步进电动机控制技术

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1、机电液系统控制步进电机控制技术 哈尔滨工业大学（威海）机器人研究所本章内容小步距角的步进电机步进电机工作方式步进电机简介及结构反应式步进电机的特性步进电机的控制一、步进电机简介及结构u机理 步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械部件移动一小段距离。u特点(1)来一个脉冲，转一个步距角；(2)控制脉冲频率，可控制电机转速；(3)改变脉冲顺序，改变电机转动方向。 步进电机的应用非常广泛。如：在数控机床、自动绘图仪等设备中都得到应用。u应用一、步进电机简介及结构u种类 下下面面以以反反应应式式步步进进电电机机为为例例说说明明步步进进

2、电电机机的的结结构构和工作原理。和工作原理。励磁方式磁阻式（反应式）永磁式永磁感应式（混合式）运行方式旋转型直线型平面型 步进电动机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极 。 定子转子定子绕组一、步进电机简介及结构ABC定子转转子子IAIBIC 定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。注意：注意： 这里的相和三相交流电中的“相”的概念不同。步进电动机通的是直流电脉冲，这主要是指线圈的联接和组数的区别。一、步进电机简介及结构二、步进电机工作方式 步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。三相单三拍 （1）三相绕组联接方式：

3、Y型 （2）三相绕组中的通电顺序为：A 相 B 相 C 相通电顺序也可以为： A 相 C 相 B 相 ABCIAIBIC二、步进电机工作方式 （3）工作过程CABBCA3412 A 相通电，A 方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。A 相通电使转子相通电使转子1、3齿和齿和 AA 对齐。对齐。CABBCA34121C342CABBA 同理，B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电位置转30；C相通电再转30。二、步进电机工作方式二、步进电机工作方式 这

4、种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。三相单三拍的特点： （1）每来一个电脉冲，转子转过 30。此角称为步距角，用S表示。 （2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。二、步进电机工作方式三相单双六拍 三相绕组的通电顺序为： AABBBCCCAA 共六拍。工作过程：CABBCA3412A相通电，相通电，转子转子1、3齿和齿和A相对齐。相对齐。二、步进电机工作方式A、B相同时通电CABBCA3412 （1）BB 磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针方向转动。 （2）AA 磁场继续对1、3齿有拉力。所以转

5、子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通电，转子转了15。二、步进电机工作方式B相通电，相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15。CABBCA3412 总之，每个循环周期有六种通电状态，所以称为三相单双六拍，步距角为15。二、步进电机工作方式三相双三拍三相绕组的通电顺序为： AB BC CA AB 共三拍。CABBCA3412AB通电CABBCA3412BC通电二、步进电机工作方式CA通电CABBCA3412 工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转30，即 S = 30。 以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。三、小步距角的步进电机实际采用的

6、步进电机的步距角多为3度和度，步距角越小，机加工的精度越高。为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子40个齿，定子仍是 6个磁极，但每个磁极上也有五个齿。三、小步距角的步进电机转子的齿距等于等于360 /40=9 ，齿宽、齿槽各，齿宽、齿槽各4.5 。 为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽和为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽和齿槽和转子相同。齿槽和转子相同。三、小步距角的步进电机工作原理：假设是单三拍通电工作方式。 （1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对齐。此时，B 相和 A 相空间差120，含 120/9 = 个齿。 A 相和 C 相差240，含240/ 9

7、 = 个齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿对齐时，B 相、C 相不能对齐，B相的转子、定子相差1/3 个齿（3），C相的转子、定子相差2/3个齿（6）。三、小步距角的步进电机 （2）A 相断电、B 相通电后，转子只需转过1/3个齿（3），使 B 相转子、定子对齐。 同理，C 相通电再转3 若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，转子只转 。步进电机的转动方向仍由通电顺序决定。三、小步距角的步进电机 步进电机通过一个电脉冲,转子转过的角度,称为步距角。M：相数C：通电状态系数，单拍、双拍方式时，C=1；采用单双拍单双拍方式时，C=2N：=mCZr：转子齿数如：Zr=40 , N=3 时步距

8、角步距角f：电脉冲的频率转速转速四、反应式步进电机的特性静态特性 静态特性是指通电状态不变,电机处于稳定状态时的特性。静特性静转矩矩角特性静态稳定区 需要弄清楚几个名词： (1)初始稳定平衡位置：指步进电动机在空载情况下，控制绕组中通以直流电流时，转子的最后稳定位置; (2)失调角：指步进电动机转子偏离初始平衡位置的电角度。在反应式步进电动机中，转子一个齿距所对应的电角度为2。 (3)矩角特性：在不改变通电状态(即控制绕组电流不变)时，步进电动机的静转矩与转子失调角的关系，即=f()。四、反应式步进电机的特性步进电机的矩角特性T=-Tmaxsin=-f(I) sin四、反应式步进电机的特性 (

9、4)静态稳定区：在空载时，稳定平衡位置对应于=0处，而=180度则为不稳定平衡位置。在静态情况下，如受外力矩的作用使转子偏离稳定平衡位置，但没有超出相邻的不稳定平衡点，则当外力矩除去以后，电动机转子在静态转矩作用下仍能回到原来的稳定平衡点，所以二个不稳定平衡点之间的区域构成静态稳定区。 (5)最大静转矩：Tmax=f(I) 当一相绕组通电时，在=90有最大静转矩。最大静转矩特性四、反应式步进电机的特性 (6)矩角特性簇：各相控制绕组通电状态下的矩角特性。 矩角特性族中的每一条曲线依次错开一个用电角度表示矩角特性族中的每一条曲线依次错开一个用电角度表示的步距角的步距角se=2/N。四、反应式步进

10、电机的特性动态特性u单脉冲运行 当加上一个控制脉冲信号，矩角特性将转移到矩角特性簇中的下一条矩角特性曲线，转子将转到新的稳定平衡位置OB。在改变通电状态时，只有当转子起始位置位于ab之间才能使它向OB点运动。因此称区间ab为电动机空载时的动态稳定区。四、反应式步进电机的特性 动态稳定区：(-+se)TL1TstTL2四、反应式步进电机的特性 由此可知，步进电动机能带的最大负载转矩要比最大静转矩Tmax小。只有当负载转矩小于起动转矩(最大负载转矩)Tst，才能保证电动机进行正常的步进运动。 若矩角特性为幅值相等的正弦波时，可得： 当C=1时，m最小为3；m越大，起动转矩越大；C越大，起动转矩越大

11、。 此外，矩角特性的波形对电动机带负载的能力也有较大影响。当矩角特性为平顶波时，Tst值接近于Tmax值，电机带负载能力较大。因此，步进电动机理想的矩角特性应是矩形波。四、反应式步进电机的特性 为减小振荡幅度和时间，可增加阻尼：机械阻尼：增加电机转子的干摩擦阻力或增加粘性阻力。缺点：增大了惯性，快速性能变坏，体积增大。电气阻尼：多相激磁阻尼、延迟断开阻尼。优点：方法简单，效果好。转子振荡过程： 以上分析时认为，切换控制绕组时，转子单调地趋向新的平衡位置，但实际上要经过一个衰减的振荡过程。无阻尼时转子自由振荡有阻尼时转子的衰减振荡四、反应式步进电机的特性u连续脉冲运行n极低频-连续步进运行具有步

12、进特征的运行 当控制脉冲频率极低时，脉冲持续的时间很长，并且大于转子衰减振荡的时间。也就是说在下一个控制脉冲尚未到来时，转子已处于某平衡位置。故其每一步都和单步运行一样，电机具有明显的步进特征。四、反应式步进电机的特性n频率很低时的低频共振 当控制脉冲的频率比前一种高，脉冲持续的时间比转子衰减振荡的时间短，这时转子还未稳定在平衡位置，下一个控制脉冲就到来。当控制脉冲的频率等于或接近步进电动机的振荡频率f0的1/K时(K=1、2、3)，电机就会出现强烈振动，甚至失步和无法工作。四、反应式步进电机的特性n频率很高时的连续运行连续运行状态 当控制脉冲的频率很高时，脉冲间隔的时间很短，电机转子尚未到达

13、第一次振荡的幅值，甚至还没有到达新的稳定平衡位置，下一个脉冲就到来。此时电机的运行已由步进变成了连续平滑的转动，转速也比较稳定。四、反应式步进电机的特性n起动频率和起动特性fst 在一定负载转矩下，电机不失步地正常启动所能加的最高控制脉冲的频率，称为启动频率（也称突跳频率）。它的大小与电机本身的参数、负载转矩、转动惯量及电源条件等因素有关，它是衡量步进电动机快速性的重要技术指标。起动矩频特性fst=f(TL)起动惯频特性fst=f(J)n连续运行频率和运行矩频特性四、反应式步进电机的特性 步进电动机带一定负载正常起动后，连续缓慢地升高脉冲频率，直到不丢步运行的最高频率，称为运行频率。 那么，为

14、什么频率升高后电机的转矩会下降呢？ 因为，控制绕组呈电感性，它具有延缓电流变化的作用。步进电机矩频特性电流与频率的关系五、其他型式步进电机n永磁式步进电机l定子为两相(或多相)绕组；l转子为星形永久磁钢；l转子极对数应与定子每相绕组的极对数相同。转子极对数 p =2二相单四拍：定子绕组按AB(-A)(-B)A的次序通电，转子将顺时针方向转过45。步距角为：五、其他型式步进电机二相双四拍：定子绕组按ABB(-A)(-A)(-B)(-B)AAB的次序通电，转子将顺时针方向转过45。永磁式步进电动机的特点是：步距角大，启动和运行频率低，需正负脉冲供电 ；但所需控制功率小，效率高。五、其他型式步进电机

15、n混合式步进电机 定子结构与反应式步进电动机相同。 转子由环形磁钢和两段铁芯组成，环形磁钢在转子中部，轴向充磁，两段铁芯分别装在磁钢的两端。五、其他型式步进电机 气隙上有两个磁动势：一个永磁磁动势，一个是控制绕组通电产生的磁动势。它们有时相加，有时相减。故称为混合式。l运行原理(1) 定子A相绕组通电时，在电磁转矩作用下转子处于稳定平衡位置，如下图（a)所示。五、其他型式步进电机(2) 若使转子偏离稳定平衡位置，如下图(b)所示，转子向右偏离了一个角度，在不同端、不同极的转矩作用方向是相同的，都是使转子回到稳定平衡位置的方向。（a）（b）u对驱动电源的基本要求对驱动电源的基本要求1、驱动电源源

16、的的相相数数、通通电方方式式和和电压、电流流都都要要满足足步步进电动机的要求；机的要求；2、要、要满足步足步进电动机起机起动频率和率和连续运行运行频率的要求率的要求；3、能、能最大限度地抑制步最大限度地抑制步进电动机的振机的振荡；4、工作、工作可靠，抗干可靠，抗干扰能力能力强强；5、成本、成本低、效率高，安装低、效率高，安装维护方便。方便。六、步进电机驱动电源六、步进电机驱动电源变频信号源脉冲分配器功率放大器步进电动机负载指令指令1.变变频频信信号号源源：是是一一个个脉脉冲冲频频率率由由几几赫赫到到几几十十千千赫赫可可连连续续变化的信号发生器，可以是计算机或振荡器。变化的信号发生器，可以是计算

17、机或振荡器。2.脉脉冲冲分分配配器器：一一种种逻逻辑辑电电路路，由由双双稳稳态态触触发发器器和和门门电电路路组组成成，它它可可能能将将输输入入的的电电脉脉冲冲信信号号根根据据需需要要循循环环地地分分配配到到脉脉冲冲放放大大器器进进行行功功率率放放大大，并并使使步步进进电电动动机机按按选选定定的的运行方式工作。运行方式工作。u驱动电源组成驱动电源组成六、步进电机驱动电源三相单三拍脉冲分配器JKQ(t+1)说 明101置“1”010置“0”00Q(t)不变11(t)求补 开开始始工工作作时时加加上上预预置置脉脉冲冲信信号号使使触触发发器器置置0 0，即即Q Q1 1=Q=Q2 2= =“0 0”；

18、六、步进电机驱动电源三相单、双六拍单转向脉冲分配器六、步进电机驱动电源3.功率驱动电路功率驱动电路n单极性驱动（反应式步进电动机）l单一电压型功率放大电路优优点点：线线路路简简单单，功功率率元元件件少少，成成本本低。低。缺缺点点：Rf1上上要要消消耗耗能能量量，工工作作效效率率低。低。只只适适用用于于小小功功率率步步进进电电动动机机。如如果果电电容容C选选择择不不当当，在在低低频频段段会会使使振振荡荡有有所增加，使低频性能变差。所增加，使低频性能变差。六、步进电机驱动电源l高、低电压切换型功率放大电路优点：优点：电源功耗比较小，效率比较高。电源功耗比较小，效率比较高。矩矩频频特特性性好好，启启

19、动动和和运运行行频频率率得到了很大的提高。得到了很大的提高。主要缺点：主要缺点：低低频频运运行行时时输输入入能能量量过过大大，造造成电机低频振荡加重；成电机低频振荡加重；增大了电源的容量，增大了电源的容量，对功率管性能参数的要求高。对功率管性能参数的要求高。常用于大功率步进电动机的驱动常用于大功率步进电动机的驱动 六、步进电机驱动电源l定电流斩波驱动放大电路六、步进电机驱动电源l调频调压驱动方式(a)低频；低频； (b)高频高频六、步进电机驱动电源l细分驱动放大电路细分电流波形细分电流波形先放大后合成先放大后合成先合成后放大先合成后放大电电流流的的每每个个阶阶梯梯，电电机机转转动动一一步步，步

20、步距距角角减减小小了了很很多。多。六、步进电机驱动电源n双极性驱动（永磁式和混合式步进电动机）正负电源供电正负电源供电单一电源供电单一电源供电 由由于于双双极极性性驱驱动动电电路路较较为为复复杂杂，过过去去仅仅用用于于大大功功率率步步进进电电动动机机机机。但但近近年年来来出出现现了了集集成成化化的的双双极极性性驱驱动动芯芯片片，使它能方便应用于对效率和体积要求较高的产品中。使它能方便应用于对效率和体积要求较高的产品中。 如：如：L298L298双双H H桥驱动器，桥驱动器， L297 L297斩波驱动控制器斩波驱动控制器六、步进电机驱动电源 由由专专用用芯芯片片构构成成的的双双极极性性恒恒流流

21、斩斩波波驱驱动电路动电路六、步进电机驱动电源L297L297电路原理图电路原理图六、步进电机驱动电源L298L298内部原理框图内部原理框图七、步进电机的控制与应用 步进电动机的工作过程一般由控制器控制，控制器按照设计者的要求完成一定的控制过程，使驱动电源按照要求的规律驱动电动机运行。简单的控制过程可以用各种逻辑电路来实现，缺陷就是逻辑线路复杂，控制方案难以改变。 目前，主要采用单片机作为步进电动机的控制器进行控制，很好地克服了硬件逻辑线路控制器的缺点。七、步进电机的控制与应用p步进电机的控制开环控制开环控制控制器控制器脉冲分配器脉冲分配器驱动电路驱动电路步进步进电动机电动机供电电源供电电源指

22、令指令闭环控制闭环控制闭环控制器闭环控制器脉冲分配器脉冲分配器驱动电路驱动电路步进步进电动机电动机供电电源供电电源指令指令位置传感器位置传感器一）、步进电机开环控制系统u串行控制 具有串行控制功能的单片机系统与步进电动机驱电源具有串行控制功能的单片机系统与步进电动机驱电源之间具有较少的连线。这种系统中，驱动电源中必须含有之间具有较少的连线。这种系统中，驱动电源中必须含有环形分配器，其功能框图如下页所示。环形分配器，其功能框图如下页所示。七、步进电机的控制与应用u脉冲分配电路亦称环行分配器，用来对输入的步进脉冲进行逻辑变换，产生给定工作方式所需的各相脉冲序列信号。u功率放大电路对脉冲分配电路输出

23、的信号进行放大，产生使电动机旋转所需的激磁电流。u步进方向信号指定各相导通的先后次序，用以改变步进电机旋转方向。u电源控制信号用来在必要时使各相电流为零，以达到降低功耗等的目的。七、步进电机的控制与应用u并行控制并行控制 用用微微机机系系统统的的数数条条端端口口线线直直接接去去控控制制步步进进电电动动机机各各相相驱驱动动电电路路的的方方法法称称为为并并行行控控制制。在在驱驱动动电电源源内内，不不包包含含环环形分配器，其功能必须由微机系统完成。形分配器，其功能必须由微机系统完成。 并行控制方案的功能框图如下页图所示并行控制方案的功能框图如下页图所示。七、步进电机的控制与应用单片机控制系统A相相B

24、相相C相相D相相E相相驱动器电路步进电动机并行控制功能框图F相相七、步进电机的控制与应用1 1、环形分配器、环形分配器、环形分配器、环形分配器 环环形形分分配配器器是是根根据据指指令令把把脉脉冲冲信信号号按按一一定定的的逻逻辑辑关关系系加加到到放放大大器器上上，使使各各相相绕绕组组按按一一定定的的顺顺序序和和时时间间导导通通和和断断开开，并并根根据据指指令令使使电电动动机机正正转转或或反反转转，实实现现确确定定的的运运行行方方式。环形分配器可以由硬件和软件两种方式实现。式。环形分配器可以由硬件和软件两种方式实现。 硬硬件件环环形形分分配配器器由由门门电电路路和和双双稳稳态态触触发发器器组组成成

25、的的逻逻辑辑电路构成。特点：直观、维护方便、响应速度较好。电路构成。特点：直观、维护方便、响应速度较好。 软软件件环环形形分分配配受受微微机机运运算算速速度度限限制制，难难以以满满足足高高速速实实时控制的要求。时控制的要求。七、步进电机的控制与应用、硬件环形分配器、硬件环形分配器、硬件环形分配器、硬件环形分配器 集集成成脉脉冲冲分分配配器器CH250是是专专为为三三相相反反应应式式步步进进电电动动机机设设计计的的环环形形分分配配器器。这这种种集集成成电电路路采采用用CMOS工工艺艺，集集成成度度高高，可可靠靠性性好好。它它的的管管脚脚图图及及三三相相六六拍拍工工作作时时的的接接线图如图所示。线

26、图如图所示。七、步进电机的控制与应用 R和和R*分别为双三拍运行和分别为双三拍运行和六拍运行的复位端。当六拍运行的复位端。当R加上正加上正脉冲，脉冲，ABC的状态为的状态为110，而，而R*加上正脉冲后，加上正脉冲后，ABC的状态为的状态为100，以避免，以避免ABC出现出现000或或111非法状态。非法状态。 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。七、步

27、进电机的控制与应用、软件环形分配器软件环形分配器 一般微机系统需要进行如下设置：一般微机系统需要进行如下设置：设置输出接口；设置输出接口； 设输出口的设输出口的P接接A相；相；P接接B相；相；P接接C相。相。设计环形分配子程序；设计环形分配子程序；在存储器中建立环形分配表；在存储器中建立环形分配表；设计延时子程序。设计延时子程序。 设计延时子程序来控制步进频率。设计延时子程序来控制步进频率。七、步进电机的控制与应用设置输出接口设置输出接口设置输出接口设置输出接口以单片机以单片机80C51和和P1口配置为例。口配置为例。 脉冲经脉冲经80C51的并行的并行I/O接口接口P1输出至步进电动机各输出

28、至步进电动机各相，如图所示。相，如图所示。P P1.01.0P P1.11.1P P1.21.2P P1 1口口口口C相相B相相A相相七、步进电机的控制与应用设计环形分配子程序设计环形分配子程序设计环形分配子程序设计环形分配子程序lP1口是可编程口是可编程I/O口。口。l运运行行程程序序时时，对对应应存存储储器器单单元元的的内内容容送送到到P1口口，使使P、P、P依次发送信号，从而使绕组轮流通电。依次发送信号，从而使绕组轮流通电。l正正转转（反反转转）时时，（反反相相）依依次次输输出出表表中中各各单单元元内内容容，输输出出状状态态是是表表底底（表表首首）状状态态时时，修修改改索索引引值值使下一

29、次输出重新为表首（表底）状态。使下一次输出重新为表首（表底）状态。七、步进电机的控制与应用环形分配表环形分配表环形分配表环形分配表 CA CA05H(0101)05H(0101)K+5K+5 C C04H(0100)04H(0100)K+4K+4 BCBC06H(0110)06H(0110)K+3K+3 B B02H(0010)02H(0010)K+2K+2 ABAB03H(0011)03H(0011)K+1K+1 A A01H(0001)01H(0001)K+0K+0对应通电相对应通电相对应通电相对应通电相单元内容单元内容单元内容单元内容存储单元地址存储单元地址存储单元地址存储单元地址七、步

30、进电机的控制与应用设计延时子程序（速度控制）设计延时子程序（速度控制）设计延时子程序（速度控制）设计延时子程序（速度控制） 控控控控制制制制步步步步进进进进电电电电动动动动机机机机的的的的运运运运行行行行速速速速度度度度，实实实实际际际际上上上上就就就就是是是是控控控控制制制制系系系系统统统统发发发发出出出出脉脉脉脉冲冲冲冲的的的的频频频频率率率率或或或或者者者者换换换换相相相相的的的的周周周周期期期期。系系系系统统统统可可可可以以以以用用用用两两两两种种种种方方方方法确定脉冲的周期（频率）：法确定脉冲的周期（频率）：法确定脉冲的周期（频率）：法确定脉冲的周期（频率）：uu软件延时软件延时软件

31、延时软件延时 软件延时的方法是通过调用延时子程序的方法实软件延时的方法是通过调用延时子程序的方法实软件延时的方法是通过调用延时子程序的方法实软件延时的方法是通过调用延时子程序的方法实现的，它占用现的，它占用现的，它占用现的，它占用CPUCPU时间。时间。时间。时间。uu定时器定时器定时器定时器 定时器方法是通过设置定时时间常数的方法来实定时器方法是通过设置定时时间常数的方法来实定时器方法是通过设置定时时间常数的方法来实定时器方法是通过设置定时时间常数的方法来实现，不占用现，不占用现，不占用现，不占用CPU资源。资源。资源。资源。 七、步进电机的控制与应用2 2、功率放大电路、功率放大电路、功率

32、放大电路、功率放大电路 一种脉冲放大电路，使脉冲具有一定的功率驱动能力。一种脉冲放大电路，使脉冲具有一定的功率驱动能力。要求：要求： 提高步进电动机的快速性；提高步进电动机的快速性； 提高步进电动机的平稳性。提高步进电动机的平稳性。 常见的功率放大电路有：单电压限流型驱动电路、高常见的功率放大电路有：单电压限流型驱动电路、高低压驱动电路、斩波恒流功率驱动电路、升频升压驱动电低压驱动电路、斩波恒流功率驱动电路、升频升压驱动电路、集成功率驱动电路。路、集成功率驱动电路。七、步进电机的控制与应用、单电压限流型驱动电路单电压限流型驱动电路单电压限流型驱动电路单电压限流型驱动电路 步进电动机一相的驱动电

33、路如图所示。这种电路的特点是线路简单，成本低，低频时响应较好；缺点是效率低，尤其在高频工作的电动机效率更低。在实际中较少使用，只有在小功率步进电动机且在简单应用中才使用。缺点：缺点：RC上有功率损耗（快速性，R，功耗，限制使用这种电路）。七、步进电机的控制与应用、VT（晶体管）无触点开关，使流过L的波形接近矩形波。、L（电动机绕组） L 中电流不能突变，经3 （时间常数 ）时间后达到稳态电流（L绕组电感，r绕组电阻）。 ，严重影响启动频率。、Rc（串联电阻） ，缩短 上升的过渡时间，提高工作速度。、C（并联电容或加速电容）C上的电压不能突变，在截止到导通的瞬间，电源电压全落在绕组上， 。、VD

34、(二极管)VT截止时起续流和保护作用，以防绕组产生的反电势击穿。、RD（串联电阻） ，使 波形后沿变陡。七、步进电机的控制与应用、高低压驱动电路 高低压驱动的设计思想是，不论电机工作频率如何，均利用高电压UH供电来提高导通相绕组的电流前沿，而在前沿过后，用低电压UL来维持绕组的电流。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。适用于大功率和高频工作的步进电动机，高低压驱动功率接口两个输入控制信号 和 ，它们应保持同步，且前沿在同一时刻跳变。七、步进电机的控制与应用七、步进电机的控制与应用、采用高压和低压两种电压供电。、t1-t2时间，VT1和VT2饱和导

35、通，80V经过VT1和VT2加到L， 。、到t2时（定时方式）或 上升到某一数值（定流方式）， 为低电平，VT2截止，L的电流由12V电源经VT1维持， 到 I额。、到t3时， 为低电平，VT1截止， ，I0。、 由脉冲分配器经几级电流放大获得， 由单稳定时或定流装置再经脉冲变压器获得。七、步进电机的控制与应用、斩波驱动电路 斩波驱动电路R：采样电阻，阻值很小。比较器输入：“-”端采样电压，“+”端给定电压。与门ui为低电平时Tl和T2两个开关管均截止；ui为高电平时，T1和T2两个开关管均导通，电源向绕组供电。七、步进电机的控制与应用 由于绕组电感的作用，R上的电压逐渐升高，当超过给定电压u

36、c时，比较器输出低电平与门输出低电平 T1截止电源被切断；当取样电阻上的电压小于uc时，比较器输出高电平，与门也输出高电平，T1又导通，电源又开始向绕组供电。与门七、步进电机的控制与应用特特 点点 T2每导通一次，Tl导通多次，绕组电流为锯齿波。 在T2导通期间，电源是脉冲式供电的，所以提高了电源效率，并且能有效地抑制共振。由于无需外接限流电阻所以提高了高频性能，但是，由于电流波形为锯齿形，将会产生较大的电磁噪声。 斩波供电只需单电源。斩波供电的电流波形七、步进电机的控制与应用、双极性驱动电路(永磁式和混合式步进电机)电机绕组电机绕组AB的电流方向的电流方向七、步进电机的控制与应用、双极性驱动

37、电路 使用H桥驱动，每相绕组必须用一个H桥。当电机的相数较多时，所用的开关管较多，成本较高。为此，可采用多相桥式驱动电路，使开关管的数目减少一半。 H桥驱动电路七、步进电机的控制与应用五相桥驱动五相混合式步进电动机 七、步进电机的控制与应用二）、步进电机闭环控制系统 开环控制步进电机驱动系统的输入脉冲不依赖于转子的位置，而事先按照一定规律给定。缺点是电机输出转矩加速度在很大程度上取决于驱动源和控制方式。对不同电机或同种电机而不同的负载，很难找到通用的加减速规律，因此，提高步进电机的性能指标受到限制。 闭环控制是直接或间接地检测转子的位置和速度，并通过反馈和适当的处理，自动给出驱动的脉冲串。用闭

38、环控制可获得更加精确的位置控制和较高、较平稳的转速，且可在步进电机的其它领域内获得更大的通用性。 步进电机的输出转矩是励磁电流和失调角的函数。为获得高输出转矩，必考虑电流的变大和失调角的大小，这对开环控制很难实现。七、步进电机的控制与应用 步进电机闭环控制方案主要有核步法、延迟法时间、有位置传感器的闭环控制系统等。 用光电脉冲编码器作位置检测元件的闭环控制原理如下图。其中编码器的分辨率必须与步进电机步距角匹配。编码器直接反映参数切换角，但编码器相对于电机位置固定。因此，发出相切换的信号一定，只能是一种固定的切换角数值。用时间延迟法，可获不同的切换角，使电机产生不同的平均转矩，得到不同的转速。步

39、进电机光电脉冲编码器接口步进电机闭环控制原理图七、步进电机的控制与应用七、步进电机的控制与应用p步进电机的应用1）反应式步进电机的工作原理是建立在磁力线力图通过磁阻最小的路径，产生磁阻转矩来驱动转子转动。2）步进电机输出的角位移或线位移量与脉冲数成正比，转速与脉冲的频率成正比，转向取决于控制绕组中的通电顺序。3）步进电动机每相绕组中的通电是脉冲式的，每输入一个控制脉冲信号，转子转过的角度称为步距角，步距角的大小由转子齿数和运行拍数所决定。由于同一台步进电动机即可用单相通电方式也可用双相通电方式运行，所以它有两个步距角。4）步进电动机静转矩和失调角间的关系称为矩角特性，在=90时有最大静转矩，它

40、是步进电机的主要性能指标之一。小 结小 结5）动态性能直接影响系统工作的可靠性和快速性。步距角越小，运行的稳定性越好；只有负载转矩小于最大负载转矩，电机才能带负载作步进运行；运行拍数和矩角特性的波形对最大负载转矩有很大影响。在动态时的主要特性和性能指标有：启动矩频特性和运行矩频特性，启动频率和运行频率。6）当脉冲频率等于振荡频率的1/K时，惯性转子会发生振荡甚至失步，所以在使用时应避免在共振频率下运行。7）步进电动机系统有开环和闭环控制两种。开环系统因为结构简单、成本低应用较多；闭环系统通常用于高精度的场合。习 题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。2、若一台BF系列四相反应式步进电动机，其步距角为。试问：表示什么意思？转子齿数为多少？写出四相八拍运行方式的一个通电顺序。在A相测得电源频率为400Hz时，其每分钟的转速为多少？