第三章执行元件选择与设计

e
T
T jmax
定子 转子
失调角示意图
p
p/2
p/2
p
e
T jmax
矩－角特性曲线
（3）动态特性
动态特性参数：主要指动态稳定区、启动转矩、 矩－频特性、惯－频特性等。
动态稳定区：在步进电机从A相转换为B（或
AB）相通电，不产生丢步时的稳定工作区域θr。
从图中可以得出，步进电机工作的拍数越多，稳
定工作区域θr越接近静态稳定工作区域θe，越不
A
A
C
B
21 34
B
C
A
3.3.2 步进电动机的运行特性与性能指标
（1）分辨率
主 要 指 步 进 角 =360º/znK 。 如 ： 0.6º/1.2º、 0.75º/1.5º、0.9º/1.8º、………。
（2）静态特性
主要指步进电机在稳态工作条件下的特性， 包括：矩—角特性、静转矩、静态稳定特性等。
高低压功率放大器
单稳 触发器
w w
特点：仅在脉冲开始时接通高压 特点：具有高压驱动， 电源，其余时间仅接通低压电源 电流增长速度快、前 供电。具有功效高、电流上升率 沿变陡，电机的扭矩 高、高速运转性能好，但波形陡 和频率得到提高。 有时存在过冲现象，谐波丰富，
在低速运转时易产生振动。
恒流源功率放大器
容易丢步。
起动转矩Tq：两相（A、B）矩－角特性之交
点Tq表示步进电机单相励磁时所能带动的极限 负载转矩，与步进电机的相数和通电方式有关。
T Tjmax
p p/3
Tq
r
Tjmax
p
T Tjmax
Tq
p
e p/3
r
Tjmax
矩－角 特性
p
e 曲线族
最高连续运转频率fmax及矩－频特性：步
进电机连续运转时所能接受的最高控制频率
（2）步进电动机的种类
① 种类 · 按转子构成分类： 可变磁组型（VR）步进电机 ——转子为导 磁体，也称反应式步进电机。 永磁型（PM）步进电机 ——转子为永磁铁。 混合型（HB-Hybrid）步进电机 ——转子为 导磁体和永磁铁的组合。 · 按定子绕组对数分类： 分为2相、 3相、 4相、 5相、 10相等步进电机。 · 按定子绕组通电极性分类： 分为单极性和双极性步进电机。
fmax，称最高连续运转频率；步进电机连续
运转转矩随频率的增加而降低，称矩－频特 性。
T Tjmax
p p/3
Tq
r
Tjmax
p
T Tjmax
Tq
p
e p/3
r
Tjmax
p
e
矩－角特性曲线族
3.3.3 步进电机的驱动与控制
步进电机的驱动电路：主要由脉冲分配器 和功率放大器两部份组成。
变频控制信号：主要有脉冲频率信号和方 向控制信号。
第三章执行元件选择与设计
常用伺服控制电动机的控制方式
主要有：开环控制、半闭环控制、 闭环控制三种。
如图所示数控机床伺服系统。
它由控制器、被控对象、反馈测量装置 等部分组成。
3.2.1 机电一体化系统 对伺服控制电动机的基本要求
为实现运动、功率/能量、控制运动方式的转 换，对伺服控制电动机提出了一些基本要求。 （1）性能密度大。即功率密度 Pw=P/G 或比功 率密度 Pbw=(T2/J)/G 大。 （2）快速性好。加速度大、响应特性好。 （3）位置控制与速度控制精度高、调速范围 大、低速平稳性好、分辨率高以及振动噪音小。 （4）能适应频繁启动，可靠性高、寿命长。 （5）易于与计算机对接，实现计算机控制。
w
（3）细分驱动电路 采用细分驱动电路的目的：整步运转或半
步运转基础上，不改变步进电机结构，提高 步进电机的运转、控制精度 。
细分驱动电路的基本工作原理 ：对每一 控制脉冲，细分使其电流逐步增加达到脉冲 的最大电流（Imax），又逐步减少达到脉冲 的最小电流（0），从而可实现高精度运转、 控制、分辨，以及提高步进精度。
3.2.2 伺服控制电动机基本特性
无论动力用伺服控制电动机，还是控制用 伺服控制电动机，功率—转速—转矩的电特 性是电机重要的基本特性指标之一。
P Pw
nd
n
对于伺服控制电机而言，恒转矩工作特 性是衡量电机调速性能的重要参数之一。
3.3 步进电动机与驱动
3.3.1 步进电动机的特点、种类、工作原理
（3）步进电动机的工作原理
当第一个脉冲通入A相时，磁通企图沿着磁 阻最小的路径闭合，在此磁场力的作用下， 转子的1、3齿要和A级对齐。当下一个脉冲 通入B相时，磁通同样要按磁阻最小的路径闭 合，即2、4齿要和B级对齐，则转子就顺逆 时针方向转动一定的角度：
A
C1
B
2
4
B3
C
ALeabharlann Baidu
A
C1
B
4
B2 3 C
软件分频——可充分利用计算机资源降低 硬件成本，可适用多相脉冲分配，但将占用 计算机运行时间，影响步进电机的运行速度。
IC集成电路分频（DDT分频器）——灵活性 强，可搭接成任意通电顺序的环形分配器， 不站用计算机的工作时间。
专用环形分频器——使用 方便，接口简单，专业化生 产质量可靠，成本低等。如： CH250三相绕组分频器 ； L297和PMM8714两相绕组 分频器；PMM8713五相绕 组电机分频器等。
方向
CH250 管角定义与三相六拍工作状态的接线图
（2）功率放大器
功率放大器是实现控制信号与步进电机匹配的 重要组件。
常见的步进电机功率放大器的组成与特点如下： · 单电压功率放大电路
w
w
w
特点：电路结构简单，但串联R2消耗能量降低放大 功率；电感较大使电路对脉冲反应较慢,输出波形差。 主要用于转速要求不高的小型步进电机控制。
（1）步进电动机的特点 ① 控制精度由步进角决定（
）。
② 抗干扰能力强，在电机电特性工作范围内， 不产生丢步或无法工作等现象。
③ 电机每转动一步进角，尽管存在一定的转 角误差，但电机转动360时，转角累计误差 将归零。
④ 控制性能好，不会产生“丢步 ”现象 （频繁启动、停止、变换）。
⑤易于与计算机实现对接。
变 频 信 号 方 向 信 号分 脉 配 冲 器
功 率 放 大 器
步进电机驱动电路的组成
一种四相步进电机驱动实用电路
0.1μf
或 0.1μf
0.1μf
方 向 控 制
步进脉冲输出
定时器引 脚布局
引脚布局
引脚布局
步进脉冲
7486
7476
线圈 线圈 线圈 线圈
（1）环形脉冲分配器
由于步进电机的工作原理是各绕组必须按 一定的顺序通电变化才能正常工作（A B C A B ……；A AB B BC C CA A AB B ……），完成这种通电 顺序变化规律的部件称为环形脉冲分配器。 实现脉冲环形分配的方法主要有三种：