第3章步进电机传动控制new

通电方式——三相单双六拍
三相绕组的通电顺序为：
UUVVVWWWUU 共六拍。 工作过程：
U1
V2
1
W2
4
W1
2
3
U2 V1
U相通电，转子1、3齿和U相对齐。
U相通电
U1 V2
U、V相同时通电
U1
W2
1 4 2 3
U2
V2
W2
W1
V1
W1 U2
V1
（1）V1V2 磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使转子顺时 针方向转动。 （ 2）U1U2 磁场继续对1、3齿有拉力。 所以转子转到两磁拉力平衡的位置上(UV两定子磁极对称的 中心)。相对U1U2 通电，转子转了15°。
从定子或转子的导磁体来看，它如反应式，与反应式的主要区别是转 子上置有磁钢，输入能量全靠定子励磁电流供给，静电电流比永磁式 大许多；从它的磁路内含有永久磁钢这点看，又可以说它是永磁式， 但因其结构的不同，使其作用原理以及性能方面，都与永磁式步进电 动机有明显的区别，它好像是反应式和永磁式的结合。
步进电机的分类
步进电机的分类
步进电动机的型号

反应式步进电动机（如150BF003）

混合式步进电动机（如42BYG008）

永磁式步进电动机
3.2.1 步进电机的驱动方式
功率放大器
功放电路
步进脉冲
f
A 脉 冲 分 配 器 B C
功放电路 功放电路
方向信号
三 相 步 进 电 机
负载
分配器电源
放大器电源
步进电动机驱动系统框图
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。
（a）
（b）
通电方式——单相轮流通电方式
三相绕组中的通电顺序为：
U相 V 相 W 相
U1 V2
W2
W1
V1
U2
U相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相
U1 V2 W2
W1 U2
V1
U相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相
U相通电，U 方向的磁通经转子
U1
形成闭合回路。若转子和磁场轴 线方向原有一定角度，则在磁场
W2
V2
1
4
W1
2
3
U2 V1
的作用下，转子被磁化，吸引转
子，使转子的位置力图使通电相磁 路的磁阻最小，使转、定子的齿对 齐停止转动。
U 相通电使转子1、3齿和 U相对齐。
U1
U1
W2
V2
V2
W2
W1
V1 U2
V相通电，转子2、4齿和V相对齐，又转了15。
U1 V2 W2
W1 U2
V1
总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六
拍，步距角为15。
通电方式——三相双三拍
三相绕组的通电顺序为： UV VW WU UV 共三拍。
U1 U1 W2
V2
V2
W2
W1 U2
V1
W1
V1
U2
UV通电
（3）V 相断电、W 相通电后，转子只需转过1/3个齿（3），
使 W 相定子与转子对齐。
若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲， 转子只转 1.5 。
步进电动机的转动方向仍由通电顺序决定。
小步距角的步进电动机
步进机通过一个电脉冲,转子转过的角度,称为步距角 。
b
b
360 zKm
K：状态系数，相邻两次通电相数一致时，K＝1 ，如单、双三拍；反之K ＝2，如三相六拍； z：转子齿数。
种类：
分为励磁式和反应式两种。 区别：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。
应用：
步进机的应用非常广泛。如：在数控机床、自动绘图 仪等设备中都得到应用。
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。
步进电动机传动控制
功率放大器
功放电路
步进脉冲
f
A 脉 冲 分 配 器 B C
360 40 3 3
如：z=40 , 三相单三拍或三相双三拍 时 b 如：z=40 , 三相六拍 时
b
360 40 2 3
1 .5
步进电机的转速(r/min)
n
2
b f
f 60
60 Kmz 2 2
60 Kmz
f
f：电脉冲的频率
步进电机的分类
U1 V2
W2
W1
V1 U2
U相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相
U1 V2 W2
W1 U2
V1
U相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相
U1
V2
3 2 4 1
U2
W2
W1
V1
U相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相 V相
硬件环形分配器：硬件环形分配器由门电路和双稳态触发器组成 的逻辑电路构成。有较好的响应速度，且具有直观、维护方便等优点。 （1）集成脉冲分配器 （2）EPROM在环形分配器中的应用
软件环分：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。
集成脉冲分配器
R,R*——R是双三拍的复位端，R*是六拍的复位端 J3r、J3L两端子是三相双三拍的控制端，J6r、J6L是三相六拍的控制端，三相双三拍 工作时，若J3r＝“1”，而J3L＝“0”，则电机正转；若J3r＝“0”，J3L＝“1”，则电 机反转；三相六拍供电时，若J6r＝“1”，J6L＝“0”，则电机正转；若J6r＝“0”， J6L＝“1”，电机反转。CL端是时钟脉冲输入端，EN是时钟脉冲允许端，用以控
W 相差240，含240/ 9 =
个齿。所
以， U相定子的五个小齿与转子对齐时，
V 相、W 相不能对齐， V相的转子、
定子相差 1/3个齿（3）， W相的转子、定子相差2/3个齿（6）。
小步距角的步进电动机
（2）U 相断电、V 相通电后，转子只需转过1/3个齿（3） ，使 V 相定子与转子对齐。
软件环分
存储器各单元中存放对应绕组通电的顺序数值。当运行程序时，依 次将环形分配表中的数据，也就是对应存储器单元的内容送到A口， 使依次送出脉冲信号，从而使电动机绕组轮流通电。
表3.6 环形分配表 存储元件地址 K＋0 K＋1 K＋2 K＋3 K＋4 K＋5 单元内容 01H（0001） 03H（0011） 02H（0010） 06H（0110） 04H（0100） 05H（0101） 对应通电相 U UV V VW W WU
VW通电
通电方式——三相双三拍
U1 V2 W2
W1 U2
V1
工作方式为三相双三拍 时，每通入一个电脉冲 ， 转 子 也 是 转 30 ， 即 步距角 = 30。
WU通电
以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三 相单三拍稳定，因此较常采用。
小步距角的步进电动机
定子上有三对磁极，分别绕有三相绕组，当U相的定子齿与转子对 齐时，V相的定子齿与转子齿顺时针方向错开1/3齿距，而W相磁极下定
子与转子齿顺时针方向错开2/3齿距。
当定子各相绕组轮流通电一次，转子就转过一个齿距。
定子上有m相，齿距为，，当某一相磁极 下定子与转子的齿对齐时，下一相磁极下 定子齿与转子齿顺时针方向错开 /m，而 再下一相磁极下定子与转子齿顺时针方向 错开2 /3。
为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽和 齿槽和转子相同。
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。
f A B C
2.功率放大器
f A C B
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。
3.2.2 步进电机的环形分配器
第三章 步进电动机传动控制
步进电动机传动控制
机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线
位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动 一个角度，带动机械移动一小段距离。
特点:(1)总位移量取决于总脉冲数；
(2)转子运动的速度取决于脉冲信号的频率； (3)转子转动的方向取决于脉冲信号的顺序。
步进电动机传动控制
1. 按工作原理分类

激磁式（电磁式） 步进电动机的定子和转子均有绕组，靠电磁力矩使转子转动。 反应式（磁阻式） 转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使转子转动。


永磁式
转子和定子的某一方具有永久磁钢，另一方由软磁材料制成。绕组轮 流通电，建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生转矩。

混合式（永磁感应式）
U1 V2
1 4 2 3
U2
W2
W1
V1
步进电动机以一种通电状态换到另一种通电状态就叫做一”拍”。
这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且， 一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。
三相单三拍的特点： （1）每来一个电脉冲，转子转过 30。此角称为步距角。 （2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通 电顺序即可改变转向。
U1
IU
V2 定子 W2
转子
IW W1 U2
IV
V1
三 相 反 应 式 步 进 电 动 机
定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。 注意：这里的相和三相交流电中的“相”的概念不同。步进机通的是 直流电脉冲，这主要是指线图的联接和组数的区别。
步进电动机的工作原理
给U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。
小步距角的步进电动机
假设转子齿数在z＝40，则转子的齿距等 于360/ 40=9 ，齿宽、齿槽各4.5 。 工作原理：假设是单三拍通电工作方式。 （1）U相通电时，定子U 相的五个小齿 和转子对齐。此时，V 相和 U 相空间差
120，含120/9 =
1 13 个 3
齿。 U 相和
26 2 3
按照地址的正向Fra Baidu bibliotek反向顺序依次取出地址的内容，则EPROM的输出端
即依次表示各励磁状态。
软件环分
2. 软件环形分配器

设置输出接口
设输出口的A0接U相；A1接V相；A2接W相。
I/O接口 A口
A2

设计环形分配子程序 在存储器中建立环形分配表。
A1 A0
W相 V相 U相
I/O接口图

设计延时子程序
主程序每调用一次环形分配子程序，就按顺序改变一次步进电 动机通电状态，而后调用延时子程序控制通断节拍，从而改变步 进频率。
U1 V2 W2
W1 U2
V1
U相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相 V相W相
U1 V2 W2
W1
V1
U2
U相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相
U1 V2
2 1 3 4
U2
W2
W1
V1
U相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相 V 相
功放电路 功放电路
方向信号
三 相 步 进 电 机
负载
分配器电源
放大器电源
步进电动机驱动系统框图
步进电动机的结构
步进机主要由两部分构成：定子和转子。定子由硅钢片叠成，装上
一定相数的控制绕组；转子用硅钢片叠成或软磁性材料做成凸极结构。 定子绕组 定子
转子
三相反应式步进电动机的结构简图
步进电动机的结构
制时钟脉冲的允许与否。当脉冲CP由CL端输入，只有EN端为高电平时，时钟脉
冲的上升沿才起作用。CH250也允许以EN端作脉冲CP的输入端，此时，只有CL 为低电平时，时钟脉冲的下降沿才起作用。
EPEOM在环形分配器中的应用
结合驱动电源线路按步进电机励磁状态转换表求出所需的环形分配 器输出状态表，以二进制码的形式依次存入EPROM中，在线路中只要
2. 按输出转矩的大小分类

快速步进电动机 电动机的输出转矩一般为0.07～4Nm，可以控制小型精密机床 的工作台，例如线切割机床。

功率步进电动机 电动机的输出转矩一般为5～40Nm，可直接驱动机床的移动部件。
此外，按励磁相数可分为三相、四相、五相、六相、等等。 相数越多，步距角越小，但结构越复杂。 按运动方式分为旋转运动、直线运动、平面运动等。 按定子排列还可分为径向式（单段式）和轴向式（多段式）， 轴向式的转动惯量小，快速性和稳定性好，功率步进电动机多为 轴向式，
W1
U2
V1
同理，V相通电，转子2、4齿和V相轴线对齐，相 对U相通电位置转30；W相通电再转30。
U相 V 相
U相 V 相 W 相 U 相
U1 U1 V2 V2
W2
4 3 1 2
U2
W2
1 4 2 3
U2
W1
V1
W1
V1
U 相通电使转子2、4齿和 U相对齐。
U相 V 相 W 相 U 相 V 相