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 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) 開環(huán)控制系統(tǒng)簡圖 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 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)沒有反饋檢測環(huán)節(jié) 其精度主要由步進(jìn)電機(jī)來決定 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)子無勵(lì)磁 無繞組 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 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 并每次對(duì)轉(zhuǎn)子的某一對(duì)齒產(chǎn)生電磁引力 將其吸引過來 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)過的角度稱為步距角 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)簡化結(jié)構(gòu) 圖b步進(jìn)電機(jī)常見結(jié)構(gòu) 3 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 我們以步進(jìn)電機(jī)的簡化結(jié)構(gòu) 即定子沒有分齒 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?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?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TTL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 開關(guān)時(shí)間短 高頻特性好 通態(tài)壓降低等優(yōu)點(diǎn) MOSFET開關(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