步进电动机的控制

步进电动机有如下特点：
1. 电机输出轴的角位移与输入脉冲数成正比；转速与脉冲 频率成正比；转向与通电相序有关。没有累积误差，具有良 好的跟随性。
2. 由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既简单、 廉价，又非常可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高 性能的闭环数控系统。
3. 步进电机的动态响应快，易于起停、正反转、变速。 4. 步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械 负载采取相应的措施。 5. 步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较 差。
不同类型步进电机其工作原理、驱动装置也不完全一样，但其工作过程基 本是相同的。
二、步进电动机的工作原理
➢ 步进电动机的工作原理是基于电磁感 应原理。
➢ 步进电动机和一般旋转电动机一样， 分为定子和转子两大部分。
定子由硅钢片叠成，配以一定相数 的控制绕组，输入电脉冲对多相定子绕 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 的称为“反应式”步进电动机；用永久 磁铁做转子的称为“永磁式”步进电动 机；兼有永磁式和反应式两种步进电机 的特点，称为混合式步进电机。目前以 反应式步进电动机用得较多。
（一）反应式步进电机的结构
1.单段（径向式）三相反应式步进电机的结构原理图
主要由定子和转子两部分组成。
• 定子铁芯由硅钢片叠压而成，定子上有六 个均匀分布的极，每两个为一对。定子绕 组是绕置在定子上的六个均匀分布铁芯齿 上的线圈，它把沿直径方向上相对的两个 齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕 组。图中所示的步进电机为A、B、C三相 控制绕组，故称为三相步进电机。当任一 相绕组通电时，便形成一对定子磁极，即 形成N、S极。 在定子的每个磁极上，即定子铁芯的每 个齿上又开了五个小齿，齿槽等宽，齿间 夹角为9°，在空间位置上依次错Байду номын сангаас1/3齿 距其展开图如图所示。
图3-1 单段式反应式步进电动机 结构原理图
• 转子是一个带齿的铁芯，转子上没有绕组，转子上均匀分布了40 个小齿，齿槽等宽，齿间夹角也是9°，与定子磁极上的小齿一致。 当定子A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，定子B相磁极上 的小齿刚好超前(或滞后)转子小齿1/3齿距角，定子C相磁极上的 小齿超前(或滞后)转子小齿2/3齿距角。
磁力线：外边是从N极指向S极。
三相单三拍工作方式从一相绕组的通电或断电切换到另一相绕组的 断电或通电时，由于电机绕组是电感性元件，磁场的消失或建立均需一 定时间，因此，切换期间容易使电机产生失步。
此外，由单一绕组通电吸引转子，也容易使转子在平衡位置附近产 生振荡，运行的稳定性较差，所以很少采用。
• 三相双三拍工作方式：为了克服以上不足，通常将其改为三相双三拍通电 方式，即按AB-BC-CA-AB……方式通电，可使电机正转；反之按ABAC-BC-AB……方式通电，可使电机反转。这种工作方式每个通电状态均 为两相绕组同时通电，且相邻的两个工作节拍中总有一相保持通电的状态 不变，因此，可避免三相单三拍工作方式的失步和低频振荡等现象。三相 双三拍工作方式下，每改变一次通电状态可使步进电机旋转30°。
步进电机A相通电状态
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2.单段三相反应式步进电机的工作原理（近似于电磁铁的工作原理）
要点：磁力线力图走磁阻最小的路径，从而产生反应力矩； 各相定子齿之间彼此错开1/m齿距，m为相数，这里m=3。
三相单三拍工作方式：如图转子上有四个均匀分布的齿1、2、3、4。当A相通 电，B、C都不通电，因磁通总是要沿着磁阻最少的路径闭合，将使转子齿1、3
➢ 步进电机角位移与控制脉冲间精确同步，若将角位移的改变转变为线性 位移、位置、体积、流量等物理量的变化，便可实现对它们的控制。 （例如，在机械结构中，可以用丝杠把角度变成直线位移，也可以用它 带动螺旋定位器，调节电压和电流，实现对执行机构的控制。）
➢ 步进电动机具有快速启停、精确步进的特点，使其在定位场合中得到了 广泛的应用。(如绘图机、打印机及光学仪器中，采用步进电动机来定 位绘图笔、印字头或光学镜头。在工业过程控制的位置控制系统中应用 也越来越广泛。)
第1节 步进电动机的工作原理及驱动方法
• 步进电动机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直 线位移的机电执行元件。相当于一个数字/角度转换器，也 是一个串行的数/模转换器。输入一个电脉冲，电动机就转 动一个固定的角度，称为“一步”，这个固定的角度称为 步距角。
• 控制信号是脉冲电压、电流，所以有时也称为脉冲电动机 或电脉冲马达。
内容提要
第1节 步进电动机的工作原理及驱动方法 第2节 步进电动机的开、闭环控制 第3节 步进电动机的最佳点-位控制 第4节 步进电动机控制的程序设计
引言
➢ 步进电动机主要用于开环控制系统，也可以用于闭环控制系统。
➢ 由于它可以直接接收计算机输出的数字信号，而不需要进行数/模转换， 所以广泛应用于数字控制系统。
吸引到定子磁极A、A’下，并对齐，图(a),因转子只受到径向力而无切向力， 故转矩为零，转子被自锁在这个位置；当B相绕组通电，A、C相不通电，将使
转子齿2、4和定子磁极B、B’对齐，在电磁力矩的作用下使转子沿逆时针方向转 过30°，图(b)；C相通电，A、B相断电，又使转子齿1、3和定子磁极C、C'对 齐，在电磁力矩的作用下使转子再沿着逆时针方向转过30°，图(C)。若使定子 绕组按A-B-C-A……的顺序通电，则步进电机转子便不停地沿逆时针方向转动。 如果定子绕组的通电顺序为A-C-B-A……则步进电机转子沿顺时针方向转动。
一、步进电动机的种类
1.按运动方式来分：分为旋转运动、直线运动、平面运动（印刷绕组式）和 滚切运动式步进电机。 2.按工作原理来分：分为反应式(磁阻式)、电磁式、永磁式、永磁感应式 （混合式）步进电机。 3.按其工作方式来分：分为功率式和伺服式。前者输出转矩较大，能直接带 动较大的负载；后者输出转矩较小，只能带动较小的负载，对于大负载需通 过液压放大元件来传动。 4.按结构来分：分为单段式（径向式）、多段式（轴向式）、印刷绕组式。 5.按相数来分：分为三相、四相、五相、六相等。 6.按使用频率来分：分为高频步进电机和低频步进电机。