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步进电机工作和控制原理一、综述步进电机是将电脉冲__转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下电机的转速、停止的位置只取决于脉冲__的频率和脉冲数而不受负载变化的影响即给电机加一个脉冲__电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。步进电机是将电脉冲__转变为角位移或线位移的一种开环线性执行元件具有无累积误差、成本低、控制简单特点。产品从相数上分有二、三、四、五相从步距角上分有
0.9°/
1.8°、
0.36°/
0.72°从规格上分有口42~φ130从静力矩上分有
0.1N·M~40N·M。签于上述情况我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。二、感应子式步进电机工作原理一反应式步进电机原理由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。1、结构: 电机转子均匀分布着很多小齿定子齿有三个励磁绕阻其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3て、2/3て相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示即A与齿1相对齐B与齿2向右错开1/3てC与齿3向右错开2/3てA与齿5相对齐A就是A齿5就是齿1下面是定转子的展开图: 2、旋转: 如A相通电BC相不通电时由于磁场作用齿1与A对齐转子不受任何力以下均同。 如B相通电AC相不通电时齿2应与B对齐此时转子向右移过1/3て此时齿3与C偏移为1/3て齿4与A偏移て-1/3て=2/3て。如C相通电AB相不通电齿3应与C对齐此时转子又向右移过1/3て此时齿4与A偏移为1/3て对齐。 如A相通电BC相不通电齿4与A对齐转子又向右移过1/3て 这样经过A、B、C、A分别通电状态齿4即齿1前一齿移到A相电机转子向右转过一个齿距如果不断地按ABCA……通电电机就每步每脉冲1/3て向右旋转。如按ACBA……通电电机就反转。 由此可见:电机的位置和速度由导电次数脉冲数和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A这种导电状态这样将原来每步1/3て改变为1/6て。甚至于通过二相电流不同的组合使其1/3て变为1/12て1/24て这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出:电机定子上有m相励磁绕阻其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m2/m……m-1/m1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机出于成本等多方面考虑市场上一般以二、三、四、五相为多。 3、力矩:电机一旦通电在定转子间将产生磁场磁通量Ф当转子与定子错开一定角度产生力F与dФ/dθ成正比S其磁通量Ф=Br*S Br为磁密S为导磁__ F与L*D*Br成正比 L为铁芯有效长度D为转子直径 Br=N·I/RN·I为励磁绕阻安匝数电流乘匝数R为磁阻。力矩=力*半径力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比只考虑线性状态因此电机有效体积越大励磁安匝数越大定转子间气隙越小电机力矩越大反之亦然。二感应子式步进电机1、特点: 感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比结构上转子加有永磁体以提供软磁材料的工作点而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能因此该电机效率高电流小发热低。因永磁体的存在该电机具有较强的反电势其自身阻尼作用比较好使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。 感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行也可以作二相运行。必须采用双极电压驱动而反应式电机则不能如此。例如:四相八相运行A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为C=D=.一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致小功率电机一般直接接为二相而功率大一点的电机为了方便使用灵活改变电机的动态特点往往将其外部接线为八根引线四相这样使用时既可以作四相电机使用可以作二相电机绕组串联或并联使用。2、分类 感应子式步进电机以相数可分为:二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。以机座号电机外径可分为:42BYGBYG为感应子式步进电机代号、57BYG、86BYG、110BYG、国际标准而像70BYG、90BYG、130BYG等均为国内标准。3、步进电机的静态指标术语相数:产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。拍数:完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示或指电机转过一个齿距角所需脉冲数以四相电机为例有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角:对应一个脉冲__电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度转子齿数J*运行拍数以常规二、四相转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/50*4=
1.8度俗称整步八拍运行时步距角为θ=360度/50*8=
0.9度俗称半步。定位转矩:电机在不通电状态下电机转子自身的锁定力矩由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的静转矩:电机在额定静态电作用下电机不作旋转运动时电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积几何尺寸的标准与驱动电压及驱动电源等无关。 虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比与定齿转子间的气隙有关但过份采用减小气隙增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的这样会造成电机的发热及机械噪音。4、步进电机动态指标及术语:1、步距角精度: 步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示:误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同四拍运行时应在5%之内八拍运行时应在15%以内。2、失步: 电机运转时运转的步数不等于理论上的步数。称之为失步。3、失调角: 转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度电机运转必存在失调角由失调角产生的误差采用细分驱动是不能解决的。4、最大空载起动频率: 电机在某种驱动形式、电压及额定电流下在不加负载的情况下能够直接起动的最大频率。5、最大空载的运行频率: 电机在某种驱动形式电压及额定电流下电机不带负载的最高转速频率。6、运行矩频特性: 电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性这是电机诸多动态曲线中最重要的也是电机选择的根本依据。如下图所示: 其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。 电机一旦选定电机的静力矩确定而动态力矩却不然电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流而非静态电流平均电流越大电机输出力矩越大即电机的频率特性越硬。如下图所示:其中曲线3电流最大、或电压最高;曲线1电流最小、或电压最低曲线与负载的交点为负载的最大速度点。要使平均电流大尽可能提高驱动电压使采用小电感大电流的电机。三、两相四线制步进电机控制两相四线的步进电机有两个绕组:AB。A绕组通正向电流用+A表示;通反向电流用-A表示。B绕组表示方法同上。通电次序:两相四拍:+A+B---A+B---A-B--+A-B--单相四拍:+A--+B---A---B--八拍半步:+A+B--+B---A+B---A---A-B---B--+A-B--+A--两相4线步进电机驱动时序HYPERLINKhttp://hiphotos.baidu.com/dzrjojo/pic/item/3ada32c7034924d9d10060eb.jpg\t_blankINCLUDEPICTUREhttp://hiphotos.baidu.com/dzrjojo/pic/item/3ada32c7034924d9d10060eb.jpg\*MERGEFORMAT从图中可以看出来要实现步进电机的转动可以用以下两种方式:18拍的方式八个状态:1、在A与A-正电压B与B-不给电悬空;2、在A与A-正电压B与B-也给正电压;3、A与A-不给电压悬空B与B-正电压;4、A与A-给负电压B与B-给正电压;5、A与A-给负电压B与B-不给悬空;6、A与A-给负电压B与B-给负电压;7、A与A-不给电悬空B与B-给负电压;8、A与给正电压B与B-给负电压;按以上八个状态轮流供电控制一下脉宽应该就可以了。四个引脚各一根控制线:A~H表示各线时序 A B CD E F G Hp
1.0A 1 1 0 0 0 0 0 1p
1.1A- 0 0 0 1 1 1 0 0p
1.__ 0 1 1 1 0 0 0 0p
1.4B- 0 0 0 0 0 1 1