步进电机驱动与控制

关于步进电机驱动与控制以反应式为例说明步进电机的结构和原理通常按励磁方式分为三大类：1）反应式：转子无绕组，定转子开小齿、步距小。应用最广。2）永磁式：转子的极数=每相定子极数，不开小齿，步距角较大，力矩较大。3）感应子式(混合式)：开小齿，混合反应式与永磁式优点：转矩大、动态性能好、步距角小。步进电机的种类：第2页,共23页，2024年2月25日，星期天

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。三相反应式步进电动机的原理结构图如下：ABCIAIBIC

定子内圆周均匀分布着六个磁极，磁极上有励磁绕组，每两个相对的绕组组成一相。采用Y连接，转子有四个齿。定子转子第3页,共23页，2024年2月25日，星期天1.工作原理

由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻转矩，使转子转动。

现以ABCA的通电顺序，使三相绕组

轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。BCIAIBIC第4页,共23页，2024年2月25日，星期天1.三相单三拍CA'BB'C'A3412

A相绕组通电，B、C相不通电。气隙产生以A-A为轴线的磁场，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，故电动机转子受到一个反应转矩，在此转矩的作用下，转子必然转到左图所示位置：1、3齿与A、A′极对齐。“三相”指三相步进电机；“单”指每次只能一相绕组通电；“三拍”指通电三次完成一个通电循环。第5页,共23页，2024年2月25日，星期天CA'BB'C'A3412

同理，B相通电时，转子会转过30

角，2、4齿和B、B´

磁极轴线对齐；当C相通电时，转子再转过30

角，1、3齿和C´、C磁极轴线对齐。1C'342CA'BB'A第6页,共23页，2024年2月25日，星期天

这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。

按ABCA……的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过30°(步距角)，每个通电循环周期(3拍)磁场在空间旋转了360°而转子转过90°(一个齿距角)。2.三相六拍

按AABBBCC

CA的顺序给三相绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制特性。第7页,共23页，2024年2月25日，星期天CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412

A相通电，转子1、3齿与A、A'对齐。

A、B相同时通电，A、A'磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子转过15

，到达左图所示位置。第8页,共23页，2024年2月25日，星期天CA'BB'C'A3412

B相通电，转子2、4齿与B、B´对齐,又转过15

。3412CA'BB'C'AB、C相同时通电，C'、C

磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子再转过15

。第9页,共23页，2024年2月25日，星期天

三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：AABBBCC

CA，每个循环周期分为六拍。每拍转子转过15（步距角），一个通电循环周期(6拍)转子转过90

(齿距角)。

与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更小，更适用于需要精确定位的控制系统中。3.三相双三拍

按AB

BC

CA的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电。第10页,共23页，2024年2月25日，星期天步进电机通过一个电脉冲转子转过的角度,称为步距角。N:一个周期的运行拍数,即通电状态循环一周需要改变的次数Zr：转子齿数如：Zr=40,N=3时

步距角拍数：N=kmk=1单拍制2双拍制m:相数第11页,共23页，2024年2月25日，星期天驱动控制器构成第12页,共23页，2024年2月25日，星期天不同频率时绕组电流波形频率较低时频率较高时第13页,共23页，2024年2月25日，星期天单电压放大电路最理想的电流波形就是矩形波。电路时间常数：τ=L/(Ra+r)第14页,共23页，2024年2月25日，星期天高低电压驱动第15页,共23页，2024年2月25日，星期天恒流斩波驱动原理图与电流波形Uf是步进电机控制脉冲。第16页,共23页，2024年2月25日，星期天四细分驱动第17页,共23页，2024年2月25日，星期天细分时合成磁势第18页,共23页，2024年2月25日，星期天细分驱动电路第19页,共23页，2024年2月25日，星期天环形分配器——软环形分配器

第20页,共23页，2024年2月25日，星期天硬件环形分配器——CH250CH250引脚定义CL和EN端均可作为脉冲的输入端。当脉冲由CL端输入时，EN端必须接1，脉冲上升沿有效。当脉冲由EN端输入时，CL端必须接0，脉冲下降沿有效