4--第11章 步进电机控制系统

不细分时: A相绕组通电：转子停在A-A位置 A、B相绕组通电：转子停在位置
Ⅰ，转角300 B相绕组通电：转子停在B-B位置 ，
转角300
5.1.4 步进电动机的主要性能指标 一、步进电机的静态指标
➢相数：产生磁场的激励线圈的励磁数（定子绕组的个数），一般分为三相、 四相、五相、六相甚至八相。目前多用三至六相的步进电机； ➢拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，或指电机转过一 个齿距角所需脉冲数，用n表示，磁场一个周期360°，转过一个机械齿距角； ➢步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移，用θ表示； ➢定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩； ➢静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运行时，电机转轴的锁 定力矩。该力矩是衡量电机体积的标准，与驱动电压及驱动电源无关。
➢力矩：
电机一旦通电，在定子和转子间将产生磁场，转子与定子错开
一定角度（磁通量Ф）。力F与定子和转子的错开角有关，与
（dФ/dθ)成正比。
Ф＝BrS
Br为磁通密度，S为导磁面积。
F 与LDBr成正比，L为铁芯有效长度，D为转子直径。
Br＝N×I/R，N×I为励磁绕组安匝数，R为磁阻， 磁阻与磁导率成反比。
2）永磁式： 转子为永磁材料，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）混合式：
转子为永磁式、两段，开小齿，转矩大、动态性能好、步 距角小，但结构复杂，成本较高。
以反应式为例说明步进电机的结构和工作原理
反应式步进电动机结构：
一、步进电动机的组成 如图所示为一台三相反应式步进电动机的结构示意图 ，同样由定子和转子组成。
冲一个一个输入，电动机便一步一步转动。
角位移
输入脉冲个数
运行速度 步进电动机的分类：
输入脉冲频率
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
步进电动机的种类
通常按励磁方式分为三大类：
1）反应式： 转子为软磁材料，无绕组，定、转子开小齿、步距角小。
二、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：错齿是使 得步进电机旋转的根本原因。
导电绕组
A AB
B
BC C CA A
2. 专用集成芯片或通用可编程逻辑器件组成的环形分配器
CH250是专门为三相反应式步进电动机设计的环形分配器，采用CMOS工艺，集成 度高，可靠性好。其管脚分布及三相双六拍工作时的接线见图11.3，和状态表11.2。
3. EPROM在环形分配器中的应用 EPROM环形分配器在硬件电路不动的情况下，只需改变软件内存储器的地址，
5.1 步进电动机
第五章 步进电动机
常见步进电机外形构造
步进电机内部结构
通电线圈中磁感应强度B=μH=μnI
Ф=BS．(S是垂直磁感强度的面积)
线圈磁通量是由线圈匝数和面积，以 及线圈中的通电电流所决定的。
步进电机内部结构 步进电机的内部构造
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
θe达到±π/2，定子齿与转子齿错 开1/4个齿距时，转矩T达到最大值，称
为最大静转矩Tsmax。 负载转矩一般为Tsmax的30~50%。
在负载转矩TL=0的条件下，步进电动机 由静止状态突然启动、不失步地进入正常运行 状态所允许的最高启动频率，称为启动频率。
启动频率与转子转动惯量、折算转动惯 量有关。
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。
电动机构造图
转轴成平行方向的断面图
5.1.1 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。每当输入
一个电脉冲时，它便转过一个固定的角度，这个角度叫步距角β，简称步距。脉
二、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。 设转子的齿数为Z，则齿距为：
τ = 360/Z
步距角：
＝齿距/拍数=360/（KmZ）
其中：Z－转子齿数 m－定子绕组相数 K－通电系数 K=1,2，（单三拍、双三拍时，K＝1；单、双六拍时，K＝2）
若二相步进电动机的Z=100，单拍运行时，其步距角
➢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。
三、步进电动机的主要特性
1. 矩角特性 定子每相绕组通电循环一周（360度
电角度），对应转子在空间转过一个齿 距（360°/Z机械角度）。
矩角特性指电磁转矩与偏转角的关系
2. 启动惯频特性 启动频率和轴上负载转动惯量之间的 关系
实际启动频率由于TL存在，比标称数值 要低。
拍数越多，步距角越小，极限启动频率 越高；
最大静转矩越大，电磁力矩越大，转子 加速度就越大，启动频率也越高。
三、步进电动机的主要特性
3. 运行频率特性
步进电动机启动后，当控制的脉冲频率连续上升时能不失步运行的最高频率脉冲 重复频率称为连续运行平率。
转动惯量主要应影响运行频率连续升降的速度，而步进电动机的绕组电感和驱动 电源的电压对运行频率的上限影响很大。实际启动频率比运行频率低得多。
&&
&&
&&
功能 保持 置0 置1 翻转
W+ QB QC
W-
QC
QA
QA QB
11.1 由J－K触发器组成的环形分配器逻辑真值表
序号
0 1 2 3 4 5 6
控制信号状态 CAJ CBJ CCJ
110 010 011 001 101 100 110
输出状态 QA QB QC 100 110 010 011 001 101 100
n
f
60
2
KmZ
f
60
60
f （r/min标注为rpm）
2
2
KmZ
5.1.3 步距角的细分 单相或双相通电时，称为整步运行；整步又称自然步。 单、双相通电时，称为半步运行。 整步或半步运行时，因单步增量都比较大，而运行振动直接与步增量有关。
细分的目的就是将自然步进行细分，得到微步距，以得到较好的运行性能。
1. 单相通电方式：指对每相绕组单独轮流通电，对于三相步进电动机：
每次转动30o，因此，当通电顺序为A－B－Ｃ－Ａ时，转子按顺时针方向一 步一步转动。每换接一次，则转子前进一个步距角。电流换接三次，磁场旋转一 周，转子前进一个齿距角，这里是90o。
如果要改变旋转方向，则只要改变通电顺序即可，如通电顺序改为A－Ｃ－ Ｂ－Ａ时，转子按逆时针方向一步一步转动。 齿距角：转子齿与齿之间的角度。 步距角：转子每步转过的角度。
力矩＝力×半径。
力矩与电机有效体积×安匝数×磁密成正比，因此电机有
效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，力矩越大。
二、步进电机的动态指标
➢步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用％表 示。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5％以内，八拍运行时应在15％ 以内。
➢失步：电机运转时运转的步数不等于理论上的步数。 ➢失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调 角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。 ➢最大空载启动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的 情况下，能够直接启动的最大频率。 ➢最大空载运行频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，电机不带负载 的最高转速频率。
f A C B
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。
11.1 步进电动机的环形分配器
步进电动机的环形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。 软件环形分配器：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。
360 1.8
2 100
若按单、双通电方式运行时，步距角
360 0.9
2 2100
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：
a)
b)
5.1.2 通电方式
一、步进电动机的通电方式 步进电动机的转速既取决于控制绕组的通电频率，也取决于绕组通电方式， 三相步进电机一般有单三拍、单双六拍和双三拍等通电方式，其中“单”是指 每次切换前后只有一相绕组通电，“双”指每次有两相绕组通电；而从一种通 电状态转换到另一种通电状态就叫“拍”。
图5.4 步距细分原理图
这就是4细分，即一步分成 4步。目前常用细分系数有 2、4、8、16、32、64
细分时：
A相绕组额定电流：转子停在A-A位置 A相绕组额定电流、B相绕组1/2额定电流：转子 停在位置Ⅱ，转角150 A相绕组额定电流、B相绕组额定电流时：转子 停在位置Ⅰ ，转角150 A相绕组1/2额定电流、B相绕组额定电流：转子 停在位置Ⅲ ，转角150 B相绕组额定电流：转子停在位置B-B，转角150