机电传动控制4--第11章 步进电机控制系统
步进电机控制系统原理
步进电机控制系统原理步进电机控制系统的原理是控制步进电机运动，使其按照既定的速度和步长进行转动。
步进电机是一种特殊的电机，它通过控制输入的脉冲信号来驱动转子旋转一定的角度，步进电机每接收到一个脉冲信号，转子就会转动一定的角度，因此可以精确控制电机的位置和速度。
控制器是步进电机控制系统的核心部分，它通过软件算法生成脉冲信号来控制步进电机转动。
脉冲信号的频率和脉宽可以调节，频率决定步进电机转动的速度，脉宽决定步进电机转动的步长。
通常采用微处理器作为控制器，通过编程来控制脉冲信号的生成。
驱动器是将控制器产生的脉冲信号转换为电流信号，驱动步进电机转动。
驱动器通常由一个或多个功率晶体管组成，通过开关控制来产生恰当的电流信号。
驱动器还可以采用电流反馈回路来实现闭环控制，提高步进电机的控制精度。
步进电机是根据驱动器的电流信号转动的执行部件，它通过电磁力和磁场相互作用来实现转动。
步进电机根据控制器产生的脉冲信号确定转动的角度和速度。
步进电机一般由定子和转子组成，定子上有若干个电磁线圈，转子上有若干个永磁体。
当驱动器给定一个电流信号时，电流通过定子线圈产生磁场，与转子上的永磁体相互作用，使转子转动一定的角度。
当驱动器改变电流信号时，磁场方向改变，转子转动的角度和方向也会改变。
步进电机控制系统的原理就是通过控制器产生脉冲信号，驱动器将脉冲信号转换为电流信号，通过电流信号驱动步进电机转动。
控制器根据需要调整脉冲信号的频率和脉宽，从而控制步进电机的转动速度和步长。
驱动器根据电流信号的大小和方向控制步进电机的转动角度和方向。
步进电机根据电磁力和磁场相互作用来实现转动。
通过调节脉冲信号的频率和脉宽，可以实现对步进电机的精确控制。
步进电机及其控制系统课件
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。
步进电机控制方法
第四节 步进电机的控制与驱动步进电机的控制与驱动流程如图4-11所示。
主要包括脉冲信号发生器、环形脉冲分配器和功率驱动电路三大部分。
步进脉冲方向电平图4-11 步进电机的控制驱动流程二、步进电机的脉冲分配环形分配器是步进电机驱动系统中的一个重要组成部分，环形分配器通常分为硬环分和软环分两种。
硬环分由数字逻辑电路构成，一般放在驱动器的内部，硬环分的优点是分配脉冲速度快，不占用CPU的时间，缺点是不易实现变拍驱动，增加的硬件电路降低了驱动器的可靠性；软环分由控制系统用软件编程来实现，易于实现变拍驱动，节省了硬件电路，提高了系统的可靠性。
1．采用硬环分时的脉冲分配采用硬环分时，步进电机的通电节拍由硬件电路来决定，编制软件时可以不考虑。
控制器与硬环分电路的连接只需两根信号线：一根方向线，一根脉冲线（或者一根正转脉冲线，一根反转脉冲线）。
假定控制器为AT89S52单片机，晶振频率为12MHz，如图4-18：P1.0输出方向信号，P1.1输出脉冲信号。
则控制电机走步的程序如下：（1）电机正转100步MOV 0FH，#100D ；准备走100步CONT1： SETB P1.0 ；正转时P1.0=1CLR P1.1 ；发步进脉冲的下降沿（设驱动器对于脉冲的下降沿有效）NOP ；延时（延时的目的是让驱动电路的光耦充分导通）NOP ；延时（根据驱动器的需要，调整延时）SETB P1.1 ；发步进脉冲的上升沿MOV 0EH，#4EH ；两脉冲之间延时20000μs（决定电机的转速）MOV 0DH，#20H ；20000的HEX码为4E20CALL DELAY ；调用延时子程序DJNZ 0FH，CONT1 ；循环次数减1后，若不为0则继续，循环100次RET（2）电机反转100步MOV 0FH，#100D ；准备走100步CONT2： CLR P1.0 ；反转时P1.0=0CLR P1.1 ；发步进脉冲的下降沿（设驱动器对于脉冲的下降沿有效）NOP ；延时（延时的目的是让驱动电路的光耦充分导通）NOP ；延时（根据驱动器的需要，调整延时）SETB P1.1 ；发步进脉冲的上升沿MOV 0EH，#4EH ；两脉冲之间延时20000μs （决定电机的转速）MOV 0DH，#20H ；20000的HEX 码为4E20CALL DELAY ；调用延时子程序 DJNZ 0FH，CONT2 ；循环次数减1后，若不为0则继续，循环100次RET2．采用软环分时的脉冲分配如图4-19所示，该系统基于AT89S52单片机，利用扩展的可编程接口芯片8255A 的PB 口送出步进脉冲信号，经过驱动放大后，分别控制X 轴、Z 轴两个三相六拍反应式步进电机激磁绕组的通电顺序，以控制刀架在X、Z 两个方向的运动。
机电传动控制完整版word(冯清秀)11
第十一章步进电动机传动控制系统11.1 步进电动机步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件。
每当一个脉冲信号施加于电机的控制绕组时，其转轴就转过一个固定的角度（步距角），顺序连续地发给脉冲，则电机轴一步接一步地运转。
图11.1 步进电动机实物图步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比，运行中无累积误差。
步进电机能方便地实现正、反转和调速、定位控制。
特别是不需位置传感器或速度传感器就可以在开环控制下精确定位或同步运行。
因此，步进电动机广泛应用在数字控制的各个领域。
如各种数控机械、办公自动化产品、工厂自动化机器、计算机外设等。
步进电动机的缺点是不能达到很高的转速（一般小于1000到2000转/min）。
存在低频振荡、高频失步等缺陷。
另外，步进电机自身的噪声和振动较大。
一、步进电动机的工作原理步进电动机的种类很多，按工作原理分，有反应式（Variable-reluctance）、永磁式（Permanent-magnet）、混合式（Hybrid）三种。
按输出转矩大小分，有快速步进电机、功率步进电机。
按励磁相数分有二、三、四、五、六、八相等。
按定子排列还可分为多段式(轴向式)和单段式(径向式)。
步进电动机的结构形式虽然繁多，但工作原理基本相同，下面仅以三相反应式步进电动机为例说明之。
如图11.2所示为一台三相反应式步进电动机的结构示意图。
和一般旋转电动机一样，步进电机也分为定子和转子两大部分。
定子部分由定子铁心、绕组、绝缘材料等组成。
定子铁心是由硅钢片叠压而成的有齿的圆环状铁心。
图中定子有6个磁极，每对磁极上绕有励磁绕组，由外部脉冲信号对各相绕组轮流励磁。
如图所示。
转子部分由转子铁心、转轴等组成。
转子铁心是由硅钢片或软磁材料叠压而成的齿形铁心。
图中转子上有4个凸齿。
若对励磁绕组以一定方式通以直流励磁电流，则转子以相应的方式转动。
其转动原理其实就是电磁铁的工作原理 。
比如，给A 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。
机电传动第11章答案
第十一章11.1何谓开循环控制系统？何谓闭循环系统？两者各有什么优缺点？系统只有控制量(输出量)的单向控制作用,而不存在被控制量的影响和联系,这称之为开环控制系统.优点是结构简单能满足一般的生产需要.缺点是不能满足高要求的生产机械的需要.负反馈控制系统是按偏差控制原理建立的控制系统,其特点是输入量与输出量之间既有正向的控制作用,又有反向的反馈控制作用,形成一个闭环控制系统或反馈控制系统.缺点是结构复杂,优点可以实现高要求的生产机械的需要.11.2什么叫调速范围、静差度？它们之间有什么关系？怎样才能扩大调速范围。
电动机所能达到的调速范围,使电动机在额定负载下所许可的最高转速何在保证生产机械对转速变化率的要求前提下所能达到的最低转速之比(D).转速变化率即调速系统的静差度电动机有理想空载到额定负载时转速降与理想空载转速的比值(S) 两者之间的关系时D=nmax S2/ΔnN(1-S2),在保证一定静差度的前提下,扩大系统调速范围的方法是提高电动机的机械特性的硬度以减小ΔnN11.3生产机械对调速系统提出的静态、动态技术的指标有哪些？为什么要提出这些技术指标？生产机械对调速系统提出的静态技术的指标有静差度,调速范围,调速的平滑性.动态技术指标有最大超调量,过渡过程时间,振荡次数.因为机电传动控制系统调速方案的选择,主要是根据生产机械对调速系统提出的调速指标来决定的.11.4为什么电动机的调速性质应与生产机械的负载特性想适应？两者如何配合才能算适应。
电动机在调速过程中,在不同的转速下运行时,实际输出转矩和输出功率能否达到且不超过其润许长期输出的最大转矩和最大功率,并不决定于电动机本身,而是决定于生产机械在调速过程中负载转矩及负载功率的大小和变化规律,所以,为了使电动机的负载能力得到最充分的利用,在选择调速方案时,必须注意电动机的调速性质与生产机械的负载特性要适合.负载为恒转矩型的生产机械应近可能选择恒转矩性质的调速方法,且电动机的额定转矩应等于或略大于负载转矩,负载为转矩恒功率型的生产机械应尽可能选用恒功率性质的调速方法,且电动机的额定功率应等于或略大于生产机械的负载转矩.11.5有一直流调速系统，其高速时理想的空载转速n01=1480r/min,低速时的理想空载转速n 02=157/min,额定负载时的转矩降ΔnN=10 r/min,试画出该系统的静特性.求调速范围和静差度。
4--第11章 步进电机控制系统
不细分时: A相绕组通电：转子停在A-A位置 A、B相绕组通电：转子停在位置
Ⅰ，转角300 B相绕组通电：转子停在B-B位置 ，
转角300
5.1.4 步进电动机的主要性能指标 一、步进电机的静态指标
➢相数：产生磁场的激励线圈的励磁数（定子绕组的个数），一般分为三相、 四相、五相、六相甚至八相。目前多用三至六相的步进电机； ➢拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，或指电机转过一 个齿距角所需脉冲数，用n表示，磁场一个周期360°，转过一个机械齿距角； ➢步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移，用θ表示； ➢定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩； ➢静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运行时，电机转轴的锁 定力矩。该力矩是衡量电机体积的标准，与驱动电压及驱动电源无关。
➢力矩：
电机一旦通电，在定子和转子间将产生磁场，转子与定子错开
一定角度（磁通量Ф）。力F与定子和转子的错开角有关，与
（dФ/dθ)成正比。
Ф＝BrS
Br为磁通密度，S为导磁面积。
F 与LDBr成正比，L为铁芯有效长度，D为转子直径。
Br＝N×I/R，N×I为励磁绕组安匝数，R为磁阻， 磁阻与磁导率成反比。
2）永磁式： 转子为永磁材料，转子的极数=每相定子极数，不开小齿，
步距角较大，力矩较大。 3）混合式：
转子为永磁式、两段，开小齿，转矩大、动态性能好、步 距角小，但结构复杂，成本较高。
以反应式为例说明步进电机的结构和工作原理
反应式步进电动机结构：
一、步进电动机的组成 如图所示为一台三相反应式步进电动机的结构示意图 ，同样由定子和转子组成。
冲一个一个输入，电动机便一步一步转动。
步进电机控制系统的组成和控制原理
步进电机控制系统的组成和控制原理步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而到达准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而到达调速的目的。
步进电机控制系统构造如下，通过单片机或是计算机等发送控制命令给电机驱动器，电机驱动器将控制命令转化为驱动信号给执行电机。
步进驱动控制面板的右侧为面板和步进电机面板的接口，包含步进电机的驱动信号，左侧为与运动控制器的接口，包含方向和脉冲等控制信号接口。
+A，-A, +B,-B,AC,BC 信号为步进电机的电源线，用于驱动电机的运动。
+5V,PUL+,DIR+为与控制器相连的控制信号。
其含义为：+5V为电源。
PUL+为脉冲信号，用于位置模式下的电机控制。
DIR+为方向信号，用于位置模式下的电机控制。
步进电机构造如下，单极性(unipolar) 和双极性(bipolar) 是步进电机最常采用的两种驱动架构。
单极性驱动电路使用四颗晶体管来驱动步进电机的两组相位，电机包含两组带有中间抽头的线圈，整个电机共有六条线与外界连接。
这类电机有时又称为四相电机或应是双相位六线式步进电机。
六线式步进电机虽又称为单极性步进电机，实际上却能同时使用单极性或双极性驱动电路。
单极半步运行的原理如下，通过驱动器控制电机线路，在相应的位置产生如下的磁场，驱动电机一步一步的运动。
步进电机一般用于开环伺服系统，由于没有位置反应环节，固位置控制的精度由步进电机和进给丝杠等等来决定。
虽档次低，但是构造简单价格较低。
在要求不高的场合仍有广泛应用。
在数控机床领域中大功率的步进电机一般用在进给运动（工作台）控制上，但是就控制性能来说其特性不如交流伺服电机。
振动、噪音也比较大。
尤其是在过载情况下，步进电时机产生失步，严重影响加工精度，但其便宜的价格，方便使用的特点，在工业中的达广泛的应用。
《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。
步进电机控制系统浅析
步进电机控制系统浅析步进电机是一种控制简单、响应速度快、结构紧凑的电机，广泛应用于数控机床、印刷设备、医疗设备、自动售货机等许多场合。
步进电机控制系统是指对步进电机进行速度、位置、力矩等参数进行控制的系统，其稳定性和精度对整个设备的性能起着至关重要的作用。
本文将对步进电机控制系统进行一些浅析，包括其基本原理、控制方法及应用场景。
一、步进电机控制系统的基本原理步进电机控制系统的基本原理是通过对步进电机施加脉冲信号，从而驱动步进电机旋转一定角度。
步进电机是将输入的脉冲信号转化为机械位移的电机，通过控制脉冲的频率和脉冲的数量来实现控制电机的转速和位置。
步进电机的控制系统通常由脉冲发生器、驱动器和控制器三部分组成。
脉冲发生器用于产生指定频率和数量的脉冲信号，它通常由控制器进行控制，控制器会根据要求的转速和位置生成相应的脉冲信号。
驱动器则负责将脉冲信号转化为电机的相应动作，它可以控制电机的旋转方向、速度和制动。
控制器是整个系统的核心，它可以接收外部指令，根据指令生成相应的脉冲信号，实现对电机的精确控制。
二、步进电机控制系统的常用控制方法步进电机控制系统有多种控制方法，常见的包括开环控制、闭环控制和矢量控制。
开环控制是最简单的步进电机控制方法，它只需传递脉冲信号给驱动器，由驱动器控制电机转动，但开环控制无法保证电机的精确位置和速度，容易受到外部环境干扰，适用于一些对精度要求不高的场合。
闭环控制是通过反馈系统实时监测电机位置和速度，根据反馈信息调整脉冲信号，使电机的实际位置和速度与期望值保持一致。
闭环控制可以提高系统的稳定性和精度，但复杂度和成本也相应增加，适用于对精度要求较高的场合。
矢量控制是一种结合直流电机控制思想的步进电机控制方法，它利用矢量运算实现对步进电机的精确控制，能够实现电机的高速、高精度和高效率运行。
矢量控制可根据实际需要对电机进行强制转矩、恒转矩和临界转矩控制，适用于对控制精度和效率有较高要求的场合。
步进电机控制系统浅析
步进电机控制系统浅析导言步进电机是一种特殊的电动机，其具有精准的位置控制和简单的驱动电路构成。
因此步进电机在许多领域被广泛应用，包括机械臂、数控机床、3D打印等。
步进电机的控制系统是实现其精确定位和运动的关键，本文将对步进电机控制系统进行浅析。
一、步进电机原理步进电机是一种将电脉冲信号转换为轴向位移的装置，其工作原理主要有两种类型：单步模式和微步模式。
在单步模式下，步进电机每接收一个脉冲信号后，电机旋转一个固定的角度，这个固定的角度称为步距角。
通常情况下，步距角是由电机的物理结构决定的，不同类型的步进电机具有不同的步距角。
在微步模式下，步进电机接收到的脉冲信号会被分解成更小的步距角，从而实现更加精细的控制。
微步模式可以通过更加复杂的驱动电路来实现，通过改变驱动电流的大小和方向来实现步进电机的微步控制。
二、步进电机控制系统组成步进电机控制系统主要由电路驱动部分和控制算法部分组成。
1. 电路驱动部分步进电机的电路驱动部分主要包括功率放大器、脉冲信号发生器和步进电机。
功率放大器用于放大控制信号，驱动步进电机旋转。
脉冲信号发生器用于产生控制信号，控制步进电机的运动。
步进电机则接收控制信号，实现具体的转动动作。
2. 控制算法部分步进电机的控制算法部分主要包括位置控制算法和速度控制算法。
位置控制算法用于确定步进电机的具体位置，通常采用开环控制或者闭环控制来实现。
速度控制算法用于确定步进电机的运动速度，可以通过调整脉冲信号频率来实现。
三、步进电机控制系统工作原理步进电机的控制系统工作原理主要可以分为以下几个步骤：1. 确定目标位置在步进电机的控制系统中，首先需要确定步进电机需要转动到的目标位置。
这个目标位置可以通过控制算法部分来确定，通常可以通过编程或者传感器来实现。
2. 生成控制信号一旦确定了目标位置，控制算法部分就会开始生成相应的控制信号。
这些控制信号会传送到功率放大器和脉冲信号发生器，通过电路驱动部分传送到步进电机。
步进电机的控制方式PPT课件
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３、步距角
步距角——绕组每通电一次（即运行一拍），转 子就走一步，即转过一定的角度。
磁阻式步进电机的步距角用公式表示： QS=360°/NZr （N=MCC ）
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四、控制方式
1、目的
当定子绕组按一定顺序轮流通电时，转子就沿 一定方向一步步转动。因此步进电动机绕组是按 一定通电方式工作的，为实现该种轮流通电，要 将控制脉冲按规定的通电方式分配到电动机的每 相绕组。
【项目功能】
1、通过该项目掌握步进电机的工作原理 2、通过该项目熟练掌握步进电机的结构。
【知识点和技能点】
1、步进电机的工作原理 2、步进电机的结构。 ３、步进电机的控制方式。
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【项目知识准备】 一、步进电动机的结构组成：
步 定子 ——由硅钢片叠
进
成,有一定数量的
电
磁极和绕组
机 转子 ——用硅钢片叠
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步进电机传动控制系统
步进电机传动控制系统1.步进电机的定义步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。
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，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
2.步进电机的优点（1）步距值不受各种干扰因素的影响。
（只要电压在工作范围内）如电压的大小，电流的数值、波形、温度的变化等。
（2）误差不长期积累。
步进电机每走一步所转过的角度与理论步距之间总有一定的误差，从某一步到任何一步，也总有一定的累积误差，但是，每转一圈的累积误差为零，所以步距的累积误差不是长期的累积下去。
（3）控制性能好，启动、停车、翻转都是在少数脉冲内完成，在一定的频率范围内运行时，任何运动方式都不会丢失一步。
所以，步进电机被广泛应用于数控机床上。
3.步进电机的缺点（1）力量小，承受的载荷比较小。
（2）失步会引起控制误差，转速有限。
4.步进电机的种类步进电动机分为反应式、永磁式及混合式三种基本类型。
（1）反应式定子上有绕组、转子由软磁材料组成。
结构简单、成本低、步距角小，可达1.2°、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。
（软磁材料加磁场既容易磁化,又容易退磁,即矫顽力很低的磁性材料。
）（2）永磁式永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。
其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大（一般为7.5°或15°）。
（永磁材料磁性硬是指磁性材料经过外加磁场磁化以后能长期保留其强磁性，其特征是矫顽力高。
）（2）混合式混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。
步进电机控制系统PPT文档共27页
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
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27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
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28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
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30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
13、遵守纪律的风气的培养，只有领 导者本 身在这 方面以 身作则 才能收 到成效 。—— 马卡连 柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅 精神以 及同全 世界劳 动者的 团结一 致，是 取得最 后胜利 的保证 。—— 列宁 摘自名言网
15、机会是不守纪律的。——雨果
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谢谢！
27
步进电机控制系统
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡 连柯(名 言网)
步进电机及其驱动控制系统课件
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
步进电动机控制系统
一、概述
分类： 2、分类：
① ② ③
反应式步进电动机：转子无绕组，采用软磁材料， 反应式步进电动机：转子无绕组，采用软磁材料， 结构简单、成本低、步距角小，动态性能较差。 结构简单、成本低、步距角小，动态性能较差。 永磁式步进电动机：转子为永磁材料，输出转矩大， 永磁式步进电动机：转子为永磁材料，输出转矩大， 动态性能好，步距角大，需要正负脉冲信号。 动态性能好，步距角大，需要正负脉冲信号。 混合式步进电动机：综合上述两者的优点，结构复 混合式步进电动机：综合上述两者的优点， 成本高。 杂，成本高。
三、步进电动机的驱动
1、PMM8713
1 2 3 4 5、6
7 8 9 10、 11、 12、13 14
15 16
步进电动机控制系统
三、步进电动机的驱动
1、PMM8713
步进电动机控制系统
三、步进电动机的驱动
1、PMM8713
步进电动机控制系统
三、步进电动机的驱动
2、UCN5804B Allegro公司的四相步进电动机专用控 Allegro公司的四相步进电动机专用控 制芯片，它集控制逻辑、脉冲分配、 制芯片，它集控制逻辑、脉冲分配、功率 放大及保护电路于一体， 放大及保护电路于一体，可设定三种不同 的工作方式，对转向进行控制， 的工作方式，对转向进行控制，并通过改 变外部时钟频率来改变电机的转速。 变外部时钟频率来改变电机的转速。
二、反应式步进电动机结构及工作原理
工作原理： 2、工作原理：
步距角：转子齿每前进一步在电机圆周上所跨过的距离， 步距角：转子齿每前进一步在电机圆周上所跨过的距离， 我们用一个角度来表示，叫做步距角。 我们用一个角度来表示，叫做步距角。 θ N = 2π / NZ (N)：每改变一次通电方式叫做一拍，常用为三拍。 拍(N)：每改变一次通电方式叫做一拍，常用为三拍。如 通电顺序为A A,即三拍 如果反向,即为A 即三拍。 通电顺序为A-B-C-A,即三拍。如果反向,即为A-CB-A。 通电循环：控制绕组各完成一次通电形成一个通电循环， 通电循环：控制绕组各完成一次通电形成一个通电循环， 每经过一个通电循环， 每经过一个通电循环，转子齿前进一个齿距的 距离。 距离。 单：每次改变通电方式只有一个绕组通电
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。
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2 100
若按单、双通电方式运行时，步距角
360 0.9
2 2100
由此可见，步进电动机的转子齿数Z和定子相数(或运行拍数)愈多，则步距角 愈小，控制越精确。
当定子控制绕组按着一定顺序不断地轮流通电时，步进电动机就持续不断地 旋转。如果电脉冲的频率为f(HZ)，步距角用弧度表示，则步进电动机的转速为：
5.1 步进电动机
第五章 步进电动机
常见步进电机外形构造
步进电机内部结构
通电线圈中磁感应强度B=μH=μnI
Ф=BS．(S是垂直磁感强度的面积)
线圈磁通量是由线圈匝数和面积，以 及线圈中的通电电流所决定的。
步进电机内部结构 步进电机的内部构造
步进电动机构造： 由转子（转子铁芯、永磁体、转轴、滚珠轴承），定子（绕组、定子铁
一、步进电动机的组成 如图所示为一台三相反应式步进电动机的结构示意图 ，同样由定子和转子组成。
定子：由定子铁心、绕组、绝缘材料等组成
励磁绕组由外部脉冲信号对各相绕组 轮流励磁。如图所示。
A'
A K1
B'
B K2
C'
C K3
转子：由转子铁心、转轴等组成。转子铁心是由硅钢片或软磁材料叠压而成的齿 形铁心。
转子为永磁材料，转子的极数= 每相定子极数，不开小齿，步距角 较大，力矩较大。 3）混合式：
转子为永磁式、两段，开小齿 ，转矩大、动态性能好、步距角小 ，但结构复杂，成本较高。
a) 反应式步进电动机 b) 永磁式式步进电动机
c) 混合式步进电动机
以反应式为例说明步进电机的结构和工作原理
反应式步进电动机结构：
冲一个一个输入，电动机便一步一步转动。
角位移
输入脉冲个数
运行速度 步进电动机的分类：
输入脉冲频率
工作原理
反应式 永磁式 混合式
输出转 矩大小
快速步进电机 功率步进电机
励磁相数 二、三、四、五、六、八相等
步进电动机的种类
通常按励磁方式分为三大类：
1）反应式： 转子为软磁材料，无绕组，定
、转子开小齿、步距角小。 2）永磁式：
其中定子的三个励磁绕组，其 几何轴线依次分别与转子齿轴线错 开。错开的距离分别为1/3(T)、 2/3(T)。T为相邻两齿轴线间的距离。
二、步进电动机的工作原理
给A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。 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：错齿是使 得步进电机旋转的根本原因。
2. 三相六拍工作方式：
每次转动15o，当通电顺序按A-AB-B-BC-C-CA-A时，则转子便按顺时针方向一 步一步地转动，步距角为15o。电流换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距。
如果要 反转，则通电顺序改为A-CA-C-BC-B-AB-A即可。 3. 双拍工作方式： 正转：AB-BC-CA-AB 反转：AC-CA-BC-AC 同样双三拍通电方式每走一步前进了一个步距角（30o）。
图5.4 步距细分原理图
这就是4细分，即一步分成 4步。目前常用细分系数有 2、4、8、16、32、64
细分时：
A相绕组额定电流：转子停在A-A位置 A相绕组额定电流、B相绕组1/2额定电流：转子 停在位置Ⅱ，转角150 A相绕组额定电流、B相绕组额定电流时：转子 停在位置Ⅰ ，转角150 A相绕组1/2额定电流、B相绕组额定电流：转子 停在位置Ⅲ ，转角150 B相绕组额定电流：转子停在位置B-B，转角150
a)
b)
5.1.2 通电方式
一、步进电动机的通电方式 步进电动机的转速既取决于控制绕组的通电频率，也取决于绕组通电方式， 三相步进电机一般有单三拍、单双六拍和双三拍等通电方式，其中“单”是指 每次切换前后只有一相绕组通电，“双”指每次有两相绕组通电；而从一种通 电状态转换到另一种通电状态就叫“拍”。
芯），前后端盖等组成。最典型两相混合式步进电机的定子有8个大齿，40 个小齿，转子有50个小齿；三相电机的定子有9个大齿，45个小齿，转子有 50个小齿。
电动机构造图
转轴成平行方向的断面图
5.1.1 步进电动机结构与工作原理
步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件。每当输入
一个电脉冲时，它便转过一个固定的角度，这个角度叫步距角β，简称步距。脉
n
f
60
2
KmZ
f
60
60
f （r/min标注为rpm）
2
2
KmZ
5.1.3 步距角的细分 单相或双相通电时，称为整步运行；整步又称自然步。 单、双相通电时，称为半步运行。 整步或半步运行时，因单步增量都比较大，而运行振动直接与步增量有关。
细分的目的就是将自然步进行细分，得到微步距，以得到较好的运行性能。
1. 单相通电方式：指对每相绕组单独轮流通电，对于三相步进电动机：
每次转动30o，因此，当通电顺序为A－B－Ｃ－Ａ时，转子按顺时针方向一 步一步转动。每换接一次，则转子前进一个步距角。电流换接三次，磁场旋转一 周，转子前进一个齿距角，这里是90o。
如果要改变旋转方向，则只要改变通电顺序即可，如通电顺序改为A－Ｃ－ Ｂ－Ａ时，转子按逆时针方向一步一步转动。 齿距角：转子齿与齿之间的角度。 步距角：转子每步转过的角度。
二、步进电动机的步距角
由一个通电状态改变到下一个通电状态时，电动机转子所转过的角度称为步距角。 设转子的齿数为Z，则齿距为：
τ = 360/Z
步距角：
＝齿距/拍数=360/（KmZ）
其中：Z－转子齿数 m－定子绕组相数 K－通电系数 K=1,2，（单三拍、双三拍时，K＝1；单、双六拍时，K＝2）
若二相步进电动机的Z=100，单拍运行时，其步距角
不细分时: A相绕组通电：转子停在A-A位置 A、B相绕组通电：转子停在位置
Ⅰ，转角300 B相绕组通电：转子停在B-B位置 ，
转角300
5.1.4 步进电动机的主要性能指标 一、步进电机的静态指标
➢相数：产生磁场的激励线圈的励磁数（定子绕组的个数），一般分为三相、 四相、五相、六相甚至八相。目前多用三至六相的步进电机； ➢拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，或指电机转过一 个齿距角所需脉冲数，用n表示，磁场一个周期360°，转过一个机械齿距角； ➢步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移，用β表示； ➢定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩； ➢静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运行时，电机转轴的锁 定力矩。该力矩是衡量电机体积的标准，与驱动电压及驱动电源无关。