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1、第7章步进电动机传动控制系统,步进电动机（Step motor 或Stepping motor），是一种利用电磁感应原理，将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件。每输入一个脉冲，电机就转过一个角度，运行一步，其运动形式是步进式的，故称为步进电动机。由于其输入的是脉冲电压，所以又称脉冲电动机或阶跃电动机。 步进电动机的工作机理是基于最基本的电磁铁机理。,第7章步进电动机传动控制系统,步进电动机的运动是由一系列电脉冲控制，脉冲发生器所产生的电脉冲信号，通过环形分配器按一定的顺序加到电动机的各相绕组上。为了使电动机能够输出足够的功率，经过环形分配器产生的脉冲信号还需要进行功率放大。环形分配器、功率
2、放大器以及其他辅助电路统称为步进电机的驱动电源。步进电动机、驱动电源和控制器构成步进电动机传动控制系统，如图7.1所示。,7.1 步进电动机工作原理及分类,7.1.1 步进电动机的结构与工作原理 步进电动机的结构分为定子和转子两大部分。定子由硅钢片叠加而成，绕有一定相数的控制绕组，由环形分配器送来的电脉冲对各相定子绕组轮流进行励磁。转子用硅钢片叠成或用软磁性材料做成凸极结构；转子本身没有励磁绕组的叫做“反应式步进电动机”；用永久磁铁做转子的叫做“永磁式步进电动机”。步进电动机的结构形式虽然繁多，但工作原理基本相同，下图是两相混合式步进电动机结构图 。,2. 工作原理,(1)基本工作原理 步进电
3、动机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步进电机的步距角，用b表示；改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变。,7.4单三拍通电方式时的转子位置,（2）通电方式,步进电动机的转速即取决于控制绕组通电的频率，又取决于绕组通电方式。步进电动机的通电方式一般有单相轮流通电方式、双相轮流通电方式和单双相轮流通电方式 。 1）单相轮流通电方式-运行的稳定性差。 2）双相轮流通电方式-输出力矩较大，定位精度高而且不易失步。 3）单双相轮流通电方式-步距角减小一倍。,图7.5三相六拍通电方式,7.1.2小步距角步进电动机,定子极面小齿和转子上的小齿位置符合下列规律：
4、当U相的定子齿和转子齿对齐时，V相的定子齿应相对于转子齿顺时针方向错开1/3齿距，而W相的定子齿又应相对于转子齿顺时针方向错开23齿距。也就是说，当某一相磁极下定子与转子的齿相对时，下一相磁极下定子与转子齿的位置刚好错开/m其中，为齿距，m为相数；再下一相磁极下定子与转子的齿则错开2m；依此类推。 当定子绕组按U-V-W顺序轮流通电时，转子就顺时针方向一步一步地移动，各相绕组轮流通电一次，转子就转过一个齿距。,图7.6实际的三相反应式步进电动机结构简图,三相反应式步进电动机定子、转子展开图,两相混合式步进电动机定子磁极上的齿与左右段转子齿的相对位置,若以转子左段铁心作参考，当A1、A3极上的齿
5、与转子齿对齐时， 则有A2、A4极上的齿与转子槽相对，B1、B3极上的齿沿顺时针方向超前转子齿1/4齿距，B2、B4极上的齿沿顺时针方向超前转子齿34齿距；在转子右段铁心，则A1、A3极上的齿与转子槽相对，A2、A4极上的齿与转子齿对齐，B1、B3极上的齿沿顺时针方向超前转子3/4齿距，B2、B4极上的齿沿顺时针方向超前转子齿14齿距。,结论：,通过以上分析可知，转子的齿数不能任意选取。因为在同一相的几个磁极下，定转子齿应同时对齐或同时错开，才能使几个磁极的作用相加，产生足够的反应转矩，而定子圆周上属于同一相的极总是成对出现的，所以转子齿数应是偶数。 另外，在不同相的磁极下，定转子相对位置应依
6、次错开1m齿距，这样才能在连续改变通电状态下，获得连续不断的运动。否则，当某一相控制绕组通电时，转子齿都将处于磁路的磁阻最小位置上，各相绕组轮流通电时，转子将一直处于静止状态，电动机不能正常转动运行。为此，要求两相邻相磁极轴线之间转子的齿数为整数加或减1m。,7.1.2小步距角步进电动机,设转子的齿数为Z，则齿距角为 因为每通电一次(即运行一拍)，转子就走一步，故步距角为 式中：K为状态系数，相邻两次通电相数一致时K=1，如单、双三拍时；反之则K=2，如三相六拍时。 若步进电动机的z=40，三相单三拍或三相双三拍时，其步距角为 若按三相六拍运行时，其步距角为,7.1.2小步距角步进电动机,如果
7、步进电动机电定子各相绕组轮流通电的脉冲的频率为f，步距角b的单位为(o)，则步进电动机的转速(单位为rmin)为 可知，步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高。,7.1.3步进电动机的分类,7.1.3步进电动机的分类,步进电动机的典型分类,反应式步进电动机结构示意图,反应式步进电动机多段环形线圈结构,反应式步进电动机多段分布绕组结构,反应式直线步进电动机,永磁式步进电动机示意图,永磁式步进电动机环形线圈结构,混合式步进电动机结构示意图,7.2 步进电动机驱动电源,步进电动机的驱动运行要求足够功率的电脉冲信号按一定的顺序分配到各相绕
8、组。为了实现这种驱动，要求有脉冲分配和功率放大功能的专门驱动电源。驱动电源和步进电动机是一个有机的整体，步进电动机的运行性能是电动机及其驱动电源二者配合所反映的综合效果。,7.2.1步进电动机的驱动方式,环形分配器功能是将控制脉冲按规定的方式分配给步进电动机；功率放大器是将环形分配器的输出信号进行功率放大以能驱动步进电动机运行。,图7.7步进电动机驱动系统图,7.2.2步进电动机的环形分配器,1.硬件环形分配器 (1)逻辑电路环形分配器,图7.8三相单三拍脉冲分配器 (a)硬件电路图；(b)输出脉冲波形图,表7-2JK触发器真值表,7.2.2步进电动机的环形分配器,1.硬件环形分配器 (1)逻
9、辑电路环形分配器 (2)EPROM环形分配器 其基本思想是：结合驱动电源线路按步进电动机励磁状态转换表求出所需的环形分配器输出状态表(输出状态表与状态转换表相对应)，以二进制码的形式依次存入EPROM中，在线路中只要按照地址的正向或反向顺序依次取出地址的内容，则EPROM的输出端即依次表示各励磁状态。 EPROM设计的环形分配器具有以下特点：1)线路简单，仅有可逆计数器和存储器两部分；2)一种线路可实现多种励磁方式的分配，只要在不同的地址区域存储不同的状态表，除软件工作外，硬件线路不变；3)可彻底排除非法状态；4)可有多种输入端，便于同控制器接口。,7.2.2步进电动机的环形分配器,1.硬件环
10、形分配器 (1)逻辑电路环形分配器 (2)EPROM环形分配器,图7.9EPROM型环形分配器,7.2.2步进电动机的环形分配器,1.硬件环形分配器 (1)逻辑电路环形分配器 (2)EPROM环形分配器 (3)集成环形分配器,图7.10CH250环形分配器,表7-3CH250环形分配器状态表,7.2.2步进电动机的环形分配器,2.软件环形分配器 (1)设置输出接口 (2)设计环形分配子程序 (3)设计延时子程序,图7.11I/O接口图,表7-4环形分配表,7.2.3步进电动机的驱动电路,1.单电压驱动电路,7.2.3步进电动机的驱动电路,2.双电压驱动电路,7.2.3步进电动机的驱动电路,2双
11、电压驱动电路 双电压驱动电路习惯上称为高低压切换型电路，其最后一级如图7.13a)所示。这种电路的特点是电动机绕组主电路中采用高压和低压两种电压供电一般高压为低压的数倍。其基本思想是：不论电动机工作频率如何，在导通相的前沿用高电压供电来提高电流的前沿上升率，而在前沿过后用低压来维持绕组的电流。,7.2.3步进电动机的驱动电路,3斩波驱动电路,图7.14 斩波驱动电路,斩波驱动电路实用电路（1）,该电路由于电流顶部的波动会产生电磁嘈声,斩波驱动电路实用电路（2）,恒频脉宽调制功率电路可以克服电流顶部的波动而产生的电磁嘈声。,7.2.3 步进电动机的驱动电路,4.升频升压驱动电路,图3.15升频升
12、压驱动电路,升频升压驱动电路实用电路（3）,7.2.3步进电动机的驱动电路,5.细分驱动电路,图7.16细分驱动电流阶梯波,7.2.3 步进电动机的驱动电路,5.细分驱动电路,细分驱动有如下特点： (1)不改动电动机结构参数的情况下，能使步距角减小，使步进电动机运行平稳，提高均匀性，并能减弱或消除振荡。改善了低频特性，负载能力也有所增加。 (2)但细分后的齿距角精度不高，且驱动电源的结构也相应复杂。,目前实现阶梯波供电的方法有： 先放大后叠加 2)先叠加后放大,a)先放大后叠加b)先叠加后放大 图7.17阶梯波合成电路图,细分驱动电路驱动电路实用电路（4）,细分驱动电路驱动电路实用电路（5）,
13、细分驱动电路驱动电路实用电路（6）,7.3步进电动机运行特性及影响因数,7.3.1步进电动机的运行特性 1. 矩角特性 矩角特性是反映步进电动机电磁转矩T随偏转角的关系。步进电动机的一相或多相控制绕组通入直流电流，且不改变它的通电状态，这时转子将固定在某一平衡位置上保持不动，称为静止状态(简称静态)。在空载情况下，转子齿和通电相磁极上的小齿对齐，这个位置称为步进电动机的初始平衡位置。静态时的反应转矩叫静转矩，在理想空载时静转矩为零。当转子有负载作用时，转子齿就要偏离初始位置由于磁力线有力图缩短的倾向，从而产生电磁转矩，直到这个转矩与负载转矩相平衡。转子齿偏离初始平衡位置的角度就叫做偏转角(空间
14、角)。若用电角度e表示偏转角，则由于定子每相绕组通电循环一周(360 电角度)，对应转子在空间转过一个齿距角(=360oz空间角度)，故电角度是空间角度的z倍，即e= z 。静转矩与转子偏转角的关系称为矩角特性，即T=f(e)。,7.3.1 步进电动机的运行特性,e 达到/ 2时，即在定子齿与转子齿错过14个齿距时，转矩T达到最大值，称为最大静转矩Tsmax。步进电动机的负载转矩必须小于最大静转矩，否则，根本带不动负载。为了能稳定运行，负载转矩一般只能是最大静转矩的3050左右。因此，这一特性反映了步进电动机带负载的能力，通常在技术数据中都有说明，它是步进电动机的最主要的性能指标之一。,图7.
15、18步进电动机矩角特性图7.19步进电动机稳定区,2. 单步运行特性,加一个控制脉冲改变一次通电状态，步进电动机的这种工作状态称为单步运行。 (1)稳定区 (2)单步运行特性,只要满足-e，当外力矩消失后，在步进电动机自身的电磁力矩作用下转子仍能回到原平衡点O，将-至区间称为步进电动机的静稳定区。在改变通电状态前或改变过程中，只要转子的步进角e满足(-+be) e(+be)，步进电动机转子就可趋向新的平衡点，称区间(-+be)至(兀+be)为动稳定区。,只要转角e不超过动稳定区，如此往复以新平衡点为基准作减幅振荡，T为周期，tb为步距角be对应的衰减时间。,7.3.1步进电动机的运行特性,3.
16、连续脉冲运行特性 (1)极低频条件下运行 控制脉冲周期T大于转子单步运行振荡的衰减时间tb，当第二次改变通电状态前(即第二个脉冲到来前)，第一次改变通电状态使转子的运行已经结束，所以运行方式与单步运行方式相同。在这种条件下，运行的步进电动机多数处于欠阻尼状态，不可避免的产生振荡，但其振幅不会超过步距角be ，因此不会出现失步和越步现象。,图7.21极低频运行规律图7.22低频起动与失步的条件,7.3.1步进电动机的运行特性,(2)低频条件下运行 当控制脉冲的频率为l/tbf4f0时，转子运行特点是前一个脉冲使转子产生的振荡还没衰减完，第二个脉冲已经到来，转子所处的位置与脉冲频率有关，该位置是第二个脉冲转子的起始位置。其中f0为步进电动机阻尼固有频率 。,7.3.1步进电动机的运行特性,(3)脉冲频率f4f0条件下运行 当步进电动机处在高频状态下运行时，在前一个脉冲作用下，转子的振荡尚没到达第一个振荡的最大振幅，第二个脉冲已经过来而又一次改变通电状态。致使步进电动机的运行如同同步电动机连续、平稳地转动。,7
