步進(jìn)電機(jī)的控制原理
文章出處:漢德保(HDB MOTOR)電機(jī) 人氣:4520發(fā)表時(shí)間:2020-11-13
步進(jìn)電機(jī)是一種機(jī)電- -體化產(chǎn) 品,步進(jìn)電機(jī)本體與其驅(qū)動(dòng)控制器構(gòu)成一- 個(gè)不可分割的有機(jī)整體,步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能很大程度上取決于所使用的驅(qū)動(dòng)控制器的類型和參數(shù)。
由于步進(jìn)電機(jī)能直接接收數(shù)字量信號(hào),所以被廣泛應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)單的控制電路可以通過各種邏輯電路來實(shí)現(xiàn),如由門電路和觸發(fā)器等組成脈沖分配器,這種控制方法采用硬件的方式。而且-一旦確定,很難改變控制方案。要改變系統(tǒng)的控制功能一般都要重新設(shè)計(jì)硬件電路,靈活性較差。以微型計(jì)算機(jī)為核心的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)為步進(jìn)電機(jī)的控制開辟了新的途徑,利用計(jì)算機(jī)的軟件或軟、硬件相結(jié)合的方法,大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的功能,同時(shí)也提高了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。
以步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件的數(shù)字控制系統(tǒng),有開環(huán)和閉環(huán)兩種形式。
步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)精確位移、精確定位,且無積累誤差。這是因?yàn)椴剿碗姍C(jī)的運(yùn)動(dòng)受輸人脈沖控制,其位移量是斷續(xù)的,總的位移量嚴(yán)格等于輸人的指令脈沖數(shù)馬其平均轉(zhuǎn)速嚴(yán)格正比于輸人指令脈沖的頻率;若能準(zhǔn)確控制輸人指令脈沖的數(shù)量或頻率,能夠完成精確的位置或速度控制,不需系統(tǒng)的反饋,形成開環(huán)控制系統(tǒng)。
步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng),由控制器(包括變頻信號(hào)源)、脈沖分配器(環(huán)形分配器驅(qū)動(dòng)電路(功率放大器)及步進(jìn)電機(jī)等部分組成。
脈沖發(fā)生器產(chǎn)生頻率從幾赫茲到幾十千赫茲連續(xù)變化的脈沖信號(hào),脈沖分配器根據(jù)指把脈沖按一定的邏輯關(guān)系加到各相繞組的功率放大器上,使步進(jìn)電機(jī)按一定的方式運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)控制和定位。由于脈沖分配器輸出的電流只有幾毫安,所以必須進(jìn)行功率放大,由功率放大器來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。
開環(huán)控制系統(tǒng)的精度,主要取決于步距角的精度和負(fù)載狀況。由于開環(huán)控制系統(tǒng)不需要反饋元件,結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、工作可靠、成本低,因而在數(shù)字控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。(2)閉環(huán)控制系統(tǒng)
在開環(huán)控制系統(tǒng)中,電機(jī)響應(yīng)控制指令后的實(shí)際運(yùn)行情況,控制系統(tǒng)是無法預(yù)測(cè)和監(jiān)視的。在某些運(yùn)行速度范圍寬、負(fù)載大小變化頻繁的場(chǎng)合,步進(jìn)電機(jī)很容易失步,使整個(gè)系統(tǒng)趨于失控。另外,對(duì)于高精度的控制系統(tǒng),采用開環(huán)控制往往滿足不了精度的要求。因此,必須在控制回路中增加反饋環(huán)節(jié),構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。與開環(huán)系統(tǒng)相比多了一個(gè)由位置傳感器組成的反饋環(huán)節(jié)。將位置傳感器測(cè)出的負(fù)載實(shí)際位置與位置指令值相比較,用比較誤差信號(hào)進(jìn)行控制,不僅可防止失步,還能夠消除位置誤差,提高系統(tǒng)的精度。
閉環(huán)控制系統(tǒng)的精度與步進(jìn)電機(jī)有關(guān),但主要是取決于位置傳感器的精度。在數(shù)字位置隨動(dòng)系統(tǒng)中,為了提高系統(tǒng)的工作速度和穩(wěn)定性,還有速度反饋內(nèi)環(huán)。
理論上說,閉環(huán)控制比開環(huán)控制可靠,但是,步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)價(jià)格較高,還容易引起持續(xù)的機(jī)械振蕩。如果要獲得優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能,可以選用其他直流或交流伺服系統(tǒng)。圖1-37所示為步進(jìn)電機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)。在基于微型計(jì)算機(jī)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中,脈沖發(fā)生和脈沖分配功能可由微型計(jì)算機(jī)配合相應(yīng)的軟件來實(shí)現(xiàn),電機(jī)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速也都通過微型計(jì)算機(jī)控制。采用計(jì)算機(jī)控制不僅可以用很低的成本實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制過程,而且計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有很高的靈活性,便于控制功能的升級(jí)和擴(kuò)充。
由于步進(jìn)電機(jī)能直接接收數(shù)字量信號(hào),所以被廣泛應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)單的控制電路可以通過各種邏輯電路來實(shí)現(xiàn),如由門電路和觸發(fā)器等組成脈沖分配器,這種控制方法采用硬件的方式。而且-一旦確定,很難改變控制方案。要改變系統(tǒng)的控制功能一般都要重新設(shè)計(jì)硬件電路,靈活性較差。以微型計(jì)算機(jī)為核心的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)為步進(jìn)電機(jī)的控制開辟了新的途徑,利用計(jì)算機(jī)的軟件或軟、硬件相結(jié)合的方法,大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的功能,同時(shí)也提高了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。
以步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件的數(shù)字控制系統(tǒng),有開環(huán)和閉環(huán)兩種形式。
步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)精確位移、精確定位,且無積累誤差。這是因?yàn)椴剿碗姍C(jī)的運(yùn)動(dòng)受輸人脈沖控制,其位移量是斷續(xù)的,總的位移量嚴(yán)格等于輸人的指令脈沖數(shù)馬其平均轉(zhuǎn)速嚴(yán)格正比于輸人指令脈沖的頻率;若能準(zhǔn)確控制輸人指令脈沖的數(shù)量或頻率,能夠完成精確的位置或速度控制,不需系統(tǒng)的反饋,形成開環(huán)控制系統(tǒng)。
步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng),由控制器(包括變頻信號(hào)源)、脈沖分配器(環(huán)形分配器驅(qū)動(dòng)電路(功率放大器)及步進(jìn)電機(jī)等部分組成。
脈沖發(fā)生器產(chǎn)生頻率從幾赫茲到幾十千赫茲連續(xù)變化的脈沖信號(hào),脈沖分配器根據(jù)指把脈沖按一定的邏輯關(guān)系加到各相繞組的功率放大器上,使步進(jìn)電機(jī)按一定的方式運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)控制和定位。由于脈沖分配器輸出的電流只有幾毫安,所以必須進(jìn)行功率放大,由功率放大器來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。
開環(huán)控制系統(tǒng)的精度,主要取決于步距角的精度和負(fù)載狀況。由于開環(huán)控制系統(tǒng)不需要反饋元件,結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、工作可靠、成本低,因而在數(shù)字控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。(2)閉環(huán)控制系統(tǒng)
在開環(huán)控制系統(tǒng)中,電機(jī)響應(yīng)控制指令后的實(shí)際運(yùn)行情況,控制系統(tǒng)是無法預(yù)測(cè)和監(jiān)視的。在某些運(yùn)行速度范圍寬、負(fù)載大小變化頻繁的場(chǎng)合,步進(jìn)電機(jī)很容易失步,使整個(gè)系統(tǒng)趨于失控。另外,對(duì)于高精度的控制系統(tǒng),采用開環(huán)控制往往滿足不了精度的要求。因此,必須在控制回路中增加反饋環(huán)節(jié),構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。與開環(huán)系統(tǒng)相比多了一個(gè)由位置傳感器組成的反饋環(huán)節(jié)。將位置傳感器測(cè)出的負(fù)載實(shí)際位置與位置指令值相比較,用比較誤差信號(hào)進(jìn)行控制,不僅可防止失步,還能夠消除位置誤差,提高系統(tǒng)的精度。
閉環(huán)控制系統(tǒng)的精度與步進(jìn)電機(jī)有關(guān),但主要是取決于位置傳感器的精度。在數(shù)字位置隨動(dòng)系統(tǒng)中,為了提高系統(tǒng)的工作速度和穩(wěn)定性,還有速度反饋內(nèi)環(huán)。
理論上說,閉環(huán)控制比開環(huán)控制可靠,但是,步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)價(jià)格較高,還容易引起持續(xù)的機(jī)械振蕩。如果要獲得優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能,可以選用其他直流或交流伺服系統(tǒng)。圖1-37所示為步進(jìn)電機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)。在基于微型計(jì)算機(jī)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中,脈沖發(fā)生和脈沖分配功能可由微型計(jì)算機(jī)配合相應(yīng)的軟件來實(shí)現(xiàn),電機(jī)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速也都通過微型計(jì)算機(jī)控制。采用計(jì)算機(jī)控制不僅可以用很低的成本實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制過程,而且計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有很高的靈活性,便于控制功能的升級(jí)和擴(kuò)充。
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