第十一章 步进电动机控制系统

1、第十一章 步进电动机控制系统机电传动控制Page 2第十一章 步进电动机控制系统本章主要内容本章主要内容了解步进电动机环形分配器的基本原理及其硬、软件的实现方了解步进电动机环形分配器的基本原理及其硬、软件的实现方法；法；了解两种不同类型步进电动机的驱动电路及其优缺点。了解两种不同类型步进电动机的驱动电路及其优缺点。Page 3 步进电机的运行要求足够功率的电脉冲信号步进电机的运行要求足够功率的电脉冲信号按一定的顺序分配到各相绕组。所以，与其它旋按一定的顺序分配到各相绕组。所以，与其它旋转电机不同的是步进电机的工作需要专门的驱动。转电机不同的是步进电机的工作需要专门的驱动。步进电机的驱动包含脉冲

2、分配（环行分配）和功步进电机的驱动包含脉冲分配（环行分配）和功率放大两部分。如图所示。步进电机与驱动部分率放大两部分。如图所示。步进电机与驱动部分是一个不可分开的有机整体，步进电机系统的性是一个不可分开的有机整体，步进电机系统的性能除了与电机本身的性能有关外，在很大程度上能除了与电机本身的性能有关外，在很大程度上取决于所使用的功率驱动电路的类型与优劣。取决于所使用的功率驱动电路的类型与优劣。步进电动机的驱动步进电动机的驱动11.1 步进电动机的环形分配器步进电动机的环形分配器Page 4步进电动机的驱动系统框图步进电动机的驱动系统框图11.1 步进电动机的环形分配器步进电动机的环形分配器Pag

3、e 5 步进电机按三相单三拍方式运行，则脉冲分配器输步进电机按三相单三拍方式运行，则脉冲分配器输出的出的A、B、C如图所示。当方向电平为低时，脉冲分配如图所示。当方向电平为低时，脉冲分配器的输出按器的输出按A-B-C的顺序循环产生脉冲。当方向电平为高的顺序循环产生脉冲。当方向电平为高时，脉冲分配器的输出按时，脉冲分配器的输出按A-C-B的顺序循环产生脉冲。的顺序循环产生脉冲。fABCABCf环形分配器功能环形分配器功能11.1 步进电动机的环形分配器步进电动机的环形分配器Page 6 步进电动机的脉冲分配器可由硬件或软件方法步进电动机的脉冲分配器可由硬件或软件方法来实现。来实现。n 硬件环形分

4、配器有较好的响应速度，且具有直硬件环形分配器有较好的响应速度，且具有直观、维护方便等优点。观、维护方便等优点。n 软件环分则往往受到微型计算机运算速度的限软件环分则往往受到微型计算机运算速度的限制，有时难以满足高速实时控制的要求。制，有时难以满足高速实时控制的要求。环形分配器实现方法环形分配器实现方法11.1 步进电动机的环形分配器步进电动机的环形分配器Page 7硬件环形分配器 硬件环形分配器需根据步进电硬件环形分配器需根据步进电动机的相数和步进电机绕组的动机的相数和步进电机绕组的通电方式设计通电方式设计,图所示是一个图所示是一个三相六拍的环形分配器。分配三相六拍的环形分配器。分配器的主体是

5、三个器的主体是三个J-K触发器。触发器。三个三个J-K触发器的触发器的Q输出端分输出端分别经各自的功放电路与步进电别经各自的功放电路与步进电动机动机A、B、C三相绕组连接。三相绕组连接。电机正转时，要使电机正转时，要使A、B、C按按AABBBCCCA顺顺序循环产生脉冲信号输出。电序循环产生脉冲信号输出。电机反转时，则应以机反转时，则应以AACCCBBBA的顺序循环。的顺序循环。电路中，决定正、反转的信号电路中，决定正、反转的信号为为W+、W-。 当使当使W+=1、W-=0时对应正转；时对应正转； W+=0、W-=1时对应反转。时对应反转。 硬件环形分配器硬件环形分配器11.1 步进电动机的环形

6、分配器步进电动机的环形分配器Page 8 根据数字电子技术基础分析电路的工作原根据数字电子技术基础分析电路的工作原理可知，当复位端来一个脉冲信号时，理可知，当复位端来一个脉冲信号时，三个三个J-K触发器被置初值，即触发器被置初值，即 QA、QB、QC依次置为依次置为1、0、0。 每一个每一个CP脉冲的脉冲的下降沿将下降沿将J-K触发器触发器J端的状态锁存到端的状态锁存到Q端，可得出正转（端，可得出正转（W+=1、W-=0）时环时环形 分 配 器 的 逻 辑 状 态 真 值 表 。形 分 配 器 的 逻 辑 状 态 真 值 表 。 硬件环形分配器硬件环形分配器11.1 步进电动机的环形分配器步进

7、电动机的环形分配器Page 9硬件环形分配器真值表硬件环形分配器真值表11.1 步进电动机的环形分配器步进电动机的环形分配器Page 10 软件环分的方法是利用计算机软件环分的方法是利用计算机程序来设定硬件接口的位状态，程序来设定硬件接口的位状态，从而产生一定的脉冲分配输出。从而产生一定的脉冲分配输出。对于不同的计算机和接口器件，对于不同的计算机和接口器件，软件环分有不同的形式。现以软件环分有不同的形式。现以MCS-51系列单片机系列单片机8031为例加以为例加以说明。说明。 8031单片机本身包含单片机本身包含4个个8位位I/O端口，分别为端口，分别为P0、P1、P2、P3。若要实现三相六拍

8、方式的脉。若要实现三相六拍方式的脉冲分配，需要三根输出口线，本冲分配，需要三根输出口线，本例中选例中选P1口的口的P1.0、P1.1、P1.2位作为脉冲分配的输出。位作为脉冲分配的输出。 8031P1.0P1.1P1.2ABC驱驱动动器器软件环形分配器软件环形分配器11.1 步进电动机的环形分配器步进电动机的环形分配器Page 11硬件环形分配器分配表硬件环形分配器分配表11.1 步进电动机的环形分配器步进电动机的环形分配器Page 12P1输送的内容依次为：输送的内容依次为：01H、03H、02H、06H、04H、05H。 编写程序时，将这些值按顺序存放在固定的只读存储编写程序时，将这些值按

9、顺序存放在固定的只读存储器中，设计一个正转子程序和一个反转子程序供主程序调器中，设计一个正转子程序和一个反转子程序供主程序调用。正转子程序按顺序取表中的内容输出到用。正转子程序按顺序取表中的内容输出到P1端口，而反端口，而反转子程序按逆序取表中的内容输出到转子程序按逆序取表中的内容输出到P1端口。主程序每调端口。主程序每调用一次子程序，就完成一次用一次子程序，就完成一次P1端口的输出。主程序调用子端口的输出。主程序调用子程序的时间间隔（可用软件延时或中断的方法实现）决定程序的时间间隔（可用软件延时或中断的方法实现）决定了输出脉冲的频率，从而决定步进电机转速。下面是正转了输出脉冲的频率，从而决定

10、步进电机转速。下面是正转子程序清单，反转子程序与此相类似。子程序清单，反转子程序与此相类似。软件环形分配器程序设计软件环形分配器程序设计11.1 步进电动机的环形分配器步进电动机的环形分配器Page 13CW： CJNE R0，#6，CW1；R0指示数据表中数据输出的指示数据表中数据输出的 相对指针相对指针MOV R0，#0； 若指针已指到表尾，则将指针重指表头若指针已指到表尾，则将指针重指表头CW1：MOV A，R0MOV DPTR，#TABLE；指针；指针DPTR指向表头指向表头MOVC A，A+DPTR；从表中取值送到；从表中取值送到A中中MOV P1，A；A的内容送到输出端口的内容送到

11、输出端口P1INC R0；为取下一个数做准备；为取下一个数做准备RETTABLE：DB 01H，03H，02H，06H，04H，05H软件环形分配器程序设计软件环形分配器程序设计11.1 步进电动机的环形分配器步进电动机的环形分配器Page 14 步进电动机的功率驱动电路实际上是一种脉步进电动机的功率驱动电路实际上是一种脉冲放大电路，使脉冲具有一定的功率驱动能力。冲放大电路，使脉冲具有一定的功率驱动能力。由于功率放大器的输出直接驱动电动机绕组，由于功率放大器的输出直接驱动电动机绕组，因此，功率放大电路的性能对步进电动机的运因此，功率放大电路的性能对步进电动机的运行性能影响很大。对驱动电路要求的

12、核心问题行性能影响很大。对驱动电路要求的核心问题则是如何提高步进电动机的快速性和平稳性则是如何提高步进电动机的快速性和平稳性（这样快速的建立需要的电流）。常见的步进（这样快速的建立需要的电流）。常见的步进电动机驱动电路主要有以下几种。电动机驱动电路主要有以下几种。11.2 步进电动机的驱动电路步进电动机的驱动电路Page 151单电压驱动电路 图所示是步进电动机一相的驱动电图所示是步进电动机一相的驱动电路，路，L L是电动机绕组，晶体管是电动机绕组，晶体管VTVT可以可以认为是一个无触点开关，它的理想认为是一个无触点开关，它的理想工作状态应使电流流过绕组工作状态应使电流流过绕组L L的波形的波

13、形尽可能接近矩形波。但由于电感线尽可能接近矩形波。但由于电感线圈中电流不能突变，在接通电源后圈中电流不能突变，在接通电源后绕组中的电流按指数规律上升。绕组中的电流按指数规律上升。时间常数时间常数: R C RD V L +U VT )1 (LterRUirRL11.2 步进电动机的驱动电路步进电动机的驱动电路Page 162. 高低压切换型驱动电路 高低压切换型驱动电路的最后一级如图所示。这种电路中，采高低压切换型驱动电路的最后一级如图所示。这种电路中，采用高压和低压两种电压供电，一般高压为低压的数倍。用高压和低压两种电压供电，一般高压为低压的数倍。 R V1 L +80V Ub1 VT1 U

14、b2 VT2 V2 +12V Ub1 0 t Ub2 0 t I 0 t t1 t2 t3 11.2 步进电动机的驱动电路步进电动机的驱动电路Page 173. 斩波恒流型驱动电路 11.2 步进电动机的驱动电路步进电动机的驱动电路Page 18输出转矩大、效率高。输出转矩大、效率高。斩波恒流型驱动的波形 11.2 步进电动机的驱动电路步进电动机的驱动电路Page 19切换时，绕组电流并非全部切除或通入，只改变额定值的一部分（如1/4)，转子也只转动步距角的一部分（如1/4)。细分驱动 11.3 步进电动机的控制与应用步进电动机的控制与应用Page 20细分时合成磁势的旋转情况11.3 步进电

15、动机的控制与应用步进电动机的控制与应用Page 21两相混合步进电动机（两相混合步进电动机（5050齿）齿）五相混合步进电动机（五相混合步进电动机（5050齿）齿）三相混合步进电动机（三相混合步进电动机（5050齿）齿）电流型细分驱动器电流型细分驱动器11.3 步进电动机的控制与应用步进电动机的控制与应用主流步进电动机和控制系统Page 22a a、振荡、振荡步进电动机的振荡现象主要发生在：步进电动机的振荡现象主要发生在：步进电动机工作在低频区步进电动机工作在低频区步进电动机工作在共振区步进电动机工作在共振区步进电动机突然停车时步进电动机突然停车时步进电动机的振荡和失步11.3 步进电动机的控

16、制与应用步进电动机的控制与应用Page 23b b、失步失步步进电动机的失步原因主要有两种：步进电动机的失步原因主要有两种：转子的转速慢于旋转磁场的速度转子的转速慢于旋转磁场的速度转子的平均速度大于旋转磁场的速度转子的平均速度大于旋转磁场的速度步进电动机的振荡和失步11.3 步进电动机的控制与应用步进电动机的控制与应用Page 24a.a.静态特性静态特性矩角特性矩角特性步进电动机的特性 11.3 步进电动机的控制与应用步进电动机的控制与应用Page 25b.b.动态特性动态特性起动矩频特性：起动矩频特性： 有外加负载时，不失步正常起动所需的脉冲频率与负载转矩的对应关系有外加负载时，不失步正常起动所需的脉冲频率与负载转矩的对应关系运行矩频特性：运行矩频特性： 运行时输出转矩与输入脉冲频率的关系。运行时输出转矩与输入脉冲频率的关系。11.3 步进电动机的控制与应用步进电动机的控制与应用Page 26a a、最大静转矩、最大静转矩某相始终通电而处于静止不动状态时所能承受的某相始终通电而处于静止不动状态时所能承受的最大外加转矩（最大外加转矩（即所能