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1、第第3 3章章 步进电动机传动控制步进电动机传动控制3.1 步进电动机步进电动机3.2 步进电动机的环形分配器步进电动机的环形分配器3.3 步进电动机的驱动电路步进电动机的驱动电路 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成直线或步进电动机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件。步进电动机的运动由一系列电脉角位移的执行元件。步进电动机的运动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使电动机能够输出
2、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。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，如图所示。控制器构成步进电动机传动控制系统，如图所示。步进电动机步进电动机步进电动机步进电动机的优点：的优点：的优点：的优点：控制特性好；控制特性好；控制特性好；控制特性好；误差不长期积累；误差不长期积累；误差不长期积累；误差不长期积累；步距值不受各种干扰因素的影响。步距值不受各种干扰因素的影响。步距值
3、不受各种干扰因素的影响。步距值不受各种干扰因素的影响。步步步步进进进进电电电电动动动动机机机机转转转转子子子子转转转转动动动动的的的的速速速速度度度度取取取取决决决决于于于于脉脉脉脉冲冲冲冲信信信信号号号号的的的的频频频频率率率率，总总总总位位位位移移移移量量量量取取取取决决决决于于于于总总总总的的的的脉脉脉脉冲冲冲冲数数数数，它它它它作作作作为为为为伺伺伺伺服服服服电电电电动动动动机机机机应应应应用用用用于于于于控控控控制制制制系系系系统统统统时时时时，可可可可以以以以使使使使系系系系统统统统简简简简化化化化，工工工工作作作作可可可可靠靠靠靠，而而而而且且且且可可可可以以以以获获获获得得得得
4、较较较较高高高高的的的的控控控控制精度。制精度。制精度。制精度。步进电动机步进电动机步进电动机步进电动机的应用：的应用：的应用：的应用：步步步步进进进进电电电电动动动动机机机机在在在在机机机机械械械械、电电电电子子子子、纺纺纺纺织织织织、轻轻轻轻工工工工、化化化化工工工工、石石石石油油油油、邮邮邮邮电电电电、冶冶冶冶金金金金、文文文文教教教教和和和和卫卫卫卫生生生生等等等等行行行行业业业业，特特特特别别别别是是是是在数控机床上获得了越来越广泛的应用在数控机床上获得了越来越广泛的应用在数控机床上获得了越来越广泛的应用在数控机床上获得了越来越广泛的应用。本章从实际应用的角度出发，介绍步进电动机的本
5、章从实际应用的角度出发，介绍步进电动机的本章从实际应用的角度出发，介绍步进电动机的本章从实际应用的角度出发，介绍步进电动机的基本结构、工作原理、驱动方式、驱动电路、运基本结构、工作原理、驱动方式、驱动电路、运基本结构、工作原理、驱动方式、驱动电路、运基本结构、工作原理、驱动方式、驱动电路、运行特性以及步进电动机控制行特性以及步进电动机控制行特性以及步进电动机控制行特性以及步进电动机控制等方面的内容。等方面的内容。等方面的内容。等方面的内容。3.1 步进电动机步进电动机3.1.1 3.1.1 步进电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与工作原理步进电动机的结构与工作原理
6、1.1.结构特点结构特点结构特点结构特点2.2.步进电动机由步进电动机由步进电动机由步进电动机由定子定子定子定子和和和和转子转子转子转子两大部分组成。两大部分组成。两大部分组成。两大部分组成。3.3.三相反应式步进电动机的结构简图如图三相反应式步进电动机的结构简图如图三相反应式步进电动机的结构简图如图三相反应式步进电动机的结构简图如图所示，所示，所示，所示，4.4.定子有六个磁极，每相对磁极构成一相控制定子有六个磁极，每相对磁极构成一相控制定子有六个磁极，每相对磁极构成一相控制定子有六个磁极，每相对磁极构成一相控制绕组绕组绕组绕组5.5.，转子上有均布的四个齿。，转子上有均布的四个齿。，转子上
7、有均布的四个齿。，转子上有均布的四个齿。2.2.工作原理工作原理工作原理工作原理（1 1）基本工作原理）基本工作原理）基本工作原理）基本工作原理 步进电动机的工作原理，其实就是电磁铁的工作原理，步进电动机的工作原理，其实就是电磁铁的工作原理，步进电动机的工作原理，其实就是电磁铁的工作原理，步进电动机的工作原理，其实就是电磁铁的工作原理，如图所示。如图所示。如图所示。如图所示。当当当当U U相通电，相通电，相通电，相通电，V V、WW相不通电，如图相不通电，如图相不通电，如图相不通电，如图a a所示，所示，所示，所示，1 1、3 3齿与齿与齿与齿与U U相对齐；相对齐；相对齐；相对齐；当当当当V
8、 V相通电，相通电，相通电，相通电，U U、WW相不通电，如图相不通电，如图相不通电，如图相不通电，如图b b所示，所示，所示，所示，2 2、4 4齿与齿与齿与齿与V V相对齐；相对齐；相对齐；相对齐；当当当当WW相通电，相通电，相通电，相通电，U U、V V相不通电，如图相不通电，如图相不通电，如图相不通电，如图c c所示，所示，所示，所示，1 1、3 3齿与齿与齿与齿与WW相对齐；相对齐；相对齐；相对齐；由此可见，当通电顺序为由此可见，当通电顺序为由此可见，当通电顺序为由此可见，当通电顺序为UV WU V UV WU V 时，转子便顺时针方向一步一步地转动，通时，转子便顺时针方向一步一步地
9、转动，通时，转子便顺时针方向一步一步地转动，通时，转子便顺时针方向一步一步地转动，通电状态每换接一次，转子前进一步，一步对应的电状态每换接一次，转子前进一步，一步对应的电状态每换接一次，转子前进一步，一步对应的电状态每换接一次，转子前进一步，一步对应的角度称为步距角。角度称为步距角。角度称为步距角。角度称为步距角。电流换接三次，磁场旋转一周，转子前进一个齿电流换接三次，磁场旋转一周，转子前进一个齿电流换接三次，磁场旋转一周，转子前进一个齿电流换接三次，磁场旋转一周，转子前进一个齿距的位置，一个齿距所对应的角度称为齿距角距的位置，一个齿距所对应的角度称为齿距角距的位置，一个齿距所对应的角度称为齿
10、距角距的位置，一个齿距所对应的角度称为齿距角（此例中齿距角为（此例中齿距角为（此例中齿距角为（此例中齿距角为9090度）度）度）度）当改变通电顺序时，将改变转子的转向。当改变通电顺序时，将改变转子的转向。当改变通电顺序时，将改变转子的转向。当改变通电顺序时，将改变转子的转向。（2 2）通电方式）通电方式）通电方式）通电方式n n单相轮流通电方式单相轮流通电方式单相轮流通电方式单相轮流通电方式 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。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。在这种通电方式下，电动机工作的在这种通电方式下，电动机工作的在这种通电方式下，电动机
11、工作的在这种通电方式下，电动机工作的 稳定性较差，容易稳定性较差，容易稳定性较差，容易稳定性较差，容易失步。失步。失步。失步。上述例子即为单向轮流通电方式，称为上述例子即为单向轮流通电方式，称为上述例子即为单向轮流通电方式，称为上述例子即为单向轮流通电方式，称为三相单三拍通电三相单三拍通电三相单三拍通电三相单三拍通电（2 2）通电方式）通电方式）通电方式）通电方式n n双相轮流通电方式双相轮流通电方式双相轮流通电方式双相轮流通电方式 每次有两相绕组通电，通电状态切换时，转子转动平稳，每次有两相绕组通电，通电状态切换时，转子转动平稳，每次有两相绕组通电，通电状态切换时，转子转动平稳，每次有两相绕
12、组通电，通电状态切换时，转子转动平稳，且输出力矩较大，这种通电方式定位精度高而且不易且输出力矩较大，这种通电方式定位精度高而且不易且输出力矩较大，这种通电方式定位精度高而且不易且输出力矩较大，这种通电方式定位精度高而且不易失步。失步。失步。失步。以三相反应式电动机为例，双相轮流通电方式为：以三相反应式电动机为例，双相轮流通电方式为：以三相反应式电动机为例，双相轮流通电方式为：以三相反应式电动机为例，双相轮流通电方式为：UV UV VWWU UV VWWU UV 称为三相双三拍通电。称为三相双三拍通电。称为三相双三拍通电。称为三相双三拍通电。（2 2）通电方式）通电方式）通电方式）通电方式n n
13、单双相轮流通电方式单双相轮流通电方式单双相轮流通电方式单双相轮流通电方式 上述两种通电方式的组合。即通电方式为：上述两种通电方式的组合。即通电方式为：上述两种通电方式的组合。即通电方式为：上述两种通电方式的组合。即通电方式为：U UV V U UV V VWW WU U VWW WU U 称为称为称为称为三相六拍通电，三相六拍通电，三相六拍通电，三相六拍通电，如图所示。如图所示。如图所示。如图所示。三相六拍通电方式的步距角减小一倍。三相六拍通电方式的步距角减小一倍。三相六拍通电方式的步距角减小一倍。三相六拍通电方式的步距角减小一倍。3.1.2 3.1.2 小步距角步进电动机小步距角步进电动机小
14、步距角步进电动机小步距角步进电动机 实际的小步距角电动机如图所示。它的定子内圆和实际的小步距角电动机如图所示。它的定子内圆和实际的小步距角电动机如图所示。它的定子内圆和实际的小步距角电动机如图所示。它的定子内圆和转子外圆上均有齿和槽，而且定子和转子的齿宽转子外圆上均有齿和槽，而且定子和转子的齿宽转子外圆上均有齿和槽，而且定子和转子的齿宽转子外圆上均有齿和槽，而且定子和转子的齿宽和齿距相等。和齿距相等。和齿距相等。和齿距相等。若定子为三相绕组，当某一相磁极下定子与转子的若定子为三相绕组，当某一相磁极下定子与转子的若定子为三相绕组，当某一相磁极下定子与转子的若定子为三相绕组，当某一相磁极下定子与转
15、子的齿相对时，下一相磁极下定子与转子齿的位置刚齿相对时，下一相磁极下定子与转子齿的位置刚齿相对时，下一相磁极下定子与转子齿的位置刚齿相对时，下一相磁极下定子与转子齿的位置刚好错开好错开好错开好错开1/31/3齿距，再下一相磁极下定子与转子的齿齿距，再下一相磁极下定子与转子的齿齿距，再下一相磁极下定子与转子的齿齿距，再下一相磁极下定子与转子的齿错开错开错开错开2/32/3齿距，依此类推。齿距，依此类推。齿距，依此类推。齿距，依此类推。当定子各相绕组轮流通电一次，转子就转过一个齿当定子各相绕组轮流通电一次，转子就转过一个齿当定子各相绕组轮流通电一次，转子就转过一个齿当定子各相绕组轮流通电一次，转子
16、就转过一个齿距。距。距。距。3.1.3 步进电动机的分类步进电动机的分类1.1.按工作原理分类按工作原理分类按工作原理分类按工作原理分类n n激磁式（电磁式）激磁式（电磁式）激磁式（电磁式）激磁式（电磁式）步进电动机的定子和转子均有绕组，靠电磁力矩使转步进电动机的定子和转子均有绕组，靠电磁力矩使转步进电动机的定子和转子均有绕组，靠电磁力矩使转步进电动机的定子和转子均有绕组，靠电磁力矩使转子转动。子转动。子转动。子转动。n n反应式（磁阻式反应式（磁阻式反应式（磁阻式反应式（磁阻式）转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使转子转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使转子转子无绕组，定子绕组励
17、磁后产生反应力矩，使转子转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使转子转动。转动。转动。转动。n n永磁式永磁式永磁式永磁式 转子和定子的某一方具有永久磁钢，另一方由软磁材转子和定子的某一方具有永久磁钢，另一方由软磁材转子和定子的某一方具有永久磁钢，另一方由软磁材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料制成。绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁钢的恒料制成。绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁钢的恒料制成。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。定磁场相互作用产生转矩。定磁场相互作用产生转矩。定磁场相互作用产生转矩。n n混合
18、式（永磁感应式）混合式（永磁感应式）混合式（永磁感应式）混合式（永磁感应式）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2.2.按输出转矩的大小分类按输出转矩的大小分类按输出转矩的大小分类按输出转矩的大小分类n n快速步进电动机快速步进电动机快速步进电动机快速步进电动机
19、电动机的输出转矩一般为电动机的输出转矩一般为电动机的输出转矩一般为电动机的输出转矩一般为0.070.074Nm4Nm，可以控制小型，可以控制小型，可以控制小型，可以控制小型精密机床的工作台，例如线切割机床。精密机床的工作台，例如线切割机床。精密机床的工作台，例如线切割机床。精密机床的工作台，例如线切割机床。n n功率步进电动机功率步进电动机功率步进电动机功率步进电动机 电动机的输出转矩一般为电动机的输出转矩一般为电动机的输出转矩一般为电动机的输出转矩一般为5 540Nm40Nm，可直接驱动机床，可直接驱动机床，可直接驱动机床，可直接驱动机床的移动部件。的移动部件。的移动部件。的移动部件。此外，
20、按励磁相数可分为此外，按励磁相数可分为此外，按励磁相数可分为此外，按励磁相数可分为三相、四相、五相、六相、三相、四相、五相、六相、三相、四相、五相、六相、三相、四相、五相、六相、等等。相数越多，步距角越小，但结构越复杂。等等。相数越多，步距角越小，但结构越复杂。等等。相数越多，步距角越小，但结构越复杂。等等。相数越多，步距角越小，但结构越复杂。按运动方式分为旋转运动、直线运动、平面运动等。按运动方式分为旋转运动、直线运动、平面运动等。按运动方式分为旋转运动、直线运动、平面运动等。按运动方式分为旋转运动、直线运动、平面运动等。按定子排列还可分为按定子排列还可分为按定子排列还可分为按定子排列还可分
21、为径向式（单段式）和轴向式（多径向式（单段式）和轴向式（多径向式（单段式）和轴向式（多径向式（单段式）和轴向式（多段式）段式）段式）段式），轴向式的转动惯量小，快速性和稳定性好，轴向式的转动惯量小，快速性和稳定性好，轴向式的转动惯量小，快速性和稳定性好，轴向式的转动惯量小，快速性和稳定性好，功率步进电动机多为轴向式，功率步进电动机多为轴向式，功率步进电动机多为轴向式，功率步进电动机多为轴向式，3.2.1 步进电动机的驱动方式步进电动机的驱动方式 步步进进电电动动机机是是绕绕组组按按一一定定方方式式轮轮流流通通电电工工作作的的。为为了了实实现现这这种种轮轮流流通通电电，需需要要将将控控制制脉脉冲
22、冲按按规规定定的的方方式式分分配配给给步步进进电电动动机机，实实现现这这种种脉脉冲冲分分配配功功能能的的是是环环形形分分配配器器。环环形形分分配配器器的的输输出出信信号号还还需需进进行行功功率率放放大大才才能能驱驱动动步步进进电电动动机。步进电动机驱动系统框图如图所示。机。步进电动机驱动系统框图如图所示。3.2 步进电动机的环形分配器步进电动机的环形分配器3.2.2 3.2.2 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步进电动机的环形分配器 环形分配器是根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系环形分配器是根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系环形分配器是根据指令把脉冲信号按一定
23、的逻辑关系环形分配器是根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加到放大器上，使各相绕组按一定的顺序和时间导加到放大器上，使各相绕组按一定的顺序和时间导加到放大器上，使各相绕组按一定的顺序和时间导加到放大器上，使各相绕组按一定的顺序和时间导通和断开，并根据指令使电动机正转或反转，实现通和断开，并根据指令使电动机正转或反转，实现通和断开，并根据指令使电动机正转或反转，实现通和断开，并根据指令使电动机正转或反转，实现确定的运行方式。环形分配器可以由硬件和软件两确定的运行方式。环形分配器可以由硬件和软件两确定的运行方式。环形分配器可以由硬件和软件两确定的运行方式。环形分配器可以由硬件和软件两种方式实现。种方
24、式实现。种方式实现。种方式实现。1.1.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 硬件环形分配器由门电路和双稳态触发器组成的硬件环形分配器由门电路和双稳态触发器组成的硬件环形分配器由门电路和双稳态触发器组成的硬件环形分配器由门电路和双稳态触发器组成的逻辑电路构成。逻辑电路构成。逻辑电路构成。逻辑电路构成。（1 1）集成脉冲分配器）集成脉冲分配器）集成脉冲分配器）集成脉冲分配器 CH250 CH250是专为三相反应式步进电动机设计的环形是专为三相反应式步进电动机设计的环形是专为三相反应式步进电动机设计的环形是专为三相反应式步进电动机设计的环形分配器。这种集成电路采用分配器。这种集
25、成电路采用分配器。这种集成电路采用分配器。这种集成电路采用CMOSCMOS工艺，集成度工艺，集成度工艺，集成度工艺，集成度高，可靠性好。它的管脚图及三相六拍工作时的高，可靠性好。它的管脚图及三相六拍工作时的高，可靠性好。它的管脚图及三相六拍工作时的高，可靠性好。它的管脚图及三相六拍工作时的接线图如图所示。接线图如图所示。接线图如图所示。接线图如图所示。CH250CH250有有有有A A、B B、C C三个输出端，当输入端三个输出端，当输入端三个输出端，当输入端三个输出端，当输入端CLCL或或或或ENEN加上时钟脉冲后，输出波形将符合三相反应式步加上时钟脉冲后，输出波形将符合三相反应式步加上时钟
26、脉冲后，输出波形将符合三相反应式步加上时钟脉冲后，输出波形将符合三相反应式步进电动机的要求。进电动机的要求。进电动机的要求。进电动机的要求。若采用若采用若采用若采用CLCL脉冲输入端时，是上升沿触发，同时脉冲输入端时，是上升沿触发，同时脉冲输入端时，是上升沿触发，同时脉冲输入端时，是上升沿触发，同时ENEN为使能端，为使能端，为使能端，为使能端，ENEN1 1时工作，时工作，时工作，时工作，ENEN0 0时禁止。反时禁止。反时禁止。反时禁止。反之，采用之，采用之，采用之，采用ENEN作时钟端，则下降沿触发，此时作时钟端，则下降沿触发，此时作时钟端，则下降沿触发，此时作时钟端，则下降沿触发，此时
27、CLCL为使能端，为使能端，为使能端，为使能端，CLCL0 0时工作，时工作，时工作，时工作，CLCL1 1时禁止。时禁止。时禁止。时禁止。R R和和和和R*R*分别为双三拍运行和六拍运行的复位端。分别为双三拍运行和六拍运行的复位端。分别为双三拍运行和六拍运行的复位端。分别为双三拍运行和六拍运行的复位端。当当当当R R加上正脉冲，加上正脉冲，加上正脉冲，加上正脉冲，ABCABC的状态为的状态为的状态为的状态为110110，而，而，而，而R*R*加上正加上正加上正加上正脉冲后，脉冲后，脉冲后，脉冲后，ABCABC的状态为的状态为的状态为的状态为100100，以避免，以避免，以避免，以避免ABCA
28、BC出现出现出现出现000000或或或或111111非法状态。非法状态。非法状态。非法状态。2.2.软件环形分配器软件环形分配器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：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：uu设置输出接口设置输出接口设置输出接口设置输出接口 设输出口的设输出口的设输出口的设输出口的A0A0接接接接U U相；相；相；相；A1A1接接接接V V相；相；相；相；A2A2接接接接WW相。相。相。相。uu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 在存储器中建立环形分配表。在存储器中建立
29、环形分配表。在存储器中建立环形分配表。在存储器中建立环形分配表。uu设计延时子程序设计延时子程序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。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。表表3.6 环形分配表环形分配表存存存存储储储储元件元件元件元件地址地址地址地址 单单单单元内容元内容元内容元内容 对应对应对应对应通通通通电电电电相相相相KK0 0KK1 1KK2 2KK3 3KK4 4KK5 501H01H（0000001 1）03H03H（0010011 1）02H02H（0010010 0）06H06H（0110110 0）0
30、4H04H（0100100 0）05H05H（0100101 1）U UUVUVV VVWVWWWWUWU3.3 步进电动机的驱动电路步进电动机的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单电压限流型驱动电路 步进电动机一相的驱动电路如图所示。这种电路的步进电动机一相的驱动电路如图所示。这种电路的步进电动机一相的驱动电路如图所示。这种电路的步进电动机一相的驱动电路如图所示。这种电路的特点是线路简单，成本低，低频时响应较好；缺点特点是线路简单，成本低，低频时响应较好；缺点特点是线路简单，成本低，低频时响应较好；缺点特点是线路简单，成本低，低频时响应较好；缺点是效率低，尤
31、其在高频工作的电动机效率更低。在是效率低，尤其在高频工作的电动机效率更低。在是效率低，尤其在高频工作的电动机效率更低。在是效率低，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实际中较少使用，只有在小功率步进电动机且在简实际中较少使用，只有在小功率步进电动机且在简实际中较少使用，只有在小功率步进电动机且在简单应用中才使用。单应用中才使用。单应用中才使用。单应用中才使用。3.3.2 3.3.2 双电压驱动电路双电压驱动电路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电路，其双电压驱动电路习惯上称为高低压切换电路，其双电压驱动电路习惯上称为高低压
32、切换电路，其双电压驱动电路习惯上称为高低压切换电路，其最后一级如图最后一级如图最后一级如图最后一级如图a a所示。这种电路的特点是电动机所示。这种电路的特点是电动机所示。这种电路的特点是电动机所示。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，绕组主电路中采用高压和低压两种电压供电，绕组主电路中采用高压和低压两种电压供电，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一般高压为低压的数倍。适用于大功率和高频一般高压为低压的数倍。适用于大功率和高频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，优点是功耗小，起动力矩工作的步进电动机，优
33、点是功耗小，起动力矩工作的步进电动机，优点是功耗小，起动力矩工作的步进电动机，优点是功耗小，起动力矩大，突跳频率和工作频率高，缺点是低频振荡大，突跳频率和工作频率高，缺点是低频振荡大，突跳频率和工作频率高，缺点是低频振荡大，突跳频率和工作频率高，缺点是低频振荡加剧，波形呈凹形，输出转矩下降；大功率管加剧，波形呈凹形，输出转矩下降；大功率管加剧，波形呈凹形，输出转矩下降；大功率管加剧，波形呈凹形，输出转矩下降；大功率管的数量多用一倍，增加了驱动电源。的数量多用一倍，增加了驱动电源。的数量多用一倍，增加了驱动电源。的数量多用一倍，增加了驱动电源。3.3.3 3.3.3 斩波驱动电路斩波驱动电路斩波
34、驱动电路斩波驱动电路 斩波电路的出现是为了弥补双电压电路波形呈现凹形斩波电路的出现是为了弥补双电压电路波形呈现凹形斩波电路的出现是为了弥补双电压电路波形呈现凹形斩波电路的出现是为了弥补双电压电路波形呈现凹形的缺陷，改善了输出转矩的下降，使励磁绕组中的电的缺陷，改善了输出转矩的下降，使励磁绕组中的电的缺陷，改善了输出转矩的下降，使励磁绕组中的电的缺陷，改善了输出转矩的下降，使励磁绕组中的电流维持在额定值附近，其电路图和输出波形图如图所流维持在额定值附近，其电路图和输出波形图如图所流维持在额定值附近，其电路图和输出波形图如图所流维持在额定值附近，其电路图和输出波形图如图所示。示。示。示。3.3.4
35、 3.3.4 升频升压驱动电路升频升压驱动电路升频升压驱动电路升频升压驱动电路 为了减小低频振动，应使低速时绕组电流上升的为了减小低频振动，应使低速时绕组电流上升的为了减小低频振动，应使低速时绕组电流上升的为了减小低频振动，应使低速时绕组电流上升的前沿较平缓，这样才能使转子在到达新的稳定平前沿较平缓，这样才能使转子在到达新的稳定平前沿较平缓，这样才能使转子在到达新的稳定平前沿较平缓，这样才能使转子在到达新的稳定平衡位置时不产生过冲，而在高速时则应使电流有衡位置时不产生过冲，而在高速时则应使电流有衡位置时不产生过冲，而在高速时则应使电流有衡位置时不产生过冲，而在高速时则应使电流有较陡的前沿，以产
36、生足够的绕组电流，才能提高较陡的前沿，以产生足够的绕组电流，才能提高较陡的前沿，以产生足够的绕组电流，才能提高较陡的前沿，以产生足够的绕组电流，才能提高步进电动机的带载能力。这就要求驱动电源低频步进电动机的带载能力。这就要求驱动电源低频步进电动机的带载能力。这就要求驱动电源低频步进电动机的带载能力。这就要求驱动电源低频时用较低的电压供电，高频时用较高的电压供电。时用较低的电压供电，高频时用较高的电压供电。时用较低的电压供电，高频时用较高的电压供电。时用较低的电压供电，高频时用较高的电压供电。升频升压驱动电路可以较好地满足这一要求。升频升压驱动电路可以较好地满足这一要求。升频升压驱动电路可以较好
37、地满足这一要求。升频升压驱动电路可以较好地满足这一要求。3.3.5 3.3.5 细分驱动电路细分驱动电路细分驱动电路细分驱动电路 如果要求步进电动机有更小的步距角，更高的分辨如果要求步进电动机有更小的步距角，更高的分辨率率(即脉冲当量即脉冲当量)，或者为减小电动机振动、噪声等原，或者为减小电动机振动、噪声等原因，可以在每次输入脉冲切换时，只改变相应绕组中因，可以在每次输入脉冲切换时，只改变相应绕组中额定的一部分，则电动机的合成磁势也只旋转步距角额定的一部分，则电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分，转子的每步运行也只有步距角的一部分，的一部分，转子的每步运行也只有步距角的一部分，绕组电流分成数
38、个台阶，则转子就以同样的次数转过绕组电流分成数个台阶，则转子就以同样的次数转过一个步距角，这种将一个步距角细分成若干步的驱动一个步距角，这种将一个步距角细分成若干步的驱动力法，称为细分驱动。力法，称为细分驱动。细分驱动电路的特点：细分驱动电路的特点：细分驱动电路的特点：细分驱动电路的特点：n n不改变电动机结构参数的情况下，能使步距角减小，不改变电动机结构参数的情况下，能使步距角减小，不改变电动机结构参数的情况下，能使步距角减小，不改变电动机结构参数的情况下，能使步距角减小，但细分后的齿距角精度不高，且驱动电源的结构也相但细分后的齿距角精度不高，且驱动电源的结构也相但细分后的齿距角精度不高，且
39、驱动电源的结构也相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。应复杂。应复杂。应复杂。n n使步进电动机运行平稳，提高均匀性，并能减弱或消使步进电动机运行平稳，提高均匀性，并能减弱或消使步进电动机运行平稳，提高均匀性，并能减弱或消使步进电动机运行平稳，提高均匀性，并能减弱或消除振荡。除振荡。除振荡。除振荡。目前实现细分阶梯波供电的方法有：目前实现细分阶梯波供电的方法有：目前实现细分阶梯波供电的方法有：目前实现细分阶梯波供电的方法有：uu先放大后叠加，如图先放大后叠加，如图先放大后叠加，如图先放大后叠加，如图a a所示。所示。所示。所示。uu先叠加后放大，如图先叠加后放大，如图先叠加后
40、放大，如图先叠加后放大，如图b b所示。所示。所示。所示。3.4 步进电动机的控制步进电动机的控制 步进电动机的工作过程一般由控制器控制，控制器步进电动机的工作过程一般由控制器控制，控制器步进电动机的工作过程一般由控制器控制，控制器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，使驱动电按照设计者的要求完成一定的控制过程，使驱动电按照设计者的要求完成一定的控制过程，使驱动电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。简单的控制过源按照要求的规律驱动电动机运行。简单的控制过源按照要求的规律驱动电动机运行。简单的控制过源按照要求的规律
41、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，但线路复杂，控制程可以用各种逻辑电路来实现，但线路复杂，控制程可以用各种逻辑电路来实现，但线路复杂，控制程可以用各种逻辑电路来实现，但线路复杂，控制方案难以改变。目前，主要采用单片机作为步进电方案难以改变。目前，主要采用单片机作为步进电方案难以改变。目前，主要采用单片机作为步进电方案难以改变。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动机的控制器进行控制，很好地克服了硬件逻辑线动机的控制器进行控制，很好地克服了硬件逻辑线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。路控制器的缺点。路控制器的缺
42、点。路控制器的缺点。3.4.1 3.4.1 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的开环控制步进电动机的开环控制n n串行控制串行控制 具有串行控制功能的单片机系统与步进电动机驱动电具有串行控制功能的单片机系统与步进电动机驱动电源之间具有较少的连线。这种系统中，驱动电源中必源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，其功能框图如图所示须含有环形分配器，其功能框图如图所示 n n并行控制并行控制并行控制并行控制 用微机系统的数条端口线直接去控制步进电动机各相用微机系统的数条端口线直接去控制步进电动机各相用微机系统的数条端口线直接去控制步进电动机各相用微机系统的数条
43、端口线直接去控制步进电动机各相驱动电路的方法称为并行控制。在驱动电源内，不包驱动电路的方法称为并行控制。在驱动电源内，不包驱动电路的方法称为并行控制。在驱动电源内，不包驱动电路的方法称为并行控制。在驱动电源内，不包含环形分配器，其功能必须由微机系统完成。系统实含环形分配器，其功能必须由微机系统完成。系统实含环形分配器，其功能必须由微机系统完成。系统实含环形分配器，其功能必须由微机系统完成。系统实现脉冲分配器的功能又有两种方法：现脉冲分配器的功能又有两种方法：现脉冲分配器的功能又有两种方法：现脉冲分配器的功能又有两种方法：vv纯软件方法纯软件方法纯软件方法纯软件方法vv软、硬件相结方法软、硬件相
44、结方法软、硬件相结方法软、硬件相结方法 并行控制方案的功能框图如图所示。并行控制方案的功能框图如图所示。并行控制方案的功能框图如图所示。并行控制方案的功能框图如图所示。n n步进电动机速度控制步进电动机速度控制步进电动机速度控制步进电动机速度控制 控制步进电动机的运行速度，实际上就是控制系统发控制步进电动机的运行速度，实际上就是控制系统发控制步进电动机的运行速度，实际上就是控制系统发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。系统可以用两种方法出脉冲的频率或者换相的周期。系统可以用两种方法出脉冲的频率或者换相的周期。系统可以用两种方法出脉冲的频率或者换相的周期。系
45、统可以用两种方法确定脉冲的周期（频率）：确定脉冲的周期（频率）：确定脉冲的周期（频率）：确定脉冲的周期（频率）：vv软件延时软件延时软件延时软件延时vv定时器定时器定时器定时器 软件延时的方法是通过调用延时子程序的方法实现的，软件延时的方法是通过调用延时子程序的方法实现的，软件延时的方法是通过调用延时子程序的方法实现的，软件延时的方法是通过调用延时子程序的方法实现的，它占用它占用它占用它占用CPUCPU时间。定时器方法是通过设置定时时间常时间。定时器方法是通过设置定时时间常时间。定时器方法是通过设置定时时间常时间。定时器方法是通过设置定时时间常数的方法来实现。数的方法来实现。数的方法来实现。数
46、的方法来实现。n n步进电动机的加减速控制步进电动机的加减速控制步进电动机的加减速控制步进电动机的加减速控制 在点位控制过程中，运行速度需要有一个在点位控制过程中，运行速度需要有一个在点位控制过程中，运行速度需要有一个在点位控制过程中，运行速度需要有一个“加速加速加速加速恒速减速低恒速停止恒速减速低恒速停止恒速减速低恒速停止恒速减速低恒速停止”的加减速过程。点的加减速过程。点的加减速过程。点的加减速过程。点位控制的加减速过程如图所示。位控制的加减速过程如图所示。位控制的加减速过程如图所示。位控制的加减速过程如图所示。3.4.2 3.4.2 步进电动机的闭环控制步进电动机的闭环控制步进电动机的闭
47、环控制步进电动机的闭环控制 闭环控制是直接或间接地检测转子的位置和速度，闭环控制是直接或间接地检测转子的位置和速度，闭环控制是直接或间接地检测转子的位置和速度，闭环控制是直接或间接地检测转子的位置和速度，通过反馈和适当的处理，自动给出驱动的脉冲列。通过反馈和适当的处理，自动给出驱动的脉冲列。通过反馈和适当的处理，自动给出驱动的脉冲列。通过反馈和适当的处理，自动给出驱动的脉冲列。采用闭环控制，不仅可以获得精确的位置精度和采用闭环控制，不仅可以获得精确的位置精度和采用闭环控制，不仅可以获得精确的位置精度和采用闭环控制，不仅可以获得精确的位置精度和速度控制，而且扩大步进电动机的应用领域。速度控制，而且扩大步进电动机的应用领域。速度控制，而且扩大步进电动机的应用领域。速度控制，而且扩大步进电动机的应用领域。采用光电编码器检测的闭环控制系统框图如图所采用光电编码器检测的闭环控制系统框图如图所采用光电编码器检测的闭环控制系统框图如图所采用光电编码器检测的闭环控制系统框图如图所示。示。示。示。