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1、步进电动机的控制,伺 服 系 统,第 3 篇,内容提要,步进电动机的工作原理及驱动方法 步进电动机的开、闭环控制 步进电动机的最佳点-位控制 步进电动机控制的程序设计,步进电动机的工作原理及驱动方法,步进电动机的种类 步进电动机的工作原理 步进电动机的驱动方法 步进电动机驱动电源设计 步进电动机与微机的接口技术,步进电动机或称脉冲电动机，是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件。步进电动机实际上是一个数字/角度转换器，也是一个串行的数/模转换器。输入一个电脉冲，电动机就转动一个固定的角度，称为“一步”，这个固定的角度称为步距角。步进电动机的运动状态是步进形式的，故称为“步进
2、电动机”。从步进电动机定子绕组所加的电源形式来看，与一般交流和直流电动机也有区别，既不是正弦波，也不是恒定直流，而是脉冲电压、电流，所以有时也称为脉冲电动机或电脉冲马达。,步进电动机有如下特点： 1) 电动机输出轴的角位移与输入脉冲数成正比；转速与脉冲频率成正比；转向与通电相序有关。当它转一周后，没有累积误差，具有良好的跟随性。 2) 由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。 3) 步进电动机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。 4) 步进电动机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。
3、5) 步进电动机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。 控制输入脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序，可得到各种需要的运行特性。,步进电动机的种类,1) 按运动方式来分。分为旋转运动、直线运动、平面运动和滚切运动式步进电动机。 2) 按工作原理来分。分为反应式（磁阻式）、电磁式、永磁式、永磁感应子式（混合式）步进电动机。 3) 按其工作方式来分。分为功率式和伺服式。前者输出转矩较大，能直接带动较大的负载；后者输出转矩较小，只能带动较小的负载，对于大负载需通过液压放大元件来传动。 4) 按结构来分。分为单段式（径向式）、多段式（轴向式）、印刷绕组式。 5) 按相数来分。分为三相、四相、
4、五相、六相等。 6) 按使用频率来分。分为高频步进电动机和低频步进电动机。,步进电动机的工作原理,步进电动机的工作原理是基于电磁感应原理。步进电动机和一般旋转电动机一样，分为定子和转子两大部分。定子由硅钢片叠成，装上一定相数的控制绕组，输入电脉冲对多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称为“反应式”步进电动机，用永久磁铁做转子的称为“永磁式”步进电动机。目前以反应式步进电动机用得较多。下面以三相反应式步进电动机为例，来说明反应式步进电动机的工作原理。,单段式三相反应式步进电动机的结构,三段式三相反应式步进电动机结构,反应式步进电动机的工作原
5、理,通电方式 从一相通电改换成另一相通电，即通电方式改变一次叫“一拍”。步进电动机有单相轮流通电、双相轮流通电和单双相轮流通电的方式。“单”是指每次切换前后只有一相绕组通电；“双”就是指每次有两相绕组通电。,现以三相步进电动机为例说明步进电动机的通电方式。 （1）三相单三拍通电方式 其通电顺序为ABCA。“三相”即是三相步进电动机，每次只有一相绕组通电，而每一个循环只有三次通电，故称为三相单三拍运行。 单三拍通电方式每次只有一相控制绕组通电吸引转子，容易使转子在平衡位置附近产生振荡，运行稳定性较差。另外，在切换时一相控制绕组断电而另一相控制绕组开始通电，容易造成失步，因而实际上很少采用这种通电
6、方式。 （2）双三拍通电方式 其通电顺序为ABBCCAAB。这种通电方式由两相同时通电，转子受到的感应力矩大，静态误差小，定位精度高。另外，转换时始终有一相的控制绕组通电，所以工作稳定，不易失步。 （3）三相六拍通电方式 其通电顺序为AABBBCCCAA。这种通电方式是单、双相轮流通电。它具有双三拍的特点，且通电状态增加一倍，而使步距角减少一半。三相六拍步距角为15。这种反应式步进电动机的步距角较大，不适合一般用途的要求。实际的步进电动机是一种小步距的步进电动机。,小步距角步进电动机 图31所示的为三相反应式步进电动机。设m为相数，z为转子的齿数则齿距 tb= （31） 因为每通电一次（即运行
7、一拍），转子就走一步，各相绕组轮流通电一次，转子就转过一个齿距。故步距角 （32） 式中 K为状态系数，K=拍数/相数。 若步进电动机的转子齿数z=40，按三相单三拍运行时，K=1，m=3 若按五相十拍运行时，则K=2，m=5，z=40 可见，步进电动机的相数和转子齿数越多，步距角就越小，控制越精确。故步进电动机可以做成三相，也可以做成二相、四相、五相、六相或更多相数。,若步进电动机通电的脉冲频率为(脉冲数/秒)步距角用弧度表示，则步进电动机的转速 n= (r/min) （33） 由上式可知，步进电动机在一定脉冲频率下，电动机的相数和转子齿数越多，转速就越低。而且相数越多，驱动电源也越复杂，成
8、本也就越高。 步进电动机应用在机床上一般是通过减速器和丝杆螺母副带动工作台移动。所以，步距角对应工作台的移动量便是工作台的最小运动单位，也称脉冲当量（mm/脉冲） （34） 式中 t -丝杆导程（mm）；b -步距角（）；i -减速装置传动比。 工作台的进给速度v(mm/min)： v=60 （35） 式中 f-频率（Hz） 反应式步进电动机具有控制方便、步距小、价格低廉的优点；具有带负载能力差、高速时易失步、断电后无定位转矩的缺点。,例 一台三相反应式步进电动机，采用三相六拍分配方式，转子有40个齿，脉冲频率为600HZ，求：写出一个循环的通电程序。步进电动机步距角。步进电动机转速。 解 脉
9、冲分配方式有两种：AABBBCCCA 或 AACCCBBBA 根据 其中K=2 m=3 Z=40 b=360/(4023)=1.5 根据 n= 其中=600HZ n=(60600)/(2340)=150r/min,步进电动机的主要技术指标与运行特性,主要技术指标与运行特性 步距角和静态步距误差 最大静转矩 矩频特性 启动频率和连续运行频率,步进电动机技术指标实例，步进电动机的型号表示方法举例如下（不同生产厂家其表示方法也有所不同） 反应式步进电动机： （如150BF003） 混合式步进电动机：（如42BYG008） 永磁式步进电动机：,步进电动机的振荡、失步及解决方法 振荡，步进电动机的振荡现
10、象主要发生于：步进电动机工作在低频区；步进电动机工作在共振区；步进电动机突然停车时。当步进电动机工作在高频区时，由于换相周期短，转子来不及反冲。同时绕组中的电流尚未上升到稳定值，转子没有获得足够的能量，所以在这个工作区中不会产生振荡。减小步距角可以减小振荡幅值，以达到削弱振荡的目的。 失步，步进电动机的失步原因有两种。第一种是转子的转速慢于旋转磁场的速度，或者说慢于换相速度。例如，步进电动机在启动时，如果脉冲的频率较高，由于电动机来不及获得足够的能量，使其无法令转子跟上旋转磁场的速度，所以引起失步。因此步进电动机有一个启动频率，超过启动频率启动时，肯定会产生失步。注意，启动频率不是一个固定值，
11、提高电动机的转矩、减小电动机转动惯量、减小步距角都可以提高步进电动机的启动频率。第二种是转子的平均速度大于旋转磁场的速度。这主要发生在制动和突然换相时，转子获得过多的能量，产生严重的过冲，引起失步。 阻尼方法，消除振荡是通过增加阻尼的方法来实现的，主要有机械阻尼法和电子阻尼法两大类。机械阻尼法比较单一，就是在电动机轴上加阻尼器；电子阻尼法有多种，主要有：多相励磁法、变频变压法、细分步法、反相阻尼法等。,步进电动机的驱动方法,步进电动机的运行特性，不仅与步进电动机本身的特性和负载有关，而且与配套使用的驱动电源（即驱动电路）有着十分密切的关系。选择性能优良的驱动电源对于充分发挥步进电动机的性能是十
12、分重要的。 步进电动机的驱动方法是与驱动电源有关的。驱动电源按供电方式分类，有单电压供电、双电压供电、调频调压供电；按功率驱动部分所用元件分类，有大功率晶体管驱动、快速晶闸管驱动、可关断晶闸管驱动、混合驱动。图37为步进电动机驱动系统原理图。,步进电动机的控制方法可归纳为两点：第一，按预定的工作方式分配各个绕组的通电脉冲；第二，控制步进电动机的速度，使它始终遵循加速匀速减速的运动规律工作。控制绕组是按一定的通电方式工作的，为了实现这种轮流通电，必须依靠环形分配器将控制脉冲按规定的通电方式分配到各相控制绕组上。环形分配可以用硬件电路来实现，也可以由微机通过软件进行。 经分配器输出的脉冲，未经放大
13、时，其驱动功率很小，而步进电动机绕组需要相当大的功率，即需要较大的电流才能工作。所以由分配器输出的脉冲还需进行功率放大才能驱动步进电动机。,步进电动机驱动电源设计,驱动电源主要包括脉冲发生器（变频信号源）、环形分配器（又称脉冲分配器）和功率放大器几个基本部分。变频信号源是一个频率可从几十Hz到几十kHz连续变化的脉冲发生器。经济型数控系统中，脉冲的产生和分配均由微机来完成。下面主要介绍环形分配器和功率放大器。,环形分配器,步进电动机的每相绕组不是恒定的通电，而是按照一定的规律轮流通电，环形分配器的作用是将控制脉冲按规定方式分配到各相绕组上。环形分配器是根据步进电动机的相数和要求通电的方式来设计
14、的。环形分配器有硬件环形分配器、软件环形分配器。,硬件环形分配器,触发器型环形分配器 环形分配器种类很多，可以由D触发器或J-K触发器所组成。图38是一个由3只J-K触发器及12个与非门组成的三相六拍的环形分配器。,环形分配器集成芯片 目前市场上有很多可靠性高、尺寸小、使用方便的集成脉冲分配器供选择。按其电路结构不同可分为TTL集成电路和CMOS集成电路。如国产TTL脉冲分配器有三相（YBO13）、四相（YBO14）、五相（YBO15）和六相（YBO16），均为18个管脚的直插式封装。CMOS集成脉冲分配器也有不同型号。如CH250型是专为三相反应式步进电动机设计的环形分配器。封装形式为16脚
15、直插式。图39所示为三相六拍工作时的接线图。,EPROM可编程式,软件环形分配器,在程序中，只要依次将这10个控制字送到P1口，每送一个控制字，就完成一拍，步进电动机转过一个步距角。程序就是根据这个原理设计的。用R0作为状态计数器，来指示第几拍，按正转时加1，反转时减1的操作规律，则正转程序为：,CW： INC R0 ；正转加1 CJNE R0，#0AH，ZZ ；如果计数器等于10修正为0 MOV R0，#00H ZZ： MOV A，R0 ；计数器值送A MOV DPTR，#ABC ；指向数据存放首地址 MOV DPTR，#ABC ；指向数据存放首地址 MOVC A，A+DPTR ；取控制字 MOV P1，A ；送控制字到P1口 RET ABC： DB 0FCH，0F8H，0F9H，0F1H，0F3H ；10个控制字 DB 0E3H，0E7H，0E6H，0EEH，0ECH,反转程序为： CCW： DEC R0 ；反转减1(反序) CJNE R0，#0FFH，FZ ；如果计数器等于FFH修正为9 MOV R0，#09H FZ： MOV A，R0 MOV DPTR，#ABC ；指向数据存放首地址 MOVC A，A+DPTR
