第五章 (一)步进电机

步进电动机的优点： 步进电动机的优点： 的优点 控制特性好； 控制特性好； 误差不长期积累； 误差不长期积累； 步距值不受各种干扰因素的影响。 步距值不受各种干扰因素的影响。 步进电动机转子转动的速度取决于脉冲 信号的频率，总位移量取决于总的脉冲数， 信号的频率 ， 总位移量取决于总的脉冲数 ， 它作为伺服电动机应用于控制系统时， 它作为伺服电动机应用于控制系统时 ， 可以 使系统简化，工作可靠，而且可以获得较高 使系统简化， 工作可靠， 的控制精度。 的控制精度。
第一章
步进电动机原理及控制
吴振宇
1
概述－－步进电机 概述－－步进电机 －－
步进电动机是一种将电脉冲信号转换成直线或 角位移的执行元件。 角位移的执行元件。步进电动机的运动由一系 列电脉冲控制， 列电脉冲控制，脉冲发生器所产生的电脉冲信 号，通过环形分配器按一定的顺序加到电动机 的各相绕组上。 的各相绕组上。为了使电动机能够输出足够的 功率， 功率，经过环形分配器产生的脉冲信号还需要 进行功率放大。 进行功率放大。
步进电动机的应用： 步进电动机的应用： 的应用
步进电动机在机械、 电子、 纺织、 轻工、 化工、 步进电动机在机械 、 电子 、 纺织 、 轻工 、 化工 、 石油、邮电、冶金、文教和卫生等行业， 石油 、 邮电 、 冶金 、 文教和卫生等行业 ， 特别是在数 控机床上获得了越来越广泛的应用。 控机床上获得了越来越广泛的应用。
1. 硬件环形分配器
（1）集成脉冲分配器 ） CH250是专为三 是专为三 相反应式步进电动机设 计的环形分配器。 计的环形分配器。这种 集成电路采用CMOS工 集成电路采用 工 集成度高， 艺，集成度高，可靠性 好。右侧是其引脚图及 工作真值表。 工作真值表。
CH250有A、B、C三个输出端，当输入端 或EN加上时钟 有 、 、 三个输出端 当输入端CL或 三个输出端， 加上时钟 脉冲后，输出波形将符合三相反应式步进电动机的要求。 脉冲后，输出波形将符合三相反应式步进电动机的要求。 若采用CL脉冲输入端时，是上升沿触发，同时 为使能端， 若采用 脉冲输入端时，是上升沿触发，同时EN为使能端， 脉冲输入端时 为使能端 EN＝1时工作，EN＝0时禁止。反之，采用 时工作， 时禁止。 作时钟端， ＝ 时工作 ＝ 时禁止 反之，采用EN作时钟端，则下 作时钟端 降沿触发，此时CL为使能端 为使能端， ＝ 时工作 时工作， ＝ 时禁止 时禁止。 降沿触发，此时 为使能端，CL＝0时工作，CL＝1时禁止。 R和R*分别为双三拍运行和六拍运行的复位端。当R加上正脉 和 分别为双三拍运行和六拍运行的复位端 分别为双三拍运行和六拍运行的复位端。 加上正脉 的状态为110，而R*加上正脉冲后，ABC的状态为 加上正脉冲后， 冲，ABC的状态为 的状态为 ， 加上正脉冲后 的状态为 100，以避免 出现000或111非法状态。 非法状态。 ，以避免ABC出现 出现 或 非法状态
2 步进电动机的环形分配器
2.1 步进电动机的驱动方式 步进电动机是绕组按一定方式轮流通电工作的。 步进电动机是绕组按一定方式轮流通电工作的 。 为了 实现这种轮流通电， 实现这种轮流通电 ， 需要将控制脉冲按规定的方式分配给 步进电动机，实现这种脉冲分配功能的是环形分配器。 步进电动机 ， 实现这种脉冲分配功能的是环形分配器 。 环 形分配器的输出信号还需进行功率放大才能驱动步进电动 步进电动机驱动系统框图如图所示。 机。步进电动机驱动系统框图如图所示。
由此可见，当通电顺序为 → 由此可见，当通电顺序为U→V → W→U →V →…时，转子 → 时 便顺时针方向一步一步地转动，通电状态每换接一次， 便顺时针方向一步一步地转动，通电状态每换接一次，转子 前进一步，一步对应的角度称为步距角。 前进一步，一步对应的角度称为步距角。 电流换接三次，磁场旋转一周，转子前进一个齿距的位置， 电流换接三次，磁场旋转一周，转子前进一个齿距的位置， 一个齿距所对应的角度称为齿距角（此例中齿距角为90度 一个齿距所对应的角度称为齿距角（此例中齿距角为 度） 当改变通电顺序时，将改变转子的转向。 当改变通电顺序时，将改变转子的转向。
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） 01H（0001） 03H（0011） 03H（0011） 02H（0010） 02H（0010） 06H（0110） 06H（0110） 04H（0100） 04H（0100） 05H（0101） 05H（0101）
B.三项步进电机结构简图： B.三项步进电机结构简图： 三项步进电机结构简图 三相电机定子有六个磁 极，每相对磁极构成一相控 制绕组， 制绕组，转子上有均布的四 个齿。 个齿。
2. 工作原理
（1）两相电机工作原理 ）
步进电动机的工作原理，其实就是电磁铁的工作原理，如图所示。 步进电动机的工作原理，其实就是电磁铁的工作原理，如图所示。 相通电， 所示， 极与A相对齐 当A相通电，其余相不通电，如图 相通电 其余相不通电，如图(a)所示，转子 极与 相对齐； 所示 转子N极与 相对齐； 相通电， 所示， 极与B相对齐 当B相通电，其余相不通电，如图 相通电 其余相不通电，如图(b)所示，转子 极与 相对齐； 所示 转子N极与 相对齐； 相通电，其余相不通电，如图(c)所示，转子 极与 - 相对齐； 所示， 极与A 当A-相通电，其余相不通电，如图 所示 转子N极与 相对齐； 当B-相通电，其余相不通电，如图(d)所示，转子N极与 -B相对齐 相通电，其余相不通电，如图 所示，转子 极与B 相对齐 所示 极与
对应通电相 U UV V VW W WU
3 步进电动机的驱动电路
3.1单电压限流型驱动电路 单电压限流型驱动电路 步进电动机一相的驱动电路如图 所示。这种电路的特点是线路简 所示。 成本低，低频时响应较好； 单，成本低，低频时响应较好； 缺点是效率低， 缺点是效率低，尤其在高频工作 的电动机效率更低。 的电动机效率更低。在实际中较 少使用， 少使用，只有在小功率步进电动 机且在简单应用中才使用。 机且在简单应用中才使用。
实际小步距角电动机图
小步距定子制造特点： 小步距定子制造特点：
若定子为三相绕组， 若定子为三相绕组，当 某一相磁极下定子与转子的 齿相对时， 齿相对时，下一相磁极下定 子与转子齿的位置刚好错开 1/3齿距 齿距， 1/3齿距，再下一相磁极下 定子与转子的齿错开2/3 2/3齿 定子与转子的齿错开2/3齿 依此类推。 距，依此类推。 当定子各相绕组轮流通 电一次， 电一次，转子就转过一个齿 距。 当定子为n相时， 当定子为n相时，错开 的齿距为1/n齿距。 1/n齿距 的齿距为1/n齿距。
（3）通电方式 ） 单相轮流通电方式 每次切换前后只有一相绕组通电。 每次切换前后只有一相绕组通电。
缺点： 缺点： 在这种通电方式下， 在这种通电方式下，电动机工作的 稳定性较差，容易失步。 稳定性较差，容易失步。 上述例子即为单向轮流通电方式， 上述例子即为单向轮流通电方式， 分别称为两相单四拍和三相单三拍 通电
双相轮流通电方式
每次有两相绕组通电， 每次有两相绕组通电，通电状态 切换时，转子转动平稳， 切换时，转子转动平稳，且输出 力矩较大， 力矩较大，这种通电方式定位精 度高而且不易失步。 度高而且不易失步。
以三相反应式电动机为例， 以三相反应式电动机为例，双相 轮流通电方式为： 轮流通电方式为：UV → VW→WU →UV →… → 称为三相双三拍通电。 称为三相双三拍通电。
3.2 双电压驱动电路 双电压驱动电路习惯 上称为高低压切换电 路，其最后一级如图 所示。 所示。这种电路的特 点是电动机绕组主电 路中采用高压和低压 两种电压供电， 两种电压供电，一般 高压为低压的数倍。 高压为低压的数倍。 适用于大功率和高频 工作的步进电动机。 工作的步进电动机。
优点：功耗小，起动力矩大，突跳频率和工作频率高， 优点：功耗小，起动力矩大，突跳频率和工作频率高， 缺点：低频振荡加剧，波形呈凹形，输出转矩下降； 缺点：低频振荡加剧，波形呈凹形，输出转矩下降；大功率管的数量多用一 增加了驱动电源。 倍，增加了驱动电源。
（2）三相电机工作原理 ）
相通电， 、 相不通电 如图a所示 相不通电， 所示， 、 齿与 相对齐； 齿与U相对齐 当U相通电，V、W相不通电，如图 所示，1、3齿与 相对齐； 相通电 相通电， 、 相不通电 如图b所示 相不通电， 所示， 、 齿与 相对齐； 齿与V相对齐 当V相通电，U、W相不通电，如图 所示，2、4齿与 相对齐； 相通电 相通电， 、 相不通电 如图c所示 相不通电， 所示， 、 齿与 相对齐； 齿与W相对齐 当W相通电，U、V相不通电，如图 所示，1、3齿与 相对齐； 相通电
2.2 步进电动机的环形分配器
环形分配器是根据指令把脉冲信号按一定的逻辑 关系加到放大器上， 关系加到放大器上，使各相绕组按一定的顺序和 时间导通和断开， 时间导通和断开，并根据指令使电动机正转或反 实现确定的运行方式。 转，实现确定的运行方式。环形分配器可以由硬 件和软件两种方式实现。 件和软件两种方式实现。
3.3 斩波驱动电路
斩波电路的出现是 为了弥补双电压电 路波形呈现凹形的 缺陷， 缺陷，改善了输出 转矩的下降， 转矩的下降，使励 磁绕组中的电流维 持在额定值附近， 持在额定值附近， 其电路图和输出波 形图如图所示。 形图如图所示。
3.4 升频升压驱动电路
为了减小低频振动，应使低速时绕组电流上升的前沿较平缓， 为了减小低频振动，应使低速时绕组电流上升的前沿较平缓，这样才能 使转子在到达新的稳定平衡位置时不产生过冲， 使转子在到达新的稳定平衡位置时不产生过冲，而在高速时则应使电流 有较陡的前沿，以产生足够的绕组电流， 有较陡的前沿，以产生足够的绕组电流，才能提高步进电动机的带载能 这就要求驱动电源低频时用较低的电压供电， 力。这就要求驱动电源低频时用较低的电压供电，高频时用较高的电压 供电。升频升压驱动电路可以较好地满足这一要求。 供电。升频升压驱动电路可以较好地满足这一要求。