第三章 步进电机微机控制系统11

1、第三章 步进电机微机控制系统 STEPPING MOTOR3.1 步进电机工作原理与结构步进电机工作原理与结构3.2 步进电机的特性步进电机的特性3.3 步进电机的驱动电路步进电机的驱动电路3.4 步进电机的细分驱动电路步进电机的细分驱动电路3.5 步进电机的单片机控制步进电机的单片机控制3.6 步进电机的加减速控制步进电机的加减速控制3.1 步进电机工作原理与结构A、B、C三相通电三相通电一周，转一周，转子旋转子旋转90，即，即一个齿距一个齿距角。角。 一相绕组通电，称为一拍；转子旋一相绕组通电，称为一拍；转子旋转的角度为一个步距角；磁场旋转转的角度为一个步距角；磁场旋转一周（一周（360）

2、，需），需A、B、C三相绕三相绕组轮流通电一个周期，即需三拍，组轮流通电一个周期，即需三拍，称单三拍。称单三拍。A-B-C-A顺序，正转顺序，正转A-C-B-A顺序，反转顺序，反转定子绕组电流波形： 单三拍单三拍ABCABCAABC双三拍：双三拍：ABBCCAABBCCAABABC六拍（单双拍）：六拍（单双拍）：AABCABBBCCCAAABBBCCCA对于四相步进电机：单四拍、双四拍、八拍对于四相步进电机：单四拍、双四拍、八拍几个概念：几个概念： 工作频率：步进电机输入脉冲的频率工作频率：步进电机输入脉冲的频率fw 步进周期：每转动一步所需的时间步进周期：每转动一步所需的时间Tw 进齿周期：

3、转子转动一个齿距所需时间进齿周期：转子转动一个齿距所需时间 齿距角：齿距角： ZR转子齿数转子齿数 步距角：步距角： k=1,2;m相数相数;N拍数拍数 步进电机的转速：步进电机的转速： , rpmRZt360kmZNZNtbRR360360NZfwnR60例：例：ZR40，t t9 9，b3 或或1.5 三种工作方式比较：三种工作方式比较：工作工作方式方式步进步进周期周期每相每相通电通电时间时间相电相电流流高频高频特性特性转矩转矩电磁电磁阻尼阻尼振荡振荡功率功率损耗损耗单拍单拍TWTW小小差差差差差差多多小小双拍双拍TW2TW较大较大一般一般一般一般较好较好少少大大单双拍单双拍TW3TW最大

4、最大好好好好较好较好极少极少中中步进电机需满足：1.形成错齿：定子绕组磁极的分角度不能形成错齿：定子绕组磁极的分角度不能被齿距角整除。被齿距角整除。 120 /90 4/32.实现对齿：定子绕组磁极的分角度被齿实现对齿：定子绕组磁极的分角度被齿距角除后所得的余数，应是步距角的倍距角除后所得的余数，应是步距角的倍数，且倍数值和相数不能有共因子数，且倍数值和相数不能有共因子。120 /90 余余30 ，是，是30 或或15 的的1倍或倍或2倍，和相数倍，和相数3没有共因子。没有共因子。3.2 步进电机的特性一、静转矩特性（矩角特性）失调角：转子受到负载转矩Mc的作用，偏转一定角度。当电磁转矩Mm与

5、负载转矩Mc相等时，转子处于平衡状态。tt/2-t/2-静转矩特性：静态时电机静转矩与静转矩特性：静态时电机静转矩与转子失调角的关系转子失调角的关系Mmf（ ），），近似为一正弦曲线。近似为一正弦曲线。-/2-/20Mm静稳定区静稳定区 不稳定平衡点不稳定平衡点最大静转矩最大静转矩Mmax0 0稳定平衡点稳定平衡点二、动稳定区二、动稳定区 从一种通电状态转换到另一种通电状从一种通电状态转换到另一种通电状态，不会引起失步的区域。态，不会引起失步的区域。 - +bc + + bc 单三拍，单三拍， bc2 /3 六拍，六拍， bc /3 拍数越多，动稳定区越接近静稳定区，拍数越多，动稳定区越接近静

6、稳定区，运行时越不易失步。运行时越不易失步。三、动态矩频特性 步进电机连续运行时，用于克服负载转矩步进电机连续运行时，用于克服负载转矩和加减速惯量而不失步运行的最大转矩和加减速惯量而不失步运行的最大转矩（失步转矩）与频率的关系，（失步转矩）与频率的关系，M（f）。）。Mf工作方式对矩频工作方式对矩频特性的影响：特性的影响：1.61.250.1四、起动惯频特性四、起动惯频特性 起动频率：步进电机由静止突然起动，能够不失步完成起动并进入正常运行所能达到的最高频率。 起动频率与转子转动惯量J及负载转矩Tc的关系称为起动惯频特性。fqTc.J五、单步运行与振荡五、单步运行与振荡 单步运行指转动一步或工

7、作频率很低的情况。在摩擦力矩和各种阻尼的作用下，振荡逐渐衰减，最后稳定在平衡位置。t3.3 步进电机的驱动电路)1 (rteIirRLOr一、单电压驱动电路一、单电压驱动电路当相控制为当相控制为00时，时，T T截止。截止。当相控制为当相控制为11时，时，T T导通。导通。U=I(RU=I(RO O+r+r）ROLrRdDTU相控制相控制irRRLOdf当相控制为当相控制为00有效时，有效时，U2U2截止，截止，T2T2导通。导通。当相控制为当相控制为1无效时，无效时，U2导通，导通，T2截止。截止。二、高低压（双电压）驱动电路二、高低压（双电压）驱动电路ROLrR2D2T236V相控制相控制

8、T1D15V5VR1单稳触发高压触发高压触发高压控制高压控制R3U1U2工作过程：工作过程：)1 (361tOeRri高压工作：高压工作：t1t2，T1、T2导通，导通，D1、D2截止。截止。05RrI低压工作：低压工作：t2t3，T1截止，截止，D1导通。导通。关断：关断：t3以后，以后，T1、T2截止，截止，绕组放电。绕组放电。高压控制高压控制高压触发高压触发相控制相控制绕组电压绕组电压绕组电流绕组电流36V5Vt1t2t3L（r）D2R236V地地5V D1R0三、斩波型功率放大电路三、斩波型功率放大电路1.斩波恒流驱动电路斩波恒流驱动电路T8导通导通T8截止截止VsVp，T4截止截止V

9、inVbiLD 1T 5T 7T 6T 3T 8T 2T 4R5R6R 1 2R1 0R8R1 3R3R1R2R4R9R7D 2LD 3D 4236O P 1R1 1V6VPVS+5 VVinT 1V+5 VVbiL恒流采样电阻恒流采样电阻参考电压参考电压2.斩波平滑功放电路斩波平滑功放电路RdDLrTUVin &VmVbiL与单电压驱动电路比较：与单电压驱动电路比较：无无Ro；控制电路由门电路组成；控制电路由门电路组成工作时，工作时，Vin输入步进方波，输入步进方波，Vm输入一个脉冲序列输入一个脉冲序列VinVmiL六拍运行方式：六拍运行方式：每拍运动增量为步距角每拍运动增量为步距角

10、其原因是：其原因是：AABB一、基本原理单三拍运行方式：单三拍运行方式： 每拍运动增量为步距每拍运动增量为步距33600RZ2133600RZABABABAAB3.4 步进电机的细分驱动电路 细分控制： 通过控制绕组中电流的数值，调整步进电机的步距大小，使步距角细分成若干步的步进电机控制方法就叫做细分控制。一、基本原理AABAB二、可变细分控制功率放大电路 利用D/A转换器，输出可变的电压信号，经放大，比较放大，线性功率放大控制绕组电流的变化。MCUD/AAMP比较放大R 单片机输出数字量0255, 当输出255时对应电流为额定值， 细分步数必须整除255。如3、5、15、17、51、85。

11、细分为3步，对应的数字量为55H、AAH 、FFH 细分为15步，对应的数字量为11H、22H 、33H、44H、55H 、FFH . 注意： 控制三相步进电机时，需要三组同样的D/A转换器。 功率放大管工作在线性区，效率低。MCUD/AAMP比较放大R三、数字脉宽调制细分控制电路 说明： 功放管工作在开关状态，基极加一系列的脉宽调制波，绕组得到细分控制所需的电流。 当脉宽调制波Vb的脉宽较大时，产生阶梯边沿 当脉宽调制波Vb的脉宽较小时，产生稳定平均电流Ia 单片机控制脉宽值，则控制电流变化。ttVbiLMCUAMPiLVbU-求Ts)1ln()1 (),1 ( /rUIIrLTerUIIr

12、LerUiaasTLraatls其中绕组电流求求THrIIUrIIUrLTTTrUIIrLTaaaarSHaar)()(ln)1ln( ttVbiLTsTHTLIaIaIaTrTs上升到上升到Ia-Ia：求TLrLTaaLLeIIi/)(aaaaLrLTaaaIIIIrLTeIIIILln)(/由放电电路：在脉底宽度，iL由Ia+Ia降到降到 Ia-Ia ：ttVbiLTsTHTLIaIaIaTrTsrIUrIUrLTjjU1ln Ij+1IjIk+1IkVbiLTHTLTUTD上升上升下降下降tt阶梯上升时间阶梯上升时间（Ij Ij+1 ）：）：（由TH公式）kkDIIrLT1ln 阶梯下降

13、时间阶梯下降时间（Ik+1 Ik ）：）：（由TL公式）利用数字脉宽调制进行细分控制：利用数字脉宽调制进行细分控制： 产生上升阶梯波时，先输出脉宽为产生上升阶梯波时，先输出脉宽为TU的脉冲，的脉冲，然后产生脉宽为然后产生脉宽为TH、脉底为、脉底为TL的序列脉冲。的序列脉冲。 产生下降阶梯波时，先输出宽度为产生下降阶梯波时，先输出宽度为TD的脉底，的脉底，然后产生脉宽为然后产生脉宽为TH、脉底为、脉底为TL的序列脉冲。的序列脉冲。VbTHTLTUTDtTHTLTHTL上升上升下降下降3.5步进电机的单片机控制步进电机的单片机控制单片机光电隔离光电隔离驱动电路驱动电路驱动电路光电隔离步进电机P1.

14、0P1.1P1.2ABC 步进电机运行的速度图 已知：f0 启动，H步; fH 匀速，P-H步; 大减速： fH 到fm 走R步; 一般减速：fm 到f0 走S步 求：加速度a, 减速度b1、b2,以及各段周期Tx012HPP+RP+R+S步数步数f频率频率f0fxfHfm 1. 线性加速阶段：线性加速阶段： atffa221xxaattfX）其中.H1,2,3,X2020(afXaftxafa)X(ftx020112aa)X(fXafttTxxx12220201步进周期HffaafHaft，atff:ahHHaH22202020其中因为继续求小结小结1：在线性加速阶段，在线性加速阶段， 先根据fH和f0 求得加速度a 再求出在第X步（x=1,2,3,H）的步进周期