机器人伺服控制系统及应用技术第3章 机器人步进电机驱动与控制

机器人伺服控制第三章机器人步进电机驱动与控制步进电机又称为脉冲电机，原始模型是起源于1830年至1860年间。1870年开始以控制为目的的尝试，应用于氢弧灯的电极输送机构中。这被认为是最初的步进电机德国百格拉于1973年发明了五相混合式步进电机及其驱动器1993年又推出了性能更加优越的三相混合式步进电机我国在80年代以前，一直是反应式步进电机占统治地位，混合式步进电机是80年代后期才开始发展步进电机为低速大扭矩设备，使传输更短，大多数机器人运动是短距离要求高加速度达到低点的循环周期第三章机器人步进电机驱动与控制主要内容contents3.1步进电机3.2机器人步进电机驱动与控制实例第三章机器人步进电机驱动与控制3.1步进电机步进电机（脉冲电动机）将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角角位移与脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，转向与各相绕组的通电方式有关3.1步进电机步进电机（脉冲电动机）特点在负载能力范围内不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化适用开环系统中作执行元件，使控制系统大为简化步进电动机可在很宽的范围内通过改变脉冲频率调速只有周期性的误差而无累积误差能够快速启动、反转和制动最适合于短距离、高频度、高精度之定位控制的场合下使用3.1步进电机特点步进电机工作时的位置和速度信号不反馈给控制系统如果电机工作时的位置和速度信号反馈给控制系统，那么它就属于伺服电机。相对于伺服电机，步进电机的控制相对简单，但不适用于精度要求较高的场合3.1步进电机控制系统对步进电动机的基本要求在电脉冲的控制下，步进电动机能迅速起动、正反转、制动和停车，调速范围宽广步进电动机的步距角要小，步距精度要高，不丢步不越步工作频率高，响应速度快输出转矩大，直接带负载3.1步进电机3.1.1步进电动机工作原理步进电机旋转的步距角，是在电机结构基础上等比例控制产生的，如果控制电路的细分控制不变，那么步进旋转的步距角在理论上是一个固定的角度在实际工作中，电机旋转的步距角会有微小的差别，主要是由于电机结构上的固定有误差产生的，而且这种误差不会积累3.1.1步进电动机工作原理结构：由转子（转子铁芯、永磁体、转轴、滚珠轴承），定子（绕组、定子铁芯），前后端盖等组成最典型两相混合式步进电机的定子有8个大齿，40个小齿，转子有50个小齿；三相电机的定子有9个大齿，45个小齿，转子有50个小齿转轴成平行方向的断面图电机结构图（永磁式）3.1.1步进电动机工作原理步进电机外形结构步进电机内部构造3.1.1步进电动机工作原理定子，就是由电流控制磁场方向，满足安培右手螺旋定律步进电机的电流流过定子产生磁场的过程叫做励磁3.1.1步进电动机工作原理定子，就是由电流控制磁场方向，满足安培右手螺旋定律步进电机的电流流过定子产生磁场的过程叫做励磁步进电机种类根据定子分类：二相、三相和五相等系列目前最受欢迎的是两相混合式步进电机，其基本步距角为1.8度／步，配上半步驱动器后，步距角减少为0.9度；配上细分驱动器后，其步距角可细分达256倍（0.007度／微步）3.1.1步进电动机工作原理3.1.1步进电动机工作原理二相四线步进电机3.1.1步进电动机工作原理二相四线步进电机3.1.1步进电动机工作原理二相四线步进电机3.1.1步进电动机工作原理二相四线步进电机操作模式步进电机的基本操作模式称为“励磁模式”，能够使步进电机工作在全步模式、半步模式和微步模式微步模式能够有效的降低步进电机相电流的噪声，能够改善步进电机固有的噪声震动问题3.1.1步进电动机工作原理二相四线步进电机操作模式半步模式：以电机固有的结构决定的步距角的一半角度进行步进旋转。步进电机的总极数是4级，对应的步距角是90度，那么半步模式下，步进电机每个脉冲旋转45度微步模式：类似于半步模式，步距角更小，就是1/4步、1/8步、1/16步，可以到很高的细分。对应的步进角就是在整步步距角乘以微步系数3.1.1步进电动机工作原理五相步进电机步进电机种类根据转子分类：反应式(VR型)、永磁式(PM型)、混合式(HB型)反应式：定子上有绕组，绕组由软磁材料组成。结构简单、成本低、步距角小，可达1.2度，但动态性能差，效率低、发热大，可靠性难以保证永磁式：转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机度差，步距角大（一般为7.5度或15度）3.1.1步进电动机工作原理步进电机种类根据转子分类：反应式(VR型)、永磁式(PM型)、混合式(HB型)混合式：综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有很多相绕组，转子上采用永磁材料，转子和定子均有多个小齿以提高步距精度。特点是输出力矩大、动态性能好、步距角小，但结构复杂、成本相对较高我国所采用的步进电机中以反应式步进电机为主3.1.1步进电动机工作原理3.1.1步进电动机工作原理三相反应式步进电动机电机转子均匀分布着很多小齿定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开0、1/3T、2/3T，(相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以T表示)，即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3T，C与齿3向右错开2/3T，A'与齿5相对齐，(A'就是A，齿5就是齿1)ABC定子转子3.1.1步进电动机工作原理三相反应式步进电动机有三种运行方式三相单三拍运行三相双三拍运行三相单、双六拍运行三相---指步进电机的相数单---指每次只给一相绕组通电双---指每次同时给二相绕组通电三拍---指通电三次完成一个循环ABC定子转子注：这里的相和三相交流电中的“相”的概念不同。步进电机通的是直流电脉冲，这主要是指线图的联接和组数的区别3.1.1步进电动机工作原理三相单三拍运行A相通电使转子1、3齿和AA'对齐CA'BB'C'A3412A'A通电顺序：A相

B相

C相

A相通电，A方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁化，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。3.1.1步进电动机工作原理三相单三拍运行CA'BB'C'A34121C'342CA'BB'AB相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电位置转30

C相通电再转30

通电顺序：A相

B相

C相3.1.1步进电动机工作原理三相单三拍运行这种工作方式，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，所以称三相单三拍三相单三拍的特点：每来一个电脉冲，转子转过30

。此角称为步距角，用

S表示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正转反转3.1.1步进电动机工作原理三相双三拍运行通电顺序：AB

BC

CA

ABAB通电CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412BC通电CA通电CA'BB'C'A3412每通入一个电脉冲，转子也是转30

，即

S=30

3.1.1步进电动机工作原理三相单、双六拍运行通电顺序：A

AB

B

BC

C

CA

A

CA'BB'C'A3412A相通电，转子1、3齿和A相对齐3.1.1步进电动机工作原理三相单、双六拍运行通电顺序：A

AB

B

BC

C

CA

A

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15°BB'磁场对2、4齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针方向转动AA'磁场继续对1、3齿有拉力A、B相同时通电3.1.1步进电动机工作原理三相单、双六拍运行通电顺序：A

AB

B

BC

C

CA

A

B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15

CA'BB'C'A3412每个循环周期，有六种通电状态，故称为三相六拍，步距为15

3.1.1步进电动机工作原理三相单、双六拍运行通电顺序：A

AB

B

BC

C

CA

A

3.1.1步进电动机工作原理小步距角的步进电机实际中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转子的齿距为360

/40=9

齿宽、齿槽各4.5

3.1.1步进电动机工作原理小步距角的步进电机工作原理：假设是单三拍通电工作方式A相通电时，定子A相的五个小齿和转子对齐此时，B相和A相空间差120

，含120

/9

=个齿A相和C相差240

，含240/9

=个齿。所以，A相的转子、定子的五个小齿对齐时，B相、C相不能对齐，B相转子、定子相差1/3个齿（3

），C相转子、定子相差2/3个齿（6

）A相断电、B相通电后，转子只转过1/3个齿（3

），使B相转子、定子对齐同理，C相通电再转3

……3.1.2步进电动机基本特点步进电动机工作时，每相绕组由专门驱动电源通过“环形分配器”按一定规律轮流通电如三相双三拍运行的环形分配器输入是一路，输出有A、B、C三路若开始是A、B这两路有电压，输入一个控制脉冲后就变成B、C这两路有电压，再输入一个脉冲变成C、A这两路有电压，再输入一个电脉冲变成A、B这两路有电压了环形分配器输出的各路脉冲电压信号，经过各自的放大器放大后送入步进电动机的各相绕组，使步进电动机一步步转动3.1.2步进电动机基本特点步进电动机工作时，每相绕组由专门驱动电源通过“环形分配器”按一定规律轮流通电控制方框图三相双三拍运行各相控制电压波形电路图3.1.2步进电动机基本特点步距角一般而言，无论几相电机以及采用何种运行方式，步距角与转子齿数Zr和拍数N之间有如下关系：此处，m为控制绕组相数，C为状态系数，单三、双三拍时，C=1；单双六拍时C=2提高工作精度就要求步距角很小要减小步距角可以增加拍数N；增加相数电源及电机的结构也越复杂步进电机也可以做成四相、五相、六相等，用以减小步距角3.1.2步进电动机基本特点步距角常用步进电机的定子绕组多数是三相和五相，与此相匹配的转子齿数分别为40齿和48齿，即有三相步进电机五相步进电机3.1.2步进电动机基本特点可按指令进行角度控制和速度控制角度控制---每输入一个脉冲，定子绕组就换接一次，输出轴就转过一个角度，输出轴转动的角位移量与输入脉冲数成正比速度控制---送入步进电动机的是连续脉冲，各相绕组不断地轮流通电，步进电机连续运转，它的转速与脉冲频率成正比每输入一个脉冲，转子转过的角度是整个圆周角的1/(ZRN)，因此每分钟转子所转过的圆周数，即转速为f为控制脉冲的频率，转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数，而与电压、负载、温度等因素无关3.1.2步进电动机基本特点具有自锁能力当控制电脉冲停止输入，让最后一个脉冲控制的绕组继续通直流电时，电机保持在最后一个脉冲控制的角位移的终点位置上。步进电动机可以实现停车时转子定位步进电动机工作时的步数或转速不受电压波动和负载变化的影响(允许负载范围内)，也不受环境条件(温度、压力、冲击、振动等)变化的影响，只与控制脉冲同步，同时它又能按照控制的要求，实现启动、停止、反转或改变转速。因此步进电动机广泛应用于各种数字控制系统中3.1.3反应式步进电动机运行特性静态特性：通电状态不变，电机处于稳定状态时的特性静态特性静转矩矩角特性静态稳定区初始稳定平衡位置：指步进电动机在空载情况下，控制绕组中通以直流电流时，转子的最后稳定位置失调角q：指步进电动机转子偏离初始平衡位置的电角度齿距角：一个齿距对应的电角度。在反应式步进电动机中，转子一个齿距所对应的度数为2p电弧度或360o电角度3.1.3反应式步进电动机运行特性静态特性稳定平衡：当θ=0转子齿轴线和定子齿轴线重合，T=0位置静态转矩：转子偏离转过某一角度时，定、转子齿之间的吸力有了切向分量，而形成转矩T=0,T=0;>0,T<0;<0,T>0;=,T=0定子转子定、转子间的作用力3.1.3反应式步进电动机运行特性静态特性：通电状态不变，电机处于稳定状态时的特性矩角特性：在不改变通电状态(即控制绕组电流不变)时，步进电动机的静转矩与转子失调角的关系，即T=f(q)曲线最大静转矩：θ=±90º时，其静转矩的值静稳定区最大静转矩T=-Tmaxsinθ=-f(I)

sinθ静态转矩越大，自锁力矩越大，静态误差越小步进电机的矩角特性：3.1.3反应式步进电动机运行特性静态特性静态稳态区空载时，稳定平衡位置对应于θ=0处，而θ=180度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3.1.3反应式步进电动机运行特性静态特性矩角特性簇：各相控制绕组通电状态下的矩角特性矩角特性族中的每一条曲线依次错开一个用电角度表示的步距角θse=2π/N3.1.3反应式步进电动机运行特性静态特性保持转矩步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩步进电机输出力矩随速度增大不断衰减，输出功率随速度增大而变化，因此保持转矩为衡量步进电机重要的参数之一步进电机在低速时的力矩接近保持转矩比如，2N·m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N·m的步进电机3.1.3反应式步进电动机运行特性动态特性--单脉冲运行动态稳定区动态稳定区静态稳定区C当加上一个控制脉冲信号，矩角特性将转移到矩角特性族中的下一条矩角特性曲线，转子将转到新的稳定平衡位置o1。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。3.1.3反应式步进电动机运行特性动态稳定区静态稳定区C动态稳定区：(-p+qse)<q<(p+qse)a点与o0点之间的夹角qr称为稳定裕度(或裕量角)。裕量角越大，电动机运行越稳定。由上式可见，C=1时，反应式步进电动机的相数最少为3。电动机的相数越多，步距角越小，相应的稳定裕度越大，运行的稳定性也越好。动态特性--单脉冲运行3.1.3反应式步进电动机运行特性最大负载转矩(又称启动转矩)因新的矩角特性曲线上对应点的电磁转矩大于负载转矩，使转子加速并向q增大的方向运动，最终到达新的稳定平衡点o’1新矩角特性上对应点的转矩小于负载转矩，转子不能到达新的稳定平衡点o”1，而是向q减小的方向运动，因此不能作步进运动TL1<TstTL2>Tst动态特性--单脉冲运行3.1.3反应式步进电动机运行特性最大负载转矩(又称启动转矩)由此可知，步进电动机能带的最大负载转矩要比最大静转矩Tmax小只有当负载转矩小于启动转矩(最大负载转矩)Tst，才能保证电动机进行正常的步进运动表示步进电机单相励磁时所能带动的极限负载转矩若矩角特性为幅值相等的正弦波时，可得：当C=1时，m

最小为3；m越大，起动转矩越大；C越大，起动转矩越大。动态特性--单脉冲运行3.1.3反应式步进电动机运行特性空载启动频率步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转在有负载的情况下，启动频率应更低要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）动态特性--单脉冲运行3.1.3反应式步进电动机运行特性动态特性--单脉冲运行为减小振荡幅度和时间，可增加阻尼：机械阻尼：增加电机转子的干摩擦阻力或增加粘性阻力缺点：增大了惯性，快速性能变坏，体积增大电气阻尼：多相激磁阻尼、延迟断开阻尼。优点：方法简单，效果好。转子振荡过程：以上分析时认为，切换控制绕组时，转子单调地趋向新的平衡位置，但实际上要经过一个衰减的振荡过程。无阻尼时转子自由振荡有阻尼时转子的衰减振荡3.1.3反应式步进电动机运行特性动态特性--连续脉冲运行极低频--连续步进运行当控制脉冲频率极低时，脉冲持续的时间很长，并且大于转子衰减振荡的时间即在下一个控制脉冲尚未到来时，转子已处于某平衡位置。故其每一步都和单步运行一样，电机具有明显的步进特征3.1.3反应式步进电动机运行特性动态特性--连续脉冲运行脉冲频率很低时的低频共振低频共振现象频率介于极低频与高频之间，此时脉冲间隔较长，电动机起动和运行一般没有问题。如果等于或接近于步进电动机的振荡频率时，电动机就会出现低频共振A相通电，OA---d---OB---e---OB---d，此时第二个脉冲到来，通电绕组由B相换为C相，工作点由d移到f，由于转矩为负，转子返向转动向O’C移动3.1.3反应式步进电动机运行特性动态特性--连续脉冲运行脉冲频率很低时的低频共振低频共振现象即：f---O’C---g---O’C---f此时第三个脉冲到来，转子由f点转移到OA点，此时，电磁转矩为零，转子不再转动重复上述过程，无论几个通电循环，转子始终处于OA点电机失控，该现象为低频共振3.1.3反应式步进电动机运行特性动态特性--连续脉冲运行脉冲频率很高时的连续运行当控制脉冲的频率很高时，脉冲间隔的时间很短，电机转子尚未到达第一次振荡的幅值，甚至还没有到达新的稳定平衡位置，下一个脉冲就到来。此时电机的运行已由步进变成了连续平滑的转动，转速也比较稳定当频率太高时，也会产生失步，甚至还会产生高频振荡连续运行状态3.1.3反应式步进电动机运行特性动态特性--连续脉冲运行起动频率和起动特性fst一定负载转矩下能够不失步地起动的脉冲最高频率大小与电动机本身参数、负载转矩及转动惯量的大小，以及电源条件等因素有关fst=f(TL)起动矩频特性fst=f(J)起动惯频特性起动惯频特性3.1.3反应式步进电动机运行特性动态特性--连续脉冲运行连续运行频率步进电动机带一定负载正常起动后，连续缓慢地升高脉冲频率，直到不丢步运行的最高频率其最大值为最高运行频率fmax运行矩频特性转矩与控制频率间的变化关系连续运行状态下，电磁转矩随控制频率升高而降低不同控制频率下，电机产生的转矩称为动态转矩起动连续运行矩频特性3.1.4其他型式步进电机定子为两相(或多相)绕组转子为星形永久磁钢转子极数应与定子每相极数相同永磁式步进电动机极对数p=23.1.4其他型式步进电机二相单四拍：定子绕组按A-B-(-A)-(-B)-A的次序通电，转子将顺时针方向转过45°二相双四拍：定子绕组按AB-B(-A)-(-A)(-B)-(-B)A-AB的次序通电，转子将顺时针方向转过45°永磁式步进电动机极对数p=2特点：步距角大，启动和运行频率低，需正负脉冲供电；但所需控制功率小，效率高3.1.4其他型式步进电机混合式步进电动机（永磁感应子式）定子结构与反应式步进电动机相同转子由环形磁钢和两段铁芯组成，环形磁钢在转子中部，轴向充磁，两段铁芯分别装在磁钢的两端3.1.4其他型式步进电机混合式步进电动机（永磁感应子式）气隙上有两个磁动势：一个永磁磁动势，一个是控制绕组通电产生的磁动势有时相加，有时相减。故称为混合式3.1.4其他型式步进电机混合式步进电动机（永磁感应子式）图示两相4对极电机，其中的l、3、5、7为A相绕组磁极，2、4、6、8为B相绕组磁极每相的相邻磁极绕组绕向相反3.1.4其他型式步进电机混合式步进电动机（永磁感应子式）定子A相绕组通电时，在电磁转矩作用下转子处于稳定平衡位置若使转子偏离稳定平衡位置，转子向右偏离了一个角度，在不同端、不同极的转矩作用方向相同，都是使转子回到稳定平衡位置的方向3.1.4其他型式步进电机混合式步进电动机（永磁感应子式）分为两相、三相和五相：两相步进角一般为1.8度、五相步进角一般为0.72度，混合式步进电机随着相数（通电绕组数）的增加，步进角减小，精度提高综合了反应式和永磁式步进电机两者的优点极对数等于转子齿数，可以根据需要在很大范围内变化绕组电感随转子位置变化较小，易于实现最佳运行控制轴向充磁磁路，使用高磁能积的新型永磁材料，有利于电机性能的提高转子磁钢提供励磁在整个运行区域没有明显的振荡3.1.4其他型式步进电机混合伺服电机也称闭环步进电机，最近几年来在线束设备、自动锁螺丝机、工业机器人、音乐喷泉等要求快速定位、频繁快速启动的场合得到了迅速的推广和应用加装了编码器，因而在外形上接近伺服电机（拥有动力线和编码线），但其性能劣于伺服电机3.1.4其他型式步进电机混合伺服电机闭环步进电机的本体是步进电机，在静止时是绝对静止不动的闭环步进电机结合了步进电机的特点和伺服的控制方式，完全无过冲的位置定位（步进电机的特点就是不会过冲），在中低速度应用中超越传统伺服电机而取得应用优势调试和使用非常简单，只需要调节驱动器的3个电位器的位置，对使用者的要求极低闭环步进电机可以根据载荷调节绕组电流，从而降低电机的温升，提高系统的效率3.1.4其他型式步进电机混合伺服电机闭环步进电机在选择电机负载力矩时可以考虑较小甚至不留余量，而开环步进电机一般要保留30%的力矩余量来防止堵转开环步进电机下加速度过快、负载瞬时卡滞都可能导致负载超出当前速度下电机的力矩引发堵转，闭环步进电机可以降低对上位控制加减速曲线的要求预防失步堵转闭环步进电机有好的瞬时同步性，闭环步进电机对于短距离精准而快速的定位应用优势明显3.1.5步进电动机主要性能指标最大静转矩Tjmax步进电动机在规定的通电相数下矩角特性上的转矩最大值绕组电流越大，最大静转矩也越大，通常取负载转矩为TL=(0.3~0.5)Tjmax步距角θb每输入一个电脉冲信号时转子转过的角度步距角大小会直接影响步进电动机的启动和运行频率。步距角小的往往启动及运行频率高，但转速和输出功率不一定高3.1.5步进电动机主要性能指标静态步距角误差Δθb实际的步距角与理论的步距角之间的差值，通常用理论步距角的百分数或绝对值来衡量静态步距角误差小，表示电机精度高额定电流电机不动时每相绕组容许通过的电流。当电机运转时，每相绕组通的是脉冲电流，电流表指示的读数为脉冲电流平均值额定电压指加在驱动电源各相主回路的直流电压一般不等于加在绕组两端的电压3.1.6步进电动机驱动技术步进电机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电机驱动器MCU相当于是控制电机的大脑，它向分立器件发送电机的步距角时间、转动方向和重复次数等分立器件根据MCU发出的信号，将放大电压和电流并将其发送至电机，从而驱动电机转动3.1.6步进电动机驱动技术步进电机驱动器的发展历程初期阶段驱动器采用简单的电子元件和机械结构来控制步进电机的旋转主要由电阻、电容、二极管等电子元件组成，通过调节电压和电流来控制电机的旋转角度和速度晶体管驱动器晶体管驱动器具有更高的开关速度和更低的功耗，可以实现更快速和更精确的电机控制。此外，晶体管驱动器还可以实现反向旋转和步进电机的脱机，极大地扩展了步进电机应用范围3.1.6步进电动机驱动技术步进电机驱动器的发展历程高精度驱动器采用数字信号处理器（DSP）和可编程逻辑控制器（PLC）等技术，实现了更快速和更精确的控制不仅可以实现电机的精确控制，还可以实现多轴联动和复杂的运动轨迹智能化驱动器智能化驱动器采用了先进的传感器、人工智能、机器学习等技术，可以实时监测电机的状态和运动情况，并进行自我调整和优化还可以实现故障诊断和保护功能，提高了驱动器的可靠性和安全性3.1.6步进电动机驱动技术驱动控制器组成步进电机运行特性与配套使用的驱动电源密切相关主要包括变频信号源、脉冲分配器和功率放大器三个部分变频信号源就是一个脉冲发生器，通过指令信号可控制变频信号源的脉冲频率从几赫兹到几十千赫兹变化，脉冲分配器则按照步进电机的相应工作方式将脉冲信号分配给相应绕组，再通过功率放大器为绕组通入电流脉冲，从而驱动步进电机运行变频信号源脉冲分配器功率放大器步进电动机负载指令步进电机驱动电源方框图驱动电源3.1.6步进电动机驱动技术对驱动控制器的要求驱动电源的相数、通电方式和电压、电流都要满足步进电机的要求要满足步进电动机起动频率和连续运行频率的要求能最大限度地抑制步进电动机的振荡工作可靠，抗干扰能力强成本低、效率高，安装维护方便3.1.6步进电动机驱动技术驱动控制系统的分类步进电动机简单的控制过程可以通过各种逻辑电路来实现线路较复杂，成本高，很难改变控制方案，缺少灵活性步进电动机直接接受数字量输入，采用计算机控制成本低，可实现复杂控制过程，灵活性高，便于控制功能的升级和扩充步进电动机的驱动控制系统采用专用集成电路来构成具有结构简单、性价比高的优点，在系列化产品中应优先采用这种方式3.1.6步进电动机驱动技术脉冲分配器步进电机的各相绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作常用（环形）脉冲分配器软环分：利用查表或计算方法来进行脉冲的环形分配微机控制三相步进电机3.1.6步进电动机驱动技术脉冲分配器常用（环形）脉冲分配器采用小规模集成电路搭接由三个JK触发器构成的按六拍通电方式的脉冲环形分配器，利用这种方式可搭接任意相任意通电顺序的环形分配器采用专用环形分配器器件，如CH2503.1.6步进电动机驱动技术脉冲分配器常用（环形）脉冲分配器例：三相单三拍脉冲分配器JKQ(t+1)说明101置“1”010置“0”00Q(t)不变11(t)求补开始工作时，加上预置脉冲信号使触发器置0，即Q1=Q2=“0”3.1.6步进电动机驱动技术功率放大器将环形分配器输出的mA级电流进行功率放大功率驱动电路--单极性驱动（反应式步进电动机）单一电压型功率放大电路由于步进电动机绕组电感具有延缓电流变化的作用，使步进电动机高频运行时的动态转矩减小，动态特性变坏在绕组电路中串入电阻Rf1，使绕组时间常数减小，增大动态转矩，提高起动和连续运行频率，并使起动和运行矩频特性下降缓慢3.1.6步进电动机驱动技术功率驱动电路--单极性驱动（反应式步进电动机）单一电压型功率放大电路并联于Rf1的电容C可强迫控制电流加快上升，使电流波形前沿更陡，改善波形因电容两端电压不能突变，在控制绕组通电瞬间将Rf1短路，电源电压可全部加在控制绕组上功率管T1由导通突然变为关断状态时，并联二极管D1和电阻Rf2，形成放电回路，限制功率管T1上的电压，保护功率管3.1.6步进电动机驱动技术功率驱动电路--单极性驱动（反应式步进电动机）单一电压型功率放大电路优点：线路简单，功率元件少，成本低缺点：Rf1上要消耗能量，工作效率低只适用于小功率步进电动机如果电容C选择不当，在低频段会使振荡有所增加，使低频性能变差3.1.6步进电动机驱动技术功率驱动电路--单极性驱动（反应式步进电动机）高、低电压切换型功率放大电路当输入控制脉冲信号时，功率管T1、T2导通，低压电源由于二极管D1承受反向电压处于截止状态不起作用，高压电源加在控制绕组上，控制绕组中的电流迅速升高，使电流波形前沿变陡当电流上升到额定值或比额定值稍高时，利用定时电路或电流检测电路，使功率管T1关断，T2仍然导通，二极管D1由截止变为导通，控制绕组由低压电源供电，维持其额定稳态电流3.1.6步进电动机驱动技术功率驱动电路--单极性驱动（反应式步进电动机）高、低电压切换型功率放大电路当输入信号为零时，功率管T2截止，控制绕组中的电流通过二极管D2续流，向高压电源放电，绕组中的电流迅速减小电阻Rf1的阻值很小，目的是为了调节控制绕组中的电流，使各相电流平衡这种电路效率较高，起动和运行频率也比单一电压型电路要高3.1.6步进电动机驱动技术功率驱动电路--单极性驱动（反应式步进电动机）高、低电压切换型功率放大电路优点：电源功耗比较小，效率比较高矩频特性好，启动和运行频率得到了很大的提高缺点：低频运行时输入能量过大，造成电机低频振荡加重增大了电源的容量对功率管性能参数的要求高常用于大功率步进电动机的驱动3.1.6步进电动机驱动技术功率驱动电路--单极性驱动（反应式步进电动机）电流斩波驱动放大电路步进电动机在运行中，经常会出现控制绕组中电流波顶下凹，如图所示原因：绕组感应电动势、相间互感等因素。会引起电机转矩下降，动态性能变差、电机失步为了消除这种现象，通常采用斩波恒流驱动电路3.1.6步进电动机驱动技术功率驱动电路--单极性驱动（反应式步进电动机）电流斩波驱动放大电路图中绕组电流的通断由开关管VT1、VT2共同控制，VT2的发射极接一个采样电阻R，该电阻上的电压降与绕组电流大小成正比，电压U1控制该相绕组是否通电流，U2为相电流大小的设定值当控制脉冲U1为高电平时，开关管VT1和VT2均导通，直流电源Us向该相绕组供电，产生电流I。由于绕组电感的影响，采样电阻R上的电压逐渐升高，当超过给定电压U2时，比较器输出低电平，使其后面的与门输出Ub1变为低电平，VT1截止，直流电源被切断，绕组电流i经VT2、R、VD2续流衰减，采样电阻R上的电压随之下降3.1.6步进电动机驱动技术功率驱动电路--单极性驱动（反应式步进电动机）电流斩波驱动放大电路当采样电阻R上的电压小于给定电压U2时，比较器输出高电平，其后的与门也输出Ub1变为高电平，VT1重新导通，直流电源又开始向绕组供电。如此循环，相绕组电流就稳定在由给定电压U2所决定的电流i上其电压、电流波形如右图线路中增加了电流反馈环节，使其结构较为复杂，成本提高。属于电流闭环控制类型3.1.6步进电动机驱动技术功率驱动电路--单极性驱动（反应式步进电动机）电流斩波驱动放大电路去掉限流电阻，效率提高利用高压给电机绕组储能，波的前沿得到改善，使步进电机输出加大3.1.6步进电动机驱动技术功率驱动电路--单极性驱动（反应式步进电动机）调频调压驱动方式步进电机低频运行时，会给绕组注入过多能量，可能引起电机的低频振荡和噪声采用调频调压驱动，低频运行时，供电电压降低，高频运行时，供电电压升高；既解决低频振荡问题，也保证高频运行时的输出转矩(a)低频(b)高频3.1.6步进电动机驱动技术功率驱动电路--双极性驱动永磁式和混合式步进电机工作时要求定子磁极的极性交变，通常要求其绕组由双极性电路驱动，即绕组电流能正、反向流动正负电源供电单一电源供电3.1.6步进电动机驱动技术功率驱动电路--双极性驱动（永磁式和混合式步进电动机）由于双极性驱动电路较为复杂，过去仅用于大功率步进电动机机近年来出现了集成化的双极性驱动芯片，使它能方便应用于对效率和体积要求较高的产品中，如：L298双H桥驱动器由专用芯片构成的双极性恒流斩波驱动电路3.1.6步进电动机驱动技术功率驱动电路--细分驱动放大电路细分驱动控制又称为微步距控制，是步进电机开环控制新技术之一其原理就是把原来的一个步距角再分为若干步完成，使步进电动机的转动近似为匀速运动，并能在任何位置停步为达到这一要求，可将绕组的矩形波脉冲电流改为阶梯波电流细分电流波形在输入电流的每个台阶，电机转动一小步，电流的台阶数越多，电机的步距角越小，从而使步距角成倍的减小，步数成倍的增加可见：细分驱动可使步进电机运行平稳性提高，低频特性得到改善，负载能力也有所增加3.1.6步进电动机驱动技术功率驱动电路--细分驱动放大电路以两相四拍运行的混合式步进电机为例，采用4细分驱动运行时，步进电机A、B相绕组电流变化波形如图所示，绕组电流由原来的整步开通关断变为4阶梯波过渡的开通关断方式，因此，在某些时刻两相绕组均有电流通过3.1.6步进电动机驱动技术功率驱动电路--细分驱动放大电路在细分驱动过程中，产生了多个对应的合成磁动势矢量，这些合成磁动势矢量与原来的四拍磁动势分布在一个等幅匀速旋转磁场中步进电机的实际步距角降低为原来的1/4，实现了步进电机的4细分驱动绕组磁动势合成矢量变化图3.1.6步进电动机驱动技术功率驱动电路--细分驱动放大电路实现阶梯波电流细分驱动通常有以下四种方法先放大后合成先合成后放大把顺序脉冲发生器产生的各个等幅等宽脉冲，用几个完全相同的开关放大器分别进行功率放大，然后在电动机绕组中将这些脉冲电流进行叠加，形成阶梯波电流把顺序脉冲发生器产生的等幅等宽脉冲，先合成为阶梯波，然后再对阶梯波进行功率放大。这种方法的优点是功率元件减少，它适合于驱动小容量步进电动机3.1.6步进电动机驱动技术功率驱动电路--细分驱动放大电路实现阶梯波电流细分驱动通常有以下四种方法随着微处理器（MCU）技术的发展与进步，将PWM调制技术、AD采样/转换技术融合于MCU控制平台，通过编制控制软件可以灵活地实现步进电动机的各种细分驱动，其系统控制框图如图所示借助电流闭环控制环节实现细分驱动，可以提高绕组电流控制精度，改善电机运行性能，克服了传统细分驱动方式中电流开环控制带来的不足3.1.6步进电动机驱动技术功率驱动电路--细分驱动放大电路实现阶梯波电流细分驱动通常有以下四种方法细分驱动专用集成电路近年来，随着集成电路迅速发展，半导体厂商已开发生产了多种步进电动机专用集成驱动芯片，使它能够方便地应用于对效率和体积要求较高的产品中，也用于步进电动机的角度细分控制如SGS-THOMSON公司的双极性两相步进电动机细分控制驱动单片集成电路L6217/L6217A、IntelMotion公司的两相步进电动机细分控制器IM2000、东芝公司的步进电动机细分控制器TA7289等3.1.6步进电动机驱动器使用驱动器产品接线方式共阳极接线PUL/CW+：步进脉冲信号输入正端或正向步进脉冲信号输入正端PUL/CW-：步进脉冲信号输入负端或正向步进脉冲信号输入负端DIR/CCW+：步进方向信号输入正端或反向步进脉冲信号输入正端DIR/CCW-：步进方向信号输入负端或反向步进脉冲信号输入负端ENA+：脱机使能复位信号输入正端ENA-：脱机使能复位信号输入负端3.1.6步进电动机驱动器使用驱动器产品接线方式共阴极接线3.1.6步进电动机驱动器使用驱动器产品接线方式差分接线3.1.6步进电动机驱动器使用3.1.6步进电动机驱动器使用57步进电机+6560v4驱动器+步进电机控制器3.1.7步进电动机控制技术开环控制控制器脉冲分配器驱动电路步进电动机供电电源指令闭环控制器脉冲分配器驱动电路步进电动机供电电源指令位置传感器闭环控制3.1.7步进电动机控制技术开环控制串行控制具有串行控制功能的单片机系统与步进电动机驱电源之间具有较少的连线系统中，驱动电源中必须含有环形分配器3.1.7步进电动机控制技术开环控制步进方向信号指定各相导通的先后次序，用以改变步进电机旋转方向电源控制信号用来在必要时使各相电流为零，以达到降低功耗等的目的3.1.7步进电动机控制技术开环控制并行控制用微机系统的数条端口线直接控制步进电动机各相驱动电路的方法在驱动电源内，不包含环形分配器，其功能必须由微机系统完成系统实现脉冲分配器的功能有两种方法纯软件方法软、硬件相结方法3.1.7步进电动机控制技术开环控制并行控制单片机控制系统A相B相C相D相E相驱动器电路步进电动机并行控制功能框图F相3.1.7步进电动机控制技术开环控制开环变速控制步进电动机的速度控制是通过控制单片机发出的步进脉冲频率来实现。控制步进电动机的运行速度，实际上就是控制系统发出步进脉冲的频率或者换相的周期若是软脉冲分配方式，可以采用调整两个步进控制字之间的时间间隔来实现调速若是硬脉冲分配方式，可以控制步进脉冲的频率来实现调速纯软件方法3.1.7步进电动机控制技术开环控制开环变速控制系统可用两种方法来确定步进脉冲的周期：一种是软件延时。软件延时的方法是通过调用延时子程序的方法来实现的，它占用大量CPU时间，因此没有实用价值另一种是通过定时器中断的方法。通过设置定时时间常数的方法来实现。当定时时间到而使定时器产生溢出时发生中断，在中断子程序中进行改变P1.0电平状态的操作，改变定时常数，就可改变方波的频率，得到一个给定频率的方波输出，从而实现调速3.1.7步进电动机控制技术闭环控制开环控制步进电机驱动系统的输入脉冲不依赖于转子的位置，而事先按照一定规律给定缺点是电机输出转矩加速度在很大程度上取决于驱动源和控制方式。对不同电机或同种电机而不同的负载，很难找到通用加减速规律，因此，提高步进电机的性能指标受到限制3.1.7步进电动机控制技术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，并通过反馈和适当的处理，自动给出驱动的脉冲串。用闭环控制可获得更加精确的位置控制和较高、较平稳的转速，可在步进电机的其它领域内获得更大的通用性步进电机的输出转矩是励磁电流和失调角的函数。为获得高输出转矩，必考虑电流的变大和失调角的大小，这对开环控制很难实现3.1.7步进电动机控制技术闭环控制用光电脉冲编码器作位置检测元件的闭环控制原理如下图。其中编码器的分辨率必须与步进电机步距角匹配。编码器直接反映参数切换角，但编码器相对于电机位置固定。因此，发出相切换的信号一定，只能是一种固定的切换角数值。用时间延迟法，可获不同的切换角，使电机产生不同的平均转矩，得到不同的转速。步进电机闭环控制方案主要有核步法、延迟法时间、无位置传感器的闭环控制系统等单片机接口功率驱动器步进电机光电脉冲编码器接口3.1.8步进电动机的选用确定步进电机拖动负载所需要的扭矩最简单的方法是在负载轴上加一杠杆，用弹簧秤拉动杠杆，拉力乘以力臂长度既是负载力矩根据负载特性从理论上计算出来由于步进电机是控制类电机，所以目前常用步进电机的最大力矩不超过45Nm，力矩越大，成本越高，如果所选择的电机力矩较大或超过此范围，可以考虑加配减速装置3.1.8步进电动机的选用确定步进电机的最高运行转速步进电机的特性是随着电机转速的升高，扭矩下降，其下降的快慢和很多参数有关，如：驱动器的驱动电压、电机的相电流、电机的相电感等驱动电压越高，力矩下降越慢；电机的相电流越大，力矩下降越慢在设计方案时，应使电机的转速控制在1500转/分或1000转/分，具体可以参考“矩-频特性”3.1.8步进电动机的选用步进电机空载起动频率的选择步进电机空载起动频率，通常称为“空起频率”。这是选购电机比较重要的一项指标如果要求在瞬间频繁启动、停止，并且，转速在1000转/分钟左右(或更高)，通常需要“加速启动”如果需要直接启动达到高速运转，最好选择反应式或永磁电机。这些电机的“空起频率”都比较高3.1.8步进电动机的选用步进电机的相数选择相数越多，步距角就能够做的比较小，工作时的振动就相对小一些大多数场合，使用两相电机比较多。在高速大力矩的工作环境，选择三相步进电机较多针对步进电机使用环境来选择特种步进电机能够防水、防油，用于某些特殊场合。如水下机器人，就需要防水电机3.1.8步进电动机的选用注