dòng)機(jī)的整步 對(duì)三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)即為三拍運(yùn)行 或半步 對(duì)三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)即為六拍運(yùn)行 實(shí)用的環(huán)形分配器是集成化的專(zhuān)業(yè)電路芯片 這些芯片中通常包括環(huán)形分配器和功率放大等 2 軟分配 軟分配直接由數(shù)控裝置中的控制軟件實(shí)現(xiàn)脈沖分配 驅(qū)動(dòng)裝置只進(jìn)行功率放大 常用的是查表法 例如三相六拍工作方式 如果在A B C接口依次輸出100 110 010 011 001 101 100 步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn) 反之反轉(zhuǎn) 三相六拍環(huán)形分配器真值表 由于硬分配具有速度快 芯片外圍電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn) 目前 大多數(shù)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置采用硬分配的形式 2 驅(qū)動(dòng)放大電路 驅(qū)動(dòng)放大電路常使用單電壓驅(qū)動(dòng) 高低壓切換驅(qū)動(dòng) 恒流斬波驅(qū)動(dòng) 調(diào)頻調(diào)壓等驅(qū)動(dòng)電路 所采用的功率半導(dǎo)體元件可以是大功率晶體管GTR 也可以是功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET GTR一種工作于導(dǎo)通和截止兩種狀態(tài)的功率三極管 具有控制方便 開(kāi)關(guān)時(shí)間短 高頻特性好 通態(tài)壓降低等優(yōu)點(diǎn) MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí)間很短 工作頻率可達(dá)30kHz以上 1 高低壓切換驅(qū)動(dòng)電路這種電路的特點(diǎn)是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的繞組每次通電時(shí) 首先接通高壓 以保證電流以較快的速度上升 然后改由低壓供電 維持繞組中的電流為額定值 2 恒流斬波驅(qū)動(dòng)電路 這種驅(qū)動(dòng)電源的控制原理是隨時(shí)檢測(cè)繞組的電流值 當(dāng)繞組電流值下降到下限設(shè)定值時(shí) 使功率管導(dǎo)通 繞組電流上升 當(dāng)繞組電流上升到上限設(shè)定值時(shí) 關(guān)斷功率管 繞組電流下降 這樣 在一個(gè)步進(jìn)周期內(nèi) 功率管多次通斷 使繞組電流在上 下限之間波動(dòng) 接近恒定值 提高了繞組電流的平均值 有效地抑制了電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的降低