步进电机驱动器.pptx
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步进电机驱动器将电脉冲转化为角位移的执行机构将电脉冲转化为角位移的执行机构01驱动器简介系统控制组成结构分类基本原理驱动方式目录0305020406步进电机驱动器是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”),它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速和定位的目的。
驱动器简介步进电动机和步进电动机驱动器构成步进电机驱动系统。
步进电动机驱动系统的性能,不但取决于步进电动机自身的性能,也取决于步进电动机驱动器的优劣。
对步进电动机驱动器的研究几乎是与步进电动机的研究同步进行的。
分类步进电机按结构分类:
步进电动机也叫脉冲电机,包括反应式步进电动机(VR)、永磁式步进电动机(PM)、混合式步进电动机(HB)等。
(1)反应式步进电动机:
也叫感应式、磁滞式或磁阻式步进电动机。
其定子和转子均由软磁材料制成,定子上均匀分布的大磁极上装有多相励磁绕组,定、转子周边均匀分布小齿和槽,通电后利用磁导的变化产生转矩。
一般为三、四、五、六相;可实现大转矩输出(消耗功率较大,电流最高可达20A,驱动电压较高);步距角小(最小可做到10);断电时无定位转矩;电机内阻尼较小,单步运行(指脉冲频率很低时)震荡时间较长;启动和运行频率较高。
(2)永磁式步进电动机:
通常电机转子由永磁材料制成,软磁材料制成的定子上有多相励磁绕组,定、转子周边没有小齿和槽,通电后利用永磁体与定子电流磁场相互作用产生转矩。
一般为两相或四相;输出转矩小(消耗功率较小,电流一般小于2A,驱动电压12V);步距角大(例如7.5度、15度、22.5度等);断电时具有一定的保持转矩;启动和运行频率较低。
(3)混合式步进电动机:
也叫永磁反应式、永磁感应式步进电动机,混合了永磁式和反应式的优点。
其定子和四相反应式步进电动机没有区别(但同一相的两个磁极相对,且两个磁极上绕组产生的N、S极性必须相同),转子结构较为复杂(转子内部为圆柱形永磁铁,两端外套软磁材料,周边有小齿和槽)。
系统控制图1步进电动机不能直接接到直流或交流电源上工作,必须使用专用的驱动电源(步进电动机驱动器)。
控制器(脉冲信号发生器)可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。
如图1所示。
基本原理步进电机驱动器的原理,采用单极性直流电源供电。
只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电,就能使步进电机步进转动。
图2是该四相反应式步进电机工作原理示意图。
图2四相步进电机步进示意图开始时,开关SB接通电源,SA、SC、SD断开,B相磁极和转子0、3号齿对齐,同时,转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿,2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。
当开关SC接通电源,SB、SA、SD断开时,由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用,使转子转动,1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。
而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿,2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。
依次类推,A、B、C、D四相绕组轮流供电,则转子会沿着A、B、C、D方向转动。
四相步进电机按照通电顺序的不同,可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。
单四拍与双四拍的步距角相等,但单四拍的转动力矩小。
八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半,因此,八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。
图3单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图3.a、b、c所示。
驱动器相当于开关的组合单元。
通过上位机的脉冲信号有顺序给电机相序通电使电机转动。
组成结构环行分配器传感器保护电路根据输入信号的要求产生电机在不同状态下的开关波形信号处理对环行分配器产生的开关信号波形进行PWM调制以及对相关的波形进行滤波整形处理3:
推动级:
对开关信号的电压,电流进行放大提升主开关电路用功率元器件直接控制电机的各相绕组当绕组电流过大时产生关断信号对主回路进行关断,以保护电机驱动器和电机绕组对电机的位置和角度进行实时监控,传回信号的产生装置驱动方式图4步进电机不能直接接到工频交流或直流电源上工作,而必须使用专用的驱动器,如图4所示,它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。
图4中点划线所包围的二个单元可以用微机控制来实现。
驱动单元必须与驱动器直接耦合(防电磁干扰),也可理解成微机控制器的功率接口,这里予以简单介绍。
1.单电压功率驱动图5实用单电压功率驱动接口及单步响应曲线电路如图5所示。
在电机绕组回路中串有电阻Rs,使电机回路双电压功率驱动接口时间常数减小,高频时电机能产生较大的电磁转矩,还能缓解电机的低频共振现象,但它引起附加的损耗。
一般情况下,简单单电压驱动线路中,Rs是不可缺少的。
Rs步进电机单步响应的改善如图5(b)。
2.双电压功率驱动双电压驱动的功率接口如图5所示。
双电压驱动的基本思路是在较低(低频段)用较低的电压UL驱动,而在高速(高频段)时用较高的电压UH驱动。
这种功率接口需要两个控制信号,Uh为高压有效控制信号,U为脉冲调宽驱动控制信号。
图5中,功率管TH和二极管DL构成电源转换电路。
当Uh低电平,TH关断,DL正偏置,低电压UL对绕组供电。
反之Uh高电平,TH导通,DL反偏,高电压UH对绕组供电。
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