华南理工大学现代控制理论及系统最优化——步进电机及其驱动技术
- 格式：pdf
- 大小：3.25 MB
- 文档页数：27
华南理工大学机械与汽车工程学院 宋 建 电话： 13808864439 邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术 （3）三相双六拍
1）通电顺序U → UV → V → VW → W → WU → U顺序通电为正转，反 之为反转； 2）它比三相三拍控制方式步距角小一半，因而精度更高，且转换过程中 始终保证有一个绕组通电，工作稳定，因此这种方式被大量采用。
华南理工大学机械与汽车工程学院 宋 建
电话： 13808864439
邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术
硬件环形分配器：3个P-J触发器组成
环形分配器逻辑真值表 序号 CAJ 0 1 2 3 4 5 6 1 0 0 0 1 1 1 CBJ 1 1 1 0 0 0 1 状态 CCJ QA QB QC 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 A AB B BC C CA A 导电绕组
华南理工大学机械与汽车工程学院
宋 建
电话： 13808864439
邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术
（2）软环分
• 软分配直接由控制装置中的控制软件实现脉冲分配，驱动装置只 进行功率放大。 • 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 次输出100 → 110 → 010 → 011 → 001 → 101 → 100- - • 步进电机正转，反之反转。
华南理工大学机械与汽车工程学院
宋 建
电话： 13808864439
邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术
驱动放大电路
驱动放大电路常使用单电压驱动、高低压切换驱动、恒流斩波 驱动、调频调压等驱动电路，所采用的功率半导体元件可以是大功 率晶体管GTR，也可以是功率场效应管MOSFET。GTR一种工作于导通 和截止两种状态的功率三极管，具有控制方便，开关时间短，高频 特性好，通态压降低等优点；MOSFET开关时间很短，工作频率可达 30kHz以上
华南理工大学机械与汽车工程学院 宋 建 电话： 13808864439 邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术
（1）硬环分
华南理工大学机械与汽车工程学院
宋 建
电话： 13808864439
邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术
脉冲分配器的输入、输出信号一般均为TTL电平，输出A、B、C 信号变为高电平则表示相应的绕组通电，低电平则表示相应的绕组 失电；CP为数控装置发出的一串脉冲信号，每一个脉冲信号的上升 或下降沿到来时，则改变一次绕组的通电状态；DIR为数控装置发 出的方向信号，其电平的高低即对应电动机绕组通电顺序的改变， 即步进电动机的正、反转，FULL／HALF用于控制电动机的整步(对 三相步进电动机即为三拍运行)或半步(对三相步进电动机即为六拍 运行) 现有的环形分配器是集成化的专业电路芯片，这些芯片中通常 包括环形分配器和功率放大等。
华南理工大学机械与汽车工程学院 宋 建 电话： 13808864439 邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术
三相六拍环形分配器真值表
序号 1 2 3 4 5 6 A 1 1 0 0 0 1 B 0 1 1 1 0 0 C 0 0 0 1 1 1 方向 反转
正转
• 由于硬分配具有速度快、芯片外围电路简单等优点，目前，大多 数步进驱动装置采用硬分配的形式。
华南理工大学机械与汽车工程学院
宋 建
电话： 13808864439
邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术
华南理工大学机械与汽车工程学院
宋 建
电话： 13808864439
邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术
电机固有步距角 0.9°/1.8° 0.9°/1.8° 0.9°/1.8° 0.9°/1.8° 0.9°/1.8° 所用驱动器类型及工作状态 驱动器工作在半步状态 驱动器工作在5细分状态 驱动器工作在10细分状态 驱动器工作在20细分状态 驱动器工作在40细分状态 电机运行时的真正步距角 0.9° 0.36° 0.18° 0.09° 0.045°
华南理工大学机械与汽车工程学院
宋 建
电话： 1380886ຫໍສະໝຸດ 439邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术 （1）三相单三拍
1）在磁拉力的作用下，转子上的齿与主磁极对齐。 2）当由U相绕组通电（1、3齿与U1、U2对齐）换成V相通电时，因为原来(a) 图上的2、4齿距V相主磁极近，所以2、4齿顺时针转动一个步距角300 3）当U→V→W→U顺序通电为正转（瞬时针）时，则U→W→V→U顺序通电为 反转（逆时针）；且一个循环周期为3拍。 4）由于每次只有一相绕组通电，转子易在平衡位置附近产生振荡，稳定性 不佳，故实际应用中不采用单三拍工作方式。
步进电机及其驱动技术
步进电动机结构 定子上有六个磁极，每个磁极上绕有 励磁绕组，每相对的两个磁极组成一相， 分成A、B、C三相。转子无绕组，它是由 带齿的铁心做成的。步进电机是按电磁吸 引的原理进行工作的。当定子绕组按顺序 轮流通电时，A、B、C三对磁极就依次产 生磁场，并每次对转子的某一对齿产生电 磁引力，将其吸引过来，而使转子一步步 转动。每当转子某一对齿的中心线与定子 磁极中心线对齐时，磁阻最小，转矩为零 。如果控制线路不停地按一定方向切换定 子绕组各相电流，转子便按一定方向不停 地转动。步进电机每次转过的角度称为步 距角。
步进电机及其驱动技术
步进电动机 是一种把电脉冲信号转换成角位移的电机。其转子的转 角与输入的脉冲数成比，转子的转速与脉冲的频率成正比，转向取 决于步进电机的各相通电顺序
华南理工大学机械与汽车工程学院
宋 建
电话： 13808864439
邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术
步进电动机分类 （1）按定子独立绕组数分 两相、三相、四相、五相、六相步进电机。 步进电动机的相数：指定子上的独立绕组数。 （2）按转子性质分 反应式—转子无励磁（无绕组）、也非永磁铁。 永磁式—转子常为永久磁铁。
华南理工大学机械与汽车工程学院
宋 建
电话： 13808864439
邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术
华南理工大学机械与汽车工程学院
宋 建
电话： 13808864439
邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术
步进电机
工作台
步进电机 指令脉冲 驱动控制 线路
华南理工大学机械与汽车工程学院 宋 建
齿轮箱
电话： 13808864439
邮箱： songjian@
华南理工大学机械与汽车工程学院
宋 建
电话： 13808864439
邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术
步进电机的特点 1）步进电动机受脉冲的控制。脉冲的频率决定电机的转速，脉冲 的个数决定电机的旋转角位移，改变脉冲的通电相序可改变步进电 动机的转向 2）维持定子绕组的电流不变，步进电动机将停在某一位置上不动 ，即步进电动机具有自整角能力，不需要机械制动 3）有一定的步距误差，但旋转一周后，总的误差为零，没有累计 误差 4）步进电动机的效率较低，拖动负载的能力不大，调速范围不宽 ，最高输入频率不超过25KHZ，否则会失步
步进电机及其驱动技术
步进电机驱动技术
步进驱动系统 步进电机驱动系统主要由环形分配器和功率放大器组成。
华南理工大学机械与汽车工程学院
宋 建
电话： 13808864439
邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术
步进驱动器：是一种能使步进电机运转的功率放大器，能把控制器 发来的脉冲信号转化为步进电机的角位移，电机的转速与脉冲频率 成正比，所以控制脉冲频率可以精确调速，控制脉冲数就可以精确 定位。
华南理工大学机械与汽车工程学院 宋 建 电话： 13808864439 邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术
微步驱动 微步驱动技术是一种电流波形控制技术。其基本思想是控制每相绕 组电流的波形，使其阶梯上升或下降，即在0和最大值之间给出多个稳定 的中间状态，定子磁场的旋转过程中也就有了多个稳定的中间状态，对 应于电机转子旋转的步数增多、步距角减小。 采用细分驱动技术可以大大提高步进电机的步矩分辨率，减小转矩 波动，避免低频共振及降低运行噪声
华南理工大学机械与汽车工程学院
宋 建
电话： 13808864439
邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术
环形分配器 环形分配器的作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按照一定的顺序和 分配方式加到功率放大器上，控制各相绕组的通电、断电。
环形分配器功能可由硬件或软件产生，称为硬环分或软环分。
宋 建
电话： 13808864439
邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术
（2）恒流斩波驱动电路 这种驱动电源的控制原理是 随时检测绕组的电流值，当绕组 电流值下降到下限设定值时，使 功率管导通，绕组电流上升；当 绕组电流上升到上限设定值时， 关断功率管，绕组电流下降。这 样，在一个步进周期内，功率管 多次通断，使绕组电流在上、下 限之间波动，接近恒定值，提高 了绕组电流的平均值，有效地抑 制了电动机输出转矩的降低
华南理工大学机械与汽车工程学院 宋 建 电话： 13808864439 邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术 （2）三相双三拍
1）通电顺序UV→VW→WU→UV顺序通电为正转（顺时针），反之为 反转（逆时针）； 2）当UV相绕组通电时，1、4齿U、V对齐，当换成VW相通电时，因 为原来(a)图上的3、4齿距VW相主磁极近，所以3、4齿顺时针转动 一个步距角300后，3、4齿与VW相主磁极对齐。 3）由于双三拍控制每次有二相绕组通电，而且切换时总保持一相 绕组通电，所以工作比较稳定。
步进电机及其驱动技术 （3）三相双六拍
1）通电顺序U → UV → V → VW → W → WU → U顺序通电为正转，反 之为反转； 2）它比三相三拍控制方式步距角小一半，因而精度更高，且转换过程中 始终保证有一个绕组通电，工作稳定，因此这种方式被大量采用。
华南理工大学机械与汽车工程学院 宋 建
电话： 13808864439
邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术
硬件环形分配器：3个P-J触发器组成
环形分配器逻辑真值表 序号 CAJ 0 1 2 3 4 5 6 1 0 0 0 1 1 1 CBJ 1 1 1 0 0 0 1 状态 CCJ QA QB QC 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 A AB B BC C CA A 导电绕组
华南理工大学机械与汽车工程学院
宋 建
电话： 13808864439
邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术
（2）软环分
• 软分配直接由控制装置中的控制软件实现脉冲分配，驱动装置只 进行功率放大。 • 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 次输出100 → 110 → 010 → 011 → 001 → 101 → 100- - • 步进电机正转，反之反转。
华南理工大学机械与汽车工程学院
宋 建
电话： 13808864439
邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术
驱动放大电路
驱动放大电路常使用单电压驱动、高低压切换驱动、恒流斩波 驱动、调频调压等驱动电路，所采用的功率半导体元件可以是大功 率晶体管GTR，也可以是功率场效应管MOSFET。GTR一种工作于导通 和截止两种状态的功率三极管，具有控制方便，开关时间短，高频 特性好，通态压降低等优点；MOSFET开关时间很短，工作频率可达 30kHz以上
华南理工大学机械与汽车工程学院 宋 建 电话： 13808864439 邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术
（1）硬环分
华南理工大学机械与汽车工程学院
宋 建
电话： 13808864439
邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术
脉冲分配器的输入、输出信号一般均为TTL电平，输出A、B、C 信号变为高电平则表示相应的绕组通电，低电平则表示相应的绕组 失电；CP为数控装置发出的一串脉冲信号，每一个脉冲信号的上升 或下降沿到来时，则改变一次绕组的通电状态；DIR为数控装置发 出的方向信号，其电平的高低即对应电动机绕组通电顺序的改变， 即步进电动机的正、反转，FULL／HALF用于控制电动机的整步(对 三相步进电动机即为三拍运行)或半步(对三相步进电动机即为六拍 运行) 现有的环形分配器是集成化的专业电路芯片，这些芯片中通常 包括环形分配器和功率放大等。
华南理工大学机械与汽车工程学院 宋 建 电话： 13808864439 邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术
三相六拍环形分配器真值表
序号 1 2 3 4 5 6 A 1 1 0 0 0 1 B 0 1 1 1 0 0 C 0 0 0 1 1 1 方向 反转
正转
• 由于硬分配具有速度快、芯片外围电路简单等优点，目前，大多 数步进驱动装置采用硬分配的形式。
华南理工大学机械与汽车工程学院
宋 建
电话： 13808864439
邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术
华南理工大学机械与汽车工程学院
宋 建
电话： 13808864439
邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术
电机固有步距角 0.9°/1.8° 0.9°/1.8° 0.9°/1.8° 0.9°/1.8° 0.9°/1.8° 所用驱动器类型及工作状态 驱动器工作在半步状态 驱动器工作在5细分状态 驱动器工作在10细分状态 驱动器工作在20细分状态 驱动器工作在40细分状态 电机运行时的真正步距角 0.9° 0.36° 0.18° 0.09° 0.045°
华南理工大学机械与汽车工程学院
宋 建
电话： 1380886ຫໍສະໝຸດ 439邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术 （1）三相单三拍
1）在磁拉力的作用下，转子上的齿与主磁极对齐。 2）当由U相绕组通电（1、3齿与U1、U2对齐）换成V相通电时，因为原来(a) 图上的2、4齿距V相主磁极近，所以2、4齿顺时针转动一个步距角300 3）当U→V→W→U顺序通电为正转（瞬时针）时，则U→W→V→U顺序通电为 反转（逆时针）；且一个循环周期为3拍。 4）由于每次只有一相绕组通电，转子易在平衡位置附近产生振荡，稳定性 不佳，故实际应用中不采用单三拍工作方式。
步进电机及其驱动技术
步进电动机结构 定子上有六个磁极，每个磁极上绕有 励磁绕组，每相对的两个磁极组成一相， 分成A、B、C三相。转子无绕组，它是由 带齿的铁心做成的。步进电机是按电磁吸 引的原理进行工作的。当定子绕组按顺序 轮流通电时，A、B、C三对磁极就依次产 生磁场，并每次对转子的某一对齿产生电 磁引力，将其吸引过来，而使转子一步步 转动。每当转子某一对齿的中心线与定子 磁极中心线对齐时，磁阻最小，转矩为零 。如果控制线路不停地按一定方向切换定 子绕组各相电流，转子便按一定方向不停 地转动。步进电机每次转过的角度称为步 距角。
步进电机及其驱动技术
步进电动机 是一种把电脉冲信号转换成角位移的电机。其转子的转 角与输入的脉冲数成比，转子的转速与脉冲的频率成正比，转向取 决于步进电机的各相通电顺序
华南理工大学机械与汽车工程学院
宋 建
电话： 13808864439
邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术
步进电动机分类 （1）按定子独立绕组数分 两相、三相、四相、五相、六相步进电机。 步进电动机的相数：指定子上的独立绕组数。 （2）按转子性质分 反应式—转子无励磁（无绕组）、也非永磁铁。 永磁式—转子常为永久磁铁。
华南理工大学机械与汽车工程学院
宋 建
电话： 13808864439
邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术
华南理工大学机械与汽车工程学院
宋 建
电话： 13808864439
邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术
步进电机
工作台
步进电机 指令脉冲 驱动控制 线路
华南理工大学机械与汽车工程学院 宋 建
齿轮箱
电话： 13808864439
邮箱： songjian@
华南理工大学机械与汽车工程学院
宋 建
电话： 13808864439
邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术
步进电机的特点 1）步进电动机受脉冲的控制。脉冲的频率决定电机的转速，脉冲 的个数决定电机的旋转角位移，改变脉冲的通电相序可改变步进电 动机的转向 2）维持定子绕组的电流不变，步进电动机将停在某一位置上不动 ，即步进电动机具有自整角能力，不需要机械制动 3）有一定的步距误差，但旋转一周后，总的误差为零，没有累计 误差 4）步进电动机的效率较低，拖动负载的能力不大，调速范围不宽 ，最高输入频率不超过25KHZ，否则会失步
步进电机及其驱动技术
步进电机驱动技术
步进驱动系统 步进电机驱动系统主要由环形分配器和功率放大器组成。
华南理工大学机械与汽车工程学院
宋 建
电话： 13808864439
邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术
步进驱动器：是一种能使步进电机运转的功率放大器，能把控制器 发来的脉冲信号转化为步进电机的角位移，电机的转速与脉冲频率 成正比，所以控制脉冲频率可以精确调速，控制脉冲数就可以精确 定位。
华南理工大学机械与汽车工程学院 宋 建 电话： 13808864439 邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术
微步驱动 微步驱动技术是一种电流波形控制技术。其基本思想是控制每相绕 组电流的波形，使其阶梯上升或下降，即在0和最大值之间给出多个稳定 的中间状态，定子磁场的旋转过程中也就有了多个稳定的中间状态，对 应于电机转子旋转的步数增多、步距角减小。 采用细分驱动技术可以大大提高步进电机的步矩分辨率，减小转矩 波动，避免低频共振及降低运行噪声
华南理工大学机械与汽车工程学院
宋 建
电话： 13808864439
邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术
环形分配器 环形分配器的作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按照一定的顺序和 分配方式加到功率放大器上，控制各相绕组的通电、断电。
环形分配器功能可由硬件或软件产生，称为硬环分或软环分。
宋 建
电话： 13808864439
邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术
（2）恒流斩波驱动电路 这种驱动电源的控制原理是 随时检测绕组的电流值，当绕组 电流值下降到下限设定值时，使 功率管导通，绕组电流上升；当 绕组电流上升到上限设定值时， 关断功率管，绕组电流下降。这 样，在一个步进周期内，功率管 多次通断，使绕组电流在上、下 限之间波动，接近恒定值，提高 了绕组电流的平均值，有效地抑 制了电动机输出转矩的降低
华南理工大学机械与汽车工程学院 宋 建 电话： 13808864439 邮箱： songjian@
步进电机及其驱动技术 （2）三相双三拍
1）通电顺序UV→VW→WU→UV顺序通电为正转（顺时针），反之为 反转（逆时针）； 2）当UV相绕组通电时，1、4齿U、V对齐，当换成VW相通电时，因 为原来(a)图上的3、4齿距VW相主磁极近，所以3、4齿顺时针转动 一个步距角300后，3、4齿与VW相主磁极对齐。 3）由于双三拍控制每次有二相绕组通电，而且切换时总保持一相 绕组通电，所以工作比较稳定。
