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1、步进电动机传动控制系统第 13 篇13.1 13.1 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。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。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特点特点特点特点:(1)1)1)1)来一个脉冲，转一个步距角。来一个脉冲，转
2、一个步距角。来一个脉冲，转一个步距角。来一个脉冲，转一个步距角。(2)(2)(2)(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。控制脉冲频率，可控制电机转速。控制脉冲频率，可控制电机转速。控制脉冲频率，可控制电机转速。(3)(3)(3)(3)改变脉冲顺序，可改变转动方向。改变脉冲顺序，可改变转动方向。改变脉冲顺序，可改变转动方向。改变脉冲顺序，可改变转动方向。步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一
3、小段距离。距离。13.1 13.1 步进电动机步进电动机结构与工作原理结构与工作原理 区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。种类种类：励磁式励磁式和和反应式反应式反应式反应式两种。两种。下面以反应式步进电机为例说明步进电机的下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。结构和工作原理。13.1 13.1 步进电动机步
4、进电动机结构与工作原理结构与工作原理步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理 给给A A相相绕绕组组通通电电时时，转转子子位位置置如如图图（a a），转转子子齿齿偏偏离离定定子子齿齿一一个个角角度度。由由于于励励磁磁磁磁通通力力图图沿沿磁磁阻阻最最小小路路径径通通过过，因因此此对对转转子子产产生生电电磁磁吸吸力力，迫迫使使转转子子齿齿转转动动，当当转转子子转转到到与与定定子子齿齿对对齐齐位位置置时时(图图b)b)，因因转转子子只只受受径径向向力力而而无无切切线线力力，故故转转矩矩为为零零，转转子子被被锁锁定定在在这这个个位位置置上上。由由此此可可见见：错错齿齿是是助助使使步步进进电电机机旋旋转
5、的根本原因。转的根本原因。三相反应式步进电动机的原理结构图三相反应式步进电动机的原理结构图三相反应式步进电动机的原理结构图三相反应式步进电动机的原理结构图如下：如下：ABCIAIBIC 定子内圆周定子内圆周均匀分布着六个均匀分布着六个磁极，磁极上有磁极，磁极上有励磁绕组，每两励磁绕组，每两个相对的绕组组个相对的绕组组成一相。转子有成一相。转子有四个齿。四个齿。定子定子转子转子13.1.1 13.1.1 13.1.1 13.1.1 三相单三拍三相单三拍三相单三拍三相单三拍CABBCA3412 A A相绕组通电，相绕组通电，B B、C C 相相不通电。由于在磁场作用下，不通电。由于在磁场作用下，转
6、子总是力图旋转到磁阻最转子总是力图旋转到磁阻最小的位置，故在这种情况下，小的位置，故在这种情况下，转子必然转到左图所示位置：转子必然转到左图所示位置：1 1、3 3齿与齿与A A、A A极对齐。极对齐。13.1 13.1 步进电动机步进电动机结构与工作原理结构与工作原理CABBCA3412 同理，同理，B相通电时，转子会转过相通电时，转子会转过30 角，角，2、4齿和齿和B、B 磁极轴线对齐；当磁极轴线对齐；当C相通电时，转子相通电时，转子再转过再转过30 角，角，1、3齿和齿和C C、C 磁极轴线对齐。磁极轴线对齐。1C342CABBA13.1 13.1 步进电动机步进电动机结构与工作原理结
7、构与工作原理 这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。以称为三相单三拍工作方式。按按AB C A 的顺序给三相绕组的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过过30(步距角步距角)，每个通电循环周期，每个通电循环周期(3(3拍拍)转过转过90(一个齿距角一个齿距角)。13.1 13.1 步进电动机步进电动机结构与工作原理结构与工作原理13.1.2 13.1.2 13.1.2 13.1.
8、2 三相六拍三相六拍三相六拍三相六拍 按按AAB B BC C CA的顺的顺序给三相绕组轮流通电。序给三相绕组轮流通电。这种方式可以这种方式可以获得更精确的控制特性。获得更精确的控制特性。CABBCA3412CABBCA3412 A相通电，相通电，转子转子1 1、3 3齿与齿与A、A 对齐。对齐。A、B相同时通电，相同时通电，A、A 磁极拉住磁极拉住1、3齿，齿，B、B 磁极拉住磁极拉住2、4齿，齿，转子转转子转过过15，到达左图到达左图所示位置。所示位置。CABBCA3412 B B 相通电，相通电，转子转子2、4齿与齿与B、B 对齐对齐,又转又转过过15。3412CABBCA B、C相同时
9、通电，相同时通电，C、C 磁极拉住磁极拉住1、3齿，齿，B、B 磁极拉住磁极拉住2、4齿，转子再转齿，转子再转过过15。三相反应式步进电动机的一个通电循环周三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：期如下：AAB B BC C CA，每个循每个循环周期分为六拍。环周期分为六拍。每拍转子转过每拍转子转过15（步距角），（步距角），一一个通电循个通电循环周期环周期(6拍拍)转子转过转子转过90 (齿距角齿距角)。与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更小，更适用于需要精确定位的控制系统中。小，更适用于需要精确定位的控制系统中。13.1.3 13.1.3 13.1.
10、3 13.1.3 三相双三拍三相双三拍三相双三拍三相双三拍 按按ABAB BCBC CACA的顺序给三相绕组轮流通的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电电。每拍有两相绕组同时通电。AB通电通电CABBCA3412BC通电通电3412CABBCACA通电通电CABBCA3412 与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循循环周期也分为三拍。每拍转子转过环周期也分为三拍。每拍转子转过30 (步距角步距角)，一一个通电循环周期个通电循环周期(3拍拍)转子转过转子转过90(齿距角齿距角)。从以上对步进电机三种驱动方式的分析可从以上对步进电机三种驱动方式的分
11、析可得步距角计算公式：得步距角计算公式：步距角步距角Zr 转子齿数转子齿数m 每个通电循环周期的拍数每个通电循环周期的拍数 实用步进电机的步距角多为实用步进电机的步距角多为3 和和1.5 。为。为了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的，如教材图的，如教材图10.4.4所示。图中转子表面有所示。图中转子表面有4040个个齿，齿，齿距角是齿距角是9 9；定子仍是定子仍是 6 6个磁极，但每个磁极个磁极，但每个磁极表面加工有五个和转子一样的齿。表面加工有五个和转子一样的齿。步进电动机的应用非常广泛，如各种数控步进电动机的应用非常广泛，如各种数控步进电动
12、机的应用非常广泛，如各种数控步进电动机的应用非常广泛，如各种数控机床、自动绘图仪、机器人等。机床、自动绘图仪、机器人等。机床、自动绘图仪、机器人等。机床、自动绘图仪、机器人等。应用：应用：13.2 13.2 步进电动机的步距角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。的角度称为步距角。T11-2.SWFT11-2.SWF 360360/ZKmZKm 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 K=1,2=1,2 若二相步进电动机的若二相步进
13、电动机的Z=100，单拍运行时，其步距角单拍运行时，其步距角若按单、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，则步距角愈小，控制越精确。愈多，则步距角愈小，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就持续不断地旋转。如果电脉冲的频率为f(HZ)，步距角用弧度表示，步距角用弧度表示，则步进电动机的转速为：则步进电动机的转速为：13.2 13.2 步进电动机的
14、步距角步进电动机的步距角13.313.3 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 2.最大工作频率：在转子不失步的情况下，电动机连续工作时，最大工作频率：在转子不失步的情况下，电动机连续工作时，输入脉冲信号的最大频率。输入脉冲信号的最大频率。3.最大突跳频率：在转子不失步的情况下，电动机能增加和减最大突跳频率：在转子不失步的情况下，电动机能增加和减小的最大频率。小的最大频率。4.步距差：理想的步矩角与实际的步矩角之差。步距差：理想的步矩角与实际的步矩角之差。5.输出转矩：电动机轴上的输出转矩的大小输出转矩：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
15、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。13.4 13.4 步进电动机的驱动电源步进电动机的驱动电源 一、驱动电源的组成一、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ABC脉冲分配器+功率放大电路1.脉冲分配器脉冲分配器 当方向电平为低时，脉冲当方向电平为低时，脉冲分配器的输出按分配器的输出按A-B-CA-B-C的顺序的顺序循环产生脉冲。循环产生脉冲。当方向电平为高时，脉当方向电平为高时，脉冲分配器的输出
16、按冲分配器的输出按A-C-BA-C-B的顺的顺序循环产生脉冲。序循环产生脉冲。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，使电动机的转子产生输出转矩。电，使电动机的转子产生输出转矩。二、步进电动机的脉冲分配器二、步进电动机的脉冲分配器 步进电动机的脉冲分配器可由硬件或软件方法来实现步进电动机的脉冲分配器可由硬件或软件方法来实现。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，且具有直观、维护方便等优点。速度，且具有直观、维护方便等优
17、点。软件环分：由计算机接口电路和相应的软件组成的。受到微型软件环分：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。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。1.1.硬件环形分配器硬件环形分配器 2 2软件环形分配软件环形分配 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，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。从而产生一定的脉冲分配输出。1)1)输出接口输出接口 80318031单片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P0P0、P1P1、
18、P2P2、P3P3。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。应起来。若要实现三相步进电动机若要实现三相步进电动机的脉冲分配，需要三根输出口的脉冲分配，需要三根输出口线，本例中选线，本例中选P1P1口的口的P1.0P1.0、P1.1P1.1、P1.2P1.2位作为脉冲分配的位作为脉冲分配的输出。输出。三、步进电动机的功率放大电路三、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。冲具有一定的功率驱动能力。由于功
19、率放大器的输出直接驱动电动机绕组，因此，功率放大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进电动机的运行性能影响很大。电路的性能对步进电动机的运行性能影响很大。1.1.单电压驱动电路单电压驱动电路 L是电动机绕组是电动机绕组VT开关晶体管开关晶体管 电电阻阻R两两端端并并联联电电容容C，使使电电流流上上升升更更快快，所以，电容所以，电容C又称为加速电容。又称为加速电容。二二极极管管V在在晶晶体体管管VT截截止止时时起起续续流流和和保保护护作作用用，串串联联电电阻阻使使电电流流下下降降更更快快，从从而而使使绕绕组电流波形后沿变陡。组电流波形后沿变陡。2.2.高低压切换型驱动电路高低压切换型驱动电路 高高低低压压驱驱动动线线路路的的优优点点是是：功功耗耗小小，启启动动力力矩矩大大，突突跳跳频频率率和和工工作作频频率率高高。缺缺点点是是：大大功功率率管管的的数数量量要要多多用用一一倍倍，增增加加了了驱驱动动电电源。源。