机电传动第十一步进电机传动控制系统

1、步进电机传动控制系统步进电机传动控制系统第十一章第十一章 本章要求：本章要求： 1、掌握步进电机的基本结构与工作原理；、掌握步进电机的基本结构与工作原理； 2、了解步进电机的驱动方式与驱动电路；、了解步进电机的驱动方式与驱动电路； 3、了解环形分配器的实现方式。、了解环形分配器的实现方式。 本章知识点：本章知识点： 1、步距角、分辨率与控制精度的关系；、步距角、分辨率与控制精度的关系； 2、相与拍的关系；、相与拍的关系； 3、失步与产生失步的原因；、失步与产生失步的原因； 4、步距角的细分技术。、步距角的细分技术。 步进电动机是一种步进电动机是一种将电脉冲信号变换成相应的角将电脉冲信号变换成相

2、应的角位移或直线位移的机电执行元件位移或直线位移的机电执行元件，每当输入一个，每当输入一个电脉冲时，它便转过一个固定的角度，这个角度电脉冲时，它便转过一个固定的角度，这个角度称为称为步距角步距角，简称为步距。每输入一个脉冲电，简称为步距。每输入一个脉冲电动机便转动一步，步进电动机便因之而命名。动机便转动一步，步进电动机便因之而命名。 当电动机不失步时，当电动机不失步时，步进电动机的位移量与输入步进电动机的位移量与输入脉冲数严格成比例，不会引起积累误差脉冲数严格成比例，不会引起积累误差，其转速，其转速与脉冲频率和步距角有关。控制输入脉冲数量、与脉冲频率和步距角有关。控制输入脉冲数量、频率及电动机

3、各相绕组的接通次序，就可以得到频率及电动机各相绕组的接通次序，就可以得到所需的位移、速度和转向。通过传动机构，带动所需的位移、速度和转向。通过传动机构，带动工作设备完成符合要求的动作。工作设备完成符合要求的动作。步进电机的分类步进电机的分类1、定位电磁铁原理的步进电机；、定位电磁铁原理的步进电机；2、反应式步进电机（变磁阻式）；、反应式步进电机（变磁阻式）；3、永磁式步进电机；、永磁式步进电机；4、混合式步进电机。、混合式步进电机。一、步进电机的结构与工作原理一、步进电机的结构与工作原理 当当A相通电时，定子相通电时，定子A相的齿与转子上的齿相的齿与转子上的齿对齐对齐(磁通具有力图沿磁通具有力

4、图沿磁阻最小路径通过的磁阻最小路径通过的特点特点)，B相的齿与转相的齿与转子上的齿错开子上的齿错开1/3齿，齿，C相的齿与转子上的齿相的齿与转子上的齿错开错开2/3齿。若按齿。若按A、B、C相轮流导通，每通电相轮流导通，每通电一次转过一次转过1/3齿；若按齿；若按A、AB、B、BC、C、CA的方式，则每通电的方式，则每通电一次，转过一次，转过1/6齿。齿。 转子与相之间错开的转子与相之间错开的角度增量为角度增量为t/m 定子绕组按一定的规律通电；转子铁心在磁场作定子绕组按一定的规律通电；转子铁心在磁场作用下每次转过一定的角度。用下每次转过一定的角度。实际步进电动机的步距角通常较小，这就要求转子

5、的齿数多。实际步进电动机的步距角通常较小，这就要求转子的齿数多。 反应式步进电动机工作原理反应式步进电动机工作原理接线与结构接线与结构A相绕组通电相绕组通电B相绕组通电相绕组通电C相绕组通电相绕组通电 二、步进电机的步距角、和拍的定义二、步进电机的步距角、和拍的定义 1、拍、拍定子由一种通电状态转换到另一种通电状定子由一种通电状态转换到另一种通电状态态（即磁场状态每一次变化）称为一拍；（即磁场状态每一次变化）称为一拍； 2、步距角、步距角步进电机每转一步步进电机每转一步（一拍）（一拍）所转过所转过的角度的角度。其大小取决于转子的齿数，和通电的方式。其大小取决于转子的齿数，和通电的方式。 步距角

6、步距角 =360 =360o o/(ZKm)/(ZKm) Z转子齿数；转子齿数；m定子绕组相数；定子绕组相数；K状态系数（单状态系数（单m拍、双拍、双m拍时拍时K=1，单、双，单、双m拍拍时时K=2）。）。 3、步进电机的、步进电机的转速转速n=60f /2/2 显然，显然，齿数越多、相数越多，步距角越小，精度越高，齿数越多、相数越多，步距角越小，精度越高，但转速越慢但转速越慢。 三、提高步进电机分辨率的方法：三、提高步进电机分辨率的方法： 1、增加转子齿数增加转子齿数Z（设计成小步距角的步进电（设计成小步距角的步进电机）但齿太小，容易磁饱和，力矩变小；机）但齿太小，容易磁饱和，力矩变小； 2

7、、增加定子绕组相数增加定子绕组相数m（做成多相）；（做成多相）； 3、做成多段做成多段式结构；式结构； 4、采用电流细分技术采用电流细分技术（通过单片机的（通过单片机的D/A控制控制步进电机定子相邻两相电流的比例实现）。但步进电机定子相邻两相电流的比例实现）。但要注意，细分主要是改善运动性能。要注意，细分主要是改善运动性能。 四、四、 步进电动机的分类步进电动机的分类 1按步进电动机的工作原理分按步进电动机的工作原理分 1）励磁式励磁式 电机的定子转子均有绕组，靠电磁力矩使转子转动。电机的定子转子均有绕组，靠电磁力矩使转子转动。 2）反应式反应式(变磁阻式）变磁阻式） 转子无绕组，定子绕组励磁

8、后产生反应力矩，使转子转转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使转子转动。这是步进电动机发展的主要类型，有较好的技术性动。这是步进电动机发展的主要类型，有较好的技术性能指标。能指标。 3）混合式混合式（即永磁感应子式）（即永磁感应子式） 它与反应式的主要区别是转子上置有磁钢。反应式电机它与反应式的主要区别是转子上置有磁钢。反应式电机转子无磁钢，输入能量全靠定子励磁电流供给，静态电转子无磁钢，输入能量全靠定子励磁电流供给，静态电流比永磁式大许多。永磁感应子式电机具有驱动电流小、流比永磁式大许多。永磁感应子式电机具有驱动电流小、效率高、过载能力强和具有零电流力矩等优点，是一种效率高、过载能力强和

9、具有零电流力矩等优点，是一种很有发展前途的步进电动机。很有发展前途的步进电动机。 还有其它的分类方法（自学）还有其它的分类方法（自学）混合式步进电机有零电流力矩混合式步进电机有零电流力矩 五、环形分配器的实现五、环形分配器的实现 1、硬件环形分配器（随着单片机的出现已、硬件环形分配器（随着单片机的出现已很少使用）；很少使用）； 2、软件环形分配器（通过查表实现）、软件环形分配器（通过查表实现）六、步进电机的驱动电路六、步进电机的驱动电路1、单电压限流型驱、单电压限流型驱动电路动电路 为了克服静摩为了克服静摩擦力和惯性，加擦力和惯性，加大步进电机的加大步进电机的加速度，加快启动速度，加快启动过程

10、，采用高低过程，采用高低压切换电路。利压切换电路。利用高电压产生大用高电压产生大力矩，利用低电力矩，利用低电压维持静止，从压维持静止，从而减少发热。而减少发热。 当晶体管当晶体管VT导通瞬导通瞬间，由于电容间，由于电容C两端两端电压不能突变，电电压不能突变，电容相当于短路，加容相当于短路，加在电阻在电阻R的电压很小，的电压很小，电流很小，电压全电流很小，电压全部加在绕组部加在绕组L上，电上，电流快速上升。随着流快速上升。随着电容充电，加在绕电容充电，加在绕组组L的电压降低电流的电压降低电流减少。减少。V为续流二极管，为续流二极管，RD为为限流电阻防止关断瞬限流电阻防止关断瞬间反电势过高，击穿间

11、反电势过高，击穿晶体管晶体管VT。电容。电容C仅仅在启动时起作用，称在启动时起作用，称为加速电容。时间常为加速电容。时间常数数=L/（r+R)为了提为了提高速度，要加大高速度，要加大R，但，但要保证维持电流，必要保证维持电流，必须同时提高须同时提高U。造成功。造成功耗大。耗大。I=U/（r+R) 2、双电源高低压切换型驱动电路、双电源高低压切换型驱动电路 开始时开始时VT1、VT2同时导通，同时导通，80V直接加在绕组直接加在绕组L上，当经过上，当经过t2时间，关断时间，关断VT2，用低压，用低压12V维维持。在下一步开始前，把持。在下一步开始前，把VT1关断。关断。 引起步进电机失步的原因：

12、引起步进电机失步的原因： 1、步进电机的力矩不够步进电机的力矩不够（负载力矩大于步（负载力矩大于步进电机的最大静力矩）；进电机的最大静力矩）； 2、加减速过快加减速过快（动态力矩不够）；（动态力矩不够）； 即给定角加速度即给定角加速度=（TM-TL）/J 步进电机控制的优缺点：步进电机控制的优缺点： 优点：优点： 1、步进电机不失步时，步进电机的角位移与输入脉冲、步进电机不失步时，步进电机的角位移与输入脉冲数严格成比例，数严格成比例，可以用于高精度的开环控制可以用于高精度的开环控制； 2、控制方法及设备简单，价钱便宜；、控制方法及设备简单，价钱便宜； 3、零速（堵转）力矩大零速（堵转）力矩大；

13、 4、永磁式和混合式、永磁式和混合式有零电流力矩有零电流力矩； 5、体积小。、体积小。 缺点：缺点： 1、高速力矩小高速力矩小（每一步只有一个齿出力）响应慢；（每一步只有一个齿出力）响应慢； 2、允许最高转速低允许最高转速低（每一步都作启、停运动）；（每一步都作启、停运动）； 3、精度低（受步距角限制）、精度低（受步距角限制） 4、共振点多，噪声大；、共振点多，噪声大； 5、功率小功率小。 在高性能的控制中步进电机正被交流伺服控制取代。在高性能的控制中步进电机正被交流伺服控制取代。T步步只有只有A相通电相通电A相电流大于相电流大于B相相B相电流大于相电流大于A 相相AA B BCC C 4321AA B BCC C 43214321AA B BCC C 步距角的细分技术步距角的细分技术 步距角的细分技术是利用计算机的步距角的细分技