第二章电机控制技术(新教材)

1、电动机控制接口技术电动机控制接口技术 电动机控制接口技术电动机控制接口技术直流电动机控制接口技术直流电动机控制接口技术步进电机控制接口技术步进电机控制接口技术电动机控制技术概述电动机控制技术概述电动机电动机是被广泛应用的是被广泛应用的原动机原动机电动机的控制要求越来越高：电动机的控制要求越来越高：启、停、逆转快速，调速快、准启、停、逆转快速，调速快、准。电动机控制器的发展电动机控制器的发展：电机控制元件经历了从交流放大器到磁：电机控制元件经历了从交流放大器到磁放大器、可控离子变速器、可控硅、计算机控制。放大器、可控离子变速器、可控硅、计算机控制。计算机控制计算机控制又分为微机控制系统、单片机控

2、制装置和专用控制又分为微机控制系统、单片机控制装置和专用控制板卡等，并且采用了复杂的控制算法。板卡等，并且采用了复杂的控制算法。脉冲宽度调制技术脉冲宽度调制技术，在直流小功率电动机调速中已经成熟，在，在直流小功率电动机调速中已经成熟，在直流中、小功率方面正在迅速取代可控硅直流中、小功率方面正在迅速取代可控硅SCRSCR直流调速系统，但直流调速系统，但在交流和大功率电动机调速方面尚属研究中。在交流和大功率电动机调速方面尚属研究中。电动机调速的发展趋势电动机调速的发展趋势：微型化、智能化、一体化，即将以微：微型化、智能化、一体化，即将以微型计算机（单片机）为核心的控制器做到电动机上。型计算机（单片

3、机）为核心的控制器做到电动机上。电动机控制接口技术电动机控制接口技术1 1、小功率直流电动机调速原理、小功率直流电动机调速原理2 2、开环脉冲宽度调速系统、开环脉冲宽度调速系统3 3、脉冲宽度调速系统设计、脉冲宽度调速系统设计4 4、闭环脉冲宽度调速系统、闭环脉冲宽度调速系统5 5、交流电动机控制接口技术、交流电动机控制接口技术小功率直流电动机调速原理小功率直流电动机调速原理脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation Pulse Width Modulation ）PWMPWM原理原理 小功率直流电动机小功率直流电动机由转子和定子组成由转子和定子组成，定子可以是磁

4、极或励，定子可以是磁极或励磁绕组。磁绕组。其转速与加在转子电枢上的电压其转速与加在转子电枢上的电压UaUa有关有关， UaUa转速转速VV；所；所加电压极性改变，则电动机反转。加电压极性改变，则电动机反转。小功率直流电动机调速原理小功率直流电动机调速原理定子绕组及定子绕组及产生的磁场产生的磁场转子转子电枢电枢脉冲宽度调速系统原理图脉冲宽度调速系统原理图PWMPWM原理原理据此原理，据此原理，通过改变电动机电枢电压接通和断开的时间比（通过改变电动机电枢电压接通和断开的时间比（即占空比）来控制电动机的转速即占空比）来控制电动机的转速，这种方法就称为脉冲宽度，这种方法就称为脉冲宽度调制调制PWMPW

5、M。脉宽调制转速公式（平均转速）：脉宽调制转速公式（平均转速）： Vd=Vmax Vd=Vmax * * D D 其中，其中，Vd-Vd-电动机平均转速；电动机平均转速； VmaxVmax全通电时速度（最大）；全通电时速度（最大）； D= t1 /T-D= t1 /T-占空比，占空比， t1t1是通电时间，是通电时间，T T是脉宽周是脉宽周期。期。D1D1。 Vd D Vd D，与单纯的周期，与单纯的周期T T无关无关 Vd Vd与与D D只是近似的线性关系，只是近似的线性关系，与单纯的周期与单纯的周期T T无关无关（与步（与步进电机的调速脉冲不同，步进电机的转速与脉冲频率成进电机的调速脉冲不

6、同，步进电机的转速与脉冲频率成正比）。在正比）。在D D不变的情况下，不变的情况下，T T越小，电机转速越平稳。越小，电机转速越平稳。平均速度与占空比的关系平均速度与占空比的关系PWMPWM原理原理开环脉冲宽度调速系统开环脉冲宽度调速系统 1 1、开环脉冲宽度调速系统的组成、开环脉冲宽度调速系统的组成（1 1）占空比）占空比D D的设定的设定 1 1）用电位器调节、）用电位器调节、2 2）用拨码开关、）用拨码开关、3 3）用数字键盘）用数字键盘（2 2）脉冲宽度发生器）脉冲宽度发生器 ：软件编程：软件编程（3 3）驱动器）驱动器: :TTLTTL放大电路放大电路（4 4）电子开关）电子开关 :

7、 :用晶体管、场效应管、可控硅、继电器用晶体管、场效应管、可控硅、继电器（5 5）电动机）电动机 2 2、电动机控制接口、电动机控制接口 上图中的第上图中的第3 3、4 4两部分即为接口部分。直流电机与微机的接口两部分即为接口部分。直流电机与微机的接口有以下有以下4 4种方法：种方法：（1 1）光电隔离器）光电隔离器+ +大功率场效应管大功率场效应管 : :适用于自己开发的系统，价格适用于自己开发的系统，价格低低（2 2）固态继电器）固态继电器 : :适用于自己开发的系统，价格低适用于自己开发的系统，价格低（3 3）专用接口芯片）专用接口芯片 : :如如L290L290、L291L291、L2

8、92L292等，价高、但可靠等，价高、但可靠（4 4）专用接口板）专用接口板: :如如75017501、75027502，主要用于，主要用于STDSTD或或PCPC机系统机系统如用单片机控制，即可产生并输出调制脉冲，再加上如用单片机控制，即可产生并输出调制脉冲，再加上光电隔离器光电隔离器+ +大大功率场效应管功率场效应管，或者加上，或者加上固态继电器固态继电器就构成了就构成了接口部件和脉宽调速控接口部件和脉宽调速控制器。制器。开环脉冲宽度调速系统开环脉冲宽度调速系统 一、脉宽占空比设计一、脉宽占空比设计 由脉宽调制转速公式：由脉宽调制转速公式： Vd=Vmax Vd=Vmax * * D D

9、电动机平均转速电动机平均转速VdVd、全通电时速度、全通电时速度 Vmax Vmax 已知已知，对于，对于给定的平均转速给定的平均转速VdVd ，便可计算出占空比，便可计算出占空比D D。 占空比占空比D= t1 /TD= t1 /T ， t1t1是通电时间，是通电时间， t2t2是断电时间。是断电时间。 脉宽周期脉宽周期T= t1 + t2T= t1 + t2 设单位时间（设单位时间（ t0 t0 ）计一个数，则通电时间）计一个数，则通电时间t1t1计数计数N1= t1 / t0 N1= t1 / t0 ， 断电时间断电时间t2t2计数计数N2= t2 / t0(N2= t2 / t0(即即

10、N1N1补补) ) ， 1 1、软件延时法、软件延时法P119P119 2 2、计数法、计数法P119P119脉冲宽度调速系统设计脉冲宽度调速系统设计二、电动机转动控制原理二、电动机转动控制原理 正转：正转：SW1SW1、SW4SW4闭合闭合 反转：反转：SW2SW2、SW3SW3闭合闭合 刹车：刹车：SW2SW2、SW4SW4闭合闭合（或（或SW1SW1、SW3SW3闭合）闭合） 滑行：滑行：SW1SW1、SW2SW2、SW3SW3、 SW4SW4全部断开全部断开 脉冲宽度调速系统设计脉冲宽度调速系统设计 控制数据控制数据运转运转状态状态开关状态开关状态PA1 PA0SW1 SW2 SW3

11、SW410正转正转100101反转反转011011刹车刹车010100滑行滑行0000双向控制电动机工作状态真值表双向控制电动机工作状态真值表PA0PA0、PA1PA1为为0 0时，时，SW1SW1、SW3SW3才有才有可能导通可能导通SWxSWx状态：状态：PA0PA0、1 1为为1 1时导通，时导通，为为0 0时截止时截止 SWxSWx用的是场效应管用的是场效应管PB0-PB7PB0-PB7：设置脉冲宽度，：设置脉冲宽度， 即方波的占空比即方波的占空比74LS12574LS125：四总线三态缓冲器：四总线三态缓冲器脉冲宽度调速系统设计脉冲宽度调速系统设计四、控制系统的软件设计四、控制系统的

12、软件设计 1 1、流程图（右图）、流程图（右图） 2 2、汇编程序、汇编程序: :见教材见教材P122 P122 （略）（略）设定占空比设定占空比（或转速）（或转速）通电时间通电时间断电时间断电时间脉冲宽度调速系统设计脉冲宽度调速系统设计闭环脉冲宽度调速系统闭环脉冲宽度调速系统 为了提高电动机脉冲为了提高电动机脉冲宽度调速系统的精度，通宽度调速系统的精度，通常采用闭环脉冲宽度调速常采用闭环脉冲宽度调速系统。系统。 闭环系统是在开环系闭环系统是在开环系统的基础上增加了电动机统的基础上增加了电动机的速度检测回路的速度检测回路，意在将，意在将检测到的速度与给定值比检测到的速度与给定值比较，并由数字调

13、节器（较，并由数字调节器（PIDPID）进行调节。其原理框图）进行调节。其原理框图如左图所示。如左图所示。采用微型机的电动机速度控制系统原理图采用微型机的电动机速度控制系统原理图一、测速发电机一、测速发电机 1 1、测速发电机的工作原理、测速发电机的工作原理 测速发电机是一种将转子转速转换成电信号的装置。根测速发电机是一种将转子转速转换成电信号的装置。根据结构及工作原理的不同，分为直流和交流测速发电机。据结构及工作原理的不同，分为直流和交流测速发电机。 测速发电机的工作原理测速发电机的工作原理：用被控制的电动机，带动测速：用被控制的电动机，带动测速发电机的转子在定子所形成的磁场中旋转，转子绕组

14、切割磁发电机的转子在定子所形成的磁场中旋转，转子绕组切割磁力线，便产生了感应电动势，即有电压。转速越高，电压越力线，便产生了感应电动势，即有电压。转速越高，电压越高。电压便与电动机的转速成正比，由此得到电动机的转速高。电压便与电动机的转速成正比，由此得到电动机的转速信息。信息。 测速发电机的特点是分辨率较高，价格较低测速发电机的特点是分辨率较高，价格较低。闭环脉冲宽度调速系统闭环脉冲宽度调速系统 2 2、直流闭环脉冲宽度调速系统原理图、直流闭环脉冲宽度调速系统原理图直流脉宽可逆调速系统原理图直流脉宽可逆调速系统原理图闭环脉冲宽度调速系统闭环脉冲宽度调速系统二、数字式转速传感器二、数字式转速传感

15、器 数字式转速传感器，是把旋转轴的转速直接转换成数字式转速传感器，是把旋转轴的转速直接转换成数字量的一种装置。计算机控制系统最常用的是码盘式数字量的一种装置。计算机控制系统最常用的是码盘式转速传感器。转速传感器。 下图为增量式和绝对式码盘。下图为增量式和绝对式码盘。透明式光电码盘的结构透明式光电码盘的结构闭环脉冲宽度调速系统闭环脉冲宽度调速系统 1 1、增量式码盘的工作原理、增量式码盘的工作原理 增量式码盘的脉冲输入到计算机的计数器，其转速公增量式码盘的脉冲输入到计算机的计数器，其转速公式为：式为： nm=60nm=60* *Nc/n/t1Nc/n/t1（转（转/ /分）分）式中：式中：nm

16、-nm -转速，单位为转速，单位为r/min r/min Nc -Nc -在在t1t1时间内测得的脉冲数时间内测得的脉冲数 n-n-码盘上一周的缝隙数码盘上一周的缝隙数 t1 -t1 -测速时间，单位为秒测速时间，单位为秒Nc/nNc/n：为在为在t1t1时间内码盘转的总圈数时间内码盘转的总圈数闭环脉冲宽度调速系统闭环脉冲宽度调速系统 2 2、绝对式码盘的工作原理、绝对式码盘的工作原理 有数字的方格示透光，无数字的方格示不透光，透光的地方经光敏元有数字的方格示透光，无数字的方格示不透光，透光的地方经光敏元件输出件输出1 1，不透光的地方经光敏元件输出，不透光的地方经光敏元件输出0 0。 每一个

17、位圈需要一个光敏元件，每一个位圈需要一个光敏元件，8 8个位圈需要个位圈需要8 8个光敏元件，可以计个光敏元件，可以计数数256256。 8 8位光敏元件输出的数据，可以直接接到计算机的数字量输入端口。位光敏元件输出的数据，可以直接接到计算机的数字量输入端口。每隔一段时间读一次数据，每隔一段时间读一次数据，两次的数据差除以码盘上的缝隙数，即为转的两次的数据差除以码盘上的缝隙数，即为转的圈数。转速圈数。转速= =两次的数据差两次的数据差/ /码盘上外圈的缝隙数码盘上外圈的缝隙数/ /时间时间11111111118888888812345678910111213141516171819202222

18、2222224444444441616161616转速仍然可转速仍然可以用前面的以用前面的公式，公式， Nc理理解为数据差解为数据差D0位圈位圈D1位圈位圈D2位圈位圈D3位圈位圈D4位圈位圈最外圈最外圈有数字的格为透光有数字的格为透光总格数总格数闭环脉冲宽度调速系统闭环脉冲宽度调速系统交流电动机控制接口技术交流电动机控制接口技术 1 1、交流电动机的调速正在研究发展中、交流电动机的调速正在研究发展中 交流电动机的调速比较复杂，是一个非常活跃的领交流电动机的调速比较复杂，是一个非常活跃的领域，有待进一步研究和开发。此处作简单介绍。域，有待进一步研究和开发。此处作简单介绍。 2 2、交流电动机调

19、速的的特点、交流电动机调速的的特点 1 1）电流作正反两个方向流动；）电流作正反两个方向流动；2 2）电压较高（）电压较高（220V-220V-380V-380V）需要加光电隔离，常用交流固态继电器。）需要加光电隔离，常用交流固态继电器。 3 3、采用固态继电器与交流伺服电机的接口电路、采用固态继电器与交流伺服电机的接口电路PC0=1PC0=1，PC1=0PC1=0，A A相导通，相导通，电动机电动机正转正转。PC0=0PC0=0，PC1=1PC1=1，B B相导通，相导通，电动机电动机反转反转。PC0=0PC0=0，PC1=0PC1=0，A A相与相与B B相均关闭，电动机相均关闭，电动机不

20、运不运转。转。R4R4与电容与电容C C的作用的作用是消除是消除伺服电机关断时的浪涌伺服电机关断时的浪涌电压。电压。光敏电阻光敏电阻R2R2和电阻和电阻R3R3的的作用作用是组成过零检测电是组成过零检测电路，产生双向触发脉冲。路，产生双向触发脉冲。采用固态继电器的交流伺服电动机控制电路采用固态继电器的交流伺服电动机控制电路交流电动机控制接口技术交流电动机控制接口技术步进电机步进电机控制接口技术控制接口技术一般电机都是连续旋转，而步进电机却是一步一步地转动一般电机都是连续旋转，而步进电机却是一步一步地转动，故叫步进电机。具体而言，每当步进电机的驱动器接收到，故叫步进电机。具体而言，每当步进电机的

21、驱动器接收到一个驱动脉冲信号后，步进电机将会按照设定的方向转动一一个驱动脉冲信号后，步进电机将会按照设定的方向转动一个固定的角度（有的步进电机可以直接输出线位移，称为直个固定的角度（有的步进电机可以直接输出线位移，称为直线电动机）。因此，线电动机）。因此，步进电机是一种将电脉冲转化为角位移步进电机是一种将电脉冲转化为角位移（或直线位移）的执行机械。（或直线位移）的执行机械。对于经常使用的角位移步进电对于经常使用的角位移步进电机，用户可以机，用户可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量，从而达通过控制脉冲的个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的到准确定位的目的；同时还可以；同时还可以通过控制脉冲

22、频率来控制电通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 步进电机的特点及应用步进电机的特点及应用 步进电机运转精度高步进电机运转精度高 旋转单位是旋转单位是“步步”，一步的最，一步的最小转角可以小到小转角可以小到0.360.36度（最大转角达到度（最大转角达到9090度）。步进电度）。步进电机若前进一定的步数，然后再后退相同的步数，则可精机若前进一定的步数，然后再后退相同的步数，则可精确的回到原来的位置。确的回到原来的位置。 步进电机启、停速度快步进电机启、停速度快 能够在能够在“一刹那一刹那”间使步进间使步进电机启动或停止，在

23、快速启停时不会失掉一步。一般转电机启动或停止，在快速启停时不会失掉一步。一般转速为速为200-1000200-1000步步/ /秒。秒。 步进电机在定位场所得到了广泛的应用步进电机在定位场所得到了广泛的应用 如：在绘如：在绘图仪、打印机、扫描仪、复印机等设备及光学仪器中应图仪、打印机、扫描仪、复印机等设备及光学仪器中应用。其定位不需要位移传感器测定位置。用。其定位不需要位移传感器测定位置。 步进电机的工作原理步进电机的工作原理步进电动机分为机电式、磁电式及直线式三种基本类型。步进电动机分为机电式、磁电式及直线式三种基本类型。磁电式步进电动机主要有反应式（简称磁电式步进电动机主要有反应式（简称V

24、RVR）、永磁式（简称）、永磁式（简称PMPM）和永磁感应式（又称为混合式步进电机，简称）和永磁感应式（又称为混合式步进电机，简称HBHB）三）三种。种。反应式步进电机的工作原理反应式步进电机的工作原理反应式步进电动机在定、转子铁心的内外表面上设有按一反应式步进电动机在定、转子铁心的内外表面上设有按一定规律分布的相近齿槽，利用这两种齿槽相对位置变化引起定规律分布的相近齿槽，利用这两种齿槽相对位置变化引起磁路磁阻的变化产生转矩。磁路磁阻的变化产生转矩。反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步矩角反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步矩角一般为一般为1.51.5，精度容易保证，起动和

25、运行频率较高，但噪，精度容易保证，起动和运行频率较高，但噪声和振动都很大，在欧美等发达国家在声和振动都很大，在欧美等发达国家在2020世纪世纪8080年代已被淘年代已被淘汰汰。反应式步进电机的工作原理反应式步进电机的工作原理1 1、结构、结构电机的电机的定子定子上有上有6 6个等分的磁极，即个等分的磁极，即A A、AA、B B、BB、C C、CC。相邻两个磁极间的夹角为。相邻两个磁极间的夹角为6060。相对的两个磁极组成。相对的两个磁极组成一相，图示结构为三相步进电机一相，图示结构为三相步进电机(AA(AA相，相，BBBB相，相，CCCC相相) )。当某一绕组有电流通过时，该绕组相应的两个磁极

26、立。当某一绕组有电流通过时，该绕组相应的两个磁极立即形成即形成N N极和极和S S极，每个磁极上各有极，每个磁极上各有5 5个均匀分布的矩形小齿个均匀分布的矩形小齿。步进电机的步进电机的转子转子上没有绕组，它是由上没有绕组，它是由4040个矩形小齿均匀分个矩形小齿均匀分布在圆周上，相邻两齿之间的夹角为布在圆周上，相邻两齿之间的夹角为9 9。当某相绕组通电。当某相绕组通电时，对应的磁极就会产生磁场，并与转子形成磁路。若此时时，对应的磁极就会产生磁场，并与转子形成磁路。若此时定子的小齿与转子的小齿没有对齐，则在磁场的作用下，转定子的小齿与转子的小齿没有对齐，则在磁场的作用下，转子转动一定的角度，使

27、转子齿和定子齿对齐。由此可见，错子转动一定的角度，使转子齿和定子齿对齐。由此可见，错齿是促使步进电机旋转的根本原因。齿是促使步进电机旋转的根本原因。反应式步进电机的工作原理反应式步进电机的工作原理2 2、工作原理、工作原理定子各相（定子各相（AAAA、BBBB、CCCC）相差）相差120120度依次单独通电，则定子所度依次单独通电，则定子所产生的磁场按产生的磁场按AAAA、BBBB、CCCC、AAAA、BBBB、顺序旋转。顺序旋转。 转子旋转原理转子旋转原理 AAAA上通电时上通电时 为了构成闭合的磁力线、为了构成闭合的磁力线、并且使磁阻最小，转子上的齿要与定子并且使磁阻最小，转子上的齿要与定

28、子AAAA上的齿对齐。设转子与定子上的齿对齐。设转子与定子A A相中间的齿相中间的齿相对的齿记为相对的齿记为0 0号齿号齿。 BBBB上通电时上通电时 为了构成闭合的磁力线、为了构成闭合的磁力线、并且使磁阻最小，转子上的齿也要与定子并且使磁阻最小，转子上的齿也要与定子BBBB上的齿对齐。上的齿对齐。 转子上与定子转子上与定子B B相中间应该对齐的齿号为相中间应该对齐的齿号为120120/9/9= =13.3313.33，不是整数，即转子与，不是整数，即转子与定子上的齿未对齐，则磁阻大，为减小磁定子上的齿未对齐，则磁阻大，为减小磁阻，转子要旋转。第阻，转子要旋转。第1313、1414号齿距离号齿

29、距离B B相相中间的角度分别为中间的角度分别为3 3和和6 6，因此，因此1313号齿号齿顺时针旋转顺时针旋转3 3与定子齿对齐。与定子齿对齐。 CC CC相通电相通电 同样的道理，转子仍然顺时针旋转同样的道理，转子仍然顺时针旋转3 3。 定子按定子按AB C A B AB C A B 通电时，则转子按顺时针方向通电时，则转子按顺时针方向旋转。旋转。 步距角：步距角： 每步的转角为每步的转角为3 3，即步距角为即步距角为3 3。 通电一周的旋转角度：通电一周的旋转角度：照照AB C AAB C A顺序顺序通电一周，则转子通电一周，则转子旋转旋转9 9。 反转方法：反转方法：若通电顺序反过来若通

30、电顺序反过来， 按按CB A CCB A C通电，通电，则转子旋则转子旋转方向相反。转方向相反。3 3、步距角、步距角QsQs计算公式计算公式 Qs=360Qs=360/(N/(N* *Zr)Zr)式中：式中： ZrZr为转子齿数；为转子齿数； N=McN=Mc* *C C为通电一周的拍数，叫为通电一周的拍数，叫运行拍数运行拍数。 其中，其中，McMc为绕组相数；为绕组相数；C C为状态数，采用（单、双）三拍时为状态数，采用（单、双）三拍时C=1C=1，采用，采用（单、双）六拍时（单、双）六拍时C=2C=2。如三相三拍，步距角为如三相三拍，步距角为3 3；三相六拍，步距角为；三相六拍，步距角为

31、1.51.5。括号内为每转括号内为每转一圈的步数一圈的步数步进电机的工作原理步进电机的工作原理永磁式步进电机包括一个永磁转子、线圈绕组和导磁定子永磁式步进电机包括一个永磁转子、线圈绕组和导磁定子。激励一个线圈绕组将产生一个电磁场，分为北极和南极。激励一个线圈绕组将产生一个电磁场，分为北极和南极。图示为一个线圈激励而产生电磁场。图示为一个线圈激励而产生电磁场。 定子产生的磁场使转子转动到与定子磁场对置，通过改变定子产生的磁场使转子转动到与定子磁场对置，通过改变定子线圈的通电顺序可使电机转子产生连续的旋转运动。定子线圈的通电顺序可使电机转子产生连续的旋转运动。永磁式步进电机的工作原理永磁式步进电机

32、的工作原理两相步进电机的典型步序（单相通电时）：两相步进电机的典型步序（单相通电时）：永磁式步进电机的工作原理永磁式步进电机的工作原理在第在第1 1步中，两相定子的步中，两相定子的A A相通电，因异性相吸，其磁场将相通电，因异性相吸，其磁场将转子固定在图示位置。转子固定在图示位置。当当A A相关闭，相关闭，B B相通电时，转子顺时针旋转相通电时，转子顺时针旋转9090度。度。第第3 3步中，步中，B B相关闭，相关闭，A A相通电，但极性与第相通电，但极性与第1 1步相反，这促步相反，这促使转子再次旋转使转子再次旋转9090度。度。在第在第4 4步中，步中，A A相关闭，相关闭，B B相通电，

33、极性与第相通电，极性与第2 2步相反。步相反。重复该顺序促使转子按重复该顺序促使转子按9090度的步距角顺时针旋转。度的步距角顺时针旋转。尽管步距角相同，但力矩增加，输入功率提高尽管步距角相同，但力矩增加，输入功率提高1 1倍。倍。永磁式步进电机的工作原理永磁式步进电机的工作原理如果在电机转换相位之间插入一个半闭状态而走如果在电机转换相位之间插入一个半闭状态而走“半步半步”，这将步进电机的整个步距角一分为二。例如，一个，这将步进电机的整个步距角一分为二。例如，一个9090度度的步进电机将每半步移动的步进电机将每半步移动4545度度。永磁式一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为永磁式一般为两相

34、，转矩和体积较小，步进角一般为 或或， 消耗消耗功率较小，步矩角较大。缺点是起动频率和运行功率较小，步矩角较大。缺点是起动频率和运行频率较低。频率较低。永磁式步进电机的工作原理永磁式步进电机的工作原理半步半步半步半步9090度步进角通过半步步进降到了度步进角通过半步步进降到了4545度度：永磁式步进电机的工作原理永磁式步进电机的工作原理永磁感应子式步进电动机又称混合式步进电动机。是永永磁感应子式步进电动机又称混合式步进电动机。是永磁式步进电动机和反应式步进电动机两者的结合，并兼有磁式步进电动机和反应式步进电动机两者的结合，并兼有两者的优点。它又分为两相和五相，两相步进角一般为两者的优点。它又分

35、为两相和五相，两相步进角一般为1.81.8度，而五相步进角一般为度，而五相步进角一般为0.720.72度，这种步进电机应该度，这种步进电机应该最为广泛。最为广泛。感应子式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体感应子式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过

36、程中比较反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。感应子式某种程度上可以看平稳、噪音低、低频振动小。感应子式某种程度上可以看作是低速同步的电机。作是低速同步的电机。永磁感应式步进电机的工作原理永磁感应式步进电机的工作原理一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。（一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。例必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。例如：四相，八相运行（如：四相，八相运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-AA-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可）完全可以采用二相

37、八拍运行方式以采用二相八拍运行方式. .不难发现其条件为不难发现其条件为C=,D=. C=,D=. 一个一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，般直接接为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作二相电机绕组串联或并联使用。二相电机绕组串联或并联使用。永磁感应式步进电机的工作原理永磁感应

38、式步进电机的工作原理 典型的步进电机控制系统如下图所示，主要有三部典型的步进电机控制系统如下图所示，主要有三部分组成。分组成。 步进控制器步进控制器由缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑由缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑、正反控制门等组成。、正反控制门等组成。 步进电机控制系统原理步进电机控制系统原理步进控制器步进控制器: :接收接收步进脉冲步进脉冲和和转向控制转向控制两个输入信号。在两个输入信号。在它们的共同作用下产生它们的共同作用下产生正确转向的正确转向的3 3相激励信号相激励信号。此激励。此激励信号经过信号经过功率放大器电路功率放大器电路送至步进电机，从而控制步进电送至步进电机，从而控制步进

39、电机向正确的方向转动。机向正确的方向转动。功率放大器功率放大器: :一般步进控制器输出的驱动能力是有限的，一般步进控制器输出的驱动能力是有限的，它不可能直接驱动步进电机，而需要经过一级功率放大。它不可能直接驱动步进电机，而需要经过一级功率放大。步进控制器线路复杂、成本高步进控制器线路复杂、成本高计算机控制系统：用软件编程代替了步进控制器，可靠、计算机控制系统：用软件编程代替了步进控制器，可靠、成本低、控制方便，应用广泛。成本低、控制方便，应用广泛。步进电机控制系统原理步进电机控制系统原理 典型的典型的计算机计算机控制步进电机控制步进电机原理系统如下图所示原理系统如下图所示 计算机控制步进电机需

40、要解决的问题：计算机控制步进电机需要解决的问题： 1 1）步进电机与计算机的接口问题）步进电机与计算机的接口问题 2 2）脉冲序列的产生）脉冲序列的产生 3 3）方向控制）方向控制 4 4）程序设计）程序设计步进电机控制系统原理步进电机控制系统原理（1 1）步进电机的驱动电流比较大，驱动器可用大功率复）步进电机的驱动电流比较大，驱动器可用大功率复合管，也可以是专门的驱动器。合管，也可以是专门的驱动器。（2 2）为了抗干扰，或避免一旦驱动电路发生故障，造成）为了抗干扰，或避免一旦驱动电路发生故障，造成功率放大器中的高电平信号进入微型机而烧毁器件，在功率放大器中的高电平信号进入微型机而烧毁器件，在

41、驱动器与微型机之间加一级光电隔离器。驱动器与微型机之间加一级光电隔离器。（3 3）计算机的输出接口只能驱动几个标准的）计算机的输出接口只能驱动几个标准的LSTTLLSTTL，而被，而被控制的步进电机要求高电压和大电流，所以在输出端口控制的步进电机要求高电压和大电流，所以在输出端口之后要加之后要加7404/74067404/7406等驱动器，以便驱动脉冲功率放大等驱动器，以便驱动脉冲功率放大级的达林顿复合管，使电动机绕组的静态电流达到级的达林顿复合管，使电动机绕组的静态电流达到2A2A。（4 4） 集成驱动芯片，如集成驱动芯片，如STK672-040STK672-040、ULN2803AULN2

42、803A、UDN2916ULN2003DUDN2916ULN2003D等芯片，可用于驱动步进电机。等芯片，可用于驱动步进电机。ULN2803AULN2803A是是8 8路路NPNNPN达林顿连接晶体管系统，兼容达林顿连接晶体管系统，兼容TTLTTL电电平，输出电流为平，输出电流为500mA500mA，输入电阻，输入电阻27002700欧姆，驱动能力欧姆，驱动能力为为500 mA /5V500 mA /5V。步进电机与计算机的接口问题步进电机与计算机的接口问题接口电路示例：接口电路示例：步进电机与计算机的接口问题步进电机与计算机的接口问题大功率复合管，大功率复合管，起开关作用。起开关作用。为达林

43、顿管为达林顿管 脉冲序列如右图所示脉冲序列如右图所示 1 1）脉冲周期的实现）脉冲周期的实现 脉冲周期脉冲周期= =通电时间通电时间+ +断电时间。断电时间。 通电时通电时，计算机输出高电平使开关闭合；，计算机输出高电平使开关闭合；断电时断电时，计算，计算机输出低电平使开关断开。机输出低电平使开关断开。 通电和断电时间的控制通电和断电时间的控制，可以用定时器，也可以用软件，可以用定时器，也可以用软件延时。延时。 周期决定了步进电机的转速；占空比决定了功率周期决定了步进电机的转速；占空比决定了功率。 2 2）脉冲高度）脉冲高度 脉冲高度决定于元器件，对脉冲高度决定于元器件，对TTLTTL电平为电

44、平为0-5V0-5V，对，对CMOSCMOS电平一般为电平一般为0-10V0-10V。常用的接口电路多为常用的接口电路多为0-5V0-5V。脉冲序列的产生脉冲序列的产生 常用的步进电机有三相、四相、五相、六相。常用的步进电机有三相、四相、五相、六相。 旋转方向与内部绕组的旋转方向与内部绕组的通电顺序通电顺序有关。以三相步进电机为例有关。以三相步进电机为例 三相步进电机有三种工作方式：三相步进电机有三种工作方式： 1 1）单三拍）单三拍，通电顺序为，通电顺序为 ABC ABC 2 2）双三拍）双三拍，通电顺序为，通电顺序为 ABBCCA ABBCCA 3 3）单双交替六拍）单双交替六拍，通电顺序

45、为，通电顺序为 AABBBCCCAAABBBCCCA若按上述通电顺序为正转，则反向通电步进电机反转若按上述通电顺序为正转，则反向通电步进电机反转。关于。关于四相、五相、六相步进电机的通电方式与此相似，从略。四相、五相、六相步进电机的通电方式与此相似，从略。方向控制方向控制三种控制模型三种控制模型1 1、三相单三拍、三相单三拍步步 序序控控 制制 位位通电状态通电状态控制数据控制数据PC2/C相相PC1/B相相PC0/A相相1001A01H2010B02H3100C04H步步 序序控控 制制 位位通电状态通电状态控制数据控制数据PC2/C相相PC1/B相相PC0/A相相1011AB03H2110

46、BC06H3101CA05H2、三相双三拍、三相双三拍方向控制方向控制步步 序序控控 制制 位位通电状态通电状态控制数据控制数据PC2/C相相PC1/B相相PC0/A相相1001A01H2011AB03H3010B02H4110BC06H5100C04H6101CA05H3、三相六拍、三相六拍方向控制方向控制步进电机程序设计步进电机程序设计步进电机程序设计的步进电机程序设计的主要任务主要任务是：是：1 1）判断旋转方向；）判断旋转方向；2 2）按）按顺序传送控制脉冲；顺序传送控制脉冲；3 3）判断所要求的控制步数是否传送完）判断所要求的控制步数是否传送完毕。毕。在步进电机程序设计之前，需要做的

47、在步进电机程序设计之前，需要做的准备工作准备工作有：计算步数、有：计算步数、确定延时时间（脉冲通电时间）、确定控制模型、以及判断确定延时时间（脉冲通电时间）、确定控制模型、以及判断转动方向。转动方向。步进电机设计的主要任务就是，按照顺序传送控制模型，判步进电机设计的主要任务就是，按照顺序传送控制模型，判断所要求的控制步数是否传送完毕。断所要求的控制步数是否传送完毕。 为四相步进电机为四相步进电机 其控制设计为四其控制设计为四相双四拍相双四拍 Dx=1Dx=1时对应绕组时对应绕组通电通电D0 D1 D2 D3BABBBCBDABCDL0L1L2L3应用示例应用示例通电顺序为：通电顺序为： ABB

48、CCD DAABBCCD DA步步序序控控 制制 位位通电状通电状态态控制数控制数据据D3/D相相D2/C相相D1/B相相D0/A相相10011AB03H20110BC06H31100CD0CH41001DA09H四相四拍控制设计表四相四拍控制设计表应用示例应用示例开开 始始读取开关读取开关K1状态状态高电平吗？高电平吗？从从D0D1输出高电平输出高电平其余位输出低电平其余位输出低电平延延 时时从从D1D2输出高电平输出高电平其余位输出低电平其余位输出低电平延延 时时从从D2D3输出高电平输出高电平其余位输出低电平其余位输出低电平延延 时时从从D3D0输出高电平输出高电平其余位输出低电平其余位

49、输出低电平延延 时时从从D3D2输出高电平输出高电平其余位输出低电平其余位输出低电平延延 时时从从D2D1输出高电平输出高电平其余位输出低电平其余位输出低电平延延 时时从从D1D0输出高电平输出高电平其余位输出低电平其余位输出低电平延延 时时从从D0D3输出高电平输出高电平其余位输出低电平其余位输出低电平延延 时时正转正转Y反转反转N应用示例应用示例步进电机步数及速度的计算方法步进电机步数及速度的计算方法 对步进电机的控制，对步进电机的控制，步数控制步数控制的目的是精确地到达指的目的是精确地到达指定的位置；定的位置；速度速度的控制是通过单位时间的步数实现的，的控制是通过单位时间的步数实现的，主

50、要是主要是计算相邻两个脉冲之间的时间。计算相邻两个脉冲之间的时间。 1 1、步进电机步数的确定：由给出的转角或位移量，计算、步进电机步数的确定：由给出的转角或位移量，计算出步数。出步数。 1 1）转角与步数的关系）转角与步数的关系 如：用步进电机带动一个能够旋转如：用步进电机带动一个能够旋转1010圈的电位器来调圈的电位器来调整电压，假定调节范围是整电压，假定调节范围是0-10V0-10V，现在要求把电压从，现在要求把电压从2V2V升到升到2.1V2.1V，计算旋转的步数，计算旋转的步数N N。 先计算需要转过的角度先计算需要转过的角度X X X=X=（2.12.12 2）* *（360360

51、* *1010）1010）3636 若用三相三拍方式控制，其步距角为若用三相三拍方式控制，其步距角为3 3，所以，所以步数步数N N为为 N=36/3=12N=36/3=12（步）（步）括号内为每括号内为每1伏电伏电压转过的角度压转过的角度2 2）同理可以求出位移量与步数之间的关系）同理可以求出位移量与步数之间的关系先计算每转一圈的位移量，再计算每一步的位移量，最后算先计算每转一圈的位移量，再计算每一步的位移量，最后算总步数。总步数。2 2、步进电机速度的确定、步进电机速度的确定 步进电机速度控制的方法步进电机速度控制的方法就是控制脉冲之间的时间间隔就是控制脉冲之间的时间间隔。只要速度给定，便

52、可计算。只要速度给定，便可计算出脉冲之间的时间间隔。出脉冲之间的时间间隔。 如要求步进电机如要求步进电机2 2秒钟转秒钟转1010圈圈，则，则每一步需要的时间每一步需要的时间T T为为 T T每圈时间每圈的步数每圈时间每圈的步数 （2000ms/102000ms/10）（）（N N* *ZrZr） 200ms200ms（3 3* *2 2* *4040） 833s833s只要在输出一个脉冲后延时只要在输出一个脉冲后延时833s833s，即可满足速度之要求。，即可满足速度之要求。 括号内为每括号内为每一圈的步数一圈的步数N=Mc*C三相六拍三相六拍步进电机步数及速度的计算方法步进电机步数及速度的

53、计算方法步进电机的变速控制步进电机的变速控制 1 1）必须要变速运行）必须要变速运行 步进电机在步进电机在启动和停止过程时的速度应该比正常运转时的速度低启动和停止过程时的速度应该比正常运转时的速度低，特别是刚启动和最后停下来时，速度应该更低，否则由于惯性步进，特别是刚启动和最后停下来时，速度应该更低，否则由于惯性步进电机会出现电机会出现“失步失步”（多走了步或少走了步），失去其精确性。（多走了步或少走了步），失去其精确性。 为确保步进电机运行的精确性和快速，为确保步进电机运行的精确性和快速，必须变速运行必须变速运行。 2 2）变速原理）变速原理 在在启动过程启动过程脉冲周期由长（频率低）脉冲周

54、期由长（频率低）变短，变短，使步进电机转速缓慢上升使步进电机转速缓慢上升到正常运到正常运转时的速度；在转时的速度；在停止过程停止过程脉冲周期由短变脉冲周期由短变长，长，使步进电机转速使步进电机转速从正常转速从正常转速缓慢下降缓慢下降至至0 0 。变化时间约变化时间约0.1-1s0.1-1s。正常运转时。正常运转时脉冲周期要短（频率高）脉冲周期要短（频率高） ，速度要高。，速度要高。 右图为变速运行控制脉冲频率变化曲右图为变速运行控制脉冲频率变化曲线。线。1 1、变速方法之一、变速方法之一-改变控制方式改变控制方式 如在三相步进电机中，启动或停止时，用三相六拍如在三相步进电机中，启动或停止时，用

55、三相六拍控制，大约经过控制，大约经过0.1s0.1s后改为三相三拍控制。后改为三相三拍控制。2 2、变速方法之二、变速方法之二-改变脉冲时间间隔控制改变脉冲时间间隔控制 刚启动时脉冲间隔长，启动过程脉冲间隔均匀变短刚启动时脉冲间隔长，启动过程脉冲间隔均匀变短，直到速度达正常值；停止时，在停止过程脉冲间隔均，直到速度达正常值；停止时，在停止过程脉冲间隔均匀变短，直到停止。匀变短，直到停止。3 3、变速方法之三、变速方法之三-用定时器改变脉冲时间间隔控制用定时器改变脉冲时间间隔控制 如用如用82538253定时，启动时，初值不断减小，使脉冲频定时，启动时，初值不断减小，使脉冲频率不断增加；停止时，

56、初值不断增大，使脉冲频率不断率不断增加；停止时，初值不断增大，使脉冲频率不断降低。降低。步进电机的变速控制步进电机的变速控制28BYJ4828BYJ48步进电机为五线四相八拍步进电机，其原理步进电机为五线四相八拍步进电机，其原理如下如下图所示。图所示。 28BYJ4828BYJ48原理图原理图 其中，其中，6 6线为红色，为电源引脚；线为红色，为电源引脚； 4 4、3 3、2 2、1 1线分别为橙、黄、粉、和蓝色。线分别为橙、黄、粉、和蓝色。28BYJ4828BYJ48步进电机采用单相激励，通电方式可采用单相绕步进电机采用单相激励，通电方式可采用单相绕组通电，也可采用双相绕组通电。组通电，也可

57、采用双相绕组通电。28BYJ4828BYJ48步进电机的控制步进电机的控制 这里简要介绍永磁感应电机的驱动方式。根据绕组这里简要介绍永磁感应电机的驱动方式。根据绕组的通电方式，有的通电方式，有单相绕组单相绕组和和双相绕组双相绕组通电激励，有通电激励，有单极单极性绕组和双极性绕组性绕组和双极性绕组之分。之分。单相激励单相激励是每次只有一相绕组通电；是每次只有一相绕组通电；双相激励双相激励指两相绕组一直通电，一次只能转换一相的极指两相绕组一直通电，一次只能转换一相的极性。性。单极性绕组单极性绕组是指一个电极上有是指一个电极上有2 2个绕组，当一个绕组通电个绕组，当一个绕组通电时，产生北磁极，另一个绕组通电时产生南极磁场。从时，产生北磁极，另一个绕组通电时产生南极磁场。从驱动器到线圈电流不会反向。驱动器到线圈电流不会反向。