1、第第7章步进电动机传动控制系统章步进电动机传动控制系统 步进电动机（步进电动机（Step motor 或或Stepping motor），是一种利用电磁感应原理，将电），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。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。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步进电
2、动机的工作机理是基于最基本的电磁铁机理。磁铁机理。第第7章步进电动机传动控制系统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。控制器环形分配器功率放大器步进电动机辅助电路驱动电源图7.1步进电动机传动控制系统框图7.1 步进电动机工作原理及分类步进电动机工作原理及分类7.1.1 步进电
3、动机的结构与工作原理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。1结构特点结构特点图7.2所示为一台三相反应式步进电动机的结构简图。其定子有6个磁极，每两个相对的磁极上绕有一相控制绕组，由外部脉冲信号对各相绕组轮流励磁。转子上有均布的四个凸齿。图7.2三相反应
4、式(a)(b)步进电动机结构简图图7.3三相反应式步进电动机工作原理2.工作原理工作原理(1)基本工作原理基本工作原理步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便步进电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，用转过一个确定的角度，即步进电机的步距角，用b表示；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步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变。改变。7.4单三拍通电方式时的转子位置（2）通电方式）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
5、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：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
6、-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 NS右 段左 段B2A2A1B1B2A2A1B1若以转子左段铁心作参考，当A1、A3极上的齿与转子齿对齐时，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
7、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
8、动机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360z7.1.2小步距角步进电动机小步距角步进电动机如果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步进电动机的分类步进电
9、动机的分类分类方式分类方式具体类型具体类型结构特点结构特点按工作原理反应式转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行，是我国步进电动机发展的主要类型。(又称磁阻式)其主要特点是气隙小、步距角小，定位精度高，控制准确；但励磁电流较大，要求有较大的驱动电源功率，且电动机内部阻尼较小，当相数较小时，单步运行振荡时间较长或断电后无定位转矩，所以使用中需要自锁定位。激磁式定、转子均有激磁绕组(或转子用永久磁钢)，由电磁力矩实现步进运行。输出力矩大，但结构复杂，实际较少应用。永磁式转子和定子的某一方具有永久磁钢，另一方由软磁材料制成。绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生转矩
10、。主要特点时步距角大，一般为15、30、45等，控制精度不高；控制功率较小，效率高；由于有用具磁钢，内部阻尼较大，单步振荡时间较短，断电后具有一定的定位自锁力矩。混合式近似反应式和永磁式的结合体。与反应式的主要区别是转子上有磁钢，反应式转子则无磁钢，静态电流比永磁式大许多永磁式。(永磁感应式)混合式步进电动机可以做成像反应式一样的小步距角，又具有永磁式控制功率小的优点；故具有驱动电流小，效率高、过载能力强、控制精度高等特点，代表着步进电动机的最新发展，是一种很有应用前景的步进电动机。7.1.3步进电动机的分类步进电动机的分类分类方式分类方式具体类型具体类型结构特点结构特点按输出力矩大小伺服式输
11、出力矩在百分之几之几至十分之几(Nm)只能驱动较小的负载，要与液压扭矩放大器配用，才能驱动机床工作台等较大的负载。功率式输出力矩在5-50Nm以上，可以直接驱动机床工作台等较大的负载。按相数三相相数越多，步距角越小，相同工作频率下运行越平稳，控制精度越高；随着相数增多，结构也越复杂，成本越高。四相m相按各相绕组分布径向分布式电机各相按圆周依次排列轴向分布式电机各相按轴向依次排列，转动惯量小，快速性和稳定性好；功率步进电动机多为轴向式，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环形线圈结构 反应式步进电动机多段
12、分布绕组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示意图 永磁式步进电动机环形线圈结构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步进电动机的驱动方式环形分配器功能是将控制
13、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步进电动机的环形分配器1.硬件环形分配器硬件环形分配器(1)逻辑电路环形分配器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步进电动机的环形分配器1.硬件环形分配器硬件环形分配器(1)逻辑电路环形分配器逻辑电路环形分配器(2)EPROM环形分配器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
14、(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步进电动机的环形分配器1.硬件环形分配器硬件环形分配器(1)逻辑电路环形分配器逻辑电路环形分配器(2)EPROM环形分配器环形分配器图7.9EPRO
15、M型环形分配器7.2.2步进电动机的环形分配器步进电动机的环形分配器1.硬件环形分配器硬件环形分配器(1)逻辑电路环形分配器逻辑电路环形分配器(2)EPROM环形分配器环形分配器(3)集成环形分配器集成环形分配器图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步进电动机的环形分配器2.软件环形分配器软件环形分配器(1)设置输出接口设置输出接口(2)设计环形分配子程序设计环形分配子程序(3)设计延时子程序设计延时子程序图7.11I/O接口图存储元件地址存储元件地址单元内容单元内容对应通电相对应通电相K0K1K2K3K4K501H(0001)03H(
16、0011)02H(0010)06H(0110)04H(0100)05H(0101)AABBBCCCA表7-4环形分配表7.2.3步进电动机的驱动电路步进电动机的驱动电路1.单电压驱动电路单电压驱动电路7.2.3步进电动机的驱动电路步进电动机的驱动电路2.双电压驱动电路双电压驱动电路7.2.3步进电动机的驱动电路步进电动机的驱动电路2双电压驱动电路双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
17、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步进电动机的驱动电路3斩波驱动电路斩波驱动电路图7.14 斩波驱动电路斩波驱动电路实用电路（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（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步进电动机的驱动电路4.升频升压驱动电路升频升压驱动电路图3.15升频升压驱动电路升频升压驱动电路实用电路（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步进电动机的驱动电路5.细分驱动电路细分驱动电路图7.16细分驱
18、动电流阶梯波7.2.3 步进电动机的驱动电路步进电动机的驱动电路5.细分驱动电路细分驱动电路细分驱动有如下特点：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：目前实现阶梯波供电的方法有：先放大后叠加1)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（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（细分驱动电路驱动电路实用电
19、路（5）细分驱动电路驱动电路实用电路（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步进电动机的运行特性1.矩角特性矩角特性 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
20、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(=360o z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
21、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7.18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)稳定区稳定区(2)单步运行特性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
22、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步进电动机的运行特性3.连续脉冲运行特性连续脉冲运行特性(1)极低频条件下运行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步进电动机的运行特性(2)
23、低频条件下运行低频条件下运行当控制脉冲的频率为l/tbf4f0条件下运行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。7.3.1步进电动机的运行特性步进电动机的运行特性4.加减速特性加减速特性步进电动机由静止到工作频率或由工作频率到静止的加减速过程中，励磁绕组通电状态的变化频率f与时间t的关系。当要求步进电动机起动到大于起动频率的工作频率f时，速度必须上升；当从最高工作频率fmax或高于起动频率的工作频率f停止时，速度必须下降；步进电动机的加减速
24、特性如图7.24所示。图7.24步进电动机渐渐速特性7.3.2步进电动机的运行特性的影响因素步进电动机的运行特性的影响因素1.脉冲信号频率对步进电动机运脉冲信号频率对步进电动机运行的影响行的影响当脉冲信号频率很低时，控制脉冲以矩形波输入，电流波形比较接近于理想的矩形波，脉冲信号频率增高，由于电动机绕组的电感的作用，因此电流发生畸变，在开始通电瞬间，由于电流不能突变，其值不能立即升起，故使转矩下降，起动转矩减小，有可能动不起来。在断电的瞬间，电流也不能迅速下降，而产生反转矩致使电动机不能正常工作。脉冲频率很高，则电流还来不及上升到稳定值I就开始下降，于是电流的幅值降低（由I降到I），因而产生的转
25、矩减小致使带负载的能力下降。故频率过高会使步讲电动机起动不了或运行时失步。图7.25脉冲信号畸变7.3.2步进电动机的运行特性的影响因素步进电动机的运行特性的影响因素2转子机械惯性对步进电动机运行的影响转子机械惯性对步进电动机运行的影响从物理学可知，机械惯性对瞬时运动物体要发生作用，当步进电动机从静止到起步，由于转子部分的机械惯性的作用，转子一下子转不起来，因此，要落后于它应转过的角度。如果落后不太大，还会跟上来；如果落后太多，或者脉冲频率过高，电动机将会起动不起来。另外，即使电动机在运转，也不是每一步都迅速地停留在相应的位置，而是受机械惯性的作用要经过几次振荡才停下来；如果这种情况严重，就可
26、能引起失步。因此，步进电动机都采用阻尼方法，以消除（或减缓)步进电动机的振荡。随着转动惯量的增加，会引起机械阻尼作用的加强，摩擦力矩也会相应增大，转子就跟不上磁场变化的速度，最后凶超出动稳定区而失步或产生振荡，从而限制连续运行的频率。7.3.3步进电动机的主要性能指标和应用步进电动机的主要性能指标和应用1步进电动机的主要性能指标步进电动机的主要性能指标(1)步距角步距角b若通电方式和系统的传动比已初步确定，则步距角应满足bimin式中：i为传动比；min为负载轴要求的最小位移增量(或称脉冲当量，即每一个脉冲所对应的负载轴的位移增量)。7.3.3步进电动机的主要性能指标和应用步进电动机的主要性能
27、指标和应用(2)精度精度对于所选用的步进电动机，其步距精度为：=i(L)式中：L为负载轴上所允许的角度误差。7.3.3步进电动机的主要性能指标和应用步进电动机的主要性能指标和应用(3)静转矩静转矩负载转矩与最大静转矩的关系为TL=0.30.5Tsmax为保证步进电动机在系统中正常工作，还必须满足：TstTLmax式中：Tst为步进电动机起动转矩；TLmax为步进电动机最大静负载转矩。通常取Tst=TLmax(0.30.5)7.3.3步进电动机的主要性能指标和应用步进电动机的主要性能指标和应用(4)响应频率响应频率在某一频率范围，步进电动机可以任意运行而不丢失一步，这一最大频率称为响应频率。通常
28、用起动频率fst来作为衡量的指标，它是能不丢步地起动的极限频率，有时也叫做突跳频率或牵入频率。(5)运行频率运行频率运行频率是指频率连续上升时，电动机能不失步运行的极限频率。它的值也与负载的大小有关。在相同负载情况下，连续频率fc的值远大于响应频率或起动频率fst。(6)起动矩频特性起动矩频特性在给定的驱动条件下，负载惯量定时，起动频率与负载转矩之间的关系称为起动矩频特性。当电动机带着一定的负载转矩起动时，作用在电动机转子上的加速转矩为电磁转矩与负载转矩之差。负载转矩越大，加速转矩就越小，电动机就越不容易起动，其起动的脉冲频率就应该越低。7.3.3步进电动机的主要性能指标和应用步进电动机的主要
29、性能指标和应用(7)起动惯频特性起动惯频特性负载力矩一定时，起动频率与负载惯量之间的关系称为起动惯频特性或牵入惯频特性。转动惯量越大，转子速度的增加越慢，起动频率也应越低。(8)运行矩频特性运行矩频特性在负载惯量不变时，运行频率与负载转矩之间的关系称为运行矩频特性。随着步进电动机运行频率连续上升时，电动机不失步运行的最高频率称为连续运行频率fc，它的值也与负载有关。很显然，在同样负载下，运行频率fc 远大于启动频率。f c 反映了步进电机的最高运行速度，直接影响生产率。在连续运行状态下，步进电动机的电磁力矩随频率的升高而急剧下降。7.3.3步进电动机的主要性能指标和应用步进电动机的主要性能指标
30、和应用2步进电动机的应用注意事项步进电动机的应用注意事项(1)为使步进电动机正常运行(不失步，不越步)、正常起动并满足对转速的要求，必须保证步进电动机的输出转矩大于负载所需的转矩。所以应计算机械系统的负载转矩，并使所选电动机的输出转矩有一定的余量，以保证可靠运行。被选电动机能与机械系统的负载惯量及所要求的起动频率相匹配并留有一定余量，还应使其最高工作频率能满足机械系统移动部件加速移动的要求。(2)应使步进电动机的步矩角be与机械负载相匹配，以得到步进电动机所驱动部件需要的脉冲当量。(3)驱动电源的优劣对步进电动机控制系统的运行影响极大，使用时要特别注意。需根据运行要求，尽量采用先进的驱动电源，
31、以满足步进电动机的运行性能。(4)若所带负载转动惯量较大，则应在低频下起动，然后再上升到工作频率；停车时也应从工作频率下降到适当频率再停车；在工作过程中，应尽量避免由于负载突变而引起的误差。(5)若在工作中发生失步现象，首先应检查负载是否过大，电源电压是否正常，再检查驱动电源输出波形是否正常，在处理问题时不应随意变换元件。7.4步进电动机的开、闭环控制步进电动机的开、闭环控制由于步进电动机能直接接收数字量信号，所以被广泛应用于数字控制系统中。步进电动机的工作过程一般由控制器控制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。较简单的控制电路利用一些数字逻辑单元组成，
32、即采用硬件的方式。但要改变系统的控制功能，一般都要重新设计硬件电路，灵活性较差。以微型计算机为核心的计算机控制系统为步进电动机的控制开辟了新的途径，利用计算机的软件或软、硬件相结合的方法，大大增强了系统的功能，同时也提高了系统的灵活性和可靠性。以步进电动机作为执行元件的控制系统，包括开环和闭环两种形式。7.4.1步进电动机的开环控制步进电动机的开环控制步进电动机系统的主要特点是能实现精确位移、精确定位，且无积累误差。这是因为步进电动机的运动受输入脉冲控制，其位移量是断续的，总的位移量严格等于输入的指令脉冲数或其平均转速严格正比于输入指令脉冲的频率；若能准确控制输入指令脉冲的数量或频率，就能够完
33、成精确的位置或速度控制，无需系统的反馈，形成所谓的开环控制系统。图7.26步进电动机开环控制原理框图7.4.1步进电动机的开环控制步进电动机的开环控制1.串行控制串行控制图7.27串行控制功能框图7.4.1步进电动机的开环控制步进电动机的开环控制2.并行控制并行控制图7.28并行控制方案的功能框图7.4.1步进电动机的开环控制步进电动机的开环控制3.速度控制速度控制控制步进电动机的运行速度，实际上就是控制系统发出脉冲的频率或者换相的周期。系统可用两种方法来确定脉冲的周期：一种是软件延时，另一种是用定时器。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CPU时间；定时器方法是通过设置定时
34、时间常数的方法来实现的。由于开环控制系统不需要反馈元件，结构比较简单、工作可靠、成本低，因而在数字控制系统中得到广泛的应用。图7.29步进电动机的加减速定位控制7.4.2 步进电动机的闭环控制步进电动机的闭环控制图7.30步进电动机闭环控制功能框图开环控制的步进电动机驱动系统，电动机的输出转矩在很大的程度上取决于驱动电源和控制方式。在某些运行速度范围宽、负载大小变化频繁的场合，步进电动机很容易失步，使整个系统趋于失控。对于高精度的控制系统，采用开环控制往往满足不了精度的要求。闭环控制是直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当的处理，自动给出驱动的脉冲串。采用闭环控制，不仅可以获得更
35、加精确的位置控制和高的多、平稳得多的转速。与开环系统相比多了一个由位置传感器组成的反馈环节。7.5.步进电动机控制系统应用实例步进电动机控制系统应用实例 步进电动机的应用十分广泛，如机械加工、绘图机、机器人、计算机的外部设备、自动记录仪表等。它主要用于工作难度大、要求速度快、精度高的场合。尤其是电力电子技术和微电子技术的发展为步进电动机的应用开辟了广阔的前景。下面举几个实例简要说明步进电动机的一些典型应用。7.5.1步进电机在数控车床中开环控制的应用步进电机在数控车床中开环控制的应用图7.31步进电机伺服系统示意图7.5.1步进电机在数控车床中开环控制的应用步进电机在数控车床中开环控制的应用1
36、.步进电机的选择步进电机的选择1)计算计算(1)切削力的计算切削力的计算(2)减速齿轮的选择减速齿轮的选择(3)转动惯量的计算转动惯量的计算(4)转矩的计算转矩的计算7.5.1步进电机在数控车床中开环控制的应用步进电机在数控车床中开环控制的应用1.步进电机的选择步进电机的选择1)计算计算2)分析分析7.5.1步进电机在数控车床中开环控制的应用步进电机在数控车床中开环控制的应用2.步进电机的控制步进电机的控制图7.35单片机控制步进电机接口图7.5.1步进电机在数控车床中开环控制的应用步进电机在数控车床中开环控制的应用2.步进电机的控制步进电机的控制(1)步进电机通电相序方向控制步进电机通电相序
37、方向控制表7-5步进电机三相六拍励磁时的开关顺序表7.5.1步进电机在数控车床中开环控制的应用步进电机在数控车床中开环控制的应用2.步进电机的控制步进电机的控制(1)步进电机通电相序方向控制步进电机通电相序方向控制(2)步进电机的转速控制步进电机的转速控制7.5.2步进电机闭环控制在挤压机速度系统中的应用步进电机闭环控制在挤压机速度系统中的应用图5挤压机速度调节系统组成1.主缸2.主柱缸3.动梁4.挤压杆5.挤压筒6.主驱动电机7.变量油泵8.液压变量控制器9.恒压油源10.系统控制阀门11.速度/位置控制器12.光电测速13.速度给定器14.PLC可编程控制器7.5.2 步进电机闭环控制在挤
38、压机速度系统中的应用步进电机闭环控制在挤压机速度系统中的应用图7.37挤压机速度闭环综合控制系统框图7.5.2步进电机闭环控制在挤压机速度系统中的应用步进电机闭环控制在挤压机速度系统中的应用表7-7三种挤压机速度控制结果比较从表中可以看出,我们研制的速度闭环系统比“ROTAS+斜率速降控制”高出一个数量级,比“ROTAS系统”高出17倍,可以满足各种铝合金型材挤压工艺的要求。7.5.3基于基于PLC的步进电机控制在工业机械手中的应用的步进电机控制在工业机械手中的应用1.工业机械手工序要求工业机械手工序要求工业机械手中采用步进电机具有以下优点:1)不需要限位开关或位置传感器,节省了PLC的I/O
39、资源;2)机械手运行速度可由程序设定,无需调整电机电压;3)机械手定位精确并能保持。7.5.3基于基于PLC的步进电机控制在工业机械手中的应用的步进电机控制在工业机械手中的应用2.PLC控制步进电机系统分析控制步进电机系统分析图7.39PLC控制步进电机的系统框图7.5.3基于基于PLC的步进电机控制在工业机械手中的应用的步进电机控制在工业机械手中的应用3.硬件设计硬件设计7.5.3基于基于PLC的步进电机控制在工业机械手中的应用的步进电机控制在工业机械手中的应用3.硬件设计硬件设计PLCI/O分配如下：X0-原点确定X1-右行Y0-步进脉冲信号X2-左行Y2-步进脉冲方向4部分程序及注释小结
40、小结 步进电动机是将控制脉冲信号变换为角位移或直线位移的一种微特电机。反应式步进电动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。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。正常工作时 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，电动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。由于控制绕组中电感的影响，绕组中的电流不能突变，致使步进电动机的转矩随频率增高而减小。在动态时的主要特性和性能指标有：起动矩频特性和运行矩频特性，起动频
41、率和运行频率。尽可能提高电动机转矩，减小电动机和负载的惯量，是改善动态性能的有效途径。小结小结当脉冲频率等于振荡频率的1K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。为了削弱振荡现象，一般都装有机械阻尼器。步进电动机除常用的反应式外还有永磁式和混合式步进电动机，尤其是混合式步进电动机近几年发展较快。它的原理大致和反应式相似，所不同的是转子也有磁极，工作时两个磁动势共同作用在磁路上。步进电动机需要有一个专门电源来驱动，驱动电源对电动机的运行性能有很大的影响。要改善运行性能，必须从电动机和电源两方面着手。按绕组中电流的流向分为单极性和双极性驱动两种，使用时要选择能满足系统要求的电源驱动电动机。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。
