步進(jìn)控制

 

一、步進(jìn)電機的工作原理

 

步進(jìn)電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進(jìn)驅動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅動(dòng)步進(jìn)電機按設定的方向轉動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱(chēng)為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數來(lái)控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機轉動(dòng)的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進(jìn)電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒(méi)有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn)，廣泛應用于各種開(kāi)環(huán)控制。

 

二、步進(jìn)電機的分類(lèi)

 

現在比較常用的步進(jìn)電機包括反應式步進(jìn)電機（VR）、永磁式步進(jìn)電機（PM）、混合式步進(jìn)電機（HB）和單相式步進(jìn)電機等。

 

●永磁式步進(jìn)電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度；

 

●反應式步進(jìn)電機一般為三相，可實(shí)現大轉矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。反應式步進(jìn)電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產(chǎn)生轉矩。

 

●混合式步進(jìn)電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。這種步進(jìn)電機的應用最為廣泛。

 

三、步進(jìn)電機系統

 

1. 步進(jìn)電機的靜態(tài)指標術(shù)語(yǔ)

 

a. 相數：產(chǎn)生不同對極N、S磁場(chǎng)的激磁線(xiàn)圈對數。常用m表示。b.拍數：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數或導電狀態(tài)用n表示，或指電機轉過(guò)一 個(gè)齒距角所需脈沖數 。

 

c. 步距角：對應一個(gè)脈沖信號，電機轉子轉過(guò)的角位移用θ表示。

 

d. 定位轉矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉子自身的鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形的諧波以 及機械誤差造成的）。

 

e. 靜轉矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉運動(dòng)時(shí)，電機轉軸的鎖定力矩。

 

2. 步進(jìn)電機動(dòng)態(tài)指標及術(shù)語(yǔ)

 

a. 步距角精度：步進(jìn)電機每轉過(guò)一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。

 

b. 失步：電機運轉時(shí)運轉的步數，不等于理論上的步數。稱(chēng)之為失步。

 

c. 失調角：轉子齒軸線(xiàn)偏移定子齒軸線(xiàn)的角度 。

 

d. 最大空載起動(dòng)頻率：電機在某種驅動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。

 

e. 最大空載的運行頻率：電機在某種驅動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉速頻率。

 

f. 運行矩頻特性：電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線(xiàn)稱(chēng)為運行矩頻特性 。

 

四、步進(jìn)電機選型

 

1. 步距角的選擇：電機的步距角取決于負載精度的要求 。

 

2. 靜力矩的選擇：靜力矩選擇的依據是電機工作的負載 ，一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2-3倍內好 。

 

3. 電流的選擇：由于電流參數不同，其運行特性差別很大，可依據矩頻特性曲線(xiàn)圖，判斷電機的電流。

 

五、步進(jìn)電機的一些特點(diǎn)

 

1. 一般步進(jìn)電機的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。

 

2. 步進(jìn)電機外表允許的最高溫度一般在攝氏130度以上 。

 

3. 步進(jìn)電機的力矩會(huì )隨轉速的升高而下降。

 

4. 步進(jìn)電機低速時(shí)可以正常運轉,但若高于 一定速度就無(wú)法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。

 

5. 步進(jìn)電機應用于低速場(chǎng)合---每分鐘轉速不超過(guò)1000轉。

 

六. 兩種電機之性能比較

 

1. 控制精度不同

 

五相混合式步進(jìn)電機步距角一般為0.72 °、0.36°交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證 ，對于帶標準2500線(xiàn)編碼器的電機而言，其脈沖當量為360°/10000=0.036°，伺服電機精度要比步進(jìn)馬達高。

 

2. 低頻特性不同

 

步進(jìn)電機在低速時(shí)易出現低頻振動(dòng)現象。交流伺服電機運轉非常平穩，即使在低速時(shí)也不會(huì )出現振動(dòng)現象。

 

3. 過(guò)載能力不同

 

步進(jìn)電機一般不具有過(guò)載能力。交流伺服電機具有較強的過(guò)載能力 。

 

4. 運行性能不同

 

步進(jìn)電機的控制為開(kāi)環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過(guò)高或負載過(guò)大易出現丟步或堵轉的現象，停止時(shí)轉速過(guò)高易出現過(guò)沖的現象，交流伺服驅動(dòng)系統為閉環(huán)控制，驅動(dòng)器可直接對電機編碼器反饋信號進(jìn)行采樣，內部構成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì )出現步進(jìn)電機的丟步或過(guò)沖的現象，控制性能更為可靠。

 

5. 速度響應性能不同

 

步進(jìn)電機從靜止加速到工作轉速（一般為每分鐘幾百轉）需要200～400毫秒。交流伺服系統的加速性能較好，以松下MSMA 400W交流伺服電機為例，從靜止加速到其額定轉速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場(chǎng)合

 

6. 矩頻特性不同

 

步進(jìn)電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時(shí)會(huì )急劇下降，交流伺服電機為恒力矩輸出。

 

綜上所述，交流伺服系統在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機。但在一些要求不高的場(chǎng)合也經(jīng)常用步進(jìn)電機來(lái)做執行電動(dòng)機。所以，在控制系統的設計過(guò)程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當的控制電機。

 

 

變頻控制

 

一、通用電機介紹

 

三相鼠籠式交流電機是感應電機中最常見(jiàn)的一種，其構造及特性如下：

 

 

二、變頻器原理與構成

 

變頻器是能夠簡(jiǎn)單、自由地改變交流電機轉速的一種控制裝置。改變交流電機轉速的方法如下。

 

變頻器是通過(guò)改變交流電機電源頻率實(shí)現調速的

 

 

變頻器的構成如下：

 

1. 變流器(整流器)

 

大量使用的是二極管橋整流器，如圖1 所示，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進(jìn)行再生運轉。

 

2. 平波回路

 

在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6 倍頻率的脈動(dòng)電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓變動(dòng)。為了抑制電壓波動(dòng)，采用電感和電容吸收脈動(dòng)電壓(電流)。裝置容量小時(shí)，如果電源和主電路構成器件有余量，可以省去電感，采用簡(jiǎn)單的平波回路。

 

3. 逆變器

 

同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時(shí)間使6 個(gè)開(kāi)關(guān)器件導通、關(guān)斷就可以得到3 相交流輸出。

 

4. 制動(dòng)回路

 

異步電動(dòng)機在再生制動(dòng)區域使用時(shí)(轉差率為負)，再生能量存于平波回路電容器中，使直流電壓升高。一般說(shuō)來(lái)，由機械系統(含電動(dòng)機)慣量積累的能量比電容能儲存的能量大，需要快速制動(dòng)時(shí)，可用可逆變流器向電源反饋或設置制動(dòng)回路(開(kāi)關(guān)和電阻)把再生功率消耗掉，以免直流電路電壓上升。

 

三、變頻器的應用目的及用途

 

變頻器和交流電機構成的可調速傳動(dòng)稱(chēng)為變頻器傳動(dòng)，其功能用途如下。其中可能互為關(guān)連，實(shí)際上無(wú)明確分類(lèi)，此表僅作參考。