第6章 步进电动机及其驱动

第六章

步进电动机及其控制

1步进电动机（SteppingMotor，或StepMotor、StepperMotor）是一种可由电脉冲控制运动的特殊电动机，可以通过脉冲信号转换控制的方法将脉冲电信号变换成相应的角位移或线位移。因此步进电动机也被称为脉冲电动机（PulseMotor）。步进电动机不能直接使用通常的直流或交流电源来驱动，而是需要使用专门的步进电动机驱动器。在工业生产中被应用于数控机床、打印机、绘图仪、机器人控制等，6.1步进电动机概述2一些使用步进电动机的机器、设备。

机器人打印机步进电动机及其控制器数控机床数控机床34通过一定的控制方式，可以使步进电动机运动时的角位移或线位移与脉冲数成正比，即其转速或线速度与输入控制脉冲的频率成正比。在步进电动机所能承受的负载能力范围内，这种关系不会因电源电压、负载大小以及环境条件的波动而变化，因而在系统中可以采用开环的方式进行运动控制，从而使控制系统大为简化。通常步进电动机可以在较宽的范围内通过改变输入控制脉冲的频率来实现调速，并能够做到快速起动、反转和制动。由于它能直接利用脉冲数字信号进行控制并将其转换成角位移，因而很适合于采用计算机来进行数字式控制的场合。5交流电机转动时，定子绕组通电产生旋转磁场，而转子由于形成切割磁力线的等效作用在其内部产生感应电流，与定子绕组产生的旋转磁场相互作用形成运动所需的电磁力，从而产生转子的转动。为了产生运动所需的一定强度的感应电流，交流电动机在原理上就会要求旋转磁场在转速上有一定限制。同步电机由定子线圈通过电流产生的旋转磁场吸引转子形成转动所需的作用力，磁场的旋转带动转子的运动。在这一过程中需要在转子内部产生感应电流及其产生的相应的磁场。所有电动机运动所需的力都源于电磁力。与交流电动机运动不同的是，步进电动机运动时的所需的电磁力是由定子绕组因通电产生的磁场（恒定非旋转），对由磁性材料按照一定形状做成的转子磁极的吸引力形成的。定子各相绕组一相一相通电，转子就受磁吸力一步一步运动。6步进电动机的运动是受走步脉冲信号控制的，因此适合于作为数字控制系统的伺服元件。它的直线位移量或角位移量与电脉冲数成正比，所以电机的线速度或转速与脉冲频率成正比。通过改变脉冲频率的高低，就可以在很大的范围内调节电机的转速，并能实现快速启动、制动和反转。当在设计条件下工作时，步进电动机的步距角和转速的大小不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件如清晰度、气压、冲击和振动等影响，它仅与电脉冲频率有关，每转一周都有固定的步数。步进电动机在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。这些优点使它完全适用于数字控制的开环系统中作为伺服元件，并使整个系统大为简化而又运行可靠。7步进电机的一些基本参数电机固有步距角步进电机的相数保持转矩81)按转矩产生的原理分为a.反应式步进电动机。b.激磁式步进电动机。这类步进电动机又分为电磁式与永磁式；c.混合式步进电动机。同时混合使用前两种方式。2)按输出转矩的大小分为a．功率步进电动机(动力式)，转矩一般在1公斤·米以上，可直接用来拖动执行元件；b．伺服式步进电动机(指示式)，转矩在几百克·厘米以下，多用于控制系统中。3)按磁场方向分为a．横向磁场式步进电动机；b．纵向磁场式步进电动机。94)按定转子数目分为a.单定子式步进电动机；b.双定子及多定子式步进电动机。5)按定转子相对位置可分为a.内定子外转子式步进电动机；b.外定子内转子式步进电动机；c.十双定子式(内外定子)步进电动机。另外也还可按绕组形式(集中、分布)，转向（可逆转、不可逆转)、相数〔单相、两相、三相及多相)等方法分类。在本章中，将按产生转矩的原理来进行分类及分别叙述。106.2

步进电动机的工作原理步进电动机按产生转距的方式不同可分为反应式、激磁式及混合式三种。反应式步进电动机的定转子都是凸极结构，是利用磁阻最小原理工作。反应式步进电动机转子齿数可以很多，因此步距角可以做得很小，即使没有减速装置，也可以低速、高精度地实现位置控制。激磁式步进电动机的激磁可以是永磁式或电磁激磁式，通常是永磁式激磁。激磁式步进电动机转子由于具有磁场，驱动转矩较大，但由于制造工艺的缘故，转子磁极数目不能做的太多，因此步距角比较大。混合式步进电动机兼有反应式步进电动机和永磁式步进电动机的优点，可以做到步距角小而驱动转矩又大。11（a）对齿（b）错齿126.2.1

通电方式分析

图

6.6

三相步进电动机的原理及其绕组的通电顺序（a）三相步进电动机的原理

（b）三相步进电动机绕组等效电路图131.三相单三拍通电14

(a)(b)图6-8三相双三拍运行方式(a)AB相通电；(b)BC相通电2.三相双三拍通电153.三相六拍通电166.2.2

小步距角步进电动机

17图6.11定子齿对转子齿的作用力a、对齐b、错开c、在两齿间186.2.3

步进电动机的基本特点

1.分配方式步进电动机每相绕组不是恒定地通电，而是脉冲式通电，是由专用电源供给电脉冲。步进电动机这种不同的轮流通电方式称为“分配方式”，每循环一次所包含的通电状态数称为“状态数”或“拍数”。状态数（拍数）等于相数称为单拍制（如三相单三拍，三相双三拍、四相双四拍等），状态数（拍数）等于相数的两倍称为双拍制（如三相六拍，四相八拍等）。192.齿距角和步距角20213.步进电动机的转速22234.步进电动机自锁能力246.4

步进电动机的驱动控制脉冲分配器功放电路三相步进电机负载功率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脉冲分配器+功率放大电路256.4.1.

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，脉冲分配器的输出按A-C-B的顺序循环产生脉冲。

26步进电动机的脉冲分配器可由硬件或软件方法来实现。

硬件环形分配器：由计数器等数字电路组成的。有较好的响应速度，且具有直观、维护方便等优点。

软件环分：由计算机接口电路和相应的软件组成的。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。

1.硬件环形分配器

27序号控制信号状态输出状态导电绕组CAJCBJCCJQAQBQC0110100A1010110AB2011010B3001011BC4101001C5100101CA6110100A28

2．软件环形分配软件环分的方法是利用计算机程序来设定硬件接口的位状态，从而产生一定的脉冲分配输出。

1)输出接口

8031单片机本身包含4个8位I/O端口，分别为P0、P1、P2、P3。

输出接口是将计算机的输出端与步进电动机的每相绕组一一对应起来。29

2)输出模型如果三相步进电动机按单、双拍通电方式工作，即:正转：A-AB-B-BC-C-CA反转：A-AC-C-CB-B-BC

根据8031单片机的基本原理，对P1.0、P1.1、P1.2位编程使其按表规定改变输出状态就实现了三相六拍分配任务。P1.7通电相XXXXX001AXXXXX011ABXXXXX010BXXXXX110BCXXXXX100CXXXXX101CAP1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0P1.6306.4.2、步进电动机的功率放大电路

步进电动机的功率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。

1.单电压驱动电路

L－是电动机绕组VT－开关晶体管

电阻R(减少时间常数T=l/r)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。缺点是R上有功率消