《步进电动机的控制》ppt课件

1、步进电动机的控制步进电动机的控制第3章1内容提要内容提要第第1 1节节 步进电动机的任务原理及驱动方法步进电动机的任务原理及驱动方法 第第2 2节节 步进电动机的开、闭环控制步进电动机的开、闭环控制 第第3 3节节 步进电动机的最正确点步进电动机的最正确点- -位控制位控制 第第4 4节节 步进电动机控制的程序设计步进电动机控制的程序设计2引引 言言 步进电动机主要用于开环控制系统，也可以用于闭环控制系统。步进电动机主要用于开环控制系统，也可以用于闭环控制系统。 由于它可以直接接纳计算机输出的数字信号，而不需求进展数由于它可以直接接纳计算机输出的数字信号，而不需求进展数/ /模转换，模转换，所

2、以广泛运用于数字控制系统。所以广泛运用于数字控制系统。 步进电机角位移与控制脉冲间准确同步，假设将角位移的改动转变为线步进电机角位移与控制脉冲间准确同步，假设将角位移的改动转变为线性位移、位置、体积、流量等物理量的变化，便可实现对它们的控制。性位移、位置、体积、流量等物理量的变化，便可实现对它们的控制。例如，在机械构造中，可以用丝杠把角度变成直线位移，也可以用它例如，在机械构造中，可以用丝杠把角度变成直线位移，也可以用它带动螺旋定位器，调理电压和电流，实现对执行机构的控制。带动螺旋定位器，调理电压和电流，实现对执行机构的控制。 步进电动机具有快速启停、准确步进的特点，使其在定位场所中得到了步进

3、电动机具有快速启停、准确步进的特点，使其在定位场所中得到了广泛的运用。广泛的运用。( (如绘图机、打印机及光学仪器中，采用步进电动机来定如绘图机、打印机及光学仪器中，采用步进电动机来定位绘图笔、印字头或光学镜头。在工业过程控制的位置控制系统中运用位绘图笔、印字头或光学镜头。在工业过程控制的位置控制系统中运用也越来越广泛。也越来越广泛。) )3第第1 1节节 步进电动机的任务原理及驱动方法步进电动机的任务原理及驱动方法 步进电动机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直步进电动机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件。相当于一个数字线位移的机电执行元件。相当于一个数字/ /

4、角度转换器，也角度转换器，也是一个串行的数是一个串行的数/ /模转换器。输入一个电脉冲，电动机就转模转换器。输入一个电脉冲，电动机就转动一个固定的角度，称为动一个固定的角度，称为“一步，这个固定的角度称为一步，这个固定的角度称为步距角。步距角。 控制信号是脉冲电压、电流，所以有时也称为脉冲电动机控制信号是脉冲电压、电流，所以有时也称为脉冲电动机或电脉冲马达。或电脉冲马达。 4 1. 1. 电机输出轴的角位移与输入脉冲数成正比；电机输出轴的角位移与输入脉冲数成正比；转速与脉冲频率成正比；转向与通电相序有关。没转速与脉冲频率成正比；转向与通电相序有关。没有累积误差，具有良好的跟随性。有累积误差，具

5、有良好的跟随性。 2. 2. 由步进电机与驱动电路组成的开环数控系由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既简单、廉价，又非常可靠。同时，它也可以统，既简单、廉价，又非常可靠。同时，它也可以与角度反响环节组成高性能的闭环数控系统。与角度反响环节组成高性能的闭环数控系统。 3. 3. 步进电机的动态呼应快，易于起停、正反步进电机的动态呼应快，易于起停、正反转、变速。转、变速。 4. 4. 步进电机存在振荡和失步景象，必需对控步进电机存在振荡和失步景象，必需对控制系统和机械负载采取相应的措施。制系统和机械负载采取相应的措施。 5. 5. 步进电机本身的噪声和振动较大，带惯性步进电机本身的噪声和振动

6、较大，带惯性负载的才干较差。负载的才干较差。步进电动机有如下特点：步进电动机有如下特点：51.1.按运动方式来分：分为旋转运动、直线运动、平面运动印刷绕组式和按运动方式来分：分为旋转运动、直线运动、平面运动印刷绕组式和滚切运动式步进电机。滚切运动式步进电机。2.2.按任务原理来分：分为反响式按任务原理来分：分为反响式( (磁阻式磁阻式) )、电磁式、永磁式、永磁感应式、电磁式、永磁式、永磁感应式混合式步进电机。混合式步进电机。3.3.按其任务方式来分：分为功率式和伺服式。前者输出转矩较大，能直接带按其任务方式来分：分为功率式和伺服式。前者输出转矩较大，能直接带动较大的负载；后者输出转矩较小，只

7、能带动较小的负载，对于大负载需经动较大的负载；后者输出转矩较小，只能带动较小的负载，对于大负载需经过液压放大元件来传动。过液压放大元件来传动。4.4.按构造来分：分为单段式径向式、多段式轴向式、印刷绕组式。按构造来分：分为单段式径向式、多段式轴向式、印刷绕组式。5.5.按相数来分：分为三相、四相、五相、六相等。按相数来分：分为三相、四相、五相、六相等。6.6.按运用频率来分：分为高频步进电机和低频步进电机。按运用频率来分：分为高频步进电机和低频步进电机。 不同类型步进电机其任务原理、驱动安装也不完全一样，但其任务过程不同类型步进电机其任务原理、驱动安装也不完全一样，但其任务过程根本是一样的。根

8、本是一样的。 一、步进电动机的种类一、步进电动机的种类6 步进电动机的任务原理是基于电磁感步进电动机的任务原理是基于电磁感应原理。应原理。 步进电动机和普通旋转电动机一样，步进电动机和普通旋转电动机一样，分为定子和转子两大部分。分为定子和转子两大部分。 定子由硅钢片叠成，配以一定相定子由硅钢片叠成，配以一定相数的控制绕组，输入电脉冲对多相定子数的控制绕组，输入电脉冲对多相定子绕组轮番进展励磁；绕组轮番进展励磁； 转子用硅钢片叠成或用软磁性资转子用硅钢片叠成或用软磁性资料做成凸极构造，转子本身没有励磁绕料做成凸极构造，转子本身没有励磁绕组的称为组的称为“反响式步进电动机；用永反响式步进电动机；用

9、永久磁铁做转子的称为久磁铁做转子的称为“永磁式步进电永磁式步进电动机；兼有永磁式和反响式两种步进电动机；兼有永磁式和反响式两种步进电机的特点，称为混合式步进电机。目前机的特点，称为混合式步进电机。目前以反响式步进电动机用得较多。以反响式步进电动机用得较多。二、步进电动机的任务原理二、步进电动机的任务原理7一反响式步进电机的构造一反响式步进电机的构造1.1.单段径向式三相反响式步进电机的构造原理图单段径向式三相反响式步进电机的构造原理图 主要由定子和转子两部分组主要由定子和转子两部分组成。成。定子铁芯由硅钢片叠压而成，定子上有六定子铁芯由硅钢片叠压而成，定子上有六个均匀分布的极，每两个为一对。定

10、子绕个均匀分布的极，每两个为一对。定子绕组是绕置在定子上的六个均匀分布铁芯齿组是绕置在定子上的六个均匀分布铁芯齿上的线圈，它把沿直径方向上相对的两个上的线圈，它把沿直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一同，构成一相控制绕齿上的线圈串联在一同，构成一相控制绕组。图中所示的步进电机为组。图中所示的步进电机为A A、B B、C C三相三相控制绕组，故称为三相步进电机。当任一控制绕组，故称为三相步进电机。当任一相绕组通电时，便构成一对定子磁极，即相绕组通电时，便构成一对定子磁极，即构成构成N N、S S极。极。 在定子的每个磁极上，即定子铁在定子的每个磁极上，即定子铁芯的每个齿上又开了五个小齿，齿槽等

11、宽，芯的每个齿上又开了五个小齿，齿槽等宽，齿间夹角为齿间夹角为9 9，在空间位置上依次错开，在空间位置上依次错开1/31/3齿距其展开图如下图。齿距其展开图如下图。8图图3-1 3-1 单段式反响式步进电动机单段式反响式步进电动机构造原理图构造原理图9转子是一个带齿的铁芯，转子上没有绕组，转子上均匀分布了转子是一个带齿的铁芯，转子上没有绕组，转子上均匀分布了4040个小齿，齿槽等宽，齿间夹角也是个小齿，齿槽等宽，齿间夹角也是9 9，与定子磁极上的小齿一致。，与定子磁极上的小齿一致。当定子当定子A A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，定子相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，定子B B相磁极上相

12、磁极上的小齿刚好超前的小齿刚好超前( (或滞后或滞后) )转子小齿转子小齿1/31/3齿距角，定子齿距角，定子C C相磁极上的相磁极上的小齿超前小齿超前( (或滞后或滞后) )转子小齿转子小齿2/32/3齿距角。齿距角。10步进电机步进电机A A相通电形状相通电形状112.2.单段三相反响式步进电机的任务原理近似于电磁铁的任务单段三相反响式步进电机的任务原理近似于电磁铁的任务原理原理三相单三拍任务方式：如图转子上有四个均匀分布的齿三相单三拍任务方式：如图转子上有四个均匀分布的齿1 1、2 2、3 3、4 4。当。当A A相通电，相通电，B B、C C都不通电，因磁通总是要沿着磁阻最少的途径闭合

13、，将使转子齿都不通电，因磁通总是要沿着磁阻最少的途径闭合，将使转子齿1 1、3 3吸引吸引到定子磁极到定子磁极A A、AA下，并对齐，图下，并对齐，图(a),(a),因转子只遭到径向力而无切向力，故转因转子只遭到径向力而无切向力，故转矩为零，转子被自锁在这个位置；当矩为零，转子被自锁在这个位置；当B B相绕组通电，相绕组通电，A A、C C相不通电，将使转子齿相不通电，将使转子齿2 2、4 4和定子磁极和定子磁极B B、BB对齐，在电磁力矩的作用下使转子沿逆时针方向转过对齐，在电磁力矩的作用下使转子沿逆时针方向转过3030，图图(b)(b)；C C相通电，相通电，A A、B B相断电，又使转子

14、齿相断电，又使转子齿1 1、3 3和定子磁极和定子磁极C C、CC对齐，在电磁对齐，在电磁力矩的作用下使转子再沿着逆时针方向转过力矩的作用下使转子再沿着逆时针方向转过3030，图，图(C)(C)。假设使定子绕组按。假设使定子绕组按A-A-B-C-AB-C-A的顺序通电，那么步进电机转子便不停地沿逆时针方向转动。假设定的顺序通电，那么步进电机转子便不停地沿逆时针方向转动。假设定子绕组的通电顺序为子绕组的通电顺序为A-C-B-AA-C-B-A那么步进电机转子沿顺时针方向转动。那么步进电机转子沿顺时针方向转动。要点：磁力线力图走磁阻最小的途径，从而产生反响力矩；要点：磁力线力图走磁阻最小的途径，从而

15、产生反响力矩； 各相定子齿之间彼此错开各相定子齿之间彼此错开1/m1/m齿距，齿距，m m为相数，这里为相数，这里m=3m=3。磁力线：外边是从磁力线：外边是从N N极指向极指向S S极。极。12 三相单三拍任务方式从一相绕组的通电或断电切换到另一相绕组的三相单三拍任务方式从一相绕组的通电或断电切换到另一相绕组的断电或通电时，由于电机绕组是电感性元件，磁场的消逝或建立均需一断电或通电时，由于电机绕组是电感性元件，磁场的消逝或建立均需一定时间，因此，切换期间容易使电机产生失步。定时间，因此，切换期间容易使电机产生失步。 此外，由单一绕组通电吸引转子，也容易使转子在平衡位置附近产此外，由单一绕组通

16、电吸引转子，也容易使转子在平衡位置附近产生振荡，运转的稳定性较差，所以很少采用。生振荡，运转的稳定性较差，所以很少采用。三相双三拍任务方式：为了抑制以上缺乏，通常将其改为三相双三拍通电三相双三拍任务方式：为了抑制以上缺乏，通常将其改为三相双三拍通电方式，即按方式，即按AB-BC-CA-ABAB-BC-CA-AB方式通电，可使电机正转；反之按方式通电，可使电机正转；反之按AB-AC-BC-AB-AC-BC-ABAB方式通电，可使电机反转。这种任务方式每个通电形状均为两相绕方式通电，可使电机反转。这种任务方式每个通电形状均为两相绕组同时通电，且相邻的两个任务节拍中总有一相坚持通电的形状不变，因组同

17、时通电，且相邻的两个任务节拍中总有一相坚持通电的形状不变，因此，可防止三相单三拍任务方式的失步和低频振荡等景象。三相双三拍任此，可防止三相单三拍任务方式的失步和低频振荡等景象。三相双三拍任务方式下，每改动一次通电形状可使步进电机旋转务方式下，每改动一次通电形状可使步进电机旋转3030。三相六拍任务方式：为减小每改动一次通电形状使步进电机所转过的角三相六拍任务方式：为减小每改动一次通电形状使步进电机所转过的角度，而采用三相六拍通电方式。即按度，而采用三相六拍通电方式。即按A-AB-B-BC-C-CA-AA-AB-B-BC-C-CA-A方式通电，使方式通电，使电机正转；反之，按电机正转；反之，按A

18、-AC-C-BC-B-AB-AA-AC-C-BC-B-AB-A方式通电，使电机反转。三方式通电，使电机反转。三相六拍任务方式除具有三相双三拍的特点外，还可使步进电机每改动一相六拍任务方式除具有三相双三拍的特点外，还可使步进电机每改动一次通电形状仅旋转次通电形状仅旋转1515。13 通电方式: 从一相通电改换成另一相通电，即通电方式改动一次叫“一拍。步进电动机有单相轮番通电、双相轮番通电和单双相轮番通电的方式。 14图图3-2 3-2 三段三相反响式步进电动三段三相反响式步进电动机构造原理图机构造原理图3.3.多段反响式步进电机构造及任务原理多段反响式步进电机构造及任务原理 前面引见的单段反响式

19、步进电机是按前面引见的单段反响式步进电机是按径向分相的，此外，还有一种反响式径向分相的，此外，还有一种反响式步进电机是按轴向分相，这种步进电步进电机是按轴向分相，这种步进电机又称为多段反响式步进电机。机又称为多段反响式步进电机。 多段反响式步进电机是沿轴向分成磁多段反响式步进电机是沿轴向分成磁性相对独立的几段，每一段都有一组性相对独立的几段，每一段都有一组励磁绕组，构成一相，因此，三相电励磁绕组，构成一相，因此，三相电动机有三段，其构造如图动机有三段，其构造如图3-23-2所示。所示。 这种反响式步进电动机的步距角较大，不适宜普通用途的要求。这种反响式步进电动机的步距角较大，不适宜普通用途的要

20、求。154.4.小步距角步进电动机小步距角步进电动机 图图3-13-1所示为三相反响式步进电动机。所示为三相反响式步进电动机。设设m m为相数，为相数，z z为转子的齿数那么齿距：为转子的齿数那么齿距： 由于每通电一次即运转一拍，转由于每通电一次即运转一拍，转子就走一步，各相绕组轮番通电一次，转子子就走一步，各相绕组轮番通电一次，转子就转过一个齿距。故步距角：就转过一个齿距。故步距角：z360tb z360KmKmb 齿齿距距拍拍数数齿齿距距 K- K-定子绕组通电方式系数。相邻两次通电的相数一样，取定子绕组通电方式系数。相邻两次通电的相数一样，取K=lK=l，如，如三相单三拍、三相双三拍任务

21、方式；反之，取三相单三拍、三相双三拍任务方式；反之，取K=2K=2，如三相单双六拍任务，如三相单双六拍任务方式。拍数方式。拍数/ /相数相数16假设步进电动机的转子齿数假设步进电动机的转子齿数z=40z=40，按三相单三拍运转时，按三相单三拍运转时，K=1K=1，m=3m=3：假设按五相十拍运转时，那么假设按五相十拍运转时，那么K=2K=2，m=5m=5，z=40z=40：可见，步进电动机的相数和转子齿数越多，步距角就越小，控制越准确。可见，步进电动机的相数和转子齿数越多，步距角就越小，控制越准确。故步进电动机可以做成三相，也可以做成二相、四相、五相、六相或更故步进电动机可以做成三相，也可以做

22、成二相、四相、五相、六相或更多相数。多相数。 34031360b 9 . 04052360b 17假设步进电动机通电的脉冲频率为假设步进电动机通电的脉冲频率为( (脉冲数脉冲数/ /秒秒) )，步距角用弧度表示，步距角用弧度表示，那么步进电动机的转速：那么步进电动机的转速：由上式可知，步进电动机在一定脉冲频率下，电动机的相数和转子齿由上式可知，步进电动机在一定脉冲频率下，电动机的相数和转子齿数越多，转速就越低。而且相数越多，驱动电源也越复杂，本钱也就数越多，转速就越低。而且相数越多，驱动电源也越复杂，本钱也就越高。越高。18 步进电动机运用在机床上普通是经过减速器和丝杆螺母副带开任步进电动机运

23、用在机床上普通是经过减速器和丝杆螺母副带开任务台挪动。所以，步距角务台挪动。所以，步距角对应任务台的挪动量便是任务台的最小运对应任务台的挪动量便是任务台的最小运动单位，也称脉冲当量动单位，也称脉冲当量mm/mm/脉冲：脉冲： 式中式中 t t ：丝杆导程：丝杆导程mmmm，丝杆的导程就是丝杠旋转一周所走的，丝杆的导程就是丝杠旋转一周所走的行程，也有人叫螺距。行程，也有人叫螺距。 b b ：步距角：步距角 i i ：减速安装传动比：减速安装传动比 任务台的进给速度任务台的进给速度v(mm/min)v(mm/min)： v =60 v =60 it360b 19解：脉冲分配方式有两种：解：脉冲分配

24、方式有两种： 根据根据 ，其中，其中K=2,m=3,Z=40.K=2,m=3,Z=40. b=360 b=360/(40/(402 23)=1.53)=1.5 根据根据 n= , n= ,其中其中=600HZ=600HZ n=1.5 n=1.5* *600600* *60/360=150r/min60/360=150r/min 例例3-1.3-1.一台三相反响式步进电动机，采用三相六拍分配方式，转子有一台三相反响式步进电动机，采用三相六拍分配方式，转子有4040个齿，脉冲频率为个齿，脉冲频率为600Hz600Hz，求：写出一个循环的通电顺序；求步进电动，求：写出一个循环的通电顺序；求步进电动机

25、步距角；求步进电动机转速。机步距角；求步进电动机转速。z360KmKmb 齿齿距距拍拍数数齿齿距距 反响式步进电动机具有控制方便、步距小、价钱低廉的优点；具有带反响式步进电动机具有控制方便、步距小、价钱低廉的优点；具有带负载才干差、高速时易失步、断电后无定位转矩的缺陷。负载才干差、高速时易失步、断电后无定位转矩的缺陷。AABBBCCCA 或 AACCCBBBA602fb202122231 1主要技术目的与运转特性主要技术目的与运转特性 1 1步距角和静态步距误差步距角和静态步距误差a.a.步距角步距角 步距角步距角: :也称为步距。它的大小由下式也称为步距。它的大小由下式3-23-2决议。目前

26、我国步决议。目前我国步进电动机的步距角为进电动机的步距角为0.360.36至至9090。常用的为。常用的为7.57.5/15/15、3 3/6/6、1.51.5/3/3、0.90.9/1.8/1.8、0.750.75/1.5/1.5、0.60.6/1.2/1.2、0.360.36/0.72/0.72等几种。等几种。 假设通电方式和系统的传动比已初步确定，那么步距角应满足假设通电方式和系统的传动比已初步确定，那么步距角应满足: : bimin bimin 5.5.步进电动机的主要技术目的与运转特性步进电动机的主要技术目的与运转特性z360KmKmb 齿齿距距拍拍数数齿齿距距 i 传动比传动比mi

27、n负载轴要求的最小位移增量即每个脉冲对应的最小角位负载轴要求的最小位移增量即每个脉冲对应的最小角位移增量移增量3-224 例如，所用丝杠螺距为例如，所用丝杠螺距为12.7mm (t),12.7mm (t),线性增量为线性增量为0.529mm/0.529mm/每步每步()()取取决于运动精度，所需电动机步距为角：决于运动精度，所需电动机步距为角：步距脚步距脚b也可用分辨率也可用分辨率bs来表示：来表示：bs=360/ b步步/转转 当步进电机拖动的机械作直线运动时，用丝杠作运动转换器，步进电当步进电机拖动的机械作直线运动时，用丝杠作运动转换器，步进电机的步距角可按以下公式计算：机的步距角可按以下

28、公式计算：ttib360/360 直线增量运动当量直线增量运动当量mm/mm/每步每步 t t丝杠螺距丝杠螺距mm/mm/周周157 .12529. 0360 b 可知，可知，360360/15/15=24=24，需求一台每转，需求一台每转2424步的步进电机。步的步进电机。设传动比为设传动比为1 125 b. b.静态步距误差静态步距误差 静态步距角误差静态步距角误差: :从实际上讲，每一个脉冲信号应使电动机转子转过从实际上讲，每一个脉冲信号应使电动机转子转过一样的步距角。但实践上，由于定、转子的齿距分布不均匀，定、转子之一样的步距角。但实践上，由于定、转子的齿距分布不均匀，定、转子之间的气

29、隙不均匀或铁心分段时的错位误差等，实践步距角与实际步距角之间的气隙不均匀或铁心分段时的错位误差等，实践步距角与实际步距角之间会存在偏向，这个偏向称为静态步距角误差。间会存在偏向，这个偏向称为静态步距角误差。 步距精度步距精度bb应满足应满足: :)(Lbi LL丝杠传动精度丝杠传动精度26 步进电动机的静特性，是指步进电动机在稳定形状即步进电动机不步进电动机的静特性，是指步进电动机在稳定形状即步进电动机不改动通电情况的运转形状时的特性，包括静转矩、矩角特性及静态稳定改动通电情况的运转形状时的特性，包括静转矩、矩角特性及静态稳定区。区。 静转矩：指步进电动机处于稳定形状下的电磁转矩。它是绕组电流

30、和失静转矩：指步进电动机处于稳定形状下的电磁转矩。它是绕组电流和失调角的函数。调角的函数。 在稳定形状下，假设在转子轴上加一负载转矩使转子转过一个角度在稳定形状下，假设在转子轴上加一负载转矩使转子转过一个角度，并能稳定下来，这时转子遭到的电磁转矩与负载转矩相等，该电磁转矩即并能稳定下来，这时转子遭到的电磁转矩与负载转矩相等，该电磁转矩即为静转矩，而角度为静转矩，而角度即为失调角或：电机定子齿与转子齿中心线之间的即为失调角或：电机定子齿与转子齿中心线之间的夹角叫做失调角。夹角叫做失调角。 对应于某个失调角时，静转矩最大，称为最大静转矩对应于某个失调角时，静转矩最大，称为最大静转矩TjmaxTjm

31、ax。可从矩。可从矩角特性上反映角特性上反映TjmaxTjmax，如图，如图3-43-4所示，当失调角所示，当失调角=90=90时，将有最大静转矩。时，将有最大静转矩。2 2最大静转矩最大静转矩27静转矩和失调角之间的特性曲线，叫做矩角特性：静转矩和失调角之间的特性曲线，叫做矩角特性： T = -C sin由此我们可以发现步进电动机的任务过程就是实现失调角为零的过程。由此我们可以发现步进电动机的任务过程就是实现失调角为零的过程。28多相通电时的矩角特性和最大静态转矩：按照叠加原理，根据各多相通电时的矩角特性和最大静态转矩：按照叠加原理，根据各相通电时的矩角特性叠加起来求出。例如三相步进电动机常

32、用单相通电时的矩角特性叠加起来求出。例如三相步进电动机常用单- -双相通电的方式。当两相通电时，由于正弦量可以用相量相加的双相通电的方式。当两相通电时，由于正弦量可以用相量相加的方法求和，因此两相通电时的最大静态转矩可用相量图求取。用方法求和，因此两相通电时的最大静态转矩可用相量图求取。用相量相量TATA和和TBTB分别表示分别表示A A相和相和B B相单独通电时的最大静态转矩，两相相单独通电时的最大静态转矩，两相通电时的最大静态转矩通电时的最大静态转矩TABTAB为：为：mcosTTmaxAB 2 式中，式中，Tmax=TA=TB29 从上式可知，对于三相步进电动机，从上式可知，对于三相步进

33、电动机，TAB=TA=TBTAB=TA=TB，即两相，即两相通电时的最大静态转矩值与单相通电时的最大静态转矩值通电时的最大静态转矩值与单相通电时的最大静态转矩值相等。此时三相步进电动机不能靠提高通电相数来提高转相等。此时三相步进电动机不能靠提高通电相数来提高转矩。矩。 五相步进电动机三相通电时的最大静态转矩五相步进电动机三相通电时的最大静态转矩: : 由于采用了由于采用了2-32-3相通电方式，最大静态转矩提高了，而且相通电方式，最大静态转矩提高了，而且矩角特性外形一样，对步进电动机运转稳定性有利。矩角特性外形一样，对步进电动机运转稳定性有利。 mcosTTmaxAB 2 maxABCTmco

34、sT 221 运用步进电机时，普通电动机轴上的负载转矩运用步进电机时，普通电动机轴上的负载转矩TL=(0.3TL=(0.30.5)Tmax0.5)Tmax，启动转矩启动转矩TsTs总是小于最大静态转矩总是小于最大静态转矩TjmaxTjmax。30T0图图3-5 3-5 矩频特性矩频特性 /Hz 当步进电动机的控制绕组的电脉冲当步进电动机的控制绕组的电脉冲时间间隔小于电机机电过渡过程所时间间隔小于电机机电过渡过程所需的时间时，步进电动机进入延续需的时间时，步进电动机进入延续运转形状，这时电动机产生的转矩运转形状，这时电动机产生的转矩称为动态转矩。称为动态转矩。 步进电动机的最大动态转矩和脉冲步进

35、电动机的最大动态转矩和脉冲频率的关系，即频率的关系，即Tdm=F(Tdm=F() )，称为矩，称为矩频特性，如图频特性，如图3-53-5所示。所示。 即，步进电动机的动态转矩随着脉即，步进电动机的动态转矩随着脉冲频率的升高而降低。冲频率的升高而降低。 3 3矩频特性矩频特性什么是矩频特性？什么是矩频特性？31步进电动机的控制绕组是感性元件，其电流按指数函数增长。步进电动机的控制绕组是感性元件，其电流按指数函数增长。 当电脉冲频率低时，电流可以到达稳定值，如图当电脉冲频率低时，电流可以到达稳定值，如图3-6a3-6a所示。所示。 随着频率升高，到达稳定值的时间缩短，如图随着频率升高，到达稳定值的

36、时间缩短，如图3-6b3-6b所示。所示。 当频率高到一定值时，电流就达不到稳定值，如图当频率高到一定值时，电流就达不到稳定值，如图3-6c3-6c所示，故所示，故电动机的最大动态转矩小于最大静转矩，而且脉冲频率越高，动态转矩电动机的最大动态转矩小于最大静转矩，而且脉冲频率越高，动态转矩也就越小。对于某一频率。只需当负载转矩小于它在该频率时的最大动也就越小。对于某一频率。只需当负载转矩小于它在该频率时的最大动态转矩，电动机才干正常运转。态转矩，电动机才干正常运转。a (b) (c)图3-6 不同频率时的控制绕组中电流波形矩频特性有什么特点？矩频特性有什么特点？32 为了提高步进电动机的矩频特性

37、，必需设法减小控制绕组的电气时间常数为了提高步进电动机的矩频特性，必需设法减小控制绕组的电气时间常数=L/R=L/R，为此要：，为此要： 尽量减小它的电感，使控制绕组匝数减少，所以步进电动机控制绕组的电流普尽量减小它的电感，使控制绕组匝数减少，所以步进电动机控制绕组的电流普通都比较大。通都比较大。 有时也在控制绕组回路中串接一个较大的附加电阻，以降低回路电气时间常数，有时也在控制绕组回路中串接一个较大的附加电阻，以降低回路电气时间常数，但这样就添加了在附加电阻上功率损耗，导致步进电动机及系统效率降低。但这样就添加了在附加电阻上功率损耗，导致步进电动机及系统效率降低。 也可以采用双电源供电，即在

38、控制绕组电流的上升阶段由高压电源供电，以缩也可以采用双电源供电，即在控制绕组电流的上升阶段由高压电源供电，以缩短到达稳定值的时间，然后再改为低压电源供电以维持其电流值，这样可大大短到达稳定值的时间，然后再改为低压电源供电以维持其电流值，这样可大大提高步进电动机的矩频特性。提高步进电动机的矩频特性。 怎样提高矩频特性？怎样提高矩频特性？33 步进电动机的任务频率普通包括启动频率、制动频率和延步进电动机的任务频率普通包括启动频率、制动频率和延续运转频率。对同样的负载转矩来说，正、反向的启动续运转频率。对同样的负载转矩来说，正、反向的启动频率和制动频率是一样的，所以普通技术数据中只给出启频率和制动频

39、率是一样的，所以普通技术数据中只给出启动频率和延续运转频率。动频率和延续运转频率。 步进电动机的启动频率步进电动机的启动频率stst是指在一定负载转矩下可以不是指在一定负载转矩下可以不失步地启动的最高脉冲频率。失步地启动的最高脉冲频率。stst的大小与驱动电路和负的大小与驱动电路和负载大小有关。步距角载大小有关。步距角bb越小，负载包括负载转矩与转越小，负载包括负载转矩与转动惯量越小，那么启动频率越高。动惯量越小，那么启动频率越高。 4 4启动频率和延续运转频率启动频率和延续运转频率34步进电动机的延续运转频率步进电动机的延续运转频率c c：是指步进电动机启动后，当控制脉冲：是指步进电动机启动

40、后，当控制脉冲频率延续上升时，能不失步运转的最高频率。它的值也与负载有关。频率延续上升时，能不失步运转的最高频率。它的值也与负载有关。 步进电动机的运转频率比启动频率高得多，这是由于在启动时步进电动机的运转频率比启动频率高得多，这是由于在启动时除了要抑制负载转矩外，还要抑制轴上的惯性转矩。启动时转子的角除了要抑制负载转矩外，还要抑制轴上的惯性转矩。启动时转子的角加速度大，它的负担要比延续运转时重。所以启动时，脉冲频率不宜加速度大，它的负担要比延续运转时重。所以启动时，脉冲频率不宜过高。启动以后，再逐渐升高脉冲频率。过高。启动以后，再逐渐升高脉冲频率。35步进电动机的型号表示方法举例如下不同消费

41、厂家其表示方法步进电动机的型号表示方法举例如下不同消费厂家其表示方法也有所不同也有所不同反响式步进电动机反响式步进电动机: :如如150BF/BC003150BF/BC003混合式步进电动机混合式步进电动机: :如如42BYG00842BYG008：四相永磁感应式步进电动机：四相永磁感应式步进电动机永磁式步进电动机永磁式步进电动机: :励磁绕组相数或代号永磁式步进电动机 BY BY 电动机外径mm励磁绕组相数或代号混合式永磁感应式步进电动机 BYG BYG 电动机外径mm励磁绕组相数或代号反响式步进电动机 BF BF 电动机外径mm5 5步进电动机技术目的实例步进电动机技术目的实例369090

42、 - - BYG BYG - - 2 2 - - 50 50 - - A A机座号机座号 混合式混合式 相数相数 转子齿数转子齿数 派生代号派生代号外径外径mmmm 步进电动机步进电动机 37 混合式步进电机兼有永磁式和反响式两种步进电混合式步进电机兼有永磁式和反响式两种步进电机的特点。转子由圆周上均匀分布一定数量小齿的两机的特点。转子由圆周上均匀分布一定数量小齿的两段齿片组成，这两段齿片相互错开半个齿距，两块齿片段齿片组成，这两段齿片相互错开半个齿距，两块齿片之间夹有一个轴向充磁的环形永久磁钢之间夹有一个轴向充磁的环形永久磁钢( (如图如图3-43-4所示所示) )。这样，与这样，与N N极

43、磁钢相连的那段转子整个呈极磁钢相连的那段转子整个呈N N极，另一端与极，另一端与S S极磁钢相连，呈极磁钢相连，呈S S极，产生的合成转矩使转子转动。普极，产生的合成转矩使转子转动。普通为两相或三相；须供应正负脉冲信号；输出转矩较永通为两相或三相；须供应正负脉冲信号；输出转矩较永磁式大耗费功率相对较小；步距角较永磁式小普磁式大耗费功率相对较小；步距角较永磁式小普通为通为1.81.8度；断电时无定位转矩；启动和运转频率较度；断电时无定位转矩；启动和运转频率较高；是目前开展较快的一种步进电机。高；是目前开展较快的一种步进电机。3839 步进电动机的振荡和失步是一种普遍存在的景象，它步进电动机的振荡

44、和失步是一种普遍存在的景象，它影响系统的正常运转，因此要尽力防止。失步包括丢步和越影响系统的正常运转，因此要尽力防止。失步包括丢步和越步。丢步时指转子前进的步距数小于脉冲数；越步是指转子步。丢步时指转子前进的步距数小于脉冲数；越步是指转子前进的步距数多于脉冲数。丢步严重时，转子将停留在一个前进的步距数多于脉冲数。丢步严重时，转子将停留在一个位置上或围绕一个位置振动。位置上或围绕一个位置振动。a a振荡振荡 步进电动机的振荡景象主要发生于：步进电动机的振荡景象主要发生于：2 2步进电动机的振荡、失步及处理方法步进电动机的振荡、失步及处理方法 步进电动机任务在低频区；步进电动机任务在低频区； 步进

45、电动机任务在共振区；步进电动机任务在共振区； 步进电机忽然停车时。步进电机忽然停车时。40当步进电机任务在低频区时，由于励磁脉冲间隔的时间较长，步进电当步进电机任务在低频区时，由于励磁脉冲间隔的时间较长，步进电机表现为单步运转。机表现为单步运转。 当励磁开场时，转子在电磁力的作用下加速转动。在到达平衡当励磁开场时，转子在电磁力的作用下加速转动。在到达平衡点时，电磁驱动转矩为零，但转子的转速最大，由于惯性，转子冲过点时，电磁驱动转矩为零，但转子的转速最大，由于惯性，转子冲过平衡点。这时电磁力产生负转矩，转子在负转矩的作用下，转速逐渐平衡点。这时电磁力产生负转矩，转子在负转矩的作用下，转速逐渐为零

46、，并开场反向转动。当转子反转过平衡点后，电磁力又产生正转为零，并开场反向转动。当转子反转过平衡点后，电磁力又产生正转矩，迫使转子又正向转动，构成转子围绕平衡点的振荡。由于有机械矩，迫使转子又正向转动，构成转子围绕平衡点的振荡。由于有机械摩擦和电磁阻尼的作用，这个振荡表现为衰减振荡，最终稳定在平衡摩擦和电磁阻尼的作用，这个振荡表现为衰减振荡，最终稳定在平衡点。点。 41当步进电机任务在共振区时，步进电机的控制脉冲频率接近步进电机当步进电机任务在共振区时，步进电机的控制脉冲频率接近步进电机的固有频率的固有频率 ( (振荡频率振荡频率) )或固有频率的分频或倍频，这会使振荡加剧，或固有频率的分频或倍

47、频，这会使振荡加剧，严重时呵斥失步。步进电动机的固有频率严重时呵斥失步。步进电动机的固有频率( (振荡频率振荡频率) ) 可由下式求出：可由下式求出： 振荡失步的过程可描画如下：在第一个脉冲到来后，转子阅历振荡失步的过程可描画如下：在第一个脉冲到来后，转子阅历了一次振荡。当转子回摆到最大幅值时，恰好第二个脉冲到来，转子了一次振荡。当转子回摆到最大幅值时，恰好第二个脉冲到来，转子遭到的电磁转矩为负值，使转子继续回摆。接着第三个脉冲到来，转遭到的电磁转矩为负值，使转子继续回摆。接着第三个脉冲到来，转子受正电磁转矩的作用回到平衡点。这样，转子经过三个脉冲依然回子受正电磁转矩的作用回到平衡点。这样，转

48、子经过三个脉冲依然回到原来位置，也就是丢了三步。到原来位置，也就是丢了三步。 JZTfmax021 JJ转动惯量；转动惯量；ZZ转子齿数；转子齿数；TmaxTmax最大转矩。最大转矩。42当步进电机任务在高频区时，由于换相周期短，转子来不及反冲。同当步进电机任务在高频区时，由于换相周期短，转子来不及反冲。同时绕组中的电流尚未上升到稳定值，转子没有获得足够的能量，所以时绕组中的电流尚未上升到稳定值，转子没有获得足够的能量，所以在这个任务区中不会产生振荡。减小步距角可以减小振荡幅值，以到在这个任务区中不会产生振荡。减小步距角可以减小振荡幅值，以到达减弱振荡的目的。达减弱振荡的目的。b失步失步步进电

49、动机的失步缘由有两种：步进电动机的失步缘由有两种：第一种是转子的转速慢于换相速度。例如，步进电动机在启动时，假第一种是转子的转速慢于换相速度。例如，步进电动机在启动时，假设脉冲的频率较高，由于电动机来不及获得足够的能量，使其无法令设脉冲的频率较高，由于电动机来不及获得足够的能量，使其无法令转子跟上旋转磁场的速度，所以引起失步。因此步进电动机有一个启转子跟上旋转磁场的速度，所以引起失步。因此步进电动机有一个启动频率，超越启动频率启动时，一定会产生失步。留意，启动频率动频率，超越启动频率启动时，一定会产生失步。留意，启动频率不是一个固定值，提高电动机的转矩、减小电动机转动惯量、减小步不是一个固定值

50、，提高电动机的转矩、减小电动机转动惯量、减小步距角都可以提高步进电动机的启动频率距角都可以提高步进电动机的启动频率第二种是转子的平均速度大于旋转磁场的速度。这主要发生在制动和第二种是转子的平均速度大于旋转磁场的速度。这主要发生在制动和忽然换相时，转子获得过多的能量，产生严重的过冲，引起失步。忽然换相时，转子获得过多的能量，产生严重的过冲，引起失步。 43 消除振荡是经过添加阻尼的方法来实消除振荡是经过添加阻尼的方法来实现的，主要有机械阻尼法和电子阻尼法现的，主要有机械阻尼法和电子阻尼法两大类。两大类。机械阻尼法比较单一，就是在电动机轴上机械阻尼法比较单一，就是在电动机轴上加阻尼器；加阻尼器；电

51、子阻尼法有多种，主要有：多相励磁法、电子阻尼法有多种，主要有：多相励磁法、变频变压法、细分步法、反相阻尼法等。变频变压法、细分步法、反相阻尼法等。c c阻尼方法阻尼方法44步进电动机的运转特性，不仅与步进电动机本身步进电动机的运转特性，不仅与步进电动机本身的特性和负载有关，而且与配套运用的驱动电源的特性和负载有关，而且与配套运用的驱动电源即驱动电路有着非常亲密的关系。即驱动电路有着非常亲密的关系。驱动电源按供电方式分类，有：单电压供电、双驱动电源按供电方式分类，有：单电压供电、双电压供电、调频调压供电；按功率驱动部分所用电压供电、调频调压供电；按功率驱动部分所用元件分类，有大功率晶体管驱动、快

52、速晶闸管驱元件分类，有大功率晶体管驱动、快速晶闸管驱动、可关断晶闸管驱动、混合驱动。动、可关断晶闸管驱动、混合驱动。图图3-73-7为步进电动机驱动系统原理图。为步进电动机驱动系统原理图。 三、步进电动机的驱动方法三、步进电动机的驱动方法45驱动器：驱动器：德国百格拉德国百格拉WD3-007WD3-00746信号接口：信号接口：PULSE+ PULSE+ 电机输入控制脉冲信号；电机输入控制脉冲信号； DIR+ DIR+ 电机转动方向控制信号；电机转动方向控制信号； RESET+ RESET+ 复位信号，用于封锁输入信号；复位信号，用于封锁输入信号； READY+ READY+ 报警信号；报警信

53、号； PULSE- PULSE-、DIR-DIR-、RESET-RESET-和和READY-READY-短接公共地；短接公共地；形状指示：形状指示：RDY RDY 灯亮表示驱动器正常任务；灯亮表示驱动器正常任务； TEMP TEMP 灯亮表示驱动器超温；灯亮表示驱动器超温； FLT FLT 灯亮表示驱动器缺点；灯亮表示驱动器缺点；功能选择：功能选择：MOT.CURR MOT.CURR 设置电机相电流；设置电机相电流； STEP1 STEP1、STEP2 STEP2 设置电机每转的步数；设置电机每转的步数； CURR.RED CURR.RED 设定半流功能设定半流功能 PULSE.SYS PUL

54、SE.SYS 可设置成可设置成“脉冲和方向控制方式；脉冲和方向控制方式； 也可以设置成也可以设置成“正转和反转控制方式；正转和反转控制方式；功率接口：功率接口：DC+DC+和和DC-DC-接制动电容；接制动电容； U U、V V、W W 接电机动力线，接电机动力线，PEPE是地；是地； L L、N N、PE PE 接驱动器电源，电源电压是接驱动器电源，电源电压是220VAC220VAC输输入时，最大电流是入时，最大电流是3A3A。电源线横截面。电源线横截面1.51.5平方毫米，尽量平方毫米，尽量短。驱动器的短。驱动器的L L端和端和N N端接供电电源，同时要串接一个端接供电电源，同时要串接一个

55、6.3A6.3A保保险丝；险丝；PEPE为接地。为接地。STEP1ON 1 2 3 4PULES.SYSCURR.REDSTEP2PACERWWD3-007PENLPEUVDC-DC+READY-READY+RESET-RESET+DIR-/CCW-DIR+/CCW+PULSE-/CW-PULSE+/CW+MOT.CURRFLTTEMPRDYC40FED2138A9B76547PULSE：脉冲信号输入端，每一个脉冲的上升沿使电机转动一步。：脉冲信号输入端，每一个脉冲的上升沿使电机转动一步。DIR：方向信号输入端，如：方向信号输入端，如“DIR为低电平，电机按顺时针方向旋转；为低电平，电机按顺时

56、针方向旋转； “DIR为高电平电机按逆时针方向旋转。为高电平电机按逆时针方向旋转。CW：正转信号，每个脉冲使电机正向转动一步。：正转信号，每个脉冲使电机正向转动一步。CCW：反转信号，每个脉冲使电机反向转动一步。：反转信号，每个脉冲使电机反向转动一步。RESET：复位信号，如复位信号为低电平常：复位信号，如复位信号为低电平常,输入脉冲信号起作用，假设输入脉冲信号起作用，假设复位信号为高电平常就制止任何有效的脉冲，输入信号无效，电机无坚复位信号为高电平常就制止任何有效的脉冲，输入信号无效，电机无坚持扭矩。持扭矩。READY: 输入报警信号：输入报警信号：READY是继电器开关，当驱动器正常任务时

57、继是继电器开关，当驱动器正常任务时继电器闭合，当驱动器任务异常时继电器断开。继电器允许最高输入电压电器闭合，当驱动器任务异常时继电器断开。继电器允许最高输入电压和电流是：和电流是：35VDC，10mAI200mA，电阻性负载。如用该继电器，要，电阻性负载。如用该继电器，要把他串联到把他串联到CNC的某输入端。当驱动器正常任务时继电器闭合，外部的某输入端。当驱动器正常任务时继电器闭合，外部24VDC经过继电器输入到经过继电器输入到CNC输入端，否那么外部输入端，否那么外部24VDC无法输入到无法输入到CNC输入端。输入端。留意：留意：PULSE与与CW，PULSE与与CW，DIR与与CCW，DI

58、R与与CCW对应同一个接口，按控制方式不同给出两种定义称号；可以对应同一个接口，按控制方式不同给出两种定义称号；可以用两相脉冲输出用两相脉冲输出CW/CCW方式进展控制，也可以用方式进展控制，也可以用PULSE+DIR方式控制。方式控制。 48脉冲、方向信号时序图脉冲、方向信号时序图3A3B3AsteprightleftPULES：DIR：221脉宽定义：脉宽和脉冲间隔 2.5us；占 空 比：可选用任意占空比的脉冲；输入信号：采用光耦隔离；切换时间：转动方向的切换时间 0us；1-Hold time 2.5us2-Setup time 0us3A-Minimum pulse width 2.

59、5us3B-Minimum pulse pause 2.5us上位机的控制信号可以高电平有效，也可以低电平有效。上位机的控制信号可以高电平有效，也可以低电平有效。高有效时，把一切控制信号的负端连在一同作为信号地，高有效时，把一切控制信号的负端连在一同作为信号地，低有效时，把一切控制信号的正端连在一同作为信号公共端。低有效时，把一切控制信号的正端连在一同作为信号公共端。49MOT.CURRMOT.CURR：设置输出相电流：设置输出相电流位置位置2 23 34 45 56 67 78 89 9A AB BC CD DE EF F电流电流1.01

60、.1.92.02.02.52.5STEP1STEP1、STEP2STEP2：设置电机每转步数：设置电机每转步数驱动器驱动器WD3-007WD3-007可将电机的步数分别设置为可将电机的步数分别设置为500500、10001000、50005000、1000010000步。用户可以经过驱动器正面板上的两个拨码开关步。用户可以经过驱动器正面板上的两个拨码开关STEP1STEP1、STEP2STEP2设置电机的步数如下表：设置电机的步数如下表：STEP1STEP1形状形状OFFOFFONONOFFOFFONONSTEP2STE