機(jī)電傳動控制系統(tǒng)中的控制電動機(jī).doc

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2 機(jī)電傳動控制系統(tǒng)中的控制電動機(jī) 控制電動機(jī)一般用于自動控制、隨動系統(tǒng)以及計算裝置中，它是在一般旋轉(zhuǎn)電動機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的小功率電動機(jī)，其電磁過程及所遵循的基本規(guī)律與一般旋轉(zhuǎn)電動機(jī)沒有本質(zhì)區(qū)別，只是所起的作用不同：傳動電動機(jī)主要是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，以達(dá)到拖動生產(chǎn)機(jī)械的目的，因此需要具有較高的力能指標(biāo)，如輸出轉(zhuǎn)矩、傳動效率和功率因數(shù)等；而控制電動機(jī)則主要用來完成控制信號的傳遞和變換，要求技術(shù)性能穩(wěn)定可靠、動作靈敏、精度高、體積小、重量輕、耗能少等。事實(shí)上，傳動電動機(jī)與控制電動機(jī)之間并無嚴(yán)格的界限， 同一臺電動機(jī)有時既起到控制電動機(jī)的作用，也起到傳動電動機(jī)的作用。 2.1 伺服電動機(jī) 伺服電動機(jī)又稱為執(zhí)行電動機(jī)，是控制電動機(jī)中的一種。它在控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件，將輸入的受控電壓信號轉(zhuǎn)換電動機(jī)軸上的角位移或角速度等機(jī)械信號輸出。按控制電壓來分，伺服電動機(jī)分為直流伺服電動機(jī)和交流伺服電動機(jī)兩大類。直流伺服電動機(jī)的輸出功率一般為1~600W，也可達(dá)數(shù)千瓦，多用于功率較大的控制系統(tǒng)中。交流伺服電動機(jī)的輸出功率較小，一般在100W以下，常用于功率較小的控制系統(tǒng)中。 2.1.1直流伺服電動機(jī)及其控制 1．直流伺服電動機(jī)的種類和結(jié)構(gòu) 直流伺服電動機(jī)的品種很多。按勵磁方式，直流伺服電動機(jī)可分為電磁式和永磁式兩種；按控制方式，可分為磁場控制和電樞控制方式；按電樞形式，可分為一般電樞式、無槽電樞式、繞線盤式和空心杯電樞式等。為了避免電刷和換向器的接觸，還有無刷直流伺服電動機(jī)。 1）普通型直流伺服電動機(jī) 根據(jù)勵磁方式普通型直流伺服電動機(jī)分為電磁式和永磁式兩種：電磁式直流伺服電動機(jī)的定子磁極上裝有勵磁繞組，勵磁繞組接勵磁控制電壓產(chǎn)生磁通，它實(shí)質(zhì)上就是他勵直流電動機(jī)；永磁式直流伺服電動機(jī)的定子磁極是由永久磁鐵或磁鋼制成，其磁通不可控。這兩種直流伺服電動機(jī)的性能接近，慣性比其他類型直流伺服電動機(jī)的大。 與普通直流電動機(jī)相同，直流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)子一般由硅鋼片疊壓而成。轉(zhuǎn)子外圓有槽，槽內(nèi)裝有電樞繞組，繞組通過電刷和換向器與電樞控制電路相連。為了提高控制精度和響應(yīng)速度，伺服電動機(jī)的電樞鐵芯長度與直徑之比要比普通直流電動機(jī)的大，定子和轉(zhuǎn)子間的空氣隙也較小。 2）無槽電樞直流伺服電動機(jī) 與普通伺服電動機(jī)不同的是，無槽電樞直流伺服電動機(jī)的電樞鐵芯上不開齒槽，是光滑圓柱體，電樞繞組直接用環(huán)氧樹脂粘在電樞鐵芯表面，氣隙較大，其結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。 圖2.1無槽電樞直流伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu) 3）空心杯電樞直流伺服電動機(jī) 空心杯電樞直流伺服電動機(jī)有兩個定子，一個是由軟磁材料制成的內(nèi)定子，另一個是由永磁材料制成的外定子，外定子用于產(chǎn)生磁通，而內(nèi)定子主要起導(dǎo)磁作用。電樞繞組用環(huán)氧樹脂澆注成空心杯形，在內(nèi)、外定子間的氣隙中旋轉(zhuǎn)。圖2.2是空心杯電樞直流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。 圖2.2空心杯電樞直流伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu) 4）盤型電樞直流伺服電動機(jī) 盤型電樞直流伺服電動機(jī)的電樞由線圈沿轉(zhuǎn)軸的徑向圓周排列，并用環(huán)氧樹脂澆注成圓盤型。定子由永久磁鐵和前、后鐵軛共同組成，磁鐵可以在圓盤電樞的一側(cè)或兩側(cè)。盤型繞組中通過的電流是徑向的，而磁通是軸向的，二者共同作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而使伺服電動機(jī)旋轉(zhuǎn)。圖2.3是盤型電樞直流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。 圖2.3盤型電樞直流伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu) 與普通型直流伺服電動機(jī)相比，無槽電樞、空心杯電樞和盤型電樞直流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量和機(jī)電時間常數(shù)小，因此動態(tài)特性較好，適用于需要快速動作的直流伺服系統(tǒng)。 5）無刷直流伺服電動機(jī) 無刷直流伺服電動機(jī)由電動機(jī)主體、位置傳感器、晶體管開關(guān)電路三部分組成。電動機(jī)主體由具有二極或多極結(jié)構(gòu)的永久磁鐵轉(zhuǎn)子和一個多相式電樞繞組定子組成。晶體管開關(guān)電路和位置傳感器代替了電刷和換向器，位置傳感器是由傳感器轉(zhuǎn)子和傳感器定子繞組串聯(lián)而成的無機(jī)械接觸的檢測裝置，用于檢測轉(zhuǎn)子位置，其信號決定了開關(guān)電路中各功率元件的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)。 這種電動機(jī)既保持了一般直流伺服電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，又克服了電刷和換向器帶來的缺點(diǎn)，使用壽命長，噪聲低，適用于要求噪聲低、對無線電不產(chǎn)生干擾的控制系統(tǒng)。 2．直流伺服電動機(jī)的控制特性 直流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性公式與他勵直流電動機(jī)的相同，即 （2.1） 式中，Uc—電樞控制電壓； R—電樞回路電阻； Φ—每極磁通； Ke、Kt—電動機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù)。 由此可見，通過改變電樞控制電壓Uc或磁通Φ都可以控制直流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，前者稱為電樞控制，后者稱為磁場控制。電樞控制具有響應(yīng)迅速、機(jī)械特性硬、調(diào)速特性線性度好的優(yōu)點(diǎn)，因此在實(shí)際應(yīng)用中大多采用電樞控制方式，而很少采用磁場控制，磁場控制只是在功率很小的場合采用。對于永磁式直流伺服電動機(jī)，則只能采用電樞控制。 針對式（2.1）考慮以下兩種特殊情況：①轉(zhuǎn)矩為零：此時的電動機(jī)轉(zhuǎn)速稱為直流伺服電動機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速，它僅與電樞電壓Uc有關(guān)，并與之成正比。②轉(zhuǎn)速為零：此時的電動機(jī)轉(zhuǎn)矩稱為電動機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，它也僅與電樞電壓Uc有關(guān)，并與之成正比。由此可以得到不同電樞電壓下的直流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性曲線，如圖2.4所示。 從圖2.4可以看出，不同電樞電壓下的直流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性曲線是一組平行線，在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，如果磁通Φ不變，升高電樞電壓Uc，則電動機(jī)的轉(zhuǎn)速上升，反之，轉(zhuǎn)速下降；當(dāng)電樞電壓為零時，電動機(jī)立即停止，因此不會產(chǎn)生自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。 圖2.4 直流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性 目前，直流伺服電動機(jī)常用晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動和晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速驅(qū)動兩種方式。 晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置控制晶閘管的導(dǎo)通角來移動觸發(fā)脈沖的相位，以改變整流電壓的大小，使直流伺服電動機(jī)電樞電壓發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。由于晶閘管本身的工作原理和交流電源的特點(diǎn)，晶閘管導(dǎo)通后利用交流過零來關(guān)閉，因此在整流電壓較低時，其輸出是很小的尖峰值的平均值，這就導(dǎo)致了電流的不連續(xù)性。 圖2.5是晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)，其中CF為晶閘管觸發(fā)電路，KZ為晶閘管觸整流電路，L為整流線圈。 圖2.5 晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動 如圖2.6所示，PWM直流調(diào)速驅(qū)動是在電樞回路中串入功率晶體管或晶閘管，功率晶體管或晶閘管工作在開關(guān)狀態(tài)，這樣就在電動機(jī)電樞兩端得到一系列矩形波，矩形波電壓的平均值就是電動機(jī)的工作電壓，改變矩形波的脈沖寬度或周期，就可以改變平均電壓的大小，從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的。采用PWM調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)，其開關(guān)頻率較高（通常達(dá)2000~3000Hz），伺服機(jī)構(gòu)能夠響應(yīng)的頻帶范圍也較寬。與晶閘管直流驅(qū)動相比，其輸出電流脈動非常小，接近于純直流。圖中KZ為晶閘管整流電路，L為整流線圈。 圖2.6 PWM直流調(diào)速驅(qū)動 3.直流伺服電動機(jī)的特點(diǎn) 直流伺服電動機(jī)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：①穩(wěn)定性好：直流伺服電動機(jī)具有較硬的機(jī)械特性，因此能夠在較寬的速度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。②可控性好：直流伺服電動機(jī)具有線性的調(diào)節(jié)特性，通過控制電樞電壓的大小和極性，可以控制直流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向；當(dāng)電樞電壓為零時，由于轉(zhuǎn)子慣量很小，因此直流伺服電動機(jī)能立即停止。③響應(yīng)迅速：直流伺服電動機(jī)具有較大的起動轉(zhuǎn)矩和較小的轉(zhuǎn)動慣量，在控制信號輸入、增加、減小或消失的瞬間，直流伺服電動機(jī)能夠快速起動、增速、減速或停止。 2.1.2交流伺服電動機(jī)及其控制 1. 交流伺服電動機(jī)的種類和特點(diǎn) 交流伺服電動機(jī)分為同步型（SM）和感應(yīng)型（IM）兩種。同步型伺服電動機(jī)實(shí)質(zhì)上是采用永磁結(jié)構(gòu)的同步電動機(jī)，又稱為無刷直流伺服電動機(jī)。它具有直流伺服電動機(jī)的全部優(yōu)點(diǎn)，轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理與直流伺服電動機(jī)相同，但是沒有接觸換向部件。同步型伺服電動機(jī)需要編碼器等檢測裝置來檢測磁鐵轉(zhuǎn)子的位置。感應(yīng)型伺服電動機(jī)指籠形感應(yīng)電動機(jī)，它可以將定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的勵磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位。 2. 交流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu) 交流伺服電動機(jī)一般是兩相交流電動機(jī)，由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。兩相定子繞組在空間相差電角度，其結(jié)構(gòu)完全相同，但作用不同：一個繞組作勵磁之用，稱為勵磁繞組（WF），而另一個作控制之用，稱為控制繞組（WC）。兩相交流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)子一般有籠形和杯形兩種結(jié)構(gòu)形式?；\形轉(zhuǎn)子和三相鼠籠式異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相似，采用高電阻率材料如黃銅、青銅或鎳鋁等制成。杯形轉(zhuǎn)子通常用鋁合金或銅合金制成空心薄壁圓筒，放置在內(nèi)定子和外定子之間。從實(shí)質(zhì)上講，杯形轉(zhuǎn)子只是籠形轉(zhuǎn)子的一種特殊形式。為了降低轉(zhuǎn)動慣量，這兩種形式的轉(zhuǎn)子都制成細(xì)而長的形狀，而且電阻都做得比較大，其目的是使電動機(jī)在控制繞組不施加電壓時能及時制動，以防止發(fā)生“自轉(zhuǎn)”。目前用得最多的是籠形轉(zhuǎn)子的交流伺服電動機(jī)。 3. 交流伺服電動機(jī)的工作原理 兩相交流伺服電動機(jī)以單相電容式異步電動機(jī)原理為基礎(chǔ)，其工作原理如圖2.7所示。圖中，為勵磁電壓，為控制電壓，二者均為交流，且頻率相同，但相位相差。勵磁繞組WF接到交流電網(wǎng)上，控制繞組WC接到控制電壓上。在沒有控制信號時，電動機(jī)氣隙中只有勵磁繞組產(chǎn)生的脈動磁場，因此轉(zhuǎn)子靜止不動。當(dāng)有控制信號輸入時，兩相繞組中分別流過在相位上相差的勵磁電流和控制電流，從而在電動機(jī)的氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。該磁場與轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電流相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，帶動轉(zhuǎn)子以一定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動起來。由于電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向與旋轉(zhuǎn)磁場的方向相同，因此當(dāng)控制電壓反相時，伺服電動機(jī)便反向旋轉(zhuǎn)。 圖2.7 兩相交流伺服電動機(jī) 根據(jù)單相異步電動機(jī)的原理，在電動機(jī)開始轉(zhuǎn)動以后，如果取消控制電壓而僅由勵磁電壓單相供電，電動機(jī)仍將按原來的運(yùn)行方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動，即存在“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，這就意味著對電動機(jī)失去控制作用，必須采取措施加以克服。 為了消除自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，需要將電動機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻設(shè)計得很大，以便在電動機(jī)單相運(yùn)行時，最大電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在臨界轉(zhuǎn)差率Sm>1的地方，如圖2.8所示。圖中曲線1為時交流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性曲線，曲線2和3分別為去掉控制電壓后，由脈動磁場分解的正、反兩個旋轉(zhuǎn)磁場所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩曲線，曲線4為單相運(yùn)行時的合成轉(zhuǎn)矩曲線。很顯然，單相運(yùn)行時的機(jī)械特性曲線與異步電動機(jī)的機(jī)械特性曲線不同，它位于第二和第四象限內(nèi)，這就意味著在去掉控制電壓而僅由勵磁電壓單相供電時，電磁轉(zhuǎn)矩的方向始終與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，所以是一個制動轉(zhuǎn)矩。由于存在制動轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子能夠迅速停轉(zhuǎn)，從而避免了自轉(zhuǎn)現(xiàn)象的產(chǎn)生。與同時取消兩相電壓、僅憑摩擦實(shí)現(xiàn)制動相比，此時停轉(zhuǎn)所需要的時間要少得多。因此，在兩相交流伺服電動機(jī)工作時，勵磁繞組應(yīng)始終接在電源上。 圖2.8 交流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性 4. 交流伺服電動機(jī)的控制 兩相交流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向不但與勵磁電壓和控制電壓的幅值有關(guān)，而且還與勵磁電壓和控制電壓間相位差的大小有關(guān)，因此在勵磁電壓、控制電壓以及它們之間的相位差三個量中，任意改變其中的一個或兩個都可以實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的控制。兩相交流伺服電動機(jī)的控制方法有三種，分別是幅值控制、相位控制和幅相控制。 1）幅值控制 幅值控制是指保持勵磁電壓和控制電壓相位差為，通過改變控制電壓幅值來控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖2.9是幅值控制時伺服電動機(jī)的一種接線圖，適當(dāng)選擇電容C ，使和相位差為。使用時勵磁電壓保持為額定值；改變電阻R的大小，即改變控制電壓的幅值，使之在零與額定值之間變化。圖2.10所示是不同控制電壓下交流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性曲線。從圖中可以看到，不同的控制電壓對應(yīng)著不同的轉(zhuǎn)速，在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，控制電壓越高，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速也就越高。 圖2.9 幅值控制接線圖 圖2.10 不同控制電壓下的機(jī)械特性 2）相位控制 與幅值控制不同，相位控制時控制電壓和勵磁電壓均為額定值，通過改變控制電壓和勵磁電壓之間的相位差實(shí)現(xiàn)伺服電動機(jī)的控制。設(shè)控制電壓和勵磁電壓的相位差為β，β的范圍為0~90。當(dāng)β=0時，伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為0；當(dāng)β=90時，伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速最大；當(dāng)β在0~90之間變化時，伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速由低向高變化。相位控制接線圖如圖2.11所示。 圖2.11相位控制接線圖 3）幅相控制 幅相控制對控制電壓的幅值、控制電壓和勵磁電壓之間的相位差都進(jìn)行控制。由圖2.12可以看出，這種控制方法是將勵磁繞組串聯(lián)電容C后接到交流電源上。當(dāng)控制電壓的幅值改變時，勵磁繞組中的電流隨之發(fā)生變化，勵磁電流的變化引起電容C端電壓的變化，從而使控制電壓和勵磁電壓之間的相位角發(fā)生改變?？梢?，幅相控制只需一個串聯(lián)電容，而不需要復(fù)雜的移相裝置，設(shè)備組成簡單。 圖2.12 幅相控制接線圖 2.2 步進(jìn)電動機(jī) 步進(jìn)電動機(jī)是將電脈沖控制信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移或直線位移的一種控制電動機(jī)。在驅(qū)動電源的作用下，步進(jìn)電動機(jī)每接受一個電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)的角度（步距角）。電動機(jī)轉(zhuǎn)子角位移的大小和轉(zhuǎn)速的高低分別與輸入的控制電脈沖數(shù)量及其頻率成正比，而電動機(jī)的轉(zhuǎn)向與繞組通電相序有關(guān)，因此，通過控制輸入電脈沖的數(shù)目、頻率及電動機(jī)繞組通電相序，就可獲得所需要的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，所以利用微型計算機(jī)很容易實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動機(jī)的開環(huán)數(shù)字控制。 2.2.1步進(jìn)電動機(jī)的分類和工作原理 步進(jìn)電動機(jī)通?？煞譃槿N類型，即反應(yīng)式（VR）、永磁式（PM）和混合式（HB）步進(jìn)電動機(jī)。此外，目前又出現(xiàn)了新的步進(jìn)電動機(jī)類型，如直線步進(jìn)電動機(jī)和平面步進(jìn)電動機(jī)。 1. 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī) 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子均由軟磁材料制成，是一種利用磁阻的變化產(chǎn)生反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的步進(jìn)電動機(jī)，因此又稱為可變磁阻式步進(jìn)電動機(jī)。反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的原理圖如圖2.13所示。從圖中可以看出，電動機(jī)的定子上有六個磁極，每個磁極上都裝有控制繞組，每兩個相對的磁極構(gòu)成一相。轉(zhuǎn)子上均勻分布有四個齒，轉(zhuǎn)子齒上沒有繞組。 當(dāng)A相控制繞組通電、B相和C相不通電時，定子A相磁極產(chǎn)生磁通，而這個磁通要經(jīng)過磁阻最小的路徑形成閉合磁路。轉(zhuǎn)子與定子間的相對位置不同，磁路的磁阻也不同：當(dāng)齒-齒相對時，磁路的磁阻最??；當(dāng)齒-槽相對時，磁路的磁阻最大。因此，轉(zhuǎn)子齒1、3將與定子的A相磁極對齊，如圖2.13a所示。若A相斷電、改為B相通電時，B相磁極產(chǎn)生的磁通同樣也要經(jīng)過磁阻最小的路徑形成閉合磁路，于是轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)過，使轉(zhuǎn)子齒2、4和定子的B相磁極對齊，如圖2.13b所示。如再使B相斷電、改為C相通電時，轉(zhuǎn)子又將逆時針轉(zhuǎn)過，使轉(zhuǎn)子齒1、3和定子的C相磁極對齊，如圖2.13c所示。如果按照A→B→C→A…的順序循環(huán)往復(fù)地通電，步進(jìn)電動機(jī)將按一定的速度沿逆時針方向一步步地轉(zhuǎn)動。當(dāng)按照A→C→B→A…的順序通電時，則步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向?qū)⒆優(yōu)轫槙r針方向。 圖2.13 三相單三拍反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)工作原理 在步進(jìn)電動機(jī)的控制過程中，定子繞組每改變一次通電方式，稱為一拍。上述的通電控制方式在每次切換前后只有一相繞組通電，并且經(jīng)過三次切換使控制繞組的通電狀態(tài)完成一次循環(huán)，故稱為三相單三拍。此外，三相步進(jìn)電動機(jī)還有三相雙三拍、三相六拍通電方式。在三相雙三拍通電方式中，控制繞組的通電順序?yàn)锳 B→B C→C A→A B…（轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)）或A C→C B→B A→A C…（轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)）。對于三相六拍通電方式，控制繞組的通電順序?yàn)锳→AB→B→B C→C→C A→A…（轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)）或A→A C→C→C B→B→BA→A…（轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)），如圖2.14所示，轉(zhuǎn)子的具體運(yùn)轉(zhuǎn)情況請讀者自行分析。 圖2.14 三相六拍反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)工作原理 通過步進(jìn)電動機(jī)工作原理的分析可以看出，對于同一臺三相步進(jìn)電動機(jī)，其通電方式不同，則步距角也不相同：單三拍和雙三拍的步距角為，而六拍的步距角為。因此，在采用三相六拍通電方式時，步進(jìn)電動機(jī)的步距角是三相單三拍和三相雙三拍時的一半。 步進(jìn)電動機(jī)的步距角與轉(zhuǎn)子齒數(shù)、控制繞組的相數(shù)和通電方式有關(guān)，可由下式計算： （2.2） 式中，m—步進(jìn)電動機(jī)的相數(shù)，對于三相步進(jìn)電動機(jī)，m=3； K—通電狀態(tài)系數(shù)，單三拍或雙三拍時，K=1；六拍時，K=2； Z—步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。 步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可通過下式計算： （2.3） 式中，n—步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速（r/min）； f—步進(jìn)電動機(jī)的通電脈沖頻率，即每秒的拍數(shù)（或步數(shù)）（脈沖/s）。 由式（2.2）和（2.3）可以看出，步進(jìn)電動機(jī)的相數(shù)和轉(zhuǎn)子齒數(shù)越多，則步距角越??；在一定的脈沖頻率下，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速也就越低。 2.永磁式步進(jìn)電動機(jī) 永磁式步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子一般使用永磁材料制成，故得此名。如圖2.15所示是永磁式步進(jìn)電動機(jī)的典型原理結(jié)構(gòu)圖，轉(zhuǎn)子為一對或幾對磁極的星形磁鋼，定子上繞有兩相或多相繞組，電源按正負(fù)脈沖供電。當(dāng)定子A相繞組正向通電時，在A相的A(1)、A（3）端產(chǎn)生S極， A(2)、A（4）端產(chǎn)生N極?；诖艠O同性相斥、異性相吸原理，轉(zhuǎn)子位于圖2.15a所示的位置上。當(dāng)A相斷電、改為B相繞組正向通電時， B相的B(1)、B（3）端產(chǎn)生S極， B(2)、B（4）端產(chǎn)生N極，轉(zhuǎn)子將順時針旋轉(zhuǎn)至圖2.15b所示的位置。當(dāng)B相斷電、改為A相負(fù)向通電時，A相的A(1)、A（3）端產(chǎn)生N極， A(2)、A（4）端產(chǎn)生S極，轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時針旋轉(zhuǎn)至圖2.15c所示的位置。當(dāng)A相斷電、改為B相負(fù)向通電時，B相的B(1)、B（3）端產(chǎn)生N極， B(2)、B（4）端產(chǎn)生S極，轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時針旋轉(zhuǎn)至圖2.15d所示的位置。 圖2.15 永磁式步進(jìn)電動機(jī)原理結(jié)構(gòu)圖 按上述A→B→→…單四拍方式循環(huán)通電，轉(zhuǎn)子便連續(xù)旋轉(zhuǎn)。也可按A B→B→→A…雙四拍方式通電，步距角均為。當(dāng)按照A→A B→B→B→→→→A…八拍方式通電時，步距角為。 對于永磁式步進(jìn)電動機(jī)，若要減小步距角，可以增加轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)和定子的齒數(shù)，然而轉(zhuǎn)子制成N—S相間的多對磁極十分困難，加之必須相應(yīng)增加定子極數(shù)和定子繞組線圈數(shù)，這些都將受到定子空間的限制，因此永磁式步進(jìn)電動機(jī)的步距角一般都較大。 3．混合式步進(jìn)電動機(jī) 混合式步進(jìn)電動機(jī)在永磁和變磁阻原理的共同作用下運(yùn)轉(zhuǎn)，也可稱為永磁感應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)。它兼具了反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)步距角小、起動頻率和運(yùn)行頻率高的優(yōu)點(diǎn)以及永磁式步進(jìn)電動機(jī)勵磁功率小、無勵磁時具有轉(zhuǎn)矩定位的優(yōu)點(diǎn)，成為目前市場上的主流品種。和永磁式步進(jìn)電動機(jī)相同的是，這類電動機(jī)要求電源提供正負(fù)脈沖。 圖2.16是混合式步進(jìn)電動機(jī)的剖面圖，其中圖2.16a是電動機(jī)軸向剖面圖，圖2.16b是電動機(jī)x、y方向的剖面圖。由圖中可以看出，電動機(jī)轉(zhuǎn)子上裝有一個軸向磁化永磁體，用來產(chǎn)生一個單向磁場。轉(zhuǎn)子分為兩段，一段經(jīng)永磁體磁化為S極，另一段則磁化為N極，每段轉(zhuǎn)子齒以一個齒距間隔均勻分布，但是兩段轉(zhuǎn)子的齒之間相互錯開1/2個轉(zhuǎn)子齒距。定子上有8個磁極，每相繞組分別繞在4個磁極上，圖中A相繞組繞在1、3、5、7磁極上，B相繞組繞在2、4、6、8磁極上，每相相鄰磁極上的繞組以相反方向纏繞，以便使相鄰磁極產(chǎn)生方向相反的磁場。 圖2.16 混合式步進(jìn)電動機(jī)剖面圖 2.2.2步進(jìn)電動機(jī)的特點(diǎn) 步進(jìn)電動機(jī)具有以下幾個基本特點(diǎn)： 1.易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制 步進(jìn)電動機(jī)嚴(yán)格受數(shù)字脈沖信號的控制，因此易于與微機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。 1）步進(jìn)電動機(jī)的輸出角位移與輸入脈沖數(shù)成正比，即 式中，θ—電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度（）； N—控制脈沖數(shù)； β—步距角（）。 2）步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖頻率成正比，即 3）步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向可以通過改變繞組通電相序來改變。 2．具有自鎖能力 步進(jìn)電動機(jī)具有自鎖能力，當(dāng)停止輸入脈沖時，只要某些相的控制繞組仍保持通電狀態(tài)，電動機(jī)就可以保持在該固定位置上，從而使步進(jìn)電動機(jī)實(shí)現(xiàn)停車時轉(zhuǎn)子定位。 3．抗干擾能力強(qiáng) 步進(jìn)電動機(jī)的工作狀態(tài)不易受到各種干擾因素（如電源電壓波動，電流的幅值與波形的變化，環(huán)境溫度變化等）影響，只要這些干擾未引起“失步”，步進(jìn)電動機(jī)就可以繼續(xù)正常工作。 4．步距角誤差不會長期累積 從理論上講，每一個脈沖信號應(yīng)使步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過相同的角度，即步距角。但是實(shí)際上，由于定子、轉(zhuǎn)子的齒距分度不均勻，或定子、轉(zhuǎn)子之間的氣隙不均勻等原因，實(shí)際步距角和理論步距角之間存在偏差，即步距角誤差。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步數(shù)以后，步距角會產(chǎn)生累積誤差，但是由于步進(jìn)電動機(jī)每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，因此當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過360后又恢復(fù)原來位置，累積誤差將變?yōu)榱?，所以步進(jìn)電動機(jī)的步距角只有周期性誤差，而無累積誤差。 5. 多用于構(gòu)成開環(huán)控制系統(tǒng) 步進(jìn)電動機(jī)可以用于開環(huán)和閉環(huán)兩種控制系統(tǒng)。當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)用于開環(huán)控制時，由于無需位置和速度檢測反饋裝置，因此結(jié)構(gòu)簡單，使用維護(hù)方便，并且可以可靠地獲得較高的位置精度，因此被廣泛地用于構(gòu)成開環(huán)位置伺服系統(tǒng)。 2.2.3步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行特性和性能指標(biāo) 1.步距角 步距角是指在一個電脈沖的作用下，步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角度，可由式（2.2）計算。步距角是步進(jìn)電動機(jī)的主要性能指標(biāo)之一，步距角越小，步進(jìn)電動機(jī)的位置精度越高。步進(jìn)電動機(jī)一旦選定后，其步距角就固定不變，可以通過改變通電方式來獲得兩種步距角。反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的步距角一般為0.6/1.2，0.75/1.5，0.9/1.8，1/2，1.5/3，而采用微機(jī)控制、由變頻器三相正弦電流供電的混合式步進(jìn)電動機(jī)的步距角可達(dá)到0.036，這就意味著電動機(jī)每旋轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)需要10000步。 2.矩角特性和最大靜轉(zhuǎn)矩 在空載狀態(tài)下，步進(jìn)電動機(jī)的某相繞組通以直流電流，轉(zhuǎn)子齒的中心線與定子齒的中心線相重合，轉(zhuǎn)子上沒有轉(zhuǎn)矩輸出，此時的位置稱為轉(zhuǎn)子初始穩(wěn)定平衡位置。如果在電動機(jī)轉(zhuǎn)子軸上施加負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，轉(zhuǎn)子齒將偏離初始平衡位置一定角度θe后才重新穩(wěn)定下來。此時，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Tj與負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL相等。轉(zhuǎn)矩Tj稱為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，θe稱為失調(diào)角，Tj與θe之間的關(guān)系稱為矩角特性。由如圖2.17所示的矩角特性曲線可以看出，當(dāng)θe=時，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大，稱為最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax。 圖2.16 步進(jìn)電動機(jī)的矩角特性 最大靜轉(zhuǎn)矩是步進(jìn)電動機(jī)最主要的性能指標(biāo)之一，它反映了步進(jìn)電動機(jī)帶負(fù)載的能力，Tjmax越大，電動機(jī)帶負(fù)載能力越大，運(yùn)動的快速性和穩(wěn)定性越好。步進(jìn)電動機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩必須小于Tjmax，否則將無法帶動負(fù)載。為了使電動機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，TL一般只能是Tjmax的30%~~50%。 3.起動轉(zhuǎn)矩Tq 在單相勵磁時，步進(jìn)電動機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)突然起動并且不失步運(yùn)行所能帶動的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩為起動轉(zhuǎn)矩。起動轉(zhuǎn)矩必須大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，否則步進(jìn)電動機(jī)將無法起動。 Tq可通過最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax折算求得，Tq和Tjmax之間的數(shù)值關(guān)系與步進(jìn)電動機(jī)的相數(shù)和通電方式有關(guān)，如對于三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)，單三拍和雙三拍時，Tq/Tjmax均為0.5，六拍時為0.87。 4.慣頻特性和起動頻率 在空載的情況下，步進(jìn)電動機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)突然不失步起動的最高脈沖頻率稱為空載起動頻率或空載突跳頻率。它是反映步進(jìn)電動機(jī)動態(tài)響應(yīng)性能的重要指標(biāo)，起動頻率越高，表明電動機(jī)的響應(yīng)速度越快。起動頻率與傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量有關(guān)，包括步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量以及其他運(yùn)動部件折算到電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量。負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量越小，在相同的電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，角加速度越大，起動頻率越高。起動頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量之間的關(guān)系為步進(jìn)電動機(jī)的慣頻特性，如圖2.18所示。此外，起動頻率還和步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩有關(guān)，Tjmax越大，起動頻率越高。 事實(shí)上，步進(jìn)電動機(jī)大多是在帶負(fù)載的情況下起動的。在帶負(fù)載起動時，隨著負(fù)載慣量的增加，起動頻率顯著下降，這時的起動頻率稱為負(fù)載起動頻率。很顯然，負(fù)載起動頻率將低于空載起動頻率，一般為空載起動頻率的50~80%。 圖2.18 步進(jìn)電動機(jī)的慣頻特性 5.最高連續(xù)運(yùn)行頻率 在步進(jìn)電動機(jī)起動后，當(dāng)脈沖頻率逐漸連續(xù)上升時能不失步運(yùn)行的最高脈沖頻率稱為最高連續(xù)運(yùn)行頻率。它會受到轉(zhuǎn)動慣量以及步進(jìn)電動機(jī)繞組電感和驅(qū)動電源電壓的影響，轉(zhuǎn)動慣量主要影響運(yùn)行頻率連續(xù)升降的速度，而步進(jìn)電動機(jī)的繞組電感和驅(qū)動電源的電壓則影響運(yùn)行頻率的上限。由于步進(jìn)電動機(jī)在運(yùn)行中不但要克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩，而且還要克服軸上的慣性轉(zhuǎn)矩，因此在實(shí)際應(yīng)用中，最高連續(xù)運(yùn)行頻率要比起動頻率高許多。 6.矩頻特性和動態(tài)轉(zhuǎn)矩 步進(jìn)電動機(jī)在連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下所產(chǎn)生的輸出轉(zhuǎn)矩為動態(tài)轉(zhuǎn)矩，它隨控制脈沖頻率的不同而改變。矩頻特性反映了步進(jìn)電動機(jī)在負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量一定且穩(wěn)定運(yùn)行時，動態(tài)轉(zhuǎn)矩與控制脈沖頻率之間的關(guān)系。由圖2.19可以看出，步進(jìn)電動機(jī)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩隨控制頻率的升高而逐漸下降，這是因?yàn)椴竭M(jìn)電動機(jī)的繞組為感性負(fù)載，在繞組通電時，電流緩慢上升；繞組斷電時，電流緩慢下降。隨著脈沖頻率的升高，電流波形的前后沿占通電時間的比例增大，因此頻率越高，平均電流越小，輸出轉(zhuǎn)矩也就越小。當(dāng)脈沖頻率高到一定程度時，步進(jìn)電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩小到不足以克服自身的摩擦轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩，其轉(zhuǎn)子就會在原位振蕩而不能作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，這就是所謂的失步或堵轉(zhuǎn)。 從圖2.19還可以看出，在低頻區(qū)，矩頻特性曲線比較平坦，步進(jìn)電動機(jī)基本保持額定轉(zhuǎn)矩；而在高頻區(qū)，矩頻特性曲線急劇下降，說明步進(jìn)電動機(jī)的高頻特性較差。因此步進(jìn)電動機(jī)在從靜止?fàn)顟B(tài)到高速旋轉(zhuǎn)需要有一個加速過程，從高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)到靜止同樣也要有一個減速過程。如果在運(yùn)行過程中沒有加、減速過程或加、減速不當(dāng)，步進(jìn)電動機(jī)都將出現(xiàn)失步現(xiàn)象。 圖2.19 步進(jìn)電動機(jī)的矩頻特性 2.2.4步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動與控制 步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行特性不但與電動機(jī)本身的特性有關(guān)，而且還與配套使用的驅(qū)動電源（或驅(qū)動器）有密切關(guān)系，步進(jìn)電動機(jī)的性能是由電動機(jī)和驅(qū)動電源相互配合反映出來的，因此，驅(qū)動電源在步進(jìn)電動機(jī)控制系統(tǒng)中占有相當(dāng)重要的地位。 步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源一般由脈沖信號發(fā)生器、環(huán)形脈沖分配器和功率放大器組成。脈沖信號發(fā)生器（微型計算機(jī)，數(shù)控裝置或?qū)ｉT的硬件電路）準(zhǔn)確地輸出一定數(shù)量和頻率的脈沖，通過環(huán)形脈沖分配器按一定的順序分配給步進(jìn)電動機(jī)各相繞組，再利用功率放大器對環(huán)形分配器的輸出信號進(jìn)行功率放大，得到驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)控制繞組所需要的脈沖電流和脈沖波形，從而使步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向得到控制。 1. 環(huán)形脈沖分配器 步進(jìn)電動機(jī)實(shí)現(xiàn)環(huán)形脈沖分配的方法有硬件和軟件兩種方法。 1）硬件環(huán)形分配器 硬件環(huán)形分配器可分為集成電路型、專用芯片型和可編程邏輯器件型。圖2.20是采用小規(guī)模集成電路搭接而成的三相六拍環(huán)形分配器，它有三個雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器C1~C3，其余為與非門。脈沖信號加到脈沖分配器的脈沖輸入端CP，步進(jìn)電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向由正、反轉(zhuǎn)控制信號決定。該電路的初始狀態(tài)是C相導(dǎo)通。當(dāng)正向控制端加高電平、反向控制端加低電平時，在CP端輸入第一個脈沖，觸發(fā)器C1翻轉(zhuǎn)。此時，步進(jìn)電動機(jī)的A、C相同時通電、B相斷電。在第二個脈沖到來時，C3翻轉(zhuǎn)，于是A相通電、B相和C相同時斷電。如果不斷地輸入脈沖，步進(jìn)電動機(jī)繞組將按C→CA→A→AB→B→BC→C的順序通電，且正向旋轉(zhuǎn)。反之，當(dāng)反向控制端加高電平、正向控制端加低電平時，步進(jìn)電動機(jī)繞組則按C→CB→B→BA→A→AC→C的順序通電，且反向旋轉(zhuǎn)。 圖2.20 三相六拍環(huán)形分配器 這種環(huán)形分配器需要根據(jù)步進(jìn)電動機(jī)的相數(shù)和通電方式進(jìn)行設(shè)計，靈活性大，可搭接任意相數(shù)、任意通電方式的環(huán)形分配器，但是電動機(jī)相數(shù)過多時會導(dǎo)致電路十分復(fù)雜。 目前廣泛使用的是專用集成電路芯片和通用可編程邏輯器件組成的環(huán)形分配器。利用專用芯片實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配，接口簡單，使用方便，可靠性好。而在利用PAL、GAL等通用可編程邏輯器件構(gòu)成環(huán)形分配器時，結(jié)構(gòu)更加簡單，性能更好。 專用環(huán)形分配芯片的種類有很多，如CH250（雙三拍或六拍三相步進(jìn)電動機(jī)）、PMM8713（三相或四相步進(jìn)電動機(jī)）、PMM8714（五相步進(jìn)電動機(jī)）等。圖2.21和圖2.22分別為CH250三相六拍接線圖和PMM8713雙四拍接線圖，表2.1和表2.2分別為CH250和PMM8713的主要端子功能說明。 圖2.21 CH250三相六拍接線圖 圖2.22 PMM8713雙四拍接線圖 表2.1 CH250主要端子功能 端子 功能 說明 UD、US 電源端 A、B、C 三相勵磁信號輸出端 R、R* 確定初始勵磁相 R=0、R*=1時，A、B、C的初始勵磁相為1 1 0；R=1、R*=0時，A、B、C的初始勵磁相為1 0 0；R=0、R*=0時，環(huán)形分配器工作。 CL、EN 進(jìn)給脈沖輸入端 若EN=1，則進(jìn)給脈沖接CL端，脈沖上升沿使環(huán)形分配器工作；若CL=0，則進(jìn)給脈沖接EN端，脈沖下降沿使環(huán)形分配器工作。否則，環(huán)形分配器狀態(tài)鎖定。 J3R、J3L 三相雙三拍正、反轉(zhuǎn)控制端 J6R、J6L 三相六拍正、反轉(zhuǎn)控制端 表2.2 PMM8713主要端子功能 端子 功能 說明 VDD、VSS 電源 CK 時鐘脈沖 雙四拍工作方式時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速由CK的脈沖輸入頻率決定 U/D 正、反轉(zhuǎn)切換 若U/D=1，電動機(jī)正轉(zhuǎn)；若U/D=0，電動機(jī)反轉(zhuǎn)。電動機(jī)正、反轉(zhuǎn)也可采用脈沖控制方法，即通過CU、CD端子控制。 CU、CD 電動機(jī)正、反轉(zhuǎn)脈沖輸入 CU端輸入的脈沖使電動機(jī)正轉(zhuǎn)，CD端輸入的脈沖使電動機(jī)反轉(zhuǎn)。此時，CK和U/D端同時接地。 φC 切換電動機(jī)相數(shù) 分配器用于三相電動機(jī)時，φC=0；用于四相電動機(jī)時，φC=1 φ1~φ4 脈沖輸出 EA~EB 勵磁方式選擇 1~2相勵磁時，EA=EB=1；2相勵磁時，EA=EB=0；1相勵磁時，EA和EB一端為1，另一端為0。 復(fù)位端 =0時，φ1~φ4均為1，此時步進(jìn)電動機(jī)鎖住不動。 2）軟件環(huán)形分配器 不同種類、不同相數(shù)、不同通電方式的步進(jìn)電動機(jī)都必須配備不同的環(huán)形分配器。而硬件環(huán)形分配器只能適用于某種相數(shù)或某種通電方式的步進(jìn)電動機(jī)，在使用時有很大的局限性。為了充分利用計算機(jī)軟件資源，降低硬件成本，可采用軟件環(huán)形分配器，即編制不同的環(huán)形分配程序，將其存入程序存儲器，通過調(diào)用不同的程序段就可控制不同相數(shù)的步進(jìn)電動機(jī)按不同的通電方式工作。 以三相步進(jìn)電動機(jī)為例，三相六拍通電方式所對應(yīng)的環(huán)形脈沖分配狀態(tài)如表2.3所示。將表中的狀態(tài)代碼01H~06H放在順序存儲單元中，通過軟件依次訪問這些存儲單元，這樣就可以將表中的狀態(tài)代碼順序提取出來，并通過輸出接口輸出，以控制步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)動。通過正向或反向順序讀取代碼，可控制步進(jìn)電動機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；通過控制讀取時間間隔，即可控制步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。 表2.3 三相六拍環(huán)形脈沖分配表 轉(zhuǎn)向 C B A 代碼 通電相 轉(zhuǎn)向 正轉(zhuǎn) 0 0 1 01H A 反轉(zhuǎn) 0 1 1 03 H AB 0 1 0 02 H B 1 1 0 06 H BC 1 0 0 04 H C 1 0 1 05 H CA 0 0 1 01H A 2. 功率放大電路 一般來說，步進(jìn)電動機(jī)定子繞組的電流為幾安培~十幾安培，而從環(huán)形分配器來的脈沖電流信號只有幾毫安，不足以驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)動，因此需要采用功率放大電路將環(huán)形分配器送來的脈沖電流進(jìn)行放大，并獲得較為理想的矩形脈沖波形。但是，由于步進(jìn)電動機(jī)繞組有很大的電感，因此要想做到這一點(diǎn)并不容易。可見，功率放大電路對步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行性能有很大影響。 最早應(yīng)用的功率放大電路是單電壓功率放大電路，其功率消耗大、輸出脈沖波形較差，現(xiàn)在已較少使用。后來又出現(xiàn)了雙電壓（高低壓）功率放大電路、斬波恒流功率放大電路、調(diào)頻調(diào)壓功率放大電路等，其電路分別如圖2.23~圖2.26所示。 在實(shí)際應(yīng)用中，步進(jìn)電動機(jī)的每相繞組都要接一個功率放大電路。在電動機(jī)工作過程中，單電壓功率放大電路只有一個方向的電壓對繞組供電，而高低壓功率放大電路可以提供兩種電壓，一種是高電壓，一般為80V左右；另一種是低電壓，一般不超過20V。這種電路常用于大功率步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動，起動轉(zhuǎn)矩和運(yùn)行頻率高，但是低頻時振蕩嚴(yán)重，運(yùn)行平穩(wěn)性較差，輸出轉(zhuǎn)矩下降。斬波恒流功率放大電路雖然復(fù)雜，但是繞組中的脈沖電流波形好，而且可以使步進(jìn)電動機(jī)在較大的頻率范圍內(nèi)都輸出恒定的轉(zhuǎn)矩。調(diào)頻調(diào)壓功率放大電路可以使驅(qū)動電源為繞組提供的電壓與步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行頻率建立直接的聯(lián)系，即低頻時用低壓，高頻時用高壓，從而避免低頻運(yùn)行時可能出現(xiàn)的振蕩。 圖2.23 單電壓功率放大電路 圖2.24 高低壓功率放大電路 圖2.25 斬波恒流功率放大電路 圖2.26 調(diào)頻調(diào)壓功率放大電路 3. 步進(jìn)電動機(jī)細(xì)分驅(qū)動 前面提到的步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動是利用環(huán)形分配器進(jìn)行脈沖環(huán)形分配，控制步進(jìn)電動機(jī)各相繞組的導(dǎo)通或截止，從而使電動機(jī)產(chǎn)生步進(jìn)式運(yùn)動。步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)動精度和步距角有關(guān)，但是步距角的大小受到電動機(jī)結(jié)構(gòu)的限制，而小步距角電動機(jī)加工比較困難。目前，為了使步進(jìn)電動機(jī)有更小的步距角，滿足生產(chǎn)機(jī)械控制精度的要求，通常采用細(xì)分步距角的方法，其具體做法是：在每次輸入脈沖切換時，不是將繞組電流全部通入或切除，而是只改變繞組中額定電流的一部分，從而使步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)子在每步運(yùn)動時只轉(zhuǎn)過步距角的一部分。這種將一個步距角細(xì)分為若干小步、每一小步只有步距角的一部分的驅(qū)動方法稱為細(xì)分驅(qū)動。 細(xì)分驅(qū)動的特點(diǎn)是：①在不改變電動機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，使步距角減小，實(shí)現(xiàn)精確定位。②由于步進(jìn)電動機(jī)在細(xì)分狀態(tài)下步距角變小，轉(zhuǎn)子達(dá)到新的穩(wěn)定位置時所具有的動能也變小，從而使振動顯著減小。③由于采用細(xì)分驅(qū)動后，電動機(jī)繞組中的電流不是由零跳升到額定值，而是經(jīng)過若干小步的變化后才達(dá)到額定值，同樣也不是由額定值陡降至零，而是經(jīng)過若干小步才達(dá)到零，所以繞組中各相電流的變化比較均勻，能夠使電動機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，并在任何位置停步。因此，細(xì)分驅(qū)動技術(shù)有效地克服了步進(jìn)電動機(jī)的低頻振蕩、噪聲及分辨率低等缺點(diǎn)，使步進(jìn)電動機(jī)在低頻段能夠?qū)崿F(xiàn)平滑的步進(jìn)運(yùn)動，拓寬了步進(jìn)電動機(jī)的應(yīng)用范圍，提高了它與直流伺服電動機(jī)和交流伺服電動機(jī)相抗衡的能力。 若要實(shí)現(xiàn)細(xì)分，需要將繞組中的矩形電流波改為階梯形電流波，即繞組中的電流以若干個等幅等寬的階梯上升到額定值，并以同樣的階梯從額定值下降為零。目前實(shí)現(xiàn)階梯波供電的方法有： 1）利用多片專用集成電路芯片構(gòu)成細(xì)分電路 采用三片三相六拍環(huán)形分配芯片可實(shí)現(xiàn)三相十八拍細(xì)分驅(qū)動。假如三相步進(jìn)電動機(jī)的步距角為3/1.5，即單三拍或雙三拍通電方式時的步距角為3，而六拍時的步距角為1.5，那么十八拍時的步距角則減小為0.5。 2）用微機(jī)實(shí)現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動 若要利用微型計算機(jī)實(shí)現(xiàn)細(xì)分，必須增加接口電路的I/O口，以步進(jìn)電動機(jī)的三相六拍15細(xì)分控制為例，由四個I/O口并聯(lián)控制一相繞組。由于要在每相繞組中產(chǎn)生15個等間距的上升或下降階梯電流波形，在這四個I/O口需要分別串聯(lián)1:2:4:8的權(quán)電阻，并聯(lián)后接于某一相，這樣按照特定的邏輯順序來接通不同的權(quán)電阻，便可產(chǎn)生所需要的波形。三相六拍15細(xì)分時有與之對應(yīng)的90個特殊組合的邏輯狀態(tài)，在硬件線路確定后，相應(yīng)的90個四位數(shù)據(jù)及其順序也就確定下來。將計算好的這些數(shù)據(jù)按一定的順序存在存儲器中，即建立了一個脈沖分配表，利用查表指令將各個數(shù)據(jù)依次順序取出。改變地址指針的增減方向，即可改變讀取數(shù)據(jù)的方向，從而達(dá)到控制電動機(jī)正反轉(zhuǎn)的目的。 4.步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器 目前，隨著步進(jìn)電動機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動裝置已逐漸發(fā)展為系列化和模塊化，這樣就可以大大簡化步進(jìn)電動機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計過程，提高系統(tǒng)的工作效率及系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。 不同廠家生產(chǎn)的步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器雖然標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一，但工作原理基本相同。只要掌握了接線端子、標(biāo)準(zhǔn)接口及撥動開關(guān)的定義和使用，就可以利用驅(qū)動器構(gòu)成步進(jìn)電動機(jī)控制系統(tǒng)。下面對德國百格拉三相混合式步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器WD3-008進(jìn)行詳細(xì)介紹。 德國百格拉公司于1993年推出的三相混合式步進(jìn)電動機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用了交流伺服控制原理，徹底解決了傳統(tǒng)步進(jìn)電動機(jī)的低速爬行、存在共振區(qū)、噪聲大、高速扭矩小、起動頻率低、驅(qū)動器可靠性差等缺點(diǎn)，成為具有交流伺服電動機(jī)運(yùn)行特性的步進(jìn)電動機(jī)系統(tǒng)。百格拉WD3-008型步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器主要驅(qū)動12Nm~16.5Nm的三相混合式步進(jìn)電動機(jī)，輸入電壓為220VAC，輸出電壓為325VAC。 1）驅(qū)動器控制面板 WD3-008步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器控制面板如圖2.27所示。圖中，01為控制信號接口，用于輸入信號的連接；02為功能選擇開關(guān)，其中，STEP1、STEP2用于設(shè)置電動機(jī)的每轉(zhuǎn)步數(shù)，I-RED用于設(shè)置半流功能，GAT/ENA用于設(shè)置門/使能功能，PH.CURR用于設(shè)置輸出電流；03~07為狀態(tài)指示燈，用于指示驅(qū)動器正常工作、電動機(jī)相間短路、驅(qū)動器超溫、驅(qū)動器超壓、驅(qū)動器欠壓等狀態(tài)；U、V、W為功率接口，用于驅(qū)動器和電動機(jī)之間的連線。 圖2.27 WD3-008型步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器控制面板 2）驅(qū)動器控制信號定義 PULSE：脈沖信號輸入端，每一個脈沖的上升沿使電動機(jī)轉(zhuǎn)動一步。應(yīng)當(dāng)說明的是，對于輸入控制信號而言，最小脈沖寬度和最小脈沖間隔為2.5μs，最高接收脈沖頻率為200kHz。 DIR：方向信號輸入端，低電平時電動機(jī)按順時針方向旋轉(zhuǎn)；高電平時電動機(jī)按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。 GAT/ENA：使能控制信號輸入端。 READY：報警信號，在使用時需串聯(lián)到上位機(jī)的某個輸入端。當(dāng)驅(qū)動器正常工作時，該信號為高電平；當(dāng)驅(qū)動器工作異常時，該信號為低電平。 3）驅(qū)動器控制方式及控制信號連接 WD3-008型驅(qū)動器采用“脈沖和方向”控制方式，控制信號可以是高電平有效，也可以是低電平有效。當(dāng)輸入信號高電平有效時，把PULSE-和DIR-短接后連到上位機(jī)的信號地（0V），而把PULSE+和DIR+分別與上位機(jī)的脈沖信號和方向信號連接；當(dāng)信號低電平有效時，把PULSE+和DIR+短接后連到上位機(jī)的公共信號端（5V），而把PULSE-和DIR-分別與上位機(jī)的脈沖信號和方向信號連接。 4）功能設(shè)置 （1）10細(xì)分功能 WD3-008有一個細(xì)分開關(guān)，它是一個隱藏開關(guān)，置于驅(qū)動器的頂部。利用細(xì)分開關(guān)可以設(shè)定10細(xì)分功能，使電動機(jī)每轉(zhuǎn)的步數(shù)提高十倍。開關(guān)設(shè)置為ON時為細(xì)分狀態(tài)。 （2）電動機(jī)每轉(zhuǎn)步數(shù)設(shè)定 通過撥動開關(guān)STEP1和STEP2以及細(xì)分開關(guān)，可以設(shè)定電動機(jī)每轉(zhuǎn)的步數(shù)，如表2.4所示。 表2.4 電動機(jī)每轉(zhuǎn)步數(shù)設(shè)定 開關(guān)狀態(tài) STEP1 ON ON OFF OFF ON ON OFF OFF STEP2 OFF ON ON OFF OFF ON ON OFF 細(xì)分開關(guān) OFF OFF OFF OFF ON ON ON ON 電動機(jī)步數(shù)（步/轉(zhuǎn)） 200 400 500 1000 2000 4000 5000 10000 （3）半流功能 半流功能是指驅(qū)動器在100ms內(nèi)無輸入脈沖時，自動減少輸出相電流為額定值的60%。該功能可以節(jié)省能源，減少電動機(jī)發(fā)熱，延長驅(qū)動器的工作壽命。利用撥動開關(guān)I-RED來設(shè)定半流功能，當(dāng)開關(guān)設(shè)置為OFF時為半流功能。 （4）電動機(jī)復(fù)位功能 利用門/使能開關(guān)（GAT/ENA）和使能位，可以對電動機(jī)進(jìn)行復(fù)位。當(dāng)撥動開關(guān)設(shè)置為門功能、且使能位有輸入時，驅(qū)動器為工作狀態(tài)；在開關(guān)設(shè)為門功能、但使能位無輸入時，驅(qū)動器將封閉任何輸入脈沖，電動機(jī)復(fù)位且無保持轉(zhuǎn)矩。該功能用于電動機(jī)復(fù)位和在多個電動機(jī)中選擇部分電動機(jī)工作。 （5）電動機(jī)輸出相電流設(shè)定 在WD3-008驅(qū)動12Nm和16.5Nm步進(jìn)電動機(jī)時，驅(qū)動器的輸出電流分別是4.1A和4.7A，輸出相電流開關(guān)PH.CURR分別設(shè)置在位置7和9。應(yīng)當(dāng)注意的是，設(shè)定的輸出相電流值必須小于或等于電動機(jī)銘牌上給出的額定相電流。表2.5給出了PH.CURR設(shè)置在各個位置時的輸出相電流。 表2.5 電動機(jī)輸出相電流設(shè)定 PH.CURR 開關(guān)位置 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F 電動機(jī)輸出相電流（A） 1.7 2.0 2.4 2.7 3.1 3.4 3.7 4.1 4.4 4.8 5.1 5.4 5.8 6.1 6.5 6.8 習(xí)題與思考題 2.1 直流伺服電動機(jī)和交流伺服電動機(jī)各有何特點(diǎn)？ 2.2 直流伺服電動機(jī)和交流伺服電動機(jī)常用的控制方法有哪幾種？試分別簡述其調(diào)速原理。 2.3 什么是電動機(jī)自轉(zhuǎn)？對于直流伺服電動機(jī)和交流伺服電動機(jī)，哪一種電動機(jī)會產(chǎn)生自轉(zhuǎn)現(xiàn)象？為克服自轉(zhuǎn)，應(yīng)采取何種措施？ 2.4 步進(jìn)電動機(jī)一般分為哪三種類型？各自的特點(diǎn)是什么？ 2.5 簡述反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的工作原理。 2.6 步進(jìn)電動機(jī)如何實(shí)現(xiàn)角位移、速度及轉(zhuǎn)向控制？ 2.7 三相步進(jìn)電動機(jī)有哪幾種通電方式？某一步進(jìn)電動機(jī)的步距角為0.75/1.5，說明其含義。 2.8 步進(jìn)電動機(jī)有哪些主要運(yùn)行特性和性能指標(biāo)？了解這些特性和性能指標(biāo)，對于選擇和使用步進(jìn)電動機(jī)有何指導(dǎo)意義？ 2.9 步進(jìn)電動機(jī)環(huán)形脈沖分配器的作用是什么？實(shí)現(xiàn)脈沖分配的方法有哪些？各有何優(yōu)缺點(diǎn)？ 2.10 列出三相單三拍和三相雙三拍環(huán)形分配器的正、反向環(huán)形脈沖分配表。 2.11 畫出CH250環(huán)形分配芯片三相雙三拍接線圖。 2.12 畫出PMM8713環(huán)形分配芯片三相六拍接線圖。 2.13 步進(jìn)電動機(jī)功率放大電路的作用是什么？常用的功率放大電路有哪幾種？各自的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？ 2.14 步進(jìn)電動機(jī)細(xì)分驅(qū)動的基本原理及其特點(diǎn)是什么？可以用哪些方法實(shí)現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動？