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1、步进电动机的控制步进电动机的控制第3章1内容提要内容提要第第1 1节节 步进电动机的工作原理及驱动方法步进电动机的工作原理及驱动方法 第第2 2节节 步进电动机的开、闭环控制步进电动机的开、闭环控制 第第3 3节节 步进电动机的最佳点步进电动机的最佳点- -位控制位控制 第第4 4节节 步进电动机控制的程序设计步进电动机控制的程序设计2引引 言言步进电动机步进电动机主要用于开环控制系统主要用于开环控制系统，也可以用于闭环控制系统。，也可以用于闭环控制系统。由于它可以由于它可以直接接收计算机输出的数字信号，而不需要进行数直接接收计算机输出的数字信号，而不需要进行数/ /模转换，模转换，所以广泛应
2、用于数字控制系统。所以广泛应用于数字控制系统。步进电机步进电机角位移与控制脉冲间精确同步角位移与控制脉冲间精确同步，若将角位移的改变转变为线性，若将角位移的改变转变为线性位移、位置、体积、流量等物理量的变化，便可实现对它们的控制。位移、位置、体积、流量等物理量的变化，便可实现对它们的控制。（例如，在机械结构中，可以用丝杠把角度变成直线位移，也可以用它例如，在机械结构中，可以用丝杠把角度变成直线位移，也可以用它带动螺旋定位器，调节电压和电流，实现对执行机构的控制。带动螺旋定位器，调节电压和电流，实现对执行机构的控制。）步进电动机具有步进电动机具有快速启停快速启停、精确步进精确步进的特点，使其在定
3、位场合中得到了的特点，使其在定位场合中得到了广泛的应用。广泛的应用。( (如绘图机、打印机及光学仪器中，采用步进电动机来定如绘图机、打印机及光学仪器中，采用步进电动机来定位绘图笔、印字头或光学镜头。在工业过程控制的位置控制系统中应用位绘图笔、印字头或光学镜头。在工业过程控制的位置控制系统中应用也越来越广泛。也越来越广泛。) )3第第1 1节节 步进电动机的工作原理及驱动方法步进电动机的工作原理及驱动方法 步进电动机是一种将步进电动机是一种将电脉冲电脉冲信号变换成相应的信号变换成相应的角位移或直角位移或直线位移线位移的机电执行元件。相当于一个数字的机电执行元件。相当于一个数字/ /角度转换器，也
4、角度转换器，也是一个串行的数是一个串行的数/ /模转换器。输入一个电脉冲，电动机就转模转换器。输入一个电脉冲，电动机就转动一个固定的角度，称为动一个固定的角度，称为“一步一步”，这个固定的角度称为，这个固定的角度称为步距角。步距角。控制信号是脉冲电压、电流，所以有时也称为控制信号是脉冲电压、电流，所以有时也称为脉冲电动机脉冲电动机或或电脉冲马达电脉冲马达。 4 1. 1. 电机输出轴的电机输出轴的角位移与输入脉冲数成正比角位移与输入脉冲数成正比；转速与转速与脉冲频率成正比；转向与通电相序有关脉冲频率成正比；转向与通电相序有关。没有累积误差，具。没有累积误差，具有良好的跟随性。有良好的跟随性。
5、2. 2. 由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既简由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既简单、廉价，又非常可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组单、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。成高性能的闭环数控系统。 3. 3. 步进电机的动态响应快，易于起停、正反转、变速。步进电机的动态响应快，易于起停、正反转、变速。 4. 4. 步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和步进电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。机械负载采取相应的措施。 5. 5. 步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能步进电机自身的噪声和振动较大，带惯
6、性负载的能力较差。力较差。步进电动机有如下特点：步进电动机有如下特点：51.1.按运动方式来分：按运动方式来分：分为旋转运动、直线运动、平面运动（印刷绕组式）和分为旋转运动、直线运动、平面运动（印刷绕组式）和滚切运动式步进电机。滚切运动式步进电机。2.2.按工作原理来分：按工作原理来分：分为反应式分为反应式( (磁阻式磁阻式) )、电磁式、永磁式、永磁感应式、电磁式、永磁式、永磁感应式（混合式）步进电机。（混合式）步进电机。3.3.按其工作方式来分：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
7、带动较小的负载，对于大负载需通动较大的负载；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。过液压放大元件来传动。4.4.按结构来分：按结构来分：分为单段式（径向式）、多段式（轴向式）、印刷绕组式。分为单段式（径向式）、多段式（轴向式）、印刷绕组式。5.5.按相数来分：按相数来分：分为三相、四相、五相、六相等。分为三相、四相、五相、六相等。6.6.按使用频率来分：按使用频率来分：分为高频步进电机和低频步进电机。分为高频步进电机和低频步进电机。 不同类型步进电机其工作原理、驱动装置也不完全一样，但其工作过程不同类型步进电机其工作原理、驱动装置也不完全一样，但其工作过程基
8、本是相同的。基本是相同的。 一、步进电动机的种类一、步进电动机的种类6步进电动机的工作原理是基于电磁感步进电动机的工作原理是基于电磁感应原理。应原理。步进电动机和一般旋转电动机一样，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。分为定子和转子两大部分。定子定子由硅钢片叠成，配以一定相数由硅钢片叠成，配以一定相数的控制绕组，输入电脉冲对多相定子绕的控制绕组，输入电脉冲对多相定子绕组轮流进行励磁；组轮流进行励磁；转子转子用硅钢片叠成或用软磁性材料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做成凸极结构，转子本身没有励磁绕组的称为的称为“反应式反应式”步进电动机；用永久磁步
9、进电动机；用永久磁铁做转子的称为铁做转子的称为“永磁式永磁式”步进电动机；步进电动机；兼有永磁式和反应式两种步进电机的特兼有永磁式和反应式两种步进电机的特点，称为混合式步进电机。目前以反应点，称为混合式步进电机。目前以反应式步进电动机用得较多。式步进电动机用得较多。二、步进电动机的工作原理二、步进电动机的工作原理7（一）反应式步进电机的结构（一）反应式步进电机的结构1.1.单段（径向式）三相反应式步进电机的结构原理图单段（径向式）三相反应式步进电机的结构原理图 主要由定子和转子两部分组成。主要由定子和转子两部分组成。定子定子铁芯由硅钢片叠压而成，定子上有六铁芯由硅钢片叠压而成，定子上有六个均匀
10、分布的极，每两个为一对。定子绕个均匀分布的极，每两个为一对。定子绕组是绕置在定子上的六个均匀分布铁芯齿组是绕置在定子上的六个均匀分布铁芯齿上的线圈，它把沿直径方向上相对的两个上的线圈，它把沿直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。图中所示的步进电机为组。图中所示的步进电机为A A、B B、C C三相三相控制绕组，故称为三相步进电机。当任一控制绕组，故称为三相步进电机。当任一相绕组通电时，便形成一对定子磁极，即相绕组通电时，便形成一对定子磁极，即形成形成N N、S S极。极。 在定子的每个磁极上，即定子铁芯的在定子的每个磁极上，即定子铁芯的
11、每个齿上又开了五个小齿，齿槽等宽，齿每个齿上又开了五个小齿，齿槽等宽，齿间夹角为间夹角为99，在空间位置上依次错开，在空间位置上依次错开1/31/3齿距其展开图如图所示。齿距其展开图如图所示。8图图3-1 3-1 单段式反应式步进电动机单段式反应式步进电动机结构原理图结构原理图9转子转子是一个带齿的铁芯，转子上没有绕组，转子上均匀分布了是一个带齿的铁芯，转子上没有绕组，转子上均匀分布了4040个小齿，齿槽等宽，齿间夹角也是个小齿，齿槽等宽，齿间夹角也是99，与定子磁极上的小齿一致。，与定子磁极上的小齿一致。当定子当定子A A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，定子相磁极上的小齿与转子上的小齿对
12、齐时，定子B B相磁极上相磁极上的小齿刚好超前的小齿刚好超前( (或滞后或滞后) )转子小齿转子小齿1/31/3齿距角，定子齿距角，定子C C相磁极上的相磁极上的小齿超前小齿超前( (或滞后或滞后) )转子小齿转子小齿2/32/3齿距角。齿距角。10步进电机步进电机A A相通电状态相通电状态112.2.单段三相反应式步进电机的工作原理单段三相反应式步进电机的工作原理（近似于电磁铁的工作原理）近似于电磁铁的工作原理）三相单三拍工作方式：三相单三拍工作方式：如图转子上有四个均匀分布的齿如图转子上有四个均匀分布的齿1 1、2 2、3 3、4 4。当。当A A相通电相通电，B B、C C都不通电，因磁
13、通总是要沿着磁阻最少的路径闭合，将使转子齿都不通电，因磁通总是要沿着磁阻最少的路径闭合，将使转子齿1 1、3 3吸引到吸引到定子磁极定子磁极A A、AA下，并对齐，图下，并对齐，图(a),(a),因转子只受到径向力而无切向力，故转矩因转子只受到径向力而无切向力，故转矩为零，转子被自锁在这个位置为零，转子被自锁在这个位置；当当B B相绕组通电相绕组通电，A A、C C相不通电，将使转子齿相不通电，将使转子齿2 2、4 4和定子磁极和定子磁极B B、BB对齐，在电磁力矩的作用下使转子沿逆时针方向转过对齐，在电磁力矩的作用下使转子沿逆时针方向转过3030，图图(b)(b)；C C相通电相通电，A A
14、、B B相断电，又使转子齿相断电，又使转子齿1 1、3 3和定子磁极和定子磁极C C、CC对齐，在电磁对齐，在电磁力矩的作用下使转子再沿着逆时针方向转过力矩的作用下使转子再沿着逆时针方向转过3030，图，图(C)(C)。若使定子绕组按。若使定子绕组按A-B-A-B-C-AC-A的顺序通电，则步进电机转子便不停地沿逆时针方向转动。如果定子绕的顺序通电，则步进电机转子便不停地沿逆时针方向转动。如果定子绕组的通电顺序为组的通电顺序为A-C-B-AA-C-B-A则步进电机转子沿顺时针方向转动。则步进电机转子沿顺时针方向转动。要点：磁力线力图走磁阻最小的路径，从而产生反应力矩；要点：磁力线力图走磁阻最小
15、的路径，从而产生反应力矩； 各相定子齿之间彼此错开各相定子齿之间彼此错开1/m1/m齿距，齿距，m m为相数，这里为相数，这里m=3m=3。磁力线：磁力线：外边是从外边是从N N极指向极指向S S极极。12三相单三拍工作方式从一相绕组的通电或断电切换到另一相绕组的三相单三拍工作方式从一相绕组的通电或断电切换到另一相绕组的断电或通电时，由于电机绕组是电感性元件，磁场的消失或建立均需一断电或通电时，由于电机绕组是电感性元件，磁场的消失或建立均需一定时间，因此，定时间，因此，切换期间容易使电机产生失步切换期间容易使电机产生失步。此外，此外，由单一绕组通电吸引转子，也容易使转子在平衡位置附近产生由单一
16、绕组通电吸引转子，也容易使转子在平衡位置附近产生振荡，振荡，运行的稳定性较差，所以很少采用。运行的稳定性较差，所以很少采用。三相双三拍工作方式：三相双三拍工作方式：为了克服以上不足，通常将其改为三相为了克服以上不足，通常将其改为三相双双三拍通电三拍通电方式，即按方式，即按AB-BC-CA-ABAB-BC-CA-AB方式通电，可使电机正转；反之按方式通电，可使电机正转；反之按AB-AC-BC-AB-AC-BC-ABAB方式通电，可使电机反转。这种工作方式每个通电状态均为两相绕方式通电，可使电机反转。这种工作方式每个通电状态均为两相绕组同时通电，且相邻的两个工作节拍中总有一相保持通电的状态不变，因
17、组同时通电，且相邻的两个工作节拍中总有一相保持通电的状态不变，因此，可避免三相单三拍工作方式的失步和低频振荡等现象。三相双三此，可避免三相单三拍工作方式的失步和低频振荡等现象。三相双三拍拍工工作方式下，每改变一次通电状态可使步进电机旋转作方式下，每改变一次通电状态可使步进电机旋转3030。三相六拍工作方式：三相六拍工作方式：为减小每改变一次通电状态使步进电机所转过的角为减小每改变一次通电状态使步进电机所转过的角度，而采用三相六拍通电方式。即按度，而采用三相六拍通电方式。即按A-AB-B-BC-C-CA-AA-AB-B-BC-C-CA-A方式通电，使方式通电，使电机正转；反之，按电机正转；反之，
18、按A-AC-C-BC-B-AB-AA-AC-C-BC-B-AB-A方式通电，使电机反转。三方式通电，使电机反转。三相六拍工作方式除具有三相双三拍的特点外，还可使步进电机每改变一相六拍工作方式除具有三相双三拍的特点外，还可使步进电机每改变一次通电状态仅旋转次通电状态仅旋转1515。13 通电方式通电方式: : 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“一拍一拍”。步进电动机有。步进电动机有单相轮流通电单相轮流通电、双相轮流通电双相轮流通电和和单单双相轮流通电双相轮流通电的方式。的方式。 14图图3-2 3-2 三三段段三三相相反反应应式式步
19、步进进电电动动机机结构原理图结构原理图3.3.多段反应式步进电机结构及工作原理多段反应式步进电机结构及工作原理前面介绍的前面介绍的单段单段反应式步进电机是按反应式步进电机是按径向分相的，此外，还有一种反应式径向分相的，此外，还有一种反应式步进电机是按步进电机是按轴向分相轴向分相，这种步进电，这种步进电机又称为机又称为多段多段反应式步进电机。反应式步进电机。多段反应式步进电机是沿轴向分成磁多段反应式步进电机是沿轴向分成磁性相对独立的几段，每一段都有一组性相对独立的几段，每一段都有一组励磁绕组，形成一相，因此，三相电励磁绕组，形成一相，因此，三相电动机有三段，其结构如图动机有三段，其结构如图3-2
20、3-2所示。所示。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。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。154 4. .小步距角步进电动机小步距角步进电动机 图图3-13-1所示为三相反应式步进电动机。设所示为三相反应式步进电动机。设m m为相数为相数，z z为为转子的齿数转子的齿数则则齿距齿距： 因为每通电一次（即运行一拍），转子就走一步，各因为每通电一次（即运行一拍），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。故相绕组轮流通电一次，转子就转过一个齿距。故步距角步距角： K-K-定子绕组通电方式系数。相邻两次通电的相数一样，取定子绕组通电方式系数。相邻
21、两次通电的相数一样，取K=lK=l，如三，如三相单三拍、三相双三拍工作方式；反之，取相单三拍、三相双三拍工作方式；反之，取K=2K=2，如三相单双六拍工作方，如三相单双六拍工作方式。（拍数式。（拍数/ /相数）相数）16若步进电动机的转子齿数若步进电动机的转子齿数z=40z=40，按三相单三拍运行时，按三相单三拍运行时，K=1K=1，m=3m=3：若按五相十拍运行时，则若按五相十拍运行时，则K=2K=2，m=5m=5，z=40z=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。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
22、做成故步进电动机可以做成三相，也可以做成二相、四相、五相、六相或更二相、四相、五相、六相或更多相数。多相数。17若步进电动机通电的脉冲频率为若步进电动机通电的脉冲频率为 ( (脉冲数脉冲数/ /秒秒) )，步距角用弧度表示，步距角用弧度表示，则则步进电动机的转速步进电动机的转速：由上式可知，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。数越多，转速就越低。而且相数越多，驱动电源也越复杂，成本也就而且相数越多，驱动电源也越复杂，成本也就越高。越高。18 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步进电
23、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对应工作台的移动量便是工作台的最小运动单位，也称动单位，也称脉冲当量脉冲当量（mm/mm/脉冲）：脉冲）： 式中式中 t t ：丝杆导程（：丝杆导程（mmmm），丝杆的导程就是丝杠旋转一周所走的丝杆的导程就是丝杠旋转一周所走的行程，也有人叫螺距。行程，也有人叫螺距。 b b ：步距角（：步距角（ ） i ：减速装置传动比：减速装置传动比 工作台的进给速度工作台的进给速度v(mm/min)v(mm/min)： v =60=60 19解：解：脉冲分配方式有两种：脉冲分配
24、方式有两种： 根据根据 ，其中，其中K=2,m=3,Z=40.K=2,m=3,Z=40. b b=360/(4023)=1.5=360/(4023)=1.5 根据根据 n= ,n= ,其中其中=600HZ=600HZ n= n=1.5*600*601.5*600*60/ /360360=150r/min=150r/min 例例3-1.3-1.一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4040个个齿，脉冲频率为齿，脉冲频率为600Hz600Hz，求：，求：写出一个循环的通电顺序；写出一个循环的通电顺序；求步进电动机步求步进电动机步
25、距角；距角；求步进电动机转速。求步进电动机转速。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。负载能力差、高速时易失步、断电后无定位转矩的缺点。AABBBCCCA 或 AACCCBBBA20212223（1 1）主要技术指标与运行特性）主要技术指标与运行特性 1 1）步距角和静态步距误差）步距角和静态步距误差a.a.步距角步距角 步距角步距角: :也称为步距。它的大小由下式也称为步距。它的大小由下式（3-23-2）决定。目前我国步）决定。目前我国步进电动机的步距角为进电动
26、机的步距角为0.360.36至至9090。常用的为。常用的为7.5/157.5/15、3/63/6、1.5/31.5/3、0.9/1.80.9/1.8、0.75/1.50.75/1.5、0.6/1.20.6/1.2、0.36/0.720.36/0.72等几种。等几种。 若通电方式和系统的传动比已初步确定，则若通电方式和系统的传动比已初步确定，则步距角步距角应满足应满足: : b biiminmin 5.5.步进电动机的主要技术指标与运行特性步进电动机的主要技术指标与运行特性 i 传动比传动比min负载轴要求的最小位移增量（即每个脉冲对应的负载轴要求的最小位移增量（即每个脉冲对应的最小最小角角位
27、位移增量）移增量）（3-2）24 例如，所用丝杠螺距为例如，所用丝杠螺距为12.7mm12.7mm (t), ,线性增量为线性增量为0.529mm/0.529mm/每步每步( () )（取决（取决于运动精度）于运动精度），所需电动机步距为角：，所需电动机步距为角：步距脚步距脚b b也可用也可用分辨率分辨率b bs s来表示：来表示：bs=360/ b（步（步/转）转）当步进电机拖动的机械作直线运动时，用丝杠作运动转换器，步进电当步进电机拖动的机械作直线运动时，用丝杠作运动转换器，步进电机的步距角可按以下公式计算：机的步距角可按以下公式计算： 直线增量运动当量（直线增量运动当量（mm/mm/每步
28、）每步） t t丝杠螺距（丝杠螺距（mmmm/ /周周）可知，可知，360360/15/15=24=24，需要一台每转需要一台每转2424步的步进电机。步的步进电机。设传动比为设传动比为1 125 b.b.静态步距误差静态步距误差 静态步距角误差静态步距角误差: :从理论上讲，每一个脉冲信号应使电动机转子转过从理论上讲，每一个脉冲信号应使电动机转子转过相同的步距角。但实际上，由于定、转子的相同的步距角。但实际上，由于定、转子的齿距分布不均匀齿距分布不均匀，定、转子之定、转子之间的气隙不均匀间的气隙不均匀或或铁心分段时的错位误差铁心分段时的错位误差等，实际步距角与理论步距角之等，实际步距角与理论
29、步距角之间会存在偏差，这个偏差称为间会存在偏差，这个偏差称为静态步距角误差静态步距角误差。 步距精度步距精度b b应满足应满足: :L L丝杠传动精度丝杠传动精度26 步进电动机的静特性，是指步进电动机在稳定状态（即步进电动机不步进电动机的静特性，是指步进电动机在稳定状态（即步进电动机不改变通电情况的运行状态）时的特性，包括改变通电情况的运行状态）时的特性，包括静转矩、矩角特性静转矩、矩角特性及及静态稳定静态稳定区区。 静转矩静转矩：指步进电动机处于稳定状态下的电磁转矩。它：指步进电动机处于稳定状态下的电磁转矩。它是是绕组电流绕组电流和和失失调角调角的函数。的函数。 在稳定状态下，如果在转子轴
30、上加一负载转矩使转子转过一个角度在稳定状态下，如果在转子轴上加一负载转矩使转子转过一个角度，并能稳定下来，这时转子受到的电磁转矩与负载转矩相等，该电磁转矩，并能稳定下来，这时转子受到的电磁转矩与负载转矩相等，该电磁转矩即为即为静转矩静转矩，而，而角度角度即为失调角（或：即为失调角（或：电机定子齿与转子齿中电机定子齿与转子齿中心线之间心线之间的夹角叫做失调角的夹角叫做失调角）。 对应于某个失调角时，静转矩最大，称为对应于某个失调角时，静转矩最大，称为最大静转矩最大静转矩T Tjmax。可从矩角。可从矩角特性上反映特性上反映T Tjmax，如图，如图3-43-4所示，当失调角所示，当失调角=90=
31、90时，将有最大静转矩。时，将有最大静转矩。2 2）最大静转矩）最大静转矩27静转矩和失调角之间的特性曲线，叫做矩角特性静转矩和失调角之间的特性曲线，叫做矩角特性： T = -C sin 由此我们可以发现步进电动机的工作过程就是实现失调角为零的过程。由此我们可以发现步进电动机的工作过程就是实现失调角为零的过程。28多多相相通通电电时时的的矩矩角角特特性性和和最最大大静静态态转转矩矩：按按照照叠叠加加原原理理，根根据据各各相相通通电电时时的的矩矩角角特特性性叠叠加加起起来来求求出出。例例如如三三相相步步进进电电动动机机常常用用单单- -双双相相通通电电的的方方式式。当当两两相相通通电电时时，由由
32、于于正正弦弦量量可可以以用用相相量量相相加加的的方方法法求求和和，因因此此两两相相通通电电时时的的最最大大静静态态转转矩矩可可用用相相量量图图求求取取。用用相相量量T TA A和和T TB B分分别别表表示示A A相相和和B B相相单单独独通通电电时时的的最最大大静静态态转转矩矩，两两相相通通电时的最大静态转矩电时的最大静态转矩T TABAB为：为：式中式中，Tmax=TA=TB29从上式可知，对于从上式可知，对于三相三相步进电动机，步进电动机，T TABAB=T=TA A=T=TB B，即两相通即两相通电时的最大静态转矩值与单相通电时的最大静态转矩值相电时的最大静态转矩值与单相通电时的最大静
33、态转矩值相等。等。此时三相步进电动机不能靠提高通电相数来提高转矩。此时三相步进电动机不能靠提高通电相数来提高转矩。 五相步进电动机五相步进电动机三相通电时的最大静态转矩三相通电时的最大静态转矩: :由于采用了由于采用了2-32-3相通电方式，相通电方式，最大静态转矩提高了最大静态转矩提高了，而且，而且矩角特性形状相同，对步进电动机运行稳定性有利。矩角特性形状相同，对步进电动机运行稳定性有利。 使用步进电机时，一般电动机轴上的使用步进电机时，一般电动机轴上的负载转矩负载转矩TL=(0.30.5)Tmax，启动转矩启动转矩Ts总是小于最大静态转矩总是小于最大静态转矩Tjmax。30T0图图3-5
34、3-5 矩频特性矩频特性 /Hz当步进电动机的控制绕组的当步进电动机的控制绕组的电脉冲时电脉冲时间间隔间间隔小于电机小于电机机电过渡过程所需的机电过渡过程所需的时间时时间时，步进电动机进入连续运行状，步进电动机进入连续运行状态，这时电动机产生的转矩称为态，这时电动机产生的转矩称为动态动态转矩转矩。步进电动机的步进电动机的最大动态转矩最大动态转矩和和脉冲频脉冲频率率的关系，即的关系，即Tdm=F()，称为，称为矩频特矩频特性性，如图，如图3-53-5所示。所示。即，步进电动机的即，步进电动机的动态转矩随着脉冲动态转矩随着脉冲频率的升高而降低频率的升高而降低。 3 3）矩频特性）矩频特性什么是矩频
35、特性？什么是矩频特性？31步进电动机的控制绕组是步进电动机的控制绕组是感性感性元件，其电流按指数函数增长。元件，其电流按指数函数增长。 当电脉冲频率低时，电流可以达到稳定值，如图当电脉冲频率低时，电流可以达到稳定值，如图3-6a3-6a所示。所示。 随着频率升高，达到稳定值的时间缩短，如图随着频率升高，达到稳定值的时间缩短，如图3-6b3-6b所示。所示。 当频率高到一定值时，电流就达不到稳定值，如图当频率高到一定值时，电流就达不到稳定值，如图3-6c3-6c所示，所示，故电故电动机的最大动态转矩小于最大静转矩动机的最大动态转矩小于最大静转矩，而且脉冲频率越高，动态转矩也而且脉冲频率越高，动态
36、转矩也就越小就越小。对于某一频率。只有当负载转矩小于它在该频率时的最大动态对于某一频率。只有当负载转矩小于它在该频率时的最大动态转矩，电动机才能正常运转转矩，电动机才能正常运转。（a） (b) (c)图图3-6 3-6 不同频率时的控制绕组中电流波形不同频率时的控制绕组中电流波形矩频特性有什么特点？矩频特性有什么特点？32 为了提高步进电动机的矩频特性，必须设法减小控制绕组的电气时间常数为了提高步进电动机的矩频特性，必须设法减小控制绕组的电气时间常数（=L/R=L/R），为此要），为此要： 尽量减小它的电感，使控制绕组匝数减少尽量减小它的电感，使控制绕组匝数减少，所以步进电动机控制绕组的电流，
37、所以步进电动机控制绕组的电流一般都比较大。一般都比较大。 有时也在控制绕组回路中有时也在控制绕组回路中串接一个较大的附加电阻串接一个较大的附加电阻，以降低回路电气时间常以降低回路电气时间常数数，但这样就增加了在附加电阻上功率损耗，导致步进电动机及系统效率降低。，但这样就增加了在附加电阻上功率损耗，导致步进电动机及系统效率降低。 也也可以采用双电源供电可以采用双电源供电，即在控制绕组电流的上升阶段由高压电源供电，以，即在控制绕组电流的上升阶段由高压电源供电，以缩短达到稳定值的时间，然后再改为低压电源供电以维持其电流值，这样可大缩短达到稳定值的时间，然后再改为低压电源供电以维持其电流值，这样可大大
38、提高步进电动机的矩频特性。大提高步进电动机的矩频特性。 怎样提高矩频特性？怎样提高矩频特性？33步进电动机的工作频率一般包括步进电动机的工作频率一般包括启动频率启动频率、制动频率制动频率和和连连续运行频率续运行频率。（对同样的负载转矩来说，正、反向的启动。（对同样的负载转矩来说，正、反向的启动频率和制动频率是一样的，所以一般技术数据中只给出启频率和制动频率是一样的，所以一般技术数据中只给出启动频率和连续运行频率。）动频率和连续运行频率。） 步进电动机的启动频率步进电动机的启动频率 stst是指在一定负载转矩下能够不失是指在一定负载转矩下能够不失步地启动的最高脉冲频率。步地启动的最高脉冲频率。
39、stst的大小与驱动电路和负载大的大小与驱动电路和负载大小有关。步距角小有关。步距角b b越小，负载（包括负载转矩与转动惯越小，负载（包括负载转矩与转动惯量）越小，则启动频率越高。量）越小，则启动频率越高。 4 4）启动频率和连续运行频率）启动频率和连续运行频率34步进电动机的连续运行频率步进电动机的连续运行频率cc：是指步进电动机启动后，当控制脉冲是指步进电动机启动后，当控制脉冲频率连续上升时，能不失步运行的最高频率。它的值也与负载有关。频率连续上升时，能不失步运行的最高频率。它的值也与负载有关。 步进电动机的运行频率比启动频率高得多步进电动机的运行频率比启动频率高得多，这是因为在启动时除，
40、这是因为在启动时除了要克服负载转矩外，还要克服轴上的惯性转矩。启动时转子的角加了要克服负载转矩外，还要克服轴上的惯性转矩。启动时转子的角加速度大，它的负担要比连续运转时重。所以启动时，脉冲频率不宜过速度大，它的负担要比连续运转时重。所以启动时，脉冲频率不宜过高。启动以后，再逐渐升高脉冲频率。高。启动以后，再逐渐升高脉冲频率。35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）也有所不同）反应式步进电动机反应式步进电动机: :（如（如150150BF/BCBF/BC003003）混合式步进电动机混合式步进电动机: :（如
41、（如4242BYGBYG008008：四相永磁感应式步进电动机：四相永磁感应式步进电动机）永磁式步进电动机永磁式步进电动机: :励磁绕组相数或代号永磁式步进电动机 BY 电动机外径（mm）励磁绕组相数或代号混合式（永磁感应式）步进电动机 BYG 电动机外径（mm）励磁绕组相数或代号反应式步进电动机 BF 电动机外径（mm）5 5）步进电动机技术指标实例）步进电动机技术指标实例369090- - BYG BYG - - 2 2 - - 50 50 - - A A机座号机座号 混合式混合式 相数相数 转子齿数转子齿数 派生代号派生代号（外径）（外径）mmmm 步进电动机步进电动机 37 混合式步进
42、电机（混合式步进电机（兼有永磁式和反应式两种步进电兼有永磁式和反应式两种步进电机的特点机的特点）。）。转子转子由圆周上均匀分布一定数量小齿的两由圆周上均匀分布一定数量小齿的两段齿片组成，这两段齿片相互段齿片组成，这两段齿片相互错开半个齿距错开半个齿距，两块齿片，两块齿片之间夹有一个轴向充磁的环形永久磁钢之间夹有一个轴向充磁的环形永久磁钢( (如图如图3-43-4所示所示) )。这样，与这样，与N N极磁钢相连的那段转子整个呈极磁钢相连的那段转子整个呈N N极，另一端与极，另一端与S S极磁钢相连，呈极磁钢相连，呈S S极，产生的合成转矩使转子转动。一极，产生的合成转矩使转子转动。一般为两相或三
43、相；须供给正负脉冲信号；般为两相或三相；须供给正负脉冲信号；输出转矩较永输出转矩较永磁式大（消耗功率相对较小）；步距角较永磁式小（一磁式大（消耗功率相对较小）；步距角较永磁式小（一般为般为1.81.8度）；度）；断电时无定位转矩；启动和运行频率较断电时无定位转矩；启动和运行频率较高；是目前发展较快的一种步进电机。高；是目前发展较快的一种步进电机。3839 步进电动机的振荡和失步是一种普遍存在的现象，它影步进电动机的振荡和失步是一种普遍存在的现象，它影响系统的正常运行，因此要尽力避免。响系统的正常运行，因此要尽力避免。失步失步包括包括丢步丢步和和越步越步。丢步时指转子前进的步距数小于脉冲数；越步
44、是指转子前进丢步时指转子前进的步距数小于脉冲数；越步是指转子前进的步距数多于脉冲数。丢步严重时，转子将停留在一个位置的步距数多于脉冲数。丢步严重时，转子将停留在一个位置上或围绕一个位置振动。上或围绕一个位置振动。（a a）振荡）振荡 步进电动机的振荡现象主要发生于：步进电动机的振荡现象主要发生于：（2 2）步进电动机的振荡、失步及解决方法）步进电动机的振荡、失步及解决方法步进电动机工作在低频区；步进电动机工作在低频区；步进电动机工作在共振区；步进电动机工作在共振区；步进电机突然停车时。步进电机突然停车时。40当步进电机工作在低频区时当步进电机工作在低频区时，由于励磁脉冲间隔的时间较长，步进电，
45、由于励磁脉冲间隔的时间较长，步进电机表现为单步运行。机表现为单步运行。 当励磁开始时，转子在电磁力的作用下加速转动。在到达平衡点当励磁开始时，转子在电磁力的作用下加速转动。在到达平衡点时，电磁驱动转矩为零，但转子的转速最大，由于惯性，转子冲过平时，电磁驱动转矩为零，但转子的转速最大，由于惯性，转子冲过平衡点。这时电磁力产生负转矩，转子在负转矩的作用下，转速逐渐为衡点。这时电磁力产生负转矩，转子在负转矩的作用下，转速逐渐为零，并开始反向转动。当转子反转过平衡点后，电磁力又产生正转矩，零，并开始反向转动。当转子反转过平衡点后，电磁力又产生正转矩，迫使转子又正向转动，形成转子围绕平衡点的振荡。由于有
46、机械摩擦迫使转子又正向转动，形成转子围绕平衡点的振荡。由于有机械摩擦和电磁阻尼的作用，这个振荡表现为衰减振荡，最终稳定在平衡点。和电磁阻尼的作用，这个振荡表现为衰减振荡，最终稳定在平衡点。 41当步进电机工作在共振区时，当步进电机工作在共振区时，步进电机的步进电机的控制脉冲频率控制脉冲频率接近接近步进电机步进电机的固有频率的固有频率 ( (振荡频率振荡频率) )或或固有频率的分频或倍频固有频率的分频或倍频，这会使振荡加剧，这会使振荡加剧，严重时造成失步。步进电动机的严重时造成失步。步进电动机的固有频率固有频率(振荡频率振荡频率) ) 可由下式求出：可由下式求出： 振荡失步的过程振荡失步的过程可
47、描述如下：在第一个脉冲到来后，转子经历了可描述如下：在第一个脉冲到来后，转子经历了一次振荡。当转子回摆到最大幅值时，恰好第二个脉冲到来，转子受一次振荡。当转子回摆到最大幅值时，恰好第二个脉冲到来，转子受到的电磁转矩为负值，使转子继续回摆。接着第三个脉冲到来，转子到的电磁转矩为负值，使转子继续回摆。接着第三个脉冲到来，转子受正电磁转矩的作用回到平衡点。这样，转子经过三个脉冲仍然回到受正电磁转矩的作用回到平衡点。这样，转子经过三个脉冲仍然回到原来位置，也就是丢了三步。原来位置，也就是丢了三步。 J J转动惯量；转动惯量；Z Z转子齿数；转子齿数；TmaxTmax最大转矩。最大转矩。42当步进电机工
48、作在高频区时当步进电机工作在高频区时，由于换相周期短，转子来不及反冲。同，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。到削弱振荡的目的。（b b）失步）失步步进电动机的失步原因有两种：步进电动机的失步原因有两种：第一种是转子的转速慢于换相速度第一种是转子的转速慢于换相速度。例如，步进电动机在启动时，如。例如，步进电动机在启动时，如果果脉冲的频率较高脉
49、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，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，提高电动机的转矩、减小电动机转动惯量、减小步不是一个固定值，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）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第二种是转子的平均速度大于旋
50、转磁场的速度。这主要发生在制动和。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。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。 43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。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；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。法、反相阻尼法等。（c c）阻尼方法）阻尼方法44步进电
51、动机的运行特性，不仅与步进电动机本身的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。驱动电路）有着十分密切的关系。驱动电源按供电方式分类，驱动电源按供电方式分类，有有：单电压供电、双电单电压供电、双电压供电、调频调压供电压供电、调频调压供电；按功率驱动部分所用元件；按功率驱动部分所用元件分类，有分类，有大功率晶体管驱动、快速晶闸管驱动、可大功率晶体管驱动、快速晶闸管驱动、可关断晶闸管驱动、混合驱动。关断晶闸管驱动、混合驱动。图图3-73-7为步进电动机驱动系统原理图。为步进电动机
52、驱动系统原理图。 三、步进电动机的驱动方法三、步进电动机的驱动方法45驱动器：驱动器：德国百格拉德国百格拉WD3-007WD3-00746信号接口：信号接口：PULSE+PULSE+ 电机输入控制脉冲信号；电机输入控制脉冲信号； DIR+DIR+ 电机转动方向控制信号；电机转动方向控制信号； RESET+RESET+ 复位信号，用于封锁输入信号；复位信号，用于封锁输入信号； READY+READY+ 报警信号；报警信号； PULSE-PULSE-、DIR-DIR-、RESET-RESET-和和READY-READY-短接公共地；短接公共地；状态指示：状态指示：RDYRDY 灯亮表示驱动器正常工
53、作；灯亮表示驱动器正常工作； TEMPTEMP 灯亮表示驱动器超温；灯亮表示驱动器超温； FLTFLT 灯亮表示驱动器故障；灯亮表示驱动器故障；功能选择：功能选择：MOT.CURRMOT.CURR 设置电机相电流；设置电机相电流； STEP1STEP1、STEP2STEP2 设置电机每转的步数；设置电机每转的步数； CURR.RED CURR.RED 设定半流功能设定半流功能 PULSE.SYSPULSE.SYS 可设置成可设置成“脉冲和方向脉冲和方向”控制方式；控制方式； 也可以设置成也可以设置成“正转和反转正转和反转”控制方式；控制方式；功率接口：功率接口：DC+DC+和和DC-DC-接制
54、动电容；接制动电容； U U、V V、W W 接电机动力线，接电机动力线，PEPE是地；是地； L L、N N、PEPE 接接驱动器电源驱动器电源，电源电压是电源电压是220VAC220VAC输入输入时，最大电流是时，最大电流是3A3A。电源线横截面。电源线横截面1.51.5平方毫米，尽量短。平方毫米，尽量短。驱动器的驱动器的L L端和端和N N端接供电电源，同时要串接一个端接供电电源，同时要串接一个6.3A6.3A保险丝；保险丝；PEPE为接地。为接地。47PULSE：脉冲信号输入端，每一个脉冲的脉冲信号输入端，每一个脉冲的上升沿上升沿使电机转动一步。使电机转动一步。DIR：方向信号输入端，
55、如方向信号输入端，如“DIR”为低电平，电机按顺时针方向旋转为低电平，电机按顺时针方向旋转； “DIR”为高电平电机按逆时针方向旋转。为高电平电机按逆时针方向旋转。CW：正转信号，每个脉冲使电机正向转动一步。正转信号，每个脉冲使电机正向转动一步。CCW：反转信号，每个脉冲使电机反向转动一步。反转信号，每个脉冲使电机反向转动一步。RESET：复位信号，如复位信号为复位信号，如复位信号为低电平时低电平时,输入脉冲信号起作用输入脉冲信号起作用，如果，如果复位信号为复位信号为高电平时就禁止任何有效的脉冲高电平时就禁止任何有效的脉冲，输入信号无效输入信号无效，电机无保，电机无保持扭矩。持扭矩。READY
56、: 输入报警信号：输入报警信号：READY是继电器开关，当驱动器正常工作时继是继电器开关，当驱动器正常工作时继电器闭合，当驱动器工作异常时继电器断开。继电器允许最高输入电压电器闭合，当驱动器工作异常时继电器断开。继电器允许最高输入电压和电流是：和电流是：35VDC，10mAI200mA，电阻性负载。如用该继电器，要，电阻性负载。如用该继电器，要把他串联到把他串联到CNC的某输入端。当驱动器正常工作时继电器闭合，外部的某输入端。当驱动器正常工作时继电器闭合，外部24VDC通过继电器输入到通过继电器输入到CNC输入端，否则外部输入端，否则外部24VDC无法输入到无法输入到CNC输入端。输入端。注意
57、：注意：PULSE与与CW，PULSE与与CW，DIR与与CCW，DIR与与CCW对应同一个接口，按控制方式不同给出两种定义名称；可以对应同一个接口，按控制方式不同给出两种定义名称；可以用两相脉冲输出（用两相脉冲输出（CW/CCW）方式进行控制，也可以用）方式进行控制，也可以用（PULSE+DIR）方式控制。）方式控制。 48脉冲、方向信号时序图脉冲、方向信号时序图上位机的控制信号可以高电平有效，也可以低电平有效。上位机的控制信号可以高电平有效，也可以低电平有效。高有效时，把所有控制信号的负端连在一起作为信号地，高有效时，把所有控制信号的负端连在一起作为信号地，低有效时，把所有控制信号的正端连
58、在一起作为信号公共端。低有效时，把所有控制信号的正端连在一起作为信号公共端。49MOT.CURRMOT.CURR：设置输出相电流：设置输出相电流位置位置2 23 34 45 56 67 78 89 9A AB BC CD DE EF F电流电流0.90.91.01.01.11.11.31.31.41.41.51.51.61.61.81.81.91.92.02.02.12.12.32.32.42.42.52.5STEP1STEP1、STEP2STEP2：设置电机每转步数：设置电机每转步数驱动器驱动器WD3-007WD3-007可将电机的步数分别设置为可将电机的步数分别设置为500500、1000
59、1000、50005000、1000010000步。用户可以通过驱动器正面板上的两个拨码开关步。用户可以通过驱动器正面板上的两个拨码开关STEP1STEP1、STEP2STEP2设置设置电机的步数如下表：电机的步数如下表：STEP1STEP1状态状态OFFOFFONONOFFOFFONONSTEP2STEP2状态状态OFFOFFOFFOFFONONONON步数步数/ /转转5005001000100050005000100001000050CURR.REDCURR.RED：设定半流功能：设定半流功能 半流功能是指电机半流功能是指电机带电静止带电静止100ms100ms后后，驱动器，驱动器输出电
60、流降为额输出电流降为额定输出电流的定输出电流的60%60%，用来防止电机发热。当拨码开关，用来防止电机发热。当拨码开关CURR.REDCURR.RED设置为设置为“OFFOFF”时，有半流功能；当设置成时，有半流功能；当设置成“ONON”时，无半流功能。时，无半流功能。PULPULS SE.SYSE.SYS：控制方式选择：控制方式选择 拨码开关（拨码开关（PULSE.SYSPULSE.SYS）可设置成两种控制方式：）可设置成两种控制方式：当设置成当设置成“OFFOFF”时，为时，为“脉冲和方向脉冲和方向”控制方式；控制方式；当设置成当设置成“ONON”时，为时，为“正转和反转正转和反转”控制方
61、式。控制方式。51“PULSE.SYSPULSE.SYS”为控制方式选择开关为控制方式选择开关PULSE.SYS控制方式控制方式高电平有效接线高电平有效接线低电平有效接线低电平有效接线ON正转和反转正转和反转（双脉冲方式）（双脉冲方式）CW+接正转信号接正转信号CCW+接反转信号接反转信号CW-与与CCW-短接为信短接为信号地号地CW-接正转信号接正转信号CCW-接反转信号接反转信号CW+与与CCW+短接为公共短接为公共端端OFF脉冲和方向脉冲和方向（单脉冲方式）（单脉冲方式）PULSE+接脉冲信号接脉冲信号DIR+接方向信号接方向信号PULSE-与与DIR-短接为短接为信号地信号地PULSE
62、-接脉冲信号接脉冲信号DIR-接方向信号接方向信号PULSE+与与DIR+短接为公短接为公共端共端52第一、按预定的工作方式分配各个绕组的通电脉冲；第一、按预定的工作方式分配各个绕组的通电脉冲；第二、控制步进电机的速度，使它始终遵循加速第二、控制步进电机的速度，使它始终遵循加速- -匀速匀速- -减速的运动规减速的运动规律工作。律工作。 步进电机的控制方法可归纳为两点：步进电机的控制方法可归纳为两点：53 驱动电源主要包括驱动电源主要包括脉冲发生器脉冲发生器（变频信号源）、（变频信号源）、环环形分配器形分配器（又称脉冲分配器）和（又称脉冲分配器）和功率放大器功率放大器几个基本部几个基本部分。分
63、。 变频信号源是一个频率可从变频信号源是一个频率可从几十几十HzHz到几十到几十kHzkHz连续连续变化的脉冲发生器。变化的脉冲发生器。 经济型数控系统中经济型数控系统中，脉冲的产生和分配均由微机来，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。完成。下面主要介绍环形分配器和功率放大器。四、步进电动机驱动电源设计四、步进电动机驱动电源设计54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通电，环形分配器的作用是将控制脉冲按规定方式按规定方式分配到各相绕组上。分配到各相绕
64、组上。环形分配器有硬件环形分配器、软件环形分配器。环形分配器有硬件环形分配器、软件环形分配器。 1.1.硬件环形分配器硬件环形分配器 硬件环形分配器由门电路、触发器等基本逻辑功能元件组成，按一硬件环形分配器由门电路、触发器等基本逻辑功能元件组成，按一定的顺序导通和截止功率放大器，使相应的绕组通电或断电。定的顺序导通和截止功率放大器，使相应的绕组通电或断电。 硬件环形分配器可分为硬件环形分配器可分为分立元件的分立元件的、集成触发器的集成触发器的、单块单块MOSMOS集成块集成块的和的和可编程可编程EPROMEPROM、FPGAFPGA等。等。 集成元器件的使用，使环形分配器的体积大大缩小，可靠性
65、和抗干集成元器件的使用，使环形分配器的体积大大缩小，可靠性和抗干扰能力提高，并具有较好的响应速度。扰能力提高，并具有较好的响应速度。（一）环形分配器（一）环形分配器55 环形分配器种类很多，可环形分配器种类很多，可以由以由D D触发器或触发器或J-KJ-K触发器所组触发器所组成。图成。图3-83-8是一个由是一个由3 3只只J-KJ-K触发触发器及器及1212个与非门组成的三相六个与非门组成的三相六拍的环形分配器。拍的环形分配器。 （1 1）触发器型环形分配器）触发器型环形分配器565758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目前市场上有很多可靠性高、尺寸小、使用方便
66、的集成脉冲分配器供选择。按其电路结构不同可分为择。按其电路结构不同可分为TTLTTL集成电路和集成电路和CMOSCMOS集成电路。集成电路。国产国产TTLTTL脉冲分配器有脉冲分配器有：三相（三相（YBO13YBO13）、四相（）、四相（YBO14YBO14）、五相）、五相（YBO15YBO15）和六相（）和六相（YBO16YBO16），均为），均为1818个管脚的直插式封装。个管脚的直插式封装。CMOSCMOS集成脉冲分配器有集成脉冲分配器有：CH250CH250型是专为三相反应式步进电动机设计的环型是专为三相反应式步进电动机设计的环形分配器。封装形式为形分配器。封装形式为1616脚直插式。
67、脚直插式。 CH250 CH250环形脉冲分配器是三相步进电动机的理想脉冲分配器，通过其环形脉冲分配器是三相步进电动机的理想脉冲分配器，通过其控制端的不同接法，可以组成三相双三拍，三相六拍的不同工作方式。控制端的不同接法，可以组成三相双三拍，三相六拍的不同工作方式。图图7 7所示为三相双三拍工作时的接线图，图所示为三相双三拍工作时的接线图，图8 8所示为三相六拍工作时的接线图。所示为三相六拍工作时的接线图。 （2 2）环形分配器集成芯片）环形分配器集成芯片5960CH250CH250环形脉冲分配器的功能关系如上表环形脉冲分配器的功能关系如上表1 1所示。所示。61 步进电动机按类型、相数等划分
68、，种类繁多，相应的就步进电动机按类型、相数等划分，种类繁多，相应的就需要需要不同的环不同的环形分配器形分配器，而，而用用EPROMEPROM设计的环形分配器，用一种线路可实现多种通电方式设计的环形分配器，用一种线路可实现多种通电方式的分配的分配-硬件电路不变动，只需改变软件内存储器的地址硬件电路不变动，只需改变软件内存储器的地址。 图图3-103-10为含有为含有EPROMEPROM的环形分配器。的环形分配器。 根据驱动要求，求出环形分配器的输出状态表，以二进制码的形式依根据驱动要求，求出环形分配器的输出状态表，以二进制码的形式依次存入次存入EPROMEPROM中，在线路中只要依照地址的正向或
69、反向顺序依次取出地址的中，在线路中只要依照地址的正向或反向顺序依次取出地址的内容，即可实现正、反向通电的顺序。内容，即可实现正、反向通电的顺序。 对不同通电方式，状态表也不同，可将存储器地址划分为若干区域，对不同通电方式，状态表也不同，可将存储器地址划分为若干区域，每个区域储存一个状态表，运行时，用每个区域储存一个状态表，运行时，用EPROMEPROM的高位地址线选通这些不同区的高位地址线选通这些不同区域。域。 （3 3）EPROMEPROM可编程式可编程式62 图图3-103-10 含有含有EPROMEPROM的环形分配器的环形分配器可可逆逆计计数数器器EPROM状态状态 输出输出 CP脉冲
70、脉冲 方式方式零位输出零位输出方向电平方向电平清零清零6387138713有几种型号，如三洋公司的有几种型号，如三洋公司的PMM8713PMM8713，富士通公司的，富士通公司的MB8713MB8713，国，国产的产的5G87135G8713等，他们的功能一样，可以互换。等，他们的功能一样，可以互换。87138713是属于单极性控制是属于单极性控制，用于控制三相和四相步进电机，可以选择以，用于控制三相和四相步进电机，可以选择以下不同的工作方式。下不同的工作方式。三相步进电动机三相步进电动机：单三拍、双三拍、六拍；：单三拍、双三拍、六拍；四相四相步进电动机步进电动机：单四拍、双四拍、八拍。：单四
71、拍、双四拍、八拍。87138713可以选择单时钟输入或双时钟输入；具有正反转控制、初始化复可以选择单时钟输入或双时钟输入；具有正反转控制、初始化复位、工作方式和输入脉冲状态监视等功能；所有输入端内部都设有斯位、工作方式和输入脉冲状态监视等功能；所有输入端内部都设有斯密特整形电路，提高抗干扰能力，使用密特整形电路，提高抗干扰能力，使用4 418V18V直流电源，输出电流为直流电源，输出电流为20mA20mA。87138713有有1616个引脚。个引脚。 这里介绍一种这里介绍一种87138713集成电路芯片集成电路芯片87138713引角功能如引角功能如p5p57 7表表3-23-2所示所示 目前
72、市场上出售的环形分配器的种类很多，有的还具有其它许多功目前市场上出售的环形分配器的种类很多，有的还具有其它许多功能，如斩波控制等能，如斩波控制等。用于两相步进电机控制的如：。用于两相步进电机控制的如：L297L297（L297AL297A）（产（产生生4 4相控制信号，可用于两相双极和四相单极步进电机）和相控制信号，可用于两相双极和四相单极步进电机）和PMM8713PMM8713；用用于五相步进电动机于五相步进电动机控制控制的的如如PMM8714PMM8714等。等。（4 4）多功能环形分配器）多功能环形分配器64 87138713脉冲分配器与单片机的接脉冲分配器与单片机的接口例子如图口例子如
73、图3-113-11所示。本例选用所示。本例选用单时钟单时钟（单脉冲）（单脉冲）输入方式输入方式：87138713的的3 3脚为步进脉冲输入端，脚为步进脉冲输入端，4 4脚为转向控制端，这两个引脚的脚为转向控制端，这两个引脚的输入均由单片机提供和控制。选输入均由单片机提供和控制。选用对用对四相步进电动机进行八拍方四相步进电动机进行八拍方式控制式控制，所以，所以5 5、6 6、7 7均接高电平。均接高电平。 图3-11 8713脉冲分配器与单片机接口 由于采用了脉冲分配器，单片机只需提供步进脉冲，进行速度控制和转由于采用了脉冲分配器，单片机只需提供步进脉冲，进行速度控制和转向控制，脉冲分配的工作交
74、给脉冲分配器来自动完成。因此，向控制，脉冲分配的工作交给脉冲分配器来自动完成。因此，CPUCPU的负担减的负担减轻许多。轻许多。 有两种脉冲输入方法有两种脉冲输入方法, , 双脉冲输入法：双脉冲输入法：、分别接控制步进电机正反转的输入脉冲；、分别接控制步进电机正反转的输入脉冲；单脉冲输入法：单脉冲输入法：为脉冲输入为脉冲输入, ,步进电机的正反转方向由的电位高低决步进电机的正反转方向由的电位高低决定定; ;转向控制5V。步进脉冲 3 13 4 12 8713 11 10 567A相驱动B相驱动C相驱动D相驱动 P1.0 P1.18051系列单片机65 是完全用软件的方式进行脉冲分是完全用软件的
75、方式进行脉冲分配，按照给定的通电换相顺序，通过配，按照给定的通电换相顺序，通过单片机的单片机的I/OI/O口向驱动电路发出控制口向驱动电路发出控制脉冲。脉冲。 图图3-123-12是控制五相步进电动机的是控制五相步进电动机的硬件接口例子。利用硬件接口例子。利用80518051系列单片机系列单片机的的P1.0P1.0P1.4P1.4这这5 5条条I/OI/O线，向五相步线，向五相步进电动机传送控制信号。进电动机传送控制信号。 P1.0 P1.1 8051 P1.2系列 P1.3单片机 P1.4A相驱动 B相驱动 C相驱动 D相驱动 E相驱动 图3-12 用软件实现脉冲分配的接口示意图. .软件环
76、形分配器软件环形分配器66ULN2003 是高耐压、大电流、内部由七个硅是高耐压、大电流、内部由七个硅NPN 达林顿管组成的驱动芯片。达林顿管组成的驱动芯片。67下面以五相步进电动机工作在十拍方式为例，说明如何设计软件。下面以五相步进电动机工作在十拍方式为例，说明如何设计软件。五相十拍工作方式的正序为：五相十拍工作方式的正序为：ABAB- -ABCABC- -BCBC- -BCDBCD- -CDCD- -CDECDE- -DEDE- -DEADEA- -EAEA- -EABEAB，共有共有1010个通电状态。如果个通电状态。如果P1P1口输出的控制信号中，口输出的控制信号中，0 0代表使绕组通
77、电，代表使绕组通电，1 1代表使绕组断电代表使绕组断电，则可用，则可用1010个控制字来对应这个控制字来对应这1010个通电状态。这个通电状态。这1010个控个控制字如表制字如表3-33-3所列。所列。 P1.0 P1.1 8051 P1.2系列 P1.3单片机 P1.4A相驱动 B相驱动 C相驱动 D相驱动 E相驱动 图3-12 用软件实现脉冲分配的接口示意图6869在程序中，只要依次将这在程序中，只要依次将这1010个控制字送到个控制字送到P1P1口，每送一个控制字，就完成一拍，步口，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。用进电动机转过一个步距角
78、。程序就是根据这个原理设计的。用R0R0作为状态计数器，作为状态计数器，来指示第几拍，按正转时加来指示第几拍，按正转时加1 1，反转时减，反转时减1 1的操作规律，则正转程序为：的操作规律，则正转程序为：CW：INCR0；正转加；正转加1CJNER0，#0AH，ZZ；如果计数器等于；如果计数器等于10修正为修正为0MOVR0，#00HZZ：MOVA，R0；计数器值送；计数器值送AMOVDPTR，#ABC；指向数据存放首地址；指向数据存放首地址MOVCA，A+DPTR；取控制字；取控制字MOVP1，A；送控制字到；送控制字到P1口口RETABC：DB0FCH，0F8H，0F9H，0F1H，0F3
79、H；10个控制字个控制字DB0E3H，0E7H，0E6H，0EEH，0ECH反转程序为：反转程序为：CCW：DECR0；反转减；反转减1(反序反序)CJNER0，#0FFH，FZ；如果计数器等于；如果计数器等于FFH修正为修正为9MOVR0，#09HFZ：MOVA，R0MOVDPTR，#ABC；指向数据存放首地址；指向数据存放首地址MOVCA，A+DPTR；取控制字；取控制字MOVP1，A；送；送P1口口RET70 软件法在电动机运行中，要不停地产生控制脉冲，占用了大量的软件法在电动机运行中，要不停地产生控制脉冲，占用了大量的CPUCPU时间，可能使单片机无法同时进行其他工作（如监测等），所以
80、，人时间，可能使单片机无法同时进行其他工作（如监测等），所以，人们更喜欢用硬件法们更喜欢用硬件法，或软或软、硬件相结合硬件相结合的方法的方法。 71 功率放大器的输出直接驱动电动机的控制绕组，因此功率放大电路的性能对步功率放大器的输出直接驱动电动机的控制绕组，因此功率放大电路的性能对步进电动机的运行状态有很大影响。进电动机的运行状态有很大影响。对驱动电路要求的核心问题是如何提高电动机的对驱动电路要求的核心问题是如何提高电动机的快速性和平稳性快速性和平稳性。目前国内步进电动机的驱动电路主要有以下几种。目前国内步进电动机的驱动电路主要有以下几种。1.1.单电压恒流功放电路单电压恒流功放电路 图图3
81、-133-13所示的是步进电动机单相的功放电路。所示的是步进电动机单相的功放电路。 （二）功率放大器（二）功率放大器图图3-13 3-13 单电压功率放大电路单电压功率放大电路u L L、R RL L是步进电机的绕组电感和绕组电阻；由于电机绕组是步进电机的绕组电感和绕组电阻；由于电机绕组存在电感存在电感L L，当晶体管，当晶体管VTVT突然接通后，绕组电流按指数规律突然接通后，绕组电流按指数规律上升。其时间常数为上升。其时间常数为：u晶体管晶体管VTVT可以看成一个无触点开关；可以看成一个无触点开关；u 二极管二极管V V和电阻和电阻R Rd d组成放电回路，以防止晶体管组成放电回路，以防止晶
82、体管VTVT关断瞬关断瞬间绕组反电势造成管子击穿。间绕组反电势造成管子击穿。u R R为限流电阻，保证通电后电流稳态值为额定值为限流电阻，保证通电后电流稳态值为额定值, ,同时还同时还可以起到减小过渡时间的作用。可以起到减小过渡时间的作用。u 电容电容C C为加速电容，动态时，利用它的旁路作用（电压不为加速电容，动态时，利用它的旁路作用（电压不发生跃变），使电机绕组电流上升加快，改善电流波形的发生跃变），使电机绕组电流上升加快，改善电流波形的前沿。前沿。 常用于驱动电流较小的伺服步进电动机。常用于驱动电流较小的伺服步进电动机。72 图图3-143-14所示是步进电动机单相的双电压功放电路。这种
83、线路的特点是：所示是步进电动机单相的双电压功放电路。这种线路的特点是：绕组通电开始时接通高压以保证电机绕组中有较大的冲击电流流过。然后再绕组通电开始时接通高压以保证电机绕组中有较大的冲击电流流过。然后再截断高压，由低压维持绕组中的电流，以保证电机绕组中的稳定电流等于额截断高压，由低压维持绕组中的电流，以保证电机绕组中的稳定电流等于额定值。定值。高压高压U U1 1大约为大约为8080150V150V，低压低压U U2 2大约为大约为5 520V20V左右左右。2.2.高低压（双电压）功率放大电路高低压（双电压）功率放大电路图图3-14 3-14 高低压驱动原理图高低压驱动原理图高低压功放电路比
84、单电压功放高低压功放电路比单电压功放电路的波形好，电路的波形好，有十分明显的有十分明显的高速率上升和下降沿高速率上升和下降沿，所以高，所以高频特性好，电源效率也高。频特性好，电源效率也高。不足之处是不足之处是：高压产生的电流：高压产生的电流上冲作用在低频时会使输入能上冲作用在低频时会使输入能量过大，引起电动机的低频振量过大，引起电动机的低频振荡加重。荡加重。常用于驱动中功率和大功率伺服常用于驱动中功率和大功率伺服步进电动机。步进电动机。73 前面介绍的双电压功放能使流入电动机的电流有较好的上升沿和幅值，前面介绍的双电压功放能使流入电动机的电流有较好的上升沿和幅值，提高了电动机的高频工作能力。但
85、在低频时，则低频振荡较高。采用调频提高了电动机的高频工作能力。但在低频时，则低频振荡较高。采用调频调压的控制方法，即：调压的控制方法，即： 低频时工作在低压状态，减少能量的流入，从而抑制了振荡低频时工作在低压状态，减少能量的流入，从而抑制了振荡； 在高频时工作在高压状态，电动机将有足够的驱动能力。在高频时工作在高压状态，电动机将有足够的驱动能力。3 3调频调压功放电路调频调压功放电路调频调压的控制方式很多，简单的方式是分频段调压。一般把步进电调频调压的控制方式很多，简单的方式是分频段调压。一般把步进电机的工作频率分成几段，每段的工作电压不同，即调频调压方法。在理想机的工作频率分成几段，每段的工
86、作电压不同，即调频调压方法。在理想条件下，条件下，保持步进电动机力矩不变保持步进电动机力矩不变，则，则电源电压应随工作频率的升高而升电源电压应随工作频率的升高而升高，随工作频率的下降而下降。高，随工作频率的下降而下降。74图图3-15 3-15 调频调压功放电路调频调压功放电路 图图3-153-15为调频调压功放电路，整为调频调压功放电路，整个电路分成三部分：个电路分成三部分：开关调压、调频调压控制和功率放大。开关调压、调频调压控制和功率放大。I/O1输出步进电机控制信号；输出步进电机控制信号；I/O2输出调压信号到开关调压部分。输出调压信号到开关调压部分。 U2作为绕组功放电路的电源，其作为
87、绕组功放电路的电源，其大小取决于大小取决于tON长短。单片机控制从长短。单片机控制从I/O1输出的步进信号的频率，以及从输出的步进信号的频率，以及从I/O2输出的脉冲时间，步进信号频率输出的脉冲时间，步进信号频率高，高，tON加大，加大，U2也随着增大，从而起也随着增大，从而起到调频调压的作用。到调频调压的作用。75 由于步进电动机的驱动电流比较大，所以微型机与步进电机的连由于步进电动机的驱动电流比较大，所以微型机与步进电机的连接都需要接都需要专门的接口电路及驱动电路专门的接口电路及驱动电路。接口电路可以用缓冲器和锁存。接口电路可以用缓冲器和锁存器组成，也可以选用并行器组成，也可以选用并行I/
88、OI/O接口芯片，如接口芯片，如82558255、81558155等。其中等。其中A A口接口接步进电机驱动器，向步进电机提供各相的励磁电流；步进电机驱动器，向步进电机提供各相的励磁电流；B B口用来检测步口用来检测步进电机的类型及工作方式选择，开关的状态可根据需要来设置。如图进电机的类型及工作方式选择，开关的状态可根据需要来设置。如图3-163-16所示。所示。五、步进电动机与微机的接口技术五、步进电动机与微机的接口技术 CBCPU B 口口步步进进电电机机接接口口电电 路路8255 A 口口步步进进电电机机驱驱动动器器步进步进电机电机步步进进电电机机类类型型及及工作方式选择工作方式选择 图
89、图3-16 3-16 步进电机接口框图步进电机接口框图DBAB76 驱动器可用大功率复合管驱动器可用大功率复合管，也可以是专门的驱动器。为了抗干扰，或避，也可以是专门的驱动器。为了抗干扰，或避免一旦驱动电路发生故障，造成功率放大器中的高电平信号进入微型机而烧免一旦驱动电路发生故障，造成功率放大器中的高电平信号进入微型机而烧坏器件，在驱动器与微型机之间加一级坏器件，在驱动器与微型机之间加一级光电隔离器光电隔离器，其原理接口电路如图，其原理接口电路如图3-3-1717、图、图3-183-18所示。所示。 图图3-18 3-18 步进电机与微机步进电机与微机 接口电路之二接口电路之二 图图3-17 3-17 步进电机与微机步进电机与微机 接口电路之一接口电路之一77
