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步进电机控制原理及应用 上海医疗器械高等专科学校毕业论文步进电机控制原理及应用 姓 名：白天辉 系 部：医学电子与信息工程 专 业：医学检验仪器管理与维护班 级：2010检验班 指导教师：何培忠 完成日期 2013年6月1日 步进电机控制原理及应用摘 要文章从步进电机的发展史到步进电机的特点，再从步进电机的原理到步进电机的应用讲解和论述步进电机。本文主要介绍了步进电机的工作原理、步进电机的分类和步进电机的控制原理及应用。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器 。关键字：步距角, 相数, 定位转矩, 混合式 The principle and application of stepping motor controlABSTRACTFrom the development history of stepper motor to the characteristics of the stepper motor, again from the principle of stepping motor to the application of stepping motor and stepper motor is discussed. This paper mainly introduces the working principle of stepper motor, the classification of the stepper motor and stepper motor control principle and application. Stepper motor is a kind of induction motor, its working principle is the use of electronic circuit, direct current (dc) into time-sharing power supply, multiphase sequential control current, in this current for stepper motor power supply, the stepper motor can work normally, the drive is of time-sharing power supply for step motor, multiphase timing controller.Key Words： Step angle, Phase number, Positioning torque , Hybrid stepping目 录摘 要2ABSTRACT3目 录3第1章 绪 论3第2章 步进电机的概况32.1 步进电机发展史32.2 步进电机的特点3第3章 步进电机的分类33.1 永磁式步进电机33.2 反应式步进电机33.3 混合式步进电机3第4章 步进电机的原理34.1 步进电机的结构34.2 步进电机的工作原理34.3 步进电机的主要特性34.4 步进电机定子相数的分类、结构、原理34.5 步进电机的驱动及控制34.6 步进电机控制原理3第5章 步进电机的应用35.1 步进电机在医用仪器中的应用35.2 步进电机在物料计量方面的应用35.3 步进电机在供送包装膜中的应用35.4步进电机在横封中的应用3第6章 结论3谢 辞3参考文献3第1章 绪 论步进电机的使用至少需要三个方面的配合，一是电脉冲信号发生器，它按照给定的设置重复为步进电机输送电脉冲信号，目前这种信号大多数由可编程控制器或单片机来完成；二是驱动器（信号放大器），它除了对电脉冲信号进行放大、驱动步进电机转动以外，还可以通过它改善步进电机的使用性能，事实上它在步进电机系统中起着重要的作用，一般一种步进电机可以根据不同的工况具有多种驱动器；三是步进电机，它有多种控制原理和型号，现在常用的有反应式、感应子式、混合式等。步进电机是一种专门用于位置和速度精确控制的特种电机。步进电机的最大特点是其“数字性”，对于控制器发过来的每一个脉冲信号，步进电机在其驱动器的推动下运转一个固定角度(简称一步)。如接收到一串脉冲步进电机将连续运转一段相应距离。同时可通过控制脉冲频率，直接对电机转速进行控制。由于步进电机工作原理易学易用，成本低(相对于伺服)、电机和驱动器不易损坏，非常适合于微电脑和单片机控制，因此近年来在各行各业的控制设备中获得了越来越广泛的应用。步进电机(stepping motor)作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。第2章 步进电机的概况步进电机是一种将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的常用电气执行元件，具有步进数可控、运行平稳、价格便宜等优点。步进电机转子的位移与脉冲数成正比，因而其转速与脉冲频率成正比，而不受电源电压、负载大小及环境条件等影响。每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度前进一步，这个角度即为步距角。脉冲的数量决定了旋转的总角度，脉冲的频率决定了旋转的速度，方向信号决定了旋转的方向。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。 这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 单相步进电机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相步进电机有多相方波脉冲驱动，用途很广。使用多相步进 电机时，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号，在经功率放大后分别送入步进电机各项绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配器，电机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度（称为步距角）。正常情况下，步进 电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。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。给定一个电脉冲信号，步进电机转子就转过相应的角度，这个角度就称作该步进电机的步距角。目前常用步进电机的步距角大多为1.8度（俗称一步）或0.9度（俗称半步）。以步距角为0.9度的进步电机来说，当我们给步进电机一个电脉冲信号，步进电机就转过0.9度；给两个脉冲信号，步进电机就转过1.8度。以此类推，连续给定脉冲信号，步进电机就可以连续运转。由于电脉冲信号与步进电机转角存在的这种线性关系，使得步进电机在速度控制、位置控制等方面得到了广泛的应用。 步进电机的使用至少需要三个方面的配合，一是电脉冲信号发生器，它按照给定的设置重复为步进电机输送电脉冲信号，目前这种信号大多数由可编程控制器或单片机来完成；二是驱动器（信号放大器），它除了对电脉冲信号进行放大、驱动步进电机转动以外，还可以通过它改善步进电机的使用性能，事实上它在步进电机系统中起着重要的作用，一般一种步进电机可以根据不同的工况具有多种驱动器；三是步进电机，它有多种控制原理和型号，现在常用的有反应式、感应子式、混合式等。 步进电机的速度控制是通过输入的脉冲频率快慢实现的。当发生脉冲的频率减小时，步进电机的速度就下降；当频率增加时，速度就加快。还可以通过频率的改变而提高步进电机的速度或位置精度。 步进电机的位置控制是靠给定的脉冲数量控制的。给定一个脉冲，转过一个步距角，当停止的位置确定以后，也就决定了步进电机需要给定的脉冲数。在包装机控制中，给定脉冲数的多少，还与机构的参数有关，例如螺杆的直径等。图2.1 步进电机内部图图2.2 步进电机的结构示意图2.1 步进电机发展史电机为工业发展不可缺少的一大要素，并扮演着重要的角色。电机的应用不仅在动力应用反面不断扩大，而且在控制领域的使用范围也在不断扩大。随着控制电机重要性的增加，控制电机的使用量也逐年增加。步进电机是一种控制电机，不使用反馈回路，就能进行速度控制及定位控制，即所谓的电机开环控制，不使用反馈回路，其应用主要以处理办公业务能力很强的OA(Office Automation,办公自动化)机器和FA(Factory Automation工厂自动化)机器为核心，并广泛的应用于医疗器械、计量仪器、汽车、游戏机等。就数量来讲，OA机器方面的应用约占步进电机使用总数的75%。图2.3 电机虽然步进电机最近被大量应用，但其原理早已有之。步进电机与电磁铁和柱塞泵同一时期开发，法国人佛罗曼提出了将电磁铁的吸引力转化为旋转力矩的方法。当时，激磁相的切换用机械凸轮的接触点来完成，这就是步进电机的原型。现在还有旋转线圈式的应用方法。1920年步进电机的实际应用才开始，称为VR（Variable Relutance 变磁阻）式步进电机，被英国海军用作定位控制和远程遥控。混合式HB(Hybrid 的缩写，是VR与PM复合的意思)型步进电机的产生，大约在1952年，由美国GE公司的Karl Feiertag 开发的发电机演变而来。与现在的两相HB型步进电机结构相同，取得了US专利。当初作为低速同步电机使用，其后，由美国的Superior Electric 公司和Sigma Instruments公司开发出两相1.8步距角的HB型步进电机。当时因为电流小、电感大、恒电驱动的关系，换相脉冲只有300pps（现在为1020kpps）。另一方面，从驱动电路方面看，步进电机的发展与晶体管半导体元件的发展密不可分。1950年研制出二极管半导体，1964年开发出MOS半导体，1965年出现IC，1967年LSI使用化。特别是经过19501965年间半导体材料的高速发展，进入20世纪70年代，由于价格便宜，可靠性高的逻辑数字电路得到广泛应用，使步进电机的使用量急剧增加。2.2 步进电机的特点可通过控制脉冲数来控制步进电机转动的角位移，达到精确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲的频率来控制步进电机转动速度和加速度，达到调速的目的。 优点：（1）无刷：是无刷结构电机，与传统有刷电机相比而言可靠性更高；（2）与负载无关：不超载时步进电机能够按照设定的速度运行；（3）动态响应快：易于启动、停止和反转；（4）保持转矩： 停止时能够自锁；（5）无累积误差：虽然步进电机每转动一步的角位移与标称的步距角具有一定的误差（35%），但是转动一周后累积的误差和为零。（6）步距角与环境无关：固有步距角是由本身构造决定的，与温度、电压、电流等使用环境无关。（7）易于控制：只需控制脉冲的频率和个数，即可达到定位、调速目的。（8）价格低廉不足之处：（1）低速转动时振动和噪声都比较大；（2）输出力矩随着转动速度的升高而降低；（3）启动频率不能太高，否则会堵转并伴随有呼啸声；（4）速度突变较大时存在丢步和过冲现象；（5）最高运动速度较低，且高速运转时输出力矩小。（6）开环控制，不能保证实际转动的角度与设想的完全一致。第3章 步进电机的分类现在步进电机的分类方式有很多，下表是其中的一种分类方式：表3.1 步进电机的分类分类方式具体类型按力矩产生的原理（1）反应式：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行。（2）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。按输出力矩大小（1）伺服式：输出力矩在百分之几之几至十分之几（Nm）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。（2）功率式：输出力矩在5-50 Nm以上，可以直接驱动机床工作台等较大的负载。按定子数（1）单定子式（2）双定子式（3）三定子式（4）多定子式。按各相绕组分布（1）径向分布式：电机各相按圆周依次排列（2）轴向分布式：电机各相按轴向依次排列步进电机在构造上主要分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）。永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。3.1 永磁式步进电机永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；永磁式步进电动机输出力矩大，动态性能好，但步距角大。永磁式步进电机的原理构造如图3.1所示，转子是永久磁铁所构成，更进一步的往这个周围配置了复数个的固定子。在图3.1上，转子磁铁为N、S一对，而它的固定子线圈由4个构成，这些因为和步进角有直接关系，所以如需要较微细的步进角时，转子磁铁的极数和发生驱动力的固定子线圈的数不能不对应的增加，还有在图3.1的构造步进角为90。图3.1 永磁式步进电机的原理图(2相单极)而且，PM型的特征是因为在转子是永久磁铁构成的，所以就算在无激磁(固定子的任何线圈不通电时)也需在一定程度上保持了转矩的发生，因而，依照利用这种的性质效果，可以构成省能积形的系统。这种的步进电机，它的步进角种类很多，钐钴系磁铁的转子是用在45或者90上，而且这些也可以用氟莱铁(ferrite)磁铁作为多极的充磁，有3.75、11.25、15、18、22.5等丰富的种类，但是从这些数字上看7.5(转48步进)是最为普及化的。3.2 反应式步进电机反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。反应式步进电机的构造，如图3.2所示，转子是利用转子的突极吸引所发生的转力，因而反应式在无激磁的时候，并不发生保持转矩。主要的用途适用在比较大的转矩上的工作机械，或者特殊使用的小型起动机的上卷机械图3.2 反应式步进电机的原理图(2相单极)上。其它也有用在出力为1W以下的超小型电机上，总之，VR型的数量是非常少的，在步进 电机的全部生产量上只有数%程度而已。 还有，步进角的种类有15、7.5、也有1.8，但是在数量上以1.5步进为最普及化。3.3 混合式步进电机混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。混合型步进电机，是由固定子磁(齿)极以及和它对向的转子磁极所构成的，更近一步的它的转子有这多数的齿车状，在这些上是由转轴和在同方向被磁化的永久磁铁所组合而成，还有在构造上比前面的PM型以及VR型更复杂，基本上是可以考虑由PM型和VR型一体化的构造。hybrid type型有混合型的意思存在，这个刚好是VR型和PM型两者组合的情况，所以就有如此的称呼。一般上混合型，因具有高精度、高转矩、微小步进角和数个优异的特征，所以刚开始在OA关系，其它的分类上也大幅的被使用，特别是在生产量上大半是使用在盘片记忆关系的磁头转送上。还有，在步进角上有0.9、1.8，其它的3.6也有，比起其它的电机而言，具有极细的步进角。图3.3 混合式步进电机的构造图（2相单极）第4章 步进电机的原理4.1 步进电机的结构目前，我国使用的步进电机多为反应式步进电机。在反应式步进电机中，有轴向分相和径向分相两种，如表4.1,4.2所述。图4.1是一典型的单定子、径向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图。它与普通电机一样，分为定子和转子两部分，其中定子又分为定子铁心和定子绕组。定子铁心由电工钢片叠压而成，其形状如图中所示。定子绕组是绕置在定子铁心6个均匀分布的齿上的线圈，在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4.1所示的步进电机可构成三相控制绕组，故也称三相步进电机。若任一相绕组通电，便形成一组定子磁极，其方向即图中所示的NS极。在定子的每个磁极上，即定子铁心上的每个齿上又开了5个小齿，齿槽等宽，齿间夹角为9，转子上没有绕组，只有均匀分布的40个小齿，齿槽也是等宽的，齿间夹角也是9，与磁极上的小齿一致。此外，三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1/3齿距，如图4.2所示。当A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，B相磁极上的齿刚好超前(或滞后)转子齿1/3齿距角，C相磁极齿超前(或滞后)转子齿2/3齿距角。图4.1 单定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理图图4.2 步进电机的齿距图4.3是一个五定子、轴向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图。从图中可以看出，步进电机的定子和转子在轴向分为五段，每一段都形成独立的一相定子铁心、定子绕组和转子，图4.4所示的是其中的一段。各段定子铁心形如内齿轮，由硅钢片叠成。转子形如外齿轮，也由硅钢片制成。各段定子上的齿在圆周方向均匀分布，彼此之间错开1/5齿距，其转子齿彼此不错位。当设置在定子铁心环形槽内的定子绕组通电时，形成一相环形绕组，构成图中所示的磁力线。图4.3 五定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理图除上面介绍的两种形式的反应式步进电机之外，常见的步进电机还有永磁式步进电机和永磁反应式步进电机，它们的结构虽不相同，但工作原理相同。图4.4 一段定子、转子及磁回路4.2 步进电机的工作原理步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。图4.3是一种最简单的反应式步进电机，下面以它为例来说明步进电机的工作原理。图4.5(a)中，当A相绕组通以直流电流时，根据电磁学原理，便会在AA方向上产生一磁场，在磁场电磁力的作用下，吸引转子，使转子的齿与定子AA磁极上的齿对齐。若A相断电，B相通电，这时新的磁场其电磁力又吸引转子的两极与BB磁极齿对齐，转子沿顺时针转过60。通常，步进电机绕组的通断电状态每改变一次，其转子转过的角度称为步距角。因此，图4.5(a)所示步进电机的步距角等于60。如果控制线路不停地按ABCA的顺序控制步进电机绕组的通断电，步进电机的转子便不停地顺时针转动。若通电顺序改为ACBA，同理，步进电机的转子将逆时针不停地转动。 上面所述的这种通电方式称为三相三拍。还有一种三相六拍的通电方式，它的通电顺序是：顺时针为A AB B BC C CA A；逆时针为A AC C CB B BA A。若以三相六拍通电方式工作，当A相通电转为A和B同时通电时，转子的磁极将同时受到A相绕组产生的磁场和B相绕组产生的磁场的共同吸引，转子的磁极只好停在A和B两相磁极之间，这时它的步距角等于30。当由A和B两相同时通电转为B相通电时，转子磁极再沿顺时针旋转30，与B相磁极对齐。其余依此类推。采用三相六拍通电方式，可使步距角缩小一半。图4.5步进电机工作原理图图4.5(b)中的步进电机，定子仍是A，B，C三相，每相两极，但转子不是两个磁极而是四个。当A相通电时，是1和3极与A相的两极对齐，很明显，当A相断电、B相通电时，2和4极将与B相两极对齐。这样，在三相三拍的通电方式中，步距角等于30，在三相六拍通电方式中，步距角则为15。综上所述，可以得到如下结论：(1)步进电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；(2)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；(3)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；(4)步进电机步距角与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k有关，可用下式表示： (1)式中m相m拍时，k=1；m相2m拍时，k=2；依此类推。对于图4.3所示的单定子、径向分相、反应式伺服步进电机，当它以三相三拍通电方式工作时，其步距角为 (2)若按三相六拍通电方式工作，则步距角为 (3)4.3 步进电机的主要特性(1)步距角：步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数。数控机床中常见的反应式步进电机的步距角一般为 。步距角越小，数控机床的控制精度越高。(2)矩角特性、最大静态转矩Mjmax和启动转矩Mq。矩角特性是步进电机的一个重要特性，它是指步进电机产生的静态转矩与失调角的变化规律。(3)启动频率fq：空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。若启动时频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动。空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率。4.4 步进电机定子相数的分类、结构、原理现以两相与三相步进电机为例详细说明步进电机的相数与特性的关系。相数与特性综合概述为：1)高分辨率根据式(21)，步距角为180PNr。故相数P越大，角分辨率越高。提高分辨率，可以提高定位控制精度，改善低速失步，使多相控制成为可能，并且可以改善阻尼(改善制动性能，减小停止时的超调量和制动时间)。详细说明在驱动技术部分。图4.6 相数、静态转矩、转矩波动的关系2)低振动图4.5表示的是两相和三相步进电机的转矩波动，相数愈多，换相的两相绕组动态转矩曲线的交点转矩值Tg与最大静态转矩Th的相对误差愈小。TR为电机所带负载转矩的下限值，(Th-Tg)Th为转矩波动的相对误差，相数越多，此值越小，对降低振动越有利。亦即，相数越多，电机产生的转矩波动幅值越小，频率越高产生的振动越小。3)高转速多相步进电机的优点是能高速响应。步进电机为同步电机，绕组电流频率与转子速度成正比例，若电机高速运转，则绕组电流角频率增加，使绕组电感L产生的电抗L加大，从而降低电流，致使转矩下降。当用数千pps驱动步进电机时，电机绕组阻抗Z与直流电阻相比。电抗L将大幅增加。当电机高速运转时，如电压V一定，则电机相电流为VL。机械角速度m为=Nrm，则对相同机械角速度m的电机，电流与Nr成反比。根据式(21)，两相Nr=50时，步距角为1.8；五相Nr=20时步距角为18。当这两种步进电机以相同的转速高速旋转时，五相绕组的电流是两相的2.5倍，因为电流小则转矩小。所以五相的转矩比两相的要大。4.5 步进电机的驱动及控制1.步进电机的驱动步进电机驱动的组成包括变频信号源、脉冲分配器、功率放大器等部分：(1)脉冲信号：一般由时钟信号或单片机等产生，一般要求脉冲的信号可变，以控制电机转速的变化。(2)控制信号：根据不同的电机和实际需要，采用适当的控制方式。(3)驱动：功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩，取决于它的动态平均电流的非静态电流。平均电流越大电机力矩越大。要达到平均电流大就需要驱动系统尽量克服电机的反电动势。因而不同的场合采取不同的驱动方式。由于发出的电流都很小，要加一个功率放大电路再接到电击上，才能驱动电机转起来。2.电机驱动的组成步进电机的驱动电路由变频信号源、脉冲分配器以及功率放大器等组成，如图所示：变频信号步进电机功率放大脉冲分配运行指令3.步进电机的控制(1)PLC对步进电机的控制脉冲图4.7 外部连接图图4.8 控制系统的组成图4.9 PLC控制步进电机的原理单片机对步进电机的控制系统主要有步进控制器、功率放大器及步进电动机组成。步进电动机控制器是由缓冲寄存器、环型分配器、控制逻辑及正反转控制门等组成。它的作用就是能把输入的脉冲转换成环型脉冲，以便控制步进电机，并能进行向控制。功率放大器的作用就是把控制器输出的环型脉冲加以放大，以驱动步进电动机转动。在这种控制方式中，由于步进控制器线路复杂，成本高，因而限制它的应用。但是，如果采用PLC控制系统，有软件代替步进控制器，则问题大大简化。(2)单片机对步进电机的控制单片机的P1口控制步进电机的运行，只要在一定的时间控制P1.0，P1.1，P1.2的输出情况就可以实现对步进电机的运行控制。图4.10 波形图驱动电路使用功率三极管作为驱动元件，如下图。P1.0，P1.1，P1.2三根线按上面的波形图一次导通，它们经过反相器74LS06提升到+12V，直接接通功率晶体管的基极。功率晶体管的集电极E1，E2，E3分别经过6限流电阻接到步进电机的A、B、C三个绕阻上，功率晶体管在时序脉冲的驱动下导通或截至。是步进电机的三个绕阻分别加电或断电，完成旋转。D1-D6对功率晶体管起保护作用。如图4.10所示：4.11 步进电机的驱动电路4.6 步进电机控制原理步进电机的工作方式与电动机的结构和种类密切相关，从结构上看，步进电机分为三相、四相、五相等类型，常用的是三相步进电机。三相步进电机的工作方式有三相单三拍、三相双三拍和三相六拍3种。系统采用三相六拍工作方式，在=三相六拍工作方式中，控制电流切换6次，磁场旋转1周，转子移动1个齿距，各相的通电顺序为：AABB-BCCCAA。六拍工作方式时的电压及电流波形如图1所示。其中细线表示磁极绕组中的电流波形，可见磁极的驱动电压是方波，而电流不是方波，这主要是由于步进电机的每相绕组存在一定的充电和放电时间。图4.12 三相感应式步进电机六拍工作方式时的电压及电流波形常用的步进电机分为反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等类型，不同的步进电机在控制方式上基本一样。在实际应用中，反应式步进电机较常用。步进电机直接由数字信号控制，其基本控制包括转向控制和速度控制。步进电机换向,一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内时，以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束后以及下一个方向的第1个脉冲前发出。在某一高速下的正、反向切换实质包含了降速一换向一加速3个过程。调整送给步进电机的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。用PLC实现步进电机的加减速控制，实际上就是控制发送脉冲的频率。加速时，使脉冲频率增高,减速时降低。理想的加速曲线一般为指数曲线，步进电机整个降速过程的频率变化规律是整个加速过程频率变化规律的逆过程。若选定的曲线比较符合步进电机升降过程的运行规律，则能充分利用步进电机的有效转矩，快速响应性好，缩短了升降速的时间，并可防止失步和过冲现象。第5章 步进电机的应用5.1步进电机在医用仪器中的应用1. 步进电机在自动生化分析仪上的应用自动生化分析仪是把临床生化分析的取样,加试剂,去干扰,混合,保温反应,检测,数据处理,结果显示和输出,以及清洗等实验操作步骤实现自动化操作的仪器。自动生化分析仪的自动加样、取样功能是通过其加样系统来实现的。加样系统中的机械执行机构一般包括：悬臂机构和驱动机构。国内目前的驱动机构一般采用旋转步进电机与传动机构诸如：同步带、齿轮齿条，滚珠丝杆之类；传动机构与悬臂机构相连，从而实现自动加样取样功能。滚珠丝杆缺点是体积大，成本高，对机构调校要求高，而且滚珠丝杆一般螺距较大，造成机构分辨率不高。而其他传动方式的缺点在于精度不高，再就是噪音比较大，最关键的是寿命无法保证，从而影响了产品的整体质量和档次，与国外同类产品的竞争中处于不利地位。图5.1传统传动方式结构复杂，综合成本高而直线步进电机以其高精度，高可靠性弥补以上缺陷的同时实现了自动生化分析仪的精确加样，自动装载。下图是直线步进电机在生化分析仪加样臂上的典型应用图5.2直线步进电机结构简洁，便于整体设计由于直线步进在电机内部实现旋转运动到直线运动的转换，使悬臂机构与电机直接连接，在做到机构尽量精巧简洁的同时，无须中间传动环节的机械机构使其能够做到更高精度，更高效率以及更高寿命。更简洁：直线步进电机的在结构上的特性带来了它在使用上的便利。事实上，直线步进电机之所以在自动生化分析领域有如此成功的应用，原因是其简洁、精确、灵敏高可靠性的特点完美的契合了自动生化分析仪对线性运动控制性能要求。更高精度：直线步进电机采用Acme螺杆传动，螺杆一次碾压成型，传动精度可以做0.0005mm/mm，最高分辨率可达0.0015mm。此外为了达到更高精度，可以配上反向消隙螺母，它能够消除背隙，达到更高的传动精度。更高效率：与齿轮齿条传动或者同步带传动等自动生化分析仪中常用的传动机构相比，直线步进电机无疑有着更高的传动效率。首先是其Acme螺杆与一般的V形螺纹相比，其29度牙形角效率更高，并且由于它专门为传动设计，所以表面光洁度、螺距精度以及公差都不是V形螺纹可以比拟的。图5.3Acme螺纹和V形螺纹对比更高寿命：由于作为直线步进电机专利结构设计（专利号中国ZL200330102644.4，美国6.932，319），以及专业化的线性传动制造工艺保证整体机构的高寿命，另外其自润滑的螺母材料和高质量的螺杆加工工艺，也为其提供高寿命保证。事实上，在正常负载条件下，电机至少能达到500万次循环的寿命。2.步进电机的应用范围很广，在其它医用仪器中也是如此。如分析仪器中棱镜分光单色器，就可通过控制步进电机，调节棱镜转角，选择所需的单色光。自动生化分析仪样品盘旋转与定位也可由步进电机控制。临床化学分析中经常使用的高精度自动稀释器也是一个使用步进机控制的典型。医院内的医疗器械离患者最近需要使用振动小、噪音低的步进电机。液体定量传输和传输量管理要使用高精度的输液泵驱动仪器和各种分析仪器等，定量输液采用步进电机非常合适。透析设备或注射泵等由于靠近患者，大多使用振动噪音小的三相RM型步进电机或HB型步进电机。注射泵采用步进电机的原因是与无刷电机相比能得到低速大转矩。今后，能代替人完成治疗任务的、动作准确和静音度高的、使用电机的医疗设备会越来越多应用于临床。这些设备将来会使用更多定位精度高的、易于速度开环和闭环控制的步进电机。5.2步进电机在物料计量方面的应用1.粉状物料的计量 螺杆计量是常用的容积式计量方式，它是通过螺杆旋转的圈数多少来达到计量的多少，为了达到计量大小可调和提高计量精度的目的，要求螺杆的转速可调和位置定位准确，使用步进电机可以同时满足这两个方面的要求。 步进电机与螺杆采用直接连接的方式，结构简单，维修方便。值得指出的是，如步进电机的过载能力较代，当轻微过载时，就会出现相当大的噪声。因此，在计量工况确定以后，就要选用较大的过载系数，以保证步进电机平衡工作。 2粘稠体物料的计量 步进电机控制齿轮泵也可以实现精确计量。齿轮泵在输送粘稠体方面得到了广泛的应用，例如糖浆、豆沙、白酒、油料、番茄酱等的输送。目前在对这些物料的计量方面大多使用活塞泵，存在着调整困难、结构复杂、不便维修、功耗大、计量不准等缺点。 齿轮泵计量是靠一对齿轮啮合转动计量的，物料通过齿与齿的空间被强制从进料口送到出料口。动力来自步进电机，步进电机转动的位置及速度由可编程控制器控制，计量精度高于活塞泵的计量精度。 步进电机适于在低速下运行，当速度加快时，步进电机的噪声会明显加大，其它经济指标会显著下降。对于转速比较高的齿轮泵来说，选用升速结构比较好。我们在粘稠体包装机上开始采用的是步进电机直联齿轮泵的结构，结果声难以噪声难以避免，可靠性下降。后来采用直齿轮升速的办法，降低了步进电机的速度，噪声得到了控制，可靠性也有所提高，计量精度得到了保证。 5.3 步进电机在供送包装膜中的应用在制袋、充填、封口为一体的包装机中，要求包装用塑料薄膜定位定长供给，无论间歇供给还是连续供给，都可以用步进电机来可靠完成。 1用于间歇式包装机 间歇式包装机使用步进电机供膜，可靠性可以得到提高。以前的包装膜供送多采用曲柄连杆机构间歇拉带方式，结构复杂，调整困难，特别是当需要更换产品时，不仅调节困难，而且包装膜浪费很多。采用步进电机与拉带滚轮直接连接拉带，不仅结构得到了简化，而且调节极为方便，只要通过控制面板上的按钮就可以实现，这样既节省了调节时间，又节约了包装材料。 在间歇式包装机中，包装材料的供送控制可以采用两种模式：袋长控制模式和色标控制模式。袋长控制模式适用于不带色标的包装膜，通过预先设定步进电机转速的方法实现，转空比的设定通过拨码开关就可以实现。色标模式配备有光电开关，光电开关检测色标的位置，当检测到色标时，发出控制开关信号，步进电机按到信号后，停止转动，延时一定时间后，再转动供膜，周而复始，保证按照色标的位置定长供膜。 2用于连续式包装机 在连续工包装机中，步进电机是连续转动的，包装膜被均匀的连续输送，当改变袋长时，只需通过拨码开关就可以实现。 5.4步进电机在横封中的应用在连续式包装机中，横封是一个很重要的执行机构，也是包装机中比较复杂的机构之一。特别对于有色档的包装膜，其封口和切断位置要求极其严格，为了提高切断的准确性，人们先后研制了偏心链轮机构、曲柄导杆机构等，但这些机构都存在着调整十分麻烦、可靠性低的缺点。造成这些缺点的主要原因是工艺要求横封轮定速横封和定位切断。 步进电机直接驱动横封轮可以实现速度同步。连续式包装机的供膜轮是连续供膜的，横封时要求横封的线速度与薄膜供送的速度同步，以免出现撕裂薄膜和薄膜堆积的情况，由于横封轮的直径是恒