第六章步進電機

是一種把電能變換成機械能的典型促動器

。每當對步進電機施加一個電脈沖，步進電機輸出軸就轉過一個角度，稱為一步。當連續(xù)供給電脈沖，步進電機就一步一步地連續(xù)轉動，因此，命名為步進電機。

步進電機的位移量與輸入的脈沖數(shù)量嚴格成正比，轉速與脈沖頻率成正比，轉向與電機各相繞組的通電順序有關。6.1步進電機工作原理

6.1.1

VR型步進電機工作原理圖4.2是A相勵磁時的穩(wěn)定狀態(tài)。如果從A相切換到B相通電，轉子轉過15o，即轉過一個步距角為勵磁相數(shù)為轉子的齒數(shù)

6.1.1VR型步進電機工作原理轉子是2極（極對數(shù)１）永久磁鐵，定子上4組線圈連接成四相式：A→B→C→D，轉子每次向順時針方向旋轉90o為極對數(shù)（極數(shù)/2）6.1.2PM型步進電機工作原理

6.1.2PM型步進電機工作原理定子磁場對轉子的作用力分為∶與轉子軸線垂直的與轉子軸線平行的如果轉子轉動一圈產生的磁場力矩，用圖描繪將是一條磁場力矩和轉子位置的正弦曲線失調角電磁轉矩穩(wěn)定區(qū)域平衡點6.1.3轉子位置與轉矩的關系6.1.4電機的特點及分類特點可以實現(xiàn)數(shù)字控制位置誤差不會積累，位移與輸入的脈沖數(shù)量成正比，具有一定精度的開環(huán)系統(tǒng)可以采用開環(huán)控制具有一定的自鎖功能6.1.4電機的特點及分類可以超低速度運行，而不用加減速器抗干擾能力強，即在負載能力范圍內，轉角和轉速不受電壓大小、負載波動的影響，也不受環(huán)境溫度、沖擊、振動的影響，僅與頻率、脈沖數(shù)、步距角有關若用同一頻率的脈沖電源控制幾臺步進電機，可以實現(xiàn)多個電機的同步思考題：步進電機的轉速高低與負載大小的關系？6.1.4電機的特點及分類步距角是固定的，在步進分辨率方面缺乏靈活性在單步響應中，有較大的超調量和振蕩過載能力較差，過載時易丟步輸出功率較小，對于需要大電流的大功率電機，控制裝置和功率放大器都變得復雜、笨重、不經濟，所以步進電機的尺寸和功率都不大運動時發(fā)生共振，需要加入阻尼機構或其他補救措施6.1.4電機的特點及分類目前主要用于開環(huán)，閉環(huán)控制時所用元件和線路比較復雜不能把步進電機直接接到直流電源上，必須配有驅動電路，而驅動定路復雜、成本較高

總之，步進電機主要用于功率要求不大，負載波動范圍不大，控制精度要求不是很高，尤其應該指出的是，對于負載較小的點位控制系統(tǒng)，可以優(yōu)先選用。分類：HB,VR,PM6.1.4電機的特點及分類6.1.5步進電機的主要性能指標1）步距角：每給一個電脈沖信號，電機轉子所轉過的角度的理論值2）齒距角：相鄰兩齒中心線之間的夾角6.1.5步進電機的主要性能指標3）失調角：轉子偏離平衡位置（或零位）的角度，等于定子磁軸與轉子齒中心線之間的夾角

。4）矩角特性：電磁轉矩和失調角的關系。通常，未磁飽和時反應式步進電機的轉矩與相電流的平方呈正比，混合式步進電機的轉矩與相電流呈線性比例關系。2/3額定電流1/3額定電流電磁轉矩最大靜轉矩失調角穩(wěn)定點圖4.1一相繞組的矩角特性曲線6.1.5步進電機的主要性能指標5）最大靜轉矩：步進電機在規(guī)定的通電相數(shù)下，矩角特性曲線上的轉矩最大值。6）額定電流：電動機靜止時，每一相繞組允許通過的最大電流。7）額定電壓：驅動電源應供給的電壓，一般不等于加在繞組兩端的電壓。6.1.5步進電機的主要性能指標8）啟動頻率：步進電機不失步啟動的最高頻率，通常是指空載啟動。9）運行頻率：步進電機啟動后，不失步所達到的最高頻率，通常是指空載運行。10）啟動矩頻特性：在負載慣量一定情況下，啟動頻率隨負載轉矩變化的特性。6.1.5步進電機的主要性能指標11）運行矩頻特性：在一定的負載力矩下，運行頻率和負載轉矩之間的關系。12）慣頻特性：在負載力矩一定時，頻率和負載慣量之間的關系。慣頻特性分為啟動慣頻特性和運行慣頻特性。如圖所示。6.1.5步進電機的主要性能指標13）最大靜態(tài)位置誤差：當負載轉矩作用在步進電機上，為了使轉子保持平衡，此時轉子所停留的位置與勵磁所要求的位置存在一定的偏差，這就是負載轉矩產生的靜態(tài)位置誤差6.1.5步進電機的主要性能指標思考題：三相反應式步進電機為A-B-C-A送電方式時，電機順時針方向旋轉，步距角1.5o，請?zhí)钊胝_答案：順時針轉，步距角0.75o，送電方式應為：()逆時針轉，步距角0.75o，送電方式應為：()順時針轉，步距角1.5o，送電方式應為：()或()6.1.5步進電機的主要性能指標思考題：三相反應式步進電機,采用三相六拍工作方式，轉子有40個齒，脈沖頻率為600Hz,求寫出一個循環(huán)的通電順序求步距角求步進電機的轉速rpm

6.1.5步進電機的主要性能指標1）靜態(tài)矩角特性曲線：指不改變各項繞組的通電狀態(tài)，即一相或幾相繞組同時通以直流電流時，電磁轉矩與失調角的關系。4）穩(wěn)定區(qū)域：在負載作用下，轉子在穩(wěn)定區(qū)域內，撤除負載后，轉子仍然能回到平衡點。2）失調角：在電機上加一順時針方向的負載力矩，步進電機的轉子按順時針方向轉過一個角度θ，并重新穩(wěn)定，這是電磁轉矩和負載轉矩相等，順時針方向轉過的角度θ，叫失調角。3）電機產生的轉矩是失調角的周期函數(shù)。是以轉子齒距（齒距角）為周期重復。6.1.6步進電機的靜態(tài)特性-------矩角特性曲線失調角電磁轉矩穩(wěn)定區(qū)域平衡點靜態(tài)矩角特性曲線6.1.6步進電機的靜態(tài)特性一、穩(wěn)定平衡區(qū)和穩(wěn)定平衡點假設轉子齒數(shù)z，最大靜轉矩Timax，負載轉矩TL，則靜態(tài)位置誤差θe減小靜態(tài)位置誤差的方法：選用不同電機即改變電機的轉子的齒數(shù)z；不同的激勵方法改變Timax使用減速裝置連接負載和電機改變TL

二、最大靜轉矩對靜態(tài)位置誤差的影響6.1.6步進電機的靜態(tài)特性激勵方案的選擇總之，除三相電機外，采用多相激勵，可以提高最大丟步轉矩，即可以減小靜態(tài)位置誤差。未磁飽和時，VR產生的轉矩與相電流的平方成正比HB產生的轉矩與相電流成線性比例6.1.6步進電機的靜態(tài)特性三、機械傳動機構對靜態(tài)位置誤差的影響

用絲杠把負載（螺母）連接到步進電機上：6.1.6步進電機的靜態(tài)特性在負載要求的線性誤差相同的情況下，螺距越小，電機應許的靜態(tài)位置誤差越大。螺距越小，加在電機上的負載力矩越小。6.1.6步進電機的靜態(tài)特性即螺距越小，負載有效慣量減小了6.1.6步進電機的靜態(tài)特性6.1.7步進電機的動態(tài)特性一、運行狀態(tài)（空載）

通電順序是A-B-C-A二、運行狀態(tài)（有載）

通電順序是A-B-C-A6.1.7步進電機的動態(tài)特性失調角電磁轉矩穩(wěn)定區(qū)域平衡點啟動最大負載轉矩三、忽略了慣性，啟動時的最大負載轉矩6.1.7步進電機的動態(tài)特性思考題：步距角小、最大靜轉矩大的步進電機，啟動頻率和運行頻率高？負載轉矩和轉動慣量對電機啟動頻率和運行頻率有什么影響？圖.步進特性四、步進電機的振蕩、丟步、阻尼方法1）振蕩原因單步運行步進電機的換相頻率和轉子的特征頻率相等步進電機突然停車在停止點的前后，往往存在振蕩，這不但產生噪聲和振動，還可能帶來失步。6.1.7步進電機的動態(tài)特性2）阻尼方法步進電機在運行中，振蕩是它的固有特性，但也是在任何振動系統(tǒng)中所不希望的，所以要對振蕩進行抑制，抑制振蕩常采用各種阻尼，機械阻尼和電子阻尼。多相激勵變頻變壓阻尼細分阻尼反相阻尼頻率力矩NM0.20.40.6200300矩頻特性曲線6.1.7步進電機的動態(tài)特性3）丟步的原因轉子的速度慢于定子磁場的旋轉速度，即換相頻率太快轉子的速度快于定子磁場的旋轉速度，即定子通電的時間太長，能量過剩，轉子產生振蕩矩角特性曲線失調角電磁轉矩穩(wěn)定區(qū)域平衡點OA6.1.7步進電機的動態(tài)特性6.1.7步進電機的動態(tài)特性五、脈沖頻率對運行的影響(a)脈沖頻率很低(b)脈沖頻率增高(c)脈沖頻率很高圖

脈沖信號的畸變圖

步進電機的速度轉矩特性（頻率特性、動態(tài)特性曲線）這個特性曲線對電機而言不是固定的，隨著負載的轉動慣量和驅動電路的方式的不同，啟動區(qū)和旋轉區(qū)會大幅度發(fā)生變化6.1.7步進電機的動態(tài)特性6.2步進電機驅動環(huán)形分配器A相驅動電路B相驅動電路C相驅動電路步進電機方向電平脈沖信號復位環(huán)形分配器的作用：把脈沖信號按狀態(tài)轉換表的狀態(tài)順序產生各相的控制信號，每來一個脈沖，環(huán)形分配器就轉換一次，因此步進電機轉速、正反轉、起停完全取決于脈沖的頻率和有無。驅動電路的作用：把環(huán)形分配器輸出的各相繞組導通、截止信號放大、產生電機工作所需的激磁電流。6.2步進電機驅動6.2.1步進電機驅動的特點各相繞組都是開關工作，即脈沖式供電各相繞組都是繞在鐵芯上的線圈，所以都有較大的電感，繞組通電時電流上升受到限制，影響繞組電流的大?。ㄐ枰獪p小TL）繞組斷電時，電感將維持繞組中的已有電流不能突變，使繞組中的電流不能立即截止，為了使電流盡快衰減，必須設計續(xù)流回路。常用驅動芯片：晶體管（transistor,base,emitter,collector）MOSFET(metaloxidesemi-conductorfieldeffecttransistor)source,drain,gate6.2.1步進電機驅動的特點6.2.2單電壓驅動（只有一個電源電壓供電）一、基本單電壓驅動T---開關晶體管L---步進電機的繞組RL---繞組電阻D---續(xù)流二極管（D的作用：T從飽和突變到截止時，產生一個反電動勢，和電源疊加在一起，加在T上，易使T被擊穿，D使繞組中產生的反電勢通過二極管續(xù)流而衰減掉，保護晶體管。）6.2.2單電壓驅動第六章步進電機驅動與控制導通時，電壓平衡方程為：U/RLi1t關斷時，電壓平衡方程為：i1i2t第六章步進電機驅動與控制在導通期間，其電流的平均值：隨著電機頻率逐漸增加，T逐漸減小，繞組的平均電流逐漸降低，所以這種電路低頻時產生較大的轉矩，有較強的負載能力。這種電路在高頻時，負載能力差。一般只適合小功率電機的驅動二、單電壓串電阻U/RLi1t第六章步進電機驅動與控制改善了步進電機的高頻性能，增加了低頻振蕩，而且串接的電阻使得損耗加重，發(fā)熱嚴重，效率低。三、單電壓恒流驅動PNPT1、T2---開關狀態(tài)T3---放大狀態(tài)T1、T2---開關狀態(tài)T3---放大狀態(tài)PNP6.2.3高低壓驅動（兩個電源電壓供電）高壓電源UH：80-150V低壓電源UL：5-10V值得注意的是：在單電壓驅動中，控制信號時步進電機一相所需的方波信號。在高低壓驅動的電路中，除了需要一相所需要的方波信號外，高壓輸入信號由低壓輸入信號的前沿得到，VH、VL同步設計思想：不論工作頻率如何，在導通的前沿用高壓供電，提高電流注入繞組的前沿的上升率，提高高頻力矩；后沿用低壓維持繞組中的電流，減小低頻共振。續(xù)流回路ULUH6.2.3高低壓驅動6.2.4斬波驅動一、斬波恒流驅動（利用斬波的方法使電流恒定在額定值范圍）6.2.4斬波驅動第六章步進電機驅動與控制第六章步進電機驅動與控制由于電流在工作中恒定，所以在很大頻率范圍內輸出轉矩恒定。能量是各個脈沖時間內電壓和電流的乘積，取自電源的能量大幅度的下降，效率高。由于共振是能量過剩的結果，所以可以減小低頻振蕩。電流頂部鋸齒波有電流噪聲二、斬波平滑驅動第六章步進電機驅動與控制與單電壓驅動相比：減小TON近似看作U的減小，繞組中的電流比單電壓驅動中繞組的電流上升快，所以高頻性能比低壓的單電壓驅動好。增加TON近似看作U的增加，繞組中的電流比單電壓驅動中繞組的電流上升平緩，所以抑制了低頻性能，低頻性能比高壓的單電壓驅動好。由于電流頂部的波動而產生電磁噪聲改善電路高頻、低頻性能的方法：Vb的頻率和脈寬步進電機繞組中的電流大?。河呻娫措妷汉透哳l脈沖序列的脈寬決定三、恒頻脈寬調制驅動斬波恒流驅動由于電流頂部的波動而產生電磁噪聲，在低頻時，不會產生很大的噪聲，而當斬波頻率為幾KHZ或十幾KHZ時，有相當嚴重的噪聲，采用的措施：使斬波頻率工作在超聲頻率第六章步進電機驅動與控制V1---D觸發(fā)器的時鐘信號V2---步進電機步進信號Vref---比較電壓6.2.5細分驅動在一般情況下，根據(jù)步進電機的勵磁方式，各相繞組的電流輪流切換，從而步進電機旋轉。假設每次輸入脈沖切換時，只改變對應繞組中電流的一部分，那么轉子相應轉過原有步距角的一部分，額定電流分成多少個級別進行切換，轉子就以多少步來完成一個原有的步距角。很明顯，通過控制繞組中的電流的數(shù)值，則可以調整步進電機的步距角的大小，這種控制方式叫細分控制。步進電機繞組中的電流進行細分，在本質上把對繞組的矩形電流改為階梯電流，要求繞組中的電流以若干等幅、等寬的階梯上升到額定電流值，或以同樣的階梯從額定值下降到0。6.2.5細分驅動獲得階梯波的兩種方法：采用多路功率開關電路供電，在繞組上進行電流疊加，這種方法使功率管上的損耗小，但路數(shù)多，元件多，體積大先對脈沖信號進行疊加，在經功率管進行放大，獲得階梯電流，這種方法功率損耗大。第六章步進電機驅動與控制第六章步進電機驅動與控制一、可變細分控制驅動電路所謂“可變細分控制”是指：細分的步數(shù)可以控制。D/A電路：把單片機的數(shù)據(jù)（00H-FFH,00H-3FFH）轉換為模擬量Vin放大電路A：把Vin放大為VA,使單片機輸出最大數(shù)字量時對應電機的額定電流。比較放大電路：把繞組采樣得到的電壓Ve和電壓VA比較，產生調整量Vb，以控制繞組的電流iL單片機：根據(jù)細分步距，分別送出十六進制數(shù)。在細分時，要求每個階梯的電流等差值，這樣細分的步數(shù)必須能對255整除，顯然這時細分的階梯只能為3、5、15、17、51、85。細分3步，則每次的突變量：85（55H）細分5步，則每次的突變量：51（33H）細分15步，則每次的突變量：17（11H）依次類推……..第六章步進電機驅動與控制細分控制的過程分為3步：恒流原理細分控制瞬間響應值得注意：要求功率管工作在線性區(qū)，效率低二、數(shù)字脈寬調制（pulsewidthmodulation）