机电一体化教案616K.docx
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机电一体化教案616K
机电一体化教案(讲稿)第六章
淮南联合大学教师授课教案
章节名称第6章执行装置及其控制
教学名称第1节步进电机
教学时数学时2
教学目标1.掌握反应式步进电机的结构、工作原理和应用特点
2.掌握步进电机环形分配器的功能,分类,原理
3.掌握步进电机常见的功率驱动电路的工作原理
4.理解步进电机的主要机械特性和技术参数
5.了解步进电机选用原则
课程重点难点1.步进电机环形分配器的功能,分类,原理
2.步进电机常见的功率驱动电路的工作原理
教学方法及手段1.课堂理论课讲授
2.多媒体教学课件播放辅助教学
教学过程及时间分配:
6.1步进电动机
1.步进电机的工作原理
步进电动机又称电脉冲马达,是通过脉冲数量决定转角位移的一种伺服电动机。
由于步进电动机成本较低,易于采用计算机控制,因而被广泛应用于开环控制的伺服系统中。
步进电动机比直流电动机或交流电动机组成的开环控制系统精度高,适用于精度要求不太高的机电一体化伺服传动系统。
目前,一般数控机械和普通机床的微机改造中大多数均采用开环步进电动机控制系统。
步进电动机按其工作原理分:
主要有磁电式和反应式两大类
步进电机按励磁相数分:
有三、四、五、六相等几种,因为相数越多,步距角越小,而且还采用多相
通电,提高步进电机的输出转矩。
步进电机按输出力矩大小分:
功率步进电机,
伺服(快速)步进电机
反应是步进电机的工作原理是:
三相反应式步进电动机的工作原理如图5-12所示,其中步进电动机的定子上有6个齿,其上分别缠有WA、WB、WC三相绕组,构成三对磁极,转子上则均匀分布着4个齿。
步进电动机采用直流电源供电。
当WA、WB、WC三相绕组轮流通电时,通过电磁力吸引步进电动机转子一步一步地旋转。
图5-13三相反应式步进电动机图5-12步进电动机运动原理图
首先假设U相绕组通电,则转子上下两齿被磁吸住,转子就停留在U相通电的位置上。
然后U相断电,V相通电,则磁极U的磁场消失,磁极V产生了磁场,磁极V的磁场把离它最近的另外两齿吸引过去,停止在V相通电的位置上,这时转子逆时针转了300。
随后V相断电,W相通电,根据同样的道理,转子又逆时针转了300,停止在W相通电的位置上。
若再U相通电,W相断电,那么转子再逆转300。
定子各相轮流通电一次,转子转一个齿。
步进电机绕组按
…依次轮流通电,步进电动机转子就一步步地按逆时针方向旋转。
反之,如果步进电动机按倒序依次使绕组通电,即:
…,则步进电动机将按顺时针方向旋转。
步进电机绕组每次通断电使转子转过的角度称之为步距角。
上述分析中的步进电机步距角为300。
对于一个真实的步进电动机,为了减少每通电一次的转角,在转子和定子上开有很多定分的小齿.其中定子的三相绕组铁心间有一定角度的齿差,当U相定子小齿与转子小齿对正时,V相和W相定子上的齿则处于错开状态,如图5-13所示。
工作原理与上同,只是步距角是小齿距夹角的1/3。
2、步进电动机的通电方式
如果步进电动机绕组的每一次通断电操作称为一拍,每拍中只有一相绕组通电,其余断电,这种通电方式称为单相通电方式。
三相步进电动机的单相通电方式称为三相单三拍通电方式。
如:
。
如果步进电动机通电循环的每拍中都有两相绕组通电,这种通电方式称为双相通电方式。
三相步进电动机采用双相通电方式时(如:
),称为三相双三拍通电方式。
如果步进电动机通电循环的各拍中交替出现单、双相通电状态,这种通电方式称为单双相轮流通电方式。
三相步进电动机采用单双相轮流通电方式时,每个通电循环中共有六拍,因而又称为三相六拍通电方式,即
。
一般情况下,m相步进电动机可采用单相通电、双相通电或单双相轮流通电方式工作,对应的通电方式可分别称为m相单m拍、m相双m拍或m相2m拍通电方式。
由于采用单相通电方式工作时,步进电动机的矩频特性(输出转矩与输入脉冲频率的关系)较差,在通电换相过程中,转子状态不稳定,容易失步,因而实际应用中较少采用。
图5-14是某三相反应式步进电动机在不同通电方式下工作时的矩频特性曲线。
显然,采用单双相轮流通电方式可使步进电动机在各种工作频率下都具有较大的负载能力。
图5-14不同通电方式时的矩频特性图5-15启动矩频特性
通电方式不仅影响步进电动机的矩频特性,对步距角也有影响。
一个m相步进电动机,如其转子上有z个小齿,则其步距角可通过下式计算:
(5-12)
式中,k是通电方式系数,当采用单相或双相通电方式时,k=1,当采用单双相轮流通电方式时,k=2。
可见采用单双相轮流通电方式还可使步距角减小—半。
步进电机的步距角决定了系统的最小位移,步距角越小,位移的控制精度越高。
2.步进电机的主要特性
(1)步距角α
指每给一个脉冲信号,电机转子应转过角度的理论值。
它取决于电机结构和控制方式。
步距角可按下式计算:
(7-1)
式中m——定子相数;
z——转子齿数;
k——通电系数,若连续两次通电相数相同为1,若不同则为2。
数控机床所采用步进电机的步距角一般都很小,如:
3°/1.5°,1.5°/0.75°,0.72°/0.36°等,是步进电机的重要指标。
步进电机空载且单脉冲输入时,其实际步距角与理论步距角之差称为静态步距角误差,一般控制在±10′~30′的范围内。
(2)矩角特性、最大静态转矩Mjmax和启动转矩Mq
当步进电机处于通电状态时,转子处在不动状态,即静态。
如果在电机轴上施加一个负载转矩M,转子会在载荷方向上转过一个角度θ,转子因而受到一个电磁转矩Mj的作用与负载平衡,该电磁转矩Mj称为静态转矩,该角度θ称为失调角。
步进电机单相通电的静态转矩Mj随失调角θ的变化曲线称为矩角特性,如图7-4所示,画出了三相步进电机按A→B→C→A……方式通电时A、B、C各相的矩角特性。
各相矩角特性差异不大,否则会影响步距精度及引起低频振荡。
当外加转矩取消后,转子在电磁转矩作用下,仍能回到稳定平衡点θ=0。
矩角特性曲线上的电磁转矩的最大值称为最大静转矩Mjmax,Mjmax是代表电机承载能力的重要指标,Mjmax越大,电机带负载的能力越强,运行的快速性和稳定性越好。
由图7-4可见,相邻两条曲线的交点所对应的静态转矩是电机运行状态的最大启动转距Mq,当负载力矩小于Mq时,步进电机才能正常启动运行,否则将会造成失步。
一般地,电机相数的增加会使矩角特性曲线变密,相邻两条曲线的交点上移,会使Mq增加;采用多相通电方式,即变m相m拍通电方式为m相2m拍通电方式,会使启动转距Mq增加。
图7-4三相步进电机的各相矩角特性
(3)启动频率fq和启动时的惯频特性
空载时,步进电机由静止突然启动、并进入不丢步的正常运行状态所允许的最高频率,称为启动频率或突跳频率fq,是反映步进电机快速性能的重要指标。
空载启动时,步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该启动频率。
原因是频率越高,电机绕组的感抗(xL=2πfL)越大,使绕组中的电流脉冲变尖,幅值下降,从而使电机输出力矩下降。
启动时的惯频特性是指电机带动纯惯性负载时启动频率和负载转动惯量之间的关系。
一般来说,随着负载惯量的增加,启动频率会下降。
如果除了惯性负载外还有转矩负载,则启动频率将进一步下降。
(4)运行矩频特性
步进电机启动后,其运行速度能跟踪指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率,称为连续运行频率,其值远大于启动频率。
运行矩频特性是描述步进电机在连续运行时,输出转矩与连续运行频率之间的关系,它是衡量步进电机运转时承载能力的动态指标,如图7-5所示。
图中每一频率所对应的转矩称为动态转矩。
从图中可以看出,随着运行频率的上升,输出转矩下降,承载能力下降。
当运行频率超过最高频率时,步进电机便无法工作。
图7-5步进电机的运行矩频特性
(5)加、减速特性
步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加、减速过程中,定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。
当要求步进电机启动到大于启动频率的工作频率时,变化速度必须逐渐上升;同样,从最高工作频率或高于启动频率的工作频率停止时,变化速度必须逐渐下降。
逐渐上升和逐渐下降的加速时间、减速时间不能过小,否则会出现失步或超步。
目前,主要通过软件实现步进电机的加减速控制。
常用的加减速控制实现方法有指数规律和直线规律加减速控制,指数规律加减速控制一般适用跟踪响应要求较高的切削加工中;直线规律加减速控制一般适用速度变化范围较大的快速定位方式中。
4.2.2步进电机驱动电源
※步进电机的工作质量包括
电机本身性能
驱动电源特点
※步进电机驱动电源包括:
环形分配器
功放电路
1.环形分配器
环形分配器的主要功能
是将数控装置送来的一串指令脉冲,按步进电机所要求的通电顺序分配给步进电机的驱动电源的各相输入端,以控制励磁绕组的通断,实现步进电机的运行及换向。
环形分配器的工作特点:
当步进电机在一个方向上连续运行时,其各相通、断的脉冲分配是一个循环,因此称为环形分配器。
环形分配器的输出不仅是周期性的,又是可逆的。
环形分配器的形式
环形分配的功能可由硬件或软件的方法来实现,分别称为硬件环形分配器和软件环形分配器。
1)硬件环形分配器
硬件环形分配器的种类很多,它可由D触发器或JK触发器构成,亦可采用专用集成芯片或通用可编程逻辑器件。
目前市场上有许多专用的集成电路环形分配器出售,集成度高,可靠性好,有的还有可编程功能。
如国产的PM系列步进电机专用集成电路有PM03、PM04、PM05和PM06分别用于三相、四相、五相和六相步进电机的控制。
进口的步进电机专用集成芯片PMM8713、PM8714可分别用于四相(或三相)、五相步进电机的控制。
而PPM101B则是可编程的专用步进电机控制芯片,通过编程可用于三相、四相、五相步进电机的控制。
以三相步进电机为例,硬件环形分配驱动与数控装置的连接如图7-7所示,环形分配器的输入、输出信号一般均为TTL电平,输出信号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,CLK为数控装置所发脉冲信号,每一个脉冲信号的上升或下降沿到来时,输出则改变一次绕组的通电状态,DIR为数控装置所发方向信号,其电平的高低即对应电机绕组通电顺序的改变,即步进电机的正、反转,FULL/HALF电平用于控制电机的整步(对三相步进电机即为三拍运行)或半步(对三相步进电机即为六拍运行),一般情况下,根据需要将其接在固定的电平上即可。
图7-7硬件环形分配驱动与数控装置的连接
CH250是国产的三相反应式步进电机环形分配器的专用集成电路芯片,通过其控制端的不同接法可以组成三相双三拍和三相六拍的不同工作方式,其外形和三相六拍接线图如图7-8所示。
图7-8CH250外形和三相六拍接线图
CH250主要管脚的作用:
A、B、C——环形分配器三个输出端,经功率放大后接到电机的三相绕组上。
R、R*——复位端,R为三相双三拍复位端,R*为三相六拍复位端,先将对应的复位端接入高电平,使其进入工作状态,若为“10”,则为三相双三拍工作方式;若为“01”,则为三相六拍工作方式。
CL、EN——进给脉冲输入端和允许端;进给脉冲由CL输入,只有EN=1,脉冲上升沿使环形分配器工作;CH250也允许以EN端作脉冲输入端,此时,只有CL=0,脉冲下降沿使环形分配器工作。
不符合上述规定则为环形分配器状态锁定(保持)。
J3r、J3L、J6r、J6L——分别为三相双三拍、三相六拍工作方式时步进电机正、反转的控制端。
UD、US——电源端。
2)软件环形分配器
软件环形分配指由数控装置中的计算机软件完成环形分配的任务,直接驱动步进电机各绕组的通、断电。
用软件环形分配器只需编制不同的环形分配程序,将其存入数控装置的EPROM中即可。
用软件环形分配器可以使线路简化,成本下降,并可灵活地改变步进电机的控制方案。
软件环形分配器的设计方法有多种,如查表法、比较法、移位寄存器法等,最常用的是查表法。
下面以三相反应式步进电机的环形分配器为例,说明查表法软件环形分配器的工作原理。
图7-9所示为两坐标步进电机伺服进给系统框图。
X向和Z向的三相定子绕组分别为A、B、C相和a、b、c相,分别经各自的放大器、光电耦合器与计算机的PIO(并行输入/输出接口)的PA0~PA5相连。
首先结合驱动电源线路,根据PIO接口的接线方式,按步进电机运转时绕组励磁状态转换方式得出环形分配器输出状态表,如表7-1所示,将表示步进电机各个绕组励磁状态的二进制数存入存贮单元地址2A00H~2A05H(存贮单元地址由用户设定)中。
然后编写X向和Z向正、反方向进给的子程序,步进电机运行时,都要调用该子程序。
根据步进电机的运转方向按表地址的正向或反向顺序依次取出存贮单元地址的内容并输出,即依次输出表示步进电机各个绕组励磁状态的二进制数,则电机就正转或反转运行。
图7-9两坐标步进电机伺服进给系统框图
表7-1两坐标步进电机环形分配器的输出状态表
X向步进电机
Y向步进电机
节拍
C
B
A
存贮单元
方向
节拍
c
b
a
存贮单元
方向
PA2
PA1
PA0
地址
内容
PA5
PA4
PA3
地址
内容
1
0
0
1
2A00H
01H
正转↓
反转
↑
1
0
0
1
2A10H
08H
正转↓
反转
↑
2
0
1
1
2A01H
03H
2
0
1
1
2A11H
18H
3
0
1
0
2A02H
02H
3
0
1
0
2A12H
10H
4
1
1
0
2A03H
06H
4
1
1
0
2A13H
30H
5
1
0
0
2A04H
04H
5
1
0
0
2A14H
20H
6
1
0
1
2A05H
05H
6
1
0
1
2A15H
28H
2.步进电机功率驱动器功能:
要使步进电动机能输出足够的转矩以驱动负载工作,必须为步进电机提供足够功率的控制信号,实现这一功能的电路称为步进电动机驱动电路。
从环形分配器输出的进给控制信号的电流只有几毫安,而步进电机的定子绕组需要几安培的电流,因此功率放大电路的作用就是对从环形分配器输出的信号进行功率放大并送至步进电机的各绕组。
功率放大电路的控制方式很多,最早采用单电压驱动电路,后来出现了高低电压切换驱动电路、恒流斩波电路、调频调压和细分电路等。
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晶体管MOSFET或可关断晶闸管GTO。
要求:
驱动电路实际上是一个功率开关电路,其功能是将环形分配器的输出信号进行功率放大,得到步进电动机控制绕组所需要的脉冲电流及所需要的脉冲波形。
步进电动机的工作特性在很大程度上取决于功率驱动器的性能,
对每一相绕组来说,理想的功率驱动器应使通过绕组的电流脉冲尽量接近矩形波。
但由于步进电动机绕组有很大的电感,要做到这一点是有困难的。
常见的步进电动机驱动电路有三种:
1)单电源驱动电路
这种电路采用单一电源供电,结构简单,成本低,但电流波形差,效率低,输出力矩小,主要用于对速度要求不高的小型步进电动机的驱动,图5-19所示步进电动机的一相绕组驱动电路(每相绕组的电路相同)。
当环形分配器的脉冲输入信号
为低电平(逻辑0,约1V)时,虽然VT1、VT2管都导通,但只要适当选择Rl、R3、R5的阻值,使Ub3<0(约为-1V),那么VT3管就处于截止状态,该相绕组断电。
当输入信号
为高电平3.6V(逻辑1)时。
Ub3>0(约为0.7V),VT3管饱和导通,该相绕组通电。
图6-19单电源驱动电路
2)双电源驱动电路
又称高低压驱动电路,采用高压和低压两个电源供电。
在步进电动机绕组刚接通时,通过高压电源供电,以加快电流上升速度,延迟一段时间后,切换到低压电源供电。
这种电路使电流波形、输出转矩及运行频率等都有较大改善,如图5-20所示。
当环形分配器的脉冲输入信号
为高电平时(要求该相绕组通电),二极管VTg、VTd的基极都有信号电压输入,使VTg、VTd均导通。
于是在高压电源作用下(这时二极管VD1两端承受的是反向电压,处于截止状态,可使低压电源不对绕组作用)绕组电流迅速上升,电流前沿很陡。
当电流达到或稍微超过额定稳态电流时,利用定时电路或电流检测器等措施切断VTg基极上的信号电压,于是VTg截止,但此时VTd仍然是导通的,因此绕组电流即转而由低压电源经过二极管VD1供给。
当环形分配器输出端的电压
为低电平时(要求绕组断电),VTd基极上的信号电压消失,于是VTd截止,绕组中的电流经二极管VD2及电阻Rf2向高压电源放电,电流便迅速下降。
采用这种高低压切换型电源,电动机绕组上不需要串联电阻或者只需要串联一个很小的电阻Rf1(为平衡各相的电流),所以电源的功耗比较小。
由于这种供压方式使电流波形得到很大改善,所以步进电动机的转矩一频率特性好,启动和运行频率得到很大的提高。
图5-20高、低压驱动电路图5-21斩波限流驱动电路波形图
3)斩波限流驱动电路
这种电路采用单一高压电源供电,以加快电流上升速度,并通过对绕组电流的检测,控制功放管的开和关,使电流在控制脉冲持续期间始终保持在规定值上下,其波形如图5-21所示。
这种电路出力大,功耗小,效率高,目前应用最广。
图5-22所示为一种斩波限流驱动电路原理图,其工作原理如下:
图5-22斩波限流驱动电路
当环形分配器的脉冲输入高电平(要求该相绕组通电)加载到光电耦合器OT的输入端时,晶体管VT1导通,并使VT2和VT3也导通。
在VT2导通瞬间,脉冲变压器TI在其二次线圈中感应出一个正脉冲,使大功率晶体管VT4导通。
同时由于VT3的导通,大功率晶体管VT5也导通。
于是绕组W中有电流流过,步进电动机旋转。
由于W是感性负载,其中电流在导通后逐渐增加,当其增加到一定值时,在检测电阻R10上产生的压降将超过由分压电阻R7和电阻R8所设定的电压值Vref,使比较器OP翻转,输出低电平使VT2截止。
在VT2截止瞬时,又通过TI将一个负脉冲交连到二次线圈,使VT4截止。
于是电源通路被切断,W中储存的能量通过VT5、R10及二极管VD7释放,电流逐渐减小。
当电流减小到一定值后,在R10上的压降又低于Vref,使OP输出高电平,VT2、VT4及W重新导通。
在控制脉冲持续期间,上述过程不断重复。
当输入低电平时,VTl~VT5等相继截止,W中的能量则通过VD6、电源、地和VD7释放。
该电路限流值可达6A左右,改变电阻R10或R8的值,可改变限流值的大小。
4.2.3步进电机的选用
1。
计算法
1)确定步进电机的类型
2)根据精度确定脉冲当量
3)根据步距角,脉冲当量和丝杆螺距计算确定齿轮减速比
4)计算工作部件折算到电机轴上的总惯量
计算电机输出的总力矩
选择步进电机的最大静态转矩
5)负载起动频率的估算
6)运行最高频率和升速时间的计算
2.查表法
1)首先,进行同样的类型,步距角,脉冲当量,减速比的计算
2)根据相关设计技术手册内容(起动矩频特性曲线,工作矩频特性曲线等)查阅,相应计算,数据圆整,完成步进电机的选用
关键是选用的电机要满足加工转矩,惯量,快进/工进速度,脉冲当量等条件下的启动要求和运行要求,并兼顾技术经济效益
4.2.4步进电机的微机控制
※两种运行控制方式
1.步进电机串行控制
1)使用环形分配器的控制方式
2)组成结构:
微机系统+环形分配器+伺服功放电路+步进电机
3)特点:
①接线少,接线简单
②硬件方式进行相续的通电方式分配,软件开销小,速度快,
③增加硬件成本
④目前广泛采用
2.步进电机并行控制
1)使用并行接口+软件方式的控制方法
2)组成结构:
微机系统+并行接口/控制软件+伺服功放电路+步进电机
3)特点:
①接线多,接线复杂
②软件件方式进行相续的通电方式分配,软件开销大,速度较慢,
③硬件成本低
④因为速度较低,目前较少采用
3.步进电机的速度控制
1)基本内容:
控制脉冲的输出频率(插补周期)
2)两种控制方案:
(1)软件延时的方法(效率低,只有专用系统使用)
(2)定时计数器定时中断的方法(效率高)
①专用的8253
②单片机片内的定时计数器To/T1
4.步进电机的加减速控制
1)速度模式要求:
(1)如果加工速度低于电机的最高允许起动频,则可直接起/停,无须进行加减速控制
(2)如果加工速度高于电机的最高允许起动频,则不可直接起/停,必须须进行加减速控制
※直接启动会丢步
※直接停止会因系统惯性原因超程
(3)正确的速度曲线模式:
启动——加速至工作速度——恒速进给——减速至最高允许起动频以下——停止
2)升降速度方式
(1)直线规律升降速:
处理简单
(1)指数规律升降速:
处理复杂,但根据步进电机的矩频特性,速度越高转矩越低,所以随速度上升,转矩下降,增速的幅度应随之减小,指数规律升降速曲线符合要求
3)处理方法
(1)原则上是改变脉冲周期
(2)可以通过修改定时计数器的装载初值改变脉冲周期
(3)一般将离散的初值数据组固化在EPROM中调用,以提高效率
(4)设计升降速度方式控制程序应该考虑:
①加减速曲线斜率
②升速的总步数
③恒速的总步数
④降速的总步数
板书设计:
步进电机的工作原理示意图
步进电机的工作矩频特性原理
硬件环形分配器的工作结构原理
单电压驱动电路双电压(高低压)驱动电路
恒流斩波驱动电路
其他①相关标题,主要内容要点等按常规进行书写
②要求板书清晰整洁美观,图面大小适度规范,无错字别字和不规范
文字符号
作业:
1.简述反应式步进电机的结构原理,主要技术参数和选用一般原则
2.简述环形分配器的作用,图示说明YB013环形分配器和MCS-51的P1口接口方法
3.Z=80,三相六拍方式,丝杆导程为6mm,进给速度为4mm/min,求:
(1)步进电机的运行频率
(2)步进电机的脉冲当量和步距角
课后教学小结:
1.重点讲清步进电机的结构,运行原理,功放电路的工作原理,有助于今后的维修技能的提高
2.讲清三相硬件环形分配器YB—013和MCS-51的接口技术,有助于今后工作应用能力的提高
3.讲清步进电机的选用原则,可能出现故障的维修
淮南联合大学教师授课教案
章节名称第6章执行装置及其控制
教学名称第2节直流伺服电机及其控制
教学时数学时2
教学目标1.理解直流伺服电机的结构,工作原理,技术指标主要技术特点和分类
2.理解直流伺服电机的机械特性和调节特性
3.了解直流伺服电机的技术参数及参数之间的关系
4.一般掌握直流伺服电机的PWM调速原理和电路结构
课程重点难点1.直流伺服电机的PWM调速原理和电路结构
2.直流伺服电机的机械特性和调节特性
教学方法及手段1.课堂理论课讲授
2.多媒体教学课件播放辅助教学
教学过程及时间分配:
直流伺服电机及其速度控制单元
概况
直流伺服电动机
分类
电磁式和永磁式两种。
电磁式的磁场由励磁绕组产生;永磁式的磁场由永磁体产生。
电磁式直流伺
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- 机电 一体化 教案 616