机器人驱动及控制 课件 第2章 机器人步进电动机驱动及控制

机器人驱动及控制第2章机器人步进电动机驱动及控制●学习目标了解步进电动机结构和性能要求掌握反应式步进电动机工作原理了解混合式步进电动机工作原理掌握步进电动机基本特点掌握反应式步进电动机运动特性掌握步进电动机驱动控制方法了解步进电动机在六自由度切削机器人中的应用01020304050607

机器人并不像人靠肌肉收缩和弹性产生力，把机器人“解剖”后，发现每个机器人都有外来的“动力来源和精密的传动机构”，产生力并传递力。

电动机是最常见的动力源之一。工业机器人每个关节处的电动机都用于驱动运动，为手臂提供准确的角度。

对工业机器人动作速度和精度的要求实际上就是对电动机响应速度和控制精度的要求。2.1步进电动机概述

步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。每输入一个脉冲信号改变一次励磁状态，转子就转动一个角度或前进一步，若不改变励磁状态，则保持一定位置而静止。

输出的角（线）位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲的频率成正比。

步进电动机精度高、惯性小，不丢步的情况下运行，步距误差不会长期积累，特别适用于开环数字控制的定位系统。2025/2/112.2步进电动机结构及性能要求

2.2.1步进电动机结构步进电动机的结构由定子和转子两大部分组成。定子由定子铁心和控制绕组组成。由专门电源输入脉冲信号，输入的脉冲信号对多个定子绕组轮流进行励磁而产生磁场。定子绕组的个数称为相数。转子用硅钢片叠成或用软磁性材料做成凸极结构。凸极的个数称为齿数。定子铁心转子铁心步进电机结构简图步进电机安装位置2025/2/112.2步进电动机结构及性能要求

2.2.1步进电动机结构步进电动机反应式步进电动机永磁式步进电动机混合式步进电动机按结构分类2025/2/112.2步进电动机结构及性能要求

反应式步进电动机

根据结构的不同分为单段式和多段式两种。

单段式又称径向分相式，目前广泛使用的步进电动机多采用这种结构。

径向磁路多段式的定子、转子铁心沿电动机轴向按相数分段，每一段定子铁心的磁极上均放置同一相控制绕组。

定子上装有磁极（大齿），每个磁极的极弧上有许多小齿。磁极大齿成对出现，每个磁极上都有控制绕组，每相控制绕组由放在径向相对的两个磁极上的集中控制绕组串联而成。

转子沿圆周均匀冲有小齿，而且转子上小齿的齿距=定子磁极上小齿的齿距。转子上没有绕组。2025/2/112.2步进电动机结构及性能要求

永磁式步进电动机

定子上有突出的磁极，磁极上装有控制绕组。转子上安装有永久磁钢制成的磁极，转子极数与定子极数相同。

永磁式步进电动机的特点：

步距角大

起动频率比较低（转速不一定低）

控制功率小

有定位转矩

有较强的内阻尼力矩2025/2/112.2步进电动机结构及性能要求

混合式步进电动机

混合了永磁式和反应式的优点，具有反应式步进电动机步距小、运行频率高的特点，还具有永磁式步进电动机消耗功率小的优点，是目前发展较快的一种步进电动机。

特点：结构简单、体积小、安装方便、免维护、噪声小和成本低。2025/2/112.2步进电动机结构及性能要求

2.2.2步进电动机性能要求

在一定速度范围内，在脉冲信号控制下，步进电动机能迅速起动、正/反转和停转及在较宽范围内平滑调节。

每个脉冲对应的位移量小且准确、均匀，即要求步进电动机步距小、步距精度高、不丢步或越步，以保证系统精度。

输出转矩大，可直接驱动负载工作。2025/2/112.3反应式步进电动机工作原理

反应式步进电动机是根据磁阻性质产生转矩，遵循磁通总是沿磁阻最小路径闭合的原理，由磁拉力形成驱动转矩。

定子铁心为凸极式，共有3对（三相）6个磁极，不带小齿，磁极上绕有控制绕组，相对两个磁极的绕组串联，组成一相控制绕组。转子为凸极结构，有4个均匀分布的齿，没有绕组。2025/2/112.3反应式步进电动机工作原理

2.3.1通电方式分析

步进电动机有单相轮流通电、双相轮流通电和单、双相轮流通电三种通电方式。“单”是指每次切换前后只有一相绕组通电，“双”是指每次切换前后有两相绕组通电。定子励磁绕组每改变一次通电状态，称为一拍。三相反应式步进电动机的工作原理图2025/2/112.3反应式步进电动机工作原理

三相单三拍通电

A相通电，B、C相不通电，转子齿1、3的轴线向定子A极轴线对齐，转子只受径向力，无切向力，转矩为零，被锁定在这个位置。通电顺序为A—B—Ｃ—Ａ

B相通电，定子B极轴线使最靠近的转子齿2、4轴线向其对齐，转子在空间顺时针旋转30°。

C相通电，定子C极轴线使最靠近的转子齿1、3轴线向其对齐，转子在空间顺时针再旋转30°。

转子齿与齿的角度称齿距角，4个齿，一个齿距角为90°。

转子每步转过的角度称为步距角，一个步距角为30°。2025/2/112.3反应式步进电动机工作原理

三相单三拍通电

通电顺序改为A—Ｃ—B—A时，转子按逆时针方向一步一步转动。

改变通电顺序即改变转子旋转方向。2025/2/112.3反应式步进电动机工作原理

三相双三拍通电

若按ABBCCA顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电。

与单三拍相似，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)。AB通电CA'BB'C'A3412BC通电3412CA'BB'C'ACA通电CA'BB'C'A3412

电动机改变状态时，总有一相绕组持续通电，起电磁阻尼作用，工作平稳，三相单三拍时因没有这种阻尼，转子到达新的平衡位置后会产生振荡，稳定性远不如双三拍通电。2025/2/112.3反应式步进电动机工作原理

三相单双六拍通电

按三相单双六拍AABBBCC

CA顺序给三相绕组轮流通电，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)。这种方式可以获得更精确的控制特性。

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

，到达上图所示位置。

B相通电，转子2、4齿与B、B´对齐,又转过15

。

B、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

。2025/2/112.3反应式步进电动机工作原理

在微型或小型机器人实际应用中常需要较小的步距角如3°、1.5°等，因此电动机的定子磁极和转子铁心加工成多齿形。它定子上有3对磁极，每对磁极上绕有一相绕组，定子磁极上带有小齿，转子齿数很多的反应式步进电动机，其步距角可以做到很小。2.3.2小步距角步进电动机2025/2/112.4混合式步进电动机工作原理

定子、转子都有小齿，转子永磁体分两段，轴向励磁，且左、右转子相互错开半个齿距。当一段铁心的齿与定子某相极下的齿对齐时，另一段铁心的齿便与该极下的槽对齐。

转子由两段铁心和夹在中间的永磁体组成。转子铁心一段为N极，另一段为S极。永磁磁路也是轴向的，从转子N极端到定子I端，轴向到定子的II端、转子S极端，经磁体闭合。

定子有两对磁极，磁极下有小齿，每一对磁极上绕有一相绕组，通电时这两个磁极极性相反。2.4.1两相混合式步进电动机结构2025/2/112.4混合式步进电动机工作原理

混合式步进电动机是在永磁磁场和变磁阻原理共同作用下工作。

若转子永磁体没有充磁，只给定子控制绕组通电和定子绕组不通电，仅有转子永磁体磁场作用，电动机均不产生转矩。只有转子永磁磁场与定子磁场相互作用，电动机才会产生电磁转矩。

在转子永磁体充磁且有某一相通电的情况下，转子就有使通电相磁路的磁阻为最小的稳定平衡位置，而混合式步进电动机定、转子异极性的磁极下磁阻最小，同极性的磁极下磁阻最大。2.4.1两相混合式步进电动机工作原理

2025/2/112.4混合式步进电动机工作原理

两相单四拍通电两相单四拍运行是在U、V两相绕组内按UVU-V-U顺序通入正、反方向电流。U相绕组正向通电V相不通电，建立UU’为轴线的磁场。此时U相磁极为S极，U’为N极。U相磁极与N段转子齿轴线重合，与S段转子齿错开1/2齿距。此时，V相磁极与转子齿错开1/4齿距。在U相断电V相绕组正向通电，建立以VV’为轴线的磁场。此时V相磁极为S极V’为N极，转子沿顺时针方向转过1/4齿距，V相磁极与N段转子齿轴线重合，与S段转子齿错开1/2齿距。在V相断电U相绕组反向通电，建立以UU’为轴线的磁场。此时U相磁极为N极U’为S极，转子沿顺时针方向再次转过1/4齿距，

到达U相磁极与S段转子齿轴线重合，并与N段转子齿错开1/2齿距。2025/2/112.4混合式步进电动机工作原理

两相单四拍通电两相单四拍运行是在U、V两相绕组内按UVU-V-U顺序通入正、反方向电流。在U相断电V相绕组反向通电，建立以VV’为轴线的磁场。此时V相磁极为N极V’为S极，转子继续沿顺时针方向转过1/4齿距，

到达V相磁极与S段转子齿轴线重合，并与N段转子齿错开1/2齿距。

连续不断地按UVU-V-U的顺序分别给各相绕组通电，每改变一次通电状态，转子就沿顺时针方向转过1/4齿距，且循环通电一次转子转过1个齿距。若改变通电顺序，以UV-U-VU的顺序给各相绕组通电，就可改变转向，使步进电动机沿逆时针方向旋转。2025/2/112.4混合式步进电动机工作原理

两相双四拍通电两相双四拍按UVU-VU-V-UV-UV顺序给U、V两相绕组同时正向通电U、V两相绕组同时正向通电，建立以UV两相磁极几何中线为轴线的磁场。此时U、V两磁极都为S极。U、V两磁极和U’V’两磁极与N段转子齿轴线分别错开1/8齿距和3/8齿距，与S段分别错开3/8齿距和1/8齿距。U-V、U-V-、UV-

通电分析类似。

两相双四拍运行按UVU-VU-V-UV-UV顺序通电，电动机沿顺时针方向转动，且每改变一次通电状态，电动机转过1个步距角（即1/4齿距角）。

若按UVUV-U-V-U-VUV顺序通电，按逆时针方向转动。

与单四拍运行方式相比，双四拍运行方式因两相绕组同时通电，所以产生的电磁转矩较大，带负载能力更强。2025/2/112.5步进电动机基本特点

1.每相脉冲信号频率步进电动机工作时，每相控制绕组不是恒定通电，而是通过环形分配器按一定规律控制驱动电路导通和关断，给各相绕组轮流通电。

按三相双三拍运行的环形分配器有1路输入，输出有U、V、W三路，起始时U、V有电压，则输入1个控制脉冲信号后，就变为V、W有电压，再输入1个控制脉冲信号，则变为W、U有电压，再输入1个控制脉冲信号，又变为U、V有电压。

环形分配器输出的各路控制脉冲信号，经各自的放大器放大后送入步进电动机各相绕组，使步进电动机一步步地转动起来。2025/2/112.5步进电动机基本特点

1.每相脉冲信号频率

步进电动机每循环1次所包含的通电状态数称为状态数或拍数。

状态数等于相数称为单拍制分配方式（三相单三拍），等于相数的两倍称为双拍制分配方式（三相六拍）。

同一台电动机可有多种分配方式，但不管哪种分配方式，每循环1次，控制电脉冲的个数总等于拍数N，而加在每相绕组上的脉冲电压或电流个数为1，因而控制脉冲信号频率f

是每相脉冲电压或电流频率fp

的N倍，即2025/2/112.5步进电动机基本特点

2.齿距角和步距角

步进电动机每输入1个电脉冲信号，转子转过的角度称为步距角θb。

转子相邻两齿间的夹角称为齿距角θt。

ZR为转子的齿数。

减小步距角：①增加拍数，即增加相数和采用双拍制。但是相数越多，电源即电机结构越复杂。②增加转子齿数。

N为转子转过1个齿距所需要的拍数，N=Km；m为电动机的相数；K为通电系数，相数=拍数，K=1，否则K=2。2025/2/112.5步进电动机基本特点

3.齿距角误差不会长期累积

由于定、转子的齿距分度或气隙不均匀，实际步距角和理论步距角之间存在偏差，即步距角误差。

当转子转过一定步数，步距角会产生累积误差，但是每转1周都有固定的步数，当转子转过1周后又恢复到原来位置，累积误差将变为零。

步进电动机的步距角只有周期性误差，而无累积误差。2025/2/112.5步进电动机基本特点

4.转速

每输入1个脉冲信号，转子转过的角度是整个圆周角的1/(ZRN)即转过1/(ZRN)圈，因此每分钟转子所转过的圆周数，即转速为

转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数，而与电压、负载和温度等因素无关。

改变通电顺序，即改变定子磁场旋转的方向，就可控制电动机正转或反转。

f为控制脉冲的频率。

脉冲频率f一定时，步距角越小，电动机转速越低，输出功率越小。2025/2/112.5步进电动机基本特点5.自锁能力

当控制脉冲停止输入，而让最后一个脉冲控制的绕组继续通电时，电动机可以保持在固定位置上，即停在最后一个脉冲控制的角位移的终点位置上。这样步进电动机可以实现停车时转子的准确定位。

一台三相反应式步进电动机采用三相六拍运行方式，转子齿数ZR为40，脉冲频率f为800Hz。试求解以下问题：

写出一个循环的通电顺序。

求步进电动机的步距角。

求步进电动机的转速。

求步进电动机每秒转过的角度。2025/2/112.5步进电动机基本特点

写出一个循环的通电顺序。因为采用了三相六拍运行方式，所以通电顺序为U

UV

V

VW

W

WU

U

或U

UW

W

WV

V

VU

U

求步进电动机的步距角。三相六拍运行步进电动机步距角为

求步进电动机的转速。

或

求步进电动机每秒转过的角度。或2025/2/112.6反应式步进电动机运动特性

2.6.1静态特性当步进电动机各相绕组按一定顺序通入控制脉冲时，转子就一步步地转动。当控制脉冲停止时，若某相绕组仍通入幅值不变的直流电，转子将固定在某一位置保持不动，称为静止状态。静止状态下即使有小的扰动，转子偏离此位置，也会在磁力的作用下恢复原位。

初始稳定平衡位置空载情况下，控制绕组中通以直流电时转子的最后稳定平衡位置，即定子、转子齿轴线重合的位置。此处电磁转矩（即静转矩）为零。

单相通电2025/2/112.6反应式步进电动机运动特性

步进电动机转子偏离初始稳定平衡位置的电角度。

不改变通电状态，控制绕组电流不变时，步进电动机静转矩随转子失调角的变化规律，即。2.失调角3.矩角特性

为时产生的电磁转矩2025/2/112.6反应式步进电动机运动特性

2.6.2动态特性

连续运行状态

当控制脉冲频率达到一定数值之后，频率再升高，步进电机因受到定子绕组电感影响，负载能力下降。

控制脉冲频率升高，步进电机铁心中涡流迅速增加，热损耗和阻转矩使输出功率和动态转矩下降。

动态转矩

运行矩频特性

在一定控制脉冲频率范围内，随频率升高，功率和转速都相应提高，超出该范围，随频率升高转矩下降，带载能力也逐渐下降，到某一频率后，就带不动任何负载，而且只要受到一个很小的扰动，就会振荡、失步以致停转。2025/2/112.6反应式步进电动机运动特性

控制电源脉冲频率连续提高时，在一定负载下，步进电机能正常连续运行（不丢步、不失步）所能加到的最高频率称为最高连续运行频率或最高跟踪频率。

最高连续运行频率与负载有关，分空载运行频率和额定负载运行频率，且空载大于额定。

最高连续运行频率

高频振荡

反应式步进电动机在脉冲电压的频率相当高的情况下，有时会出现明显的振荡现象。因为此时控制绕组内电流产生振荡，相应地使转子转动不均匀，以致失步。但脉冲频率若快速越过这一频段，电动机仍能继续稳定运行，这一现象称为高频振荡。2.6.2动态特性

连续运行状态2025/2/112.6反应式步进电动机运动特性

在给定驱动电源的条件下，负载转动惯量一定时，启动频率与负载转矩的关系。

当电动机带负载转矩启动时，负载转矩越大，作用在电机转子上的加速转矩（电磁转矩-负载转矩）就越小，电动机就越不易启动，当有较低的脉冲频率时电动机才可能启动。

启动频率随负载转矩增大呈下降趋势。

启动矩频特性2.6.2动态特性

启动状态2025/2/112.6反应式步进电动机运动特性

在给定驱动电源的条件下，负载转矩不变，启动频率与负载转动惯量的关系。

随转动惯量的增大，在一定的脉冲周期内转子加速过程将变慢，难于趋向平衡。要电机启动，也需要较长脉冲周期使电机加速，即要求降低脉冲频率。

启动频率随转动惯量增大呈下降趋势。

启动惯频特性2.6.2动态特性

启动状态2025/2/112.6反应式步进电动机运动特性

电机正常启动时（不丢步、不失步）所能施加的最高控制频率。是衡量步进电机快速性能的重要指标。

启动频率比连续运行频率低。

增大电机动态转矩；减小转动部分转动惯量；增加拍数，减小步距角，均可实现步进电机启动频率的提高。

启动频率2.6.2动态特性

启动状态2025/2/112.7步进电动机驱动控制

2.7.1驱动控制器步进电机驱动控制

步进电动机驱动器通过外加控制脉冲，按环形分配器分配方式，控制各相绕组导通或截止，从而产生步进运动。

步进电机工作性能除取决于自身性能因素外，还取决于驱动器性能优劣。

步进电机与驱动器构成一个整体，统称为步进电机系统，其运行性能是电动机本体和驱动器两者配合所反映出来的综合效果。

控制器组成

控制器由脉冲发生器、脉冲分配器和功率放大器组成。2025/2/112.7步进电动机驱动控制

驱动控制器的相数、电压、电流和通电方式都要满足步进电动机的要求。

驱动控制器的频率要满足步进电动机起动频率和连续运行频率的要求。

能最大限度地抑制步进电动机的振荡，提高系统稳定性。

工作可靠，抗干扰能力强。

成本低，效率高，安装和维护方便。

对驱动控制器的要求2.7.1驱动控制器2025/2/112.7步进电动机驱动控制2.7.2功率驱动电路步进电动机的驱动电路实际上是一种脉冲功率放大电路，使脉冲具有一定功率驱动能力。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。单电压限流型驱动电路高低压切换型驱动电路PWM（脉宽调制）型驱动电路细分驱动电路2025/2/112.7步进电动机驱动控制2.7.2功率驱动电路

单电压限流型驱动电路

L是电动机绕组，VT是无触点电子开关，C加速电容，VD在晶体管VT截止时起续流和保护作用，防止晶体管截止瞬间绕组产生的反电势使晶体管击穿。

缺点：R上有功率消耗。

只用于动态性能要求不高的小功率步进电动机驱动。2025/2/112.7步进电动机驱动控制2.7.2功率驱动电路

高低压切换型驱动电路

高压供电，用于快速提升电流，低压供电，用于维持稳态电流。

Ub1低压脉冲，Ub2高压脉冲。

t1-t2，高压加到电机绕组上，使电流迅速上升，t2时刻，低压维持。

优点：功率损耗小，动态响应好。2025/2/112.7步进电动机驱动控制2.7.2功率驱动电路

PWM（脉宽调制）型驱动电路

步进信号为高电平，VT2导通，比较器输出高电平，恒频斩波脉宽调制信号V1控制D触发器输出高电平，VT1导通。比较器输出低电平，D触发器被复位，输出低电平，VT1关断。

恒频脉宽调制功率放大电路实际上是一个电流负反馈控制电路。

恒频脉宽调制功率放大电路具有很好的高频特性，稳定的电流输出，有效地减少了电机噪声，同时还降低了功耗。2025/2/112.7步进电动机驱动控制2.7.2功率驱动电路

细分驱动电路

细分驱动控制又称为微步距控制，把步进电动机的步距角减小，电机转动近似匀速运动，在任何位置准确停步。

实现阶梯波电流的方法：①顺序脉冲发生器形成等幅等宽脉冲，用脉冲放大器进行放大，绕组叠加。适用于中、大功率步进电动机驱动。

顺序脉冲发生器形成等幅等宽脉冲，用加法器合成后经过功率放大器进行放大。适用于微、小型步进电动机驱动。