第六章步进电机

是一种把电能变换成机械能的典型促动器

。每当对步进电机施加一个电脉冲，步进电机输出轴就转过一个角度，称为一步。当连续供给电脉冲，步进电机就一步一步地连续转动，因此，命名为步进电机。

步进电机的位移量与输入的脉冲数量严格成正比，转速与脉冲频率成正比，转向与电机各相绕组的通电顺序有关。6.1步进电机工作原理

6.1.1

VR型步进电机工作原理图4.2是A相励磁时的稳定状态。如果从A相切换到B相通电，转子转过15º，即转过一个步距角为励磁相数为转子的齿数

6.1.1VR型步进电机工作原理转子是2极（极对数１）永久磁铁，定子上4组线圈连接成四相式：A→B→C→D，转子每次向顺时针方向旋转90º为极对数（极数/2）6.1.2PM型步进电机工作原理

6.1.2PM型步进电机工作原理定子磁场对转子的作用力分为∶与转子轴线垂直的与转子轴线平行的如果转子转动一圈产生的磁场力矩，用图描绘将是一条磁场力矩和转子位置的正弦曲线失调角电磁转矩稳定区域平衡点6.1.3转子位置与转矩的关系6.1.4电机的特点及分类特点可以实现数字控制位置误差不会积累，位移与输入的脉冲数量成正比，具有一定精度的开环系统可以采用开环控制具有一定的自锁功能6.1.4电机的特点及分类可以超低速度运行，而不用加减速器抗干扰能力强，即在负载能力范围内，转角和转速不受电压大小、负载波动的影响，也不受环境温度、冲击、振动的影响，仅与频率、脉冲数、步距角有关若用同一频率的脉冲电源控制几台步进电机，可以实现多个电机的同步思考题：步进电机的转速高低与负载大小的关系？6.1.4电机的特点及分类步距角是固定的，在步进分辨率方面缺乏灵活性在单步响应中，有较大的超调量和振荡过载能力较差，过载时易丢步输出功率较小，对于需要大电流的大功率电机，控制装置和功率放大器都变得复杂、笨重、不经济，所以步进电机的尺寸和功率都不大运动时发生共振，需要加入阻尼机构或其他补救措施6.1.4电机的特点及分类目前主要用于开环，闭环控制时所用元件和线路比较复杂不能把步进电机直接接到直流电源上，必须配有驱动电路，而驱动定路复杂、成本较高

总之，步进电机主要用于功率要求不大，负载波动范围不大，控制精度要求不是很高，尤其应该指出的是，对于负载较小的点位控制系统，可以优先选用。分类：HB,VR,PM6.1.4电机的特点及分类6.1.5步进电机的主要性能指标1）步距角：每给一个电脉冲信号，电机转子所转过的角度的理论值2）齿距角：相邻两齿中心线之间的夹角6.1.5步进电机的主要性能指标3）失调角：转子偏离平衡位置（或零位）的角度，等于定子磁轴与转子齿中心线之间的夹角

。4）矩角特性：电磁转矩和失调角的关系。通常，未磁饱和时反应式步进电机的转矩与相电流的平方呈正比，混合式步进电机的转矩与相电流呈线性比例关系。2/3额定电流1/3额定电流电磁转矩最大静转矩失调角稳定点图4.1一相绕组的矩角特性曲线6.1.5步进电机的主要性能指标5）最大静转矩：步进电机在规定的通电相数下，矩角特性曲线上的转矩最大值。6）额定电流：电动机静止时，每一相绕组允许通过的最大电流。7）额定电压：驱动电源应供给的电压，一般不等于加在绕组两端的电压。6.1.5步进电机的主要性能指标8）启动频率：步进电机不失步启动的最高频率，通常是指空载启动。9）运行频率：步进电机启动后，不失步所达到的最高频率，通常是指空载运行。10）启动矩频特性：在负载惯量一定情况下，启动频率随负载转矩变化的特性。6.1.5步进电机的主要性能指标11）运行矩频特性：在一定的负载力矩下，运行频率和负载转矩之间的关系。12）惯频特性：在负载力矩一定时，频率和负载惯量之间的关系。惯频特性分为启动惯频特性和运行惯频特性。如图所示。6.1.5步进电机的主要性能指标13）最大静态位置误差：当负载转矩作用在步进电机上，为了使转子保持平衡，此时转子所停留的位置与励磁所要求的位置存在一定的偏差，这就是负载转矩产生的静态位置误差6.1.5步进电机的主要性能指标思考题：三相反应式步进电机为A-B-C-A送电方式时，电机顺时针方向旋转，步距角1.5º，请填入正确答案：顺时针转，步距角0.75º，送电方式应为：()逆时针转，步距角0.75º，送电方式应为：()顺时针转，步距角1.5º，送电方式应为：()或()6.1.5步进电机的主要性能指标思考题：三相反应式步进电机,采用三相六拍工作方式，转子有40个齿，脉冲频率为600Hz,求写出一个循环的通电顺序求步距角求步进电机的转速rpm

6.1.5步进电机的主要性能指标1）静态矩角特性曲线：指不改变各项绕组的通电状态，即一相或几相绕组同时通以直流电流时，电磁转矩与失调角的关系。4）稳定区域：在负载作用下，转子在稳定区域内，撤除负载后，转子仍然能回到平衡点。2）失调角：在电机上加一顺时针方向的负载力矩，步进电机的转子按顺时针方向转过一个角度θ，并重新稳定，这是电磁转矩和负载转矩相等，顺时针方向转过的角度θ，叫失调角。3）电机产生的转矩是失调角的周期函数。是以转子齿距（齿距角）为周期重复。6.1.6步进电机的静态特性-------矩角特性曲线失调角电磁转矩稳定区域平衡点静态矩角特性曲线6.1.6步进电机的静态特性一、稳定平衡区和稳定平衡点假设转子齿数z，最大静转矩Timax，负载转矩TL，则静态位置误差θe减小静态位置误差的方法：选用不同电机即改变电机的转子的齿数z；不同的激励方法改变Timax使用减速装置连接负载和电机改变TL

二、最大静转矩对静态位置误差的影响6.1.6步进电机的静态特性激励方案的选择总之，除三相电机外，采用多相激励，可以提高最大丢步转矩，即可以减小静态位置误差。未磁饱和时，VR产生的转矩与相电流的平方成正比HB产生的转矩与相电流成线性比例6.1.6步进电机的静态特性三、机械传动机构对静态位置误差的影响

用丝杠把负载（螺母）连接到步进电机上：6.1.6步进电机的静态特性在负载要求的线性误差相同的情况下，螺距越小，电机应许的静态位置误差越大。螺距越小，加在电机上的负载力矩越小。6.1.6步进电机的静态特性即螺距越小，负载有效惯量减小了6.1.6步进电机的静态特性6.1.7步进电机的动态特性一、运行状态（空载）

通电顺序是A-B-C-A二、运行状态（有载）

通电顺序是A-B-C-A6.1.7步进电机的动态特性失调角电磁转矩稳定区域平衡点启动最大负载转矩三、忽略了惯性，启动时的最大负载转矩6.1.7步进电机的动态特性思考题：步距角小、最大静转矩大的步进电机，启动频率和运行频率高？负载转矩和转动惯量对电机启动频率和运行频率有什么影响？图.步进特性四、步进电机的振荡、丢步、阻尼方法1）振荡原因单步运行步进电机的换相频率和转子的特征频率相等步进电机突然停车在停止点的前后，往往存在振荡，这不但产生噪声和振动，还可能带来失步。6.1.7步进电机的动态特性2）阻尼方法步进电机在运行中，振荡是它的固有特性，但也是在任何振动系统中所不希望的，所以要对振荡进行抑制，抑制振荡常采用各种阻尼，机械阻尼和电子阻尼。多相激励变频变压阻尼细分阻尼反相阻尼频率力矩NM0.20.40.6200300矩频特性曲线6.1.7步进电机的动态特性3）丢步的原因转子的速度慢于定子磁场的旋转速度，即换相频率太快转子的速度快于定子磁场的旋转速度，即定子通电的时间太长，能量过剩，转子产生振荡矩角特性曲线失调角电磁转矩稳定区域平衡点OA6.1.7步进电机的动态特性6.1.7步进电机的动态特性五、脉冲频率对运行的影响(a)脉冲频率很低(b)脉冲频率增高(c)脉冲频率很高图

脉冲信号的畸变图

步进电机的速度转矩特性（频率特性、动态特性曲线）这个特性曲线对电机而言不是固定的，随着负载的转动惯量和驱动电路的方式的不同，启动区和旋转区会大幅度发生变化6.1.7步进电机的动态特性6.2步进电机驱动环形分配器A相驱动电路B相驱动电路C相驱动电路步进电机方向电平脉冲信号复位环形分配器的作用：把脉冲信号按状态转换表的状态顺序产生各相的控制信号，每来一个脉冲，环形分配器就转换一次，因此步进电机转速、正反转、起停完全取决于脉冲的频率和有无。驱动电路的作用：把环形分配器输出的各相绕组导通、截止信号放大、产生电机工作所需的激磁电流。6.2步进电机驱动6.2.1步进电机驱动的特点各相绕组都是开关工作，即脉冲式供电各相绕组都是绕在铁芯上的线圈，所以都有较大的电感，绕组通电时电流上升受到限制，影响绕组电流的大小（需要减小TL）绕组断电时，电感将维持绕组中的已有电流不能突变，使绕组中的电流不能立即截止，为了使电流尽快衰减，必须设计续流回路。常用驱动芯片：晶体管（transistor,base,emitter,collector）MOSFET(metaloxidesemi-conductorfieldeffecttransistor)source,drain,gate6.2.1步进电机驱动的特点6.2.2单电压驱动（只有一个电源电压供电）一、基本单电压驱动T---开关晶体管L---步进电机的绕组RL---绕组电阻D---续流二极管（D的作用：T从饱和突变到截止时，产生一个反电动势，和电源叠加在一起，加在T上，易使T被击穿，D使绕组中产生的反电势通过二极管续流而衰减掉，保护晶体管。）6.2.2单电压驱动第六章步进电机驱动与控制导通时，电压平衡方程为：U/RLi1t关断时，电压平衡方程为：i1i2t第六章步进电机驱动与控制在导通期间，其电流的平均值：随着电机频率逐渐增加，T逐渐减小，绕组的平均电流逐渐降低，所以这种电路低频时产生较大的转矩，有较强的负载能力。这种电路在高频时，负载能力差。一般只适合小功率电机的驱动二、单电压串电阻U/RLi1t第六章步进电机驱动与控制改善了步进电机的高频性能，增加了低频振荡，而且串接的电阻使得损耗加重，发热严重，效率低。三、单电压恒流驱动PNPT1、T2---开关状态T3---放大状态T1、T2---开关状态T3---放大状态PNP6.2.3高低压驱动（两个电源电压供电）高压电源UH：80-150V低压电源UL：5-10V值得注意的是：在单电压驱动中，控制信号时步进电机一相所需的方波信号。在高低压驱动的电路中，除了需要一相所需要的方波信号外，高压输入信号由低压输入信号的前沿得到，VH、VL同步设计思想：不论工作频率如何，在导通的前沿用高压供电，提高电流注入绕组的前沿的上升率，提高高频力矩；后沿用低压维持绕组中的电流，减小低频共振。续流回路ULUH6.2.3高低压驱动6.2.4斩波驱动一、斩波恒流驱动（利用斩波的方法使电流恒定在额定值范围）6.2.4斩波驱动第六章步进电机驱动与控制第六章步进电机驱动与控制由于电流在工作中恒定，所以在很大频率范围内输出转矩恒定。能量是各个脉冲时间内电压和电流的乘积，取自电源的能量大幅度的下降，效率高。由于共振是能量过剩的结果，所以可以减小低频振荡。电流顶部锯齿波有电流噪声二、斩波平滑驱动第六章步进电机驱动与控制与单电压驱动相比：减小TON近似看作U的减小，绕组中的电流比单电压驱动中绕组的电流上升快，所以高频性能比低压的单电压驱动好。增加TON近似看作U的增加，绕组中的电流比单电压驱动中绕组的电流上升平缓，所以抑制了低频性能，低频性能比高压的单电压驱动好。由于电流顶部的波动而产生电磁噪声改善电路高频、低频性能的方法：Vb的频率和脉宽步进电机绕组中的电流大小：由电源电压和高频脉冲序列的脉宽决定三、恒频脉宽调制驱动斩波恒流驱动由于电流顶部的波动而产生电磁噪声，在低频时，不会产生很大的噪声，而当斩波频率为几KHZ或十几KHZ时，有相当严重的噪声，采用的措施：使斩波频率工作在超声频率第六章步进电机驱动与控制V1---D触发器的时钟信号V2---步进电机步进信号Vref---比较电压6.2.5细分驱动在一般情况下，根据步进电机的励磁方式，各相绕组的电流轮流切换，从而步进电机旋转。假设每次输入脉冲切换时，只改变对应绕组中电流的一部分，那么转子相应转过原有步距角的一部分，额定电流分成多少个级别进行切换，转子就以多少步来完成一个原有的步距角。很明显，通过控制绕组中的电流的数值，则可以调整步进电机的步距角的大小，这种控制方式叫细分控制。步进电机绕组中的电流进行细分，在本质上把对绕组的矩形电流改为阶梯电流，要求绕组中的电流以若干等幅、等宽的阶梯上升到额定电流值，或以同样的阶梯从额定值下降到0。6.2.5细分驱动获得阶梯波的两种方法：采用多路功率开关电路供电，在绕组上进行电流叠加，这种方法使功率管上的损耗小，但路数多，元件多，体积大先对脉冲信号进行叠加，在经功率管进行放大，获得阶梯电流，这种方法功率损耗大。第六章步进电机驱动与控制第六章步进电机驱动与控制一、可变细分控制驱动电路所谓“可变细分控制”是指：细分的步数可以控制。D/A电路：把单片机的数据（00H-FFH,00H-3FFH）转换为模拟量Vin放大电路A：把Vin放大为VA,使单片机输出最大数字量时对应电机的额定电流。比较放大电路：把绕组采样得到的电压Ve和电压VA比较，产生调整量Vb，以控制绕组的电流iL单片机：根据细分步距，分别送出十六进制数。在细分时，要求每个阶梯的电流等差值，这样细分的步数必须能对255整除，显然这时细分的阶梯只能为3、5、15、17、51、85。细分3步，则每次的突变量：85（55H）细分5步，则每次的突变量：51（33H）细分15步，则每次的突变量：17（11H）依次类推……..第六章步进电机驱动与控制细分控制的过程分为3步：恒流原理细分控制瞬间响应值得注意：要求功率管工作在线性区，效率低二、数字脉宽调制（pulsewidthmodulation）