步进电动机传动控制汇总课件

4.3步进电动机传动控制4.3.1步进电动机的工作原理4.3.2步进电动机的环形分配器4.3.3步进电动机的驱动电路4.3.4步进电动机的运行特性及使用4.3.5步进电动机的控制4.3步进电动机传动控制步进电动机步进电动机对步进电动机施加一个电脉冲后，其转轴就转过一个角度，称为一步。脉冲数增加，直线或角位移随之增加；脉冲频率高，则电动机旋转速度就高；改变分配脉冲的相序，电动机便逆转。4.3.1步进电动机的工作原理区别步进电机普通电机运动形式步进连续驱动电源脉冲电压正弦交流或直流

概念：步进电动机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件。

差别：对步进电动机施加一个电脉冲后，其转轴就转过一个角度，称为一步步进电动机是受其输入信号，即一系列的电脉冲控制而动作的。步进电动机、驱动电源和控制器构成步进电动机传动控制系统。产生电脉冲信号将电脉冲信号按一定的顺序加到电动机的各相绕组上步进电动机是受其输入信号，即一系列的电脉冲控制而动作的。产生CNC环形分配器步进电动机功率放大器指令脉冲n电源步进电动机齿轮箱CNC环形分配器步进电动机功率放大器指令脉冲n电源步进电动机步进电动机的优点控制特性好：误差不长期积累；步距值不受各种干扰因素的影响。步进电动机的转子运动的速度主要取决于脉冲信号的频率，总位移量取决于总的脉冲信号数；故它作为伺服电动机应用于控制系统时，往往可以使系统简化，工作可靠，而且可获得较高的控制精度，在多数情况下，可以代替交、直流伺服电动机。步进电动机的优点控制特性好：步进电动机的转子运动的速度主要取步进电动机的应用

在机械、电子、纺织、轻工、化工、石油、邮电、冶金、文教和卫生等行业，特别是在数控机床上都获得越来越广泛的应用。

本章从应用的角度介绍步进电动机的基本结构、工作原理、主要技术指标、运行特性和影响因素，环形分配器方式和功率驱动电路等。步进电动机的应用在机械、电子、纺织、轻工、化工4.3.1.1

步进电动机的结构与工作原理4.3.1步进电动机的工作原理1．结构特点

由定子和转子两大部分组成。

定子由硅钢片叠成，装上一定相数的控制绕组；

转子用硅钢片叠成或用软磁性材料做成凸极结构；转子本身没有励磁绕组的叫做“反应式步进电动机”；用永久磁铁做转子的叫做“永磁式步进电动机”。定子有6个磁极，每两个相对的磁极上绕有一相控制绕组。转子上装有4个凸齿。4.3.1.1步进电动机的结构与工作原理4.3.1步进2、工作原理A-B-C-AA相通电，B、C相不通电——转子齿1和3与A对齐。

而B、C两相的定、转子齿各错开30°B相通电，A、C相不通电——转子齿2和4与B对齐，

转子顺时针方向旋转30°C相通电，A、B相不通电——转子齿1和3与C对齐，

转子又顺时针方向旋转30°CA'BB'C'A34121C'342CA'BB'ACA'BB'C'A3412A相通电B相通电C相通电2、工作原理A-B-C-AA相通电，B、C相不通电——转子结论：当通电顺序为U—V—W—U时，转子便按顺时针方向一步一步地转动。每换接一次，则转子前进一步，一步所对应的角度称为步距角(30°)。

电流换接三次，磁场旋转一周，转子前进一个齿距的位置，一个齿距所对应的角度称为齿距角(此例中转子有四个齿，齿距角为90°)。换向：只要改变通电顺序，如U-W-V-U。转一圈所需步数：3×4=m×z。结论：换向：只要改变通电顺序，如U-W-V-U。转一圈所需步（2）通电方式

步进电动机的转速既取决于控制绕组通电的频率，又取决于绕组通电方式。1)单相轮流通电方式：

“单”是指每次切换前后只有一相绕组通电，

这种通电分配方式叫做m相单m状态；

步进电动机以一种通电状态转换到另一种通电状态就叫做一“拍”。

上例就是单相轮流通电方式，即三相单三拍通电，步距角为30°。特点：电动机工作的稳定性较差，容易失步。m相，z个齿的步进电动机，转一转所需步数为mz（2）通电方式步进电动机的转速既取决于控制绕组2)双相轮流通电方式

“双”是指每次有两相绕组同时通电

这种通电分配方式叫做m相双m状态，

按照UV—VW—WU—UV称为三相双三拍通电，步距角为30°。

特点：由于两相通电，力矩就大些，定位精度高而不易失步。步进电动机每转步数亦为mz步。2)双相轮流通电方式特点：由于两相通电，力矩就大些，定位三相绕组的通电顺序为：

AB

BC

CA

AB

共三拍。AB通电CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412BC通电三相绕组的通电顺序为：AB通电CA'BB'C'A3412CA工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转30，即S=30。CA通电CA'BB'C'A3412工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转30，三相绕组的通电顺序为：

AABBBCCCAA

共六拍,称为三相六拍通电。

ABC123456123456ABC123123三相单三拍3)单双相轮流通电方式

是单和双两种通电方式的组合应用，这种通电分配方式叫做m相2m状态，转一转所需步数为2mz步。三相绕组的通电顺序为：ABC1234三相绕组的通电顺序为：

AABBBCCCAA

共六拍。工作过程：A相通电转子1、3齿和A相对齐。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412AB相通电AB齿对转子都有拉力三相绕组的通电顺序为：工作过程：A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15°。（1）BB'

磁场对2、4齿有磁拉力，该拉力使

转子顺时针方向转动。A、B相同时通电（2）AA'

磁场继续对1、3齿有拉力。CA'BB'C'A3412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15。CA'BB'C'A3412B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15。CA'BB'C'A3412A、B相同时通电

AABBBCCCAA

顺时针方向旋转

AACCCBBBAA

逆时针方向旋转总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角实际采用的步进电机的步距角多为3度和1.5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，图中转子40个齿，定子仍是6个磁极，但每个磁极上也有五个齿转子有40齿定子6个极，每极有5个齿CCBBAA4.3.1.2小步距角电动机实际采用的步进电机的步距角多为3度和1.5度，步距角越小，机转子的齿距等于360/40=9

，齿宽、齿槽各4.5。

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。CCBBAA120含有齿

这样，A通电后，A磁极上的齿与转子上的齿对齐。但是，B磁极上的齿与转子上的齿错开1/3齿距，即相差3A断电B通电后，转子只需顺时针转动3，B磁极上的齿就可与转子上的齿对齐。转子的齿距等于360/40=9，齿宽、齿槽各4.5定子定子转子转子电机转动的工作原理总结：错齿是步进电动机旋转的根本原因当定子绕组按U—V—W顺序轮流通电时，转子就顺时针方向一步一步地移动，各相绕组轮流通电一次，转子就转过一个齿距。电机转动的工作原理总结：错齿是步进电动机旋转的根本原因当定子步距角步距角——绕组每通电一次（即运行一拍），转子就走一步，即转过一定的角度。步距角步距角——绕组每通电一次（即运行一拍），转子就走一步，

若步进电动机的Z＝40时，其步距角为三相单三拍三相六拍结论：z越多，相数越大，则电机运行拍数越多，步距角越小，控制精度越高步进电机即可按角度控制，也可按速度控制若步进电动机的Z＝40时，其步距角为三相单三拍三相六拍结论步进电机转速（2）ABCT设每步时间为T，则步进速率为：

转速:转子转过一圈所用时间为：ZkmT转子转速为：步距角步进电机转速（2）ABCT设每步时间为T，则步进速率为：转1、按工作原理分类励磁式：电机的定子转子均有绕组，靠电磁力矩使转子转动。反应式：转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使转子转动。这是我国步进电动机发展的主要类型

特点：气隙小，定位精度高；步距较小，控制准确；励磁电流大，要求驱动电源功率大；电动机内部阻尼较小，相数小时，单步运行震荡时间较长；断电后无定位转矩，使用中需自锁定位。4.3.1.3步进电动机分类1、按工作原理分类4.3.1.3步进电动机分类永磁式：转子或定子的某一方具有永久磁钢，另一方是由软磁材料制成。绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生转矩。特点：控制精度不高，控制功率小，效率高；内阻尼较大，震荡时间短；断电后有一定的自锁功能混合式(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。永磁感应式电机具有驱动电流小、效率高、过载能力强等优点，是一种很有发展前途的步进电动机

特点：驱动电流小，效率高，过载能力强、控制精度高，代表着步进电机的发展趋势

1、按工作原理分类永磁式：转子或定子的某一方具有永久磁钢，另一方是1、按工作原快速步进电动机

该类电动机输出转矩一般为0.07N.m～4N.m。可控制小型精密机床的工作台(例如，线切割机床)。功率步进电动机

其输出转矩一般为5N.m～40N.m。可直接驱动机床移动部件。2、按输出转矩大小分按励磁相数可分为三相、四相、五相、六相等。相数越多，步距角越小，但结构越复杂。按定子排列还可分为多段式(轴向式)和单段式(径向式)。轴向式的转动惯量小，快速性和稳定性好，功率步进电动机多为轴向式。快速步进电动机2、按输出转矩大小分按励磁相数可分为三相、四相

反应式步进电动机（如150BF003）

混合式步进电动机（如42BYG008）永磁式步进电动机步进电动机的型号

反应式步进电动机（如150BF003）步进电动机的型号4.3.2步进电动机的环形分配器4.3.2.1步进电动机的驱动方式环形分配器——把输入的脉冲转换成环型脉冲，以控制步进电动机，并能进行正反转控制功率放大器——把环形分配器输出的环型脉冲放大，以驱动步进电动机转动4.3.2步进电动机的环形分配器4.3.2.1步进电动典型的步进电机控制系统的组成典型的步进电机控制系统的组成4.3.2.2步进电动机的环形分配器

环形分配器是根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加到放大器上，使各相绕组按一定的顺序和时间导通和关断

步进电机旋转方向和内部绕组的通电顺序有关

环形分配器由电动机的励磁绕组数（相数）和工作方式决定

环形分配器有硬件和软件两种硬件环分：由门电路和双稳态触发器组成的逻辑电路构成。具有较好的响应速度，直观、维护方便等特点。软件环分：往往受到微机运算速度的限制，有时难以满足高速、实时控制的要求。4.3.2.2步进电动机的环形分配器环形1、脉冲分配控制——硬件（环形分配器）CNC装置电源环形分配器A相驱动B相驱动C相驱动FULL/HALFDIRCLKM三相硬件环形分配器的驱动控制1、脉冲分配控制——硬件（环形分配器）CNC电源环形A相驱动三相六拍环形分配器当DIR=“1”时，每来一个脉冲（CLK）则电动机正转一步；当DIR=“0”时，每来一个脉冲（CLK）则电动机反转一步。1、脉冲分配控制——硬件（环形分配器）三相六拍环形分配器当DIR=“1”时，每来一个脉冲（CLK）表3.1环形分配器逻辑真值序号控制信号状态输出状态导电绕组CAJCBJCCJQAQBQC0110100A1010110AB2011010B3001011BC4101001C5100101CA6110100A表3.1环形分配器逻辑真值序号控制信号状态输出状态CH250是专为三相反应式步进电动机设计的环形分配器，这种集成电路采用CMOS工艺，集成度高，可靠性好。它的管脚图及三相六拍工作时的接线图如图3．9所示(2)集成脉冲分配器

CH250是专为三相反应式步进电动机设计的步进电动机传动控制汇总课件集成脉冲分配器R,R*——R是双三拍的复位端，R*是六拍的复位端J3r、J3L两端子是三相双三拍的控制端，J6r、J6L是三相六拍的控制端，三相双三拍工作时，若J3r＝“1”，而J3L＝“0”，则电机正转；若J3r＝“0”，J3L＝“1”，则电机反转；三相六拍供电时，若J6r＝“1”，J6L＝“0”，则电机正转；若J6r＝“0”，J6L＝“1”，电机反转。CL端是时钟脉冲输入端，EN是时钟脉冲允许端，用以控制时钟脉冲的允许与否。当脉冲CP由CL端输入，只有EN端为高电平时，时钟脉冲的上升沿才起作用。CH250也允许以EN端作脉冲CP的输入端，此时，只有CL为低电平时，时钟脉冲的下降沿才起作用。集成脉冲分配器R,R*——R是双三拍的复位端，R*是六拍的复11EPEOM在环形分配器中的应用

结合驱动电源线路按步进电机励磁状态转换表求出所需的环形分配器输出状态表，以二进制码的形式依次存入EPROM中，在线路中只要按照地址的正向或反向顺序依次取出地址的内容，则EPROM的输出端即依次表示各励磁状态。EPEOM在环形分配器中的应用结合驱动电源线路2.软件环分

一般微机需作如下设置

设置输出口2.软件环分一般微机需作如下设置

计算机控制的步进电机驱动系统中，使用软件实现脉冲分配。常用查表法。CNC装置电源A相驱动B相驱动C相驱动CBAM软环分驱控制2.软件环分

计算机控制的步进电机驱动系统中，使用软件实现脉冲分配存储单元地址单元内容对应通电相K+0K+1K+2K+3K+4K+501H(0001)03H(0011)02H(0010)06H(0110)04H(0100)05H(0101)UUVVVWWWU

设计环形分配子程序

设计延时子程序：改变步进频率存储单元地址单元内容对应通电相K+001H(0001)U三相单三拍正向的时序图如图所示三相单三拍正向的时序图如图所示三相双三拍正向的时序图如图所示三相双三拍正向的时序图如图所示三相单六拍正向时序图如图所示三相单六拍正向时序图如图所示以三相单三拍为例的环形分配程序流程图以三相单三拍为例的环形分配程序流程图进给脉冲频率f→定子绕组通电/断电状态变化频率f→步进电机转速ω→工作台的进给速度V。硬件环分：控制CLK的频率，控制电动机的速度。软件环分：控制相邻两次软件环分状态之间的延时时间，改变电动机线圈通电状态的变化频率。3、速度控制进给脉冲频率f→定子绕组通电/断电状态变化频率f→步进电机4.3.3

步进电动机的驱动电路4.3.3.1

单电压限流型驱动电路R：缩短了绕组中电流的上升时间C：加速电容V：续流和保护作用特点：线路简单，成本低，低频时响应好缺点：效率低，电阻R上有功率消耗，高

频带载能力差，实际应用少4.3.3步进电动机的驱动电路4.3.3.1单电压限流型单电压限流型驱动电路L－是电动机绕组电感VT－开关晶体管

电阻Rc两端并联电容C，使电流上升更快，所以，电容C又称为加速电容。

二极管V在晶体管VT截止时起续流和保护作用，串联电阻使电流下降更快，从而使绕组电流波形后沿变陡。VT的理想工作状态：使流过绕组的波形尽可能接近矩形波。绕组电阻单电压驱动缺点是外接电阻Rc上有功耗，随着阻值的增加，电源电压势必提高，功率消耗也进一步加大。应用在小功率步进电动机的简单应用中。单电压限流型驱动电路L－是电动机绕组电感VT－开关晶体管4.3.3.2双电压驱动电路

优点：功耗小，起动力矩大，突跳频率和工作频率高，高频段出力较大；适于高频大功率步进电机。缺点：低频运行时输入能量过大，造成低频振荡加剧，波形呈凹形，输出转矩下降；大功率管的数量要多一倍，增加了驱动电源。环形分配器经放大后提供定时器或定流器经放大后提供4.3.3.2双电压驱动电路优点：功耗小，起动力矩大，突高低压切换型(双电压)驱动电路

高低压驱动线路的特点是：电动机绕组主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。思路：不论电机的工作频率如何，在导通相的前沿用高电压供电来提高电流的前沿上升率，而在前沿通过后，用低压来维持绕组的电流。高低压切换型(双电压)驱动电路高低压驱动线路的特点高低压切换型(双电压)驱动电路

高低压驱动加大了绕组电流的注入量，以提高其功率，适用于大功率和高频工作的步进电机；但由于高压的冲击作用在低频时也存在，使低频输入能量过大而造成低频振荡加剧，同时高低压衔接处的电流波动呈凹形，使步进电动机输出转距下降；此外大功率管的数量要多用一倍，增加了驱动电源。一般电压Ub1由脉冲分配器经几级电流放大获得；电压Ub2由单稳定时或定流装置再经脉冲变压器获得。高低压切换型(双电压)驱动电路高低压驱动加大4.3.3.3斩波驱动电路斩波电路是为了弥补双电压电路波形呈现凹形的缺陷，改善输出转矩下降，使励磁绕组中的电流维持在额定值附近。特点：

结构复杂。

效率高。由于没有外接电阻；由于驱动电压较高，电流上升很快；加反馈，绕组电流恒定，在很大的频率范围内输出转矩恒定，大大改善了高频响应特性。斩波驱动分为自激式和他激式。4.3.3.3斩波驱动电路斩波电路是为了弥补双电压电路波4.3.3.4升频升压驱动电路

提高供电电压导致低频振动加剧为了减小低频振动，要求驱动电源对绕组提供的电压与电动机运行频率建立直接联系：

低频时用较低电压供电，使低速时绕组电流上升的前沿较平缓，这样才能使转子在到达新的稳定平衡位置时不产生过冲；

高频时用较高电压供电，在高速时则应使电流有较陡的前沿，以产生足够的绕组电流，才能提高步进电动机的带载能力。

升频升压驱动电路可满足此要求。4.3.3.4升频升压驱动电路提高供电电压导致升频升压驱动电路升频升压驱动电路基本思想：在每次输入脉冲切换时，不是将额定电流全部通入相绕组或一次切除，而是只改变相应绕组中额定电流的一部分，则步进电动机转子的每步运动也只有步距角的一部分。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个步的驱动称为细分驱动，有时也叫“微步距控制”。4.3.3.5细分驱动电路基本思想：在每次输入脉冲切换时，不是将额定电流全部通入相绕组步进电动机传动控制汇总课件A相通电时，转子停在位置A；A、B两相通电，停在A与B之间的位置I，转子转过30°。若由A相通电转为A、B两相绕组通电，但B相绕组中的电流不是由零一次上升到额定值，而是先达到额定值的二分之一，转过15°停在位置Ⅱ。当由A、B两相通电变为只有B相通电时，A相电流也不是突然一次下降为零，而是先降到额定值的二分之一，转子将不是停在位置B而是停在位置Ⅲ，这就将精度提高了一倍。

以三相单双六拍步进电动机为例A相通电时，转子停在位置A；以三相单双六拍步进电动机为例4.3.3.5细分驱动电路特点：1)不改动电动机结构参数的情况下，能使步距角减小，但细分后的齿距角精度不高，且驱动电源的结构也相应复杂。2)使步进电动机运行平稳，提高均匀性，并能减弱或消除振荡。3)绕组电流不是方波而是阶梯波将一个步距角细分为若干个步的驱动电路称为细分电路。4.3.3.5细分驱动电路特点：将一个步距角细分为若干个实现阶梯波供电的方法1)先放大后叠加。是将通过细分环形分配器所形成的各个等幅等宽的脉冲，分别进行放大，然后在电动机绕组中叠加起来形成阶梯波。2)先叠加后放大。利用运算放大器来叠加，或采用公共负载的方法，把方波合成变成阶梯波，然后对阶梯波进行放大再去驱动步进电动机。其中的放大器可采用线形放大器或恒波斩波放大器等。实现阶梯波供电的方法1)先放大后叠加。是将通过细分环形分

4.3.4步进电动机的运行特性及使用基本特点步进电动机工作时的步数或转速既不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件(温度、压力、冲击和振动等)变化的影响，只与控制脉冲同步，它又能按照控制的要求进行启动、停止、反转或改变速度(且能在较宽的范围内通过改变脉冲频率来进行调速)。同时步进电动机具有自锁能力，当控制电脉冲停止输入，而让最后一个脉冲控制的绕组继续通入直流时，则电动机可以保持在固定的位置上。4.3.4.1

步进电动机的运行特性及影响因素4.3.4步进电动机的运行特性及使用基本特点4.3.4.初始稳定平衡位置:指单相通电时，步进电动机在空载情况下，转子齿将和通电相磁极上的小齿对齐，此位置为~；偏转角θ：转子齿偏离初始平衡位置的角度θ(空间角)。1矩角特性矩角特性

是反映步进电动机电磁转矩T随偏转角θ的关系。初始稳定平衡位置:指单相通电时，步进电动机在空载情况下，转子1矩角特性若用电角度θe表示偏转角则θe=zθ

矩角特性曲线：T=f（θe）此曲线可近似的用一条正弦曲线表示最大静转矩矩角特性是步进电动机的最主要性能之一，反映了电机带负载的能力。1矩角特性若用电角度θe表示偏转角则θe=z2、单步运行特性

指步进电机在单相或多相通电状态下，仅改变一次通电状态时的运行方式或输入频率很低，以致加第二脉冲前，前一步已走完，转子运行已经停止的状态称为单步运行状态（1）稳定区稳定区｛静稳定区动稳定区2、单步运行特性指步进电机在单相或多相通电状态在空载时，稳定平衡位置对应于θ=0°处，而θ=180°则为不稳定平衡位置。在静态情况下，如受外力矩的作用使转子偏离稳定平衡位置，但没有超出相邻的不稳定平衡点，则当外力矩除去以后，电动机转子在静态转矩作用下仍能回到原来的稳定平衡点，所以二个不稳定平衡点之间的区域构成静态稳定区。

静态稳态区最大静转矩在空载时，稳定平衡位置对应于θ=0°处，而θ=180°则为若改变通电状态由U相转为V相，矩角特性将向前移动一个矩角θbe，转子将转到新的稳定平衡位置O1，新稳定区为。在改变通电状态时，只有当转子起始位置位于ab之间才能使它向O1点运动。因此称区间ab为电动机空载时的动态稳定区。动态稳定区ab若改变通电状态由U相转为V相，矩角特性将向前移动一个矩角θb（2）单步运行特性（2）单步运行特性（2）单步运行特性衰减周期衰减时间OO1（2）单步运行特性衰减周期衰减时间OO1（2）单步运行特性步进电动机转子的力矩方程：（2）单步运行特性步进电动机转子的力矩方程：步进电动机传动控制汇总课件3.连续脉冲运行特性

在连续运行时，由于加第一个脉冲时，转子会产生振动，使得第二个脉冲的初始条件，因第一个脉冲持续的时间不同而不同，。第二个脉冲的初始条件就是第一脉冲末转子的运动情况，下面分四种情况加以介绍。参考：步进电动机哈工大与成都电机厂P1253.连续脉冲运行特性在连续运行时，由于加第一此时，角误差△θ=θb-θ1，对应第二步的动态误差为(△θ+θb)开始几步，动态误差要积累，只要动态误差不超过动态稳定区，则电机可启动。但是当频率f达到一定的极限值，就会产生失步而不能正常启动。

(1)

高频条件下运行

第一种情况：U相O0V相SV相b点W相c点

不失步第二种情况：U相O0V相SV相b’点W相c’点

失三步脉冲频率过高是失步的一原因(未超过一个步距角θb)A2点是第二步能正常启动的临界点此时，角误差△θ=θb-θ1，对应第二步的动

使步进电动机能正常启动的最高频率。拍数越多，步距角越小，极限起动频率越高；负载转矩越大，起动频率越低；（起动矩频特性）转子转动惯量越小，起动频率越高。（起动惯频特性）A2点越接近O0点，极限起动频率越高极限启动频率：使步进电动机能正常启动的最高频率。A2点越接近极限情况：当脉冲频率（正好等于一个步距角）T=T0/4第一拍完成正好走过一个步距角，但由于初始速度的作用，第二拍会产生超前误差，同理，只要不超过动态稳定区，则能正常启动。极限情况：当脉冲频率（正好等于一个步距角）T=T0/4第一拍

第一拍转过的角度θ1超过一个步距角但没到峰值，此情况对下一拍最为有利，在第一拍初速度和换向后电磁转矩作用下，第二拍更接近稳定平衡点。

(2)(超过一个步距角θb)极限情况：f=2f0,在无阻尼情况，第一拍V通电正好走过两个步距角2θb，此时运动速度为0.第二拍W通电，转子正处于O2点，T=0，转子不动；第三拍，U通电，重复第一拍动作。第一拍转过的角度θ1超过一个步距角但没到峰值，此

第一拍转过的角度到达2θb后又开始减小，且角速度是负的，这使转子偏离平衡点有增大的趋势，此情况对下一拍不利。

(3)(超过一个步距角θb)极限情况：f=f0，在无阻尼情况，第一拍V通电正好走过一个衰减周期T0，转子又回到O0点位，此时运动速度为0.第二拍W通电，转子反向走过一个衰减周期T0，转子又回到O0点位，此时相当于产生共振。第一拍转过的角度到达2θb后又开始减小，且角速

指控制脉冲周期大于转子单步运行振荡的衰减时间。与单步运行方式相同。

转子的运行特性具有典型的步进特性；运行的步进电动机多数处于欠阻尼状态，不可避免地产生振荡，但其振幅不会超过步距角，因此不会出现失步和越步现象。

(4)极低频条件下运行

(4)极低频条件下运行控制思想：步进电动机在小于极限起动频率下正常起动后，控制脉冲再缓慢地升高。因为缓慢升高脉冲频率，转子加速度很小，转动惯量的影响可以忽略。但此时电动机随运行频率增高，负载能力变差，反映了步进电动机的运行频率特性。最高运行频率受限最高运行频率受限注意：最高运行频率受限原因有三：1、频率增高，输入矩形脉冲信号发生畸变，使电流平均值下降，引起输出转矩下降；2、频率增高，定子绕组中产生附加感应电势，增大动阻尼；3、铁心中涡流损耗增加最终造成转子跟不上脉冲变化而导致失步。注意：最高运行频率受限原因有三：4、加减速特性

步进电机由静止到工作频率或由工作频率到静止过程中，励磁绕组通电状态变化的频率与时间的关系要求：频率升，转速升；频率降，转速降。限制：升速和减速时间不能过小，否则易失步或越步4、加减速特性步进电机由静止到工作频率或由工作5、脉冲信号频率对步进电动机运行的影响

频率增高，输入矩形脉冲信号发生畸变，使电流平均值下降，引起输出转矩下降；最终造成电机起动不了或转子跟不上脉冲变化而导致失步。最高运行频率受限提高频率的措施

减小电机的时间常数、提高动态转矩、减小惯量、釆用阻尼等来提高fmax5、脉冲信号频率对步进电动机运行的影响频率增高惯性影响从两方面分析：1、起动：使电机起动不起来；

2、运行中：失步。（由于振荡）消除方法：阻尼法6、转子机械惯性对步进电动机运行的影响惯性影响从两方面分析：6、转子机械惯性对步进电动机运行的影响

当控制脉冲的时间间隔大于步进电动机的过渡过程时，电动机呈步进运行状态，即输入脉冲频率较低，在第二步走之前第一步已经结束。

步进电动机在运行中存在振荡，它有一个固有频率，若输入脉冲频率等于固有频率时就要产生共振，使步进电动机振荡不前。对同一电动机，在不同负载(如不同机床)情况下，其共振区是不同的，必要时可外加调节阻尼器，以保证工作正常进行。7、步进运行和低频振荡当控制脉冲的时间间隔大于步进电动机的过渡过程时4.3.4.2步进电动机的性能指标和应用1.步进电动机的性能指标1.步距角2.精度┄步距角精度4.3.4.2步进电动机的性能指标和应用1.步进电动机的性3.转矩1）保持转矩：绕组不通电时电磁转矩的最大值。反应式步进电机保持转矩为零

2）静转矩Ts：不改变通电状态即电机静止时转矩，是电流与偏转角的函数。3）动转矩：转子转动时最大输出转矩，与运行频率有关3）动转矩：转子转动时最大输出转矩，与运行频率有关4、响应频率

响应频率：在某一频率范围，步进电机可以任意运行而不丢步，则这一最大频率为~。通常用起动频率来作为衡量的指标，它是能不丢步地起动的极限频率，又叫突跳频率或牵入频率起动频率与负载的大小有关，负载的大小包含负载转矩和负载转动惯量两个方面的意义。技术参数中常给出空载起动频率，它随负载的增加而显著下降，选用时应注意这一点。4、响应频率响应频率：在某一频率范围，步进电机可以任意5、运行频率运行频率：指频率连续上升时，电动机能不失步运行的极限频率。它的值也与负载的大小有关。在相同负载情况下，连续频率的值远大于响应频率或起动频率。它也随着电机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。5、运行频率运行频率：指频率连续上升时，电动机能不失步运行的6、矩频特性fst=f(TL)——起动矩频特性fst=f(J)

——起动惯频特性fc=f(TL)——运行矩频特性6、矩频特性fst=f(TL)——起动矩频特性2.使用步进电动机应注意的几个问题(l)起动转矩选择：根据式（3.13）。(2)步距角及步距累积误差。(3)起动频率和最高频率满足要求。(4)驱动电源的优劣对步进电动机控制系统的运行影响极大，使用时要特别注意，需根据运行要求，尽量采用先进的驱动电源，以满足步进电动机的运行性能。(5)若所带负载转动惯量较大，则应在低频下启动，然后再上升到工作频率，停车时也应从工作频率下降到适当频率再停车。2.使用步进电动机应注意的几个问题(l)起动转矩选择：根据2.使用步进电动机应注意的几个问题(6)在工作过程中，应尽量避免由于负载突变而引起的误差。(7)若在工作中发生失步现象，首先，应检查负载是否过大，电源电压是否正常，再检查驱动电源输出波形是否正常，在处理问题时不应随意变换元件。2.使用步进电动机应注意的几个问题(6)在工作过程控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。系统的位移精度主要取决于步进电机的角位移精度、齿轮丝杠等传动元件的节距精度以及系统的摩擦阻尼特性等。开环伺服系统的结构简单，调试、维修方便，成本低廉，但精度差，一般用于经济型数控机床。5.3.5.1

步进电机开环控制4.3.5步进电动机的控制控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的☆开环控制系统

☆半闭环控制系统CNC步进驱动步进电机转速n测量及反馈角位移θ测量及反馈nθCNC伺服驱动伺服电机以步进电机作为驱动元件，没有位置和速度检测元件及反馈，位置控制精度完全由进给传动机构的精度及电气控制精度决定，控制精度低。以伺服电机作为驱动元件，有测速元件和位置检测。通过测量滚珠丝杠的角位移间接测量出工作台的直线位移。通过对传动系统的误差补偿，可获得很高的位置控制精度，系统的稳定性易得到保证。4.3.5步进电机的控制☆开环控制系统CNC步进驱动步进电机转速n测量及反馈角位移θ使用微机进行控制有串行和并行两种方式。1、串行控制单片机系统与步进电动机驱动电源间具较少的连线。驱动电源中必须含有环行分配器。使用微机进行控制有串行和并行两种方式。1、串行控制

用微机系统的数条端口线直接去控制步进电动机各相驱动电路的方法称为并行控制。

在电动机驱动电源内，不包括环形分配器，而其功能必须由微机系统完成。实现方法有两种：纯软件法和软硬件结合法。2、并行控制用微机系统的数条端口线直接去控制步进电动3、步进电机速度控制控制步进电动机的运行速度，实际上就是控制系统发出脉冲的频率或者换相的周期。系统可用两种方法来确定脉冲的周期：一种是软件延时，另一种是用定时器。软件延时的方法是通过调用延时子程序的方法实现的，它占用CPU时间；定时器方法是通过设置定时时间常数的方法来实现的。3、步进电机速度控制控制步进电动机的运行速度，实际上就是控制4、步进电机加减速控制系统极限起动频率

在点-位控制系统，从起点至终点的运行速度都有一定要求。如要求运行的速度小于系统极限起动频率，则系统可以按要求的速度直接起动，运行至终点后可直接停发脉冲串而令其停止。系统在这样的运行方式下速度可认为是恒定的。如要求运行的速度大于系统极限起动频率，如果系统以要求的速度直接起动，可能发生丢步或根本不运行的情况。系统运行起来之后，如果到达终点时突然停发脉冲串，令其立即停止，则因为系统的惯性原因，会发生冲过终点的现象。4、步进电机加减速控制系统极限起动频率在点-位系统在工作过程中，特别是在要求快速响应的工作中，从起点至终点运行的时间要求最短，都要求加减速过程时间尽量短，而恒速时间尽量长，速度最高。在点位控制过程中，运行速度都需要有一个“加速-恒速-减速-低恒速-停止”的加减速过程。系统在工作过程中，特别是在要求快速响应的工作中，从起点至终点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。用微机对步进电动机进行加减速控制，实际上就是改变输出脉冲的时间间隔。升速时使脉冲串逐渐加密，减速时使脉冲串逐渐疏稀。微机用定时器中断方式来控制电动机变速时，实际上就是不断改变定时器装载值的大小。一般用离散方法来逼近理想的升降速曲线。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4.3.5.2步进电动机的闭环控制闭环控制是直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当的处理，自动给出驱动的脉冲串。采用闭环控制可以获得更加精确的位置控制和高的多、平稳得多的转速。根据不同的使用要求，步进电动机的闭环控制也有不同的方案。主要有核步法、延迟时间法、带位置传感器的闭环控制系统等。4.3.5.2步进电动机的闭环控制闭环控制是直接或间接地☆全闭环控制系统转速n测量及反馈直线位移x测量及反馈CNC伺服驱动伺服电机xn位置检测装置安装在工作台上，直接反映工作台的直线位移，位置控制精度比半闭环高，控制原理同半闭环。由于受导轨摩擦系数、传动的润滑状况，传动间隙大小等因素的影响，系统的稳定性不如半闭环。☆混合闭环控制系统：有开环补偿型和半闭环补偿型☆全闭环控制系统转速n测量及反馈直线位移x测量及反馈CNC伺

例题

例3.1一台三相反应式步进电动机，采用三相六拍分配方式，转子有40个齿，脉冲源频率为600Hz，求：(1)写出一个循环的通电程序,(2)求步进电动机步距角(3)求步进电动机转速n

解

(1)脉冲分配方式有两种：A-AB-B-BC-C-CAA-AC-C-CB-B-BA例题例3.1一台三例3.2

若一台BF系列四相反应式步进电动机，其步矩角为1.80/0.90。试问：(1)1.80/0.90表示什么意思?(2)转子齿数为多少?(3)写出四相八拍运行方式的一个通电顺序。(4)在A相测得频率为400Hz时，其每分钟的转速为多少?解(I)根据步进电机结构的概念可知1.80/0.90分别表示单四拍运行的步距角和单双八拍运行的步距角。

(3)A-AB-B-BC-C-CD-D-DA例3.2若一台BF系列四相反应式步进电动机，其步矩角为例3.3在开环控制伺服系统中，步进电动机采用一对齿轮与丝杠相连接。步进电机的通电方式是三相六拍方式，电机转子的齿数为40个。已知脉冲当量为0.01mm，滚珠丝杠基本导程为6mm，则这对齿轮的传动比为（

）。

A.5/3B.3/5C.2/5D.5/2

脉冲当量S是每一个脉冲滚珠丝杠移动的距离，0.01mm滚珠丝杠导程Ph为滚珠丝杠每转360°移动的直线距离为一个导程，那么每转度1°移动（6/360）mm每一个脉冲，步进电动机转1.5°，通过传动比A,那么一个脉冲，滚珠丝杠转动1.5*A那么每个脉冲滚珠丝杠移动1.5*A*6/360=0.01mm例3.3在开环控制伺服系统中，步进电动机采用一对齿轮与丝杠四、步进电动机的选择

步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。1、确定电机类型。2、选择脉冲当量、步距角。

开环控制系统中，脉冲当量是衡量机床加工精度的一个基本参数，是机床的最小设定单位。3、速比的确定。θs—步距角(°)h——丝杠导程(mm)δ—脉冲当量(mm/脉冲)四、步进电动机的选择步进电机有步距角（涉及到相数）、4、静力矩的选择1）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量Jt。

一级变速时其中：Jt---折算至电机轴上的惯量(Kg.cm.s2)

J1、J2---齿轮惯量(Kg.cm.s2)

Js----丝杠惯量(Kg.cm.s2)W---工作台重量（N）

h---丝杆螺距（cm）四、步进电动机的选择4、静力矩的选择四、步进电动机的选择4、静力矩的选择2）计算电机负载转矩

电动机的负载转矩在各种工作情况下是不同的，如快速空载起动时所需转矩、快速进给时所需的转矩、最大切削负载时所需力矩等。

对于数控机床常用快速空载起动力矩作为选择步进电动机的依据。

快速空载起动时所需力矩：Mq=Ma+Mf+M0

要求:M≥Mq/λ，同时应保证最大切削负载力矩≤0.5倍Mjamx

最后用起动矩频特性和运行矩频特性曲线检查步进电机型号是否符合要求。四、步进电动机的选择4、静力矩的选择四、步进电动机的选择其中Ma=（Jm+Jt）.n/T×1.02×10ˉ2Ma---电机启动加速力矩（N.m）

Jm、Jt---电机自身惯量与负载惯量(Kg.cm.s2)

n---电机所需达到的转速（r/min）

T---电机升速时间（s）

其中Mf=[μ（W+G）h)/(2πηi)×10ˉ2

Mf---折算至电机轴上的摩擦转矩（N.m）

μ---摩擦系数

η---传递效率

基中M0=(Fp0.h)（1-η02）/(2πηi)×10ˉ2

M0---附加磨擦力矩（N.m）

Fp0—滚珠丝杠预加负荷，一般取进给牵引力的1/3(N)

η0---滚珠丝杠未预紧时的传动效率,一般≥0.9四、步进电动机的选择其中Ma=（Jm+Jt）.n/T×1.02×10ˉ2四、步可实现多种控制方式选择：单三、双三、单双六拍实现正反转控制设置运行步数复位全停保护功能实现加减速控制：设置升速步数和降速步数基于单片机的步进电机控制系统设计可实现多种控制方式选择：单三、双三、单双六拍基于单片机的步进

从步进电机的工作原理可知，步进电机要转动，必须要有电脉冲，而且必须按一定的顺序加到电机绕组上才能使步进电机按预定的规律运转。因此，微机控制步进电机的软件程序要能够产生所需要的脉冲串，并能按规定的顺序送出相应的脉冲信号(即时序脉冲)。1．脉冲信号的形成

用软件产生脉冲信号的方法是先输出一个高电平，然后进行延时，再输出一个低电平，再进行延时。延时时间的长短，即分别保持高、低电平的时间长短，由步进电机的工作频率决定。根据单片机的结构特点，可以采用程序延时或者定时器延时的办法。(1)程序延时。

根据延时时间的长短，可采用单循环延时和双重计数循环延时程序。

单循环延时子程序如下：DELAY1：MOVA，#data；1LOOP：DECA；1JNZLOOP；2RET；2

从步进电机的工作原理可知，步进电机要转动，必须要有电

该程序的延时时间为

t1=[3+(1+2)×data]×T=[3+3×data]×T式中T为单片机的机器周期，当晶振频率为6MHz时，T=2us。该程序的最大延时时间为1.54ms。双重计数循环延时子程序如下：DELAY2：MOVR2，#datal；1DELAYl：MOVA，#data2；1LOOP：DEC：A；1JNZLOOP；2DJNZR2，DELAYl；2RET；2t2={[1+(1+2)×data2+2]×data1+1+2}×T

该程序的延时时间为(2)利用定时器进行延时利用定时器TO的方式l进行定时，设机器周期T=2us，计数初值为X，延时时间为N，因T0、T1为加1计数器，要用补码运算，则

(256-X)×2×10-6=N×10-6256-X=O.5×NX=256-O.5×N用XH表示初值X的高字节，XL表示X的低字节，编写程序如下：T0一DELY：MOVTMOD，#01H；T0定时器方式1定时

MOVTLO，#XL；赋初值

MOVTHO，#XHSETBTRO；起动T0计时

L00P：JBCTFO，REPAJMPL00PREP：……

……

当改变初值X时，就能改变延时时间，X值越小，延时时间则越长。通过单片机的某个输出口轮流送出高、低电平就可得到相应的脉冲串，高、低电平保持的时间长短决定了脉冲串的周期或频率。(2)利用定时器进行延时脉冲串生成程序流程图如图：程序延时方式脉冲串程序清单如下：PULSEl：MOVR3，#N；计数器赋初值，即脉冲个数LOOP0：PUSHA；保存AMOVP1，#0FFH；送高电平

ACALLDELAYl；延时

MOVP1，#00H；送低电平

ACALLDELAYl；延时

DJNZR3，LOOP0；R3不为0转移

POPA；恢复ARETDELAYl：MOVA，#dataLOOP：DECAJNZLOOPRET脉冲串生成程序流程图如图：

利用定时器延时方式的脉冲串程序清单如下：PULSE2：MOVR3，#N；计数器赋初值，即脉冲个数

MOVTMOD，#01H；定时器TO方式1定时

MOVTL0，#XL；赋初值

MOVTH0，#XHSETBTR0；启动T0计时

SETBP1．0；送脉冲输出为高电平

LOOPl：JBCTF0，REP；查TO是否溢出

AJMPLOOPlREP：MOVTL0，#XL；重新赋计时初值

MOVTH0．#XHCPLP1.0；输出信号倒相

DJNZR3，LOOPl；不为0转移

RET利用定时器延时方式的脉冲串程序清单如下：2．时序脉冲信号的形成步进电机自旋转方向与内部绕组的通电顺序和通电方式有关。以常用的三相步进电机为例，通常有三种通电方式：

(1)三相单三拍方式A→B→C→A(2)三相双三拍方式AB→BC→CA→AB(3)三相六拍方式A→AB→B→BC→C→CA→A按以上顺序通电，步进电机正转；若按相反方向通电，则步进电机反转。这三种通电方式下表所示：

2．时序脉冲信号的形成步进电动机传动控制汇总课件步进电动机传动控制汇总课件

产生时序脉冲的方法是：（1）

用单片机的P1.0、P1.1和P1.2分别控制三相步进电机的A相、B相和C相绕组；（2）

根据控制方式，找出控制模型；（3）

按控制模型的顺序向步进电机输入控制脉冲。由三相单三拍通电方式的二进制数可以看出，步进电机每进一步，高电平就左移或右移一位。因此，可以考虑在A累加器中放一个时序字节，在每个采样时刻累加器就左移或右移一位，并把经移位后的累加器A中的值通过输出口输出。8031单片机的字长为8位，8不能被3整除。但若把进位标志位cy也考虑在内，则可以看成是第9位，这时就能实现三相单三拍和三相双三拍的通电方式。

实现三相单三拍通电方式时，需在累加器A中放时序字节49H。其示意图如图5.16(a)所示。

产生时序脉冲的方法是：图5.16

三相单三拍示意图(a)正转(b)反转图5.16

而实现三相双三拍通电方式时，则应在累加器A中放时序字节0DBH。其示意图如图5.17所示。

图5.17三相双三拍示意图(a)正转(b)反转而实现三相双三拍通电方式时，则应在累加器A中放时序字三相三拍时序脉冲输出程序流程图如图5.18所示。

根据图5—18(a)编写的时序脉冲程序如下：PUL—OUTl：MOVR3，#N；设置步数计数器

CLRC；O→(C)PUSHA；保存累加器A中原值

MOVA，#49H(或#0DBH)；时序字节→AMOVP1，A；输出时序脉冲

PUSHA；保存时序字