步進電動機論文

1、哈爾濱理工大學(xué)文獻綜述題目：步進電動機及其驅(qū)動器的工作原理簡介學(xué) 院：哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院專 業(yè)： 自動化 學(xué) 號： 1030130221 姓 名： 時延利 指導(dǎo)教師： 侯甲童 完成日期： 2012年6月6日 一：概述步進電動機是用脈沖信號進行控制，將點脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移和線位移的微電機，廣泛地應(yīng)用于打印機等辦公知道設(shè)備以及各種控制裝置。步進電機和一般的電機不同，之接電源步進電機不能轉(zhuǎn)動，而每加一個點脈沖僅轉(zhuǎn)動一定的角度，另外，改變脈沖的頻率時，步進電機的速率也跟著改變。步進電機按電磁轉(zhuǎn)距產(chǎn)生機理的不同可以分為反應(yīng)式步進電機，永磁式步進電機和混合式步進電機，而按繞組的相數(shù)又可以分為單

2、相，兩相，三相。五相二：步進電動機概念及其工作原理 1、步進電動機的概念步進電動機是一種將脈沖信號變換成相應(yīng)的角位移(或線位移)的電磁裝置，是一種特殊的電動機。一般電動機都是連續(xù)轉(zhuǎn)動的，而步進電動機則有定位和運轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)，當(dāng)有脈沖輸進肘步進電動機一步一步地轉(zhuǎn)動，每給它一個脈沖信號，它就轉(zhuǎn)過一定的角度。步進電動機的角位移量和輸進脈沖的個數(shù)嚴(yán)格成正比，在時間上與輸進脈沖同步，因此只要控制輸進脈沖的數(shù)目、頻率及電動機繞組通電的相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向。在沒有脈沖輸進時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)。 步進電動機按其輸出轉(zhuǎn)矩的大小來分，可以分為快速步進

3、電動機和功率步進電動機?？焖俨竭M電動機連續(xù)工作頻率高而輸出轉(zhuǎn)矩較小，一般在N·cm級，可以作為控制小型精密機床的工作臺(例線切割機床)也可以和液壓轉(zhuǎn)矩放大器組成電液脈沖馬達往驅(qū)動數(shù)控機床的工作臺，而功率步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩就比較大是N·m級的，可以直接往驅(qū)動機床的移動部件。 步進電動機按其勵磁相數(shù)，可以分為三相、四相、五相、六相甚至八相。一般來說隨著相數(shù)的增加，在相同頻率的情況下，每相導(dǎo)通電流的時間增加，各相均勻電流會高些，從而使電動機的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性會好些，步距角亦小。但是隨著相數(shù)的增加，電動機的尺寸就增加，結(jié)構(gòu)亦復(fù)雜，目前多用36相的步進電動機。 由于步進電動機的轉(zhuǎn)速隨著

4、輸進脈沖頻率變化而變化，調(diào)速范圍很廣，靈敏度高，輸出轉(zhuǎn)角能夠控制，而且輸出精度較高，又能實現(xiàn)同步控制，所以廣泛地使用在開環(huán)系統(tǒng)中，也還可用在一般通用機床上，進步進給機構(gòu)的自動化水平。步進電動機控制系統(tǒng)的組成如下：2、步進電動機的工作原理 在電動機定子上有A、B、C三對磁極，磁極上繞有線圈，分別稱之為A相、B相和C相，而轉(zhuǎn)子則是一個帶齒的鐵心，這種步進電動機稱之為三相步進電動機。假如在線圈中通以直流電，就會產(chǎn)生磁場，當(dāng)A、B、C三個磁極的線圈依次輪流通電，則A、B、C三對磁極就依次輪流產(chǎn)生磁場吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。 首先有一相線圈(設(shè)為A相)通電，則轉(zhuǎn)子1、3兩齒被磁極A吸住，轉(zhuǎn)子就停留在圖55a的位置

5、上。然后，A相斷電，6相通電，則磁極A的磁場消失磁極B產(chǎn)生了磁場，磁極召的磁場把離它最近的2、4兩齒吸引過往，停止在圖b的位置上，這時轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)了30°。再接下往B相斷電，C相通電。根據(jù)同樣道理，轉(zhuǎn)子又逆時針轉(zhuǎn)了30°，停止在圖c的位置上。若再A相通電，C相斷開，那么轉(zhuǎn)子再逆轉(zhuǎn)30°，使磁極A的磁場把2、4兩個齒吸住。定子各相輪流通電一次轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒。這樣按ABCABCA次序輪流通電，步進電動機就一步一步地按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。通電線圈每轉(zhuǎn)換一次，步進電動機旋轉(zhuǎn)30°，我們把步進電動機每步轉(zhuǎn)過的角度稱之為步距角。假如把步進電動機通電線圈轉(zhuǎn)換的次序倒過來換

6、成ACBACB的順序，則步進電動機將按順時針方向旋轉(zhuǎn)，所以要改變步進電動機的旋轉(zhuǎn)方向可以在任何一相通電時進行。三、驅(qū)動器的作用驅(qū)動器在整個控制環(huán)節(jié)中，正好處于主控制箱(MAIN CONTROLLER)->驅(qū)動器(DRIVER)->馬達(MOTOR)的中間換節(jié)。他的主要功能是接收來自主控制箱(NC CARD)的信號，然后將信號進行處理再轉(zhuǎn)移至馬達以及和馬達有關(guān)的感應(yīng)器(SENSOR),并且將馬達的工作情況反饋至主控制箱(MAIN CONTROLLER)。步進電動機驅(qū)動器的一些特點：（1） 構(gòu)成步進電動機驅(qū)動器系統(tǒng)的專用集成電路：A 脈沖分配器集成電路：如三洋公司的PM

7、M8713（三/四相）、PMM8723（四相）、PMM8714（五相）等。B 包含脈沖分配器和電流斬波的控制器集成電路：如SGS公司的L297（四相）、L6506（四相）等。C 只含功率驅(qū)動（或包含電流控制、保護電路）的驅(qū)動器集成電路：如日本新電元工業(yè)公司的MTD1110（四相斬波驅(qū)動）和MTD2001（兩相、H橋、斬波驅(qū)動）。D 將脈沖分配器、功率驅(qū)動、電流控制和保護電路都包括在內(nèi)的驅(qū)動控制器集成電路，如MOTOROLA公司的SAA1042（四相）和ALLEGRO公司的UCN5804（四相）等。 （2）“細(xì)分驅(qū)動”概述：概念：將“電機固有步距角”細(xì)分成若干小步的驅(qū)動方法，稱為細(xì)分驅(qū)動，細(xì)分是

8、通過驅(qū)動器精確控制步進電動機的相電流實現(xiàn)的，與電機本身無關(guān)。其原理是，讓定子通電相電流并不一次升到位，而斷電相電流并不一次降為0（繞組電流波形不再是近似方波，而是N級近似階梯波），則定子繞組電流所產(chǎn)生的磁場合力，會使轉(zhuǎn)子有N個新的平衡位置（形成N個步距角）。最新技術(shù)發(fā)展：國內(nèi)外對細(xì)分驅(qū)動技術(shù)的研究十分活躍，高性能的細(xì)分驅(qū)動電路，可以細(xì)分到上千甚至任意細(xì)分。目前已經(jīng)能夠做到通過復(fù)雜的計算使細(xì)分后的步距角均勻一致，大大提高了步進電動機的脈沖分辨率，減小或消除了震蕩、噪聲和轉(zhuǎn)矩波動，使步進電動機更具有“類伺服”特性。對實際步距角的作用：在沒有細(xì)分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己對

9、步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動器，則用戶只需在驅(qū)動器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以大幅度改變實際步距角，步進電機的相數(shù)對改變實際步距角的作用幾乎可以忽略不計。 采用細(xì)分技術(shù)與步進電動機精度提高的關(guān)系：步進電動機的細(xì)分技術(shù)實質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)，其主要目的是減弱或消除步進電機的低頻振動，提高電機的運轉(zhuǎn)精度只是細(xì)分技術(shù)的一個附帶功能。細(xì)分后電機運轉(zhuǎn)時對每一個脈沖的分辨率提高了，但運轉(zhuǎn)精度能否達到或接近脈沖分辨率還取決于細(xì)分驅(qū)動器的細(xì)分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細(xì)分驅(qū)動器精度可能差別很大；細(xì)分?jǐn)?shù)越大精度越難控制。真正的細(xì)分對驅(qū)動器要有相當(dāng)高的技術(shù)要求和工藝要求，成本亦會較高。國內(nèi)有一些驅(qū)動器采用對電

10、機相電流進行“平滑”處理來取代細(xì)分，屬于“假細(xì)分”，“平滑”并不產(chǎn)生微步，會引起電機力矩的下降。真正的細(xì)分控制不但不會引起電機力矩的下降，相反，力矩會有所增加。四、步進電機的分類1、按結(jié)構(gòu)分類步進電動機也叫脈沖電機，包括反應(yīng)式步進電動機（VR）、永磁式步進電動機（PM）、混合式步進電動機（HB）等。 （1）反應(yīng)式步進電動機：也叫感應(yīng)式、磁滯式或磁阻式步進電動機。其定子和轉(zhuǎn)子均由軟磁材料制成，定子上均勻分布的大磁極上裝有多相勵磁繞組，定、轉(zhuǎn)子周邊均勻分布小齒和槽，通電后利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。一般為三、四、五、六相；可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出（消耗功率較大，電流最高可達20A，驅(qū)動電壓較高）；步距角?。ㄗ?/p>

11、小可做到10）；斷電時無定位轉(zhuǎn)矩；電機內(nèi)阻尼較小，單步運行（指脈沖頻率很低時）震蕩時間較長；啟動和運行頻率較高。（2）永磁式步進電動機：通常電機轉(zhuǎn)子由永磁材料制成，軟磁材料制成的定子上有多相勵磁繞組，定、轉(zhuǎn)子周邊沒有小齒和槽，通電后利用永磁體與定子電流磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。一般為兩相或四相；輸出轉(zhuǎn)矩?。ㄏ墓β瘦^小，電流一般小于2A，驅(qū)動電壓12V）；步距角大（例如7.5度、15度、22.5度等）；斷電時具有一定的保持轉(zhuǎn)矩；啟動和運行頻率較低。（3）混合式步進電動機：也叫永磁反應(yīng)式、永磁感應(yīng)式步進電動機，混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。其定子和四相反應(yīng)式步進電動機沒有區(qū)別（但同一相的兩個磁極相對，

12、且兩個磁極上繞組產(chǎn)生的N、S極性必須相同），轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜（轉(zhuǎn)子內(nèi)部為圓柱形永磁鐵，兩端外套軟磁材料，周邊有小齒和槽）。一般為兩相或四相；須供給正負(fù)脈沖信號；輸出轉(zhuǎn)矩較永磁式大（消耗功率相對較?。徊骄嘟禽^永磁式?。ㄒ话銥?.8度）；斷電時無定位轉(zhuǎn)矩；啟動和運行頻率較高；是目前發(fā)展較快的一種步進電動機。 2、步進電動機按工作方式分類可分為功率式和伺服式兩種。（1）功率式：輸出轉(zhuǎn)矩較大，能直接帶動較大負(fù)載（一般使用反應(yīng)式、混合式步進電動機）。（2）伺服式：輸出轉(zhuǎn)矩較小，只能帶動較小負(fù)載（一般使用永磁式、混合式步進電動機）五、驅(qū)動控制系統(tǒng)組成 使用、控制步進電機必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控

13、制系統(tǒng)，其方框圖如下： 1、脈沖信號的產(chǎn)生。 脈沖信號一般由單片機或CPU產(chǎn)生，一般脈沖信號的占空比為左右，電機轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。 2、信號分配 我廠生產(chǎn)的感應(yīng)子式步進電機以二、四相電機為主，二相電機工作方式有二相四拍和二相八拍二種，具體分配如下：二相四拍為,步距角為1.8度；二相八拍為,步距角為0.9度。四相電機工作方式也有二種，四相四拍為AB-BC-CD-DA-AB,步距角為1.8度；四相八拍為AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角為0.9度）。 3、功率放大 功率放大是驅(qū)動系統(tǒng)最為重要的部分。步進電機在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的動態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流（而樣本上的電流均為靜態(tài)

14、電流）。平均電流越大電機力矩越大，要達到平均電流大這就需要驅(qū)動系統(tǒng)盡量克服電機的反電勢。因而不同的場合采取不同的的驅(qū)動方式，到目前為止，驅(qū)動方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū)動、恒流、細(xì)分?jǐn)?shù)等。 為盡量提高電機的動態(tài)性能，將信號分配、功率放大組成步進電機的驅(qū)動電源。生產(chǎn)的SH系列二相恒流斬波驅(qū)動電源與單片機及電機接線圖如下：說明：CP 接CPU脈沖信號（負(fù)信號，低電平有效）OPTO 接CPU+5VFREE 脫機，與CPU地線相接，驅(qū)動電源不工作DIR 方向控制，與CPU地線相接，電機反轉(zhuǎn)VCC 直流電源正端GND 直流電源負(fù)端A 接電機引出線紅線 接電機引出線綠線B 接電機引出線黃

15、線 接電機引出線藍(lán)線 步進電機一經(jīng)定型，其性能取決于電機的驅(qū)動電源。步進電機轉(zhuǎn)速越高，力距越大則要求電機的電流越大，驅(qū)動電源的電壓越高。電壓對力矩影響如下：4、細(xì)分驅(qū)動器在步進電機步距角不能滿足使用的條件下，可采用細(xì)分驅(qū)動器來驅(qū)動步進電機，細(xì)分驅(qū)動器的原理是通過改變相鄰（A，B）電流的大小，以改變合成磁場的夾角來控制步進電機運轉(zhuǎn)的。 六、驅(qū)動器原理步進電機必須有驅(qū)動器和控制器才能正常工作。驅(qū)動器的作用是對控制脈沖進 行環(huán)形分配、功率放大，使步進電機繞組按一定順序通電，控制電機轉(zhuǎn)動。圖 1.3 步進電機控制系統(tǒng)以兩相步進電機為例，當(dāng)給驅(qū)動器一個脈沖信號和一個正方向信號時，驅(qū)動器經(jīng)過環(huán)形分配器和功

16、率放大后，給電機繞組通電的順序為，其四個狀態(tài)周而復(fù) 始進行變化，電機順時針轉(zhuǎn)動；若方向信號變?yōu)樨?fù)時，通電時序就變?yōu)?電機就 逆時針轉(zhuǎn)動。圖 1.4 步進電機驅(qū)動電路原理圖分析步進電機驅(qū)動電路原理圖 1.4，當(dāng) T 導(dǎo)通時有：R 為電路中存在的等效電阻。 如果，電機不轉(zhuǎn)動，感應(yīng)電動勢 E0，則：隨著電子技術(shù)的發(fā)展，功率放大電路由單電壓電路、高低壓電路發(fā)展到現(xiàn)在的斬波電路。其基本原理是：在電機繞組回路中，串聯(lián)一個電流檢測回路，當(dāng)繞 組電流降低到某一下限值時，電流檢測回路發(fā)出信號，控制高壓開關(guān)管導(dǎo)通，讓 高壓再次作用在繞組上，使繞組電流重新上升；當(dāng)電流回升到上限值時，高壓電 源又自動斷開。重復(fù)上述過程，使繞組電流的平均值增加，電流波形的波頂維持 在預(yù)定數(shù)值上，解決了高低壓電路在低頻段工作時電流下凹的問題，使電機