实训四(步进电动机驱动系统的调试及使用)

7.7　实训四(步进电动机驱动系统的调试及使用)

1.实训目的与要求

①熟悉步进电动机的运行原理及其驱动系统的连接。

②掌握步进电动机的性能特性及其与驱动器的关系。

③了解步进电动机的驱动系统的加、减速特性。

2.实训仪器与设备

①57HS13型两相混合式步进电动机一台。

②MS535型两相双极性细分驱动器一台。

③CZ－0.5型磁粉制动器(5N·m)一台。

④光电编码器(2500或3600线，A，B，Z相信号，带线驱动器输出)一只。

⑤HNC－21TF数控系统一套。

⑥可安装于步进电动机轴上的惯量圆盘。

3.相关知识概述

(1)混合式步进电动机的工作原理　混合式步进电动机综合了永磁式及反应式步进电动机两者的优点，因而得到了广泛的应用。图7－7－1为两相混合式步进电动机结构原理图，定子与反应式步进电动机的类似，磁极上有控制绕组，极靴表面有小齿。绕组为A，B两相，并通以双极性激励电流。转子铁心分成两段，中间有一环形永磁体，充磁方向为轴向，如图7－7－1所示，两段转子铁心的齿数和齿形完全一样，但互对位置沿圆周方向相互错开1/2齿距角，即齿与槽相对。由于永磁体的作用，其转子的齿带有固定的极性。若A相通以正向电流，A相磁极产生的极性为A₁，A₃为S极，A₂，A₄为N极。由于转子齿左段为N极性，故A₁和A₃极的定子齿与转子齿对齐，而A₂和A₄的定子齿与转子齿同极性，形成齿槽相对;在转子的右段，情况与左段相反，A₂和A₄的定子齿与转子齿对齐，而A₁和A₃则为齿槽相对。磁路走向如图7－7－1中箭头所示的方向沿轴向穿过转子左段，沿径向通过气隙和定子磁极，再沿轴向经过定子轭，沿径向通过定子磁极和气隙，进入右段转子。若A相通以负向电流，A₁和A₃变为N极，A₂和A₄变为S极，齿槽对应的情况与上述相反，也及电流从正方向改变为负方向后，转子将转过1/2齿矩。当A₁磁极的定子齿与转子齿对齐时，B向的B₁磁极定子齿与转子齿之间错开了1/4齿矩，因此从A相正电流转换为B相正电流时，转子将转过1/4齿矩。

图7－7－1　两项混合式步进电动机的结构原理图

若步进电动机通以如图7－7－2所示两相双极性激励电流，则在任何时刻A，B相都存在电流，步进电动机的电磁转矩由两相的转矩合成，转子的平衡位置则处于A，B相两个平衡位置之间。每一次电流变化，转子就会转过1/4齿矩。一个电流周期，共发生四次电流转换(称为四拍)，转子则转过1个齿矩，因此步进电动机的步距角为

若以两相八拍双极性激励电流，如图7－7－3所示，则步进电动机的步距为前者的1/2，即，称细分数为2。

若A，B两相激励电流按图7－7－4所示分成40等分的余弦函数和正弦函数采样点给定电流，则一个电流周期的循环拍数将为40，故步进电动机的步距角将成为称细分数为10。

图7－7－2　两相双极性激磁电流

图7－7－3　两相八拍双极性激磁电流

图7－7－4　两相四十拍双极性激磁电流

改变上述两相电流的采样点数，可以在一个驱动器上实现多种细分数(每转步数)。

在三相、五相步进电动机中，定子极数随之增加，相应地增加了通电循环的拍数，在一定的转子齿数下，可获得更小的齿距角，其结构原理与二相步进电动机相似。

(2)步进电动机的主要特性

①步距角和步距误差。转子每步转过的空间机械角度，即步距角为

式中:Z₂—转子齿数;

N—运行拍数。

步进电动机每走一步，转子实际的角位移与设计的步距角之间都存在步距误差。连续走若干步时，上述误差形成累积值。转子转过一圈后，回至上一转的稳定位置，因此步进电动机的步距误差不会长期积累。步进电动机步距的积累误差，是指一转范围内步距误差积累的最大值，步距误差和积累误差通常用度(°)、分(')或者步距角的百分比表示。影响步进电动机步距误差和积累误差的主要因素有:齿与磁极的分度精度、铁心叠压及装配精度、各相距角特性之间差别的大小、气隙的不均匀程度等。

②静态距角特性和最大静转矩特性。所谓静态，是指电动机不改变通电状态，转子不动时的工作状态。空载时，步进电动机某相通以直流电流时，该相对应的定、转子齿对齐，这时转子无转矩输出。如在电动机轴上加以顺时针方向的负载转矩，步进电动机转子将按顺时针方向转过一个小角度θ，称为失调角;这时，转子电磁转矩T与负载转矩相等。距角特性是描述步进电动机静态时电磁转矩T与失调角θ之间关系的曲线，也称为静转矩特性，如图7－7－5所示。

③步进电动机的矩频特性。步进电动机矩频特性是用来描述步进电动机连续稳定运行时，输出转矩与连续运行频率之间的关系曲线。矩频特性曲线上每一频率所对应的转矩称为动态转矩。动态转矩除了与步进电动机的结构及材料有关外，还与步进电动机绕组的连接方式、驱动电路、驱动电压有密切的关系。图7－7－6是混合式步进电动机连续运行时的典型矩频特性曲线。

图7－7－5　步进电机的矩角特性图

图7－7－6　步进电动机的矩频特性

4.实训内容

①把步进电动机安装于负载测试台上，松开与磁粉制动器连接的联轴器，连接光电编码器与步进电动机。最后，按图7－7－7将57HS13型步进电动机、MS535型步进电动机驱动器与HNC－21TF数控系统连接起来。

②HNC－21TF数控系统参数设置。按表7－7－1对步进电动机有关坐标轴参数进行设置。按表7－7－2设置硬件配置参数。

表7－7－1　坐标轴参数

图7－7－7　步进电动机、驱动器与HNC－21数控系统的连接

表7－7－2　硬件配置参数

③MS535步进电动机驱动器参数设置。按驱动器前面表格，将细分数设置为2，将电动机电流设置为57HS13步进电动机的额定电流。

④在线路和电源检查无误后，进行通电试运行，以手动或手摇脉冲发生器方式发送脉冲，控制电动机慢速转动和正、反转，在没有堵转等异常情况下，逐渐提高电动机转速。

⑤测定步进电动机的步距角。以手动方式发送单脉冲，从数控系统显示屏上记录工件实际坐标值，计算步进电动机的步距角(取最接近数值的整数)

计算每一步脉冲的实际坐标增量值，再按下式换算成实际步距角β_n:

由β和β_n可算出步距精度△β=(β_n－△β)/β，再将记录和计算数据填入表7－7－3中。

表7－7－3步距精度

⑥测定步进电动机的静转矩特性。步进电动机处于锁定状态(即不发送脉冲给驱动器)时，用测力扳手或悬挂砝码给步进电动机施加外加转矩T，并读取对应的转子轴偏转角θ(根据记录的工件实际坐标值换算)，记录一组转矩T与偏转角θ的数据，直至最大转矩点。根据下式，计算步进电动机的静态刚度

注意:由于在锁定状态时，驱动器电流自动减半，实际静态刚度还可能增大一倍。将记录和计算的数据填入表7－7－4中。

表7－7－4　步进电动机静刚度

⑦测定步进电动机的运行矩频特性。

第一，将步进电动机与磁粉制动器用联轴器相连接。由数控系统设置步进电动机的速度(即为步进电动机的运行频率)，且将加、减速时间常数设置为1s以上。

第二，步进电动机在锁定状态下，逐渐加大负载，直至步进电动机失步停转，记录该激励电流值。

第三，增加步进电动机的速度给定值，重复上述步骤，记录新转速下使步进电动机失步的激励电流值。

由磁粉制动器特性曲线，获取对应激励电流的制动转矩值，并由速度指令值换算为频率值，即可绘出步进电动机的运行矩频特性。将记录数据填入表7－7－5中。

表7－7－5　步进电动机运行矩频特性

第四，将步进电动机定子绕组改为并联接法，如图7－7－8，再按上述步骤测定步进电动机的运行矩频特性。(绕组并联后，应将步进电动机的电流设置增大一倍，这才不至于降低步进电动机在低频段的输出转矩。)

图7－7－8　步进电动机定子绕组并联接法

5.实训总结

①描述步进电动机控制原理。

②区分步进电动机控制系统的强、弱电连接。

③简要说明步进电动机控制系统投入运转的操作步骤。

④比较步进电动机绕组串联与绕组并联时，矩频特性之差别。

⑤说明步进电动机控制系统的加、减速设置对步进电动机运行的作用，以及按什么原则来选择系统的加、减速时间常数。

6.实训报告

①绘制步进电动机控制系统电气连接图。

②根据实验数据，计算实验所用步进电动机的步距精度和静态刚度。

③根据实验数据，绘制实验所用步进电动机的运行矩频特性。