步进电动机论文.docx

哈尔滨理工大学文献综述题目：步进电动机及其驱动器的工作原理简介学 院：哈尔滨理工大学荣成学院专 业： 自动化 学 号： 1030130221 姓 名： 时延利 指导教师： 侯甲童 完成日期： 2012年6月6日 一：概述步进电动机是用脉冲信号进行控制，将点脉冲信号转换成相应的角位移和线位移的微电机，广泛地应用于打印机等办公知道设备以及各种控制装置。步进电机和一般的电机不同，之接电源步进电机不能转动，而每加一个点脉冲仅转动一定的角度，另外，改变脉冲的频率时，步进电机的速率也跟着改变。步进电机按电磁转距产生机理的不同可以分为反应式步进电机，永磁式步进电机和混合式步进电机，而按绕组的相数又可以分为单相，两相，三相。五相二：步进电动机概念及其工作原理 1、步进电动机的概念步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移(或线位移)的电磁装置，是一种特殊的电动机。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输进肘步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输进脉冲的个数严格成正比，在时间上与输进脉冲同步，因此只要控制输进脉冲的数目、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输进时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。 步进电动机按其输出转矩的大小来分，可以分为快速步进电动机和功率步进电动机。快速步进电动机连续工作频率高而输出转矩较小，一般在Ncm级，可以作为控制小型精密机床的工作台(例线切割机床)也可以和液压转矩放大器组成电液脉冲马达往驱动数控机床的工作台，而功率步进电动机的输出转矩就比较大是Nm级的，可以直接往驱动机床的移动部件。 步进电动机按其励磁相数，可以分为三相、四相、五相、六相甚至八相。一般来说随着相数的增加，在相同频率的情况下，每相导通电流的时间增加，各相均匀电流会高些，从而使电动机的转速转矩特性会好些，步距角亦小。但是随着相数的增加，电动机的尺寸就增加，结构亦复杂，目前多用36相的步进电动机。 由于步进电动机的转速随着输进脉冲频率变化而变化，调速范围很广，灵敏度高，输出转角能够控制，而且输出精度较高，又能实现同步控制，所以广泛地使用在开环系统中，也还可用在一般通用机床上，进步进给机构的自动化水平。步进电动机控制系统的组成如下：2、步进电动机的工作原理 在电动机定子上有A、B、C三对磁极，磁极上绕有线圈，分别称之为A相、B相和C相，而转子则是一个带齿的铁心，这种步进电动机称之为三相步进电动机。假如在线圈中通以直流电，就会产生磁场，当A、B、C三个磁极的线圈依次轮流通电，则A、B、C三对磁极就依次轮流产生磁场吸引转子转动。 首先有一相线圈(设为A相)通电，则转子1、3两齿被磁极A吸住，转子就停留在图55a的位置上。然后，A相断电，6相通电，则磁极A的磁场消失磁极B产生了磁场，磁极召的磁场把离它最近的2、4两齿吸引过往，停止在图b的位置上，这时转子逆时针转了30。再接下往B相断电，C相通电。根据同样道理，转子又逆时针转了30，停止在图c的位置上。若再A相通电，C相断开，那么转子再逆转30，使磁极A的磁场把2、4两个齿吸住。定子各相轮流通电一次转子转过一个齿。这样按ABCABCA次序轮流通电，步进电动机就一步一步地按逆时针方向旋转。通电线圈每转换一次，步进电动机旋转30，我们把步进电动机每步转过的角度称之为步距角。假如把步进电动机通电线圈转换的次序倒过来换成ACBACB的顺序，则步进电动机将按顺时针方向旋转，所以要改变步进电动机的旋转方向可以在任何一相通电时进行。三、驱动器的作用驱动器在整个控制环节中，正好处于主控制箱(MAIN CONTROLLER)->驱动器(DRIVER)->马达(MOTOR)的中间换节。他的主要功能是接收来自主控制箱(NC CARD)的信号，然后将信号进行处理再转移至马达以及和马达有关的感应器(SENSOR),并且将马达的工作情况反馈至主控制箱(MAIN CONTROLLER)。步进电动机驱动器的一些特点：（1） 构成步进电动机驱动器系统的专用集成电路：A 脉冲分配器集成电路：如三洋公司的PMM8713（三/四相）、PMM8723（四相）、PMM8714（五相）等。B 包含脉冲分配器和电流斩波的控制器集成电路：如SGS公司的L297（四相）、L6506（四相）等。C 只含功率驱动（或包含电流控制、保护电路）的驱动器集成电路：如日本新电元工业公司的MTD1110（四相斩波驱动）和MTD2001（两相、H桥、斩波驱动）。D 将脉冲分配器、功率驱动、电流控制和保护电路都包括在内的驱动控制器集成电路，如MOTOROLA公司的SAA1042（四相）和ALLEGRO公司的UCN5804（四相）等。 （2）“细分驱动”概述：概念：将“电机固有步距角”细分成若干小步的驱动方法，称为细分驱动，细分是通过驱动器精确控制步进电动机的相电流实现的，与电机本身无关。其原理是，让定子通电相电流并不一次升到位，而断电相电流并不一次降为0（绕组电流波形不再是近似方波，而是N级近似阶梯波），则定子绕组电流所产生的磁场合力，会使转子有N个新的平衡位置（形成N个步距角）。最新技术发展：国内外对细分驱动技术的研究十分活跃，高性能的细分驱动电路，可以细分到上千甚至任意细分。目前已经能够做到通过复杂的计算使细分后的步距角均匀一致，大大提高了步进电动机的脉冲分辨率，减小或消除了震荡、噪声和转矩波动，使步进电动机更具有“类伺服”特性。对实际步距角的作用：在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己对步距角的要求。如果使用细分驱动器，则用户只需在驱动器上改变细分数，就可以大幅度改变实际步距角，步进电机的相数对改变实际步距角的作用几乎可以忽略不计。 采用细分技术与步进电动机精度提高的关系：步进电动机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术，其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。细分后电机运转时对每一个脉冲的分辨率提高了，但运转精度能否达到或接近脉冲分辨率还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度越难控制。真正的细分对驱动器要有相当高的技术要求和工艺要求，成本亦会较高。国内有一些驱动器采用对电机相电流进行“平滑”处理来取代细分，属于“假细分”，“平滑”并不产生微步，会引起电机力矩的下降。真正的细分控制不但不会引起电机力矩的下降，相反，力矩会有所增加。四、步进电机的分类1、按结构分类步进电动机也叫脉冲电机，包括反应式步进电动机（VR）、永磁式步进电动机（PM）、混合式步进电动机（HB）等。 （1）反应式步进电动机：也叫感应式、磁滞式或磁阻式步进电动机。其定子和转子均由软磁材料制成，定子上均匀分布的大磁极上装有多相励磁绕组，定、转子周边均匀分布小齿和槽，通电后利用磁导的变化产生转矩。一般为三、四、五、六相；可实现大转矩输出（消耗功率较大，电流最高可达20A，驱动电压较高）；步距角小（最小可做到10）；断电时无定位转矩；电机内阻尼较小，单步运行（指脉冲频率很低时）震荡时间较长；启动和运行频率较高。（2）永磁式步进电动机：通常电机转子由永磁材料制成，软磁材料制成的定子上有多相励磁绕组，定、转子周边没有小齿和槽，通电后利用永磁体与定子电流磁场相互作用产生转矩。一般为两相或四相；输出转矩小（消耗功率较小，电流一般小于2A，驱动电压12V）；步距角大（例如7.5度、15度、22.5度等）；断电时具有一定的保持转矩；启动和运行频率较低。（3）混合式步进电动机：也叫永磁反应式、永磁感应式步进电动机，混合了永磁式和反应式的优点。其定子和四相反应式步进电动机没有区别（但同一相的两个磁极相对，且两个磁极上绕组产生的N、S极性必须相同），转子结构较为复杂（转子内部为圆柱形永磁铁，两端外套软磁材料，周边有小齿和槽）。一般为两相或四相；须供给正负脉冲信号；输出转矩较永磁式大（消耗功率相对较小）；步距角较永磁式小（一般为1.8度）；断电时无定位转矩；启动和运行频率较高；是目前发展较快的一种步进电动机。 2、步进电动机按工作方式分类可分为功率式和伺服式两种。（1）功率式：输出转矩较大，能直接带动较大负载（一般使用反应式、混合式步进电动机）。（2）伺服式：输出转矩较小，只能带动较小负载（一般使用永磁式、混合式步进电动机）五、驱动控制系统组成 使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如下： 1、脉冲信号的产生。 脉冲信号一般由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。 2、信号分配 我厂生产的感应子式步进电机以二、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种，具体分配如下：二相四拍为,步距角为1.8度；二相八拍为,步距角为0.9度。四相电机工作方式也有二种，四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB,步距角为1.8度；四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角为0.9度）。 3、功率放大 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而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。 为尽量提高电机的动态性能，将信号分配、功率放大组成步进电机的驱动电源。生产的SH系列二相恒流斩波驱动电源与单片机及电机接线图如下：说明：CP 接CPU脉冲信号（负信号，低电平有效）OPTO 接CPU+5VFREE 脱机，与CPU地线相接，驱动电源不工作DIR 方向控制，与CPU地线相接，电机反转VCC 直流电源正端GND 直流电源负端A 接电机引出线红线 接电机引出线绿线B 接电机引出线黄线 接电机引出线蓝线 步进电机一经定型，其性能取决于电机的驱动电源。步进电机转速越高，力距越大则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高。电压对力矩影响如下：4、细分驱动器在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电机，细分驱动器的原理是通过改变相邻（A，B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。 六、驱动器原理步进电机必须有驱动器和控制器才能正常工作。驱动器的作用是对控制脉冲进 行环形分配、功率放大，使步进电机绕组按一定顺序通电，控制电机转动。图 1.3 步进电机控制系统以两相步进电机为例，当给驱动器一个脉冲信号和一个正方向信号时，驱动器经过环形分配器和功率放大后，给电机绕组通电的顺序为，其四个状态周而复 始进行变化，电机顺时针转动；若方向信号变为负时，通电时序就变为,电机就 逆时针转动。图 1.4 步进电机驱动电路原理图分析步进电机驱动电路原理图 1.4，当 T 导通时有：R 为电路中存在的等效电阻。 如果，电机不转动，感应电动势 E0，则：随着电子技术的发展，功率放大电路由单电压电路、高低压电路发展到现在的斩波电路。其基本原理是：在电机绕组回路中，串联一个电流检测回路，当绕 组电流降低到某一下限值时，电流检测回路发出信号，控制高压开关管导通，让 高压再次作用在绕组上，使绕组电流重新上升；当电流回升到上限值时，高压电 源又自动断开。重复上述过程，使绕组电流的平均值增加，电流波形的波顶维持 在预定数值上，解决了高低压电路在低频段工作时电流下凹的问题，使电机在低