1、常见步进电机外形构造常见步进电机外形构造 第五章第五章 步进电动机步进电动机通电线圈中磁感应强度通电线圈中磁感应强度B=H=nI=BS(S是垂直磁感强度的面积是垂直磁感强度的面积)线圈磁通量是由线圈线圈磁通量是由线圈匝数匝数和和面积面积，以及，以及线圈中的线圈中的通电电流通电电流所决定的。所决定的。步进电机的内部构造步进电机的内部构造 步进电动机构造：步进电动机构造：由转子（转子铁芯、永磁体、转轴、滚珠轴承），定子（绕组、定子铁由转子（转子铁芯、永磁体、转轴、滚珠轴承），定子（绕组、定子铁芯），前后端盖等组成。最典型两相混合式步进电机的定子有芯），前后端盖等组成。最典型两相混合式步进电机的定子
2、有8个大齿，个大齿，40个小齿，转子有个小齿，转子有50个小齿；三相电机的定子有个小齿；三相电机的定子有9个大齿，个大齿，45个小齿，转子有个小齿，转子有50个小齿。个小齿。电动机构造图电动机构造图转轴成平行方向的断面图转轴成平行方向的断面图5.1.1 5.1.1 步进电动机步进电动机结构与工作原理结构与工作原理 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。每当输入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。每当输入一个电脉冲时，它便转过一个固定的角度，这个角度叫步距角一个电脉冲时，它便转过一个固定的角度，这个角度叫步距角，简称步距。脉，简称步距。脉冲一个一个输入，
3、电动机便一步一步转动。冲一个一个输入，电动机便一步一步转动。步进电动机的分类：步进电动机的分类：工作原理工作原理反应式反应式永磁式永磁式混合式混合式输出转输出转矩大小矩大小快速步进电机快速步进电机功率步进电机功率步进电机励磁相数励磁相数二、三、四、五、六、八相等二、三、四、五、六、八相等角位移角位移输入脉冲个数输入脉冲个数运行速度运行速度输入脉冲频率输入脉冲频率以反应式为例说明步进电机的结构和工作原理以反应式为例说明步进电机的结构和工作原理通常按励磁方式分为三大类：通常按励磁方式分为三大类：步进电动机的种类步进电动机的种类 反应式步进电动机结构反应式步进电动机结构：一、步进电动机的组成一、步进
4、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如图所示为一台三相反应式步进电动机的结构示意图，同样由定子和转子组成。，同样由定子和转子组成。定子：定子：由定子铁心、绕组、绝缘材料等组成由定子铁心、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励磁绕组由外部脉冲信号对各相绕组轮流励磁。如图所示。轮流励磁。如图所示。AAK1K2K3BCBC 转子：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形铁心。其中定子的三个励磁绕组，其其中定子的三个励磁绕组，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错几
5、何轴线依次分别与转子齿轴线错开。错开的距离分别为开。错开的距离分别为1/3(T)、2/3(T)。T为相邻两齿轴线间的距离。为相邻两齿轴线间的距离。二、步进电动机的工作原理二、步进电动机的工作原理 给给A A相绕组通电时，转子位置如相绕组通电时，转子位置如图（图（a a），转子齿偏离定子齿一个角度。），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转子齿转动，当转子转到与定子齿对齐位置时齐位置时(图图b)b)，因转子只受径向力而，因转子只受径向力而无切线力，
6、故转矩为零，转子被锁定无切线力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。由此可见：在这个位置上。由此可见：错齿错齿是使是使得步进电机旋转的根本原因。得步进电机旋转的根本原因。a)b)5.1.2 5.1.2 通电方式通电方式一、步进电动机的通电方式一、步进电动机的通电方式 步进电动机的转速既取决于控制绕组的通电频率，也取决于绕组通电方式，步进电动机的转速既取决于控制绕组的通电频率，也取决于绕组通电方式，三相步进电机一般有三相步进电机一般有单三拍单三拍、单双六拍单双六拍和和双三拍双三拍等通电方式，其中等通电方式，其中“单单”是指是指每次切换前后只有一相绕组通电，每次切换前后只有一相绕组通电，“双双”指
7、每次有两相绕组通电；而从一种通指每次有两相绕组通电；而从一种通电状态转换到另一种通电状态就叫电状态转换到另一种通电状态就叫“拍拍”。1.1.单相通电方式单相通电方式：指对每相绕组单独轮流通电，对于三相步进电动机：指对每相绕组单独轮流通电，对于三相步进电动机：如果要改变旋转方向，则只要改变通电顺序即可，如通电顺序改为如果要改变旋转方向，则只要改变通电顺序即可，如通电顺序改为A时，转子按逆时针方向一步一步转动。时，转子按逆时针方向一步一步转动。齿距角：齿距角：转子齿与齿之间的角度。转子齿与齿之间的角度。步距角：步距角：转子每步转过的角度。转子每步转过的角度。每次转动每次转动30o，因此，当通电顺序
8、为，因此，当通电顺序为AB时，转子按顺时针方向一时，转子按顺时针方向一步一步转动。每换接一次，则转子前进一个步距角。电流换接三次，磁场旋转一步一步转动。每换接一次，则转子前进一个步距角。电流换接三次，磁场旋转一周，转子前进一个齿距角，这里是周，转子前进一个齿距角，这里是90o。3.3.双拍工作方式：双拍工作方式：正转：正转：AB-BC-CA-ABAB-BC-CA-AB 反转：反转：AC-CA-BC-ACAC-CA-BC-AC 2.2.三相六拍工作方式：三相六拍工作方式：每次转动每次转动15o，当通电顺序按，当通电顺序按A-AB-B-BC-C-CA-A时，则转子便按顺时针方向一时，则转子便按顺时
9、针方向一步一步地转动，步距角为步一步地转动，步距角为15o。电流换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距。电流换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距。如果要如果要 反转，则通电顺序改为反转，则通电顺序改为A-CA-C-BC-B-AB-A即可。即可。同样双三拍通电方式每走一步前进了一个步距角（同样双三拍通电方式每走一步前进了一个步距角（30o）。）。二、步进电动机的步距角二、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。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。设转子的齿数为设转子的齿数为Z，则齿距为：，则齿距为：
10、=360/Z步距角：步距角：齿距齿距/拍数拍数=360=360/（KmZKmZ）其中：其中：Z Z转子齿数转子齿数 m m定子绕组相数定子绕组相数 K K通电系数通电系数 K=1,2K=1,2，（单三拍、双三拍时，（单三拍、双三拍时，K K1 1；单、双六拍时，；单、双六拍时，K K2 2）若二相步进电动机的若二相步进电动机的Z=100，单拍运行时，其步距角，单拍运行时，其步距角8.110023609.010022360若按单、双通电方式运行时，步距角若按单、双通电方式运行时，步距角 由此可见，步进电动机的转子齿数由此可见，步进电动机的转子齿数Z和定子相数和定子相数(或运行拍数或运行拍数)愈多
11、，则步距角愈多，则步距角愈小，控制越精确。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：，步距角用弧度表示，则步进电动机的转速为：fKmZfKmZfn606022602（r/min标注为标注为rpm）5.1.3 5.1.3 步距角的细分步距角的细分 单相或双相通电时，称为整步运行；整步又称自然步。单相或双相通电时，称为整步运行；整步又称自然步。单、双相通电时，称为半步运行。单、双相通电时，称为
12、半步运行。整步或半步运行时，因单步增量都比较大，而运行振动直接与步增量有关。整步或半步运行时，因单步增量都比较大，而运行振动直接与步增量有关。细分的目的就是将自然步进行细分，得到微步距，以得到较好的运行性能。细分的目的就是将自然步进行细分，得到微步距，以得到较好的运行性能。细分时：细分时：A相绕组额定电流：转子停在相绕组额定电流：转子停在A-A位置位置 A相绕组额定电流、相绕组额定电流、B相绕组相绕组1/2额定电流：转子额定电流：转子停在位置停在位置，转角，转角150 A相绕组额定电流、相绕组额定电流、B相绕组额定电流时：转子相绕组额定电流时：转子停在位置停在位置，转角，转角150 A相绕组相
13、绕组1/2额定电流、额定电流、B相绕组额定电流：转子相绕组额定电流：转子停在位置停在位置，转角，转角150 B相绕组额定电流：转子停在位置相绕组额定电流：转子停在位置B-B，转角，转角150这就是这就是4细分，即一步分成细分，即一步分成4步。目前常用细分系数有步。目前常用细分系数有2、4、8、16、32、64图图5.4 步距细分原理图步距细分原理图不细分时不细分时:A相绕组通电：转子停在相绕组通电：转子停在A-A位置位置 A、B相绕组通电：转子停在位置相绕组通电：转子停在位置，转角，转角300 B相绕组通电：转子停在相绕组通电：转子停在B-B位置位置，转角转角3005.1.4 5.1.4 步进
14、电动机的主要性能指标步进电动机的主要性能指标一、步进电机的静态指标一、步进电机的静态指标相数：相数：产生磁场的激励线圈的励磁数（产生磁场的激励线圈的励磁数（定子绕组的个数定子绕组的个数），一般分为三相、），一般分为三相、四相、五相、六相甚至八相。目前多用三至六相的步进电机；四相、五相、六相甚至八相。目前多用三至六相的步进电机；拍数拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，或指电机转过一：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，用个齿距角所需脉冲数，用n表示表示，磁场一个周期，磁场一个周期360，转过一个机械齿距角，转过一个机械齿距角；步距角：步距角
15、：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移，用对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移，用表示；表示；定位转矩：定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩；电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩；静转矩：静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运行时，电机转轴的锁电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运行时，电机转轴的锁定力矩。该力矩是衡量电机体积的标准，与驱动电压及驱动电源无关。定力矩。该力矩是衡量电机体积的标准，与驱动电压及驱动电源无关。力矩：力矩：电机一旦通电，在定子和转子间将产生磁场，转子与定子错开电机一旦通电，在定子和转子间将产生磁场，转子与定子错开一定角度（磁通量一定角
16、度（磁通量）。力。力F与定子和转子的错开角有关，与与定子和转子的错开角有关，与（d/d/d)成正比成正比。B Br rS SBr为磁通密度，为磁通密度，S为导磁面积。为导磁面积。F 与与LDBr成正比，成正比，L为铁芯有效长度，为铁芯有效长度，D为转子直径。为转子直径。BrNI/R，NI为励磁绕组安匝数，为励磁绕组安匝数，R为磁阻，为磁阻，磁阻与磁导率成反比。磁阻与磁导率成反比。力矩力力矩力半径。半径。力矩与电机有效体积力矩与电机有效体积安匝数安匝数磁密成正比，因此电机有磁密成正比，因此电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，力矩越大。效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，
17、力矩越大。二、步进电机的动态指标二、步进电机的动态指标步距角精度：步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用表步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用表示。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在示。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5以内，八拍运行时应在以内，八拍运行时应在15以内。以内。输出转矩：输出转矩：电动机轴上的输出转矩的大小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矩频特性。失步失步：电机运转时运转的步数不等于理论上的步数。电机运转时运转的步数不等于理论上的步数。失调角失调
18、角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。最大空载启动频率：最大空载启动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接启动的最大频率。情况下，能够直接启动的最大频率。最大空载运行频率：最大空载运行频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，电机不带负载电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。的最高转速频率。三、步进电动机的主要特性三、
19、步进电动机的主要特性 1.矩角特性矩角特性 矩角特性指电磁转矩与偏转角的关系矩角特性指电磁转矩与偏转角的关系 2.启动惯频特性启动惯频特性 启动频率和轴上负载转动惯量之间的启动频率和轴上负载转动惯量之间的关系关系e达到/2，定子齿与转子齿错开1/4个齿距时，转矩T达到最大值，称为最大静转矩Tsmax。负载转矩一般为Tsmax的3050%。在负载转矩TL=0的条件下，步进电动机由静止状态突然启动、不失步地进入正常运行状态所允许的最高启动频率，称为启动频率。启动频率与转子转动惯量、折算转动惯量有关。实际启动频率由于TL存在，比标称数值要低。拍数越多，步距角越小，极限启动频率越高；最大静转矩越大，电
20、磁力矩越大，转子加速度就越大，启动频率也越高。定子每相绕组通电循环一周（360度电角度），对应转子在空间转过一个齿距（360/Z机械角度）。三、步进电动机的主要特性三、步进电动机的主要特性 3.运行频率特性运行频率特性 步进电动机启动后，当控制的脉冲频率连续上升时能不失步运行的最高频率脉冲步进电动机启动后，当控制的脉冲频率连续上升时能不失步运行的最高频率脉冲重复频率称为连续运行平率。重复频率称为连续运行平率。转动惯量主要应影响运行频率连续升降的速度，而步进电动机的绕组电感和驱动转动惯量主要应影响运行频率连续升降的速度，而步进电动机的绕组电感和驱动电源的电压对运行频率的上限影响很大。实际启动频率
21、比运行频率低得多。电源的电压对运行频率的上限影响很大。实际启动频率比运行频率低得多。通常采用自动升降频的方式，即步进电动机先在低频下启动，再逐渐升高至运行通常采用自动升降频的方式，即步进电动机先在低频下启动，再逐渐升高至运行频率；当步进电动机停转时，先将脉冲频率降低至启动频率以下，再停止输出脉冲，频率；当步进电动机停转时，先将脉冲频率降低至启动频率以下，再停止输出脉冲，这样，步进电动机就能不失步地准确停止。这样，步进电动机就能不失步地准确停止。三、步进电动机的主要特性三、步进电动机的主要特性 4.矩频特性矩频特性 负载转动惯量一定且稳定运行时，定子绕组电流变化（最大输出转矩）和频率的关系 负载
22、负载转矩转矩与连续运行时频率的关系与连续运行时频率的关系频率很低频率很低频率增高频率增高频率很高频率很高最大输出转矩随脉冲频率的升高而下降。最大输出转矩随脉冲频率的升高而下降。绕组电感和驱动电源电压对矩频特性影响很大。绕组电感和驱动电源电压对矩频特性影响很大。低频区，矩频特性平坦。高频区，矩频曲线急剧下降。步进电机高频特性差。从静止到高速，需要加速过程。从高速到静止，需要减速。否则会出现失步。步进电机先低频启动，然后升至运行频率。运行频率增高，负载能力变差。三、步进电动机的主要特性三、步进电动机的主要特性 5.精度精度 精度精度最大步距误差：最大步距误差：电动机旋转一周相邻两步之间的实际步距与
23、理想电动机旋转一周相邻两步之间的实际步距与理想步距的最大差值步距的最大差值最大累计误差：最大累计误差：旋转一周范围内，从任何位置开始经过任意步旋转一周范围内，从任何位置开始经过任意步后角位移的最大误差值后角位移的最大误差值 步进电动机在一周内存在最大步距误差或最大累计误差。但没有累计误步进电动机在一周内存在最大步距误差或最大累计误差。但没有累计误差。即：旋转一周后误差被清除。差。即：旋转一周后误差被清除。一、步进电动机驱动电源的组成一、步进电动机驱动电源的组成脉脉冲冲分分配配器器功放电路功放电路三三相相步步进进电电机机负载负载功率电功率电源源分配器电源分配器电源功放电路功放电路功放电路功放电路
24、功率放大器功率放大器步进脉冲步进脉冲方向信号方向信号fABC脉冲分配器脉冲分配器+功率放大电路功率放大电路第第1111章章 步进电动机控制系统步进电动机控制系统1.脉冲分配器脉冲分配器 当方向电平为低时，脉冲分配器的输当方向电平为低时，脉冲分配器的输出按出按A-B-CA-B-C的顺序循环产生脉冲。的顺序循环产生脉冲。fABC 当方向电平为高时，脉冲分配器当方向电平为高时，脉冲分配器的输出按的输出按A-C-BA-C-B的顺序循环产生脉冲。的顺序循环产生脉冲。ABCf 2.功率放大器功率放大器 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，使电动机的将脉冲分配器的输出信号进行电流放大
25、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。转子产生输出转矩。11.1 11.1 步进电动机的环形分配器步进电动机的环形分配器 步进电动机的环形分配器可由步进电动机的环形分配器可由硬件或软件方法硬件或软件方法来实现来实现。硬件环形分配器：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。观、维护方便等优点。软件环形分配器：软件环形分配器：由计算机接口电路和相应的软件组成的。受到微型计算机运算由计算机接口电路和相应的软件组成的。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。速度的限
26、制，有时难以满足高速实时控制的要求。一、硬件环形分配器：一、硬件环形分配器：硬件环形分配器由门电路、双稳态触发器或逻辑阵列芯片（硬件环形分配器由门电路、双稳态触发器或逻辑阵列芯片（GAL、PLD）组成）组成的逻辑电路来实现。的逻辑电路来实现。BQ CQ CQ AQ AQ BQ W-QA CAJ K AQ+&QB CBJ K BQ+&R W+QC CBJ K CQ+&R S CP 复位&1.由由JK触发器组成的环形分配器触发器组成的环形分配器JKQn+1功能功能00Qn保持010置0101置111翻转11.1 由由JK触发器组成的环形分配器逻辑真值表触发器组成的环形分配器逻辑真值表序号序号控制信
27、号状态控制信号状态输出状态输出状态导电绕组导电绕组CAJ CBJ CCJQA QB QC0 01 1 01 1 01 0 01 0 0A A1 10 1 00 1 01 1 01 1 0ABAB2 20 1 10 1 10 1 00 1 0B B3 30 0 10 0 10 1 10 1 1BCBC4 41 0 11 0 10 0 10 0 1C C5 51 0 01 0 01 0 11 0 1CACA6 61 1 01 1 01 0 01 0 0A A2.2.专用集成芯片或通用可编程逻辑器件组成的环形分配器专用集成芯片或通用可编程逻辑器件组成的环形分配器 CH250是专门为三相反应式步进电动
28、机设计的环形分配器，采用是专门为三相反应式步进电动机设计的环形分配器，采用CMOS工艺，集成工艺，集成度高，可靠性好。其管脚分布及三相双六拍工作时的接线见图度高，可靠性好。其管脚分布及三相双六拍工作时的接线见图11.3，和状态表，和状态表11.2。3.EPROM3.EPROM在环形分配器中的应用在环形分配器中的应用 EPROM环形分配器在硬件电路不动的情况下，只需改变软件内存储器的地址，环形分配器在硬件电路不动的情况下，只需改变软件内存储器的地址，就可是实现多种通电方式。就可是实现多种通电方式。EPROM环形分配器特点：环形分配器特点：（1）线路简单，仅有可逆计数器和存储器两部分；）线路简单，
29、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）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；表，除软件工作外，硬件线路不变；（3）可彻底排除非法状态；可有多种输入端，便于同控制器连接。）可彻底排除非法状态；可有多种输入端，便于同控制器连接。二、软件环形分配二、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。分配输出。1)1)输出接口输出接口 8155 8155单片
30、机本身包含单片机本身包含4 4个个8 8位位I/OI/O端口，分别为端口，分别为PC0PC0、PC1PC1、PC2PC2。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。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，若要实现三相步进电动机的脉冲分配，需要三根输出口线，本例中选需要三根输出口线，本例中选P1P1口的口的P1.0P1.0、P1.1P1.1、P1.2P1.2位作为脉冲分配的输出。位作为脉冲分配的输出。2)2)输出模型输出模型 如果三相步进电动机按单、双拍通电方式工作，即如果三相步进电动机按单、双拍通电方式工作，即:正转：
31、正转：A-AB-B-BC-C-CAA-AB-B-BC-C-CA 反转：反转：A-AC-C-CB-B-BCA-AC-C-CB-B-BC 根据根据80318031单片机的基本原理，对单片机的基本原理，对P P1.01.0、P P1.11.1、P P1.21.2位编程使其按表规定改变输出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。状态就实现了三相六拍分配任务。3.3.控制程序控制程序按正转和反转的要求将输出模型向输出接口发送，并控制步进电动机的速度。按正转和反转的要求将输出模型向输出接口发送，并控制步进电动机的速度。以三相单三拍为例，步进电动机选装方向标志以三相单三拍为例，步进电动机选装
32、方向标志FLAG=1FLAG=1，表示正转，表示正转，FLAG=0 FLAG=0，表示反转；输出模型表示反转；输出模型01H01H、02H02H、03H03H存放在地址存放在地址S S为起始地址的内存单元中，反为起始地址的内存单元中，反转时只需反向读取模型。转时只需反向读取模型。11.2 11.2 步进电动机的功率放大电路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。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由于功率放大器的输出直
33、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。进电动机的运行性能影响很大。11.2.1 11.2.1 单电压驱动电路单电压驱动电路 R C RD V L+U VT L是电动机绕组是电动机绕组VT开关晶体管开关晶体管 外接电阻外接电阻R两端并联电容两端并联电容C（初期电流主要流过电容（初期电流主要流过电容C，将电阻傍路掉），将电阻傍路掉），电容电压不能突变，使绕组电流上，电容电压不能突变，使绕组电流上升更快，所以，电容升更快，所以，电容C又称为加速电容。又称为加速电容。二极管二极管V在晶体管在晶体管VT截止时起截止时起续流和保护续流和保护作用，串联作用，串联电阻使电流
34、下降更快，从而使绕组电流波形后沿变陡。电阻使电流下降更快，从而使绕组电流波形后沿变陡。由于步进电动机绕组是电感性负载，故当绕组由于步进电动机绕组是电感性负载，故当绕组L中的电中的电流不能突变，而是按指数规律上升，时间常数流不能突变，而是按指数规律上升，时间常数=L/(r+R)。由于步进电动机绕组的由于步进电动机绕组的内内阻阻r很小，因此时间常数很大很小，因此时间常数很大，绕组中的电流上升很慢，严重影响步进电动机起动频率，绕组中的电流上升很慢，严重影响步进电动机起动频率。串串接电阻接电阻R可减小时间常数，使脉冲电流的前沿变陡，从而可减小时间常数，使脉冲电流的前沿变陡，从而改善步进电动机的频率响应
35、改善步进电动机的频率响应 11.2.2 11.2.2 高低压切换型驱动电路高低压切换型驱动电路 R V1 L+80V Ub1 VT1 Ub2 VT2 V2+12V Ub1 0 t Ub2 0 t I 0 t t1 t2 t3 在在t1t2的时间内，的时间内，VT1、VT2均饱和导通，均饱和导通，+80V的电源经的电源经VT1、VT2管加到步进电动机管加到步进电动机的绕组的绕组L上，使其电流迅速上升。上，使其电流迅速上升。当时间到达当时间到达t2（采用定时方法），或当电流上升到某值（采用定流方法）时（采用定时方法），或当电流上升到某值（采用定流方法）时，Ub2为低电为低电平，此时平，此时VT2管
36、截止，电动机绕组的电管截止，电动机绕组的电 流由流由+12V经经VT1管来维持，此时电流下降管来维持，此时电流下降 到电动到电动机的额定电流。机的额定电流。直到直到t3时时，Ubl也为低电平，也为低电平，VT1管截止，绕组电流下降到零。管截止，绕组电流下降到零。Ubl和和Ub2的电压：的电压：环行分配器每相输出的脉冲信号分两路，一环行分配器每相输出的脉冲信号分两路，一路如单电压线路直接用来控制低压管路如单电压线路直接用来控制低压管V1的导通和截止。另一的导通和截止。另一路采用改变微分电路或单稳触发器电路时间常数的办法，使脉路采用改变微分电路或单稳触发器电路时间常数的办法，使脉宽变窄，用来控制高
37、电压管的宽变窄，用来控制高电压管的V2的导通和截止，在时间上，的导通和截止，在时间上，这两路控制信号同时到达。这两路控制信号同时到达。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：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。大功率管的数量要多用一倍，增加了驱动电源。11.2.11.2.3 3 斩波恒流驱动电路斩波恒流驱动电路 当绕组中电流为某个数值时，由于采样电阻当绕组中电流为某个数值时，由于采样电阻Re的反馈作用，经整形、放大后送到的反馈作用，经整形、放大后送到VT1基极，基极，使其截止，绕组
38、由低压使其截止，绕组由低压U2供电，绕组中电流立即下降，刚降至额定值以下时，由于供电，绕组中电流立即下降，刚降至额定值以下时，由于 Re的反馈作的反馈作用，经整形电路无输出，此时高用压放大电路又使用，经整形电路无输出，此时高用压放大电路又使VT1导通，电流上升。导通，电流上升。如此反复形成锯齿波。如此反复形成锯齿波。图图11.10 斩波恒流驱动原理图和电流波形斩波恒流驱动原理图和电流波形（a）电路原理图）电路原理图 (b)电流波形图电流波形图11.2.11.2.3 3 斩波恒流驱动电路斩波恒流驱动电路 绕组中电流为一个在额定电流值上下波动、呈锯齿状的电流波形，近似恒流。绕组中电流为一个在额定电
39、流值上下波动、呈锯齿状的电流波形，近似恒流。锯齿波的频率可通过采样电阻锯齿波的频率可通过采样电阻Re和整形电路的电位器来调整。和整形电路的电位器来调整。斩波电路可使步进电机的运行矩频特性、启动矩频特性和惯性矩频特性有明显提高。斩波电路可使步进电机的运行矩频特性、启动矩频特性和惯性矩频特性有明显提高。使绕组中的脉冲电流边沿陡，快速响应好。使绕组中的脉冲电流边沿陡，快速响应好。采样电阻采样电阻Re很小，整个系统功耗小。绕组中电流不随步进电机的转速变化而变化，从而保证在很小，整个系统功耗小。绕组中电流不随步进电机的转速变化而变化，从而保证在很大频率范围内，能输出恒大的转矩。很大频率范围内，能输出恒大
40、的转矩。图图11.10 斩波恒流驱动原理图和电流波形斩波恒流驱动原理图和电流波形（a）电路原理图）电路原理图 (b)电流波形图电流波形图11.2.4 11.2.4 调频调压驱动电路调频调压驱动电路 高低压或斩波恒流驱动电路，为提高高频高低压或斩波恒流驱动电路，为提高高频响应，都采取提高供电电压，加快电流上升响应，都采取提高供电电压，加快电流上升前沿的措施，这会加剧前沿的措施，这会加剧低频振荡低频振荡。低速时绕组电流上升前沿较平缓，高速时低速时绕组电流上升前沿较平缓，高速时电流前沿较陡电流前沿较陡。这就要求低频时低压供电，。这就要求低频时低压供电，高频时高压供电，调频调压即可满足要求。高频时高压
41、供电，调频调压即可满足要求。I/O1输出步进信号；输出步进信号；I/O2输出调压信号。输出调压信号。当当I/O1输出步进脉冲、输出步进脉冲、I/O2输出负脉冲输出负脉冲，VT1、VT2导通，导通，U1向电感向电感Ls、电容、电容C谐振充谐振充电；当负脉冲过后，电容电；当负脉冲过后，电容C储能通过续流二极储能通过续流二极管放电。管放电。通过单片机控制，步进信号通过单片机控制，步进信号I/O1频率高频率高，从，从 I/O2输出的输出的负脉冲负脉冲ton变大变大，U2也随之变也随之变大，这就起到大，这就起到调频调压调频调压的作用。的作用。图图11.11 调频调压驱动电路调频调压驱动电路11.3 步进
42、电动机的控制与有细分驱动器应用步进电动机的控制与有细分驱动器应用11.3.1 步进电动机步距角的细分控制步进电动机步距角的细分控制为了提高数控精度，应减小脉冲当量为了提高数控精度，应减小脉冲当量，方法如下：，方法如下：（1）减小步进电动机的步距角；）减小步进电动机的步距角；（2）加大步进电动机与传动丝杠间齿轮的传动比和减小传动丝杠的）加大步进电动机与传动丝杠间齿轮的传动比和减小传动丝杠的螺距；螺距；（3）将步进电动机的步距角细分。）将步进电动机的步距角细分。步进电机控制已经蕴含了细分的原理。步进电机控制已经蕴含了细分的原理。电机内部磁场每旋转一个圆周电机内部磁场每旋转一个圆周,步进电机前进一整
43、个步距角。若三相步进电机按步进电机前进一整个步距角。若三相步进电机按ABCA的顺序轮流通电的顺序轮流通电,即整步工作即整步工作,磁场分三拍旋转磁场分三拍旋转,每次电流换向每次电流换向,步进电步进电机将前进整步距角的机将前进整步距角的1/3。而按。而按AABBBCCCA A 的顺序轮流通电的顺序轮流通电,半步半步工作工作,每次电流换向，步进电机将前进整步距角的每次电流换向，步进电机将前进整步距角的1/6。但是但是,如果半步工作状态下每拍前进的角度超过控制精度要求如果半步工作状态下每拍前进的角度超过控制精度要求,则需要对步距角则需要对步距角进行更进一步的细分。进行更进一步的细分。电磁力的大小跟绕组
44、通电电流的大小是相关的。当通电相的电流不马上到达峰值电磁力的大小跟绕组通电电流的大小是相关的。当通电相的电流不马上到达峰值,而断电相的电而断电相的电 流也不立流也不立 即降为零时即降为零时,电机内部磁场为上两相电流共同合成电机内部磁场为上两相电流共同合成,而产生的而产生的磁场合力磁场合力,会使转子有一个新的平衡位置会使转子有一个新的平衡位置,这个新的平衡位置在原步距角的范围内。这个新的平衡位置在原步距角的范围内。即：如果绕组电流的波形不再是一个近似方波即：如果绕组电流的波形不再是一个近似方波,而是分成而是分成N个阶梯的近似阶梯波个阶梯的近似阶梯波,则电流每升或者降一个阶梯时则电流每升或者降一个
45、阶梯时,转子转动一小步。当转子按照这个规律转过转子转动一小步。当转子按照这个规律转过N 小步时小步时,实际相当于它转过一个步距角。这种将一个步距角分成若干小步的驱动方法实际相当于它转过一个步距角。这种将一个步距角分成若干小步的驱动方法,称为细称为细分驱动。分驱动。实现阶梯波供电的两种方法：实现阶梯波供电的两种方法：（1）先放大后叠加）先放大后叠加：将通过细分环形分配器所形成的各个等幅等宽的脉冲分别进行：将通过细分环形分配器所形成的各个等幅等宽的脉冲分别进行放大，然后在步进电动机绕组中叠加起来形成阶梯波。驱动管工作于开关状态，损放大，然后在步进电动机绕组中叠加起来形成阶梯波。驱动管工作于开关状态
46、，损耗小，适合大功率场合。耗小，适合大功率场合。（2）先叠加后放大）先叠加后放大：在利用运算放大器来叠加，或采用公共负载的方法，把方波合：在利用运算放大器来叠加，或采用公共负载的方法，把方波合成为阶梯波，然后对阶梯波进行放大再去驱动步进电动机。驱动管工作于放大状态，成为阶梯波，然后对阶梯波进行放大再去驱动步进电动机。驱动管工作于放大状态，损耗大，只适合小功率场合。损耗大，只适合小功率场合。图图11.12 阶梯波叠加电路图阶梯波叠加电路图 先放大后叠加先放大后叠加 先叠加后放大先叠加后放大1.用集成环形分配器芯片构成细分电路用集成环形分配器芯片构成细分电路 用用HF-2三相六拍环形分配器构成三相
47、十八拍细分驱动电路。三相三拍步距角为三相六拍环形分配器构成三相十八拍细分驱动电路。三相三拍步距角为3，三相六拍步距角为，三相六拍步距角为1.5三相十八拍步距角为三相十八拍步距角为0.5。采用细分电路后，电动机绕组中的电流不是由零跃升到额定值，而是经过若干小采用细分电路后，电动机绕组中的电流不是由零跃升到额定值，而是经过若干小步的变化才达到额定值；同时，也不是由额定值陡降到零，而是经过若干小步的变步的变化才达到额定值；同时，也不是由额定值陡降到零，而是经过若干小步的变化才达到零。化才达到零。细分后的电流波形细分后的电流波形 用微机实施细分，关键是设计一个软件的移位分配器。要形成三相六拍的驱动用微
48、机实施细分，关键是设计一个软件的移位分配器。要形成三相六拍的驱动信号，就要从三个信号，就要从三个I/O周期地输出信号。周期地输出信号。8155的的PA0PA3中四个中四个I/O口并联控制口并联控制A相绕组；相绕组；PA4PA7中四个中四个I/O口并联控口并联控制制B相绕组；相绕组；PB0PB3中四个中四个I/O口并联控制口并联控制C相绕组；相绕组；2.用集成环形分配器芯片构成细分电路用集成环形分配器芯片构成细分电路PA3PA2PA1PA0状态字状态字 0 0 0 1 01H 0 0 1 0 02H 0 0 1 1 03H 1 1 1 0 0EH 1 1 1 1 0FH图图11.14 微机控制步
49、进电动机的细分接口微机控制步进电动机的细分接口表表11.5 A相分配表相分配表11.3.2 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一般分为开环控制和反馈补偿闭环控制。步进电动机一般分为开环控制和反馈补偿闭环控制。在开环控制系统中，步进电动机的旋转速度全取决于指令脉冲的频率。在开环控制系统中，步进电动机的旋转速度全取决于指令脉冲的频率。点位控制中为了避免启动失步和停止过充，必须低速启动，然后再慢慢加速到高点位控制中为了避免启动失步和停止过充，必须低速启动，然后再慢慢加速到高速，实现高速运行；同样，停止时也要从高速慢慢降到低速。速，实现高速运行；同样，停止时也要从高速慢慢降到低速。图图
50、11.15 步进电动机的控制方式步进电动机的控制方式（a）开环控制）开环控制 （b）闭环控制）闭环控制（a）（b）点点-位控制的加减速过程位控制的加减速过程图图11.16 点点-位控制的加减速过程位控制的加减速过程升降速曲线：升降速曲线：11.3.3 步进电动机的闭环控制步进电动机的闭环控制 开环控制的脉冲不依赖于转子的位置，而是事先按一定的规律给定的，其缺开环控制的脉冲不依赖于转子的位置，而是事先按一定的规律给定的，其缺点是电动机的输出转矩加速度在很大的程度上取决于驱动电源和控制方式。点是电动机的输出转矩加速度在很大的程度上取决于驱动电源和控制方式。闭环控制是直接或间接地检测转子的位置和速度
