步进电动机传动控制系统

步进电动机传动控制系统第1页，课件共27页，创作于2023年2月

步进电动机又称电脉冲马达，是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。其特点是电动机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。转子的角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及其频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步。只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电动机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向，很容易用微机实现数字控制。第2页，课件共27页，创作于2023年2月按其结构和工作原理，步进电动机可分为反应式（磁阻式）、电磁式永磁式这几种结构在性能上各有特点，但基本工作原理是一样的。第3页，课件共27页，创作于2023年2月1.步距角（步距）

——当输入一个电脉冲时所转过的一个固定角度。2.位移量与输入脉冲数严格成比例（无误差积累）。与有关3.各种运行特性由下列条件决定：

l输入脉冲数；

l脉冲频率；

l电动机各相绕组的接通次序。4.步进电动机的缺点是不能达到很高的转速。存在低频振荡、失步和高频失步等缺陷。

另外，步进电机自身的噪声和振动较大。第4页，课件共27页，创作于2023年2月11.1.1结构与工作原理1.结构特点1)

定子——由硅钢片叠成，装上一定相数的控制绕组，由环形分配器送来电脉冲，对多相定子绕组轮流励磁。2)

转子——用硅钢片叠成或软磁性材料做成的凸极结构。

反应式步进电动机（转子本身无励磁绕组）永磁式步进电动机（用永久磁铁做转子）混合式步进电动机第5页，课件共27页，创作于2023年2月三相反应式步进电动机结构

反应式步进电动机结构原理图第6页，课件共27页，创作于2023年2月转子位置如图（a），转子齿偏离定子齿一个角度。给定子绕组通电时，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。2.工作原理由此可见：错齿是促使步进电机旋转的根本原因。第7页，课件共27页，创作于2023年2月a)

A相通电，B、C相不通电，转子齿1、3与A相定子齿对齐，转子齿2、4与B、C相在不同方向上错开30º（此时转矩为0，转子自锁）。（a）A相通电（b）B相通电（c）C相通电三相步进电动机按顺序A-B-C依次通电

b)

A相断电，B相通电，转子齿2、4与B相定子齿对齐，顺时针旋转30º。c)

B相断电，C相通电，同理转子顺时针旋转30º。第8页，课件共27页，创作于2023年2月d)

通电顺序为A—B—C—A时，转子顺时针旋转。如改为A—C—B—A时，转子反向（逆时针）转动。e)

电流换接三次，磁场转一周，转子前进一个齿距角（90º＝）。（a）A相通电（b）B相通电（c）C相通电三相步进电动机按顺序A-B-C依次通电

按A-B-C依次通电称为单三拍运行方式第9页，课件共27页，创作于2023年2月单三拍运行方式（a）A相通电（b）B相通电（c）C相通电第10页，课件共27页，创作于2023年2月双三拍运行AB-BC-CA第11页，课件共27页，创作于2023年2月单双六拍运行A相通电

AB相通电

B相通电

BC相通电A—AB—B—BC—C—CA—A第12页，课件共27页，创作于2023年2月11.1.2通电方式按A—B—C—A方式通电，称为三相单三拍运行（）。按AB—BC—CA—AB方式通电，称为三相双三拍运行（）。按A—AB—B—BC—C—CA—A方式通电，称为三相六拍运行（）。转速取决于控制绕组通电频率，也取决于绕组通电方式。“单”—每次只有一相绕组通电；“双”—每次有两相绕组通电；“拍”—通电次数。第13页，课件共27页，创作于2023年2月由此可见，转子齿数Z↑（或定子相数m↑，或运行拍数Km↑），则，控制越精确。齿距角

（Z—转子齿数）步距角K—状态系数，三拍，K=1；六拍，K＝2m—定子相数，Km运行拍数例如：Z＝40，三相单三拍运行，则转速各种运行特性由下列条件决定：输入脉冲数；脉冲频率；各相绕组的接通次序及通电方式。第14页，课件共27页，创作于2023年2月综上所述，步进电动机工作时的步数或转速既不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件（温度、压力、冲击和振动等）变化的影响，只与控制脉冲同步。能按照控制的要求进行启动、停止、反转和改变速度。因此被广泛地应用于各种数字控制系统中。第15页，课件共27页，创作于2023年2月第16页，课件共27页，创作于2023年2月11.2环形分配器11.2.1驱动系统第17页，课件共27页，创作于2023年2月控制脉冲按规定的通电方式分配到每相绕组。实现脉冲分配的硬件逻辑电路，称为环形分配。可采用软件实现脉冲分配，这种方式称为软件环分（如：计算机数字控制系统）。分配器输出的脉冲需进行功率放大，才能驱动步进电动机。第18页，课件共27页，创作于2023年2月若步进电机按三相单三拍方式运行，则脉冲分配器输出的A、B、C如下图所示。第19页，课件共27页，创作于2023年2月11.2.2环形分配器1.硬件环形分配器需根据步进电动机的相数和步进电机绕组的通电方式设计,如图所示是一个三相六拍的环形分配器。第20页，课件共27页，创作于2023年2月2.软件环分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。现以MCS-51系列单片机8031为例加以说明。若要实现三相六拍方式的脉冲分配，需要三根输出口线，本例中选P1口的P1.0、P1.1、P1.2位作为脉冲分配的输出。如图所示。根据8031单片机的基本原理，对P1.0、P1.1、P1.2位编程使其按下表规定改变输出状态就实现了三相六拍分配任务。第21页，课件共27页，创作于2023年2月表中P1.3~P1.7位在此例中不相干，可任意设为1或0。若设定为0，则向端口P1输送的内容依次为：01H、03H、02H、06H、04H、05H。编写程序时，设计一个正转子程序和一个反转子程序供主程序调用。正转子程序按顺序取表中的内容输出到P1端口，而反转子程序按逆序取表中的内容输出到P1端口。主程序调用子程序的时间间隔（可用软件延时或中断的方法实现）决定了输出脉冲的频率，从而决定步进电机转速。第22页，课件共27页，创作于2023年2月11.3驱动电路

驱动电路——一种脉冲放大电路，使脉冲具有一定的功率驱动能力。

要求：①提高步进电动机的快速性；②提高步进电动机的平稳性。单电压驱动单电压串电阻驱动双电压驱动高低压驱动斩波恒流驱动H桥驱动多相桥驱动升频升压驱动集成模块式驱动器细分驱动第23页，课件共27页，创作于2023年2月11.3.1单电压限流型驱动电路1、VT（晶体管）——无触点开关，使流过L的波形接近矩形波。2、L（电动机绕组）——L中电流不能突变，经3（时间常数）时间后达到稳态电流（L—绕组电感，r—绕组电阻）。，严重影响启动频率。3、R（串联电阻）——，缩短上升的过渡时间，提高工作速度。第24页，课件共27页，创作于2023年2月4、C（并联电容或加速电容）——C上的电压不能突变，在截止到导通的瞬间，电源电压全落在绕组上，。5、V(二极管)——VT截止时起续流和保护作用，以防绕组产生的反电势