步进电机及其控制系统

关于步进电机及其控制系统13.1步进电动机结构与工作原理

步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件。

步进电动机的分类：工作原理反应式永磁式混合式输出转矩大小快速步进电机功率步进电机励磁相数二、三、四、五、六、八相等角位移输入脉冲个数运行速度输入脉冲频率第2页,共27页，2024年2月25日，星期天特点:

(1)来一个脉冲，转一个步距角。

(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。

(3)改变脉冲顺序，可改变转动方向。

步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段距离。13.1步进电动机结构与工作原理第3页,共27页，2024年2月25日，星期天

区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。种类：励磁式和反应式两种。

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。13.1步进电动机结构与工作原理第4页,共27页，2024年2月25日，星期天步进电动机的工作原理

给A相绕组通电时，转子位置如图（a），转子齿偏离定子齿一个角度。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，迫使转子齿转动，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。由此可见：错齿是助使步进电机旋转的根本原因。第5页,共27页，2024年2月25日，星期天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。转子有四个齿。定子转子第6页,共27页，2024年2月25日，星期天13.1.1三相单三拍CA'BB'C'A3412

A相绕组通电，B、C

相不通电。由于在磁场作用下，转子总是力图旋转到磁阻最小的位置，故在这种情况下，转子必然转到左图所示位置：1、3齿与A、A′极对齐。13.1步进电动机结构与工作原理第7页,共27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'A13.1步进电动机结构与工作原理第8页,共27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A

B

C

A……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)转过90°(一个齿距角)。13.1步进电动机结构与工作原理第9页,共27页，2024年2月25日，星期天13.1.2三相六拍

按A

AB

B

BC

C

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10页,共27页，2024年2月25日，星期天CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412A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11页,共27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12页,共27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：A

AB

B

BC

C

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。第13页,共27页，2024年2月25日，星期天13.1.3三相双三拍

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14页,共27页，2024年2月25日，星期天AB通电CA'BB'C'A3412BC通电3412CA'BB'C'ACA通电CA'BB'C'A3412

与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循环周期也分为三拍。每拍转子转过30(步距角)，一个通电循环周期(3拍)转子转过90

(齿距角)。第15页,共27页，2024年2月25日，星期天

从以上对步进电机三种驱动方式的分析可得步距角计算公式：—步距角Zr

—转子齿数m—每个通电循环周期的拍数

实用步进电机的步距角多为3

和1.5

。为了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的，如教材图10.4.4所示。图中转子表面有40个齿，第16页,共27页，2024年2月25日，星期天齿距角是9

；定子仍是6个磁极，但每个磁极表面加工有五个和转子一样的齿。

步进电动机的应用非常广泛，如各种数控机床、自动绘图仪、机器人等。应用：第17页,共27页，2024年2月25日，星期天13.2步进电动机的步距角

由一个通电状态改变到下一个通电状态时，电动机转子所转过的角度称为步距角。T11-2.SWF

＝360/ZKm

其中：Z－转子齿数

m－定子绕组相数

K－通电系数K=1,2

若二相步进电动机的Z=100，单拍运行时，其步距角若按单、双通电方式运行时，步距角第18页,共27页，2024年2月25日，星期天

由此可见，步进电动机的转子齿数Z和定子相数(或运行拍数)愈多，则步距角愈小，控制越精确。当定子控制绕组按着一定顺序不断地轮流通电时，步进电动机就持续不断地旋转。如果电脉冲的频率为f(HZ)，步距角用弧度表示，则步进电动机的转速为：13.2步进电动机的步距角第19页,共27页，2024年2月25日，星期天13.3

步进电动机的主要性能指标1.步距角2.最大工作频率：在转子不失步的情况下，电动机连续工作时，输入脉冲信号的最大频率。3.最大突跳频率：在转子不失步的情况下，电动机能增加和减小的最大频率。4.步距差：理想的步矩角与实际的步矩角之差。5.输出转矩：电动机轴上的输出转矩的大小

步进电动机的输出转矩与脉冲频率的函数关系称为矩频特性。第20页,共27页，2024年2月25日，星期天13.4步进电动机的驱动电源

一、驱动电源的组成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+功率放大电路第21页,共27页，2024年2月25日，星期天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。

2.功率放大器

将脉冲分配器的输出信号进行电流放大后给电动机的定子绕组供电，使电动机的转子产生输出转矩。第22页,共27页，2024年2月25日，星期天二、步进电动机的脉冲分配器

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

第23页,共27页，2024年2月25日，星期天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。

若要实现三相步进电动机的脉冲分配，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。第24页,共27页，2024年2月25日，星期天三、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。

二极管V在晶体管V