第6章 步進電動機及其驅(qū)動

第六章

步進電動機及其控制

1步進電動機（SteppingMotor，或StepMotor、StepperMotor）是一種可由電脈沖控制運動的特殊電動機，可以通過脈沖信號轉(zhuǎn)換控制的方法將脈沖電信號變換成相應(yīng)的角位移或線位移。因此步進電動機也被稱為脈沖電動機（PulseMotor）。步進電動機不能直接使用通常的直流或交流電源來驅(qū)動，而是需要使用專門的步進電動機驅(qū)動器。在工業(yè)生產(chǎn)中被應(yīng)用于數(shù)控機床、打印機、繪圖儀、機器人控制等，6.1步進電動機概述2一些使用步進電動機的機器、設(shè)備。

機器人打印機步進電動機及其控制器數(shù)控機床數(shù)控機床34通過一定的控制方式，可以使步進電動機運動時的角位移或線位移與脈沖數(shù)成正比，即其轉(zhuǎn)速或線速度與輸入控制脈沖的頻率成正比。在步進電動機所能承受的負載能力范圍內(nèi)，這種關(guān)系不會因電源電壓、負載大小以及環(huán)境條件的波動而變化，因而在系統(tǒng)中可以采用開環(huán)的方式進行運動控制，從而使控制系統(tǒng)大為簡化。通常步進電動機可以在較寬的范圍內(nèi)通過改變輸入控制脈沖的頻率來實現(xiàn)調(diào)速，并能夠做到快速起動、反轉(zhuǎn)和制動。由于它能直接利用脈沖數(shù)字信號進行控制并將其轉(zhuǎn)換成角位移，因而很適合于采用計算機來進行數(shù)字式控制的場合。5交流電機轉(zhuǎn)動時，定子繞組通電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，而轉(zhuǎn)子由于形成切割磁力線的等效作用在其內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，與定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相互作用形成運動所需的電磁力，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動。為了產(chǎn)生運動所需的一定強度的感應(yīng)電流，交流電動機在原理上就會要求旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)速上有一定限制。同步電機由定子線圈通過電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場吸引轉(zhuǎn)子形成轉(zhuǎn)動所需的作用力，磁場的旋轉(zhuǎn)帶動轉(zhuǎn)子的運動。在這一過程中需要在轉(zhuǎn)子內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流及其產(chǎn)生的相應(yīng)的磁場。所有電動機運動所需的力都源于電磁力。與交流電動機運動不同的是，步進電動機運動時的所需的電磁力是由定子繞組因通電產(chǎn)生的磁場（恒定非旋轉(zhuǎn)），對由磁性材料按照一定形狀做成的轉(zhuǎn)子磁極的吸引力形成的。定子各相繞組一相一相通電，轉(zhuǎn)子就受磁吸力一步一步運動。6步進電動機的運動是受走步脈沖信號控制的，因此適合于作為數(shù)字控制系統(tǒng)的伺服元件。它的直線位移量或角位移量與電脈沖數(shù)成正比，所以電機的線速度或轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。通過改變脈沖頻率的高低，就可以在很大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，并能實現(xiàn)快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)。當在設(shè)計條件下工作時，步進電動機的步距角和轉(zhuǎn)速的大小不受電壓波動和負載變化的影響，也不受環(huán)境條件如清晰度、氣壓、沖擊和振動等影響，它僅與電脈沖頻率有關(guān)，每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)。步進電動機在不丟步的情況下運行，其步距誤差不會長期積累。這些優(yōu)點使它完全適用于數(shù)字控制的開環(huán)系統(tǒng)中作為伺服元件，并使整個系統(tǒng)大為簡化而又運行可靠。7步進電機的一些基本參數(shù)電機固有步距角步進電機的相數(shù)保持轉(zhuǎn)矩81)按轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原理分為a.反應(yīng)式步進電動機。b.激磁式步進電動機。這類步進電動機又分為電磁式與永磁式；c.混合式步進電動機。同時混合使用前兩種方式。2)按輸出轉(zhuǎn)矩的大小分為a．功率步進電動機(動力式)，轉(zhuǎn)矩一般在1公斤·米以上，可直接用來拖動執(zhí)行元件；b．伺服式步進電動機(指示式)，轉(zhuǎn)矩在幾百克·厘米以下，多用于控制系統(tǒng)中。3)按磁場方向分為a．橫向磁場式步進電動機；b．縱向磁場式步進電動機。94)按定轉(zhuǎn)子數(shù)目分為a.單定子式步進電動機；b.雙定子及多定子式步進電動機。5)按定轉(zhuǎn)子相對位置可分為a.內(nèi)定子外轉(zhuǎn)子式步進電動機；b.外定子內(nèi)轉(zhuǎn)子式步進電動機；c.十雙定子式(內(nèi)外定子)步進電動機。另外也還可按繞組形式(集中、分布)，轉(zhuǎn)向（可逆轉(zhuǎn)、不可逆轉(zhuǎn))、相數(shù)〔單相、兩相、三相及多相)等方法分類。在本章中，將按產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的原理來進行分類及分別敘述。106.2

步進電動機的工作原理步進電動機按產(chǎn)生轉(zhuǎn)距的方式不同可分為反應(yīng)式、激磁式及混合式三種。反應(yīng)式步進電動機的定轉(zhuǎn)子都是凸極結(jié)構(gòu)，是利用磁阻最小原理工作。反應(yīng)式步進電動機轉(zhuǎn)子齒數(shù)可以很多，因此步距角可以做得很小，即使沒有減速裝置，也可以低速、高精度地實現(xiàn)位置控制。激磁式步進電動機的激磁可以是永磁式或電磁激磁式，通常是永磁式激磁。激磁式步進電動機轉(zhuǎn)子由于具有磁場，驅(qū)動轉(zhuǎn)矩較大，但由于制造工藝的緣故，轉(zhuǎn)子磁極數(shù)目不能做的太多，因此步距角比較大?；旌鲜讲竭M電動機兼有反應(yīng)式步進電動機和永磁式步進電動機的優(yōu)點，可以做到步距角小而驅(qū)動轉(zhuǎn)矩又大。11（a）對齒（b）錯齒126.2.1

通電方式分析

圖

6.6

三相步進電動機的原理及其繞組的通電順序（a）三相步進電動機的原理

（b）三相步進電動機繞組等效電路圖131.三相單三拍通電14

(a)(b)圖6-8三相雙三拍運行方式(a)AB相通電；(b)BC相通電2.三相雙三拍通電153.三相六拍通電166.2.2

小步距角步進電動機

17圖6.11定子齒對轉(zhuǎn)子齒的作用力a、對齊b、錯開c、在兩齒間186.2.3

步進電動機的基本特點

1.分配方式步進電動機每相繞組不是恒定地通電，而是脈沖式通電，是由專用電源供給電脈沖。步進電動機這種不同的輪流通電方式稱為“分配方式”，每循環(huán)一次所包含的通電狀態(tài)數(shù)稱為“狀態(tài)數(shù)”或“拍數(shù)”。狀態(tài)數(shù)（拍數(shù)）等于相數(shù)稱為單拍制（如三相單三拍，三相雙三拍、四相雙四拍等），狀態(tài)數(shù)（拍數(shù)）等于相數(shù)的兩倍稱為雙拍制（如三相六拍，四相八拍等）。192.齒距角和步距角20213.步進電動機的轉(zhuǎn)速22234.步進電動機自鎖能力246.4

步進電動機的驅(qū)動控制脈沖分配器功放電路三相步進電機負載功率電源分配器電源功放電路功放電路功率放大器步進脈沖方向信號ABC脈沖分配器+功率放大電路256.4.1.

脈沖分配器當方向電平為低時，脈沖分配器的輸出按A-B-C的順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。

當方向電平為高時，脈沖分配器的輸出按A-C-B的順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。

26步進電動機的脈沖分配器可由硬件或軟件方法來實現(xiàn)。

硬件環(huán)形分配器：由計數(shù)器等數(shù)字電路組成的。有較好的響應(yīng)速度，且具有直觀、維護方便等優(yōu)點。

軟件環(huán)分：由計算機接口電路和相應(yīng)的軟件組成的。受到微型計算機運算速度的限制，有時難以滿足高速實時控制的要求。

1.硬件環(huán)形分配器

27序號控制信號狀態(tài)輸出狀態(tài)導(dǎo)電繞組CAJCBJCCJQAQBQC0110100A1010110AB2011010B3001011BC4101001C5100101CA6110100A28

2．軟件環(huán)形分配軟件環(huán)分的方法是利用計算機程序來設(shè)定硬件接口的位狀態(tài)，從而產(chǎn)生一定的脈沖分配輸出。

1)輸出接口

8031單片機本身包含4個8位I/O端口，分別為P0、P1、P2、P3。

輸出接口是將計算機的輸出端與步進電動機的每相繞組一一對應(yīng)起來。29

2)輸出模型如果三相步進電動機按單、雙拍通電方式工作，即:正轉(zhuǎn)：A-AB-B-BC-C-CA反轉(zhuǎn)：A-AC-C-CB-B-BC

根據(jù)8031單片機的基本原理，對P1.0、P1.1、P1.2位編程使其按表規(guī)定改變輸出狀態(tài)就實現(xiàn)了三相六拍分配任務(wù)。P1.7通電相XXXXX001AXXXXX011ABXXXXX010BXXXXX110BCXXXXX100CXXXXX101CAP1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0P1.6306.4.2、步進電動機的功率放大電路

步進電動機的功率驅(qū)動電路實際上是一種脈沖放大電路，使脈沖具有一定的功率驅(qū)動能力。由于功率放大器的輸出直接驅(qū)動電動機繞組，因此，功率放大電路的性能對步進電動機的運行性能影響很大。

1.單電壓驅(qū)動電路

L－是電動機繞組VT－開關(guān)晶體管

電阻R(減少時間常數(shù)T=l/r)兩端并聯(lián)電容C，使電流上升更快，所以電容C又稱為加速電容。缺點是R上有功率消