步進(jìn)電機(jī)的微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第一章 緒論步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。1. 步進(jìn)電機(jī)的現(xiàn)狀步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已成為除直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)以外的第三類電動(dòng)機(jī)。傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，在人類的生產(chǎn)和生活進(jìn)入電氣化

2、過程中起著關(guān)鍵的作用。可是在人類社會(huì)進(jìn)入自動(dòng)化時(shí)代的今天，傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的功能已不能滿足工廠自動(dòng)化和辦公自動(dòng)化等各種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的要求。為適應(yīng)這些要求，發(fā)展了一系列新的具備控制功能的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其中較有自己特點(diǎn)，且應(yīng)用十分廣泛的一類便是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展與計(jì)算機(jī)工業(yè)密切相關(guān)。自從步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備中取代小型直流電動(dòng)機(jī)以后，使其設(shè)備的性能提高，很快地促進(jìn)了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展。另一方面，微型計(jì)算機(jī)和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，又將作為數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行部件的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域，如電加工機(jī)床、小功率機(jī)械加工機(jī)床、測(cè)量?jī)x器、光學(xué)和醫(yī)療儀器以及包裝機(jī)械等。任何一種產(chǎn)品成熟的過程，基本上都是規(guī)格品

3、種逐步統(tǒng)一和簡(jiǎn)化的過程?，F(xiàn)在，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展已歸結(jié)為單段式結(jié)構(gòu)的磁阻式、混合式和爪極結(jié)構(gòu)的永磁式三類。爪極電機(jī)價(jià)格便宜，性能指標(biāo)不高，混合式和磁阻式主要作為高分辨率電動(dòng)機(jī)，由于混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有控制功率小，運(yùn)行平穩(wěn)性較好而逐步處于主導(dǎo)地位。最典型的產(chǎn)品是二相8極50齒的電動(dòng)機(jī)，步距角1.80.9（全步半步）； 還有五相10極50齒和一些轉(zhuǎn)子100齒的二相和五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，五相電動(dòng)機(jī)主要用于運(yùn)行性能較高的場(chǎng)合。到目前，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已極少見。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大的生產(chǎn)國(guó)是日本，如日本伺服公司、東方公司、SANYO DENKI和MINEBEA及NPM公司等，特別是日本東方公司，無論是

4、電動(dòng)機(jī)性能和外觀質(zhì)量，還是生產(chǎn)手段，都堪稱是世界上最好的?，F(xiàn)在日本步進(jìn)電動(dòng)機(jī)年產(chǎn)量（含國(guó)外獨(dú)資公司）近2億臺(tái)。德國(guó)也是世界上步進(jìn)電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)大國(guó)。德國(guó)B.L.公司1994年五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)專利期滿后，推出了新的三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系列，為定子6極轉(zhuǎn)子50齒結(jié)構(gòu)，配套電流型驅(qū)動(dòng)器，每轉(zhuǎn)步數(shù)為200、400、1000、2000、4000、10000和20000，它具有通常的二相和五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分辨率，還可以在此基礎(chǔ)上再10細(xì)分，分辨率提高10倍，這是一種很好的方案，充分運(yùn)用了電流型驅(qū)動(dòng)技術(shù)的功能，讓三相電動(dòng)機(jī)同時(shí)具有二相和五相電動(dòng)機(jī)的性能。2. 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有如下特點(diǎn)：1.步進(jìn)電

5、動(dòng)機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)成正比，因此，當(dāng)它轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)后，沒有累計(jì)誤差，具有良好的跟隨性。2.由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡(jiǎn)單、廉價(jià)，又非?？煽?。同時(shí)，她也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。3.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易與起停、正反轉(zhuǎn)及變速。4.速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。5.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)只能通過脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接使用交流電源和直流電源。6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對(duì)控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)的措施。7.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)自身的噪聲和振動(dòng)較大，帶慣性負(fù)載的能力較差。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，步

6、進(jìn)電機(jī)已廣泛運(yùn)用在需要高定位精度、高分解能、高響應(yīng)性、信賴性等靈活控制性高的機(jī)械系統(tǒng)中。在生產(chǎn)過程中要求自動(dòng)化、省人力、效率高的機(jī)器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項(xiàng)指令動(dòng)作的靈活控制性場(chǎng)合步進(jìn)電機(jī)用得最多。3. 步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)一.是繼續(xù)沿著小型化的方向發(fā)展。隨著電動(dòng)機(jī)本身應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬以及各類整機(jī)的不斷小型化，要求與之配套的電動(dòng)機(jī)也必須越來越小，在57、42機(jī)座號(hào)的電動(dòng)機(jī)應(yīng)用了多年后，現(xiàn)在其機(jī)座號(hào)向39、35、30、25方向向下延伸。瑞士ESCAP公司最近還研制出外徑僅10mm的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。二. 是改圓形電動(dòng)機(jī)為方形電動(dòng)機(jī)。由于電動(dòng)機(jī)采用方型結(jié)構(gòu)

7、，使得轉(zhuǎn)子有可能設(shè)計(jì)得比圓形大，因而其力矩體積比將大為提高。同樣機(jī)座號(hào)的電動(dòng)機(jī)，方形的力矩比圓形的將提高3040。三. 對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。即把轉(zhuǎn)子位置傳感器，減速齒輪等和電動(dòng)機(jī)本體綜合設(shè)計(jì)在一起，這樣使其能方便地組成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，因而具有更加優(yōu)越的控制性能。四. 向五相和三相電動(dòng)機(jī)方向發(fā)展。目前廣泛應(yīng)用的二相和四相電動(dòng)機(jī)，其振動(dòng)和噪聲較大，而五相和三相電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)勢(shì)性。而就這兩種電動(dòng)機(jī)而言，五相電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路比三相電動(dòng)機(jī)復(fù)雜，因此三相電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的性能價(jià)格比要比五相電動(dòng)機(jī)更好一些。4. 本論文的主要工作實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。單片機(jī)發(fā)出脈沖信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)停止及單三拍雙三拍運(yùn)行

8、。通過編程，單片機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)正反兩個(gè)方向運(yùn)行的控制。 雖然，步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。 第二章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相關(guān)知識(shí)2.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類和結(jié)構(gòu)1. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可分為3大類。（1）反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（variable reluctance,簡(jiǎn)稱 VR） 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，步距角可以做得很小，但動(dòng)態(tài)性能較差。（2）永磁式步進(jìn)電動(dòng)

9、機(jī)（permanent magnet,簡(jiǎn)稱 PM） 永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個(gè)磁源。它的輸出轉(zhuǎn)距大，動(dòng)態(tài)性能好。轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同，所以步距角一般較大。需供給正負(fù)脈沖信號(hào)。（3）混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（hybrid,簡(jiǎn)稱 HB） 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)，它的輸出轉(zhuǎn)距大，動(dòng)態(tài)性能好，步距角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。 由于反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能價(jià)格比比較高，因此這種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的非常廣泛，在單片機(jī)系統(tǒng)中尤其大量使用。2. 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu) 圖2-1是一個(gè)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出，它分成轉(zhuǎn)子和定子兩部分。定子是由硅

10、鋼片疊成的。定子上有6個(gè)磁極（大極），每2個(gè)相對(duì)的磁極（N，S極）組成一對(duì)，共有3對(duì)。每對(duì)磁極都纏有同一繞組，也即形成一相，這樣3對(duì)磁極有3個(gè)繞組，形成三相。每個(gè)磁極的內(nèi)表面都分布著多個(gè)小齒，它們大小相同，間距相同。 轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，其外表面也均勻分布著小齒，這些小齒與定子磁極上的小齒的齒距相同，形狀相似。 由于小齒的齒距相同，所以不管是定子還是轉(zhuǎn)子，它們的齒距角都可以由下式來計(jì)算：Z=2/Z （21）式中Z轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。 例如，如果轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為40，則齒距角為Z=2/40=9 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來自于電磁力。在電磁力的作用下，轉(zhuǎn)子被強(qiáng)行推動(dòng)到最大磁導(dǎo)率（或者最小磁阻）的位置（如

11、圖2-2（a）所示，定子小齒與轉(zhuǎn)子小齒對(duì)齊的位置），并處于平衡狀態(tài)。對(duì)三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來說，當(dāng)某一相的磁極處于最大磁導(dǎo)位置時(shí)，另外兩相必須處于非最大磁導(dǎo)位置（如圖2-2（b）所示，定子小齒與轉(zhuǎn)子小齒不對(duì)齊的位置）。 圖21 三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu) 圖22 定子齒與轉(zhuǎn)子齒間磁導(dǎo)現(xiàn)象我們把定子小齒與轉(zhuǎn)子小齒對(duì)齊的狀態(tài)稱為對(duì)齒；把定子小齒與轉(zhuǎn)子小齒不對(duì)齊的狀態(tài)稱為錯(cuò)齒。錯(cuò)齒的存在是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能夠旋轉(zhuǎn)的前提條件，所以，在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)中必須保證有錯(cuò)齒存在，也就是說，當(dāng)某一相處于對(duì)齒狀態(tài)時(shí)，其他相必須處于錯(cuò)齒狀態(tài)。 我們繼續(xù)上例。如果轉(zhuǎn)子有40個(gè)齒，則轉(zhuǎn)子的齒距角為9，因?yàn)槎ㄗ拥凝X距角與轉(zhuǎn)子相同，定子

12、的齒距角也是9。所不同的是，轉(zhuǎn)子的齒是圓周分布的，而定子的齒只分布在磁極上，屬于不完全齒。當(dāng)某一相處于對(duì)齒狀態(tài)時(shí)，該相磁極上定子的所有小齒都與轉(zhuǎn)子上的小齒對(duì)齊。 三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的每一組磁極在空間上相差120。假如當(dāng)前A相處于對(duì)齒狀態(tài)，以A相位置作為參考點(diǎn)，B相與A相相差120，C相與A相相差240。下面我們可以計(jì)算當(dāng)A相處于對(duì)齒狀態(tài)時(shí)，B、C兩相的錯(cuò)齒程度。 圖23 A相對(duì)齒時(shí)B、C相的錯(cuò)齒將A相磁極中心線看成0，在0處的轉(zhuǎn)子齒為0號(hào)齒，則在120處的B相磁極中心線上對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子齒號(hào)為120/9=13.3，即B相磁極中心線處于轉(zhuǎn)子第13號(hào)齒再過1/3齒距角的地方，如圖2-3所示。這說明了B相錯(cuò)了

13、1/3個(gè)齒距角，也即錯(cuò)齒3。 同理，與A相相差240的C相磁極中心線上對(duì)應(yīng)的齒號(hào)為240/9=26.6，即C相磁極中心線處于轉(zhuǎn)子第26號(hào)齒再過2/3齒距角的地方，如圖2-3所示。這說明C相錯(cuò)齒6。2.2 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理1. 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步進(jìn)原理 如果給處于錯(cuò)齒狀態(tài)的相通電，則轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下，將向磁導(dǎo)率最大（或磁阻最?。┑奈恢棉D(zhuǎn)動(dòng)，即向趨于對(duì)齒的狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就是基于這一原理轉(zhuǎn)動(dòng)的。 圖24 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步進(jìn)原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的過程也可通過圖2-4進(jìn)一步說明。當(dāng)開關(guān)K合上時(shí)，A相繞組通電，使A相磁場(chǎng)建立。A相定子磁極上的齒與轉(zhuǎn)子的齒形成對(duì)齒，同時(shí)，B相，C相上的齒與轉(zhuǎn)子

14、形成錯(cuò)齒。將A相斷電，同時(shí)將K合上，使處于錯(cuò)1/3個(gè)齒距角的B相通電，并建立磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下，向與B相成對(duì)齒的位置轉(zhuǎn)動(dòng)。其結(jié)果是：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)了1/3個(gè)齒距角；B相與轉(zhuǎn)子形成對(duì)齒；C相與轉(zhuǎn)子錯(cuò)1/3個(gè)齒距角；A相與轉(zhuǎn)子錯(cuò)2/3個(gè)齒距角。 相似地，在B相斷電的同時(shí)，合開關(guān)K給C相通電建立磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)動(dòng)了1/3個(gè)齒距角，與C相形成對(duì)齒，并且A相與轉(zhuǎn)子錯(cuò)1/3個(gè)齒距角，B相與轉(zhuǎn)子錯(cuò)2/3個(gè)齒距角。 當(dāng)C相斷電，再給A相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)動(dòng)了1/3個(gè)齒距角，與A相形成對(duì)齒，與B，C兩相形成錯(cuò)齒。至此，所有的狀態(tài)與最初時(shí)一樣，只不過轉(zhuǎn)子累計(jì)轉(zhuǎn)過了一個(gè)齒距。 可見，由于按ABCA順序輪流給各相繞組通

15、電，磁場(chǎng)按ABC方向轉(zhuǎn)過了360，轉(zhuǎn)子則沿相同方向轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角。 同樣，如果改變通電順序，即按與上面相反的方向（ACBA的順序）通電，則轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向也改變。 如果對(duì)繞組通電一次的操作稱為一拍，那么前面所述的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的三相輪流通電就需要三拍。轉(zhuǎn)子每拍走一步，轉(zhuǎn)一個(gè)齒距角需要3步。 轉(zhuǎn)子走一步所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角N ，可用下式計(jì)算N=Z/N=2/NZ （22）式中 N步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作拍數(shù)。 例如，對(duì)于轉(zhuǎn)子有40個(gè)齒的三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來說，轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角相當(dāng)于轉(zhuǎn)過9，共用了3步，每換相一次走一步，這樣每步走了3，步距角為3。 從以上分析可知，反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)的要求是： 定子繞組磁極的

16、分度角（如三相的120和240）不能被齒距角整除，否則無法形成錯(cuò)齒； 定子繞組磁極的分度角被齒距角除后所得的余數(shù)，應(yīng)是步距角的倍數(shù)，而且倍數(shù)值與相數(shù)不能有公因子，否則無法形成對(duì)齒。2. 單三拍工作方式 三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)如果按ABCA方式循環(huán)通電工作，就稱這種工作方式為單三拍工作方式。其中“單”指的是每次對(duì)一個(gè)相通電；“三拍”指的是磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周需要換相3次，這時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距角。如果對(duì)多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來說，每次只對(duì)一相通電，要使磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周就需要多拍。 以單三相工作方式工作的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其步距角按式（2-2）計(jì)算。 在用單三拍方式工作時(shí)，各相通電的波形如圖2-5所示。其中電壓波形是方波，而電流波形

17、則是由兩段指數(shù)曲線組成。這是因?yàn)槭懿竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組電感的影響，當(dāng)繞組通電時(shí)，電感阻止電流的快速變化；當(dāng)繞組斷電時(shí)，儲(chǔ)存在繞組中的電能通過續(xù)流二極管放電。電流的上升時(shí)間取決于回路中的時(shí)間常數(shù)。我們希望繞組中的電流也能像電壓一樣突變，這一點(diǎn)與其他電動(dòng)機(jī)不同，因?yàn)檫@樣會(huì)使繞組在通電時(shí)能迅速建立磁場(chǎng)，斷電時(shí)不會(huì)干擾其他相磁場(chǎng)。為了達(dá)到這一目的可以有許多方法。在續(xù)流二極管回路中串聯(lián)一個(gè)電阻是其中一種有效的方法。它可以在繞組斷電時(shí)，通過續(xù)流二極管將儲(chǔ)存在繞組中的電能消耗在電阻上，表現(xiàn)為電流波形下降的速度加快，下降時(shí)間減小。3. 雙三拍工作方式 三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各相除了采用單三拍方式通電工作外，還可以有其他通

18、電方式。雙三拍是其中之一。圖25 單三拍工作方式時(shí)的相電壓、電流波形 雙三相的工作方式是：每次對(duì)兩相同時(shí)通電，即所謂“雙”；磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周需要換相3次，即所謂“三拍”，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距角，這與單三拍是一樣的。在雙三拍工作方式中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)的通電的順序?yàn)椋篈BBCCA；反轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋築AACCB。 因?yàn)樵陔p三拍工作方式中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距角需要的拍數(shù)也是“三拍”，所以。它的步距角與單三拍時(shí)一樣，仍然用式（2-2）求得。 在用雙三拍方式工作時(shí)，各相通電的波形如圖2-6所示。由圖可見，每一拍中，都有兩相通電，每一相通電時(shí)時(shí)間都持續(xù)兩拍。所以，雙三拍通電的時(shí)間長(zhǎng)，消耗的電功率大，當(dāng)然，獲得的電磁

19、轉(zhuǎn)距也大。 圖26 雙三拍工作方式時(shí)的相電壓、電流波形雙三拍工作時(shí)，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)形狀與單三拍時(shí)不一樣，如圖2-7所示。 圖27 雙三拍工作時(shí)的磁場(chǎng)情況B 圖28 雙三拍時(shí)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定平衡位置與單三拍另一個(gè)不用之處是：雙三拍工作時(shí)的磁導(dǎo)率最大位置并不是轉(zhuǎn)子處于對(duì)齒的位置。 當(dāng)AB兩相通電時(shí)，最大磁導(dǎo)率的位置是轉(zhuǎn)子齒與A，B兩相磁極的齒分別錯(cuò) 1/6個(gè)齒矩角的位置，此時(shí)轉(zhuǎn)子齒與C相錯(cuò)1/2個(gè)齒距角，如圖2-8（a）所示。也就是說，在最大磁導(dǎo)率位置時(shí)，沒有對(duì)齒存在。在這個(gè)位置，A和B（或A和B）兩個(gè)磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，使定子與轉(zhuǎn)子相互作用的電磁轉(zhuǎn)距大小相等，方向相反，使轉(zhuǎn)子處于平衡狀態(tài)。同樣，當(dāng)BC兩相

20、通電時(shí)，平衡位置是轉(zhuǎn)子齒與B，C兩相磁極的齒分別錯(cuò) 1/6個(gè)齒矩角的位置，如圖2-8（b）所示；當(dāng)CA兩相通電時(shí)，平衡位置是轉(zhuǎn)子齒與C，A兩相磁極的齒分別錯(cuò) 1/6個(gè)齒距角的位置，如圖2-8（c）所示。雙三拍方式還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，這就是不易產(chǎn)生失步。這是因?yàn)楫?dāng)兩相通電后，由圖2-6和圖2-8可見，兩相繞組中的電流幅值不同，產(chǎn)生的電磁力作用方向不同。所以，其中一相產(chǎn)生的電磁力起了阻尼作用。繞組中電流越大，阻尼作用就越大。這有利于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在低頻區(qū)的工作。而單三拍由于是單相通電勵(lì)磁，不會(huì)產(chǎn)生阻尼作用，因此當(dāng)工作在低頻區(qū)時(shí)，由于通電時(shí)間長(zhǎng)而使能量過大，易產(chǎn)生失步現(xiàn)象。2.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特性1. 步進(jìn)電動(dòng)

21、機(jī)的振蕩，失步及解決方法 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的振蕩和失步是一種普遍存在的現(xiàn)象，它影響應(yīng)用系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此要盡力避免。下面對(duì)振蕩和失步的原因進(jìn)行分析，并給出解決方法。 1.振蕩 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的振蕩現(xiàn)象主要發(fā)生于：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作在低頻區(qū)；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作在共振區(qū)；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)突然停車時(shí)。 當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作在低頻區(qū)時(shí)，由于勵(lì)磁脈沖間隔的時(shí)間較長(zhǎng)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)表現(xiàn)為單步運(yùn)行。當(dāng)勵(lì)磁開始時(shí)，轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下加速轉(zhuǎn)動(dòng)。在到達(dá)平衡點(diǎn)時(shí)，電磁驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為零，但轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速最大，由于慣性，轉(zhuǎn)子沖過平衡點(diǎn)。這時(shí)電磁力產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子在負(fù)轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)速逐漸為零，并開始反向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)過平衡點(diǎn)后，電磁力又產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，迫使

22、轉(zhuǎn)子又正向轉(zhuǎn)動(dòng)。如此下去，形成轉(zhuǎn)子圍繞平衡點(diǎn)的振蕩。由于有機(jī)械摩擦和電磁阻尼的作用，這個(gè)振蕩表現(xiàn)為衰減振蕩，最終穩(wěn)定在平衡點(diǎn)。 當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作在共振區(qū)時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖頻率接近步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的振蕩頻率0或振蕩頻率的分頻或倍頻，這會(huì)使振蕩加劇，嚴(yán)重時(shí)造成失步。 振蕩失步的過程可描述如下：在第1個(gè)脈沖到來后，轉(zhuǎn)子經(jīng)歷了一次振蕩。當(dāng)轉(zhuǎn)子回?cái)[到最大幅值時(shí)，恰好第2個(gè)脈沖到來，轉(zhuǎn)子受到的電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)回?cái)[。接著第3個(gè)脈沖到來，轉(zhuǎn)子受正電磁轉(zhuǎn)矩的作用回到平衡點(diǎn)。這樣，轉(zhuǎn)子經(jīng)過3個(gè)脈沖仍然回到原來位置，也就是丟了3步。 當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作在高頻區(qū)時(shí)，由于換相周期短，轉(zhuǎn)子來不及反沖。同時(shí)，繞組中的電

23、流尚未上升到穩(wěn)定值，轉(zhuǎn)子沒有獲得足夠的能量，所以在這個(gè)工作區(qū)中不會(huì)產(chǎn)生振蕩。 減小步距角可以減小振蕩幅值，以達(dá)到削弱振蕩的目的。 2.失步 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的失步原因有2種。 第1種是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速慢于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度，或者說慢于換相速度。例如，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，如果脈沖的頻率較高，由于電動(dòng)機(jī)來不及獲得足夠的能量，使其無法令轉(zhuǎn)子跟上旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度，所以引起失步。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有一個(gè)啟動(dòng)頻率，超過啟動(dòng)頻率啟動(dòng)時(shí)，肯定會(huì)產(chǎn)生失步。注意，啟動(dòng)頻率不是一個(gè)固定值，提高電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，減小負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，減小步距角都可以提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)頻率。 第2種是轉(zhuǎn)子的平均速度大于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度。這主要發(fā)生在制動(dòng)和突然換向

24、時(shí)，轉(zhuǎn)子獲得過多的能量，產(chǎn)生嚴(yán)重的過沖，引起失步。 3. 阻尼方法 消除振蕩是通過增加阻尼的方法來實(shí)現(xiàn)的，主要有機(jī)械阻尼法和電子阻尼法兩大類。其中機(jī)械阻尼法比較單一，就是在電動(dòng)機(jī)軸上加阻尼器。電子阻尼法則有多種。多相勵(lì)磁法 前面介紹過，采用多相勵(lì)磁會(huì)產(chǎn)生電磁阻尼，會(huì)削弱或消除振蕩現(xiàn)象。例如，三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的雙三拍和六拍方式。變頻勵(lì)磁法 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在高頻和在低頻時(shí)轉(zhuǎn)子所獲得的能量不一樣。在低頻時(shí)，繞組中的電流上升時(shí)間長(zhǎng)，轉(zhuǎn)子獲得的能量大，因此容易產(chǎn)生振蕩；在高頻時(shí)則相反。所以，可以設(shè)計(jì)一種電路，使電壓隨頻率的降低而減小，這樣使繞組在低頻時(shí)的電流減小，可以有效地消除振蕩。細(xì)分步法 細(xì)分步法是將步進(jìn)

25、電動(dòng)機(jī)繞組中的穩(wěn)定電流分成若干階段，每進(jìn)一步時(shí)，電流升一級(jí)，同時(shí)，也相對(duì)地提高步進(jìn)頻率，使步進(jìn)過程平穩(wěn)進(jìn)行。反相阻尼法 這種方法用于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)。在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子要過平衡點(diǎn)之前，加一個(gè)反向作用力去平衡慣性力，使轉(zhuǎn)子到達(dá)平衡點(diǎn)時(shí)速度為零，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確制動(dòng)。例如，三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作在單三拍，目前正處于B拍，并希望它停在C拍，則控制換相為BCBC。第2個(gè)B拍就是起平衡慣性力作用的，而不是讓電動(dòng)機(jī)走一步。2. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩角特性 把轉(zhuǎn)子處于平衡點(diǎn)的位置稱為零位。在勵(lì)磁狀態(tài)不變的情況下，如果讓轉(zhuǎn)子離開零位，轉(zhuǎn)子偏離零位線的夾角稱為失調(diào)角e 。失調(diào)角e 是在齒矩角Z范圍內(nèi)變化的，為了表示方便，將齒矩角的范

26、圍看成2，失調(diào)角就用相對(duì)于2來表示。例如，e=1/4Z，則可表示為e=/2 或e=-/2。 由于轉(zhuǎn)子偏離零位，也就是有失調(diào)角產(chǎn)生，因此就有電磁轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩的大小與失調(diào)角 的大小有關(guān)，它們之間的關(guān)系就稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩角特性。下面我們來分析電磁轉(zhuǎn)矩沿失調(diào)角的分布。1. 單相通電時(shí) 當(dāng)失調(diào)角e=0時(shí)，轉(zhuǎn)子位于零位，定子齒與轉(zhuǎn)子齒之間雖然有電磁力存在，但電磁力在轉(zhuǎn)子的切線方向上沒有分力，所以轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2-10（a）所示。 如果轉(zhuǎn)子偏離零位，就有失調(diào)角存在，電磁力在轉(zhuǎn)子的切線方向就產(chǎn)生分力，因而形成轉(zhuǎn)矩。隨著失調(diào)角的增加（順時(shí)針為正），產(chǎn)生的轉(zhuǎn)距增大。當(dāng)e= /2時(shí)，轉(zhuǎn)矩最大。轉(zhuǎn)矩的方向是逆時(shí)

27、針的，如圖2-10（b）所示，所以是負(fù)轉(zhuǎn)矩。 當(dāng)e=時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩個(gè)定子齒之間，轉(zhuǎn)子齒受到兩個(gè)定子齒的電磁力，在切線方向上受的分力保持平衡，如圖2-10（c）所示，所以轉(zhuǎn)子受的轉(zhuǎn)矩為0。 當(dāng)e時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到下一個(gè)定子齒附近，受該定子齒的作用，產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，如圖2-10（d）所示。當(dāng)e=2時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到新的零位，受的轉(zhuǎn)矩為0。再轉(zhuǎn)下去，就進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。 圖210 電磁轉(zhuǎn)矩隨失調(diào)角的變化根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨失調(diào)角的這種變化規(guī)律，可用曲線來表示，其曲線形狀近似正弦曲線，如圖2-11所示。其中Tmax是最大轉(zhuǎn)距，它表示了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)承受負(fù)載的能力，它是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最主要的性能指標(biāo)之一。 圖211 步進(jìn)電機(jī)的

28、矩角特性2. 多相通電時(shí) 根據(jù)疊加原理，多相通電時(shí)的距角特性可近似地由每相單獨(dú)通電時(shí)的矩角特性疊加求出。以三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)雙三拍方式為例，A，B兩相單獨(dú)通電時(shí)的矩角特性如圖2-12所示，兩條曲線相位差120，最大轉(zhuǎn)矩分別為 TA、TB。A，B兩相的矩角特性曲線疊加，就可以得到AB同時(shí)通電時(shí)的矩角特性曲線，其最大轉(zhuǎn)矩為 TAB。由圖2-12可見，對(duì)于三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來說，兩相通電時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩與單相通電時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩相同，也就是說，三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不能靠增加通電相數(shù)來提高最大轉(zhuǎn)矩。圖2-12 三相步進(jìn)電機(jī)單相、雙向通電時(shí)的矩角特性3. 單步運(yùn)行與最大負(fù)載能力 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩角特性告訴我們，轉(zhuǎn)矩是隨失調(diào)角而

29、變化的，它不是一個(gè)固定值。那么，這樣變化的轉(zhuǎn)矩是怎樣驅(qū)動(dòng)負(fù)載的呢？下面我們來進(jìn)行分析。 圖2-13是三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單三拍方式時(shí)運(yùn)行的矩角特性。曲線A是A相通電時(shí)轉(zhuǎn)矩的變化曲線。如果此時(shí)送入一個(gè)控制脈沖，切換為B相繞組通電，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角N （1/3個(gè)齒距角，相當(dāng)于失調(diào)角120的量），轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律為曲線B。很明顯，步進(jìn)運(yùn)行所能提供連續(xù)的最大驅(qū)動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為A，B兩條曲線的交點(diǎn)縱坐標(biāo)，即Tq。只有當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TLTq時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)才能帶動(dòng)負(fù)載作步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。因此,Tq被稱為最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩或啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 圖213 三相步進(jìn)電機(jī)單三拍運(yùn)行時(shí)的矩角特性顯然，步距角 越小，A，B兩條曲線的交點(diǎn)越上移，也就是T

30、q越接近Tmax，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載能力越大。所以，減小步距角有利于提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的帶負(fù)載能力。3. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與控制脈沖頻率之間的關(guān)系稱為矩頻特性。圖1-14是矩頻特性曲線的一個(gè)例子。由圖可見，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性曲線是一條下降曲線。它以最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩（啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩）Tq作為起點(diǎn)，隨著控制脈沖頻率逐漸增加，步 圖214 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速逐步升高，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的帶負(fù)載能力卻逐步下降。 圖215 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩隨頻率升高而下降的原因可以這樣解釋：由于有繞組電感的影響，繞組中電流的波形如圖2-5所示，電流的上升需要一定時(shí)間。以圖2

31、-15的驅(qū)動(dòng)電路為例，電流上升時(shí)驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)間常數(shù)a為 a=L/Ra （24）式中 L繞組的電感 Ra通電回路的總電阻，包括繞組線圈電阻，限流電阻 R1和晶體管電阻。 電流下降時(shí)放電回路的時(shí)間常數(shù) b 為 b=L/Rb (25)式中Rb放電回路的總電阻，包括繞組線圈電阻，耗能電阻R2和續(xù)流二極管結(jié)電阻。 由于時(shí)間常數(shù)的存在，繞組中的電流上升和下降都需要一定的時(shí)間。當(dāng)脈沖頻率較低時(shí)，繞組中通電的周期較長(zhǎng)，電流的平均值較大，電動(dòng)機(jī)獲得的能量較高，因此能維持較高的轉(zhuǎn)矩；當(dāng)脈沖頻率較高時(shí)，繞組中通電的周期較短，電流的平均值較小，電動(dòng)機(jī)獲得的能量較少，因此轉(zhuǎn)矩下降。 另外，隨著頻率上升，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高，在

32、定子繞組中產(chǎn)生的附加旋轉(zhuǎn)電勢(shì)使電動(dòng)機(jī)受到更大的阻尼轉(zhuǎn)矩，鐵芯的渦損也增加。這些都是使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩下降的因素。 矩頻特性曲線上的凹陷可看成是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的共振區(qū)。由于共振消耗一定的能量，使轉(zhuǎn)矩下降。 為了提高矩頻特性的高頻性能，可用如下方法： 減小時(shí)間常數(shù) 由式（2-4）可以看出，增加電阻 Ra可以減小時(shí)間常數(shù)；但增加 Ra會(huì)使通電回路中電流值減小，所以，為了保證通電回路中的電流不變，在增加電阻Ra的同時(shí)，還要提高電源電壓。 改進(jìn)工作方式 采用多相勵(lì)磁的工作方式，例如，三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的雙三拍。由圖2-6和圖2-9可見，多相勵(lì)磁工作方式使每一相通電的時(shí)間延長(zhǎng)了，電動(dòng)機(jī)就能獲得較多的能量，使高頻

33、時(shí)輸出的轉(zhuǎn)矩增加。2.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)通過前面的原理介紹，我們知道了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)使用脈沖電源工作。脈沖電源的獲得可通過2-15來說明。開關(guān)管T是按照控制脈沖的規(guī)律“開”和“關(guān)”，使直流電源以脈沖方式向繞組L供電。這一過程我們稱它為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式有多種，我們可以根據(jù)實(shí)際需要來選用。下面就逐個(gè)介紹它們的工作原理。1. 單電壓驅(qū)動(dòng) 單電壓驅(qū)動(dòng)是指電動(dòng)機(jī)繞組在工作時(shí)，只用一個(gè)電壓電源對(duì)繞組供電。它的特點(diǎn)是電路最簡(jiǎn)單。 圖1-15就是一個(gè)例子，它只有一個(gè)電源V。電路中的限流電阻 決定了時(shí)間常數(shù)，但 太大會(huì)使繞組供電電流減小。這一矛盾不能解決時(shí)，會(huì)使電動(dòng)機(jī)的高頻性能下降。可在R

34、1兩端并聯(lián)一個(gè)電容，以使電流的上升波形變陡，來改善高頻特性，但這樣做又使低頻性能變差。 R1在工作中要消耗一定的能量，所以這個(gè)電路損耗大，效率低。一般只用于小功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。2. 雙電壓驅(qū)動(dòng) 用提高電壓的方法使繞組中的電流上升波形變陡，這樣就產(chǎn)生了雙電壓驅(qū)動(dòng)。雙電壓驅(qū)動(dòng)有兩種方式：雙電壓法和高低壓法。 1. 雙電壓法 雙電壓法的基本思路是：在低頻段使用較低的電壓驅(qū)動(dòng)，在高頻段使用較高的電壓驅(qū)動(dòng)。其電路原理如圖2-16所示。 當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在低頻時(shí)，給T1低電平，使T1關(guān)斷。這時(shí)電動(dòng)機(jī)的繞組由低電壓VL供電，控制脈沖通過T2使繞組得到低壓脈沖電源。當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在高頻時(shí)，給T1高電平，使T1打

35、開。這是二極管D2反向截圖216 雙電壓驅(qū)動(dòng)原理圖止，切斷低電壓電源VL ，電動(dòng)機(jī)繞組由高電壓VH 供電，控制脈沖通過T2 使繞組得到高壓脈沖電源。 這種驅(qū)動(dòng)方法保證了低頻段仍然具有單電壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，在高頻段具有良好的高頻性能，但仍沒擺脫單電壓驅(qū)動(dòng)的弱點(diǎn)，在限流電阻R上仍然會(huì)產(chǎn)生損耗和發(fā)熱。 2. 高低壓法 高低壓法的基本思路是：不論電動(dòng)機(jī)工作的頻率如何，在繞組通電的開始用高壓供電，使繞組中電流迅速上升，而后用低壓來維持繞組中的電流。 高低壓驅(qū)動(dòng)電路的原理圖如圖2-17所示。盡管看起來與雙電壓法電路非常相似，但它們的原理有很大的差別。 圖217 高低壓驅(qū)動(dòng)原理圖高壓開關(guān)管T1的輸入脈沖UH與低

36、壓開關(guān)管T2的輸入脈沖UL同時(shí)起步，但脈寬要窄的多。兩個(gè)脈沖同時(shí)使開關(guān)管T1、T2導(dǎo)通，使高電壓VH為電動(dòng)機(jī)繞組供電。這使得繞組中電流i快速上升，電流波形的前沿很陡，如圖2-17所示電流波形。當(dāng)脈沖UH 降為低電平時(shí)，高壓開關(guān)管T1截止，高電壓被切斷，低電壓VL通過二極管D2為繞組繼續(xù)供電。由于繞組電阻小，回路中又沒串聯(lián)電阻，所以低電壓只需數(shù)伏就可以為繞組提供較大電流。 在低頻工作時(shí)，由于繞組通電周期長(zhǎng)，容易產(chǎn)生能量過剩。因此，在設(shè)計(jì)中，可通過計(jì)算平均電流的方法，來選擇低電壓值。 在高頻工作時(shí)，由于繞組通電周期短，可能出現(xiàn)UH 與UL 脈寬相同。因此，在設(shè)計(jì)中，要保證在最高工作頻率工作時(shí)，UH

37、 的脈寬不要大于UL的脈寬。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與其他電動(dòng)機(jī)不同，它所標(biāo)稱的額定電壓和額定電流只是參考值；又因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)以脈沖方式供電，電源電壓是其最高電壓，而不是平均電壓，所以，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以超出其額定值范圍工作。這就是為什么步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以采用高低壓工作的原因。一般高壓選擇范圍是80-150V，低壓選擇范圍是5-20V。選擇時(shí)注意不要偏離步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的額定值太遠(yuǎn)。 高低壓驅(qū)動(dòng)法是目前普遍應(yīng)用的一種方法。由于這種驅(qū)動(dòng)在低頻時(shí)電流有較大的上沖，電動(dòng)機(jī)低頻噪聲較大，低頻共振現(xiàn)象存在，使用時(shí)要注意。3. 斬波驅(qū)動(dòng) 高低壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，電流波形在高壓與低壓交接處有一個(gè)凹陷（如圖2-17所示），這會(huì)引起輸出轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)下

38、降。另外，雙電壓也會(huì)增加設(shè)備的成本。斬波驅(qū)動(dòng)會(huì)很好地解決這些問題。圖2-18（a）是斬波恒流驅(qū)動(dòng)的原理圖。T1 是一個(gè)高頻開關(guān)管。T2 開關(guān)管的發(fā)射極接一只小電阻R，電動(dòng)機(jī)繞組的電流經(jīng)這個(gè)電阻到地，所以這個(gè)電阻是電流取樣電阻。比較器的一端接給定電壓Uc ，另一端接取樣電阻上的壓降，當(dāng)取樣電壓為0時(shí)，比較器輸出高電平。 當(dāng)控制脈沖Ui 為低電平時(shí)，T1 和T2 兩個(gè)開關(guān)管均截止；當(dāng)Ui 為高電平時(shí)，T1 和T2 兩個(gè)開關(guān)管均導(dǎo)通，電源向繞組供電。由于繞組電感的作用，R上的電壓逐漸升高，當(dāng)超過給定電壓Uc 的值時(shí)，比較器輸出低電平，使與門輸出低電平，T1 截止，電源被切斷；當(dāng)取樣電阻上的電壓小于給

39、定電壓時(shí)，比較器輸出高電平，與門也輸出高電平，T1又導(dǎo) （a）電路原理圖 （b）波形圖圖218 斬波恒流驅(qū)動(dòng)原理圖通，電源又開始向繞組供電。這樣反復(fù)循環(huán)，直到Ui 為低電平。 以上的驅(qū)動(dòng)過程表現(xiàn)為：T2 每導(dǎo)通一次，T1 導(dǎo)通多次，繞組的電流波形為鋸齒形，如圖2-18（b）所示。 在 T2導(dǎo)通的時(shí)間里，電源是脈沖式供電（見Ua 波形），所以提高了電源效率，并且能有效地抑制共振。由于無需外接影響時(shí)間常數(shù)的限流電阻，所以提高了高頻性能；但是，由于電流波形為鋸齒形，將會(huì)產(chǎn)生較大的電磁噪聲。4. 細(xì)分驅(qū)動(dòng) 進(jìn)電動(dòng)機(jī)各組繞組的電流是按照工作方式的節(jié)拍輪流通電的。繞組通電的過程非常簡(jiǎn)單，即通電斷電反復(fù)進(jìn)行

40、?，F(xiàn)在我們?cè)O(shè)想將這一過程復(fù)雜化一些，例如，每次通電時(shí)電流的幅值并不是一次升到位，而是分成階段，逐個(gè)階級(jí)地上升；同樣，每次斷電時(shí)電流也不是一次降到0，而是逐個(gè)階級(jí)地下降。如果這樣做會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？ 我們都知道，電磁力的大小與繞組通電電流的大小有關(guān)。當(dāng)通電相的電流并不是馬上升到位，而斷電相的電流并不立即降為0時(shí)，它們所產(chǎn)生 的磁場(chǎng)合力，會(huì)使轉(zhuǎn)子有一個(gè)新的平衡位置，這個(gè)新的平衡位置是在原來的步距角范圍內(nèi)。也就是說，如果繞組中電流的波形不再是一個(gè)近似方波，而是一個(gè)分成N個(gè)階級(jí)的近似階梯波，則電流每升或降一個(gè)階級(jí)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一小步。當(dāng)轉(zhuǎn)子按照這樣的規(guī)律轉(zhuǎn)過N個(gè)小步時(shí)，實(shí)際上相當(dāng)于它轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這種將

41、一個(gè)步距角細(xì)分成若干小步的驅(qū)動(dòng)方法，就稱為細(xì)分驅(qū)動(dòng)。 細(xì)分驅(qū)動(dòng)使實(shí)際步距角更小了，可以大大地提高對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制精度。同時(shí)，也可以減小或消除振蕩，噪聲和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。目前，采用細(xì)分技術(shù)已經(jīng)可以將原步距角分成數(shù)百份。 實(shí)際細(xì)分的驅(qū)動(dòng)電路可分成兩類：一類是采用線性模擬功率放大的方法獲得階梯形電流，這種方法電路簡(jiǎn)單，但功率管功耗大，效率低；另一類的用單片機(jī)采用數(shù)字脈寬調(diào)制的方法獲得階梯形電流，這種需要復(fù)雜的計(jì)算來使細(xì)分后的步距角均勻一致。下面我們介紹一種屬于脈寬調(diào)制法的驅(qū)動(dòng)電路恒頻脈寬調(diào)制細(xì)分電路，它不需要復(fù)雜的計(jì)算，是目前比較流行的方法。 恒頻脈寬調(diào)制細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制實(shí)際上是在斬波恒流驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上的進(jìn)一步

42、改進(jìn)。在斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路中，繞組中電流的大小取決于比較器的給定電壓，在工作中這個(gè)給定電壓是一個(gè)定植。現(xiàn)在，用一個(gè)階梯電壓來代替這個(gè)給定電壓，就可以得到階梯形電流。恒頻脈寬調(diào)制細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路如圖2-19（a）所示。單片機(jī)是控制主體。它通過定時(shí)器TO輸出20kHz的方波，送D觸發(fā)器，作為恒頻信號(hào)。同時(shí)，輸出階梯電壓的數(shù)字信號(hào)到D/A轉(zhuǎn)換器，作為控制信號(hào)，它的階梯電壓的每一次變化，都使轉(zhuǎn)子走一細(xì)分步。 恒頻脈寬調(diào)制細(xì)分電路工作原理如下：當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換器輸出的Ua不變時(shí)，恒頻信號(hào)CLK的上升沿使D觸發(fā)器輸出Ub高電平，使開關(guān)管T1，T2導(dǎo)通，繞組中的電流上升，取樣電阻R2上壓降增加。當(dāng)這個(gè)壓降大于Ua時(shí)，

43、比較器輸出低電平，使D觸發(fā)器輸出Ub低電平，T1，T2截止，繞組的電流下降。這使得R2上的壓降小于Ua，比較器輸出高電平，使D觸發(fā)器輸出高電平，T1，T2導(dǎo)通，繞組中的電流重新上升。這樣的過程反復(fù) (a)電路圖 （b）波形圖 圖219 恒頻脈寬細(xì)分電路及波形進(jìn)行，使繞組電流的波頂鋸齒形。因?yàn)镃LK的頻率較高，鋸齒形波紋會(huì)很小。 當(dāng)Ua上升突變時(shí)，取樣電阻上的壓降小于Ua，電流有較長(zhǎng)的上升時(shí)間，電流幅值大幅增長(zhǎng)，上升了一個(gè)階級(jí)，如圖2-19（b）所示。 同樣，當(dāng)Ua下降突變時(shí)，取樣電阻上的壓降有較長(zhǎng)時(shí)間大于Ua，比較器輸出低電平，CLK的上升沿即使使D觸發(fā)器輸出1也馬上被清0。電源始終被切斷，使

44、電流幅值大幅下降，降到新的階級(jí)為止。 以上過程重復(fù)進(jìn)行。Ua的每一次突變，就會(huì)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)細(xì)分步。第三章 步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，在步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制中，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。其基本控制作用如下：（1） 控制換相順序步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電換相順序嚴(yán)格按照步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作方式進(jìn)行。通常我們把通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如，三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的單三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)锳BC，通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A，B，C相的通電和斷電。脈沖分配的方法大體上可分為兩種：軟件法和硬件法。由于軟件法在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，要不停地產(chǎn)生控制脈沖，占用了大量的CPU時(shí)

45、間，可能使單片機(jī)無法同時(shí)進(jìn)行其它工作（如監(jiān)測(cè)等），所以，在本系統(tǒng)中我們采用硬件法，即使用脈沖分配器芯片PMM8713。（2） 控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向通過前面介紹的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)原理我們知道，如果按給定的工作方式正序通電換相，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電動(dòng)機(jī)就反轉(zhuǎn)。例如，三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作在單三拍方式，通電換相的正序是ABC，電動(dòng)機(jī)就正轉(zhuǎn)；如果按反序ACB，電動(dòng)機(jī)就反轉(zhuǎn)。這一任務(wù)仍用PMM8713脈沖分配器芯片承擔(dān)。（3） 控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度步進(jìn)電機(jī)的速度控制通過控制單片機(jī)發(fā)出的步進(jìn)脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)。如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它就會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔時(shí)

46、間越短，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)的越快。因此，脈沖的頻率決定了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖的頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速。根據(jù)調(diào)速原理，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度方法可有兩種。第一種是通過軟件延時(shí)的方法，改變延時(shí)時(shí)間長(zhǎng)度就可以改變輸出脈沖的頻率；但這種方法使CPU長(zhǎng)時(shí)間等待，占用大量機(jī)時(shí)，沒有實(shí)用價(jià)值。第二種是通過定時(shí)器中斷的方法。在中斷服務(wù)子程序中進(jìn)行脈沖輸出操作，調(diào)整定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間常數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這占用的CPU較少，在各種單片機(jī)中都能實(shí)現(xiàn)，是一種比較實(shí)用的方法。本系統(tǒng)采用第二種方法，為了產(chǎn)生所需的步進(jìn)脈沖，要根據(jù)給定的脈沖頻率和單片機(jī)的機(jī)器周期來計(jì)算定時(shí)常數(shù)。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到而使定時(shí)器產(chǎn)生

47、溢出時(shí)發(fā)生中斷，在中斷子程序中進(jìn)行改變P1.0電平狀態(tài)的操作，從而得到一個(gè)方波輸出。改變定時(shí)常數(shù)，就可以改變方波的頻率，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這樣單片機(jī)只需提供步進(jìn)脈沖，進(jìn)行速度和轉(zhuǎn)向控制，因此，CPU的負(fù)擔(dān)減輕許多。第四章 系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)由單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源（脈沖分配器和功率驅(qū)動(dòng)）、步進(jìn)電機(jī)等部分組成，其控制框圖如圖41所示。在下圖中由單片機(jī)給出脈沖信號(hào)，經(jīng)脈沖分配器產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)工作方式所需的各相脈沖信號(hào)，功率驅(qū)動(dòng)電路對(duì)脈沖分配回路輸出的弱信號(hào)進(jìn)行放大，產(chǎn)生電機(jī)所需的激勵(lì)電流。圖41 步進(jìn)電機(jī)的微機(jī)控制框圖本控制系統(tǒng)采用MCS-51系列單片機(jī)AT89

48、c51作為處理器。89c51內(nèi)部有4K的可編程EPROM、128字節(jié)的RAM（其中有16個(gè)字節(jié)既可作一般的RAM單元使用，又可對(duì)128位進(jìn)行位操作）、21個(gè)特殊功能寄存器、2個(gè)16位的定時(shí)器或計(jì)數(shù)器以及一個(gè)全雙工串行口，對(duì)外有4個(gè)端口、32條I/O線，它們都具有位尋址功能，使用及其方便。我們通過89c51的P1.1口輸出信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)。 系統(tǒng)所用的步進(jìn)電機(jī)為45BF005-I型三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其工作電壓+27V，靜態(tài)電流為2.5A，步距角為1.5。本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電源用日本Sanyo（三洋）電機(jī)公司生產(chǎn)的PMM8713作為步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配器。它適用于控制三相和四相步進(jìn)電機(jī)，有3種激勵(lì)方式：

49、1相、2相、以及1-2相。輸入方式可選擇單時(shí)鐘（加方向信號(hào)）和雙時(shí)鐘（正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時(shí)鐘）方式，它具有正反轉(zhuǎn)控制、初始化復(fù)位、原點(diǎn)監(jiān)視、激勵(lì)方式監(jiān)視和輸入脈沖監(jiān)視等功能。使用的電源為418V，相輸出驅(qū)動(dòng)能力為20Ma。PMM8713的原理框圖如圖42所示。此種集成電路內(nèi)部由時(shí)鐘選通、激勵(lì)方式控制、可逆環(huán)形計(jì)數(shù)器等主要部分構(gòu)成。所有輸入端內(nèi)部都設(shè)有施密特電路，具有很高的抗干擾能力。它采用DIP16封裝，其引腳功能及激勵(lì)方式選擇和初始狀態(tài)分別如表41所示 圖42 PMM8713原理框圖 引腳號(hào)符號(hào)功能說明1Cu輸入脈沖，正轉(zhuǎn)CW時(shí)鐘2CD輸入脈沖，反轉(zhuǎn)CCW時(shí)鐘3Ck輸入時(shí)鐘（單時(shí)鐘方式使用）4U/D

50、方向轉(zhuǎn)換，0反轉(zhuǎn)，1正轉(zhuǎn)5EA激勵(lì)方式控制，當(dāng)EA、EB為11對(duì)應(yīng)12相，00對(duì)應(yīng)2相，01，10對(duì)應(yīng)1相6EB7c3/4相選擇，03相，14相8Vss地9R復(fù)位端1011、2、3、4，4相輸出2、3、4，3相輸出112123134 續(xù)表41： 引腳號(hào)符號(hào)功能說明14EM激勵(lì)監(jiān)視；01相，12相，脈沖表示12相激勵(lì)15CD輸入脈沖監(jiān)視；輸出與時(shí)鐘同步脈沖16VDD正電源 表41 PMM8713引腳功能說明 運(yùn)行時(shí)，PMM8713作單級(jí)性控制。三相步進(jìn)電機(jī)：1-2相激勵(lì)6拍運(yùn)行；1相或2相激勵(lì)3拍運(yùn)行。四相步進(jìn)電機(jī)；1-2相激勵(lì)8拍運(yùn)行；1相或2相激勵(lì)4拍運(yùn)行。由于PMM8713輸出驅(qū)動(dòng)電流只有

51、20mA，因此需要外接功率驅(qū)動(dòng)放大電路。當(dāng)用微處理器輸出去控制大功率電器時(shí)，需要將弱電與強(qiáng)電隔離。這里用光電隔離器進(jìn)行隔離。 我們選用光電隔離器的型號(hào)為TLP5214，功放晶體管的型號(hào)為P41C（6A、100V、65W、Ice=3A）。輸出隔離電路的原理圖如圖43所示。圖43 隔離電路原理圖Ui來自脈沖分配器的一個(gè)輸出端子，Ui經(jīng)驅(qū)動(dòng)門以后接到發(fā)光二極管的陰極，+5V電源需要接限流電阻，此電阻一般取值為200、1/4W。當(dāng)Ui為低電平時(shí)，經(jīng)同相驅(qū)動(dòng)門驅(qū)動(dòng)后依然是低電平，二極管導(dǎo)通，從而使光敏晶體管T1導(dǎo)通，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一相繞組得電運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)Ui為高電平時(shí)，二極管會(huì)因?yàn)殛枠O和陰極都為高電平而截止，光敏晶體管T1就會(huì)截止，從而使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一相繞組失電而停轉(zhuǎn)。 需要強(qiáng)調(diào)指出的是，光電耦合的輸入和輸出部分必須分別采用獨(dú)立的電源，如果兩端共用一個(gè)電源，則光電耦合的隔離作用就將失去意義。 PMM8713作脈沖分配器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖45所示。這里只加上單脈沖，用來控制步進(jìn)電機(jī)朝一個(gè)方向運(yùn)行。由PMM8713產(chǎn)生的脈沖經(jīng)74LS06反向驅(qū)動(dòng)放大后，再經(jīng)過TLP521-4光電隔離器隔離，最后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的繞組。I1，I2，I3是三相