精密机械步进电机控制技术
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21/21
思考题：
1.交流伺服电机定子中的励磁绕组与控
制绕组各起什么作用？
2.什么是步进电机控制的节拍？如何确
定步进电机步距？以三相步进电机为例
说明步进电机驱动原理。
17/17
磁极成一相，即有AA′、BB′ 、CC′三相。
转子结构：假设均匀分布的四个磁极
步距
C
A 通 电
A→B → C三相三拍通电方式
21/12
B 通 电
通 电
步进电机控制节拍：
两相八拍控制策略 步进电机相数由硬件结构确定，应用时可 控制输出的八种状态
利用控制节拍改善控制效果。 节拍：驱动器一个工作循环输出信号的状态数
21/19
（3）输出扭矩与输入频率关系（矩频特性） ●步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且 在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速 一般限制在300～600r/min。 ●交流伺服电机为恒力矩输出，额定转速可达 到3000r/min，其输出额定转矩不变；在额定转 速以上为恒功率输出。
21/20
21/17
步进电机与交流伺服电机性能比较：
（1）控制精度 ●高性能的步进电机步距角： 四通公司步进电机，步距角为0.09° 德国百格拉公司毕尽电机最小步距角0.036°
●松下全数字式交流伺服电机： 若带17位编码器，驱动器每接收217=131072 个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为： 360°/131072=9.89秒
21/06
（2）步进电机特点及应用
1）步进电机特征 位移精确、扭矩稳定、频率响应快。 ●工作状态仅与输入脉冲有关，只要驱动器 保证脉冲幅值足够大即可不丢步； ●步距角误差无累积现象，当电机转子转过 一周之后，步距累积误差为“零”； ●控制性能好，可实时执行启动、停止、反 转等控制，一定条件下，状态变化时能保持不 “丢步”。
21/15
360 Zm
（4）步进电机系统的应用
三相步进电机为例：
1）开环控制措施
●通电方式选择——3拍、6拍两种方式 ●正反转控制——调整通电节拍顺序
2）开环控制与闭环控制
步进电机驱动器能接受一定形式的反馈 信号，经微机处理实施反馈控制。
如：精密工作台的原点复位信号
旋转编码器相四拍策略
控制输出的四种状态
21/13
步进电机扭矩-频率曲线：
驱动器电脉冲
信号频率与被驱动 步进电机输出扭矩
的关系。
电机选用的依据：
●扭矩
●转速（范围）
21/14
其他控制器情形：
四相步进电机控制示意图（常用2-5相）
四对定 子磁极
步距角α ：每个脉冲转子转过的角度 其中：Z——转子极数；m——通电节拍
21/04
2）永磁式步进电机
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。 性能与特点： 动态性能好、输出力矩相对较大，结构紧凑 体积小；步距角取决于电机定子绕组数量，能实 现的控制精度较低。 常用的定子绕组数为2、4组： ●两相永磁步进电机：步矩角15° ●四相永磁步进电机：步矩角7.5°
（4）过载能力 步进电机一般不具有过载能力；交流伺服电 机具有较强的过载能力。 松下交流伺服系统：较长时间额定转矩3倍
（5）运行性能 步进电机启动频率过高或负载过大易出现丢 步或过冲；交流伺服驱动系统为闭环控制，无丢 步或过冲现象。
（6）速度响应性能 步进电机启动：500r/min，200～400ms 交流伺服电机启动：3000r/min，10ms以内
过程描述：
专用驱动器（控制器）发出一定频率的脉 冲信号，每当电机定子绕组接受到一个电脉冲， 转子就转过一个相应的步距角。 即： 电脉冲数量（频率 ）→ 角位移大小（转速）
21/02
步进电机控制质量评价：
步进电机控制质量主要是运动实现的稳定 性、角位移精确度两个方面。
运行稳定性： ●脉冲数与转角数的对应关系 ●频率响应在时间上的同步
步距角为0.036°步进电机的脉冲当量的1/14。
21/18
（2）运行的低频响应特性 ●步进电机在低速时易出现低频振动，其振 动频率与负载情况和驱动器性能有关，源于步 进电机的工作原理。 ●交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速 时也不会出现振动现象。 交流伺服系统具有共振抑制功能，可弥补 机械结构的刚性不足；其系统内部还具有频率 解析机能（FFT），可检测出机械结构的共振点， 便于系统调整。
A
B N N N S A S S C
C
B
三相步进 定子结构
四相步进定子结构
21/10
2）转子结构
永磁体或软磁材料制成，外形如图。
转子参数：齿数、转动惯量
转子转动惯量与使用场合有直接关系。
圆周分布 50个磁极
21/11
3）工作原理及驱动
三相驱动为例：转子顺时针控制
定子结构：六个均匀分布的磁极，每两个相对
21/08
常用输出运动形式：
●旋转式步进电机 ：主轴旋转输出
同步带型
丝杆导轨型
●直线式步进电机：主轴往返移动 此类产品应用进一步简化机械传动，但当 前技术存在推力小、抗干扰差等问题。
21/09
（3）工作原理及驱动
1）定子结构：由若干相互独立的绕组线圈组成， 按不同顺序接通脉冲信号，生成瞬间电磁场。 常用绕组对数2-5组，称为两相、三相……
21/05
3）混合式步进电机
综合了反应式和永磁式优点，定子上有多相 绕组、转子为永磁材料；转子和定子上均设计有 细分小齿，步距精度高。 步进电机型号编制规律之一： 性能及特点：输出力矩大、动态性能好，步距角 较小，但结构复杂、成本相对较高。 应用：混合型步进电机为该类型电机应用的首选， 约占市场95%以上。 常用型定子绕组数：2相、5相
上次课程主要内容
1.交流伺服电机种类及工作原理 ●转子结构 ●旋转编码器（变压器） 2.相关定义 ●主磁通 ●漏磁通 ●气隙 ●气隙磁场
3.感应型交流伺服电机（IM） （1）控制参数 ●磁化电流 ●有效电流 （2）控制策略 ●力矩 ●位置 ●速度 ●混合
21/01
5.步进电机及其控制 将输入的电脉冲信号转换成电机主轴机械 角位移的执行电机系列。
21/07
2）步进电机的应用
●开环控制：步进电机本身无累误差，广泛应用 于各类开环结构的机电一体化系统。 系统简洁可靠，位置精度高。
●闭环控制：需要时控制系统可配备位置、速 度、扭矩等检测元件，实施闭环数字控制。 实现方式：
如：打印机、带读出器、计数器、绘图机、数
控机床、阀门执行、定位平台和数模转换器
6.控制电机性能及应用小结 ●步进电机是一种离散运动的装置，它和现 代数字控制技术有着本质的联系。 ●目前国内外的数字控制系统中，步进电机 的应用十分广泛。 ●随着全数字式伺服系统的出现和技术不断 完善，伺服电机以其独特的优势，越来越多地 应用于数字控制系统中。 ●两者在控制方式上相似，但在使用性能和 应用场合上存在着较大的差异。
角位移精确度：步进角大小 一般步进角可做到1.8 °，与电机自身结 构有关；经驱动器细分，可得角位移微步。
例：细分数为256时，电机微步1.8/256=0.007 °
21/03
（1）步进电机种类及性能 目前常用步进电机可分为反应式（VR）、永 磁式（PM）、混合式（HS）三种主要类型。
1）反应式步进电机 传统的步进电机，由磁性转子铁芯（软磁材 应用领域： 料）通过与由定子产生的脉冲电磁场相互作用而 反应式步进电机主要应用于计算机外部设备、 产生转动力矩。 摄影系统、光电组合装置、阀门控制、银行终端、 特点：结构简单、成本低、步距角可达1.2°，但 数控机床、自动绕线机、电子钟表及医疗设备等 动态性能较差、工作效率低、自身发热大，控制 领域中。 的可靠性难以保证。
思考题：
1.交流伺服电机定子中的励磁绕组与控
制绕组各起什么作用？
2.什么是步进电机控制的节拍？如何确
定步进电机步距？以三相步进电机为例
说明步进电机驱动原理。
17/17
磁极成一相，即有AA′、BB′ 、CC′三相。
转子结构：假设均匀分布的四个磁极
步距
C
A 通 电
A→B → C三相三拍通电方式
21/12
B 通 电
通 电
步进电机控制节拍：
两相八拍控制策略 步进电机相数由硬件结构确定，应用时可 控制输出的八种状态
利用控制节拍改善控制效果。 节拍：驱动器一个工作循环输出信号的状态数
21/19
（3）输出扭矩与输入频率关系（矩频特性） ●步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且 在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速 一般限制在300～600r/min。 ●交流伺服电机为恒力矩输出，额定转速可达 到3000r/min，其输出额定转矩不变；在额定转 速以上为恒功率输出。
21/20
21/17
步进电机与交流伺服电机性能比较：
（1）控制精度 ●高性能的步进电机步距角： 四通公司步进电机，步距角为0.09° 德国百格拉公司毕尽电机最小步距角0.036°
●松下全数字式交流伺服电机： 若带17位编码器，驱动器每接收217=131072 个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为： 360°/131072=9.89秒
21/06
（2）步进电机特点及应用
1）步进电机特征 位移精确、扭矩稳定、频率响应快。 ●工作状态仅与输入脉冲有关，只要驱动器 保证脉冲幅值足够大即可不丢步； ●步距角误差无累积现象，当电机转子转过 一周之后，步距累积误差为“零”； ●控制性能好，可实时执行启动、停止、反 转等控制，一定条件下，状态变化时能保持不 “丢步”。
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360 Zm
（4）步进电机系统的应用
三相步进电机为例：
1）开环控制措施
●通电方式选择——3拍、6拍两种方式 ●正反转控制——调整通电节拍顺序
2）开环控制与闭环控制
步进电机驱动器能接受一定形式的反馈 信号，经微机处理实施反馈控制。
如：精密工作台的原点复位信号
旋转编码器相四拍策略
控制输出的四种状态
21/13
步进电机扭矩-频率曲线：
驱动器电脉冲
信号频率与被驱动 步进电机输出扭矩
的关系。
电机选用的依据：
●扭矩
●转速（范围）
21/14
其他控制器情形：
四相步进电机控制示意图（常用2-5相）
四对定 子磁极
步距角α ：每个脉冲转子转过的角度 其中：Z——转子极数；m——通电节拍
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2）永磁式步进电机
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。 性能与特点： 动态性能好、输出力矩相对较大，结构紧凑 体积小；步距角取决于电机定子绕组数量，能实 现的控制精度较低。 常用的定子绕组数为2、4组： ●两相永磁步进电机：步矩角15° ●四相永磁步进电机：步矩角7.5°
（4）过载能力 步进电机一般不具有过载能力；交流伺服电 机具有较强的过载能力。 松下交流伺服系统：较长时间额定转矩3倍
（5）运行性能 步进电机启动频率过高或负载过大易出现丢 步或过冲；交流伺服驱动系统为闭环控制，无丢 步或过冲现象。
（6）速度响应性能 步进电机启动：500r/min，200～400ms 交流伺服电机启动：3000r/min，10ms以内
过程描述：
专用驱动器（控制器）发出一定频率的脉 冲信号，每当电机定子绕组接受到一个电脉冲， 转子就转过一个相应的步距角。 即： 电脉冲数量（频率 ）→ 角位移大小（转速）
21/02
步进电机控制质量评价：
步进电机控制质量主要是运动实现的稳定 性、角位移精确度两个方面。
运行稳定性： ●脉冲数与转角数的对应关系 ●频率响应在时间上的同步
步距角为0.036°步进电机的脉冲当量的1/14。
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（2）运行的低频响应特性 ●步进电机在低速时易出现低频振动，其振 动频率与负载情况和驱动器性能有关，源于步 进电机的工作原理。 ●交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速 时也不会出现振动现象。 交流伺服系统具有共振抑制功能，可弥补 机械结构的刚性不足；其系统内部还具有频率 解析机能（FFT），可检测出机械结构的共振点， 便于系统调整。
A
B N N N S A S S C
C
B
三相步进 定子结构
四相步进定子结构
21/10
2）转子结构
永磁体或软磁材料制成，外形如图。
转子参数：齿数、转动惯量
转子转动惯量与使用场合有直接关系。
圆周分布 50个磁极
21/11
3）工作原理及驱动
三相驱动为例：转子顺时针控制
定子结构：六个均匀分布的磁极，每两个相对
21/08
常用输出运动形式：
●旋转式步进电机 ：主轴旋转输出
同步带型
丝杆导轨型
●直线式步进电机：主轴往返移动 此类产品应用进一步简化机械传动，但当 前技术存在推力小、抗干扰差等问题。
21/09
（3）工作原理及驱动
1）定子结构：由若干相互独立的绕组线圈组成， 按不同顺序接通脉冲信号，生成瞬间电磁场。 常用绕组对数2-5组，称为两相、三相……
21/05
3）混合式步进电机
综合了反应式和永磁式优点，定子上有多相 绕组、转子为永磁材料；转子和定子上均设计有 细分小齿，步距精度高。 步进电机型号编制规律之一： 性能及特点：输出力矩大、动态性能好，步距角 较小，但结构复杂、成本相对较高。 应用：混合型步进电机为该类型电机应用的首选， 约占市场95%以上。 常用型定子绕组数：2相、5相
上次课程主要内容
1.交流伺服电机种类及工作原理 ●转子结构 ●旋转编码器（变压器） 2.相关定义 ●主磁通 ●漏磁通 ●气隙 ●气隙磁场
3.感应型交流伺服电机（IM） （1）控制参数 ●磁化电流 ●有效电流 （2）控制策略 ●力矩 ●位置 ●速度 ●混合
21/01
5.步进电机及其控制 将输入的电脉冲信号转换成电机主轴机械 角位移的执行电机系列。
21/07
2）步进电机的应用
●开环控制：步进电机本身无累误差，广泛应用 于各类开环结构的机电一体化系统。 系统简洁可靠，位置精度高。
●闭环控制：需要时控制系统可配备位置、速 度、扭矩等检测元件，实施闭环数字控制。 实现方式：
如：打印机、带读出器、计数器、绘图机、数
控机床、阀门执行、定位平台和数模转换器
6.控制电机性能及应用小结 ●步进电机是一种离散运动的装置，它和现 代数字控制技术有着本质的联系。 ●目前国内外的数字控制系统中，步进电机 的应用十分广泛。 ●随着全数字式伺服系统的出现和技术不断 完善，伺服电机以其独特的优势，越来越多地 应用于数字控制系统中。 ●两者在控制方式上相似，但在使用性能和 应用场合上存在着较大的差异。
角位移精确度：步进角大小 一般步进角可做到1.8 °，与电机自身结 构有关；经驱动器细分，可得角位移微步。
例：细分数为256时，电机微步1.8/256=0.007 °
21/03
（1）步进电机种类及性能 目前常用步进电机可分为反应式（VR）、永 磁式（PM）、混合式（HS）三种主要类型。
1）反应式步进电机 传统的步进电机，由磁性转子铁芯（软磁材 应用领域： 料）通过与由定子产生的脉冲电磁场相互作用而 反应式步进电机主要应用于计算机外部设备、 产生转动力矩。 摄影系统、光电组合装置、阀门控制、银行终端、 特点：结构简单、成本低、步距角可达1.2°，但 数控机床、自动绕线机、电子钟表及医疗设备等 动态性能较差、工作效率低、自身发热大，控制 领域中。 的可靠性难以保证。