第4章 步进电动机运动控制课件

1、第四章 步进电动机运动控制 1.什么是步进电机 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。 您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以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。 2.步进电机分哪几种 步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR）和混合式（HB） 永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度； 反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家8

2、0年代已被淘汰； 混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。 3.什么是保持转矩（HOLDING TORQUE） 保持转矩保持转矩（HOLDING TORQUEHOLDING TORQUE）是指步进电机通电但）是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而

3、不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说之一。比如，当人们说2N.m2N.m的步进电机，在没有特的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m2N.m的步进电机。的步进电机。 4.什么是DETENT TORQUE DETENT TORQUEDETENT TORQUE 是指步进电机没有通电是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE DETENT

4、 TORQUE 在国内没有统一的翻译在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有它没有DETENT TORQUEDETENT TORQUE。 5.步进电机精度为多少是否累积 一般步进电机的精度为步进角的一般步进电机的精度为步进角的3-5%3-5%，且不累积且不累积。 6.步进电机的外表温度允许达到多少 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点； 一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏一般来讲，

5、磁性材料的退磁点都在摄氏130130度以上，有的甚至高达摄氏度以上，有的甚至高达摄氏200200度以度以上，所以步进电机外表温度在摄氏上，所以步进电机外表温度在摄氏80-9080-90度完全正常。度完全正常。 7.为什么步进电机的力矩会随转速的升高而下降 当步进电机转动时，电机各相绕组的电当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。从而导致力矩下降。 8.为什么步进电机低速时可以正

6、常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转然后按一定加速度升到所

7、希望的高频（电机转速从低速升到高速）。速从低速升到高速）。 9.如何克服两相混合式步进电机在低速运转时的振动和噪声 步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，一般可采用以下方案来克服： A. 如步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比等机械传动避开共振区； B. 采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的、最简便的方法； C. 换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机； D. 换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高； E. 在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较大。 10.10.细分驱动器的细分数是否能代表精度细分驱动器的细分数是否能代表精度 步

8、进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术（请参考有关文献），其主要目的是减弱或消除步（请参考有关文献），其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。比如对于步进角为技术的一个附带功能。比如对于步进角为1.81.8的两的两相混合式步进电机，如果细分驱动器的细分数设置相混合式步进电机，如果细分驱动器的细分数设置为为4 4，那么电机的运转分辨率为每个脉冲，那么电机的运转分辨率为每个脉冲0.450.45，电，电机的精度能否达到或接近机的精度能否达到或接近0.450.45，还

9、取决于细分驱，还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度越细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度越难控制难控制。 机理机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号 转换成线位移或角位移的电机。每来一个转换成线位移或角位移的电机。每来一个 电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移 动一小段距离。动一小段距离。特点特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。来一个脉冲，转一个步距角。 (2)控制脉冲频率，可控制电机转速。控制脉冲频率，

10、可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序，改变方向。改变脉冲顺序，改变方向。种类种类： 有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步有励磁式和反应式两种。两种的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。上没有励磁线圈。应用：应用： 步进机的应用非常广泛。如：在数控机床、自动步进机的应用非常广泛。如：在数控机床、自动 绘图仪等设备中都得到应用。绘图仪等设备中都得到应用。 下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和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。工作原理。结构结构 步进机主要由两部分构成：定子和转

11、子。它们均步进机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极 。定子定子转子转子定子绕组定子绕组 定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。组成一相。 注意：注意：这里的相和三相交流电中的这里的相和三相交流电中的“相相”的概念的概念不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图的联接和组数的区别。的联接和组数的区别。ABC定子定子转子转子IA工作方式工作方式 步进电机的工作方式可分为：步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单三

12、相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。双六拍、三相双三拍等。一、三相单三拍一、三相单三拍（1 1）三相绕组联接方式：）三相绕组联接方式：Y 型型（2 2）三相绕组中的通电顺序为：）三相绕组中的通电顺序为：A 相相 B 相相 C 相相通电顺序也可以为：通电顺序也可以为： A 相相 C 相相 B 相相 （3）工作过程）工作过程化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。A 相通电，相通电，A 方向的磁方向的磁通经转子形成闭合回路。通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向若转子和

13、磁场轴线方向原有一定角度，则在磁原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁场的作用下，转子被磁A A 相通电使转子相通电使转子1 1、3 3齿和齿和 AA 对齐。对齐。CABBCA3412CABBCA3412同理，同理，B相通电，转子相通电，转子2、4齿和齿和B相轴线对齐，相轴线对齐，相对相对A相通电位置转相通电位置转30 ；C相通电再转相通电再转30 。1C342CABBA 这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。单三拍。三相单三拍的特点：三相单三拍的

14、特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过）每来一个电脉冲，转子转过 30 。此角称为。此角称为步距角，用步距角，用 S表示。表示。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。改变通电顺序即可改变转向。二、三相单双六拍二、三相单双六拍三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为： AABBBCCCAA 共六拍。共六拍。工作过程：工作过程：A相通电，相通电，转子转子1 1、3 3齿和齿和A相对齐。相对齐。CABBCA3412所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通电，转子转了通电，转子转了1

15、5。（1）BB 磁场对磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使齿有磁拉力，该拉力使 转子顺时针方向转动。转子顺时针方向转动。A、B相同时通电相同时通电（2）AA 磁场继续对磁场继续对1、3齿有拉力。齿有拉力。CABBCA3412总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为为三相六拍，步距角为15 。CABBCA3412B相通电，相通电，转子转子2、4齿和齿和B相对齐，又转了相对齐，又转了15 。三、三相双三拍三、三相双三拍三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为： AB BC CA AB 共三拍。共三拍。AB通电通电CABBCA3412

16、CABBCA3412BC通电通电以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。工作方式为三相双三工作方式为三相双三拍时，每通入一个电拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转脉冲，转子也是转30 ，即，即 S = 30 。CA通电通电CABBCA3412小步距角的步进电动机小步距角的步进电动机 实际采用的步进电机的步距角多为实际采用的步进电机的步距角多为3度和度和1.5度，步距角越小，机加工的精度越高。度，步距角越小，机加工的精度越高。为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，为产生小步距角，定、转子都做

17、成多齿的，图中转子图中转子40个齿，定子仍是个齿，定子仍是 6个磁极，但每个磁个磁极，但每个磁极上也有五个齿。极上也有五个齿。转子的齿距转子的齿距等于等于360 / 40=9 ，齿宽、齿槽各，齿宽、齿槽各4.5 。 为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽和齿槽和转子相同。齿宽和齿槽和转子相同。工作原理：工作原理：假设是单三拍通电工作方式。假设是单三拍通电工作方式。（1）A 相通电时，定子相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对相的五个小齿和转子对齐。此时，齐。此时，B 相和相和 A 相空间差相空间差120120 ，含，含 120120 /9/9 =

18、= 齿齿 A 相和相和 C 相差相差240240 ，含，含240240 / / 9 9 = = 个个齿。所以，齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿对相的转子、定子的五个小齿对齐时，齐时，B 相、相、C 相不能对齐，相不能对齐，B相的转子、相的转子、定子相差定子相差 1/3 1/3 个齿（个齿（3 3 ），），C相的转子、定相的转子、定子相差子相差2/32/3个齿（个齿（6 6 ）。）。31133226若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，转子只转转子只转 1.5 。异步机的转动方向仍由相序决定。异步机的转动方向仍由相序决定。同理，同理，C 相通电

19、再转相通电再转3 （2）A 相断电、相断电、B 相通电后，转子只需转过相通电后，转子只需转过1/3个个 齿（齿（3 ），使），使 B 相转子、定子对齐。相转子、定子对齐。f：电脉冲的频率电脉冲的频率 转速转速36060sfn 步进机通过一个电脉冲步进机通过一个电脉冲,转子转过的角度转子转过的角度,称为称为步距角。步距角。m:一个周期的运行拍数一个周期的运行拍数Zr：转子齿数：转子齿数mZrS360如：如：Zr=40 , m=3 时时3340360S步距角步距角 第四章第四章 步进电动机运动控制步进电动机运动控制 4.1 4.1 步进电动机工作原理步进电动机工作原理 步进电动机分为反应式、永磁式

20、和永磁感应式步进电动机分为反应式、永磁式和永磁感应式 4.1.1 4.1.1 反应式步进电动机反应式步进电动机 反应式步进电动机又称为变磁阻式电动机，其定反应式步进电动机又称为变磁阻式电动机，其定子和转子均由硅钢片铁芯组成，定子上由若干对磁极，子和转子均由硅钢片铁芯组成，定子上由若干对磁极，磁极上有控制绕组。磁极上有控制绕组。 4.1.2 永磁步进电动机 永磁式步进电动机的定子极上有两永磁式步进电动机的定子极上有两相或多相控制绕组，转子为一队或相或多相控制绕组，转子为一队或多对极的星形永久磁钢。转子的极多对极的星形永久磁钢。转子的极数与定子每相的极数相同。数与定子每相的极数相同。 4.1.3

21、4.1.3 永磁感应式步进电动机永磁感应式步进电动机 永磁感应式步进电动机亦称为混合式步进永磁感应式步进电动机亦称为混合式步进电动机。定子结构与反应式步进电动机类电动机。定子结构与反应式步进电动机类似，而转子由环行磁钢且两端罩上两段帽似，而转子由环行磁钢且两端罩上两段帽式铁芯。这两段转子铁芯的外圆周上有均式铁芯。这两段转子铁芯的外圆周上有均布的齿槽，二者的装配位置从轴向看上去布的齿槽，二者的装配位置从轴向看上去错开半个齿距。错开半个齿距。 4.2 4.2 特性及主要技术指标特性及主要技术指标 4.2.1 4.2.1 静态运行特性静态运行特性 静态运行特性主要指矩角特性。矩角特性是在不改变静态运

22、行特性主要指矩角特性。矩角特性是在不改变控制绕组通电状态的情况下，电磁转矩与转子转角的控制绕组通电状态的情况下，电磁转矩与转子转角的关系曲线。步进电动机的电磁转矩是由于磁路磁阻随关系曲线。步进电动机的电磁转矩是由于磁路磁阻随转子位置变化而产生的。转子位置变化而产生的。 当转子转动时，磁路中的气隙发生改变，当转子转动时，磁路中的气隙发生改变，磁路磁阻也发生变化，由磁路欧姆定律：磁路磁阻也发生变化，由磁路欧姆定律：2( )( )( )MMMiNRMMNMMiNMRiNR或者式中：电磁铁的激磁安匝；磁路磁阻，转子位置 的函数；气隙磁通；磁链。 电磁场能量为电磁场能量为 电磁转矩电磁转矩22 2001

23、2iiMMMMN iN iWdidiRR（ ）（ ）d12dMMemMWRiNTR （ ）（ ） 步进电动机的电磁转矩步进电动机的电磁转矩sin(2)sin()2 /214emsmserrrrmrrTTTzPPznPzsm式中：转子齿定距（义为）T最大转矩，发步进电动机的生在处电角度。 4.2.2 4.2.2 步距角和转速步距角和转速 考虑通电方式后，步进电动机的考虑通电方式后，步进电动机的步距角步距角 s s由由转子齿距转子齿距P Pr r、控制绕组相数、控制绕组相数m m及通电方式（及通电方式（通通电方式系数电方式系数c c）决定：）决定：0360120360,( /min)60rPrsm

24、cmz crcfffn rsmz crfnmz c式中： 为通电方式系数，单拍或双拍时取 ，单、双拍交替时取 。步距角确定后，通以一定频率 的脉冲，每秒钟转过的角度为它相应的转速为 4.2.3 4.2.3 单脉冲运行特性单脉冲运行特性 动稳定区的边界动稳定区的边界a a点到初始稳定平衡位置点到初始稳定平衡位置O O0 0点的区域点的区域 r r称为称为裕量角裕量角。00000003603601801801360180sinsin180cos22rrrses rstrstsmsmsmzmz cmczTTTTTmcmc式中利用关系式最大负载转矩 又称为启动转矩；（）=214errsrnzp（）电角

25、度步距角裕量角000001212emrsmrsmKfJdTKz Tdz TfJ从反方向向平衡位置运动，可能形成振荡，其自由振荡频率为:，因为刚度 4.2.4 连续脉冲运行特性启动频率启动频率连续运行频率连续运行频率 计算惯性转矩有两种情况： 1、加速度控制的转矩方程：2/2222TJN mJTtSrJsTtsSrtTJN mJTSr （）其中：总转动惯量，步进速率变化，步；容许加速时间， ；步进分辨率（步/r）。2、无加、减速控制时，步进电机可能的最大滞后为2步，滞后时间因此，无加、减速控制的惯性转矩方程为：（）什么情况下步进电动机会发生丢步？什么情况下步进电动机会发生丢步？（1 1）启动力矩

26、小于负载力矩和摩擦力矩之和；）启动力矩小于负载力矩和摩擦力矩之和；（2 2）如果脉冲频率高于步进电动机空载正常启动频率，）如果脉冲频率高于步进电动机空载正常启动频率，步进电动机可能发生丢步或堵转；步进电动机可能发生丢步或堵转；（3 3）低频共振区；）低频共振区；（4 4）高频振荡区；）高频振荡区； 4.3 4.3 驱动电路驱动电路 对步进电机驱动电路有如下要求：对步进电机驱动电路有如下要求： 1 1、能够提供快速上升和快速下降的电流，使、能够提供快速上升和快速下降的电流，使 电流波形尽量接近矩形；电流波形尽量接近矩形； 2 2、具有供截止期间释放电流的回路，以降低、具有供截止期间释放电流的回路，以降低 相绕组两端的反电动势