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1、第十三章 步进电动机传动控制系统,步进电动机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件。步进电动机的运动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3.1所示。,11.1 步进电动机结构与工作原理,步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件。,步进电动机的分类：,工作原理,反应式,永磁式,混合式,输出转 矩大小,快速步
2、进电机,功率步进电机,励磁相数,二、三、四、五、六、八相等,角位移,输入脉冲个数,运行速度,输入脉冲频率,一、步进电动机的组成,如图所示为一台三相反应式步进电动机的结构示意图,定子：由定子铁心、绕组、绝缘材料等组成,励磁绕组由外部脉冲信号对各相绕组轮流励磁。如图所示。,转子：由转子铁心、转轴等组成。转子铁心是由硅钢片或软磁材料叠压而成的齿形铁心。,二、步进电动机的工作原理,给A相绕组通电时，转子位置如图（a），转子齿偏离定子齿一个角度。由于励磁磁通力图沿磁阻最小路径通过，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转动，当转子转到与定子齿对齐位置时(图b)，因转子只受径向力而无切线力，故转矩为零，转子被
3、锁定在这个位置上。由此可见：错齿是助使步进电机旋转的根本原因。,工作原理 T11-2.SWF,结论： 通电顺序为AB时，转子按顺时针方向一步一步转动通电顺序改为A，时，转子按逆时针方向一步一步转动。T11-3.SWF,三、步进电动机的通电方式,1. 单相通电方式：指对每相绕组单独轮流通电，对于三相步进电动机： 正转：AB时，转子按顺时针方向一步一步转动。 反转：A时，转子按逆时针方向一步一步转动。,2. 单、双拍工作方式： 正转：A-AB-B-BC-C-CA-A 反转：A-CA-C-BC-B-AB-A,3. 双拍工作方式： 正转：AB-BC-CA-AB 反转：AC-CA-BC-AC,一拍：从一
4、种通电状态到另一 种通电状态,四、步进电动机的步距角,由一个通电状态改变到下一个通电状态时，电动机转子所转过的角度称为步距角。T11-2.SWF,360/ZKm,其中：Z转子齿数 m定子绕组相数 K通电系数 K=1,2,若二相步进电动机的Z=100，单拍运行时，其步距角,若按单、双通电方式运行时，步距角,齿距,由此可见，步进电动机的转子齿数Z和定子相数(或运行拍数)愈多，则步距角愈小，控制越精确。 当定子控制绕组按着一定顺序不断地轮流通电时，步进电动机就持续不断地旋转。如果电脉冲的频率为f(HZ)，步距角用弧度表示，则步进电动机的转速为：,五、步进电动机的主要性能指标,1. 步距角,2. 最大
5、工作频率：在转子不失步的情况下，电动机连续工作时，输入脉冲信号的最大频率。T11-2.SWF,3. 最大突跳频率：在转子不失步的情况下，电动机能增加和减小的最大频率。,4. 步距差：理想的步矩角与实际的步矩角之差。,5. 输出转矩：电动机轴上的输出转矩的大小,步进电动机的输出转矩与脉冲频率的函数关系称为矩频特性。,3.1.2 小步距角步进电动机 实际的小步距角电动机如图3.5所示。它的定子内圆和转子外圆上均有齿和槽，而且定子和转子的齿宽和齿距相等。 若定子为三相绕组，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1/3齿距，再下一相磁极下定子与转子的齿错开2/3齿距
6、，依此类推。 当定子各相绕组轮流通电一次，转子就转过一个齿距。,13.2 步进电动机的驱动电源,一、驱动电源的组成,脉冲分配器+功率放大电路,1. 脉冲分配器,当方向电平为低时，脉冲分配器的输出按A-B-C的顺序循环产生脉冲。,当方向电平为高时，脉冲分配器的输出按A-C-B的顺序循环产生脉冲。,2.功率放大器,将脉冲分配器的输出信号进行电流放大后给电动机的定子绕组供电，使电动机的转子产生输出转矩。,二、步进电动机的脉冲分配器,步进电动机的脉冲分配器可由硬件或软件方法来实现。,硬件环形分配器：由计数器等数字电路组成的。有较好的响应速度，且具有直观、维护方便等优点。,软件环分：由计算机接口电路和相
7、应的软件组成的。受到微型计算机运算速度的限制，有时难以满足高速实时控制的要求。,1.硬件环形分配器,集成触发器型环形分配器,专用集成电路芯片环形分配器,图6-18 环形分配器CH250引脚图 (a) 引脚功能； (b) 三相六拍线路图,CH250有A、B、C三个输出端，当输入端CL或EN加上时钟脉冲后，输出波形将符合三相反应式步进电动机的要求。 若采用CL脉冲输入端时，是上升沿触发，同时EN为使能端，EN1时工作，EN0时禁止。反之，采用EN作时钟端，则下降沿触发，此时CL为使能端，CL0时工作，CL1时禁止。 R和R*分别为双三拍运行和六拍运行的复位端。当R加上正脉冲，ABC的状态为110，
8、而R*加上正脉冲后，ABC的状态为100，以避免ABC出现000或111非法状态。,2软件环形分配,软件环分的方法是利用计算机程序来设定硬件接口的位状态，从而产生一定的脉冲分配输出。,1) 输出接口,8031单片机本身包含4个8位I/O端口，分别为P0、P1、P2、P3。,输出接口是将计算机的输出端与步进电动机的每相绕组一一对应起来。,若要实现三相步进电动机的脉冲分配，需要三根输出口线，本例中选P1口的P1.0、P1.1、P1.2位作为脉冲分配的输出。,2) 输出模型,如果三相步进电动机按单、双拍通电方式工作，即:,正转：A-AB-B-BC-C-CA,反转：A-AC-C-CB-B-BC,根据8
9、031单片机的基本原理，对P1.0、 P1.1、 P1.2位编程使其按表规定改变输出状态就实现了三相六拍分配任务。,P1输送的内容依次为：,01H A 03H AB 02H B 06H BC 04H C 05H CA,正 转,反 转,输出模型,3) 控制程序,按正转和反转的要求将输出模型向P1口发送，并控制步进电动机的速度。,设输出模型存放在存储器中，首地址为2000H，地址指针为DPR,初始值为2000H。,三、步进电动机的功率放大电路,步进电动机的功率驱动电路实际上是一种脉冲放大电路，使脉冲具有一定的功率驱动能力。,由于功率放大器的输出直接驱动电动机绕组，因此，功率放大电路的性能对步进电动机的运行性能影响很大。,1.单电压驱动电路,L是电动机绕组,VT开关晶体管,电阻R两端并联电容C，使电流上升更快，所以，电容C又称为加速电容。,二极管V在晶体管VT截止时起续流和保护作用，串联电阻使电流下降更快，从而使绕组电流波形后沿变陡。,2.高低压切换型驱动电路,高低压驱动线路的优点是：功耗小，启动力矩大，突跳频率和工作频率高。缺点是：大功率管的数量要多用一倍，增加了驱动电源。,
