机电传动控制：E第3章步进电机传动控制

1、第三章 步进电动机传动控制步进电动机传动控制特点:(1)总位移量取决于总脉冲数； (2)转子运动的速度取决于脉冲信号的频率； (3)转子转动的方向取决于脉冲信号的顺序。机理：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。每来一个电脉冲，电机转动 一个角度，带动机械移动一小段距离。步进电动机传动控制种类： 分为励磁式和反应式两种。 区别：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。应用： 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。 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。步进电动机传动控制脉冲分配器功放电路三相

2、步进电机负载放大器电源分配器电源功放电路功放电路功率放大器步进脉冲方向信号ABC步进电动机驱动系统框图 步进电动机的结构 步进机主要由两部分构成：定子和转子。定子由硅钢片叠成，装上一定相数的控制绕组；转子用硅钢片叠成或软磁性材料做成凸极结构。定子转子定子绕组三相反应式步进电动机的结构简图步进电动机的结构 定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。 注意：这里的相和三相交流电中的“相”的概念不同。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。U1V1定子转子IUIVIWU2V2W2W1三相反应式步进电动机步进电动机的工作原理 给U相绕组通电时，转子位置如图（a），转子齿偏离

3、定子齿一个角度。由于励磁磁通力图沿磁阻最小路径通过，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转动，当转子转到与定子齿对齐位置时(图b)，因转子只受径向力而无切线力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。由此可见：错齿是助使步进电机旋转的根本原因。（a）（b）三相绕组中的通电顺序为：U相 V 相 W 相U相通电，U 方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁化，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。U 相通电使转子1、3齿和 U相对齐。W1V1V2W2U13412U2通电方式单相轮流通电方式U13412同理，V相通电

4、，转子2、4齿和V相轴线对齐，相对U相通电位置转30；W相通电再转30。1W2342W1U2V1V2U1W2V2V1W1U2W1V1V2W2U12341U2U 相通电使转子2、4齿和 U相对齐。U相 V 相 W 相 U 相W1V1V2W2U13412U2U相 V 相U12341W2V2V1W1U2U相 V 相 W 相 U 相 V 相 4W2231W1U2V1V2U1U相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相W1V1V2W2U11234U2U相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相4W2231W1U2V1V2U1U相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相 V 相 3W212

5、4W1U2V1V2U1U相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相W1V1V2W2U14123U2U相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相U14123W2V2V1W1U2U相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相 V 相 2W2413W1U2V1V2U1U相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相U相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相W1V1V2W2U13412U2步进电动机以一种通电状态换到

6、另一种通电状态就叫做一”拍”。 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，所以称三相单三拍。三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过 30。此角称为步距角。（2）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。通电方式三相单双六拍三相绕组的通电顺序为： UUVVVWWWUU 共六拍。工作过程：U相通电，转子1、3齿和U相对齐。W1V1V2W2U13412U2所以转子转到两磁拉力平衡的位置上(UV两定子磁极对称的中心)。相对U1U2 通电，转子转了15。（1）V1V2 磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针方向转动。 （ 2）

7、U1U2 磁场继续对1、3齿有拉力。U、V相同时通电W1U2V1V2W2U13412W1V1V2W2U13412U2U相通电总之，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15。W1U2V1V2W2U13412V相通电，转子2、4齿和V相对齐，又转了15。通电方式三相双三拍三相绕组的通电顺序为： UV VW WU UV 共三拍。UV通电W1U2V1V2W2U13412VW通电W1U2V1V2W2U13412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。工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转30，即 步距角 = 30。WU通电通电方式三相双

8、三拍W1U2V1V2W2U13412小步距角的步进电动机 定子上有三对磁极，分别绕有三相绕组，当U相的定子齿与转子对齐时，V相的定子齿与转子齿顺时针方向错开1/3齿距，而W相磁极下定子与转子齿顺时针方向错开2/3齿距。 当定子各相绕组轮流通电一次，转子就转过一个齿距。 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。定子上有m相，齿距为，当某一相磁极下定子与转子的齿对齐时，下一相磁极下定子齿与转子齿顺时针方向错开 /m，而再下一相磁极下定子与转子齿顺时针方向错开2 /3。 （1）U相通电时，定子U 相的五个小齿和转子对齐。此时，V 相和 U 相空间差120，含120/9 = 个

9、齿。 U 相和 W 相差240，含240/ 9 = 个齿。所以， U相定子的五个小齿与转子对齐时， V 相、W 相不能对齐， V相的转子、假设转子齿数在z40，则转子的齿距等于360/ 40=9 ，齿宽、齿槽各4.5 。小步距角的步进电动机 工作原理：假设是单三拍通电工作方式。定子相差 1/3个齿（3）， W相的转子、定子相差2/3个齿（6）。若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，转子只转 1.5 。步进电动机的转动方向仍由通电顺序决定。（3）V 相断电、W 相通电后，转子只需转过1/3个齿（3），使 W 相定子与转子对齐。（2）U 相断电、V 相通电后，转子只需转过1/3个齿（3），使

10、V 相定子与转子对齐。小步距角的步进电动机 f：电脉冲的频率 步进电机的转速(r/min) 步进机通过一个电脉冲,转子转过的角度,称为步距角 。K：状态系数，相邻两次通电相数一致时，K1，如单、双三拍；反之K 2，如三相六拍；z：转子齿数。如：z=40 , 三相单三拍或三相双三拍 时如：z=40 , 三相六拍 时小步距角的步进电动机 步进电机的分类1. 按工作原理分类激磁式（电磁式） 步进电动机的定子和转子均有绕组，靠电磁力矩使转子转动。反应式（磁阻式） 转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使转子转动。永磁式 转子和定子的某一方具有永久磁钢，另一方由软磁材料制成。绕组轮流通电，建立的磁场与

11、永久磁钢的恒定磁场相互作用产生转矩。混合式（永磁感应式） 从定子或转子的导磁体来看，它如反应式，与反应式的主要区别是转子上置有磁钢，输入能量全靠定子励磁电流供给，静电电流比永磁式大许多；从它的磁路内含有永久磁钢这点看，又可以说它是永磁式，但因其结构的不同，使其作用原理以及性能方面，都与永磁式步进电动机有明显的区别，它好像是反应式和永磁式的结合。步进电机的分类2. 按输出转矩的大小分类快速步进电动机 电动机的输出转矩一般为0.074Nm，可以控制小型精密机床的工作台，例如线切割机床。功率步进电动机 电动机的输出转矩一般为540Nm，可直接驱动机床的移动部件。 此外，按励磁相数可分为三相、四相、五

12、相、六相、等等。相数越多，步距角越小，但结构越复杂。 按运动方式分为旋转运动、直线运动、平面运动等。 按定子排列还可分为径向式（单段式）和轴向式（多段式），轴向式的转动惯量小，快速性和稳定性好，功率步进电动机多为轴向式，步进电机的分类步进电动机的型号反应式步进电动机（如150BF003） 混合式步进电动机（如42BYG008）永磁式步进电动机3.2.1 步进电机的驱动方式脉冲分配器功放电路三相步进电机负载放大器电源分配器电源功放电路功放电路功率放大器步进脉冲方向信号ABC步进电动机驱动系统框图1. 脉冲分配器 当方向电平为低时，脉冲分配器的输出按A-B-C的顺序循环产生脉冲。 当方向电平为高时

13、，脉冲分配器的输出按A-C-B的顺序循环产生脉冲。 2.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电，使电动机的转子产生输出转矩。3.2.2 步进电机的环形分配器 硬件环形分配器：硬件环形分配器由门电路和双稳态触发器组成的逻辑电路构成。有较好的响应速度，且具有直观、维护方便等优点。 （1）集成脉冲分配器（2）EPROM在环形分配器中的应用 软件环分：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。 集成脉冲分配器R,R*R是双三拍的复位端，R*是六拍的复位端 J3r、J3L两端子是三相双三拍的控制端，J6r、J6L是三相六拍的控制端，三相双三拍工作时，若

14、J3r“1”，而J3L“0”，则电机正转；若J3r“0”，J3L“1”，则电机反转；三相六拍供电时，若J6r“1”，J6L“0”，则电机正转；若J6r“0”，J6L“1”，电机反转。CL端是时钟脉冲输入端，EN是时钟脉冲允许端，用以控制时钟脉冲的允许与否。当脉冲CP由CL端输入，只有EN端为高电平时，时钟脉冲的上升沿才起作用。CH250也允许以EN端作脉冲CP的输入端，此时，只有CL为低电平时，时钟脉冲的下降沿才起作用。EPEOM在环形分配器中的应用 结合驱动电源线路按步进电机励磁状态转换表求出所需的环形分配器输出状态表，以二进制码的形式依次存入EPROM中，在线路中只要按照地址的正向或反向顺

15、序依次取出地址的内容，则EPROM的输出端即依次表示各励磁状态。软件环分2. 软件环形分配器设置输出接口 设输出口的A0接U相；A1接V相；A2接W相。设计环形分配子程序 在存储器中建立环形分配表。设计延时子程序 主程序每调用一次环形分配子程序，就按顺序改变一次步进电动机通电状态，而后调用延时子程序控制通断节拍，从而改变步进频率。I/O接口图软件环分表3.6 环形分配表存储元件地址 单元内容 对应通电相K0K1K2K3K4K501H（0001）03H（0011）02H（0010）06H（0110）04H（0100）05H（0101）UUVVVWWWU存储器各单元中存放对应绕组通电的顺序数值。当

16、运行程序时，依次将环形分配表中的数据，也就是对应存储器单元的内容送到A口，使依次送出脉冲信号，从而使电动机绕组轮流通电。3.3 步进电动机的驱动电路 步进电动机的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。 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。 核心：如何提高步进电机的快速性和平稳性 单电压限流型驱动电路双电压驱动电路斩波驱动电路升频升压驱动电路细分驱动电路3.3.1单电压限流型驱动电路L是电动机绕组电感VT开关晶体管 电阻Rc两端并联电容C，使电流上升更快，所以，电容C又称为加速电容。 二极管V在晶体管VT截止时

17、起续流和保护作用，串联电阻使电流下降更快，从而使绕组电流波形后沿变陡。VT的理想工作状态：使流过绕组的波形尽可能接近矩形波。绕组电阻单电压驱动缺点是外接电阻Rc上有功耗，随着阻值的增加，电源电压势必提高，功率消耗也进一步加大。应用在小功率步进电动机的简单应用中。3.3.2.高低压切换型(双电压)驱动电路 高低压驱动线路的特点是：电动机绕组主电路中采用高压和低压两种电压供电。一般高压为低压的数倍。思路：不论电机的工作频率如何，在导通相的前沿用高电压供电来提高电流的前沿上升率，而在前沿通过后，用低压来维持绕组的电流。3.3.2.高低压切换型(双电压)驱动电路 高低压驱动加大了绕组电流的注入量，以提

18、高其功率，适用于大功率合高频工作的步进电机；但由于高压的冲击作用在低频时也存在，使低频输入能量过大而造成低频振荡加剧，同时高低压衔接处的电流波动呈凹形，使步进电动机输出转距下降；此外大功率管的数量要多用一倍，增加了驱动电源。一般电压Ub1由脉冲分配器经几级电流放大获得；电压Ub2由单稳定时或定流装置再经脉冲变压器获得。3.3.5.细分驱动电路什么叫细分？ 为了提高步进电动机的精度，现在的步进驱动器都有细分的功能。所谓细分，就是通过驱动器中电路的方法把步距角减小。 比如把步进驱动器设置成5细分，假设原来步距角为1.8度，那么设成5细分后，步距角就是0.36度，也就是说原来一步可以走完的，设置细分

19、后需要走5步。3.3.5.细分驱动电路细分的主要作用 有一种认为：细分是为了提高精度，其实不然，细分主要是改善电机的运行性能，现说明如下： 步进电机的细分控制是由驱动器精确控制步时电机的相电流来实现的，以二相电机为例，假如电机的额定相电流为3A，如果使用常规驱动器（如常用的恒流斩波方式）驱动该电机，电机每运行一步，其绕组内的电流将从0突变为3A或从3A突变到0，相电流的巨大变化，必然会引起电机运行的振动和噪音，如果使用细分驱动器，在10细分的状态下驱动该电机，电机每运行一微步，其绕组内的电流变化只有0.3A，而不是3A，且电流是以正弦曲线规律变化，这样就大大地改善了电机的振动和噪音，因此，在性

20、能上的优点才是细分的真正优点。由于细分驱动器要精确控制电机的相电流，所以对驱动器要有相当高的技术要求和工艺要求，成本亦会较高。3.3.5.细分驱动电路如果每次通电时电流的数值不是一次升到位，而是分成阶级，逐个阶级地上升；同样断电时电流也不是一次降到0，而是逐个阶级地下降。那么会发生什么现象？电磁力的大小与绕组的通电电流的大小有关系。当通电相的电流并不马上升到位，断电相的电流并不立即降为0，它们所产生的磁场合力，会使转子有一个新的平衡位置。也就是说，如果绕组中电流的波形不在是一个近似方波，而是一个分成N个阶级的近似阶梯波，则电流每升或降一个阶级时，转子转动一小步，当转子按照这样的规律转过N小步时

21、，实际上相当于它转过一个步距角。3.3.5.细分驱动电路3.3.5.细分驱动电路细分驱动特点不改变电动机结构参数情况下，减小步距角，但细分后齿矩角精度不高，且驱动电源的结构也相应复杂使步进电动机运行平稳，提高均匀性，并能减弱或消除振荡实现阶梯波供电的方法先放大后叠加。将通过细分环形分配器所形成的各个等幅等宽的脉冲，分别进行放大，然后在电动机绕组中叠加成阶梯波。先叠加后放大。利用运算放大器来叠加，或采用公共负载的方法，把方波合成变成阶梯波，然后对阶梯波进行放大再去驱动步进电动机。3.3.5.细分驱动电路b)先叠加后放大。a) 先放大后叠加3.4.1 步进电动机的运行特性矩角特性单步运行特性连续脉

22、冲运行特性加减速特性脉冲信号频率对步进电动机运行的影响转子机械惯性对步进电动机运行的影响步进运行和低频振荡偏转角，转子齿偏离初始平衡位置的角度矩角特性矩角特性反映了步进电动机电磁转距T随偏转角的关系就是矩角特性曲线。步进电动机的负载转距必须小于最大静转距，否则，根本带不动负载。为了维持稳定运行，负载转距一般只能是最大转距的3050。矩角特性反映了步进电动机带负载的能力。当定子每相绕组通电循环一周时，其电角度 ，对应转子在空间转过一个齿矩角，即其空间角 齿矩角 ，则有脉冲信号频率对步进电动机运行的影响a)b)c)a) 脉冲信号频率低时，接近理想的矩形波b) 脉冲信号频率增加，电流波形发生畸变；转

23、矩下降，起动转矩下降，可能起不来；c) 脉冲信号频率很高，电流来不及上升到稳态值就开始下降，因而产生的转矩减小致使带负载能力下降。频率过高会使步进电动机起动不了或运行时因失步而停机。转子机械惯性对步进电动机运行的影响当步进电动机从静止到起步，由于转子部分的机械惯性的作用，转子一下子转不起来，因此要落后于它应转过的角度，如果落后不太大，还会跟上来，如果落后太多，或者脉冲频率过高，电动机会起动不起来。即使电动机在运转，也不是每一步都迅速地停留在相当的位置，而是受机械惯性的作用，要经过几次振荡才停下来；如果这种情况严重，就可能引起失步。采用阻尼方法，消除步进电动机的振荡。电动机运行中存在振荡，有一个

24、固定频率 ，若输入脉冲频率时，就要产生共振，使步进电动机振荡不前。3.4.2 步进电动机的主要性能指标步距角精度转矩响应频率运行频率起动矩频特性起动惯频特性运行矩频特性3.4.2 步进电动机的主要性能指标步距角 步距角的大小直接影响步进电动机的起动和运行频率。i 为传动比；为负载轴要求的最小位移增量。或称脉冲当量，即每一个脉冲所对应的负载轴的位移增量。3.4.2 步进电动机的主要性能指标精度 步距误差最大值：电动机旋转一转内相邻两步之间最大步距和理想步距角的差值，用理想步距的百分数表示。 步距累积误差最大值：任意位置开始经过任意步之后，角位移误差的最 大值。对于所选用的步进电动机，其步距精度为

25、：为负载轴上所允许的角度误差。3.4.2 步进电动机的主要性能指标转距保持转矩，指绕组不通电时电磁转矩的最大值或转角不超过一定值时的转矩值。反应式步进电动机的保持转矩为零，而永磁式步进电动机具有一定的保持转矩。动转矩，转子转动情况下最大输出转矩值，与运行频率有关。静转矩，指不改变绕组通电状态，即转子不转情况下的电磁转矩。负载转矩 与最大静转矩的关系为为保证步进电动机在系统中正常工作为步进电动机最大静转矩。为步进电动机起动转矩。为步进电动机最大静负载转矩值。3.4.2 步进电动机的主要性能指标突跳频率 响应频率指使步进电动机可以任意运行而不丢步的最大频率。通常用起动频率 来作为衡量的指标，它是能

26、不丢步起动的极限频率，有时也叫突跳频率或牵入频率。运行频率 运行频率指频率连续上升时，电动机能不失步运行的极限频率。起动矩频特性 给定驱动条件下，负载惯量一定时，起动频率与负载转矩之间的关系。3.4.2 步进电动机的主要性能指标起动（牵入）惯频特性 负载力矩一定时，起动频率与负载惯量之间的关系。运行矩频特性 负载惯量不变时，运行频率与负载转矩之间的关系。3.4.3 步进电动机的特点1、电动机输出轴的角位移与输入脉冲数成正比；转速与脉冲频率成正比；转向与通电相序有关。当它转一周后，没有累积误差，具有良好的跟随性。2、无刷，由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价、又非常可靠。同

27、时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。3、步进电动机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。4、步进电动机存在振荡和失步现象，必须对控制系统的机械负载采取相应的措施。5、步进电动机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。6、不能直接使用普通的交真流电源驱动。7、控制输入脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序，可得到各种需要的运行特性。3.4.3 步进电动机的特点1、电动机输出轴的角位移与输入脉冲数成正比；转速与脉冲频率成正比；转向与通电相序有关。当它转一周后，没有累积误差，具有良好的跟随性。2、无刷，由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价、又非常可靠。同时

28、，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。3、步进电动机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。4、步进电动机存在振荡和失步现象，必须对控制系统的机械负载采取相应的措施。5、步进电动机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。6、不能直接使用普通的交真流电源驱动。7、控制输入脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序，可得到各种需要的运行特性。3.4.3 步进电动机的特点振荡： 步进电动机的振荡现象主要发生于：步时电动机工作在低频区；步进电动机工作在共振区；步进电动机突然停车时。 当步进电动机工作在高频区时，由于换相周期短，转子来不及反冲，同时绕组中的电流尚未上升到稳定值，转子没有获得足

29、够的能量，所以在这个区中不会产生振荡，减小步距角可以减小振荡幅值，以达到削弱振荡的目的。步进电动机的振荡、失步及解决方法3.4.3 步进电动机的特点失步： 步进电动机的失步原因有两种。 第一种（丢步）是转子的转速慢于旋转磁场的速度，或者说慢于换相速度。例如。步进电动机在启动时，如果脉冲的频率较高，由于电动机来不及获得足够的能量，使其无法令转子跟上旋转磁场的速度，所以引起失步，因此步时电动机有一个启动频率，超过启动频率启动时，肯定会产生失步。注意，启动频率不是一个固定值，提高电动机的转矩，减小电动机转动惯量，减小步距角都可以提高步进电动机的启动频率。 第二种（越步）是转子的平均速度大于旋转磁场的

30、速度，这主要发生在制动和突然换相时，转子获得过多的能量，产生严重的过冲，引起失步。步进电动机的振荡、失步及解决方法3.4.3 步进电动机的特点解决方法：阻尼方法 消除振荡是通过增加阻尼的方法来实现的，主要有机械阻尼法和电子阻尼法两大类。 机械阻尼法比较单一，就是在电动机轴上加阻尼器；电子阻尼法有多种，主要有：多相励磁法，变频变压法，细分步法，反相阻尼法等。步进电动机的振荡、失步及解决方法3.5 步进电动机的控制 步进电动机的工作过程一般由控制器控制，控制器按照设计者的要求完成一定的控制过程，使驱动电源按照要求的规律驱动电动机运行。简单的控制过程可以用各种逻辑电路来实现，但其缺点是线路复杂，控制方案改变困难；各种单片机的迅猛发展和普及应用，为设计功能很强而价格低廉的步进电动机控制器提供了先进的技术。步进电动机的开环控制速度控制加减速控制步进电动机的闭环控制3.5 .1 步进电动机的开环控制通过硬件实现脉冲分配硬件实现脉冲分配3.5 .1 步进电动机的开环控制通过软件实现脉冲分配通过软件实现脉冲分配接口图3.5 .1 步进电动机的开环控制速度控制 控制系统发出脉