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1、第七讲传感器与计算机接口第1页，共117页，编辑于2022年，星期二控制器(IPC/PLC/MCU等)输入接口输出接口驱动执行机构(电机、电磁阀等)被控对象(各种机械参数)传感检测装置(各类传感器等)反馈量被控量设定值机电一体化系统的组成机电一体化系统的组成机电一体化系统的组成 第2页，共117页，编辑于2022年，星期二第七讲第七讲 驱动元件及控制驱动元件及控制概述概述步进电机及其驱动步进电机及其驱动直流电机及其控制直流电机及其控制交流电机及其控制交流电机及其控制液压、气动驱动元件及其控制液压、气动驱动元件及其控制第3页，共117页，编辑于2022年，星期二第七讲第七讲 驱动元件及控制驱动元
2、件及控制概述概述驱动元件的作用驱动元件的作用 驱动元件的分类驱动元件的分类常见电机的分类常见电机的分类步进电机及其驱动步进电机及其驱动直流电机及其控制直流电机及其控制交流电机及其控制交流电机及其控制液压、气动驱动元件及其控制液压、气动驱动元件及其控制第4页，共117页，编辑于2022年，星期二驱动元件在机电一体化系统中的作用驱动元件在机电一体化系统中的作用在机电一体化系统中在机电一体化系统中机械装置机械装置控制对象控制对象计算机或其他智能单元计算机或其他智能单元控制器控制器受控物理量受控物理量机械位移、速度、加速度、力、力矩等参数机械位移、速度、加速度、力、力矩等参数控制器控制器控制命令控制命
3、令(弱电弱电)变换和放大变换和放大(驱动元件驱动元件)改变机械参量改变机械参量机械装置机械装置(得到调整得到调整)(伺服伺服)驱动元件是介于控制器与机械装置之间的一种能量与信息驱动元件是介于控制器与机械装置之间的一种能量与信息转换装置转换装置机电一体化中的驱动元件机电一体化中的驱动元件一般都是一般都是伺服装置伺服装置，用于控制的驱动元件，区别于单纯用于动力输，用于控制的驱动元件，区别于单纯用于动力输出的驱动元件。所以，在选择和使用驱动元件时，除了保证带动出的驱动元件。所以，在选择和使用驱动元件时，除了保证带动负载之外，还应考虑其伺服性（即控制性能）。负载之外，还应考虑其伺服性（即控制性能）。第
4、5页，共117页，编辑于2022年，星期二驱动元件在机电一体化系统中的作用驱动元件在机电一体化系统中的作用驱动执行驱动执行第6页，共117页，编辑于2022年，星期二第七讲第七讲 驱动元件及控制驱动元件及控制概述概述驱动元件的作用驱动元件的作用 驱动元件的分类驱动元件的分类常见电机的分类常见电机的分类步进电机及其驱动步进电机及其驱动直流电机及其控制直流电机及其控制交流电机及其控制交流电机及其控制液压、气动驱动元件及其控制液压、气动驱动元件及其控制第7页，共117页，编辑于2022年，星期二类型类型特点特点举例举例电动式电动式使用工业电源、动力较大、控制性能好使用工业电源、动力较大、控制性能好各
5、种直流伺服电机、交流伺服电各种直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机、电磁铁等机、步进电机、电磁铁等液压式液压式输出功率大，速度快而平稳、控制性能好、输出功率大，速度快而平稳、控制性能好、但易泄露但易泄露液压缸、液压马达液压缸、液压马达气动式气动式气源方便、便宜，速度快，但功率小、噪气源方便、便宜，速度快，但功率小、噪音大且难以控制音大且难以控制气缸、气马达气缸、气马达直线运动直线运动电液式电液式驱动元件的分类驱动元件的分类按运动方式按运动方式旋转运动旋转运动电动式电动式按按使用能源使用能源液压式液压式气动式气动式第8页，共117页，编辑于2022年，星期二第七讲第七讲 驱动元件及控制驱动元件及
6、控制概述概述驱动元件的作用驱动元件的作用 驱动元件的分类驱动元件的分类常见电机的分类常见电机的分类步进电机及其驱动步进电机及其驱动直流电机及其控制直流电机及其控制交流电机及其控制交流电机及其控制液压、气动驱动元件及其控制液压、气动驱动元件及其控制第9页，共117页，编辑于2022年，星期二功率放大器功率驱动接口常见电机的分类常见电机的分类常用电机主要分两类：常用电机主要分两类：驱动电机：驱动电机：驱动单元，主要是指普通的交、直流驱动单元，主要是指普通的交、直流电机。电机。(电力拖动电力拖动)控制电机：控制电机：特种电机，常见的有步进电机、伺服特种电机，常见的有步进电机、伺服电机、测速发电机等，
7、主要任务是转换和传递控电机、测速发电机等，主要任务是转换和传递控制信号，能量的传递是次要的。制信号，能量的传递是次要的。(机电控制机电控制)控制电机利用控制电机利用电压、电流、频率（包括指令脉电压、电流、频率（包括指令脉冲）冲）等控制方式，实现速度、力矩的调节、启、等控制方式，实现速度、力矩的调节、启、停和其他复杂的驱动。停和其他复杂的驱动。控制器控制器控制命令控制命令(弱电弱电)变换和放大变换和放大(驱动元驱动元件件)机械运动机械运动第10页，共117页，编辑于2022年，星期二第七讲第七讲 驱动元件及控制驱动元件及控制概述概述步进电机及其驱动步进电机及其驱动类型和工作原理类型和工作原理通电
8、方式和步距角通电方式和步距角主要性能指标主要性能指标功率驱动接口功率驱动接口其他控制其他控制直流电机及其控制直流电机及其控制交流电机及其控制交流电机及其控制液压、气动驱动元件及其控制液压、气动驱动元件及其控制第11页，共117页，编辑于2022年，星期二步进电机的类型和工作原理步进电机的类型和工作原理步进电机步进电机（StepMotor）：）：OnePulseOneStep步步进进电电机机（电电脉脉冲冲马马达达），是是一一种种将将电电脉脉冲冲信信号号转转换换成成机机械械角角位位移的控制电机，其实质是一种移的控制电机，其实质是一种数模转换器数模转换器(D/A)。转动角度转动角度由脉冲数决定，由脉
9、冲数决定，运动方向运动方向由脉冲相序决定，由脉冲相序决定，转动速度转动速度由脉冲频率决定。由脉冲频率决定。步步进进电电机机与与现现代代的的数数字字控控制制技技术术相相结结合合，构构建建数数字字运运动动控控制制系系统统。不不过过步步进进电电机机在在控控制制的的精精度度、速速度度变变化化范范围围、低低速速性性能能方方面面都都不不如如传传统统的的闭闭环控制的伺服电机环控制的伺服电机。特点特点：其结构简单、可靠性高和成本低：其结构简单、可靠性高和成本低应用应用：精度不是需要特别高的场合：精度不是需要特别高的场合第12页，共117页，编辑于2022年，星期二步进电机的类型和工作原理步进电机的类型和工作原
10、理根据结构不同根据结构不同反应式反应式（VR，Variable reluctance）永磁式永磁式（PM，Permanent magnet）混合式混合式（HB，Hybrid）按相数（定子绕组数）不同按相数（定子绕组数）不同单相单相两相两相多相多相第13页，共117页，编辑于2022年，星期二步进电机的类型和工作原理步进电机的类型和工作原理1结构（结构（三相反应式三相反应式）定子定子：定子铁芯上嵌有绕组线圈，通电后产生定子铁芯上嵌有绕组线圈，通电后产生电磁力电磁力转子转子：转上无绕组线圈，仅当作导磁体使用，在定子产生的电转上无绕组线圈，仅当作导磁体使用，在定子产生的电磁力的作用下，转动到磁力的作
11、用下，转动到定子和转子之间磁阻最小的位置定子和转子之间磁阻最小的位置反应式步进电机的结构示意图反应式步进电机的结构示意图定子定子转子转子第14页，共117页，编辑于2022年，星期二步进电机的类型和工作原理步进电机的类型和工作原理2工作原理工作原理利利用用定定子子绕绕组组产产生生的的反反应应电电磁磁力力吸吸引引转转子子作作步步进进运运动动，故故称称为为反反应应式步进电机式步进电机。单三拍工作方式：单三拍工作方式：ABCABC转子总是力图转到磁阻最小的位置，转子总是力图转到磁阻最小的位置，每一拍转过每一拍转过30（a）A相通电相通电（b）B相通电相通电（c）C相通电相通电三相单三拍第15页，共1
12、17页，编辑于2022年，星期二步进电机的类型和工作原理步进电机的类型和工作原理六拍工作方式：六拍工作方式：AABBBCCCAAABBBCCCA每一拍转过了每一拍转过了15（a）A相通电相通电（b）AB相通电相通电（c）B相通电相通电（d）BC相通电相通电双三拍工作方式：双三拍工作方式：ABBCCAABBCCA三相双相拍第16页，共117页，编辑于2022年，星期二第七讲第七讲 驱动元件及控制驱动元件及控制概述概述步进电机及其驱动步进电机及其驱动类型和工作原理类型和工作原理通电方式和步距角通电方式和步距角主要性能指标主要性能指标功率驱动接口功率驱动接口其他控制其他控制直流电机及其控制直流电机及
13、其控制交流电机及其控制交流电机及其控制液压、气动驱动元件及其控制液压、气动驱动元件及其控制第17页，共117页，编辑于2022年，星期二步进电机通电方式和步距角步进电机通电方式和步距角1通电方式通电方式：如果每拍中只有一相绕组通电，其余断电，称如果每拍中只有一相绕组通电，其余断电，称单相通电方式单相通电方式如果每拍中都有两相绕组通电，另一相断电，称如果每拍中都有两相绕组通电，另一相断电，称双相通电方式双相通电方式如果每拍中交替出现单、双相通电，称如果每拍中交替出现单、双相通电，称单双相轮流通电方式单双相轮流通电方式根据绕组数（相数）和每个通电循环需要的拍数：根据绕组数（相数）和每个通电循环需要
14、的拍数：三相单三拍：三相单三拍：ABCABC三相双三拍：三相双三拍：ABBCCAABBCCA三相六拍：三相六拍：AABBBCCCAAABBBCCCA第18页，共117页，编辑于2022年，星期二步进电机通电方式和步距角步进电机通电方式和步距角2齿距角齿距角：转子相邻两齿之间的角度：转子相邻两齿之间的角度式中：式中：Z是转子齿数是转子齿数例例如如：Z=4时时，。一一般般步步进进电电机机的的转转子子齿齿数数有有好好几几十十个个，所所以以齿齿距距角角也也只只有有几几度度（例如：（例如：Z=40时，时，）。）。第19页，共117页，编辑于2022年，星期二步进电机通电方式和步距角步进电机通电方式和步距
15、角3步距角步距角：转子每拍转过的角度。：转子每拍转过的角度。式中：式中：Z是转子齿数；是转子齿数；m：定子绕组（相）数；：定子绕组（相）数；K：通电方式系数（单相、双相通电方式，：通电方式系数（单相、双相通电方式，K=1；单双相轮流通电方式，；单双相轮流通电方式，K=2）第20页，共117页，编辑于2022年，星期二步进电机通电方式和步距角步进电机通电方式和步距角例如：例如：Z=50三相单三拍：三相单三拍：三相双三拍：三相双三拍：三相六拍：三相六拍：单相、双相的异同：单相、双相的异同：步距角相同；步距角相同；单单相相方方式式在在换换相相时时容容易易失失步步，定定位位精度不高（一般不采用这种方式
16、）；精度不高（一般不采用这种方式）；双双相相方方式式每每次次都都有有两两相相通通电电，不不容容易失步且转子转矩大、定位精度高。易失步且转子转矩大、定位精度高。齿距角与步骤距角的关系：齿距角与步骤距角的关系：每一个通电循环完成一个齿距角：每一个通电循环完成一个齿距角：例如：三相六拍，在例如：三相六拍，在Z=40时，时，第21页，共117页，编辑于2022年，星期二第七讲第七讲 驱动元件及控制驱动元件及控制概述概述步进电机及其驱动步进电机及其驱动类型和工作原理类型和工作原理通电方式和步距角通电方式和步距角主要性能指标主要性能指标功率驱动接口功率驱动接口其他控制其他控制直流电机及其控制直流电机及其控
17、制交流电机及其控制交流电机及其控制液压、气动驱动元件及其控制液压、气动驱动元件及其控制第22页，共117页，编辑于2022年，星期二步进电机的主要性能指标步进电机的主要性能指标1步步距距误误差差：理理论论步步距距角角和和实实际际步步距距角角之之差差，反反映映了了步步进进电电机机角角位位移移精度，一般在精度，一般在10左右，左右，步距误差不累积步距误差不累积。2最最大大静静转转矩矩：是是指指步步进进电电机机的的某某相相通通电电不不断断且且处处于于静静止止状状态态时时，所所能能承承受受的的最最大大外外加加转转矩矩，即即步步进进电电机机所所能能输输出出的的最最大大电电磁磁转转矩矩。它它反映了步进电机
18、的制动能力的低速步进运行时的带负载能力反映了步进电机的制动能力的低速步进运行时的带负载能力。第23页，共117页，编辑于2022年，星期二步进电机的主要性能指标步进电机的主要性能指标3启动频率、启动矩频特性、启动惯频特性启动频率、启动矩频特性、启动惯频特性启启动动频频率率：是是指指步步进进电电机机在在有有负负载载转转矩矩时时，不不失失步步的的正正常常启启动动所所能能接受的最大阶跃输入脉冲频率。接受的最大阶跃输入脉冲频率。启动矩频特性启动矩频特性：启动频率和负载转矩之间的关系。：启动频率和负载转矩之间的关系。启动惯频特性启动惯频特性：是指步进电机带纯惯性负载启动时，启动频率和：是指步进电机带纯惯
19、性负载启动时，启动频率和转动惯量之间的关系。转动惯量之间的关系。TffJ启动矩频特性启动矩频特性启动惯频特性启动惯频特性从左图可以看出：从左图可以看出：启启动动频频率率随随着着负负载载转转矩矩的的增增大大而而减减小小，在在实实际际应应用用中中，工工作作点点应应选选在在该该曲曲线线以以下下以以保保证证不不失失步步或或先先低低频频启启动动再再转转到到高高频频运运行；行；负载惯量越大，启动频率就越低。负载惯量越大，启动频率就越低。第24页，共117页，编辑于2022年，星期二步进电机的主要性能指标步进电机的主要性能指标4连续运行时最高工作频率和运行时矩频特性连续运行时最高工作频率和运行时矩频特性运运
20、行行时时矩矩频频特特性性：步步进进电电机机运运行行时时，输输出出转转矩矩和和输输入入脉脉冲冲频频率率之之间间的的关关系。系。运运行行时时最最高高工工作作频频率率：连连续续运运行行时时所所能能接接受受的的最最高高输输入入脉脉冲冲频频率率，运行时最高工作频率要远大于启动频率运行时最高工作频率要远大于启动频率。Tf由左图可知：由左图可知：在连续运行时，输出转矩随运行频率的增加而减在连续运行时，输出转矩随运行频率的增加而减小，即速度越高，带负载能力越差。选用步进电机进小，即速度越高，带负载能力越差。选用步进电机进就保证实际工作点位于该曲线以下。就保证实际工作点位于该曲线以下。运行时矩频特性运行时矩频特
21、性第25页，共117页，编辑于2022年，星期二步进电机的主要性能指标步进电机的主要性能指标5步进运行和低频振荡步进运行和低频振荡步步进进运运行行：当当输输入入脉脉冲冲的的频频率率很很低低时时，脉脉冲冲周周期期大大于于步步进进电电机机的的过过渡渡过过程程时间，步进电机就会处于一步一停的运行状态，称为步进运行。时间，步进电机就会处于一步一停的运行状态，称为步进运行。低低频频振振荡荡：当当步步进进运运行行频频率率或或低低速速运运行行频频率率与与步步进进电电机机的的固固有有频频率率相相等等或或相相近近时时，就就会会产产生生共共振振现现象象，此此时时，电电机机只只振振荡荡不不前前进进，这种现象称为低频
22、振荡。这种现象称为低频振荡。为避免低频振荡，工作频率应尽量避开固有频率附近的共振区或为避免低频振荡，工作频率应尽量避开固有频率附近的共振区或调节步进电机上的阻尼器来改变固有频率。调节步进电机上的阻尼器来改变固有频率。第26页，共117页，编辑于2022年，星期二步进电机型号说明第27页，共117页，编辑于2022年，星期二电机型号电机型号 相数相数 相电流相电流步距角步距角保持转矩保持转矩空载起空载起动频率动频率空载运空载运行频率行频率转动惯量转动惯量重量重量A度度 N.mKPPSKPPSKg.cm2Kg42BYG250FA 21.33 0.9/1.80.222200.0350.2242BYG
23、250FB21.680.9/1.80.362200.0540.2842BYG250FC21.680.9/1.80.442200.0680.35第28页，共117页，编辑于2022年，星期二电机型号电机型号 相数相数 相电流相电流电阻电阻电感电感步距角步距角保持保持转矩转矩定位定位转矩转矩转动惯量转动惯量重量重量AmH度度 N.mN.mKg.cm2Kg86BYG250A 2/43.60.232.50.9/1.81.20.080.641.686BYG250B2/440.656.90.9/1.82.40.151.32.686BYG250C2/4417.40.9/1.83.60.251.93.8第29
24、页，共117页，编辑于2022年，星期二电机型号电机型号 相数相数 相电流相电流电阻电阻电感电感步距角步距角保持保持转矩转矩定位定位转矩转矩转动惯量转动惯量重量重量AmH度度 N.mN.mKg.cm2Kg110BYG550A 550.47120.36/0.7212.50.48.49.5110BYG550B550.73150.36/0.72180.512.612110BYG550C551.3200.36/0.72220.616.813.5第30页，共117页，编辑于2022年，星期二第七讲第七讲 驱动元件及控制驱动元件及控制概述概述步进电机及其驱动步进电机及其驱动类型和工作原理类型和工作原理通电
25、方式和步距角通电方式和步距角主要性能指标主要性能指标功率驱动接口功率驱动接口其他控制其他控制直流电机及其控制直流电机及其控制交流电机及其控制交流电机及其控制液压、气动驱动元件及其控制液压、气动驱动元件及其控制第31页，共117页，编辑于2022年，星期二步进电机的功率驱动接口步进电机的功率驱动接口脉冲脉冲发生器发生器脉冲脉冲分配器分配器脉冲脉冲放大器放大器步进步进电机电机指令指令工作机构工作机构脉冲发生器脉冲发生器产生脉冲序列信号（频率由几赫到几十千赫可变）。通过控制输入脉冲的产生脉冲序列信号（频率由几赫到几十千赫可变）。通过控制输入脉冲的数量和频率，即可控制电机的角位移和转速。数量和频率，即
26、可控制电机的角位移和转速。脉冲分配器脉冲分配器将序列脉冲按一定的逻辑关系加在脉冲放大器上，使步进电机按确定的运行方式工作。将序列脉冲按一定的逻辑关系加在脉冲放大器上，使步进电机按确定的运行方式工作。脉冲放大器脉冲放大器（功率放大器）（功率放大器）脉冲分配器输出端的电流很小，如脉冲分配器输出端的电流很小，如CH250脉冲分配器的输出电流大约为脉冲分配器的输出电流大约为200-400A，而步进电机的驱动电流较大，如，而步进电机的驱动电流较大，如75BF001型步进电机每相静态电流型步进电机每相静态电流为为3A，为了满足驱动要求，脉冲分配器输出的脉冲需经脉冲放大器（即功率放大器），为了满足驱动要求，
27、脉冲分配器输出的脉冲需经脉冲放大器（即功率放大器）后才能驱动步进电机。后才能驱动步进电机。决定转速与转角决定工作方式功率放大第32页，共117页，编辑于2022年，星期二脉冲分配器之脉冲分配器之1专用环形分配器专用环形分配器三相六拍脉冲分配器三相六拍脉冲分配器C1C2C3正正转转控制位控制位反反转转控制位控制位脉冲输入脉冲输入复位复位A相相B相相C相相C1、C2、C3为为J、K双稳触发器：双稳触发器：与非门：全与非门：全1为为0正转：正转控制位正转：正转控制位=1，反转控制位，反转控制位=0反转：正转控制位反转：正转控制位=0，反转控制位，反转控制位=1起始状态：起始状态：C=1，A=0，B=
28、0，正转，正转分配前：分配前：分配后：分配后：通电顺序：通电顺序：CCAAABBBCA相相B相相C相相JKQn+100Qn01010111Qn+1第33页，共117页，编辑于2022年，星期二脉冲分配器之脉冲分配器之2专用集成芯片专用集成芯片J3r、J3L：三相双三拍正反转控制；：三相双三拍正反转控制；J6r、J6L：三相六拍正反转控制；：三相六拍正反转控制；R1：双三拍的复位端，工作时，先使：双三拍的复位端，工作时，先使R1接入高电平，处于六拍工作方式，再转到接入高电平，处于六拍工作方式，再转到R1=0；R2：六拍的复位端，工作时，先使：六拍的复位端，工作时，先使R2接入高电平，处于双三拍工
29、作方式，再转到接入高电平，处于双三拍工作方式，再转到R2=0；CL：是时钟脉冲输入端；：是时钟脉冲输入端；EN：时时钟钟脉脉冲冲允允许许端端。当当脉脉冲冲CP由由CL端端输输入入，只只有有EN端端为为高高电电平平时时，时时钟钟脉脉冲冲的的上上升升沿沿才才起起作作用用。CH250也也允允许许以以EN端作脉冲端作脉冲CP的输入端，此时，只有的输入端，此时，只有CL为低电平时，时钟脉冲的下降沿才起作用。为低电平时，时钟脉冲的下降沿才起作用。A0、B0、C0：环形分配器的三个输出端，经过脉冲放大器（功率放大器）后分别接到步进电机的三相线上。：环形分配器的三个输出端，经过脉冲放大器（功率放大器）后分别接
30、到步进电机的三相线上。ABC复位复位正转正转反转反转VDD运行运行VDDVDDJ3r178109141512111213CH250J3LJ6rJ6LCLENR2R1CH250三相双三拍接法三相双三拍接法复位复位运行运行VDD正转正转反转反转VDDJ3r178109141512111213ABCCH250J3LJ6rJ6LCLENR2R1CH250三相六拍接法三相六拍接法第34页，共117页，编辑于2022年，星期二脉冲分配器之脉冲分配器之2专用集成芯片专用集成芯片第35页，共117页，编辑于2022年，星期二脉冲分配器之脉冲分配器之3软件分配器软件分配器基基本本原原理理：脉脉冲冲分分配配数数据
31、据表表查查表表获获取取相相应应控控制制数数据据输输出出到到步步进进电电机机驱驱动动电路电路。用途用途：用于步进电机的：用于步进电机的计算机控制计算机控制例如：用例如：用8031单片机对数控单片机对数控X-Y工作台的两台四相步进电机进行控制。工作台的两台四相步进电机进行控制。单片机与步进电机的接口电路单片机与步进电机的接口电路8031+5V+15VP1.0P1.7ABCDABCDX向电机向电机Y向电机向电机1.实现信号传递实现信号传递2.电平转换：电平转换：+5V+15V3.反相：反相：P1.0=0XA=1第36页，共117页，编辑于2022年，星期二脉冲分配器脉冲分配器3软件分配器软件分配器序
32、号Y向X向通电相控制数据转向P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0111101110A0XEE反正211001100AB0XCC311011101B0XDD410011001BC0X99510111011C0XBB600110011CD0X33701110111D0X77801100110DA0X66例如：从例如：从8031的的P1口输出数据：口输出数据：0 xEE，X、Y的的A相通电相通电0 xEC，Y的的A相通电，相通电，X的的AB相通电相通电脉冲分配数据表脉冲分配数据表第37页，共117页，编辑于2022年，星期二脉冲放大器（功率放大器）脉冲放大器（功率放大器）
33、功率放大器功率放大器电压型电压型电流型电流型单电压型单电压型双电压型双电压型恒流驱动恒流驱动斩波驱动斩波驱动第38页，共117页，编辑于2022年，星期二单电压型功率放大器单电压型功率放大器单单电电压压驱驱动动电电路路简简单单，但但绕绕组组上上的的串串联联电电阻阻R始始终终要要消消耗耗能能量量，不不经经济济，此此外外，由由于于绕绕组组L电电感感较较大大，对对脉脉冲冲电电流流的的反反应应较较慢慢（），所所以以这这种种放放大大器器只只适适合合于于对对速速度度要要求求不不高高的的小小型步进电机型步进电机。+27V1505.1k1kRLD3DD153DK4当输入端当输入端无脉冲电压无脉冲电压时，中功率
34、管时，中功率管3DK4和大功率管和大功率管3DD15均处于截止状态，步进电均处于截止状态，步进电机绕组机绕组L上不通电，上不通电，电机停转电机停转；当输入端当输入端有脉冲电压有脉冲电压时，中功率管时，中功率管3DK4和大和大功率管功率管3DD15均处于导通状态，步进电机绕组均处于导通状态，步进电机绕组L上得到上得到27V电压，电压，电机转动电机转动。其中，续流二极管。其中，续流二极管D在绕组在绕组L断电时，释放反电动势，保护电机断电时，释放反电动势，保护电机线圈；电阻线圈；电阻R是限流电阻，限制通过绕组是限流电阻，限制通过绕组L的电的电流不超过额定值，以免电机过热被破坏。流不超过额定值，以免电
35、机过热被破坏。第39页，共117页，编辑于2022年，星期二双电压型功率放大器双电压型功率放大器1001kT2T1200T4D420D3T3D1D5+12V+80VLR1818D20.01uFTI高压供电是用来高压供电是用来加速电流的增长速度加速电流的增长速度，而低压是用来，而低压是用来维持稳定的电流值维持稳定的电流值。低压电源中串联一个数值。低压电源中串联一个数值较小的电阻，其目的是为了调节控制绕组的电流，使各相电流平衡。双压方式大大加快了电流的增长速度，同时，较小的电阻，其目的是为了调节控制绕组的电流，使各相电流平衡。双压方式大大加快了电流的增长速度，同时，串联的电阻串联的电阻R很小，很小
36、，消耗能量消耗能量也很小。也很小。当输入端当输入端无脉冲电压无脉冲电压时，时，T1、T2、T3、T4均截止，电机绕组均截止，电机绕组L中无电流，中无电流，电机停转电机停转；当输入端当输入端有脉冲电压有脉冲电压时，时，T1、T2、T4均均饱和导通，在饱和导通，在T2由截止到饱和期间，其集电极电由截止到饱和期间，其集电极电流急剧增加，脉冲变压器流急剧增加，脉冲变压器TI的另一边感应出一的另一边感应出一个电压，使个电压，使T3导通，导通，80V的高压加到绕组的高压加到绕组L上（此时，上（此时，D1反向偏置，处于截止状态），反向偏置，处于截止状态），绕组电流迅速增加，当绕组电流迅速增加，当T2饱和后，
37、电流变化饱和后，电流变化率为率为0，在脉冲变压器，在脉冲变压器TI的另一边无感应电压，的另一边无感应电压，T3截止，工作电流经截止，工作电流经12V低压电源、二极管低压电源、二极管D1、绕组绕组L、串联、串联R、18电阻、电容形成回路给绕组电阻、电容形成回路给绕组L供电，供电，电机转动电机转动。断电时，绕组。断电时，绕组L经续流二极管经续流二极管D2形成放电回路。形成放电回路。第40页，共117页，编辑于2022年，星期二步进电机驱动器步进电机驱动器WZM-2H090MS驱动器用于驱动二相混合式步进电机，该驱动器采用高频斩波，恒流驱动，能带动5A以下的85BYG、86BYG电机二相混合式步进电
38、机。第41页，共117页，编辑于2022年，星期二技术特征驱动电流可调：最大相电流为5A，16档可调；无指令时可选择电流半流；细分可调：400，800，1000，1600，2000，3000，3600，4000，5000，6000，6400，7200，8000，10000，20000，40000；16档；驱动方法：正弦波恒流斩波驱动步进电机驱动器步进电机驱动器第42页，共117页，编辑于2022年，星期二步进电机驱动器步进电机驱动器相电流设定相电流设定(OFF位有效位有效)7位位2.6AOFF2.6+0+0+0.4=3.0A8位位1.3AON9位位0.7AON10位位0.4AOFF第43页，共
39、117页，编辑于2022年，星期二步进电机驱动器步进电机驱动器细分设定细分设定1234位位每转步数每转步数步距角步距角1234位位每转步数每转步数步距角步距角00004000.9100050000.07200018000.45100160000.006001010000.36101064000.05625001116000.225101172000.005010020000.18110080000.045010130000.121101100000.036011036000.11110200000.018011140000.091111400000.009第44页，共117页，编辑于2022年
40、，星期二PLC+步进驱动器+步进电机第45页，共117页，编辑于2022年，星期二第七讲第七讲 驱动元件及控制驱动元件及控制概述概述步进电机及其驱动步进电机及其驱动类型和工作原理类型和工作原理通电方式和步距角通电方式和步距角主要性能指标主要性能指标功率驱动接口功率驱动接口其他控制其他控制直流电机及其控制直流电机及其控制交流电机及其控制交流电机及其控制液压、气动驱动元件及其控制液压、气动驱动元件及其控制第46页，共117页，编辑于2022年，星期二细分驱动细分驱动细分驱动的优点细分驱动的优点避免了低频工作时的共振点避免了低频工作时的共振点。采用细分电路后，改善了电器特性，消除了共。采用细分电路后
41、，改善了电器特性，消除了共振点，电机在低频段运行平稳。振点，电机在低频段运行平稳。低频、低转速工作稳定，转矩增大，噪声降低低频、低转速工作稳定，转矩增大，噪声降低。采用细分电路，在低速工作时电机的加。采用细分电路，在低速工作时电机的加速力矩明显减小，工作力矩速力矩明显减小，工作力矩=输出最大力矩输出最大力矩-加速力矩，由于加速力矩的减小，使工加速力矩，由于加速力矩的减小，使工作力矩增加，细分后电机变得有劲，带负载能力提高，尤其在启动和低速状态。由作力矩增加，细分后电机变得有劲，带负载能力提高，尤其在启动和低速状态。由于加速度的减小，步进电机低速运行噪声也大大减小，改善了工作环境。于加速度的减小
42、，步进电机低速运行噪声也大大减小，改善了工作环境。减小步距角减小步距角，提高了分辨率和步距精度。，提高了分辨率和步距精度。细分驱动的实现细分驱动的实现采用多路开关功率元件采用多路开关功率元件用微机实现细分驱动用微机实现细分驱动第47页，共117页，编辑于2022年，星期二升降速控制升降速控制运行运行减速减速升速升速tf升降速控制的优点升降速控制的优点启动与停止时运行平稳启动与停止时运行平稳。不会丢失脉冲不会丢失脉冲，提高了定位精度。，提高了定位精度。升降速控制的种类升降速控制的种类直线加直线加/减速减速曲线加曲线加/减速减速第48页，共117页，编辑于2022年，星期二综合举例综合举例例例：用
43、用四四相相步步进进电电机机驱驱动动滚滚珠珠丝丝杠杠以以带带动动滑滑台台作作往往运运动动。滚滚珠珠丝丝杠杠的的螺螺距距p=1cm，步步进进电电机机的的转转子子齿齿数数z=50，工工作作在在双双四四拍拍方方式式，问问滚滚珠珠丝丝杠杠在在一一个个节节拍拍内内移移动动的的距距离离为为多多少少mm？如如果果通通过过细细分分使使步步进进电电机机的的细细分分数数达达到到2000，当当输输入入脉脉冲冲的的频频率率f=1500Hz时时，滑滑台台的的移移动动速速度为多少度为多少mm/s？解：解：第49页，共117页，编辑于2022年，星期二杭州日恒科技有限公司http:/www.sunrise- 驱动元件及控制驱
44、动元件及控制概述概述步进电机及其驱动步进电机及其驱动直流电机及其控制直流电机及其控制普通直流电机普通直流电机直流伺服电机直流伺服电机交流电机及其控制交流电机及其控制液压、气动驱动元件及其控制液压、气动驱动元件及其控制第51页，共117页，编辑于2022年，星期二第七讲第七讲 驱动元件及控制驱动元件及控制概述概述步进电机及其驱动步进电机及其驱动直流电机及其控制直流电机及其控制普通直流电机普通直流电机结构与工作原理结构与工作原理分类分类电磁特性电磁特性调速方式调速方式直流伺服电机直流伺服电机交流电机及其控制交流电机及其控制液压、气动驱动元件及其控制液压、气动驱动元件及其控制第52页，共117页，编
45、辑于2022年，星期二直流电机的结构及工作原理直流电机的结构及工作原理由由磁极（定子）磁极（定子）、电枢（转子）电枢（转子）、换向器（整流子）换向器（整流子）三部分组成：三部分组成：直流电机的结构直流电机的结构直流电机的工作原理直流电机的工作原理动画演示1动画演示2第53页，共117页，编辑于2022年，星期二第七讲第七讲 驱动元件及控制驱动元件及控制概述概述步进电机及其驱动步进电机及其驱动直流电机及其控制直流电机及其控制普通直流电机普通直流电机结构与工作原理结构与工作原理分类分类电磁特性电磁特性调速方式调速方式直流伺服电机直流伺服电机交流电机及其控制交流电机及其控制液压、气动驱动元件及其控制
46、液压、气动驱动元件及其控制第54页，共117页，编辑于2022年，星期二直流电机的分类直流电机的分类永磁式永磁式根据磁场产生方式根据磁场产生方式电磁式电磁式他励式他励式并励式并励式串励式串励式复励式复励式第55页，共117页，编辑于2022年，星期二第七讲第七讲 驱动元件及控制驱动元件及控制概述概述步进电机及其驱动步进电机及其驱动直流电机及其控制直流电机及其控制普通直流电机普通直流电机结构与工作原理结构与工作原理分类分类电磁特性电磁特性调速方式调速方式直流伺服电机直流伺服电机交流电机及其控制交流电机及其控制液压、气动驱动元件及其控制液压、气动驱动元件及其控制第56页，共117页，编辑于2022
47、年，星期二直流电机的电磁特性直流电机的电磁特性Ia、RaUMET、n电枢的等效电路电枢的等效电路直流电机的电枢绕组电流直流电机的电枢绕组电流Ia与磁通与磁通相互作用，产生相互作用，产生电磁力和电磁转矩电磁力和电磁转矩T：在这个电磁转矩在这个电磁转矩T作用下电枢转动，这时电枢因切割磁力线而产生作用下电枢转动，这时电枢因切割磁力线而产生反电动势反电动势E：从电枢的等效电路中可以看出：从电枢的等效电路中可以看出：式中：式中：KT：与电机结构有关的常数，电势常数；：与电机结构有关的常数，电势常数；KE：与电机结构有关的常数，转矩常数；：与电机结构有关的常数，转矩常数；：磁极磁通量，单位是韦伯（：磁极磁
48、通量，单位是韦伯（Wb）；）；Ia：电枢电流，单位是安（：电枢电流，单位是安（A）；）；Ra：电枢电阻，单位是欧姆（：电枢电阻，单位是欧姆（）；）；T：电磁转矩；：电磁转矩；n：电枢转速，单位是：电枢转速，单位是r/min；E：感生（反）电动势，单位是伏特（：感生（反）电动势，单位是伏特（V）；）；U：电枢电压。：电枢电压。第57页，共117页，编辑于2022年，星期二直流电机的电磁特性直流电机的电磁特性联解上面三个等式：联解上面三个等式：上式反映了直流电机的上式反映了直流电机的转速转矩特性转速转矩特性，又称为直流电机的，又称为直流电机的机械特性机械特性。在上式中：。在上式中：，是，是T0时的
49、转速，实际上是不存在的，因为即使电机轴上没有加机械负载，电机时的转速，实际上是不存在的，因为即使电机轴上没有加机械负载，电机的输出转矩也不可能为零，它还要平衡空载损耗转矩。所以的输出转矩也不可能为零，它还要平衡空载损耗转矩。所以n0称为称为理想空载转速理想空载转速。，是转速降。它表示：当负载增加时，电机的转速下降。转速降是电枢电阻，是转速降。它表示：当负载增加时，电机的转速下降。转速降是电枢电阻Ra引引起的。当负载增加时，起的。当负载增加时，Ia增大，增大，IaRa增大，由于电源电压增大，由于电源电压U是一定的，这就使反电动势是一定的，这就使反电动势E减小，也减小，也就是转速就是转速n降低了。
50、降低了。TnTNn0nNn左图是机械特性曲线。左图是机械特性曲线。由于由于Ra很小，在负载很小，在负载变化时，转速的变化变化时，转速的变化不大。因此具有不大。因此具有硬的硬的机械特性机械特性。第58页，共117页，编辑于2022年，星期二第七讲第七讲 驱动元件及控制驱动元件及控制概述概述步进电机及其驱动步进电机及其驱动直流电机及其控制直流电机及其控制普通直流电机普通直流电机结构与工作原理结构与工作原理分类分类电磁特性电磁特性调速方式调速方式直流伺服电机直流伺服电机交流电机及其控制交流电机及其控制液压、气动驱动元件及其控制液压、气动驱动元件及其控制第59页，共117页，编辑于2022年，星期二直