步進電機及其驅(qū)動電路

1、第三節(jié) 步進電動機及其驅(qū)動一、步進電機的特點與種類1.步進電機的特點 步進電機又稱脈沖電機。它是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的執(zhí)行元件。每當(dāng)輸入一個電脈沖時，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時間上與輸入脈沖同步。只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電機繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。步進電動機具有以下特點：?      工作狀態(tài)不易受各種干擾因素(如電壓波動、電流大小與波形變化、溫度等)的影響；?      步進電動機的步距角有誤

2、差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步數(shù)以后也會出現(xiàn)累積誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)以后，其累積誤差變?yōu)椤傲恪?；?      由于可以直接用數(shù)字信號控制，與微機接口 比較容易；?      控制性能好,在起動、停止、反轉(zhuǎn)時不易“丟步”；?      不需要傳感器進行反饋，可以進行開環(huán)控制；?      缺點是能量效率較低。就常用的旋轉(zhuǎn)式步進電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來說，可將其分為以下三種：（1）可變磁阻(VR-Variable R

3、eluctance),也叫反應(yīng)式步進電動機（2）永磁(PM-Permanent Magnet)型（3）混合(HB-Hybrid)型（1）可變磁阻(VR-Variable Reluctance) 結(jié)構(gòu)原理：該類電動機由定子繞組產(chǎn)生的反應(yīng)電磁力吸引用軟磁鋼制成的齒形轉(zhuǎn)子作步進驅(qū)動，故又稱作反應(yīng)式步進電動機。其結(jié)構(gòu)原理如圖3.5定子1上嵌有線圈，轉(zhuǎn)子2朝定子與轉(zhuǎn)子之間磁阻最小方向轉(zhuǎn)動，并由此而得名可變磁阻型。 圖3.6 可變式阻步進電機可變磁阻步進電機的特點：v     反應(yīng)式電動機的定子與轉(zhuǎn)子均不含永久磁鐵，故無勵磁時沒有保持力； v  

4、   需要將氣隙作得盡可能小，例如幾個微米；v     結(jié)構(gòu)簡單，運行頻率高，可產(chǎn)生中等轉(zhuǎn)矩，步距角?。?.099°） v     制造材料費用低；v     有些數(shù)控機床及工業(yè)機器人上使用。（3）混合(HB-Hybrid)型結(jié)構(gòu)原理 這類電機是PM式和VR式的復(fù)合形式。其定子與VR類似，表面制有小齒，轉(zhuǎn)子由永磁鐵和鐵心構(gòu)成，同樣切有小齒，為了減小步距角可以在結(jié)構(gòu)上增加轉(zhuǎn)子和定子的齒數(shù)。其結(jié)構(gòu)如圖3.7所示?；旌鲜讲竭M電機特點:HB兼有PM和VR

5、式步進電機的特點：步距角可以做得較小(0.93.6°)；無勵磁時具有保持力；可以產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩，應(yīng)用較廣。拍:從一相通電換接到另一相通電稱為一拍。三相單三拍：通電方式A-B-C-A ，步距角為30度三相雙三拍：通電方式ABBCCAAB ，步距角為30°三相六拍：通電方式AABBBCCCAA，步距角為l5°（見圖3.9）。二、步進電機的工作原理步進電動機的步距角越小，意味著它所能達到的位置精度越高。通常的步矩角是1.5o或0.75o。為此需要將轉(zhuǎn)子做成多極式的，并在定子磁極上制成小齒，定子磁極上的小齒和轉(zhuǎn)子磁極上的小齒大小、齒寬和齒距一樣。當(dāng)一相定子磁極的小齒與轉(zhuǎn)子的

6、齒對齊時，其它兩相磁極的小齒都與轉(zhuǎn)子的齒錯過一個角度。按著相序，后一相比前一相錯開的角度要大。步距角的大小與通電方式和轉(zhuǎn)子齒數(shù)有關(guān)，用下式計算： a360o/(Zm) 式中,Z轉(zhuǎn)子齒數(shù)；m運行拍數(shù)，通常等于相數(shù)或相數(shù)整數(shù)倍，即m=KN(N為電動機的相數(shù)，單拍時K1，雙拍時K2)。三、 步進電動機的性能指標(biāo)及運行特性1. 步距角a（分辨力）0.6/1.2，0.75/1.5，0.9/1.8，1/2，1.5/3步距角為與系統(tǒng)脈沖當(dāng)量為和絲杠基本導(dǎo)程為l0的條件下，減速比的匹配關(guān)系： =/(3600)/il0 所以， il0(3600)2. 靜態(tài)特性：步進電動機的靜態(tài)特性是指它在穩(wěn)定狀態(tài)時的特性，包括

7、矩-角特性、靜轉(zhuǎn)矩等。 在空載狀態(tài)下，給步進電動機某相通以直流電流時，轉(zhuǎn)子齒的中心線與定子齒的中心線相重合，轉(zhuǎn)子上沒有轉(zhuǎn)矩輸出。如果在電動機轉(zhuǎn)于軸上加一負載轉(zhuǎn)矩TL，定子與轉(zhuǎn)子之間將有一角位移e(見圖3.11)，稱為失調(diào)角。此時轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相等，稱為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Tj。Tj-e的關(guān)系曲線為矩-角特性曲線（圖3.12 ）。3動態(tài)特性1）動態(tài)穩(wěn)定區(qū)2）啟動轉(zhuǎn)矩在某一通電方式下，各相的矩-角特性總和為矩-角特性曲線族，每一曲線依次錯開的電角度為e2/3m，m為運行拍數(shù)。A相與B相矩-角特性曲線之交點所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩Tq被稱為起動轉(zhuǎn)矩。3）空載啟動頻率與慣-頻特性：在空（負）載條件下，步進電機轉(zhuǎn)子

8、從靜止?fàn)顟B(tài)不失步地起動的最大控制頻率稱為空載起動頻率 (fq)。 當(dāng)帶負載起動時，所允許的起動控制頻率會大大下降，它反映了電機跟蹤的快速性，且隨負載慣量的增加而下降。步進電動機帶動慣性負載時的起跳頻率與負載轉(zhuǎn)動慣量之間的關(guān)系為慣-頻特性。 除慣性負載之外，還有外負載轉(zhuǎn)矩，則起跳頻率將會進一步下降。90BF002型步進電動機的啟動矩頻特性曲線和運行矩頻特性。4）最高連續(xù)運行頻率及矩-頻特性：步進電機在連續(xù)運行時所能接受的最高控制頻率被稱為最高運行頻率（fmax）。電動機在連續(xù)運行狀態(tài)下，其電磁轉(zhuǎn)矩隨控制頻率的升高而逐步下降。這種轉(zhuǎn)矩與控制頻率之間的變化關(guān)系稱為矩-頻特性。四、步進電機的型號表示方

9、法不同生產(chǎn)廠家的步進電機型號表示方法也不盡相同，舉例如下：步進電機的尺寸實物的步進電機及驅(qū)動器五、步進電機的驅(qū)動與控制1.步進電機的驅(qū)動 步進電機的驅(qū)動包括脈沖分配器和功率放大器等 微機或數(shù)控裝置等送來的脈沖信號及方向信號應(yīng)按要求的配電方式自動循環(huán)地供給電動機各相繞組，以驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)子正反向旋轉(zhuǎn)。只要控制輸入電脈沖的數(shù)量及頻率就可精確控制步進電動機的轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速。（1）脈沖分配器 步進電機的各相繞組必須按一定的順序通電才能正常工作，（環(huán)形）脈沖分配器就是實現(xiàn)該功能的。實現(xiàn)方法有三種：軟環(huán)分：利用查表或計算方法來進行脈沖的環(huán)形分配。以下圖所示的微機控制三相步進電機為例，對其軟環(huán)分狀態(tài)進行詳細介紹。

10、可將表中狀態(tài)代碼0lH、03H、02H、06H、04H、05H列入程序數(shù)據(jù)表中，通過軟件可順次在數(shù)據(jù)表中提取數(shù)據(jù)并通過輸出接口輸出即可，通過正向順序讀取和反向順序讀取可控制電動機進行正反轉(zhuǎn)。通過控制讀取一次數(shù)據(jù)的時間間隔可控制電動機的轉(zhuǎn)速。 該方法能充分利用計算機軟件資源以降低硬件成本，尤其是對多相的脈沖分配具有更大的優(yōu)點。但由于軟環(huán)分占用計算機的運行時間，故會使插補一次的時間增加，易影響步進電動機的運行速度。 采用小規(guī)模集成電路搭接 圖3.15為用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器C1、C2、C3搭接而成的三相六拍環(huán)形脈沖分配器，利用這種方式可搭接任意相任意通電順序的環(huán)形分配器，同時在工作時不占用計算機的工作時間

11、，但柔性較差，硬件一旦完成就不易修改。采用專用環(huán)形分配器器件 圖為市售的CH250即為一種三相步進電動機專用環(huán)形分配器。它可以實現(xiàn)三相步進電動機的各種環(huán)形分配（雙三拍，單六拍等），使用方便、接口簡單。圖3.16為CH250的管腳圖，圖b為三相六拍接線圖。采用專用環(huán)形分配器器件管腳A、B、C為相輸出端;管腳R、R*用于確定初始勵磁相:若為10，則為A相，若為01，則為A、B相，若為00，則為環(huán)形分配器工作狀態(tài);管腳CL、EN為進給脈沖輸入端:若EN=1，進給脈沖接CL，脈沖上升沿使環(huán)形分配器工作，若CL=0，進給脈沖接EN，脈沖下降沿使環(huán)形分配器工作，否則環(huán)形分配器狀態(tài)鎖定;管腳J3r、J3L、

12、J6r、J6L為三拍或六拍工作方式的控制端;管腳UD、US為電源端。（2）功率放大器 從計算機輸出口或從環(huán)形分配器輸出的信號脈沖電流一般只有幾個毫安，須采用功率放大器將脈沖電流進行放大才能驅(qū)動步進電動機運轉(zhuǎn)。電動機各相繞組都是感性負載，通電時，電流上升率受到限制；斷電時，又會產(chǎn)生反電動勢，為使電流盡快衰減，增加適當(dāng)?shù)睦m(xù)流回路。 僅僅介紹簡單的單電壓功率放大電路。 單電壓功率放大電路優(yōu)點：是線路簡單； 缺點是電流上升慢，高頻時負載能力低。實用驅(qū)動系統(tǒng) KT350步進電動機驅(qū)動器的外形及接口圖。其中接線端子排A、A、B、B、C、C、D、D、E、E接至電動機的各相;AC為電源進線，用于接50Hz、8

13、0V的交流電源，端子G用于接地;連接器CN1為一個9芯連接器，可與控制裝置連接。RPW、CP為兩個LED指示燈;SW是一個四位撥動開關(guān)，用于設(shè)置步進電動機的控制方式。其中第1位用于脈沖控制模式的選擇，OFF位置為單脈沖控制方式，ON位置為雙脈沖控制方式;第2位用于運行方向的選擇（僅在單脈沖方式時有效），OFF位置為標(biāo)準運行，ON位置為單方向運行;第3位用于整.半步運行模式選擇，OFF位置時，電動機以半步方式運行，ON位置時，電動機以整步方式運行;第4位用于運行狀態(tài)控制，OFF位置時，驅(qū)動器接受外部脈沖控制運行，ON位置時，自動試機運行（不需外部脈沖）。圖示為混合式步進電動機驅(qū)動器的典型接線圖。

14、圖 混合式步進電動機驅(qū)動器的典型接線圖步進電機控制系統(tǒng)2.步進電機的控制（1）控制方式：使用微機對步進電動機進行控制有串行和并行兩種方式。串行控制：將微機送出的脈沖串和方向信號送入驅(qū)動電源，由驅(qū)動電源進行脈沖分配和功率放大，并驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動（圖3.24a）。 特點是使用的信號線少；可進行遠距離傳輸；但驅(qū)動電源中必須含有環(huán)形分配器。并行控制：由微機對脈沖串進行分配，并同時經(jīng)并行端口送入驅(qū)動電源驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動（圖3.24b）。 特點是使用的信號線多；傳輸速度快；一般由微機進行軟環(huán)分，所以驅(qū)動電源只需進行功率放大。 （2）速度控制 控制步進電動機的運行速度，實際上就是控制系統(tǒng)發(fā)出步進脈沖的頻率或

15、者換相的周期。系統(tǒng)可用兩種辦法來確定步進脈沖的周期：軟件延時通過調(diào)用延時子程序的方法來實現(xiàn)，占有CPU時間。用定時器通過設(shè)置定時器時間常數(shù)的方法來實現(xiàn)，需硬件支持。軟件延時用定時器加減速規(guī)律一般有按照直線規(guī)律升速按指數(shù)規(guī)律升速兩種。其實現(xiàn)也可以由軟件延時和定時器兩種方法。當(dāng)利用定時器方式時，實質(zhì)就是不斷改變定時器裝載值的大小。為了減少每步計算裝載值的時間，可用階梯曲線來逼近理想升降曲線。這樣，每次裝載，軟件系統(tǒng)可通過查表的方法，查出所需要的裝載值。下面以最簡單的等加速、等減速的加減速過程對直線加減速規(guī)律進行介紹：加速和減速的速度曲線有圖3.25所示兩種。 2.步進電機的控制 圖中，fq為起跳頻率，fn為正常運行頻率，起始頻率fq=0 時(圖 a)，直線加速的斜率為：K= fn /(tn -