机电一体化 课件 4.2 步进电动机驱动控制

任务4.2步进电动机驱动控制4机电一体化伺服驱动技术任务4.2步进电动机驱动控制1步进电动机的结构2步进电动机的分类3步进电动机的工作原理4步进电动机的特点5步进电动机的驱动控制步进电机驱动系统原理图

步进电动机驱动系统一般构成典型的开环系统，其结构原理如图所示。在开环系统中，执行元件是步进电动机，它能将CNC装置输出的进给脉冲转换成机械角位移运动，并通过齿轮、丝杠带动工作台直线移动。任务4.2步进电动机驱动控制

步进电动机驱动系统中无位置、速度检测环节，其精度主要取决于步进电动机的步距角以及与之相连传动链的精度。

步进电动机的最高转速通常要比直流伺服电动机和交流伺服电动机低，且在低速时容易产生振动，影响加工精度。

步进电动机驱动系统的制造与控制比较容易，在速度和精度要求不太高的场合有一定的使用价值，特别适合于中、低精度的经济型数控机床和普通机床的数控化改造。任务4.2步进电动机驱动控制以单定子、径向分相、反应式步进电动机为例定子转子——齿轮状导磁体铁心定子铁心：由硅钢片叠压而成定子绕组：是绕置在定子铁心上的线圈，在

径向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组任务4.2步进电动机驱动控制1.步进电动机的结构单定子径向分相反应式步进电动机结构原理图1-绕组；2-定子铁心；3-转子铁心图所示的步进电机可构成A、B、C三相控制绕组，故称三相步进电动机。内部结构1.步进电动机的结构任务4.2步进电动机驱动控制1.步进电动机的结构

任务4.2步进电动机驱动控制若任一相绕组通电，便形成一组定子磁极，其方向即图中所示的NS极。在定子的每个磁极上面向转子的部分，又均匀分布着5个小齿，这些小齿呈梳状排列，齿槽等宽，齿距角为9°。转子上没有绕组，只有均匀分布的40个齿，其大小和间距与定子上的完全相同。步进电动机的齿距1.步进电动机的结构

三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1/3齿距，即3°，如图所示。当A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，B相磁极上的齿刚好超前（或滞后）转子齿1/3齿距角，C相磁极齿超前（或滞后）转子齿2/3齿距角。任务4.2步进电动机驱动控制步进电动机每走一步所转过的角度称为步距角，其大小等于错齿的角度。错齿角度的大小取决于转子上的齿数，磁极数越多，转子上的齿数越多，步距角越小，步进电动机的位置精度越高，其结构也越复杂。1.步进电动机的结构

除反应式步进电机之外，常见的步进电动机还有永磁式步进电动机和混合式式步进电动机，它们的结构虽不相同，但工作原理相同。任务4.2步进电动机驱动控制（1）反应式

转子为软磁材料，无绕组，定转子开小齿，步距角小，无自锁力矩，不能断电保持；2.步进电机的分类：反应式、永磁式、混合式任务4.2步进电动机驱动控制反应式（VariableReluctance，VR）（2）永磁式

转子为永磁材料，转子的极数与每相定子极数相同，不开小齿，步距角较大，力矩较大，有自锁力矩，断电可保持；2.步进电机的分类：反应式、永磁式、混合式任务4.2步进电动机驱动控制永磁式（PermanentMagnet,PM）（3）混合式

转子是反应式和永磁式转子的合体，内部为永磁体、外面是软磁材料，轴向分为两段，在软磁材料表面开小齿，转矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂，成本较高。

有自锁力矩，断电可保持；任务4.2步进电动机驱动控制2.步进电机的分类：反应式、永磁式、混合式任务4.2步进电动机驱动控制2.步进电机的分类相数与机座号不同，所通的相电流、输出力矩（Nm）也不同。运行相数m

步进电动机的运行相数是指产生不同对N、S磁场的激磁线圈对数。按相数分：二相、三相、四相电机等；按机座号（电机外径）可分为：42BYG、57BYC、86BYG、110BYG(BYG为感应式步进电机代号）等；以感应步进电机为例：

步进电动机的工作原理是：当某相定子绕组通电励磁后，吸引转子转动，使转子的齿与该相定子磁极上的齿对齐，实际上就是电磁铁的作用原理。

现以图所示的三相反应式步进电动机为例来说明步进电机的工作原理。其定子上有A、B、C三对磁极，在相应磁极上有A、B、C三相绕组，假设转子上有四个齿，相邻两齿所对应的空间角度为齿距角，即齿距角为90°。

3.步进电动机的工作原理任务4.2步进电动机驱动控制步进电动机工作原理图

先将电脉冲加到A相励磁绕组，B、C相不加电脉冲，A相磁极便产生磁场，在磁场力矩作用下，转子1、3两个齿与定子A相磁极对齐；如果将电脉冲加到B相励磁绕组，A、C相不加电脉冲，B相磁极便产生磁场，这时转子2、4两个齿与定子B相磁极靠得最近，转子便沿顺时针方向转过30°……余者类推。任务4.2步进电动机驱动控制三相单三拍：当A相绕组通电时，转子的齿1、3与定子AA上的齿对齐。若A相断电，B相通电，由于磁力的作用，转子的齿与定子的齿就近转动对齐，转子的齿2、4与定子BB上的齿对齐，转子沿顺时针方向转过30°，如果控制线路不停地按A→B→C→A…的顺序控制步进电动机绕组的通断电，步进电动机的转子便不停地顺时针转动。若通电顺序改为A→C→B→A…，步进电动机的转子将逆时针转动。在三相单三拍通电方式中，由于每次只有一相绕组通电，在相邻节拍转换瞬间失去自锁力矩，容易使转子在平衡位置附近产生振动，因此稳定性不好，实际中很少采用。同样的步进电机可以采用双节拍或单双节拍工作方式3.步进电动机的工作原理任务4.2步进电动机驱动控制三相反应式步进电机的工作方式有三种：三相单三拍、三相双三拍、三相单双六拍。“三相”是指定子绕组数有A、B、C三相；“单”是指每次只有一相绕组通电“双”是指每次有两相绕组同时通电“拍”完成一个磁场周期性变化，所需的通电状态和脉冲数。3.步进电动机的工作原理任务4.2步进电动机驱动控制任务4.2步进电动机驱动控制ABC单相单拍通电：

正转：A→B→C→A

……

反转：A→C→B→A

……双拍通电：正转：AB→BC→CA→AB……

反转：AC→CB→BA→AC

……三相六拍通电：

正转：A→AB→B→BC→C→CA→A……

反转：A→AC→C→BC→B→BA→A…

以三相电机为例：任务4.2步进电动机驱动控制（1）步进电动机定子绕组每接收一个脉冲信号，控制其通电状态改变一次，它的转子便转过一定角度，即步距角

；（2）改变步进电动机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变；式中m相m拍时，k=1；m相2m拍时，k=24.步进电机的特点

步进电动机是一种可将电脉冲信号转换为机械角位移的控制电动机，利用它可以组成一个简单实用的全数字化驱动系统，并且不需要反馈环节。概括起来它主要有如下特点：任务4.2步进电动机驱动控制（3）步进电动机定子绕组通电状态的变化频率越高，转子的转速越高，但脉冲频率变化过快，会引起失步或过冲（即步进电机少走或多走）；（4）定子绕组所加电源要求是脉冲电流形式，故也称之为脉冲电机；（5）有脉冲就走，无脉冲就停，角位移随脉冲数的增加而增加；（6）输出转角精度较高，一般只有相邻误差，但无累积误差；4.步进电机的特点

任务4.2步进电动机驱动控制每当给步进电动机定子输入一个脉冲信号，步进电机转子就旋转一个固定角度称步距角α（o）。

式中：m为定子相数，Z为转子齿数，K为通电方式系数(单拍、双拍时K=1；单双拍时,K=2)。

mk乘积也可称为通电节拍数M，例如三相六状态通电节拍数为6。计算公式：任务4.2步进电动机驱动控制

步进电机转过的角度与输入脉冲数成正比，转速与输入脉冲频率成正比；

θ=N.α

θ——转过的角度；

N——控制脉冲数；

α——步距角（°）。若：θ=360o，α=0.9o

，电机旋转一圈所需的控制脉冲数N为：

N=3600/α=400p/r（脉冲数/每转）。

式中：n：电机转速（r/min）；f：控制信号脉冲频率，即p/s(脉冲数/秒)；

60f表示p/min(脉冲数/分)。当步进电机连接滚珠丝杠时，若其导程为L0（mm），则电机旋转一圈丝杠螺母线性位移为L0，由此可由进给速度F(mm/min),计算出步进电机转速：n=F/L0，可以用下面的转速公式计算控制器输出的脉冲数与脉冲频率。STEPDRIVEC/C+步进驱动器与BYG55系列五相十拍混合式步进电机产品图5.步进电机的驱动控制任务4.2步进电动机驱动控制步进电机的运行性能，不仅与步进电机本身和负载有关，而且和与其配套的驱动控制装置有着十分密切的关系。步进电机驱动控制装置主要有环形脉冲分配器和功率放大驱动电路两大部分组成，如图所示。5.步进电机的驱动控制步进电机驱动控制电路原理图任务4.2步进电动机驱动控制（1）功率放大驱动电路功率放大驱动电路完成由弱电到强电信号的转换和放大，也就是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需的具有一定功率的电流脉冲信号。一般情况下，步进电机对驱动电路的要求主要有：能提供足够幅值，前后沿较好的励磁电流；功耗小，变换效率高；能长时间稳定可靠运行；成本低且易于维护。5.步进电机的驱动控制任务4.2步进电动机驱动控制（2）脉冲分配器脉冲分配器完成步进电机绕组中电流的通断顺序控制，即控制插补输出脉冲，按步进电机所要求的通断电顺序规律分配给步进电机驱动电路的各相输入端，例如三相单三拍驱动方式，供给脉冲的顺序为A→B→C→A或A→C→B→A，由于电机有正反转要求，所以脉冲分配器的输出既是周期性的，又是可逆性的，因此也称为环形脉冲分配。脉冲分配有两种方式：一种是硬件脉冲分配（或称为脉冲分配器）另一种是软件脉冲分配，通过计算机编程控制。5.步进电机的驱动控制──（2）脉冲分配器任务4.2步进电动机驱动控制硬件脉冲分配器由逻辑门电路和触发器构成，提供符合步进电动机控制指令所需的顺序脉冲。目前已经有很多可靠性高、尺寸小、使用方便的集成电路脉冲分配器供选择，按其电路结构不同，可分为TTL集成电路和CMOS集成电路。5.步进电机的驱动控制──硬件脉冲分配任务4.2步进电动机驱动控制CH250型集成电路脉冲分配器

目前市场上提供的国产TTL脉冲分配器有三相、四相、五相和六相，均为18个管脚的直插式封装。CMOS集成脉冲分配器也有不同型号，例如CH250型用来驱动三相步进电动机，封装形式为16脚直插式。它可工作于单三拍、双三拍、三相六拍等方式，如图所示b)三相六拍接线a）管脚图任务4.2步进电动机驱动控制5.步进电机的驱动控制──硬件脉冲分配如所示为三相六拍的接线图。硬件脉冲分配器的工作方法基本相同，当各个引脚连接好之后:输入：通过一个脉冲输入端控制步进的速度；一个输入端控制电动机的转向；

输出：与步进电动机相数同数目的输出端分别控制电动机的各相。当进给脉冲CP的上升沿有效，并且方向信号为“1”则正转，为“0”则反转。任务4.2步进电动机驱动控制5.步进电机的驱动控制──硬件脉冲分配在计算机控制的步进电动机驱动系统中，可以采用软件的方法实现环形脉冲分配。软件环形分配器的设计方法有很多，如查表法、比较法、移位法等，它们各有特点，其中常用的是查表法。89C51单片机与步进电动机驱动电路接口连接的框图任务4.2步进电动机驱动控制5.步进电机的驱动控制──软件脉冲分配P1口的三个引脚经过光电隔离、功率放大之后，分别与电动机的A、B、C三相连接。当采用三相六拍方式时，电动机正转的通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A；电动机反转的顺序为A→AC→C→CB→B→BA→A。它们的环形分配如表所示。

序号通电顺序CBA存储单元方向P1.2P1.1P1.0地址内容正转反转1A0012000H01H2AB0112001H03H3B0102002H02H4BC1102003H06H5C1002004H04H6CA1012005H05H任务4.2步进电动机驱动控制5.步进电机的驱动控制──软件脉冲分配把表中的数值按顺序存入内存的EPROM中，并分别设定表头的地址为2000H，表尾的地址为2005H。计算机的P1口按从表头开始逐次加1的地址依次取出存储内容进行输出，电动机则正向旋转。如果按从2005H，逐次减1的地址依次取出存储内容进行输出，电动机则反转。采用软件进行脉冲分配虽然增加了软件编程的复杂程度，但它省去了硬件环形脉冲分配器，系统减少了器件，降低了成本，也提高了系统的可靠性任务4.2步进电动机驱动控制5.步进电机的驱动控制──软件脉冲分配对于硬件环形分配器来讲，只要控制CP的频率就可控制步进电动机的速度。对于软件环形分配器来讲，只要控制相邻两次输出状态之间的时间间隔，也就是控制相邻两节拍之间延时时间的长短。

实现延时的方法又分为两种：一种是纯软件延时；

另一种是定时中断延时。从充分利用时间资源来看，后者更理想一些。5.步进电机的驱动控制──

（3）速度控制任务4.2步进电动机驱动控制对于任何一个驱动系统来讲，都要求能够对速度实行控制，特别在数控系统中，这种要求就更高。在开环进给系统中，对进给速度的控制就是对步进电动机速度的控制。通过控制步进电动机相邻两种励磁状态之间的时间间隔即可实现步进电动机速度的控制。任务4.2步进电动机驱动控制5.步进电机的驱动控制──

（3）速度控制细分驱动任务4.2步进电动机驱动控制细分是通过驱动器精确控制步进电动机的相电流实现的，与电机本身无关细分驱动将“电机固有步距角”细分成若干小步的驱动方法，称为细分驱动细分原理使定子相电流通电时不是一次升到位，而断电时也不是一次降为0（绕组电流波形不再是近似方波，而是N级近似阶梯波），则定子绕组电流所产生的磁场合力，会使转子有N个新的平衡位置（形成N个步距角）。最新技术发展：

国内外对细分驱动技术的研究十分活跃，高性能的细分驱动电路，可以细分到上千甚至任意细分。

目前已经能够做到通过复杂的计算使细分后的步距角均匀一致，大大提高了步进电动机的脉冲分辨率，减小或消除了震荡、噪声和转矩波动，使步进电动机更具有“类伺服”特性。细分驱动任务4.2步进电动机驱动控制对实际步距角