步進電動機的控制(1)(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 （ mm） 勵磁繞組相數或代號 反應式步進電動機 BF 電動機外徑 （ mm） 5）步進電動機技術指標實例 90 BYG 2 50 A 機座號 混合式 相數 轉子齒數 派生代號 （外徑） mm 步進電動機 混合式步進電機（兼有永磁式和反應式兩種步進電機的特點）。 轉子 由圓周上均勻分布一定數量小齒的兩段齒片組成，這兩段齒片相互 錯開半個齒距 ，兩塊齒片之間夾有一個軸向充磁的環形永久磁鋼 (如圖 34所示 )。這樣，與 N極磁鋼相連的那段轉子整個呈 N極，另一端與S極磁鋼相連，呈 S極，產生的合成轉矩使轉子轉動。一般為兩相或三相；須供給正負脈沖信號； 輸出轉矩較永磁式大（消耗功率相對較?。?；步距角較永磁式?。ㄒ话銥?）； 斷電時無定位轉矩；啟動和運行頻率較高；是目前發展較快的一種步進電機。 39 步進電動機的振蕩和失步是一種普遍存在的現象，它影響系統的正常運行，因此要盡力避免。 失步 包括 丟步 和 越步 。丟步時指轉子前進的步距數小于脈沖數；越步是指轉子前進的步距數多于脈沖數。丟步嚴重時，轉子將停留在一個位置上或圍繞一個位置振動。 （ a）振蕩 步進電動機的振蕩現象主要發生于： （ 2）步進電動機的振蕩、失步及解決方法 步進電動機工作在低頻區； 步進電動機工作在共振區； 步進電機突然停車時。 ? 當步進電機工作在低頻區時 ，由于勵磁脈沖間隔的時間較長，步進電機表現為單步運行。 當勵磁開始時，轉子在電磁力的作用下加速轉動。在到達平衡點時，電磁驅動轉矩為零，但轉子的轉速最大，由于慣性，轉子沖過平衡點。這時電磁力產生負轉矩，轉子在負轉矩的作用下，轉速逐漸為零，并開始反向轉動。當轉子反轉過平衡點后，電磁力又產生正轉矩，迫使轉子又正向轉動，形成轉子圍繞平衡點的振蕩。由于有機械摩擦和電磁阻尼的作用，這個振蕩表現為衰減振蕩，最終穩定在平衡點。 ? 當步進電機工作在共振區時， 步進電機的 控制脈沖頻率 接近 步進電機的固有頻率 ? (振蕩頻率 )或 固有頻率的分頻或倍頻 ，這會使振蕩加劇，嚴重時造成失步。步進電動機的 固有頻率 ?(振蕩頻率 ) 可由下式求出： 振蕩失步的過程 可描述如下：在第一個脈沖到來后，轉子經歷了一次振蕩。當轉子回擺到最大幅值時，恰好第二個脈沖到來，轉子受到的電磁轉矩為負值，使轉子繼續回擺。接著第三個脈沖到來，轉子受正電磁轉矩的作用回到平衡點。這樣，轉子經過三個脈沖仍然回到原來位置，也就是丟了三步。 J— 轉動慣量； Z— 轉子齒數； Tmax— 最大轉矩。 ? 當步進電機工作在高頻區時 ，由于換相周期短，轉子來不及反沖。同時繞組中的電流尚未上升到穩定值，轉子沒有獲得足夠的能量，所以在這個工作區中不會產生振蕩。減小步距角可以減小振蕩幅值，以達到削弱振蕩的目的。 （ b）失步 步進電動機的失步原因有兩種： ? 第一種是轉子的轉速慢于換相速度 。例如，步進電動機在啟動時，如果 脈沖的頻率較高 ，由于電動機來不及獲得足夠的能量，使其無法令轉子跟上旋轉磁場的速度，所以引起失步。因此步進電動機有一個啟動頻率，超過啟動頻率啟動時，肯定會產生失步。（注意，啟動頻率不是一個固定值，提高電動機的轉矩、減小電動機轉動慣量、減小步距角都可以提高步進電動機的啟動頻率） ? 第二種是轉子的平均速度大于旋轉磁場的速度 。這主要發生在制動和突然換相時，轉子獲得過多的能量，產生嚴重的過沖，引起失步。 消除振蕩是通過增加阻尼的方法來實現的，主要有機械阻尼法和電子阻尼法兩大類。 機械阻尼法比較單一，就是在電動機軸上加阻尼器； 電子阻尼法有多種，主要有：多相勵磁法、變頻變壓法、細分步法、反相阻尼法等。 （ c）阻尼方法 步進電動機的運行特性，不僅與步進電動機本身的特性和負載有關，而且與配套使用的驅動電源（即驅動電路）有著十分密切的關系。 驅動電源按供電方式分類， 有：單電壓供電、雙電壓供電、調頻調壓供電 ；按功率驅動部分所用元件分類，有 大功率晶體管驅動、快速晶閘管驅動、可關斷晶閘管驅動、混合驅動。 圖 37為步進電動機驅動系統原理圖。 三、步進電動機的驅動方法 驅動器： 德國百格拉 WD3007 信號接口： PULSE+ 電機輸入控制脈沖信號； DIR+ 電機轉動方向控制信號； RESET+ 復位信號，用于封鎖輸入信號； READY+ 報警信號； PULSE、 DIR、 RESET和 READY短接公共地； 狀態指示： RDY 燈亮表示驅動器正常工作； TEMP 燈亮表示驅動器超溫； FLT 燈亮表示驅動器故障； 功能選擇： 設置電機相電流； STEP STEP2 設置電機每轉的步數； 設定半流功能 可設置成“脈沖和方向”控制方式； 也可以設置成“正轉和反轉”控制方式； 功率接口： DC+和 DC接制動電容； U、 V、 W 接電機動力線， PE是地； L、 N、 PE 接驅動器電源， 電源電壓是 220VAC輸入時，最大電流是 3A。電源線橫截面 ≥ 平方毫米，盡量短。驅動器的 L端和 N端接供電電源，同時要串接一個 險絲； PE為接地。 PULSE： 脈沖信號輸入端，每一個脈沖的 上升沿 使電機轉動一步。 DIR： 方向信號輸入端，如 “ DIR”為低電平，電機按順時針方向旋轉 ； “ DIR”為高電平電機按逆時針方向旋轉。 CW： 正轉信號，每個脈沖使電機正向轉動一步。 CCW： 反轉信號，每個脈沖使電機反向轉動一步。 RESET： 復位信號，如復位信號為 低電平時 ,輸入脈沖信號起作用 ，如果復位信號為 高電平時就禁止任何有效的脈沖 ， 輸入信號無效 ，電機無保持扭矩。 READY: 輸入報警信號： READY是繼電器開關，當驅動器正常工作時繼電器閉合，當驅動器工作異常時繼電器斷開。繼電器允許最高輸入電壓和電流是： 35VDC， 10mA≤I≤200mA，電阻性負載。如用該繼電器，要把他串聯到 CNC的某輸入端。當驅動器正常工作時繼電器閉合，外部24VDC通過繼電器輸入到 CNC輸入端，否則外部 24VDC無法輸入到 CNC輸入端。 注意： PULSE＋與 CW＋， PULSE－與 CW－， DIR＋與 CCW＋， DIR－與 CCW－對應同一個接口，按控制方式不同給出兩種定義名稱；可以用兩相脈沖輸出（ CW/CCW）方式進行控制，也可以用（ PULSE+DIR）方式控制。 脈沖、方向信號時序圖 上位機的控制信號可以高電平有效，也可以低電平有效。 高有效時，把所有控制信號的負端連在一起作為信號地， 低有效時，把所有控制信號的正端連在一起作為信號公共端。 ：設置輸出相電流 位置 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F 電流 STEP STEP2：設置電機每轉步數 驅動器 WD3007可將電機的步數分別設置為 500、 1000、 5000、10000步。用戶可以通過驅動器正面板上的兩個撥碼開關 STEP STEP2設置電機的步數如下表： STEP1狀態 OFF ON OFF ON STEP2狀態 OFF OFF ON ON 步數 /轉 500 1000 5000 10000 ：設定半流功能 半流功能是指電機 帶電靜止 100ms后 ，驅動器 輸出電流降為額定輸出電流的 60%，用來防止電機發熱。當撥碼開關 為“ OFF”時，有半流功能；當設置成“ ON”時，無半流功能。 ：控制方式選擇 撥碼開關（ ）可設置成兩種控制方式： 當設置成“ OFF”時，為“脈沖和方向”控制方式； 當設置成“ ON”時，為“正轉和反轉”控制方式。 “ ” 為控制方式選擇開關 控制方式 高電平有效接線 低電平有效接線 ON 正轉和反轉 （雙脈沖方式） CW+接正轉信號 CCW+接反轉信號 CW與 CCW短接為信號地 CW接正轉信號 CCW接反轉信號 CW+與 CCW+短接為公共端 OFF 脈沖和方向 （單脈沖方式） PULSE+接脈沖信號 DIR+接方向信號 PULSE與 DIR短接為信號地 PULSE接脈沖信號 DIR接方向信號 PULSE+與 DIR+短接為公共端 ? 第一、按預定的工作方式分配各個繞組的通電脈沖； ? 第二、控制步進電機的速度，使它始