第11-1章步进电动机传动控制系统
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步进电机及其控制系统课件
被控制的对象，根据控制信号的输入进行旋转。
用于检测步进电机的位置和速度，常见的传感器有光电编码器 和霍尔传感器等。
控制系统的实现方式
硬件实现
01
通过硬件电路实现控制系统的功能，一般适用于简单
的控制系统。
软件实现
02 通过编写程序实现控制系统的功能，一般适用于复杂
的控制系统。
混合实现
03
将硬件和软件结合起来实现控制系统的功能，一般适
技术挑战
随着应用场景的不断复杂化，对步进电机的性能和技术要求也越来越高。如何提高步进电机的性能和技术水平，是当 前亟待解决的问题。
应用前景展望
随着技术的不断进步和应用场景的不断扩展，步进电机在生产线上的应用前景非常广阔。未来，步进电 机将成为实现自动化生产的重要基础元件之一。
步进电机的调试与
05
维护
步进电机的调试方法
确定定步进电机的控制信号和所需脉冲数。
调整脉冲频率和方向
02
根据电机型号和应用需求，调整脉冲频率和方向，以获得最佳
运动效果。
校准位置检测器
03
对准位置检测器与步进电机之间的相对位置，以确保准确控制
。
步进电机的维护周期与内容
日常检查
每天检查步进电机是否有异常声音、振动或气 味。
点。
步进电机的特点
步进电机具有体积小、重量轻、控制精度 高等特点。
应用场景
在生产线上的分拣环节，步进电机作为驱 动源，控制分拣装置的移动和定位，实现 快速、准确的产品分拣。
步进电机在生产线上的应用前景
发展趋势
随着工业自动化的不断发展，步进电机在生产线上的应用将更加广泛。未来，步进电机将朝着控制精度更高、响应速 度更快、可靠性更高的方向发展。
用于检测步进电机的位置和速度，常见的传感器有光电编码器 和霍尔传感器等。
控制系统的实现方式
硬件实现
01
通过硬件电路实现控制系统的功能，一般适用于简单
的控制系统。
软件实现
02 通过编写程序实现控制系统的功能，一般适用于复杂
的控制系统。
混合实现
03
将硬件和软件结合起来实现控制系统的功能，一般适
技术挑战
随着应用场景的不断复杂化，对步进电机的性能和技术要求也越来越高。如何提高步进电机的性能和技术水平，是当 前亟待解决的问题。
应用前景展望
随着技术的不断进步和应用场景的不断扩展，步进电机在生产线上的应用前景非常广阔。未来，步进电 机将成为实现自动化生产的重要基础元件之一。
步进电机的调试与
05
维护
步进电机的调试方法
确定定步进电机的控制信号和所需脉冲数。
调整脉冲频率和方向
02
根据电机型号和应用需求，调整脉冲频率和方向，以获得最佳
运动效果。
校准位置检测器
03
对准位置检测器与步进电机之间的相对位置，以确保准确控制
。
步进电机的维护周期与内容
日常检查
每天检查步进电机是否有异常声音、振动或气 味。
点。
步进电机的特点
步进电机具有体积小、重量轻、控制精度 高等特点。
应用场景
在生产线上的分拣环节，步进电机作为驱 动源，控制分拣装置的移动和定位，实现 快速、准确的产品分拣。
步进电机在生产线上的应用前景
发展趋势
随着工业自动化的不断发展，步进电机在生产线上的应用将更加广泛。未来，步进电机将朝着控制精度更高、响应速 度更快、可靠性更高的方向发展。
第3章步进电动机传动控制
混合式（永磁感应式）
第3章步进电动机传动控制
反应式步进电动机结构示意图
第3章步进电动机传动控制
反应式步进电动机多段环形线圈结构
第3章步进电动机传动控制
反应式步进电动机多段分布绕组结构
第3章步进电动机传动控制
反应式直线步进电动机
第3章步进电动机传动控制
永磁式步进电动机示意图 第3章步进电动机传动控制
3.2 步进电动机的环形分配器
3.2.1 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。为了
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。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 机。步进电动机驱动系统框图如图3.8所示。
第3章步进电动机传动控制
（2）通电方式 单双相轮流通电方式
上述两种通电方式的组合。即通电方式为：U → UV → V → VW→W → WU →U →… 称为三相六拍通电，如图3.4所示。 三相六拍通电方式的步距角减小一倍。
第3章步进电动机传动控制
3.1.2 小步距角步进电动机 实际的小步距角电动机如图3.5所示。它的定子内 圆和转子外圆上均有齿和槽，而且定子和转子的 齿宽和齿距相等。 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，下一相磁极下定子与转子齿的位置刚 好错开1/3齿距，再下一相磁极下定子与转子的齿 错开2/3齿距，依此类推。 当定子各相绕组轮流通电一次，转子就转过一个齿 距。
第3章步进电动机传动控制
3.2.2 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，使各相绕组按一定的顺序和时间导 通和断开，并根据指令使电动机正转或反转，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。
第3章步进电动机传动控制
反应式步进电动机结构示意图
第3章步进电动机传动控制
反应式步进电动机多段环形线圈结构
第3章步进电动机传动控制
反应式步进电动机多段分布绕组结构
第3章步进电动机传动控制
反应式直线步进电动机
第3章步进电动机传动控制
永磁式步进电动机示意图 第3章步进电动机传动控制
3.2 步进电动机的环形分配器
3.2.1 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。为了
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。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 机。步进电动机驱动系统框图如图3.8所示。
第3章步进电动机传动控制
（2）通电方式 单双相轮流通电方式
上述两种通电方式的组合。即通电方式为：U → UV → V → VW→W → WU →U →… 称为三相六拍通电，如图3.4所示。 三相六拍通电方式的步距角减小一倍。
第3章步进电动机传动控制
3.1.2 小步距角步进电动机 实际的小步距角电动机如图3.5所示。它的定子内 圆和转子外圆上均有齿和槽，而且定子和转子的 齿宽和齿距相等。 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，下一相磁极下定子与转子齿的位置刚 好错开1/3齿距，再下一相磁极下定子与转子的齿 错开2/3齿距，依此类推。 当定子各相绕组轮流通电一次，转子就转过一个齿 距。
第3章步进电动机传动控制
3.2.2 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，使各相绕组按一定的顺序和时间导 通和断开，并根据指令使电动机正转或反转，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。
《步进电动机》PPT课件
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第11章 步进电动机
t
360 Zr
(式中， Zr为转子齿数)， 所以转子每步转过的空间 角度(机械角度)， 即步距角为
s
t
N
360 Zr N
(11 - 1)
式中， N为运行拍数， N=km (k=1, 2； m为相数)。
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第11章 步进电动机
为了提高工作精度， 就要求步距角很小。 由式(11 - 1)可见， 要减小步距角可以增加拍数N。 相数增加相 当于拍数增加， 但相数越多， 电源及电机的结构也越 复杂。 反应式步进电动机一般做到六相， 个别的也有 八相或更多相数。 对同一相数既可以采用单拍制， 也 可采用双拍制。 采用双拍制时步距角减小一半。 所以 一台步进电动机可有两个步距角， 如1.5°/0.75°、 1.2°/0.6°、 3°/1.5°等。
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第11章 步进电动机
当A相控制绕组通电，而B相和C相都不通电时，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点， 所以转子齿1和3的轴线与定子A极轴线对齐。同理，当断开A相接通B相时，转子便按逆时针方 向转过30°，使转子齿2和4的轴线与定子B极轴线对齐。断开B相，接通C相，则转子再转过 30°，使转子齿1和3的轴线与C极轴线对齐。从而实现逆时针旋转。
θte=360° 或 θte=2π rad 相应的步距角为
be
te
N
360 N
(11 - 2)
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第11章 步进电动机
或
be
2
N
(11 - 3)
所以当拍数一定时， 不论转子齿数多少， 用电角
度表示的步距角均相同。
第13章 步进电动机传动控制系统
第13章步进电动机传动控制系统教学内容13.1 步进电动机13.2 步进电动机的环形分配器13.3 步进电动机的驱动电路13.4 步进电动机的运行特性及选用中应注意的问题教学安排本章安排2个学时，采用多媒体授课。
知识点及其基本要求1．掌握步进电动机步矩角和步进电动机转速的数学表达式及其物理意义；2．掌握步进电动机的结构、运行特性及影响因素。
重点和难点重点掌握步进电动机的通电方式和主要性能指标。
难点步进电动机的矩角特性和矩频特性。
教学设计1.了解步进电动机的结构和工作原理，掌握步进电动机的通电方式和求解步距角与转速的公式。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的机电执行元件。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。
(1)步进电动机的结构右图所示为一台三相反应式步进电动机的结构示意图，定子有6个磁极，每两个相对的磁极上绕有一相控制绕组。
转子上装有四个凸齿。
图13-1 步进电动机结构图（2）步进电动机的基本工作原理步进电机的工作原理同电磁铁的工作原理，磁通具有力图沿磁阻最小路径通过的特点。
图13-2 三相反应式步进电动机的工作原理图通电顺序A-B-C-A，转子便按顺时针方向一步步转动。
每换接一次，转子前进一个步距角。
通电顺序改为A-C-B-A便可反向旋转。
（3）步进电机的通电方式三相单三拍通电顺序：A-B-C-A或A-C-B-A，步距角30度（齿距90度）特点：每次只有一相控制绕组通电吸引转子，易引起在平衡位置振荡，稳定性差，绕组通电换极时易失步。
双三拍通电顺序：AB-BC-CA-AB或反过来，步距角30度（齿距90度）特点：始终有两相通电，感应力矩大，静态误差小，定位精度高，工作稳定，不易失步。
三相六拍通电顺序：A-AB-B-BC-C-CA-A步，距角15度（齿距90度）或A-AB-B-BC-C-CA-A特点：单、双相轮流通电，通电状态增加一倍、步距角减少一半，但具有双三拍的特点。
第111章步进电动机传动控制系统精品PPT课件
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
N
B2
A2
B1
左段 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。
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
若按三相六拍运行时，其步距角为
(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。
（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 。
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。
步进电动机传动控制系统课件
快速性
控制系统应具有快速的响应能 力，能够快速跟踪输入指令的 变化，并快速调整步进电动机 的转动。
可靠性
控制系统应具有较高的可靠性 ，能够长时间稳定运行，并具
有较强的抗干扰能力。
REPORT
CATALOG
DATE
ANALYSIS
SUMMAR Y
03
步进电动机传动控制系 统的应用
在自动化生产线中的应用
REPORT
CATALБайду номын сангаасG
DATE
ANALYSIS
SUMMAR Y
04
步进电动机传动控制系 统的优化与改进
控制算法的优化
总结词
控制算法的优化是提高步进电动机传动控制系统性能的关键。
详细描述
通过改进控制算法，如采用更精确的模型、引入智能控制策略等，可 以有效提高步进电动机的定位精度、速度控制和动态响应性能。
控制器
根据输入的指令或算法，输出相应的脉冲信 号给驱动器，控制步进电动机的转动。
传感器
用于检测步进电动机的位置、速度等参数， 并将检测结果反馈给控制器。
步进电动机传动控制系统的控制方式
开环控制
半闭环控制
通过控制器输出脉冲信号控制步进电 动机转动，不进行位置反馈控制。
介于开环控制和闭环控制之间的一种 控制方式，通过传感器检测电机轴上 的某些参数，间接反映位置信息，进 行控制。
闭环控制
在开环控制的基础上，增加位置传感 器对步进电动机的位置进行实时检测 ，并将检测结果反馈给控制器，实现 位置的精确控制。
步进电动机传动控制系统的设计原则
稳定性
控制系统应具有良好的稳定性 ，避免因外部干扰或系统内部 参数变化而产生振荡或失控。
机电传动控制9步进电动机控制系统课件
电 传
三、步进电动机传动控制系统的主要特点
动 控
制
① 步进电动机的步数和转速
与输入脉冲频率之间有严格的正比关系，
不会因电压的波动、负载的增减以及温度等 外部环境的变化而变化； ② 积累误差等于零，故其控制精度高； ③ 控制性能好，在一定的额率范围内 能按输入脉冲信号的要求迅速启动、反转和停止， 且能在较宽的范围内通过改变脉冲频率来进行调速。 故步进电动机拖动控制系统不用反馈 也能实现高精度的角度和转速控制。
简化了系统、降低了成本，特别适用于开环数控系统。
机电传动控制9步进电动机控制系
5
统课件
机
第9章 步进电动机控制系统
电 传
三、步进电动机传动控制系统的主要特点
动 控
制
④ 电脉冲的频率不能过高，
否则影响步进电动机的启动和正常运行；
⑤ 步进电动机不宜带转动惯量很大的负载，
否则也将影响它的启动和正常运行；
电 传
二、步进电动机的驱动电源
动 控
制
• 步进电动机的驱动电路
• 是使脉冲具有一定驱动功率的脉冲放大电路，其性能
• 对步进电动机的运行性能、响应速度和稳定性等影响很大。
• 驱动电源主要有单压限流型和高低压切换型两种。
步进电机的驱动系统框图
机电传动控制9步进电动机控制系
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统课件
机
第9章 步进电动机控制系统
主要用于数字控制系统中，精度高，运行可靠。
如采用位置检测和速度反馈，亦可实现闭环控制。
步进电动机应用于数字控制系统中，如： 数模转换装置、数控机床、 计算机外围设备、自动记录仪、 工业自动化生产线、印刷设备等。
机电传动控制9步进电动机控制系
步进电机及其驱动控制系统课件
工作原理
步进电机内部通常有多个励磁线圈，当外部施加一系列的电脉冲 信号时，这些线圈按照特定的顺序通电，产生旋转磁场，从而使 电机转子转动。
步进电机的分类与特点
01
分类
按照相数可分为单相、两相和三相步进电机；按照结 构可分为反应式、永磁式和混合式步进电机。
02
1. 定位精度高
步进电机通过接收电脉冲信号来转动，每接收一个脉 冲就转动一定的角度，因此定位精度较高。
步进电机及其驱动控制系统课 件
目
CONTENCT
录
• 步进电机概述 • 步进电机驱动控制系统 • 步进电机的选型与参数计算 • 步进电机驱动控制系统的设计 • 步进电机驱动控制系统的调试与优
化 • 步进电机及其驱动控制系统的发展
趋势与展望
01
步进电机概述
步进电机的定义与工作原理
定义
步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件 。
细分调整
通过调整细分参数，改善电机的步进精度和 扭矩特性。
热管理
合理设计散热方案，确保电机和驱动器在长 时间工作时温度稳定。
噪声与振动控制
优化机械和电气参数，降低电机运行时的噪 声和振动。
步进电机驱动控制系统的故障诊断与排除
故障现象分析
根据故障现象，分析可能的原因，如电源故障、机械卡滞、参数配置错误等。
控制器
控制器是步进电机驱动控制系统的核心，它负责发 出控制脉冲信号，控制步进电机的运转。
步进电机驱动控制系统的分类
按控制方式分类
可以分为开环控制系统和闭环 控制系统。开环控制系统结构 简单，成本低，但精度不高； 闭环控制系统精度高，但结构 复杂，成本高。
按电机类型分类
可以分为永磁式步进电机、反 应式步进电机和混合式步进电 机等。不同类型电机具有不同 的特性和应用场景。
步进电机内部通常有多个励磁线圈，当外部施加一系列的电脉冲 信号时，这些线圈按照特定的顺序通电，产生旋转磁场，从而使 电机转子转动。
步进电机的分类与特点
01
分类
按照相数可分为单相、两相和三相步进电机；按照结 构可分为反应式、永磁式和混合式步进电机。
02
1. 定位精度高
步进电机通过接收电脉冲信号来转动，每接收一个脉 冲就转动一定的角度，因此定位精度较高。
步进电机及其驱动控制系统课 件
目
CONTENCT
录
• 步进电机概述 • 步进电机驱动控制系统 • 步进电机的选型与参数计算 • 步进电机驱动控制系统的设计 • 步进电机驱动控制系统的调试与优
化 • 步进电机及其驱动控制系统的发展
趋势与展望
01
步进电机概述
步进电机的定义与工作原理
定义
步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件 。
细分调整
通过调整细分参数，改善电机的步进精度和 扭矩特性。
热管理
合理设计散热方案，确保电机和驱动器在长 时间工作时温度稳定。
噪声与振动控制
优化机械和电气参数，降低电机运行时的噪 声和振动。
步进电机驱动控制系统的故障诊断与排除
故障现象分析
根据故障现象，分析可能的原因，如电源故障、机械卡滞、参数配置错误等。
控制器
控制器是步进电机驱动控制系统的核心，它负责发 出控制脉冲信号，控制步进电机的运转。
步进电机驱动控制系统的分类
按控制方式分类
可以分为开环控制系统和闭环 控制系统。开环控制系统结构 简单，成本低，但精度不高； 闭环控制系统精度高，但结构 复杂，成本高。
按电机类型分类
可以分为永磁式步进电机、反 应式步进电机和混合式步进电 机等。不同类型电机具有不同 的特性和应用场景。
步进电机控制系统设计
步进电机控制系统设计目录1绪论 (3)1.1 步进电机概述 (3)1.2 步进电机的特征 (3)1.3 步进电机驱动系统概述 (4)1.4 课题研究的主要内容 (4)2步进电机驱动系统的方案论证 (5)2.1 步进电机驱动系统简介 (5)2.2 步进电机驱动器的特点 (5)2.3 混合式步进电机的驱动电路分类和性能比较 (6)2.3.1 双极性驱动器与单极性驱动器 (6)2.3.2 单电压驱动方式 (8)2.3.3 高低压驱动方式 (9)2.3.4 斩波恒流驱动 (10)2.4 方案的确定 (10)3混合式步进电动机驱动控制系统硬件设计 (11)3.1单片机最小系统 (11)3.2 红外遥控电路 (12)3.2.1 红外发射电路 (12)3.2.2 红外接收电路 (13)3.3 LCD显示电路 (14)3.4 双机通讯 (15)3.5 步进电机驱动部分 (16)3.5.1 单极性步进电机驱动 (16)3.5.2 双极性步进电机驱动 (18)3.6 电源电路 (18)4 软件设计 (19)4.1 主机LCD显示菜单程序 (19)4.2 双机通讯程序 (20)4.3 下位机步进电机驱动程序 (22)5 驱动器试验结果 (24)5.1 概述 (24)5.2 试验内容和结论 (24)总结 (26)参考文献 (27)1绪论1.1 步进电机概述步进电机是将电脉冲信号转换为角位移或线性运动的执行器。
它由步进电机及其动力驱动装置组成，形成开环定位运动系统。
当步进驱动器接收到脉冲信号时，它驱动步进电机以设定方向以固定角度（步进角度）旋转。
脉冲输入越多，电机旋转的角度越大;输入脉冲的频率越高，电机的速度越快。
因此，可以通过控制脉冲数来控制角位移，从而达到精确定位的目的;同时，通过控制脉冲频率可以控制电机转速，从而达到调速的目的。
根据自身结构，步进电机可分为三类：反应型（VR），永磁型（PM）和混合型（HB）。
混合式步进电机具有无功和永磁两种优点，应用越来越广泛。
步进电动机
Tf
L R'
频率越高，绕组中的平均电 流越小，电机所产生的平均 转矩大大下降，负载能力也 就大大下降了。
附加旋转电势的影响
电机铁心中的涡流损耗
二、静稳定区和动稳定区
通电时，转子每旋转一步最后停留的位置必须在动稳定区 内，即：静、动稳定区必须有所重叠，且从稳定性的角度来看，
重叠区间越大越好，这样，下一步就可继续沿着原来的旋转方
定子
转子
转子 θe
e
2
T正最大
静态转矩
定子
e
2
T负最大
定子
T
T
转子 θe θe
转子
矩角特性
步进电机产生的静态转矩T随失调角θe的变化规律
近似
T f e T j max sin e
Tjmax 稳定平衡点 /2
/2 静稳定区
θ
e
步进电动机的工作过程就是实现失调角为零的过程。
11.5 步进电动机的连续脉冲运行和动特性
连续转动状态 随着脉冲频率 f 的增高，电机转子还未稳定下来时，下一个 脉冲已经到来。 工业应用对步进电机的要求 不丢步/不越步 转子运动平稳 快速性
一、运行矩频特性 步进电机连续转动时的最大输出转矩T与驱动电源脉冲频率f间的关系
定子绕组电感的影响
L Tr R
11.4 步进电动机的单步运行状态
单步运行状态
仅改变一次通电状态或输入脉冲频率非常低
空载
加载
a
Tq
极限负载 or 极限启动转矩 电机以一定通电方式运行时，相邻矩角特性的交点所对应的转矩
3 Tq T j max 2
A
AB
B
步进电机及其控制系统课件
在数控机床中，步进电机主要用于驱 动工作台、主轴等运动部件，实现精 确的位置控制和速度控制，从而提高 加工精度和生产效率。
步进电机在机器人中的应用
随着机器人技术的不断发展，步进电 机在机器人领域的应用也越来越广泛。
在机器人中，步进电机主要用于驱动 机器人的手臂、腰部、腿部等关节， 实现机器人的精确控制和高效作业。
01பைடு நூலகம்
02
03
输入信号处理
接收来自控制系统的脉冲 信号，并根据需要进行解 码和放大。
电流控制
通过调节电机的输入电流， 实现电机的精确控制。
保护电路
确保电机在过载、短路等 异常情况下得到有效保护。
步进电机驱动器的应用实例
数控机床
用于实现高精度加工和定 位，提高加工质量和效率。
自动化生产线
用于自动化生产流程中的 物料搬运、装配等环节， 提高生产效率。
02
步进电机控制系统
步进电机控制系统的组成与功能
组成
步进电机控制系统主要由步进电机、驱动器、控制器和反馈 装置等部分组成。
功能
步进电机控制系统能够实现精确的位置控制、速度控制和加 速度控制，广泛应用于各种自动化设备和机器人中。
步进电机控制系统的基本原理
工作原理
步进电机控制系统通过控制器发送脉 冲信号控制步进电机的转动，从而实 现精确的位置控制。
控制方式
步进电机控制系统采用开环控制方式， 通过控制脉冲数量和频率实现精确的 速度和位置控制。
步进电机控制系统的实现方式
硬件实现
步进电机控制系统通常采用微控制器或PLC等控制器实现，通过驱动器驱动步进电机转动，同时通过反馈装置实 现精确的位置控制。
软件实现
步进电机控制系统的软件部分通常采用C、C或汇编语言编写，实现对步进电机的精确控制。
第九章-步进电动机传动控制系统
•3. 最高连续运行频率
•当控制电源的脉冲频率连续提高时，在一定性质和大小的负载下， 步进电动机能正常连续运行时（不丢步、不失步）所能加到的最高
频率称为最高连续运行频率或最高跟踪频率。
2288
第二十八页，共34页。
9.3步进电动机的驱动电源
•步进电动机及其驱动电源是一个相互联系的整体。步进电动机的运行性能是由电 动机和驱动电源两者配合所反映出来的综合效果。
四相八拍 A →AB →B →BC →C →CD →D → DA →A →
1111
第十一页，共34页。
3、基本特点
(1) 步进电动机工作时，每相绕组由专门驱动电源通过“环 形分配器”按一定规律轮流通电。
对于三相步进电动机，环形分配器是一路输入，三路输出。
脉冲电源→环形分配器→放大器→步进电动机 1122 第十二页，共34页。
(a)
(b)
(c)
图 三相六拍运行
(a) A相通电； (b) A、 B相通电；(c) B相通电 7
第七页，共34页。
③三相双三拍运行 通电方式AB→BC→CA→AB‥，一拍转过30 °。
8
第八页，共34页。
步进电动机的结构
9
第九页，共34页。
转子齿数 z表示.
齿距角
转子相邻两齿间的夹角，用θ z 表示。
转速取决于控制绕组通、断电的频率，转向取决于通电的顺序。
三 相 单 三
拍
运 行
(a) A相接通；
(b) B相接通；
(c) C相接通
6
第六页，共34页。
②三相单、双相间六拍运行
供电方式是A→AB→B→BC→C→CA→A …… ，共有 6 种通电状态，每一 循环换接 6 次，这 6 种通电状态中有时只有一相绕组通电(如A相)即单拍， 有时有两相绕组同时通电(如A相和B相)即双拍，故称三相单、双六拍。 图 表示按这种方式对控制绕组供电时转子位置和磁通分布的图形。
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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 电动机的步进电动机结构图 。
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
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
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。
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
第7章步进电动机传动控制系统
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。
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）
7.2.1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
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。
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7-2JK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。
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。
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
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
（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。
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。
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。
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。
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。
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
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 电动机的步进电动机结构图 。
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
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
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。
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
第7章步进电动机传动控制系统
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。
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）
7.2.1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
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。
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7-2JK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。
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。
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
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
（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。
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。
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。
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。
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。
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