步进电机基础知识

第3章步进电动机传动控制3.1步进电动机3.2步进电动机的环形分配器3.3步进电动机的驱动电路步进电动机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件。步进电动机的运动由一系列电脉冲控制，脉冲发生器所产生的电脉冲信号，通过环形分配器按一定的顺序加到电动机的各相绕组上。为了使电动机能够输出足够的功率，经过环形分配器产生的脉冲信号还需要进行功率放大。环形分配器、功率放大器以及其他辅助电路统称为步进电机的驱动电源。步进电动机、驱动电源和控制器构成步进电动机传动控制系统，如图3.1所示。步进电动机的优点：控制特性好；误差不长期积累；步距值不受各种干扰因素的影响。

步进电动机转子转动的速度取决于脉冲信号的频率，总位移量取决于总的脉冲数，它作为伺服电动机应用于控制系统时，可以使系统简化，工作可靠，而且可以获得较高的控制精度。步进电动机的应用：

步进电动机在机械、电子、纺织、轻工、化工、石油、邮电、冶金、文教和卫生等行业，特别是在数控机床上获得了越来越广泛的应用。

本章从实际应用的角度出发，介绍步进电动机的基本结构、工作原理、驱动方式、驱动电路、运行特性以及步进电动机控制等方面的内容。3.1步进电动机3.1.1步进电动机的结构与工作原理结构特点

步进电动机由定子和转子两大部分组成。三相反应式步进电动机的结构简图如图3.2所示，定子有六个磁极，每相对磁极构成一相控制绕组，转子上有均布的四个齿。2.工作原理（1）基本工作原理步进电动机的工作原理，其实就是电磁铁的工作原理，如图3.3所示。当U相通电，V、W相不通电，如图3.3a所示，1、3齿与U相对齐；当V相通电，U、W相不通电，如图3.3b所示，2、4齿与V相对齐；当W相通电，U、V相不通电，如图3.3c所示，1、3齿与W相对齐；由此可见，当通电顺序为U→V→W→U→V→…时，转子便顺时针方向一步一步地转动，通电状态每换接一次，转子前进一步，一步对应的角度称为步距角。电流换接三次，磁场旋转一周，转子前进一个齿距的位置，一个齿距所对应的角度称为齿距角（此例中齿距角为90度）当改变通电顺序时，将改变转子的转向。（2）通电方式单相轮流通电方式每次切换前后只有一相绕组通电。在这种通电方式下，电动机工作的稳定性较差，容易失步。上述例子即为单向轮流通电方式，称为三相单三拍通电（2）通电方式双相轮流通电方式每次有两相绕组通电，通电状态切换时，转子转动平稳，且输出力矩较大，这种通电方式定位精度高而且不易失步。以三相反应式电动机为例，双相轮流通电方式为：UV→VW→WU→UV→…

称为三相双三拍通电。（2）通电方式单双相轮流通电方式

上述两种通电方式的组合。即通电方式为：U→UV→V→VW→W→WU→U→…

称为三相六拍通电，如图3.4所示。三相六拍通电方式的步距角减小一倍。3.1.2小步距角步进电动机实际的小步距角电动机如图3.5所示。它的定子内圆和转子外圆上均有齿和槽，而且定子和转子的齿宽和齿距相等。若定子为三相绕组，当某一相磁极下定子与转子的齿相对时，下一相磁极下定子与转子齿的位置刚好错开1/3齿距，再下一相磁极下定子与转子的齿错开2/3齿距，依此类推。当定子各相绕组轮流通电一次，转子就转过一个齿距。3.1.3步进电动机的分类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）反应式步进电动机结构示意图反应式步进电动机多段环形线圈结构反应式步进电动机多段分布绕组结构反应式直线步进电动机永磁式步进电动机示意图永磁式步进电动机环形线圈结构混合式步进电动机结构示意图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0.07～4Nm，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5～40Nm，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，3.2.1步进电动机的驱动方式步进电动机是绕组按一定方式轮流通电工作的。为了实现这种轮流通电，需要将控制脉冲按规定的方式分配给步进电动机，实现这种脉冲分配功能的是环形分配器。环形分配器的输出信号还需进行功率放大才能驱动步进电动机。步进电动机驱动系统框图如图3.8所示。3.2步进电动机的环形分配器3.2.2步进电动机的环形分配器

环形分配器是根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加到放大器上，使各相绕组按一定的顺序和时间导通和断开，并根据指令使电动机正转或反转，实现确定的运行方式。环形分配器可以由硬件和软件两种方式实现。1.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。（1）集成脉冲分配器

CH250是专为三相反应式步进电动机设计的环形分配器。这种集成电路采用CMOS工艺，集成度高，可靠性好。它的管脚图及三相六拍工作时的接线图如图3.9所示。

CH250有A、B、C三个输出端，当输入端CL或EN加上时钟脉冲后，输出波形将符合三相反应式步进电动机的要求。若采用CL脉冲输入端时，是上升沿触发，同时EN为使能端，EN＝1时工作，EN＝0时禁止。反之，采用EN作时钟端，则下降沿触发，此时CL为使能端，CL＝0时工作，CL＝1时禁止。

R和R*分别为双三拍运行和六拍运行的复位端。当R加上正脉冲，ABC的状态为110，而R*加上正脉冲后，ABC的状态为100，以避免ABC出现000或111非法状态。2.软件环形分配器一般微机系统需要进行如下设置：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

设计延时子程序来控制步进频率。表3.6环形分配表存储元件地址

单元内容对应通电相K＋0K＋1K＋2K＋3K＋4K＋501H（0001）03H（0011）02H（0010）06H（0110）04H（0100）05H（0101）UUVVVWWWU3.3步进电动机的驱动电路3.3.1单电压限流型驱动电路步进电动机一相的驱动电路如图3.12所示。这种电路的特点是线路简单，成本低，低频时响应较好；缺点是效率低，尤其在高频工作的电动机效率更低。在实际中较少使用，只有在小功率步进电动机且在简单应用中才使用。3.3.2双电压驱动电路双电压驱动电路习惯上称为高低压切换电路，其最后一级如图3.13a所示。这种电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。适用于大功率和高频工作的步进电动机，优点是功耗小，起动力矩大，突跳频率和工作频率高，缺点是低频振荡加剧，波形呈凹形，输出转矩下降；大功率管的数量多用一倍，增加了驱动电源。3.3.3斩波驱动电路

斩波电路的出现是为了弥补双电压电路波形呈现凹形的缺陷，改善了输出转矩的下降，使励磁绕组中的电流维持在额定值附近，其电路图和输出波形图如图3.14所示。3.3.4升频升压驱动电路为了减小低频振动，应使低速时绕组电流上升的前沿较平缓，这样才能使转子在到达新的稳定平衡位置时不产生过冲，而在高速时则应使电流有较陡的前沿，以产生足够的绕组电流，才能提高步进电动机的带载能力。这就要求驱动电源低频时用较低的电压供电，高频时用较高的电压供电。升频升压驱动电路可以较好地满足这一要求。3.3.5细分驱动电路

如果要求步进电动机有更小的步距角，更高的分辨率(即脉冲当量)，或者为减小电动机振动、噪声等原因，可以在每次输入脉冲切换时，只改变相应绕组中额定的一部分，则电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分，转子的每步运行也只有步距角的一部分，绕组电流分成数个台阶，则转子就以同样的次数转过一个步距角，这种将一个步距角细分成若干步的驱动力法，称为细分驱动。细分驱动电路的特点：不改变电动机结构参数的情况下，能使步距角减小，但细分后的齿距角精度不高，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。目前实现细分阶梯波供电的方法有：先放大后叠加，如图3.16a所示。先叠加后放大，如图3.16b所示。3.4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，但线路复杂，控制方案难以改变。目前，主要采用单片机作为步进电动机的控制器进行控制，很好地克服了硬件逻辑线路控制器的缺点。3.4.1步进电动机的开环控制串行控制具有串行控制功能的单片机系统与步进电动机驱动电源之间具有较少的连线。这种系统中，驱动电源中必须含有环形分配器，其功能框图如图3.25所示并行控制用微机系统的数条端口线直接去控制步进电动机各相驱动电路的方法称为并行控制。在驱动电源内，不包含环形分配器，其功能必须由微机系统完成。系统实现脉冲分配器的功能又有两种方法：纯软件方法软、硬件相结方法

并行控制方案的功能框图如图3.26所示。步进电动机速度控制

控制步进电动机的运行速度，实际上就是控制系统发出脉冲的频率或者换相的周期。系统可以用两种方法确定脉冲的周期（频率）：软件延时定时器

软件延时的方法是通过调用延时子程序的方法实现的，它占用CPU时间。定时器方法是通过设置定时时