4.8 步进电动机

运行特性
矩频特性---步进电动机动态转矩与步进电动机输 入脉冲信号频率之间的关系（动态转矩随着脉冲频 率的升高而降低） 失步（丢步与越步） 丢步指的是转子前进步距数 少于脉冲数；越步指的是转子前进步距数多于脉冲 数。 步进电动机起步频率---在一定的负载转矩下，能 够不失步启动的最高频率。 步进电动机的运行频率---步进电动机启动后，当 脉冲频率连续上升时，能够不失步运行的最高频率。
三相六拍的通电方式
A-AB-B-BC-C-CA-A….. 一个循环 内有六种通电状态 六拍，有时候是一相 通电，有时候是两相通电，但一相与两相是间隔的。 A通电时，转子齿1，3轴线与定子A极轴线重合，与 单三拍情况相同。当A,B同时通电时，转子位置要兼 顾A B磁极对转子的作用，磁力相等的位置就是在按 照逆时针转过15度角度位置，此时，转子轴线既不 与A的轴线重合，也不与B相轴线重合。 当B通电时，转子又转过15度。2.4轴线与B极轴线 重合。
+80V
+12V
斩波恒流功率放大驱动电路
它是在高、低压切换型驱动电源 的基础上，使高压供电部分的电 流断续加入，以补偿因步进电动 机控制绕组中由于旋转电动势(电 机转动时，由于磁导变化在绕组中所 产生的电动势)、相间互感等原因而 引起的电流波形下凹所造成的转短下 降。它能根据控制绕组中电流的变 化，反复地接通和关断高压电源，使 电流波顶维持在预定的范围内波动， 从而使步进电动机的机械特性得到显 额高，并相应地增加了起动和运行 频率‘但是，由于在电路中增添了电 流反馈环节，使线路较为复杂，这种 驱动电源属于闭环类型的供电系统。
4 步进电动机的传动与控制
步进电动机的升速、降速控制 速度与脉冲频率成 正比。频率增加，速度增加。频率高，转矩低，带 负载能力降低。 高速时，不能直接启动，低速时直接起动。低速度 启动后，慢慢加速到高速。停止时，不能快速变化， 需要从高速慢慢拿降低到低速度，最后停止下来。 步距角细分原理 A-A’通电转为A,B通电，转子转过 30度。如果B绕组中电流不是一下升高到额定值， 而是逐步增加。台阶可以很多。如果有30个台阶， 则转角精度就是1度。
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三相双三拍的通电方式及四相步进电动机
通电AB-BC-CA-…. 一个周期 三相双三拍运行方式 每步转过角度为30度 30 四相步进电动机 八个 磁极，每个磁极有多 个小齿，四组控制绕 组。
通电方式
四相四拍 A-B-C-D-….假如转子有50个小齿，每 个齿距角为360/50=7.2度。每个定子所占齿数为 50/8=6-1/4个,即错开1.8度。显然不是整数。这 样A通电时，定子与转子轴线不能够重合，相邻两 对磁极b-b’,c-c’的小齿与转子上齿必然错开1/4个 齿距角 ，对应角度是1.8度。 B通电，转子从原来位置转过1.8度。 私下八拍通电，A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-…每次 转角1/8,即0.9度。 四相双四拍 AB-BC-CD-DA-….，每次转子转过角 度齿距角1.8度。
高-低两个电源供电的驱动电路
步进电动机每相控制绕组需 要两只功率元件串联并且分 别由高电压和低电压两种不 同的电源供电。 高电压用于加速电流的增长 速度，而低电压用来维持稳 定的控制电流。 与电阻串接的二极管起到隔 离高低电压作用，而在步进 电动机与高压电源之间的二 极管起到构成高压放电回路 作用。 当脉冲发生器输出高电平时， 两只晶体管同时导通，步进 电动机由高压供电。当达到 单稳态延时时间时，高压侧 晶体管截至，改由+12V电 源供电。
反应式永磁步进电动机的构造
步进电动机的构成：定 子+转子 两个部分 同 一般电动机一样 定子上布置控制绕组， 输入脉冲对多相定子绕 输入 组轮流进行励磁 转子做成凸极结构 输出 位移 转子齿的宽度和定子上 极靴的宽度相等
6个磁极 的定子
4个凸极 齿的转子
三相反应式步进电动机结构图
单三拍反应式步进电动机工作原理
步进电动机技术指标举例
3 步进电动机的环形分配器
步进电动机控制绕组轮流通电。脉冲分配器决定了步 进电动机的工作方式。完成这一分派脉冲的方式有 两种：硬件脉冲分配器及软件脉冲分配器。 硬件脉冲分配器可以通过集成电路芯片完成，或者有 触发器和门电路组成的电路完成。 1）集成触发器型环形分配器 包含三个J-K触发器和 12个与非门。三只触发器的输出端Q与步进电动机 的A,B,C绕组相连。Q=1导通。与非门侧有正反转 控制信号输入。工作状态表见P120表4-1. 2 专用环形分配器芯片CH250.真值表见P121表4-2. 3)软件环形分配器 单片机控制系统或者DSP控制系统
细分电路型驱动电路
细分电路型驱动电源是将步进电动机的步炬 角进一步减小，从而使步进电动机的运行变 为近似的匀速运动。这样，步进电动机就能 象其它伺服电动机一样平滑地运转。为了使 步短角进一步减小，单从步进电动机本身来 解决是较困难的，特别是小机座号的步进电 动机。于是设法将一个有一定步因角的步进 电动机改用阶梯形的电流来供电，这才能使 义步短角进一步减小，以提高电动机的运行 的平滑性。这就是所谓“细分驱动”。
步进电动机得到7个特点
角位移与脉冲数严格地成正比。 开环系统简单可靠。 动态响应速度快，易于起停、正反转及变速 低速下依然保证获得大的转矩，速度范围宽 需要脉冲电源供电 存在失步与振荡现象，需要采取对应措施 噪声大，带惯性负载能力差。
2 步进电动机的驱动方法
步进电动机的驱动电源包括脉冲信号源， 脉冲分配器及功率放大器三大部分。 脉冲信号源 是一个脉冲频率有几个赫兹到 几十个千赫兹连续变化的信号发生器。最 为常见的是多谐振荡器及有多个单结晶体 管构成的驰张振动器。
分类—六类
反应式步进电动机（简称VR-variable reluctance）其特点 是：结构简单，成本低，动态性能较差，步距角一般0.9度， 1.8度，3.6度 永磁式步进电动机（简称PM-permanent magnet）其特点 是：输出转矩大，步距角（90度或45度）较大，动态性能好。 混合式步进电动机（简称HB-hybrid) 特点：输出转矩大，动 态性能好，步距角小，但结构复杂，成本较高 永磁感应式步进电动机 机械谐波式步进电动机 章动式步进电动机
步距角与齿距角
转子走一步转过的角度，叫做步距角，计算公式：齿数除以拍 数，即360/Kmz,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.z为转子的齿 数，m为拍子数。 一拍：定子控制绕组每通电，断电一次，成为一拍 此时电动机 转子在空间转过的角度称为步距角。上述为三相单三拍运行。 单指的是每次只有一相控制绕组通电，三拍指的是经过三次切 换控制绕组的通电状态完成一个循环。三相单三拍运行时，步 距角为30度。 齿距角：360/z,其中，z为转子的齿数，4个齿的转子，其齿距 角为90度
步进电动机主要技术指标与运行特性
静态步距角误差—理论上每一个输入脉冲使得电动 机转过一个步距角。由于实际定子转子齿距不均匀 及他们之间空隙不均匀，实际布距角与理论值存在 偏差。这个偏差叫做静态步距角误差。 最大静转矩---静转矩指的是步进电动机处于平稳 运行时的电磁转矩。在平稳运行情况下，转子带动 负载时，转子转过一个角度。并且能够稳定下来， 此时的电磁转矩叫做静转矩。能够平稳下来时，转 子带负载转过角度叫做失调角。对应这个失调角， 若静转矩最大，则该静转矩叫做最大静转矩。
功率驱动器
分类：单电压功率驱动 电路；双电压功率驱动 电路；斩波恒流功率放 大电路；调频调压短路； 细分电路。 单电压功率驱动电路特 点：结构简单 电流上升 速度不够快，高频负载 能力低。 外接电阻并联电容起到 提高负载瞬间电流上升 率。
功率放大晶体管
单电压驱动功率放大电路
当脉冲控制信号输入时，晶体管导通，电容 C在刚导通瞬间起看将电阻尺短接的作用， 而使通过步进电动机控制绕组中的电流迅速 增长。当电流达到稳定状态后，由于电阻R 的串接限制了控制电流。整个过程采用了一 个电源供电。步进电机每一相控制绕组仅需 要一只功率元件提供电脉冲。 串接电阻耗能，使得取得效率降低。
4.8 步进电动机 (P113)
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 步进电动机功能 步进电动机的构造、工作原理及分类 步进电动机的通电方式 步进电动机的主要技术指标 步进电动机特点 步进电动机驱动方法 环形分配器及步距角细分与控制
1功能
步进电动机是数字控制系统中的伺服电机之 一，其功能是把脉冲电信号变换为相应的角 位移的电动机。 控制步进电动机的方式描述：输入一个脉冲， 步进电动机转过一个角度或者前进一步。 控制原理（传递函数）描述：步进电动机输 出的角位移或者前进位移大小与输入脉冲的 数量成正比。
A相绕组通电，B,C相不通电。由于磁通总是力图走磁阻最小的途径的 特点，所以转子齿1，3受到磁力的作用 使其轴线与定子上A极的轴线 重合，如图a所示。 同理，B通电，A,C不通电时，转子在磁力作用下，按逆时针方向转过 30度，使得齿2，4的轴线与定子B极的轴线重合，如图b所示。C通电， A B不通电，转子1，3与C极轴线重合，又逆时针转过30度。这样， A-B-C-A-B-C-A….轮流通电，转子按照通电次序，沿着逆时针方向 一个角度一个角度地转过。磁场按照A-B-C方向转过360度，转子沿 着相同方向转过一个齿距角。