第11-1章步进电动机传动控制系统

7.1.3步进电动机的分类`
分类方式 结构特点 转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运 反应式 行，是我国步进电动机发展的主要类型。 其主要特点是气隙小、步距角小，定位精度高，控制准确； 但励磁电流较大，要求有较大的驱动电源功率，且电动机内 (又称磁阻式) 部阻尼较小，当相数较小时，单步运行振荡时间较长或断电 后无定位转矩，所以使用中需要自锁定位。 激磁式 定、转子均有激磁绕组(或转子用永久磁钢)，由电磁力矩实 现步进运行。输出力矩大，但结构复杂，实际较少应用。 具体类型
驱动电源 控制器 环形分配器 功率放大器 步进电动机
辅助电路
图7.1步进电动机传动控制系统框图
7.1 步进电动机工作原理及分类
步进电动机的结构与工作原理 步进电动机的结构分为定子和转子两大部分。定子由硅钢片叠 加而成，绕有一定相数的控制绕组，由环形分配器送来的电脉冲 对各相定子绕组轮流进行励磁。转子用硅钢片叠成或用软磁性材 料做成凸极结构；转子本身没有励磁绕组的叫做“反应式步进电 动机”；用永久磁铁做转子的叫做“永磁式步进电动机”。步进 电动机的结构形式虽然繁多，但工作原理基本相同，下图是两相 混合式步进电动机结构图 。

7.2.2步进电动机的环形分配器
1.硬件环形分配器 (1)逻辑电路环形分配器 (2)EPROM环形分配器

图7.9EPROM型环形分配器
7.2.2步进电动机的环形分配器
1.硬件环形分配器 (1)逻辑电路环形分配器 (2)EPROM环形分配器 (3)集成环形分配器

图7.10CH250环形分配器

图7.5三相六拍通电方式
7.1.2小步距角步进电动机



定子极面小齿和转子上的小齿位 置符合下列规律： 当U相的定子齿和转子齿对齐时， V相的定子齿应相对于转子齿顺 时针方向错开1/3齿距，而W相 的定子齿又应相对于转子齿顺时 针方向错开2／3齿距。也就是说， 当某一相磁极下定子与转子的齿 相对时，下一相磁极下定子与转 子齿的位置刚好错开τ/m．其中， τ为齿距，m为相数；再下一相磁 极下定子与转子的齿则错开2τ／ m；依此类推。 当定子绕组按U-V-W顺序轮流通 电时，转子就顺时针方向一步一 步地移动，各相绕组轮流通电一 图7.6实际的三相反应式步进电动机结构 简图 次，转子就转过一个齿距。
伺服式
按输出力矩大 小 功率式 三相 四相 … m相
按相数
按各相绕组分 电机各相按轴向依次排列，转动惯量小，快速性 布 轴向分布式 和稳定性好；功率步进电动机多为轴向式，
径向分布式电机各相按圆周依次排列
步进电动机的典型分类
反应式步进电动机结构示意图
反应式步进电动机多段环形线圈结构
反应式步进电动机多段分布绕组结构
图7.2三相反应式 步进电动机结构简图
(a) (b) 图7.3三相反应式步进电动机工作原理
2. 工作原理

(1)基本工作原理
7.4单三拍通电方式时的转子位置

步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便 转过一个确定的角度，即步进电机的步距角，用θb表示； 改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之 改变。
7.1.1
C —C 剖 面 A1 B1 N A2 N N B2 A3 B3 C D N A4 N S 永磁体 A 2 定子 B2 A3 B3 B4 C D 电机绕组 转子 B1 S S D—D剖 面 A1 B4
A4
1．结构特点

图7.2所示为一台三相反应式步进电动机的结构简图。其 定子有6个磁极，每两个相对的磁极上绕有一相控制绕组， 由外部脉冲信号对各相绕组轮流励磁。转子上有均布的四 个凸齿。
目前实现阶梯波供电的方法有： 1) 先放大后叠加 2) 2)先叠加后放大
a)先放大后叠加 b)先叠加后放大 图7.17阶梯波合成电路图
细分驱动电路驱动电路实用电路（4）
细分驱动电路驱动电路实用电路（5）
细分驱动电路驱动电路实用电路（6）

7.2.3步进电动机的驱动电路

3．斩波驱动电路
图7.14 斩波驱动电路
斩波驱动电路实用电路（1）
该电路由于电流顶部的波动会产生电磁嘈声
斩波驱动电路实用电路（2）
恒频脉宽调制功率电路可以克服电流顶部的波动而产生的电磁嘈声。
7.2.3 步进电动机的驱动电路

4.升频升压驱动电路
图3.15升频升压驱动电路
7.1.3步进电动机的分类`
分类方式 具体类型 结构特点 输出力矩在百分之几之几至十分之几(N·m)只能 驱动较小的负载，要与液压扭矩放大器配用，才 能驱动机床工作台等较大的负载。 输出力矩在 5-50N·m以上，可以直接驱动机床工 作台等较大的负载。 相数越多，步距角越小，相同工作频率下运行越 平稳，控制精度越高；随着相数增多，结构也越 复杂，成本越高。
反应式直线步进电动机
永磁式步进电动机示意图
永磁式步进电动机环形线圈结构
混合式步进电动机结构示意图
7.2 步进电动机驱动电源
步进电动机的驱动运行要求足够功率的电 脉冲信号按一定的顺序分配到各相绕组。为 了实现这种驱动，要求有脉冲分配和功率放 大功能的专门驱动电源。驱动电源和步进电 动机是一个有机的整体，步进电动机的运行 性能是电动机及其驱动电源二者配合所反映 的综合效果。
三相反应式步进电动机定子、转子展开图
两相混合式步进电动机定子磁极上的齿与左右段转子齿的 相对位置
B2 A2 B1 A1
左 段 N B2 A2 B1 A1
右 段 S
若以转子左段铁心作参考，当A1、A3极上的齿与转子齿对齐时， 则有 A2、A4极上的齿与转子槽相对，B1、B3极上的齿沿顺时针方向超前转 子齿1/4齿距，B2、B4极上的齿沿顺时针方向超前转子齿3／4齿距；在 转子右段铁心，则A1、A3极上的齿与转子槽相对，A2、A4极上的齿与 转子齿对齐，B1、B3极上的齿沿顺时针方向超前转子3/4齿距，B2、 B4极上的齿沿顺时针方向超前转子齿1／4齿距。
K＋5
05H(0101)
CA
表7-4环形分配表
7.2.3步进电动机的驱动电路

1.单电压驱动电路
7.2.3步进电动机的驱动电路

2.双电压驱动电路
7.2.3步进电动机的驱动电路
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型电路，其最后 一级如图7.13a)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一般高压为低压的 数倍。其基本思想是：不论电动机工作频率如何，在导 通相的前沿用高电压供电来提高电流的前沿上升率，而 在前沿过后用低压来维持绕组的电流。
第7章步进电动机传动控制系统
步进电动机（Step motor 或Stepping motor），是一种利用电磁感应原理，将电 脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件。 每输入一个脉冲，电机就转过一个角度，运 行一步，其运动形式是步进式的，故称为步 进电动机。由于其输入的是脉冲电压，所以 又称脉冲电动机或阶跃电动机。 步进电动机的工作机理是基于最基本的电 磁铁机理。


若按三相六拍运行时，其步距角为
7.1.2小步距角步进电动机

如果步进电动机电定子各相绕组轮流通电的脉冲的频率 为f，步距角θb的单位为(o)，则步进电动机的转速(单位为 r／min)为

可知，步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快，其 转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高，转 子的转速越高。
升频升压驱动电路实用电路（3）
7.2.3步进电动机的驱动电路

5.细分驱动电路
图7.16细分驱动电流阶梯波
7.2.3 步进电动机的驱动电路

5.细分驱动电路
细分驱动有如下特点： (1)不改动电动机结构参数的情况下，能使步距角减小，使步进电动机 运行平稳，提高均匀性，并能减弱或消除振荡。改善了低频特性，负载 能力也有所增加。 (2)但细分后的齿距角精度不高，且驱动电源的结构也相应复杂。
结论：
通过以上分析可知，转子的齿数不能任意选取。因为在 同一相的几个磁极下，定转子齿应同时对齐或同时错开， 才能使几个磁极的作用相加，产生足够的反应转矩，而 定子圆周上属于同一相的极总是成对出现的，所以转子 齿数应是偶数。 另外，在不同相的磁极下，定转子相对位置应依次错开 1／m齿距，这样才能在连续改变通电状态下，获得连续 不断的运动。否则，当某一相控制绕组通电时，转子齿 都将处于磁路的磁阻最小位置上，各相绕组轮流通电时， 转子将一直处于静止状态，电动机不能正常转动运行。 为此，要求两相邻相磁极轴线之间转子的齿数为整数加 或减1／m。
表7-3CH250环形分配器状态表
7.2.2步进电动机的环形分配器
2.软件环形分配器 (1)设置输出接口 (2)设计环形分配子程序 (3)设计延时子程序

存储元件地址 K＋0 K＋1 K＋2 K＋3 K＋4
图7.11I/O接口图
单元内容 01H(0001) 03H(0011) 02H(0010) 06H(0110) 04H(0100) 对应通电相 A AB B BC C
7.2.1步进电动机的驱动方式

环形分配器功能是将控制脉冲按规定的方式分配给步进 电动机；功率放大器是将环形分配器的输出信号进行功 率放大以能驱动步进电动机运行。
图7.7步进电动机驱动系统图
7.2.2步进电动机的环形分配器
1.硬件环形分配器 (1)逻辑电路环形分配器

图7.8三相单三拍脉冲分配器 (a)硬件电路图；(b)输出脉冲波形图
第7章步进电动机传动控制系统

Байду номын сангаас
步进电动机的运动是由一系列电脉冲控制，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。为了使电动机能够输出足够 的功率，经过环形分配器产生的脉冲信号还需要进行功 率放大。环形分配器、功率放大器以及其他辅助电路统 称为步进电机的驱动电源。步进电动机、驱动电源和控 制器构成步进电动机传动控制系统，如图7.1所示。
表7-2JK触发器真值表
7.2.2步进电动机的环形分配器
1.硬件环形分配器 (1)逻辑电路环形分配器 (2)EPROM环形分配器 其基本思想是：结合驱动电源线路按步进电动机励磁状 态转换表求出所需的环形分配器输出状态表(输出状态表 与状态转换表相对应)，以二进制码的形式依次存入 EPROM中，在线路中只要按照地址的正向或反向顺序依 次取出地址的内容，则EPROM的输出端即依次表示各励 磁状态。 EPROM设计的环形分配器具有以下特点：1)线路简单， 仅有可逆计数器和存储器两部分；2)一种线路可实现多 种励磁方式的分配，只要在不同的地址区域存储不同的 状态表，除软件工作外，硬件线路不变；3)可彻底排除 非法状态；4)可有多种输入端，便于同控制器接口。
按工作原理
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。 永磁式 主要特点时步距角大，一般为15、30、 45等，控制精度不高； 控制功率较小，效率高；由于有用具磁钢，内部阻尼较大， 单步振荡时间较短，断电后具有一定的定位自锁力矩。 近似反应式和永磁式的结合体。与反应式的主要区别是转子 混合式 上有磁钢，反应式转子则无磁钢，静态电流比永磁式大许多 永磁式。 混合式步进电动机可以做成像反应式一样的小步距角，又具 有永磁式控制功率小的优点；故具有驱动电流小，效率高、 (永磁感应式) 过载能力强、控制精度高等特点，代表着步进电动机的最新 发展，是一种很有应用前景的步进电动机。

7.1.2小步距角步进电动机

设转子的齿数为Z，则齿距角为
360 z

因为每通电一次(即运行一拍)，转子就走一步，故步距角 为
式中：K为状态系数，相邻两次通电相数一致时K=1，如 单、双三拍时；反之则K=2，如三相六拍时。 若步进电动机的z=40，三相单三拍或三相双三拍时，其 步距角为
（2）通电方式
步进电动机的转速即取决于控制绕组通电的频率，又取决 于绕组通电方式。步进电动机的通电方式一般有单相轮流 通电方式、双相轮流通电方式和单双相轮流通电方式 。 1）单相轮流通电方式-运行的稳定性差。 2）双相轮流通电方式-输出力矩较大，定位精度高而且不 易失步。 3）单双相轮流通电方式-步距角减小一倍。