步进电机及其驱动讲解学习

1、步进电机及其驱动1. 步进电机的特点与种类1）步进电机的特点步进电机又称脉冲电动机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。 其输入一个电脉冲就转动一步，即每当电动机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个 相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在 时间上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电动机绕组通电相序 即可获得所需的转角、转速及转向、很容易用微机实现数字控制。步进电机具有如下 特点：1）步进电机的工作状态不易受各种干扰因素（ 如电源电压的波动、电流的大小与波形的变化、温度等 ）的影响，只要在它们的大小未引起步进电机产生 “丢步 ”现象之 前

2、，就不影响其正常工作；2）步进电机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但 转子转过一转以后，其累积误差变为 “零 ”，因此不会长期积累；3）控制性能好 ,在启动、停止、反转时不易 “丢步 ”。因此，步进电机被广泛应 用于开环控制的机电一体化系统，使系统简化，并可靠地获得较高的位置精度。（2）步进电机的种类步进电机的种类很多，有旋转式步进电机，也有直线步进电机；从励磁相数来 分有三相、四相、五相、六相等步进电机。就常用的旋转式步进电机的转子结构来说， 可将其分为以下三种：1 ) 可变磁阻 (VR-Variable Reluctance) 型该类电动机由定子绕组产生的反应电磁力吸

3、引用软磁钢制成的齿形转子作步进驱动，故又称反应式步进电机。其结构原理如下图所示。其定子1与转子 2 由铁心构 成，没有永久磁铁，定子上嵌有线圈，转子朝定子与转子之间磁阻最小方向转动，并 由此而得名可变磁型。此类电动机的转子结构简单、转子直径小，有利于高速响应。由于 VR 型步进电机的铁心无极性，故不需改变电流极性，因此多为单极性励磁可变磁阻型 （ 反应式）三相步进电机断面图该类电动机的定子与转子均不含永久磁铁，故无励磁时没有保持力。另外，需 要将气隙做得尽可能小，例如几个微米。这种电动机具有制造成本高、效率低、转子 的阻尼差、噪声大等缺点。但是，由于其制造材料费用低、结构简单、步距角小，随 着

4、加工技术的进步，可望成为多用途的机种。2 )永磁 (PM-Permanent Magnet) 型永磁（ PM）型步进电机的转子 2采用永久磁铁、定子 1 采用软磁钢制成，绕组 3 轮流通电，建立的磁场与永久磁铁的恒定磁场相互吸引与排斥产生转矩。其结构如 图所示。这种电动机由于采用了永久磁铁，即使定子绕组断电也能保持一定转矩，故 具有记忆能力，可用做定位驱动。 PM 型电动机的特点是励磁功率小、效率高、造价低， 因此需要量也大。由于转子磁铁的磁化间距受到限制，难于制造，故步距角较大。与 VR 型相比转矩大，但转子惯量也较大。3） 混合 （HB-Hybrid） 型步进电机该型步进电机不仅具有 VR

5、 型步进电机步距角小、响应频率高的优点，而且还 具有 PM型步进电机励磁功率小、效率高的优点。它的定子与VR 型没有多大差别，只是在相数和绕组接线方面有其特殊的地方，例如， VR 型一般都做成集中绕组的形式， 每极上放有一套绕组，相对的两极为一相，而 HB 型步进电机的定子绕组大多数为四相， 而且每极同时绕两相绕组或采用桥式电路绕一相绕组，按正反脉冲供电。这种类型的电动机由转子铁心的凸极数和定子的副凸极数决定步距角的大小， 可制造出步距角较小 (0.9 3.6 )的电动机。永久磁铁也可磁化轴向的两极，可使用轴 向各向异性磁铁制成高效电动机。混合型与永磁型多为双极性励磁 励磁：就是向发电机或者同

6、步电动机 定子 提供定子电源的装置。根据直流 电机励磁方式 的不同，可 分为他励磁，并励磁，串励磁，复励磁等方式， 直流电机 的转动过程中，励磁就是控制 定子 的电压使 其产生的磁场变化，改变直流电机的转速，改变励磁同样起到改变转速的作用。由于都采用了永久磁铁，所以无励磁时具有 保持力。另外，励磁时的静止转矩都比 VR型步进电机的大。 HB和 PM型步进电机能 够用做超低速同步电机，如用 60Hz 驱动每步 1.8 的电动机可作为 72r min 的同步电 机使用。步进电机与 DC 和 AC伺服电机相比其转矩、效率、精度、高速性比较差，但步 进电机具有低速时转矩大、速度控制比较简单、外形尺寸小

7、等优点，所以在办公室自 动化方面的打印机、绘图机、复印机等机电一体化产品中得到广泛使用，在工厂自动 化方面也可代替低档的 DC 伺服电机。2. 步进电机的工作原理如下图 a 所示，如果先将电脉冲加到 A 相励磁绕组，定子 A 相磁极就产生磁通， 并对转子产生磁拉力，使转子的 1、3 两个齿与定子的 A 相磁极对齐。而后再将电脉冲 通入 B相励磁绕组， B相磁极便产生磁通。由图 b 可以看出，这时转子 2、4两个齿与 B相磁极靠得最近，于是转子便沿着逆时针方向转过30角，使转子 2、4 两个齿与定 子 B 相磁极对齐。如果按照 ABCA 的顺序通电，转子则沿反时针方向一步步地转动，每步转过 30

8、，这个角度就叫步距角。显然，单位时间内通入的电脉冲数越多， 即电脉冲频率越高，电动机转速就越高。如果按AB CA 的顺序通电，步进电机将沿顺时针方向一步步地转动。从一相通电换接到另一相通电称为一拍，每一拍转 子转动一个步距角。像上述的步进电机，三相励磁绕组依次单独通电运行，换接三次 完成一个通电循环，称为 三相单三拍通电方式 。如果使两相励磁绕组同时通电，即按 ABBCCAAB 顺序通电，这种通电方 式称为三相双三拍，其步距角仍为 30。还有一种是按三相六拍通电方式工作的步进电机，即按照A AB B BCC CAA 顺序通电，换接六次完成一个通电循环。这种通电方式的步距角为l5，如下图所示。若

9、将电脉冲首先通入 A 相励磁绕组，转子齿 1、3 与 A 相磁极对齐，如上图中 a所 示。然后再将电脉冲同时通入 A、 B相励磁绕组，这时 A 相磁极拉着 1、3两个齿， B相磁极拉着 2、4两个齿，使转子沿着逆时针方向旋转，转过15 角时， A、B两相的磁拉力正好平衡，转子静止于图中 b 的位置。如果继续按 BBCC CAA的顺序 通电，步进电机就沿着逆时针方向，以15 步距角一步步转动。步进电机的步距角越小，意味着它所能达到的位置精度越高。通常的步矩角是 1.5 或 0.75 ，为此需要将转子做成多极式的，并在定子磁极上制成小齿，如下图所示。如上述断面图所示，定子磁极上的小齿和转子磁极上的

10、小齿大小一样，两种小齿的 齿宽和齿距相等。当一相定子磁极的小齿与转子的齿对齐时，其他两相磁极的小齿都 与转子的齿错过一个角度。按着相序，后一相比前一相错开的角度要大。例如转子上 有 40 个齿，则相邻两个齿的齿距角是 360 40 9。若定子每个磁极上制成 5 个小 齿，当转子齿和 A相磁极小齿对齐时， B相磁极小齿则沿逆时针方向超前转子 13 齿 距角，即超前 3，而C相磁极小齿则超前转子 23 齿距，即超前 6。按照此结构，当励磁绕组按 ABC A顺序以三相三拍通电时，转子按逆时针 方向，以 3步距角转动；如果按照 AABBBCC CAA顺序以三相六拍通 电时，步距角将减小一半，为 1.5

11、 。如通电顺序相反，则步进电机将沿着顺时针方向 转动。步距角的大小与通电方式和转子齿数有关，其大小可用下式计算：步距角 360 (z m )式中： z-转子齿数； m-运行拍数，通常等于相数或相数整数倍，即m=KN(N 为电动机的相数，单拍时 K1，双拍时 K 2) 。反应式步进电机环形脉冲分配方式相数环形分配方式名称系数 K3A-B-C-A- 三相单三拍（1 相励磁 ）13AB-BC-CA-AB- 三相双三拍（2 相励磁 ）13A-AB-B-BC-C-CA-A- 三相六拍（1-2 相励磁 ）24A-B-C-D-A- 四相单四拍（1 相励磁 ）14AB-BC-CD-DA-AB- 四相双四拍（2

12、 相励磁 ）14A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A- 四相八拍（1-2 相励滋 ）25A-B-C-D-E-A- 五相单五拍（1 相励磁 ）15AB-BC-CD-DE-EA-AB- 五相双五拍（2 相励磁 ）15AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EAB-AB- 五相十拍（2-3 相励磁 ）26A-B-C-D-E-F-A- 六相单六拍（1 相励磁 ）16AB-BC-CD-DE-EF-FA-AB- 六相双六拍（2 相励磁 ）16ABC-BCD-CDE-DEF-EFA-FAB-ABC- 六相六拍（3 相励磁 ）16AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEF-E

13、F-EFA-FA-FAB-AB 六相十二拍（2-3 相励磁 ）23. 步进电机的运行特性及性能指标1 ） 分辨力在一个电脉冲作用下 （即一拍 ），电动机转子转过的角位移，即步距角越小，分辨力越高。最常用的有 0.6 1.2 、0.75 1.5 、0.9 1.8 、12、 1.5 3等。2）静态特性3) 动态特性1) 启动转矩上图中， A 相与 B 相矩 -角特性曲线之交点所对应的转矩称为 启动转矩 ，它表示 步进电机单相励磁时所能带动的极限负载转矩。启动转矩通常与步进电机相数和通电 方式有关，如下表所示。2) 最高连续运行频率及矩 - 频特性3) 矩频特性及联系尺寸4) 空载启动频率与惯 -频

14、特性5) 空载启动频率4) 步进电机技术指标实例反应式步进电机技术性能数据表永磁感应式步进电机技术性能数据 （一 ）永磁感应式步进电机技术性能数据 （二 ）4. 步进电机的驱动与控制步进电机的运行特性与配套使用的驱动电源（驱动器）有密切关系。驱动电源由脉 冲分配器、功率放大器等组成，如下图所示。驱动电源是将变频信号源（微机或数控装置等 ）送来的脉冲信号及方向信号按要求的配电方式自动地循环供给电动机各相绕组， 以驱动电动机转子正反向旋转。变频信号源是可提供从几赫兹到几万赫兹的频率信号 连续可调的脉冲信号发生器。因此， 只要控制输入电脉冲的数量及频率就可精确控制 步进电机的转角及转速。1） 环形脉

15、冲分配器步进电机的各相绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作。这种使电动机绕组的通 电顺序按一定规律变化的部分称为脉冲分配器（又称为环形脉冲分配器）。实现环形 分配的方法有三种。下图是一种采用计算机软件，利用查表或计算方法来进行脉冲的 环形分配，简称 软环分 。下表为三相六拍分配状态，可将表中状态代码0lH、03H、02H、06H、04H 、05H列入程序数据表中 ,通过软件可顺次在数据表中提取数据并通过输出接口输出即可，通 过正向顺序读取和反向顺序读取可控制电动机进行正反转。通过控制读取一次数据的 时间间隔可控制电动机的转速。该方法能充分利用计算机软件资源以降低硬件成本，尤其是对多相的脉冲分配

16、具有更大的优点。但由于软环分占用计算机的运行时间，故会使插补一次的时间增加，易影响步进电机的运行速度。另一种采用小规模集成电路搭接而成的三相六拍环形脉冲分配器（如下图 1 所示）， 图中 C1、 C2、 C3 为双稳态触发器。这种方式灵活性很大，可搭接任意相任意通电顺序 的环形分配器，同时在工作时不占用计算机的工作时间。第三种是采用专用环形分配器器件。如下图 2 所示的 CH250 为一种三相步进电机 专用环形分配器。它可以实现三相步进电机的各种环形分配，使用方便、接口简单。 其中图 a 为 CH250 的管脚图、图 b 为三相六拍接线图。CH250 工作状态2） 功率放大器步进电机所使用的功

17、率放大电路有电压型和电流型。电压型又有单电压型（下 图 1）、双电压型 （ 高低压型 ）（如下图 2，其中图 2a 是由采用脉冲变压器 TI 组成 的、图 2b 是由采用单稳触发器组成的）。电流型中有恒流驱动、斩波驱动等。（3） 细分驱动上述提到的步进电机的各种功率放大电路都是采用环形分配器芯片进行环形分 配，控制电动机各相绕组的导通或截止，从而使电动机产生步进运动，步距角的大 小只有两种，即整步工作或半步工作。步距角已由步进电机结构所确定。如果要求 步进电机有更小的步距角或者为减小电动机振动、噪声等原因，可以在每次输入脉 冲切换时，不是将绕组电流全部通入或切除，而是只改变相应绕组中额定电流的

18、一 部分，则电动机转过的每步运动也只有步距角的一部分。这里绕组电流不是一个方 波，而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除，电流分成多少个台阶，则转子 就以同样的个数转过一个步距角。这样将一个步距角细分成若干步的驱动方法被称 为细分驱动。细分驱动的特点是：在不改动电动机结构参数的情况下，能使步距角 减小。但细分后的步距角精度不高，功率放大驱动电路也相应复杂；能使步进电机 运行平稳、提高匀速性，并能减弱或消除振荡。功率开关细分驱动电源叠加细分驱动原理步进电机的微机控制 串行、并行控制示意）点-位控制的加减速过程升速规律一般可有两种选择：一是按照直线规律升速，二是按指数规律升速按直线规律升速时加速度为恒值，因此要求步进电机产生的转矩为恒值。从电动机本 身的矩 - 频特性来看，在转速不是很高的范围内，输出的转矩可基本认为恒定。但实际 上电动机转速升高时，输出转矩将有所下降，如按指数规律升速，加速度是逐渐下降 的，接近电动机输出转矩随转速变化的规律。升速时使脉冲串逐渐加密，减速时使脉冲串逐渐稀疏。微机用定时器中断的方式来控 制电