步进电机及交流伺服电机原理及应用.pdf

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1、步进电机及驱动器、交流伺服电机及驱动器原理与应用深圳市雷泰控制技术有限公司2007．4．10．-1-一．步进电机及驱动器原理步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化设备中。步进电机和普通电动机不同之处在于它是一种将电脉冲信号转化为角位移的执行机构，它同时完成两个工作：一是传递转矩，二是控制转角位置或速度。1．步进电机工作原理图1.1为两相步进电机的工作原理示意图，它有2个绕组。当一个绕组通电后，其定子磁极产生磁场，将转子吸合到此磁极处。若绕组在控制脉冲的作用下，通电方向顺序按照AA®BB®AA®BB四个状

2、态周而复始进行变化，电机可顺时针转动；通电时序为AA®BB®AA®BB时，电机就逆时针转动。控制脉冲每作用一次，通电方向就变化一次，使电机转动一步，即90度。4个脉冲，电机转动一圈。脉冲频率越高，电机转动越快。步进电机的输出力矩与电机的有效体积、线圈匝数、磁通量、电流成正比，因此，电机有效体积越大，线圈匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。定子AA转子SNNSBBBBSNSNA(a)A(b)AANSSNBBBBSNNSAA(c)(d)图1.1两相步进电机原理图-2-2．步进电机结构图1.2步进电机结构图3．驱动器原理：步

3、进电机必须有驱动器和控制器才能正常工作。驱动器的作用是对控制脉冲进行环形分配、功率放大，使步进电机绕组按一定顺序通电，控制电机转动。Vcc步进电机脉冲信号A环行功率A控制器分配器放大方向信号细分电路BB步进电机驱动器图1.3步进电机控制系统-3-以两相步进电机为例，当给驱动器一个脉冲信号和一个正方向信号时，驱动器经过环形分配器和功率放大后，给电机绕组通电的顺序为AA®BB®AA®BB，其四个状态周而复始进行变化，电机顺时针转动；若方向信号变为负时，通电时序就变为AA®BB®AA®BB，电机就逆时针转动。图1.4步进电机驱动电路原理图分

4、析步进电机驱动电路原理图1.4，当T导通时有：di1U=Ri+L+E1dtR为电路中存在的等效电阻。如果，电机不转动，感应电动势E＝0，则：tU-i=(1-et)1RL时间常数：t=R电机线圈电感越小，电机响应速度越快。T截止时有：di20=i+L+E2dt如果，电机不转动，感应电动势E＝0，则：t-i=iet21-4-图1.5中虚线为电机不转动时电流的响应曲线，实线为电机转动时电流的响应曲线。步进电机输出力矩与线圈中的电流成正比。由于电流有振荡，所以电机转轴位置也有振荡，如图1.6。iAt0tpp3p2pq22iB0pp3p2pq2

5、2图1.5电机线圈电流响应曲线图1.6电机轴转角位置曲线-5-随着电子技术的发展，功率放大电路由单电压电路、高低压电路发展到现在的斩波电路。其基本原理是：在电机绕组回路中，串联一个电流检测回路，当绕组电流降低到某一下限值时，电流检测回路发出信号，控制高压开关管导通，让高压再次作用在绕组上，使绕组电流重新上升；当电流回升到上限值时，高压电源又自动断开。重复上述过程，使绕组电流的平均值增加，电流波形的波顶维持在预定数值上，解决了高低压电路在低频段工作时电流下凹的问题，使电机在低频段力矩增大。步进电机一定时，供给驱动器的电压值对电机性能影响

6、较大，电压越高，步进电机转速越高、力矩越大；在驱动器上一般设有相电流调节开关，相电流设的越大，步进电机转速越高、力矩越大。4．细分控制原理：为了提高步进电机的性能，细分驱动器已经广泛应用。细分驱动器的原理是通过改变A，B相电流的大小，以改变合成磁场的夹角，从而可将一个步距角细分为多步。定子AA转子SSNNBBBNSBSSNNAA(a)(b)AASNNSBNSBBBNSSNAA(c)(d)图1.7步进电机细分原理图-6-仍以二相步进电机为例，当A、B相绕组同时通电时，转子将停在A、B相磁极中间，如图1.7所示。若通电方向顺序按照AA®A

7、A+BB®BB®BB+AA®AA®AA+BB®BB®BB+AA8个状态周而复始进行变化，电机顺时针转动；电机每转动一步，为45度，8个脉冲电机转一周。与图1.1相比，它的步距角小了一半。为了保证电机输出的力矩均匀，A、B相线圈电流的大小也要调整，使A、B相产生的合力在每个位置相同，图1.8所示为4细分时A、B相线圈电流的关系。A、B相线圈电流大小与转角关系如图1.9所示。图1.8A、B线圈电流的大小的分配原理图iA5p3p7p9p5p11pp8488480pp3pp3p13p7p15pq2p84822848iB9p5p11p3p13p

8、7p15p84828482p0pp3pp5p3p7ppq8482848图1.94细分时，A、B线圈电流大小与角度的关系-7-细分数越高，电流越平滑，电机转动就越平稳。驱动器一般都具有细分功能，常见的细分倍数有：1/2，1