步进电机及其控制系统

电动机构造图
转轴成平行方向的断面图
步进电机外形结构
常见步进电机外形构造
步进电机内部结构
步进电机内部结构
步进电机的内部构造
2. 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。
步进电动机
脉冲分配 器和功放
概述 步进电动机的历史：德国百格拉公司于1973年发明了 五相混合式步进电机及其驱动器；1993年又推出了 性能更加优越的三相混合式步进电机。 我国在80年代以前，一直是反应式步进电机占统治地 位，混合式步进电机是80年代后期才开始发展。 步进电动机的定义：是一种专门用于速度和位置精确 控制的特种电机，它旋转是 以固定的角度（称为步距角） 一步一步运行的，故称步进 电机。
2014-9-14
三相六拍环形分配表
51
•1）环形分配器
•另一种是硬件环形分配， 采 用数字电路搭建或专用的环形 分配器件将连续的脉冲信号经 电路处理后输出环形脉冲。采 用数字电路搭建的环形分配器 通常由分立元件（如触发器、 逻辑门等）构成，特点是体积 大，成本高，可靠性差。专用 的环形分配器目前市面上有很 多 种 ， 如 CMOS 电 路 CH250 即为三相步进电动机的专用环 形分配器，它的引脚功能及三 相六拍线路图如图所示。
2014-9-14
50
它们的环形分配见下表。把表中的数值按顺序存入内
存的EPROM中，并分别设定表头的地址为2000 H， 表尾的地址为2005 H。计算机的P1口按从表头开始逐 次加1的地址依次取出存储内容进行输出，电动机则 正向旋转。如果按从2005 H ，逐次减1的地址依次取 出存储内容进行输出，电动机则反转。
4.1
步进电动机结构与工作原理
3. 通电方式
A
B'
A
C' B
B'
C' B
A'
C
A'
C
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。
4.1
步进电动机结构与工作原理
3. 通电方式
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AB 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)。
图示为是一个89 C51单片机与步进电动机驱动电路
接口连接的框图。采用查表法。P1口的三个引脚经过 光电隔离、功率放大之后，分别与电动机的A, B, C三 相连接。当采用三相六拍方式时，电动机正转的通电 顺序为A → AB → B → BC → C → CA → A；电动机 反转的顺序为A→AC→C →CB→B→BA→A。
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。 角位移 输入脉冲个数 运行速度 步进电动机的分类： 工作原理 反应式 永磁式 混合式 输出转 快速步进电机 矩大小 功率步进电机 输入脉冲频率
励磁相数 二、三、四、五、六、八相等
4.1
步进电动机结构与工作原理
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。 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。
3. 通电方式
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。 α ＝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
360 1.8 2 100 360 0.9 2 2 100
指 令脉 冲
环形 分 配器
功率 驱 动器
步进 电 动机
负载
输出
2014-9-14
47
1.脉冲分配器的作用
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。
f A B C
当方向电平为高时， 脉冲分配器的输出按A-CB的顺序循环产生脉冲。
f A C B
2.功率放大器的作用 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。
4.1.2 步进电机的驱动方法
•1）环形分配器
•步进电动机在一个脉冲的作用下，转过一个相应的步距角， 因此只要控制一定的脉冲数，即可精确控制步进电动机转过的 相应的角度。但步进电动机的各绕组必须按一定的顺序通电才 能正确工作，这种使电动机绕组的通断电顺序按输入脉冲的控 制而循环变化的过程称为环形脉冲分配。 •实现环形分配的方法有两种。一种是计算机软件分配，采用查 表或计算的方法使计算机的三个输出引脚依次输出满足速度和 方向要求的环形分配脉冲信号。这种方法能充分利用计算机软 件资源，减少硬件成本，尤其是多相电动机的脉冲分配更能显 示出这种分配方法的优点。但由于软件运行会占用计算机的运 行时间，因而会使插补运算的总时间增加，从而影响步进电动 机的运行速度。
第 4 章 电动机驱动 与控制技术 4.1 步进电动机驱动及其 控制技术
4.1.1 步进电动机的基本结构和工作原理
概述 步进电动机称为脉冲电动机，是数字控制系统中的 一种执行元件。其作用是将脉冲电信号转换为角位 移或直线位移。
步进电动机角位移与脉冲 k 成正比。
步进电动机速度与脉冲频率成正比。具有同步特性 。
“六拍”：每六次换接为一个 循环。有六种通电状态。 A-AB-B-BC-C-CA-A„„
3. 通电方式 1）三相单三拍
A相绕组通电，B、C 相
A
B' 1
C'
2
4
C
3 A'
B
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。


3. 通电方式
步进电动机的步距角
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，所以可进行速度控 制。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：
4.1
步进电动机结构与工作原理
种类：励磁式和反应式两种。 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。 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。
1. 基本结构
步进电动机构造：由转子（转子铁芯、永磁体、转轴、滚珠 轴承），定子（绕组、定子铁芯），前后端盖等组成。最典型两 相混合式步进电机的定子有8个大齿，40个小齿，转子有50 个小齿；三相电机的定子有9个大齿，45个小齿，转子有50 个小齿。
16 15 14 13 12 11 10 9 UD J3 L J3 r W V U R* R
J6 r J6 L 1 2 3 4 5 (a)
EN CP Us 6 7 8
环形分配器CH250引脚图 (a) 引脚功能；
1 F 1 00 k
16 10 R* UD 9 R
6 EN U V
＋12 V
11 12
2. 工作原理 步进电动机的工作原理是磁通总是走磁阻最小的 路径，由于磁力线的扭曲而产生拖动转矩。 三相反应式步进电动机按通电方式的不同，每步转动不 同的角度。下面以三相单三拍为例，说明其工作原理。
3. 通电方式 三相步进电动机具有三相单三拍、三相六拍和三相双 三拍通电运行状态。 “三相”：步进电动机具有三相定子绕组。 “单、双”：每次只有一相（单）或两相（双）绕组 通电。 “三拍”：每三次换接为一个循环。有三种通电状态 。 A-B-C-A„„
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：
360 kZ r m
α —步距角 Zr —转子齿数 m —每个通电循环周期的拍数 K为状态系数，相邻两次通电的相数目相同时，K 取1，相邻两次通电的相数目不同时，K取2. 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。
4.1
步进电动机结构与工作原理
3. 通电方式
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。
A
B'
A C' B
B'
A C' B
B'
C'
C
A'
C
A'
C
A'
B
AB通电
BC通电
CA通电
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)。
2 f f 60 KmZ n 60 60 f 2 2 KmZ
步进电动机具有自锁能力
当控制电脉冲停止输入，而让最后一个脉冲控制的 绕组继续通直流电时，电机可以保持在固定的位置 上。这样，步进电动机可以实现停车时转子定位。
永磁式步进电机工作原理
4.1.2 步进电机的驱动方法
步进电动机的电枢通断电次数和各相通电顺序决定 了输出角位移和运动方向，控制脉冲分配频率可实现 步进电动机的速度控制。 因此，步进电机控制系统一 般采用开环控制方式。 开环步进电动机控制系统框图 ，系统主要由环形分配器、功率驱动器、 步进电动机 等组成。