物联网控制系统

伺服系统——步进电机及其驱动技术

伺服系统

• 伺服系统是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统
• 组成：检测装置，驱动电机

[!note]

伺服系统按控制方式的分类：

开环系统：步进电机，无位置反馈，投资低，精度小

闭环系统：直接测量实际位移进行反馈，精度高

半闭环系统：间接测量位移进行反馈，精度低于闭环

开环伺服系统

• 采用步进电机作为驱动元件
• 没有反馈回路
• 设备投资低，调试维修方便，但精度差，高速扭矩小
• 中、低档控制系统

闭环伺服系统

• 位置检测装置安装在工作台上
• 检测装置构成闭环位置控制
• 大量用在精度要求较高的设备上

半闭环伺服系统

• 位置检测元件安装在电动机轴上或丝杠上，用以精确控 制电机的角度，为间接测量
• 坐标运动的传动链有一部分在位置闭环以外，其传动误差没有得到系统的补偿
• 精度低于闭环系统。 适用于精度要求适中的设备

步进电机

• 步进电机在开环状态就能实现精确的位置控制

• 结构简单；没有控制参数设计及其调试的问题；不存在稳定性问题；接线简单

• 步进电机的类型：永磁式；变磁阻式（反应式）；混合式

• 其中定子绕组相数：两相（应用广泛）、三相、四相、五相

两相混合式步进电机结构

大体上由定子和转子组成：

• 定子上有八个绕有线圈的铁心磁极；八个线圈串接成A,B两组绕组
• 每个定子磁极边缘有多个小齿，一般多为五或六齿
• 转子由两段有齿环形转子铁心、装在转子铁心内部的环形 磁钢及轴承、轴组成
• 两段转子铁心的一端呈N极性， 另一端呈S极性，分别称之为N段转子和S段转子
• 转子铁心的边缘加工有小齿，一般为50个，齿距为7.2°。两段转子的小齿相互错开1/2齿距

两相混合式步进电机工作原理

• 定子上有四个绕有线圈的磁极（齿），相对磁极的线圈串联 组成两相绕组
• 同一相绕组两个线圈绕线的方向相反，通过同一电流时所产生的磁场方向也相反
• 电流从相反方向流过同一相绕组产生的磁场方向也相反
• 每段永磁体有3个齿，齿距为120度，N极齿和S极齿彼此错开1/2齿距（60度）

工作状态

不通电

• 由于磁通总是沿磁阻最小的路径通过， 磁通从N极性转子经定子极回到S极性转子
• 有一个反向力矩阻止外力力图使轴转动，称为自锁（detent)力矩

单四拍工作状态

• 初始状态，A相通电产生保持力矩
• 4步一个循环后共转过一个齿距120度，12步后转子旋转一周
• 每一次仅一相绕组通电，四拍一个循环，称之为单四拍工作状态

双四拍工作状态

• 初始状态， A相、B相同时通电，由于两个定子齿的吸引，转子 移动1/8齿距15度，停在一个中间的位置
• 4步一个循环后共转过一个齿距120度， 12步后转子旋转一周
• 每一次两相绕组通电，四拍一个循环，称之为双四拍工作状态
• 因为两个线圈同时通电，产生的力矩比单四拍要大

单双八拍工作状态

• 在单四拍工作方式基础上，在每两个单拍之间插入一个 双拍工作状态，就成为单、双八拍工作方式
• 交替使一个线圈和两个线圈通电，每一步转子旋转1/8齿距即15度，经过这8拍以后，转子转过一个齿距120度
• 旋转一周需24步

微步距工作方式

• 在双四拍工作方式中，当两相绕组通以相等的电流时，电机 转子停在一个中间的位置。
• 如果两相绕组电流不等，转子位 置将朝电流大的定子极方向偏移。