第3章步进电动机及其控制

1、特种电机及其控制特种电机及其控制1Stepping Motors特种电机及其控制特种电机及其控制2机理机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号 转换成线位移或角位移的电机。每来一个转换成线位移或角位移的电机。每来一个 电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移 动一小段距离。动一小段距离。 特点特点：(1)给一个脉冲，转一个步距角。给一个脉冲，转一个步距角。 (2)控制脉冲频率，可控制电机转速。控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序，改变转动方向。改变脉冲顺序，改变转动方向。特种电机及其控制特种电机及其控制3以反应

2、式为例说明步进电机的结构和原理以反应式为例说明步进电机的结构和原理通常按励磁方式分为三大类：通常按励磁方式分为三大类：步进电动机的种类步进电动机的种类：特种电机及其控制特种电机及其控制4 步进电机主要由两部分构成：定子和转子。它们均步进电机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极 。定子定子转子转子定子绕组定子绕组3.1.1 3.1.1 步进电动机结构步进电动机结构反应式步进电机结构反应式步进电机结构特点特点 定转子开小定转子开小齿齿 定转子均为定转子均为软磁材料软磁材料1)1) 小步距小步距特种电机及其控制特种电机及

3、其控制5定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。成一相。这里的相和三相交流电中的这里的相和三相交流电中的“相相”的概念不的概念不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线路的同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线路的联接和组数的区别。联接和组数的区别。ABC定子定子转子转子IAIBIC特种电机及其控制特种电机及其控制6永磁式步进电机结构永磁式步进电机结构特点特点 转子磁极为转子磁极为永磁材料永磁材料 定子每相极定子每相极数等于转子数等于转子极数极数1)1) 不开小齿，不开小齿，大步矩、大大步矩、大力矩力矩特种电机及其控制特种电机及其控制7

4、爪极式转子结构爪极式转子结构特种电机及其控制特种电机及其控制8混合式步进电机混合式步进电机(Hybrid)(Hybrid)结构结构特点：转子永磁、两极，定转子均开小齿，混合二特点：转子永磁、两极，定转子均开小齿，混合二者优点。者优点。特种电机及其控制特种电机及其控制9特种电机及其控制特种电机及其控制103.1.2 工作方式工作方式 三相步进电机的工作方式可分为：三相步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍三相单双六拍、三相双三拍等等。（1 1）三相绕组联接方式：）三相绕组联接方式：Y 型型（2 2）三相绕组中的通电顺序为：）三相绕组中的通电顺序为：A 相相 B

5、 相相 C 相相通电顺序也可以为：通电顺序也可以为： A 相相 C 相相 B 相相 特种电机及其控制特种电机及其控制11（3）工作过程）工作过程化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。A 相通电，相通电，A 方向的磁通方向的磁通经转子形成闭合回路。经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁场的作用下，转子被磁A A 相通电使转子相通电使转子1 1、3 3齿和齿和 AA 对齐。对齐。CABBCA3

6、412特种电机及其控制特种电机及其控制12CABBCA3412B相通电，转子相通电，转子2、4齿齿和和B相轴线对齐，相对相轴线对齐，相对A相通电位置转相通电位置转30 ；1C342CABBAC相通电再转相通电再转30 特种电机及其控制特种电机及其控制13这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。单三拍。三相单三拍的特点：三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过）每来一个电脉冲，转子转过 30 。此角称为。此角称为步距角，用步距角，用 S表示。表示

7、。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。改变通电顺序即可改变转向。特种电机及其控制特种电机及其控制14二、三相双三拍二、三相双三拍三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为： AB BC CA AB 共三拍。共三拍。AB通电通电CABBCA3412CABBCA3412BC通电通电特种电机及其控制特种电机及其控制15工作方式为三相双三工作方式为三相双三拍时，每通入一个电拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转脉冲，转子也是转30 ，即，即 S = 30 。CA通电通电CABBCA3412特种电机及其控制特种电机及其控制16三、

8、三相单双六拍三、三相单双六拍三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为： AABBBCCCAA 共六拍。共六拍。工作过程：工作过程：A相通电，相通电，转子转子1 1、3 3齿和齿和A相对齐。相对齐。CABBCA3412特种电机及其控制特种电机及其控制17所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通电，转子转了通电，转子转了15。（1）BB 磁场对磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使齿有磁拉力，该拉力使 转子顺时针方向转动。转子顺时针方向转动。A、B相同时通电相同时通电（2）AA 磁场继续对磁场继续对1、3齿有拉力。齿有拉力。CABBCA3412特种电机及

9、其控制特种电机及其控制18总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为为三相六拍，步距角为15 。CABBCA3412B相通电，相通电，转子转子2、4齿和齿和B相对齐，又转了相对齐，又转了15 。以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。特种电机及其控制特种电机及其控制193.1.3 小步距角的步进电动机小步距角的步进电动机 实际采用的步进电机的步距角多为实际采用的步进电机的步距角多为3度和度和1.5 度，步距角越小，机加工的精度

10、越高。度，步距角越小，机加工的精度越高。为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子图中转子40个齿，定子仍是个齿，定子仍是 6个磁极，但每个磁个磁极，但每个磁极上也有五个齿。极上也有五个齿。特种电机及其控制特种电机及其控制20转子的齿距转子的齿距等于等于360 / 40=9 ，齿宽、齿槽各，齿宽、齿槽各4.5 。 为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽和齿槽和转子相同。齿宽和齿槽和转子相同。特种电机及其控制特种电机及其控制21特种电机及其控制特种电机及其控制22工作原理：工作原理：假设是单三拍通电工作方式。

11、假设是单三拍通电工作方式。（1）A 相通电时，定子相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对相的五个小齿和转子对齐。此时，齐。此时，B 相和相和 A 相空间差相空间差120120 ，含，含 120120 /9/9 = = 齿齿 A 相和相和 C 相差相差240240 ，含，含240240 / / 9 9 = = 个个齿。所以，齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿对相的转子、定子的五个小齿对齐时，齐时，B 相、相、C 相不能对齐，相不能对齐，B相的转子、相的转子、定子相差定子相差 1/3 1/3 个齿（个齿（3 3 ），），C相的转子、定相的转子、定子相差子相差2/32/3个齿（个齿（6 6 ）。

12、）。31133226特种电机及其控制特种电机及其控制23若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，转子只转转子只转 1.5 。步进电机的转动方向仍由相序决定。步进电机的转动方向仍由相序决定。同理，同理，C 相通电再转相通电再转3 （2）A 相断电、相断电、B 相通电后，转子只需转过相通电后，转子只需转过1/3个个 齿（齿（3 ），使），使 B 相转子、定子对齐。相转子、定子对齐。特种电机及其控制特种电机及其控制243.1.4 步进电机的特点步进电机的特点1 1）步进电机工作时，每相绕组由步进电机工作时，每相绕组由专门的驱动电源专门的驱动电源通通过过“环

13、形分配器环形分配器”按一定规律按一定规律轮流通电。轮流通电。步进电机轮流通电方式步进电机轮流通电方式分配方式分配方式每一次循环所包含的通电状态数每一次循环所包含的通电状态数拍数拍数状态数状态数= =相数相数单拍制分配方式单拍制分配方式 ( (如：三相单三拍、四相双四拍如：三相单三拍、四相双四拍) )状态数状态数= =相数的两倍相数的两倍双拍制分配方式双拍制分配方式 ( (如：三相六拍、四相八拍如：三相六拍、四相八拍) )Nff 相通电脉冲频率通电脉冲频率拍数拍数特种电机及其控制特种电机及其控制25步进机通过一个电脉冲转子转过的角度步进机通过一个电脉冲转子转过的角度,称为称为N:一个周期的运行拍

14、数一个周期的运行拍数Zr：转子齿数：转子齿数NZrS360如：如：Zr=40 , N=3 时时3340360S2) 步距角步距角拍数：拍数：N=kmk=1 1 单拍制单拍制2 2 双拍制双拍制m:m:相数相数特种电机及其控制特种电机及其控制26 3) 转速转速每输入一个脉冲，电机转过每输入一个脉冲，电机转过NZrS360min)/(63603606060rfNZfNZfnsrr即转过整个圆周的即转过整个圆周的1/(Z1/(Zr rN N）, , 也就是也就是1/(Z1/(Zr rN N）转）转因此每分钟转过的圆周数，即转速为因此每分钟转过的圆周数，即转速为4)4)步进电机具有自锁能力步进电机具

15、有自锁能力当控制脉冲停止输入、而使最后一个脉冲控制的绕当控制脉冲停止输入、而使最后一个脉冲控制的绕组继续通电时，电机可以保持在固定位置。组继续通电时，电机可以保持在固定位置。特种电机及其控制特种电机及其控制27单相通电时矩角特性单相通电时矩角特性1 1、单相通电、单相通电特种电机及其控制特种电机及其控制28 e e=0=0无切向力无切向力Te=0Te=0 e e00切向力切向力负转矩负转矩 e e= = /2 /2 Te=maxTe=max e e= = 两齿之间两齿之间切向力抵切向力抵Te=0Te=0 e e 位于下个位于下个定子齿附定子齿附近，产生近，产生正转矩正转矩特种电机及其控制特种电

16、机及其控制29三相电机两相通电的矩角特性三相电机两相通电的矩角特性2 2、多相通电、多相通电对于三相步进电动机来说，两相通电时的最大转矩对于三相步进电动机来说，两相通电时的最大转矩与单相通电时的最大转矩相同，也就是说，三相步与单相通电时的最大转矩相同，也就是说，三相步进电动机不能靠增加通电相数来提高最大转矩。进电动机不能靠增加通电相数来提高最大转矩。多相通电多相通电时的矩角时的矩角特性可近特性可近似地由每似地由每相单独通相单独通电时的矩电时的矩角特性叠角特性叠加求出加求出特种电机及其控制特种电机及其控制303 3单步运行与最大负载能力单步运行与最大负载能力1 1）负载）负载T TL LTTTL

17、 L 转子加速转子加速向新平衡点向新平衡点a a 运动。运动。特种电机及其控制特种电机及其控制31 步进运行所能提供的连续的最大驱动转矩为步进运行所能提供的连续的最大驱动转矩为A A、B B两条两条曲线的交点纵坐标曲线的交点纵坐标T Tq q。只有当负载转短。只有当负载转短T TL LT Tq q时，步进时，步进电动机才能带动负载作步进运动。因此，电动机才能带动负载作步进运动。因此，T Tq q 称为最大称为最大负载转矩或启动转矩负载转矩或启动转矩。2 2）负载）负载T TL LTTq q-A-A相通电稳定平衡位置为相通电稳定平衡位置为d d点点A A相相B B相相: :转子位置来不及变化（惯

18、性），矩角特性转子位置来不及变化（惯性），矩角特性变为曲线变为曲线B,TB,Td d TTL L 转子不能向新平衡点转子不能向新平衡点e e运动。运动。特种电机及其控制特种电机及其控制32三相电机两相通电的矩角特性三相电机两相通电的矩角特性三相步进电机六拍通电方式下，三相步进电机六拍通电方式下，TqTq升高，有助于电机升高，有助于电机的稳定运行。的稳定运行。特种电机及其控制特种电机及其控制33步进电动机的输出转矩与控制脉冲频率之间的关步进电动机的输出转矩与控制脉冲频率之间的关系称为矩频特性系称为矩频特性步进电动机矩频特性步进电动机矩频特性下降曲线。以最下降曲线。以最大负载转矩（启大负载转矩（启

19、动转矩）动转矩）T Tq q为起为起点，随着控制脉点，随着控制脉冲频率增加，步冲频率增加，步进电动机的转速进电动机的转速逐步升高、而带逐步升高、而带负载能力却下降负载能力却下降共振区共振区特种电机及其控制特种电机及其控制34矩频特性下降的原因：矩频特性下降的原因：步进电动机的驱动电路步进电动机的驱动电路1 1）、绕组电感影响：）、绕组电感影响：2 2）铁耗：铁耗： 随着频率上升，随着频率上升，转子转速升高，在定子绕组转子转速升高，在定子绕组中产生的附加旋转电势使电中产生的附加旋转电势使电动机受到更大的阻尼转矩，动机受到更大的阻尼转矩，铁芯的涡损也增加。铁芯的涡损也增加。特种电机及其控制特种电机

20、及其控制351)1)减小时间常数减小时间常数可增大电阻。为了保证通电回路中的电流不变，可增大电阻。为了保证通电回路中的电流不变，在增加电阻的同时，还要提高电源电压。在增加电阻的同时，还要提高电源电压。2)2)改进工作方式改进工作方式采用多相励磁的工作方式，例如，三相步进电动采用多相励磁的工作方式，例如，三相步进电动机的双三拍、六拍方式。多相励磁工作方式使每机的双三拍、六拍方式。多相励磁工作方式使每一相通电的时间延长，电动机就能获得较多的能一相通电的时间延长，电动机就能获得较多的能量，使高额时输出的转矩增加。量，使高额时输出的转矩增加。特种电机及其控制特种电机及其控制36步进电动机的振荡和失步是

21、步进电动机的振荡和失步是种普遍存在的现象，它种普遍存在的现象，它影响应用系统的正常运行，国此要尽力去避免。影响应用系统的正常运行，国此要尽力去避免。步进电动机的振荡现象主要发生于：步进电动机的振荡现象主要发生于：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。特种电机及其控制特种电机及其控制371 1）低频振荡：）低频振荡：当步进电动机工作在当步进电动机工作在区时，由于励磁脉冲间隔的区时，由于励磁脉冲间隔的时间较长，步进电动机表现为时间较长，步进电动机表现为。当励磁开始时，转子在电磁力的作用下加速转动。

22、在当励磁开始时，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，转子冲过平衡点。这时电磁力产生负大由于惯性，转子冲过平衡点。这时电磁力产生负转还，转子在负转矩的作用下，转速逐渐为零，并开转还，转子在负转矩的作用下，转速逐渐为零，并开始反向转动。当转子反转过平衡点后。电磁力又产生始反向转动。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。如此下去，形成转子正转矩，迫使转子又正向转动。如此下去，形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围绕平衡点的振荡。由于有机械摩擦和电磁阻尼的作用，

23、这个振荡表现为衰减振荡、最终稳定在平衡点。用，这个振荡表现为衰减振荡、最终稳定在平衡点。特种电机及其控制特种电机及其控制382 2） 低频共振：低频共振：当步进电动机的脉冲频率接近步进电动机的固有振荡当步进电动机的脉冲频率接近步进电动机的固有振荡频率或振荡频率的分频或倍频时，会使振荡加剧，严频率或振荡频率的分频或倍频时，会使振荡加剧，严重时造成失步。重时造成失步。当步进电动机工作在高频区时，由于换相周期短，转当步进电动机工作在高频区时，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，所以在这个上作区中值，

24、转子没有获得足够的能量，所以在这个上作区中不会产生振荡。不会产生振荡。特种电机及其控制特种电机及其控制392 2、 步进电动机的失步原因有步进电动机的失步原因有2 2种：种：这主要发这主要发生在制动和突然换向时，转子获得过多的能量，产生生在制动和突然换向时，转子获得过多的能量，产生严重的过冲，引起失步。严重的过冲，引起失步。例：步进电动机在启动时，如果脉冲的频率较高，由于例：步进电动机在启动时，如果脉冲的频率较高，由于电动机来不及获得足够的能量，转子无法跟上旋转磁场电动机来不及获得足够的能量，转子无法跟上旋转磁场的速度，所以引起失步。因此，的速度，所以引起失步。因此，步进电动机有一个启动步进电

25、动机有一个启动频率频率。超过启动频率启动时，肯定会产少失步。超过启动频率启动时，肯定会产少失步。注意：注意：启动频率不是一个固定值启动频率不是一个固定值提高电动机的转矩、减小负提高电动机的转矩、减小负载转动惯量、减小步距角都可以提高步进电动机的启动载转动惯量、减小步距角都可以提高步进电动机的启动频率。频率。特种电机及其控制特种电机及其控制40消除振荡消除振荡机械阻尼法和电子阻尼法机械阻尼法和电子阻尼法机械阻尼法比较单一，就是在电动机轴上加阻尼器，机械阻尼法比较单一，就是在电动机轴上加阻尼器，电子阻尼法则有多种：电子阻尼法则有多种：1)1)多相励磁法多相励磁法多相励磁会产生电磁阻尼，削弱或消除振

26、荡现象，如多相励磁会产生电磁阻尼，削弱或消除振荡现象，如电动机的双三拍和六柏方式。电动机的双三拍和六柏方式。2)2)变频变压法变频变压法步进电机在高频和在低频时转子所获得的能量不一样。步进电机在高频和在低频时转子所获得的能量不一样。在低频时，绕组中的电流上升时间长，转子获得的能量在低频时，绕组中的电流上升时间长，转子获得的能量大，因此容易产生振荡，在高频时则相反。所以，可以大，因此容易产生振荡，在高频时则相反。所以，可以设计一种电路，使电压随频率的降低而减小，这样使绕设计一种电路，使电压随频率的降低而减小，这样使绕组在低频时的电流减小，可以有效地消除振荡。组在低频时的电流减小，可以有效地消除振

27、荡。特种电机及其控制特种电机及其控制413)3)细分步法细分步法将步进电动机绕组中的稳定电流分成若干级，每进一将步进电动机绕组中的稳定电流分成若干级，每进一步，电流升一级，也相对地提高步进频率，使步进过步，电流升一级，也相对地提高步进频率，使步进过程平稳进行。程平稳进行。4)4)反相阻尼法反相阻尼法用于步进电动机制动用于步进电动机制动在步进电动机转子要过平衡点之前，加一个反向作用在步进电动机转子要过平衡点之前，加一个反向作用力以平衡惯性力，使转子到达平衡点时速度为零，实力以平衡惯性力，使转子到达平衡点时速度为零，实现准确制动。例如，三相步进电动机工作在单三拍，现准确制动。例如，三相步进电动机工

28、作在单三拍，正处于正处于B B拍，并希望它停在拍，并希望它停在C C拍，则控制换相拍，则控制换相B-C-B-C,B-C-B-C,第二个第二个B B拍起平衡惯性力作用，而不是让电动机走一步拍起平衡惯性力作用，而不是让电动机走一步特种电机及其控制特种电机及其控制42单极性驱动电路：单极性驱动电路：适用于反应式步进电动机适用于反应式步进电动机双极性驱动电路：双极性驱动电路：适用于永磁式和混合式步适用于永磁式和混合式步进电动机进电动机特种电机及其控制特种电机及其控制43步进电动机单电压驱动电路步进电动机单电压驱动电路续流电续流电路路R R1 1、R R2 2：限流、减小通：限流、减小通电和续流的时间常

29、数电和续流的时间常数线路简单线路简单功放元件少功放元件少成本低成本低效率低效率低特特 点点3.4.1 单极性驱动电路单极性驱动电路特种电机及其控制特种电机及其控制442 2、双电压驱动、双电压驱动：在低频段使用较低的电压驱动，在高频：在低频段使用较低的电压驱动，在高频段使用较高的电压驱动段使用较高的电压驱动低频：低频：给给T T1 1低电平低电平关关断。绕组由低电压断。绕组由低电压V VL L供供电，控制脉冲通过电，控制脉冲通过T T2 2使使绕组得到低压脉冲。绕组得到低压脉冲。高频：高频：给给T T1 1高电平高电平导通导通。D D2 2反向截止，切断低电反向截止，切断低电压电源压电源V V

30、L L，电动机绕组由，电动机绕组由高电压高电压V VH H供电、控制脉冲供电、控制脉冲通过通过T2T2，使绕组得到高，使绕组得到高压脉冲。压脉冲。特种电机及其控制特种电机及其控制45保证了低频段仍保证了低频段仍然只有单电压驱然只有单电压驱动的特点。在高动的特点。在高频段具有良好的频段具有良好的高频性能，高频性能，但仍但仍没摆脱单电压驱没摆脱单电压驱动的弱点，限流动的弱点，限流电阻仍然会产生电阻仍然会产生损耗和发热。损耗和发热。特种电机及其控制特种电机及其控制46高低压驱动原理高低压驱动原理2)2)高低压法高低压法：不论电动机工作频率如何，在绕组通电：不论电动机工作频率如何，在绕组通电开始用高压

31、供电，使绕组中电流迅速上升，而后用低开始用高压供电，使绕组中电流迅速上升，而后用低压来维持绕组中的电流。压来维持绕组中的电流。高低压开关脉冲同时高低压开关脉冲同时起步，高压脉冲很窄起步，高压脉冲很窄开始时开始时T T1 1T T2 2同时导通同时导通, , V VH H供电，供电，i i迅速上升迅速上升V VH H很快关断很快关断，V VL L继续供继续供电。电。特种电机及其控制特种电机及其控制47 高低压驱动法是目前普遍应用的一种方法。由于高低压驱动法是目前普遍应用的一种方法。由于这种驱动在低频时电流有较大的上冲，电动机低频这种驱动在低频时电流有较大的上冲，电动机低频噪声较大。噪声较大。高低

32、压驱动原理高低压驱动原理特种电机及其控制特种电机及其控制48 斩波驱动电路斩波驱动电路R R 采样电阻采样电阻, ,阻值很小阻值很小比较器输入：比较器输入：“- -”端端-采样电压采样电压 “+ +”端端给定电压给定电压与门与门3 3、 斩波驱动斩波驱动u ui i为低电平时为低电平时TlTl和和T2T2两个开关管均截两个开关管均截止；止；u ui i为高电平时，为高电平时，T1T1和和T2T2两个开关管均两个开关管均导通，电源向绕组导通，电源向绕组供电。供电。由于绕组电感的作用，由于绕组电感的作用，R R上的电压逐渐升高，当超过给上的电压逐渐升高，当超过给定电压定电压u uc c时时, ,比

33、较器输出低电平比较器输出低电平与门输出低电平与门输出低电平 T1T1截止截止电源被切断；当取样电阻上的电压小于电源被切断；当取样电阻上的电压小于u uc c时，比时，比较器输出高电平，与门也输出高电平，较器输出高电平，与门也输出高电平，T1T1又导通，电源又导通，电源又开始向绕组供电。又开始向绕组供电。特种电机及其控制特种电机及其控制49T T2 2每导通一次，每导通一次，T Tl l导通多导通多次，绕组电流为锯齿波。次，绕组电流为锯齿波。在在T T2 2导通期间，电源是脉冲式导通期间，电源是脉冲式供电的，所以提高了电源效率供电的，所以提高了电源效率，并且能有效地抑制共振。由，并且能有效地抑制

34、共振。由于无需外接限流电阻所以提高于无需外接限流电阻所以提高了高频性能，但是，由于电流了高频性能，但是，由于电流波形为锯齿形，将会产生较大波形为锯齿形，将会产生较大的电磁噪声。的电磁噪声。斩波供电只需单电源。斩波供电只需单电源。斩波供电的电流波形斩波供电的电流波形特种电机及其控制特种电机及其控制503.4.2 双极性驱动电路双极性驱动电路 1 1、H H桥驱动电路桥驱动电路使用使用H桥驱动，每相绕组必须用一个桥驱动，每相绕组必须用一个H桥。当电机的相桥。当电机的相数较多时，所用的开关管较多，成本较高数较多时，所用的开关管较多，成本较高。为此，可。为此，可采用多相桥式驱动电路，使开关管的数目减少

35、一半。采用多相桥式驱动电路，使开关管的数目减少一半。 特种电机及其控制特种电机及其控制512、五相桥驱动五相混合式步进电动机五相桥驱动五相混合式步进电动机 特种电机及其控制特种电机及其控制52原理原理1 1）电磁力的大小与绕组通电电流的大小有关。）电磁力的大小与绕组通电电流的大小有关。2 2）当通电相的电流并不马上升到位，而断电相的电流）当通电相的电流并不马上升到位，而断电相的电流也非立即降为也非立即降为0 0时，它们所产生的磁场合力，会使转子时，它们所产生的磁场合力，会使转子有一个新的平衡位置，这个新的平衡位置是在原来的有一个新的平衡位置，这个新的平衡位置是在原来的步距角范围内。步距角范围内

36、。例：例：m=3m=3、Z Zr r=40=40、六拍，、六拍， S S=1.5=1.5o o, ,如如4 4细分，细分， S S=0.375=0.375o o3.5.1 角度细分的原理角度细分的原理将一个步距角细分成若干小步的驱动将一个步距角细分成若干小步的驱动特种电机及其控制特种电机及其控制53 FA(iA) FB(iB) FC(iC) FA(iA) FB(iB) FC(iC) FAB FBC FCA a) a) 三拍通电三拍通电 (b) (b) 六拍通电六拍通电每拍通电使定子合成磁动势在空间转动的角度每拍通电使定子合成磁动势在空间转动的角度减半，则步进电机的步距角减半。减半，则步进电机的

37、步距角减半。 特种电机及其控制特种电机及其控制544 4细分时合成磁动势的旋转情况细分时合成磁动势的旋转情况 AAB ABB 特种电机及其控制特种电机及其控制55三相六拍三相六拍4 4细分细分特种电机及其控制特种电机及其控制563.5.2 角度细分控制的电路实现角度细分控制的电路实现 恒频脉宽调制细分驱动电路恒频脉宽调制细分驱动电路D D触发器触发器: : D=D=“1 1”, , CLRCLR置零置零R2:R2:采样采样电阻电阻, ,压压降输入比降输入比较器较器“- -”特种电机及其控制特种电机及其控制571、在时钟在时钟CLK信号上升沿指挥下，信号上升沿指挥下，D型触发器型触发器能把能把D

38、端的数据传输到输出端。输入端无端的数据传输到输出端。输入端无CLK信号时，信号时，D端信号对触发器不起作用。端信号对触发器不起作用。2 2、触发器做成、触发器做成IC产品时，其输入端还增加有置产品时，其输入端还增加有置“0”端端(CLR)(CLR)或置或置“1”端。它们不受端。它们不受CLKCLK和和D D信信号的影响，具有最高的优先级。号的影响，具有最高的优先级。特种电机及其控制特种电机及其控制58当当D/AD/A转换器输出的转换器输出的uaua不变时，恒频信号不变时，恒频信号CLKCLK的的上升沿使上升沿使D D触发器输出触发器输出u ub b高电平，使开关管高电平，使开关管TlTl、T2

39、T2导通，绕组中的电流上升，取样电阻导通，绕组中的电流上升，取样电阻R2R2上压上压降增加。降增加。单片机为控制主体单片机为控制主体: : 1)1)通过定时器通过定时器T0T0输出输出20kHz20kHz方波，送方波，送D D触发触发器，作为恒频信号。器，作为恒频信号。2)2)输出阶梯电压的数字信号到输出阶梯电压的数字信号到D/AD/A转换器，转换器，作为控制信号作为控制信号. .阶梯电压的每一次变化，都使转子走一细分步。阶梯电压的每一次变化，都使转子走一细分步。当采样电压大于当采样电压大于uaua时、比较器输出低电平，使时、比较器输出低电平，使D D触发器输出触发器输出u ub b为为低电平

40、，低电平，TlTl、T2T2截止，绕组的电流下降。当截止，绕组的电流下降。当R2R2上的压降小于上的压降小于uaua时，比较器输出高电平，使时，比较器输出高电平，使D D 触发器输出高电平，触发器输出高电平，T1T1、T2T2导通导通，绕组中的电流重新上升。，绕组中的电流重新上升。特种电机及其控制特种电机及其控制59上述过程反复进行，使绕组上述过程反复进行，使绕组电流的波顶为锯齿形。因为电流的波顶为锯齿形。因为CLKCLK的频率较高，锯齿形波的频率较高，锯齿形波纹很小。纹很小。当当uaua上升突变时，取样电阻上上升突变时，取样电阻上的压降小于的压降小于uaua，电流有较长的，电流有较长的上升时

41、间，电流大幅增长，上上升时间，电流大幅增长，上升一个阶级。升一个阶级。当当uaua下降突变时，下降突变时，R2R2上的压上的压降有较长时间大于降有较长时间大于uaua，比较，比较器输出低电平，电源始终被器输出低电平，电源始终被切断使电流值大幅下降，切断使电流值大幅下降，直到新的阶级为止。直到新的阶级为止。恒频细分电流波形恒频细分电流波形特种电机及其控制特种电机及其控制60关于细分驱动的说明关于细分驱动的说明在国外，步进系统主要采用二相混合式步进电机及相应的细分在国外，步进系统主要采用二相混合式步进电机及相应的细分驱动器。目前，采用细分技术已可将原步距角分成数百份。驱动器。目前，采用细分技术已可

42、将原步距角分成数百份。有人对有人对“细分细分”还不是特别了解，只是认为，细分是为了提高还不是特别了解，只是认为，细分是为了提高精度，其实不然，细分主要是改进性能。精度，其实不然，细分主要是改进性能。以二相电机为例，假如电机为以二相电机为例，假如电机为3A3A，如果使用常规驱动器驱动该，如果使用常规驱动器驱动该电机，电机每运行一步，其绕组内的电流将从电机，电机每运行一步，其绕组内的电流将从0 0突变为突变为3A3A或或3A3A到到0 0，相电流的巨大变化，必然会引起电机运行的振动和噪音，相电流的巨大变化，必然会引起电机运行的振动和噪音。如果使用细分驱动器，在。如果使用细分驱动器，在1010细分的

43、状态下驱动该电机，每一细分的状态下驱动该电机，每一电微步，其绕组内的电流变化只有电微步，其绕组内的电流变化只有0.3A0.3A而不是而不是3A3A，且电流是以，且电流是以曲线规律变化的，这样就大大的改善了电机的振动和噪音。曲线规律变化的，这样就大大的改善了电机的振动和噪音。性能上的优点才是细分的真正优点。由于细分驱动器要精确控性能上的优点才是细分的真正优点。由于细分驱动器要精确控制电机的相电流，所以对驱动器要有相当高的技术要求和成本制电机的相电流，所以对驱动器要有相当高的技术要求和成本亦会较高。亦会较高。特种电机及其控制特种电机及其控制613.6 3.6 步进电机的单片机控制步进电机的单片机控

44、制 3.6.1 脉冲分配脉冲分配 1. 1. 通过软件实现脉冲分配通过软件实现脉冲分配 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 五五相相 功功率率驱驱动动电电路路 A B C D E 五五相相 步步进进电电动动机机 MCS-51 系系列列 单单片片机机 二二- -三通电五相十拍运行方式三通电五相十拍运行方式(AB(ABABCABCBCBCBCDBCDDCDC CDE CDEDEDEDEADEA EAEAEABEABABAB) ) 有有1010个通电状态个通电状态在内存区开辟一个存储空间来存放这在内存区开辟一个存储空间来存放这1010种输出状态种输出状态( (控制字控制字) )系统软件

45、按照电机正、反转的要求，依次将系统软件按照电机正、反转的要求，依次将1010个控制字的内容取出来并个控制字的内容取出来并送至单片机的输出口送至单片机的输出口P1P1，每送一个控制字，就完成一拍，步进电动机转，每送一个控制字，就完成一拍，步进电动机转过一个步距角。过一个步距角。特种电机及其控制特种电机及其控制622. 通过硬件实现脉冲分配通过硬件实现脉冲分配 P1.0 P1.1 脉脉冲冲 分分配配器器 步步进进电电动动机机 步步进进脉脉冲冲 方方向向电电平平 功功率率 驱驱动动电电路路 MCS-51 系系列列 单单片片机机 步步进进脉脉冲冲 方方向向电电平平 MCS-51 系系列列单单片片机机

46、P1.0 P1.1 8713 脉脉冲冲 分分配配器器 四四相相 步步进进电电动动机机 功功 率率 驱驱 动动 电电 路路 3 4 5 6 7 5V 10 A 11 B 12 C 13 D 通过脉冲分配器芯片实现脉冲分配，单片机只需向脉冲分配器发送步进脉通过脉冲分配器芯片实现脉冲分配，单片机只需向脉冲分配器发送步进脉冲和控制旋转方向的电平信号冲和控制旋转方向的电平信号 特种电机及其控制特种电机及其控制633. 3. 用软硬件相结合的方法实现脉冲分配用软硬件相结合的方法实现脉冲分配 MCS-51 系列单片机系列单片机 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 2764 四相四相 步进电动机步进电动机

47、 功功 率率 驱驱 动动 电电 路路 A0 A1 A2 A3 A4 A5 | A12 D0 A D1 B D2 C D3 D OE CE 单片机的四条数据线单片机的四条数据线P1.0P1.3直接接到直接接到EPROM(2764)的低四位地址线上，的低四位地址线上，EPROM的其他地址线均接地，这样的其他地址线均接地，这样P1口可选通口可选通EPROM的的16个状态。个状态。 在在EPROMEPROM中存储各种通电状态，如表中存储各种通电状态，如表3-73-7所示。在单片机的数据存储器中选所示。在单片机的数据存储器中选一个地址作为输出状态的计数器，程序只需把计数器加一个地址作为输出状态的计数器，

48、程序只需把计数器加1 1送到送到P1P1口，就可口，就可完成一拍。完成一拍。 特种电机及其控制特种电机及其控制643.6.2 步进电动机的速度控制步进电动机的速度控制 步进电动机的运行速度决定于绕组的通电频率。单片机控制步进电动机步进电动机的运行速度决定于绕组的通电频率。单片机控制步进电动机速度的方法有两种：速度的方法有两种：1. 1. 软件延时法软件延时法在每次换相之后，调用一个延时子程序，待延时结束后，再执行换相子程在每次换相之后，调用一个延时子程序，待延时结束后，再执行换相子程序。周而复始，即可发出一定频率的步进脉冲，使电机按某一确定转速运序。周而复始，即可发出一定频率的步进脉冲，使电机

49、按某一确定转速运转。改变延时的时间长度就可以改输出脉冲的频率，从而调节电机的转速。转。改变延时的时间长度就可以改输出脉冲的频率，从而调节电机的转速。2. 2. 定时器延时法定时器延时法各种单片机都有数量不等的片载定时器各种单片机都有数量不等的片载定时器/ /计数器。加载某个定时器，当定时计数器。加载某个定时器，当定时器溢出时就会产生中断信号，中止主程序的执行，转而执行中断服务程序，器溢出时就会产生中断信号，中止主程序的执行，转而执行中断服务程序，这样可以产生硬件延时的效果。如将电机换相子程序放在定时器中断服务程这样可以产生硬件延时的效果。如将电机换相子程序放在定时器中断服务程序之中，则定时器每

50、中断一次，电机就换相一次，从而实现对电机的速度控序之中，则定时器每中断一次，电机就换相一次，从而实现对电机的速度控制。制。 特种电机及其控制特种电机及其控制653.6.3 步进电动机的加减速与定位控制步进电动机的加减速与定位控制 1. 加减速控制原理加减速控制原理步进电动机驱动执行机构从一个位置向另一个位置移动时，步进电动机驱动执行机构从一个位置向另一个位置移动时，要经历升速、恒速和减速过程。要经历升速、恒速和减速过程。如果非常缓慢地升降速，步进电动机虽然不会产生失步和过如果非常缓慢地升降速，步进电动机虽然不会产生失步和过冲现象，但影响了执行机构的工作效率。冲现象，但影响了执行机构的工作效率。

51、如果到终点时突然停下来，由于惯性作用，步进电动机会发如果到终点时突然停下来，由于惯性作用，步进电动机会发生过冲，影响位置控制精度。生过冲，影响位置控制精度。如果起动时一次将速度升到给定速度，起动频率可能超过极如果起动时一次将速度升到给定速度，起动频率可能超过极限起动频率限起动频率f fstst，造成步进电动机失步。，造成步进电动机失步。特种电机及其控制特种电机及其控制66(a) (a) 直线升速规律直线升速规律 (b) (b) 指数升速规律指数升速规律步进电动机的升速规律步进电动机的升速规律特种电机及其控制特种电机及其控制67硬件环境硬件环境 MCS-51 系列单片机系列单片机 P1.0 P1

52、.1 P1.2 P1.3 2764 四相四相 步进电动机步进电动机 功功 率率 驱驱 动动 电电 路路 A0 A1 A2 A3 A4 A5 | A12 D0 A D1 B D2 C D3 D OE CE 对通电状态计数器进行加一运算对通电状态计数器进行加一运算通过不断改变定时器的装载值来实现通过不断改变定时器的装载值来实现2. 加减速定位控制的软件设计加减速定位控制的软件设计特种电机及其控制特种电机及其控制68全面管理系统资源，处理输入与显全面管理系统资源，处理输入与显示，计算运行参数，加载定时器中断服务程示，计算运行参数，加载定时器中断服务程序所需的全部参数和初始值，开中断，等待序所需的全部

53、参数和初始值，开中断，等待走步过程的结束走步过程的结束应应用用软软件件：使步进电动机走一步，：使步进电动机走一步，累计转过的步数，向定时器送下一个延时参累计转过的步数，向定时器送下一个延时参数数 2. 加减速定位控制的软件设计加减速定位控制的软件设计特种电机及其控制特种电机及其控制69 置置 状状 态态 计计 数数 器器 为为 首首 状状 态态 输输 出出 状状 态态 送送 P0 口口 中中 断断 服服务务 入入 口口 状状 态态 计计 数数 器器 为为 末末 状状 态态 ？ 状状 态态 计计 数数 器器 加加 1 输输 出出 状状 态态 送送 P0 口口 加加 速速 ？ 级级 步步 数数 =

54、0？ 级级 步步 数数 -1 加加 速速 一一 级级 加加 速速 步步 -1 计计 算算 级级 步步 数数 恒恒 速速 ？ 恒恒 速速 步步 -1 减减 速速 ？ 级级 步步 数数 =0？ 级级 步步 数数 -1 减减 速速 一一 级级 减减 速速 步步 -1 计计 算算 级级 步步 数数 查查 表表 确确 定定 定定 时时 器器 初初 值值 重重 装装 定定 时时 器器 装装 载载 值值 返返 回回 No Yes Yes Yes Yes No Yes No No No Yes No 定时器中断服务程定时器中断服务程序框图序框图 2. 加减速定位控制的软件设计加减速定位控制的软件设计特种电机及

55、其控制特种电机及其控制70步进电机的应用步进电机的应用 在办公自动化机器中的应用在办公自动化机器中的应用特种电机及其控制特种电机及其控制71磁头中的应用磁头中的应用 在这种结构中，通常选用步距角小、精度高的混合式步在这种结构中，通常选用步距角小、精度高的混合式步进电机，对电动机性能的要求主要是：进电机，对电动机性能的要求主要是：1.1.自启动频率高自启动频率高 2.2.整定时间短整定时间短3.3.电动机串动间隙小电动机串动间隙小 4.4.角度精度高角度精度高特种电机及其控制特种电机及其控制72打印机中的应用打印机中的应用 在这种机构中为使在这种机构中为使印字速度高速化，通常希印字速度高速化，通

56、常希望步进电动机具有较好的望步进电动机具有较好的矩频特性。送纸机构由于矩频特性。送纸机构由于精度和矩频特性要求不太精度和矩频特性要求不太高通常使用高通常使用PMPM步进电动步进电动机。机。特种电机及其控制特种电机及其控制73特种电机及其控制特种电机及其控制74单凹坑式单凹坑式特种电机及其控制特种电机及其控制75双偏心式双偏心式特种电机及其控制特种电机及其控制76特种电机及其控制特种电机及其控制77数控机床数控机床特种电机及其控制特种电机及其控制78裁纸机定位系统裁纸机定位系统特种电机及其控制特种电机及其控制79纸带穿孔机示意图纸带穿孔机示意图特种电机及其控制特种电机及其控制80 步进电机是一种

57、离散运动的装置，它和现代数字步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似电机作为执行电动机。虽然两

58、者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。 步进电机和交流伺服电机性能比较步进电机和交流伺服电机性能比较特种电机及其控制特种电机及其控制81一、控制精度不同一、控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为两相混合式步进电机步距角一般为3.63.6、 1.81.8，五相，五相混合式步进电机步距角一般为混合式步进电机步距角一般为0.72 0.72 、0.360.36。也有一些高。也有一些高性能的步进电机步距角更小。德国百格拉公司（性能的步进

59、电机步距角更小。德国百格拉公司（BERGER LAHRBERGER LAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.81.8、0.90.9、0.720.72、0.360.36、0.180.18、0.090.09、0.0720.072、0.0360.036。 交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准25002500线编码器线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为为360360/10000=0.036/10000=0.036。对于带。对于带1717位编码器的电机而言，驱位编码器的电机而言，驱动器每接收动器每接收13