第二节步进电机及驱动控制

1、第二节 步进电机及驱动控制 一、步进电机 步进电机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的电磁机械装置。每当对其施加一个电脉冲时，其输出轴便转过一个固定的角度，称为一步，当供给连续电脉冲时就能一步一步地连续转动，这种电机的运行方式与普通匀速旋转的电机有一定的差别，是步进式运动，因此命名为步进电机。 步进电机的位移量与输入脉冲数严格成正比，与数字系统配套时，体现出更大的优越性 步进电机每步转过的角度叫做步距角。 （一）步进电机的特点 1.步进电机的工作状态不易受各种干扰因素（如电压波动、负载变化、环境条件等）的影响，仅与控制脉冲有关。 2控制性能好，能快速启动、制动和反转，无稳定问题，且

2、有自锁能力。 3位移与输入脉冲数相对应，输出转角的精度高，虽有相邻步距误差，但无长期位置积累误差。 4步距角选择范围大，可以从几十分至几十度大范围内选择，转速可以在相当宽的范围内平滑调整。即使同一台步进电机，采用不同的脉冲输入方式，也可得到不同的步距角。 5在小步距角情况下，可以在很低速度下稳定运行，往往可以不经减速器直接驱动负载。 尽管步进电机具备有上述优点，但也存在一些不足：运动增量和步距角固定，步进分辨率缺乏灵活性；单步响应时有过冲量和震荡；承受大惯性负载能力差；控制线路复杂，成本高。（二）步进电机的分类 根据其转子结构通常可分为三种类型，即反应式(VR) 、永磁式(PM) 和混合式(H

3、B)（三）步进电机的工作原理 步进电机的工作原理，类似于电磁铁作用原理。当某相绕组通电时，定子产生磁场，并与转子形成磁路，如果这时定子齿与转子齿没有对齐，则由于磁力线力图走磁阻最小的路线，而带动转子转动，使定子齿与转子齿对齐，从而实现转动一角度。(错齿原理） 每次只有一相绕组通电，叫三相单三拍工作方式。ABC。（反向反向ACB） 三相六拍控制方式，即通电顺序按AABBBCCCAA进行。（反向反向AACCCBBBAA) 双三拍控制方式，即通电顺序按ABBCCAAB进行.（反向反向ABACCBAB) 绕组的相数、转子的齿数和通电方式决定了步距角 的大小，它们之间的关系可用下式表示：mzk360式中

4、m电机绕组相数；z转子齿数；k通电状态系数，k=拍数/相数，如三相三拍k = 1,三相六拍k = 2；五相十拍k = 2。（四）步进电机主要性能指标 步进电机的主要性能指标有以下几项： 1.步距角 ,每输入一个电脉冲信号转子应转过角度的理论值。 2.最大静转矩Timax ,步进电机在规定的通电相数下，距角特性上的转矩最大值。通常技术数据中给定的最大静转矩是指每相绕组通上额定电流值所得的值。 3.额定电流Ie , 电机不动时每一相绕组允许通过的电流定为额定电流。 4.额定电压Ue , 电动机各相绕组允许施加的最高电压。 5.启动频率fQ ,又称突变频率，指步进电机能够不失步启动和停转的最高频率。

5、它分为空载启动频率和负载启动频率。 6.运行频率fL , 步进电机启动后，脉冲频率连续上升时保证不失步所能达到的最高频率。 7.启动矩频特性 在给定驱动条件下，负载惯量J一定时，启动频率fQ随负载转矩T变化的特性。如图66中曲线1所示。 8.运行矩频特性 在一定的负载惯量下，运行频率fL与负载转矩T之间的关系。如图曲线2所示。 9.启动惯频特性 负载力矩一定时，启动频率fQ与负载惯性J之间的关系。 10.静态步距角误差 实际的步距角与理论的步距角之间的差值，一般在空载情况下测量。二、步进电机驱动电源 步进电机的运行性能，除了与电机本身的性能有关外，在很大程度上取决于驱动电源性能的优劣.（一）环

6、形分配器 步进电动机在一个脉冲的作用下，转过一个相应的步距角，因而只要控制一定的脉冲数和脉冲频率，即可精确控制步进电动机相应的转动角度和速度。但步进电动机的各绕组必须照一定的顺序通电才能正确工作。 使电动机绕组的通电顺序按电机运行使电动机绕组的通电顺序按电机运行规定规律而循环变化的电路称为脉冲规定规律而循环变化的电路称为脉冲分配器，又称环形分配器。分配器，又称环形分配器。 接受时钟脉冲和方向电平，输出各相的导通信号，是环形分配器的基本功能。电机有正反转要求，因此要求环电机有正反转要求，因此要求环形分配器的输出既是周期性又是可逆的。形分配器的输出既是周期性又是可逆的。通常环形分配器还有一些附加功

7、能，主要有： 使能输入 电平信号控制。使能有效时，允许钟脉冲和其他信号的接受，环形分配器输出绕组励磁状态顺序表；否则，禁止输入信号起作用，环形分配器维持原输出状态。 零状态输出 脉冲输出信号。零状态即初始状态，对应一种励磁方式，一般指状态转换表中第一种状态。 清零输人 脉冲信号控制。使环形分配器的输出置为零状态。 方式输入 电平信号控制。一种步进电机可能有多种励磁方式，如三相反应式步进电机有整步和半步工作方式。方式输入就是对各种励磁方式的选择信号。 除上述功能外，环形分配器还应有较强的抗干扰能力，不允许有非法状态的出现。 环形分配器的构成方式有多种，归纳起来，通常可分为采用通用逻辑芯片构成的环

8、形分配器、环形分配器专用集成芯片、采用EPROM构成的环形分配器、采用可编程逻辑芯片构成的环形分配器以及由控制计算机自身通过软件直接产生励磁顺序的软件分配器。下面重点介绍广泛应用的环形分配器专用集成芯片专用集成芯片和软件分配器软件分配器。 1.环形分配器专用集成芯片 典型芯片如日本三洋公司的PMM8713、PMM8723、上海华岭公司的CH250、CH224等。 2. 软件分配器节拍序号P12P11P10通电相控制数据旋转方向1001A01H2011AB03H3010B02H4110BC06H5100C04H6101CA05H三相六拍脉冲分配控制数据表 （二）功放电路 1.单电压驱动 单电压驱

9、动方式结构简单，但工作性能较差，在高频工作状态时效率尤其差，在实际应用中较少，一般只用于对速度要求不高的小功率步进电机驱动。2.高低压驱动高低压驱动在很宽的频段内都能保证相绕组有较大的平均电流，在截止时又能迅速释放，因此能产生较大的且较稳定的电磁转矩，系统具有较高的响应，是目前应用较多的步进电机驱动方式之一。但在低频时绕组电流有较大的上冲，电机振动噪声较大，低频共振现象仍然存在。3.斩波型驱动1）斩波恒流驱动 上述斩波恒流驱动中，斩波频率是由绕组的电感、比较器的回差等诸因素决定，没有外来固定频率，这种电路又称为自激式斩波恒流驱动电路。 斩波恒流驱动电路中，由于驱动电压很高，电机绕组回路由于不串电阻，电流上升速度很快，当达到额定值时，由于采样电阻反馈作用，绕组电流可以保持在额定值附近内波动，而且不随电机的转速而变化，从而保证在很宽的频率范围内电机都能输出恒定的转矩。由于电源电压并不是一直向绕组供电，而只是一个个窄脉冲，总的输入能量是各脉冲时间的电压与电流乘积积分的总和，取自电源的能量大幅度下降，具有很高的效率。由于电机共振的基本原因是能量过剩，而斩波恒流驱动输人的能量是自动随着绕组电流调节，能量过剩时，续流时间延长，供电时间减短，因此减少