1、2 機電傳動控制系統中的控制電動機控制電動機一般用于自動控制、隨動系統以及計算裝置中，它是在一般旋轉電動機的基礎上發展起來的小功率電動機，其電磁過程及所遵循的基本規律與一般旋轉電動機沒有本質區別，只是所起的作用不同：傳動電動機主要是將電能轉換為機械能，以達到拖動生產機械的目的，因此需要具有較高的力能指標，如輸出轉矩、傳動效率和功率因數等；而控制電動機則主要用來完成控制信號的傳遞和變換，要求技術性能穩定可靠、動作靈敏、精度高、體積小、重量輕、耗能少等。事實上，傳動電動機與控制電動機之間并無嚴格的界限， 同一臺電動機有時既起到控制電動機的作用，也起到傳動電動機的作用。2.1 伺服電動機伺服電動機又

2、稱為執行電動機，是控制電動機中的一種。它在控制系統中用作執行元件，將輸入的受控電壓信號轉換電動機軸上的角位移或角速度等機械信號輸出。按控制電壓來分，伺服電動機分為直流伺服電動機和交流伺服電動機兩大類。直流伺服電動機的輸出功率一般為1600W，也可達數千瓦，多用于功率較大的控制系統中。交流伺服電動機的輸出功率較小，一般在100W以下，常用于功率較小的控制系統中。2.1.1直流伺服電動機及其控制1直流伺服電動機的種類和結構直流伺服電動機的品種很多。按勵磁方式，直流伺服電動機可分為電磁式和永磁式兩種；按控制方式，可分為磁場控制和電樞控制方式；按電樞形式，可分為一般電樞式、無槽電樞式、繞線盤式和空心杯

3、電樞式等。為了避免電刷和換向器的接觸，還有無刷直流伺服電動機。 1）普通型直流伺服電動機根據勵磁方式普通型直流伺服電動機分為電磁式和永磁式兩種：電磁式直流伺服電動機的定子磁極上裝有勵磁繞組，勵磁繞組接勵磁控制電壓產生磁通，它實質上就是他勵直流電動機；永磁式直流伺服電動機的定子磁極是由永久磁鐵或磁鋼制成，其磁通不可控。這兩種直流伺服電動機的性能接近，慣性比其他類型直流伺服電動機的大。與普通直流電動機相同，直流伺服電動機的轉子一般由硅鋼片疊壓而成。轉子外圓有槽，槽內裝有電樞繞組，繞組通過電刷和換向器與電樞控制電路相連。為了提高控制精度和響應速度，伺服電動機的電樞鐵芯長度與直徑之比要比普通直流電動機

4、的大，定子和轉子間的空氣隙也較小。2）無槽電樞直流伺服電動機與普通伺服電動機不同的是，無槽電樞直流伺服電動機的電樞鐵芯上不開齒槽，是光滑圓柱體，電樞繞組直接用環氧樹脂粘在電樞鐵芯表面，氣隙較大，其結構如圖2.1所示。圖2.1無槽電樞直流伺服電動機結構3）空心杯電樞直流伺服電動機空心杯電樞直流伺服電動機有兩個定子，一個是由軟磁材料制成的內定子，另一個是由永磁材料制成的外定子，外定子用于產生磁通，而內定子主要起導磁作用。電樞繞組用環氧樹脂澆注成空心杯形，在內、外定子間的氣隙中旋轉。圖2.2是空心杯電樞直流伺服電動機的結構圖。圖2.2空心杯電樞直流伺服電動機結構4）盤型電樞直流伺服電動機盤型電樞直流

5、伺服電動機的電樞由線圈沿轉軸的徑向圓周排列，并用環氧樹脂澆注成圓盤型。定子由永久磁鐵和前、后鐵軛共同組成，磁鐵可以在圓盤電樞的一側或兩側。盤型繞組中通過的電流是徑向的，而磁通是軸向的，二者共同作用而產生電磁轉矩，從而使伺服電動機旋轉。圖2.3是盤型電樞直流伺服電動機的結構圖。圖2.3盤型電樞直流伺服電動機結構與普通型直流伺服電動機相比，無槽電樞、空心杯電樞和盤型電樞直流伺服電動機的轉動慣量和機電時間常數小，因此動態特性較好，適用于需要快速動作的直流伺服系統。5）無刷直流伺服電動機無刷直流伺服電動機由電動機主體、位置傳感器、晶體管開關電路三部分組成。電動機主體由具有二極或多極結構的永久磁鐵轉子和

6、一個多相式電樞繞組定子組成。晶體管開關電路和位置傳感器代替了電刷和換向器，位置傳感器是由傳感器轉子和傳感器定子繞組串聯而成的無機械接觸的檢測裝置，用于檢測轉子位置，其信號決定了開關電路中各功率元件的導通和截止狀態。這種電動機既保持了一般直流伺服電動機的優點，又克服了電刷和換向器帶來的缺點，使用壽命長，噪聲低，適用于要求噪聲低、對無線電不產生干擾的控制系統。2直流伺服電動機的控制特性直流伺服電動機的機械特性公式與他勵直流電動機的相同，即 （2.1）式中，Uc電樞控制電壓；R電樞回路電阻；每極磁通；Ke、Kt電動機結構常數。由此可見，通過改變電樞控制電壓Uc或磁通都可以控制直流伺服電動機的轉速，前

7、者稱為電樞控制，后者稱為磁場控制。電樞控制具有響應迅速、機械特性硬、調速特性線性度好的優點，因此在實際應用中大多采用電樞控制方式，而很少采用磁場控制，磁場控制只是在功率很小的場合采用。對于永磁式直流伺服電動機，則只能采用電樞控制。針對式（2.1）考慮以下兩種特殊情況：轉矩為零：此時的電動機轉速稱為直流伺服電動機的理想空載轉速，它僅與電樞電壓Uc有關，并與之成正比。轉速為零：此時的電動機轉矩稱為電動機的堵轉轉矩，它也僅與電樞電壓Uc有關，并與之成正比。由此可以得到不同電樞電壓下的直流伺服電動機的機械特性曲線，如圖2.4所示。從圖2.4可以看出，不同電樞電壓下的直流伺服電動機的機械特性曲線是一組平

8、行線，在一定負載轉矩下，如果磁通不變，升高電樞電壓Uc，則電動機的轉速上升，反之，轉速下降；當電樞電壓為零時，電動機立即停止，因此不會產生自轉現象。圖2.4 直流伺服電動機的機械特性目前，直流伺服電動機常用晶閘管直流調速驅動和晶體管脈寬調制（PWM）調速驅動兩種方式。晶閘管直流調速驅動通過調節觸發裝置控制晶閘管的導通角來移動觸發脈沖的相位，以改變整流電壓的大小，使直流伺服電動機電樞電壓發生變化，從而實現平滑調速。由于晶閘管本身的工作原理和交流電源的特點，晶閘管導通后利用交流過零來關閉，因此在整流電壓較低時，其輸出是很小的尖峰值的平均值，這就導致了電流的不連續性。圖2.5是晶閘管直流調速驅動系統

9、，其中CF為晶閘管觸發電路，KZ為晶閘管觸整流電路，L為整流線圈。圖2.5 晶閘管直流調速驅動如圖2.6所示，PWM直流調速驅動是在電樞回路中串入功率晶體管或晶閘管，功率晶體管或晶閘管工作在開關狀態，這樣就在電動機電樞兩端得到一系列矩形波，矩形波電壓的平均值就是電動機的工作電壓，改變矩形波的脈沖寬度或周期，就可以改變平均電壓的大小，從而達到控制轉速的目的。采用PWM調速驅動系統，其開關頻率較高（通常達20003000Hz），伺服機構能夠響應的頻帶范圍也較寬。與晶閘管直流驅動相比，其輸出電流脈動非常小，接近于純直流。圖中KZ為晶閘管整流電路，L為整流線圈。 圖2.6 PWM直流調速驅動3.直流伺

10、服電動機的特點直流伺服電動機主要有以下優點：穩定性好：直流伺服電動機具有較硬的機械特性，因此能夠在較寬的速度范圍內穩定運行。可控性好：直流伺服電動機具有線性的調節特性，通過控制電樞電壓的大小和極性，可以控制直流伺服電動機的轉速和轉動方向；當電樞電壓為零時，由于轉子慣量很小，因此直流伺服電動機能立即停止。響應迅速：直流伺服電動機具有較大的起動轉矩和較小的轉動慣量，在控制信號輸入、增加、減小或消失的瞬間，直流伺服電動機能夠快速起動、增速、減速或停止。2.1.2交流伺服電動機及其控制1. 交流伺服電動機的種類和特點交流伺服電動機分為同步型（SM）和感應型（IM）兩種。同步型伺服電動機實質上是采用永磁

11、結構的同步電動機，又稱為無刷直流伺服電動機。它具有直流伺服電動機的全部優點，轉矩產生機理與直流伺服電動機相同，但是沒有接觸換向部件。同步型伺服電動機需要編碼器等檢測裝置來檢測磁鐵轉子的位置。感應型伺服電動機指籠形感應電動機，它可以將定子電流矢量分解為產生磁場的勵磁電流分量和產生轉矩的轉矩電流分量分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位。2. 交流伺服電動機的結構交流伺服電動機一般是兩相交流電動機，由定子和轉子兩部分組成。兩相定子繞組在空間相差電角度，其結構完全相同，但作用不同：一個繞組作勵磁之用，稱為勵磁繞組（WF），而另一個作控制之用，稱為控制繞組（WC）。兩相交流伺服電動機的轉子一般有

12、籠形和杯形兩種結構形式。籠形轉子和三相鼠籠式異步電動機的轉子結構相似，采用高電阻率材料如黃銅、青銅或鎳鋁等制成。杯形轉子通常用鋁合金或銅合金制成空心薄壁圓筒，放置在內定子和外定子之間。從實質上講，杯形轉子只是籠形轉子的一種特殊形式。為了降低轉動慣量，這兩種形式的轉子都制成細而長的形狀，而且電阻都做得比較大，其目的是使電動機在控制繞組不施加電壓時能及時制動，以防止發生“自轉”。目前用得最多的是籠形轉子的交流伺服電動機。3. 交流伺服電動機的工作原理兩相交流伺服電動機以單相電容式異步電動機原理為基礎，其工作原理如圖2.7所示。圖中，為勵磁電壓，為控制電壓，二者均為交流，且頻率相同，但相位相差。勵磁

13、繞組WF接到交流電網上，控制繞組WC接到控制電壓上。在沒有控制信號時，電動機氣隙中只有勵磁繞組產生的脈動磁場，因此轉子靜止不動。當有控制信號輸入時，兩相繞組中分別流過在相位上相差的勵磁電流和控制電流，從而在電動機的氣隙中產生旋轉磁場。該磁場與轉子中的感應電流相互作用而產生電磁轉矩，帶動轉子以一定的轉速轉動起來。由于電動機的轉動方向與旋轉磁場的方向相同，因此當控制電壓反相時，伺服電動機便反向旋轉。 圖2.7 兩相交流伺服電動機根據單相異步電動機的原理，在電動機開始轉動以后，如果取消控制電壓而僅由勵磁電壓單相供電，電動機仍將按原來的運行方向繼續轉動，即存在“自轉”現象，這就意味著對電動機失去控制作

14、用，必須采取措施加以克服。為了消除自轉現象，需要將電動機的轉子電阻設計得很大，以便在電動機單相運行時，最大電磁轉矩出現在臨界轉差率Sm>1的地方，如圖2.8所示。圖中曲線1為時交流伺服電動機的機械特性曲線，曲線2和3分別為去掉控制電壓后，由脈動磁場分解的正、反兩個旋轉磁場所產生的轉矩曲線，曲線4為單相運行時的合成轉矩曲線。很顯然，單相運行時的機械特性曲線與異步電動機的機械特性曲線不同，它位于第二和第四象限內，這就意味著在去掉控制電壓而僅由勵磁電壓單相供電時，電磁轉矩的方向始終與轉子轉向相反，所以是一個制動轉矩。由于存在制動轉矩，轉子能夠迅速停轉，從而避免了自轉現象的產生。與同時取消兩相電

15、壓、僅憑摩擦實現制動相比，此時停轉所需要的時間要少得多。因此，在兩相交流伺服電動機工作時，勵磁繞組應始終接在電源上。圖2.8 交流伺服電動機的機械特性4. 交流伺服電動機的控制兩相交流伺服電動機的轉速和轉向不但與勵磁電壓和控制電壓的幅值有關，而且還與勵磁電壓和控制電壓間相位差的大小有關，因此在勵磁電壓、控制電壓以及它們之間的相位差三個量中，任意改變其中的一個或兩個都可以實現電動機的控制。兩相交流伺服電動機的控制方法有三種，分別是幅值控制、相位控制和幅相控制。1）幅值控制幅值控制是指保持勵磁電壓和控制電壓相位差為，通過改變控制電壓幅值來控制電動機的轉速。圖2.9是幅值控制時伺服電動機的一種接線圖

16、，適當選擇電容C ，使和相位差為。使用時勵磁電壓保持為額定值；改變電阻R的大小，即改變控制電壓的幅值，使之在零與額定值之間變化。圖2.10所示是不同控制電壓下交流伺服電動機的機械特性曲線。從圖中可以看到，不同的控制電壓對應著不同的轉速，在一定負載轉矩下，控制電壓越高，電動機的轉速也就越高。圖2.9 幅值控制接線圖 圖2.10 不同控制電壓下的機械特性2）相位控制與幅值控制不同，相位控制時控制電壓和勵磁電壓均為額定值，通過改變控制電壓和勵磁電壓之間的相位差實現伺服電動機的控制。設控制電壓和勵磁電壓的相位差為，的范圍為090º。當=0º時，伺服電動機的轉速為0；當=90

17、6;時，伺服電動機的轉速最大；當在090º之間變化時，伺服電動機的轉速由低向高變化。相位控制接線圖如圖2.11所示。圖2.11相位控制接線圖3）幅相控制幅相控制對控制電壓的幅值、控制電壓和勵磁電壓之間的相位差都進行控制。由圖2.12可以看出，這種控制方法是將勵磁繞組串聯電容C后接到交流電源上。當控制電壓的幅值改變時，勵磁繞組中的電流隨之發生變化，勵磁電流的變化引起電容C端電壓的變化，從而使控制電壓和勵磁電壓之間的相位角發生改變。可見，幅相控制只需一個串聯電容，而不需要復雜的移相裝置，設備組成簡單。圖2.12 幅相控制接線圖2.2 步進電動機 步進電動機是將電脈沖控制信號轉換成機械角位

18、移或直線位移的一種控制電動機。在驅動電源的作用下，步進電動機每接受一個電脈沖，轉子就轉過一個相應的角度（步距角）。電動機轉子角位移的大小和轉速的高低分別與輸入的控制電脈沖數量及其頻率成正比，而電動機的轉向與繞組通電相序有關，因此，通過控制輸入電脈沖的數目、頻率及電動機繞組通電相序，就可獲得所需要的轉角、轉速及轉向，所以利用微型計算機很容易實現步進電動機的開環數字控制。2.2.1步進電動機的分類和工作原理步進電動機通常可分為三種類型，即反應式（VR）、永磁式（PM）和混合式（HB）步進電動機。此外，目前又出現了新的步進電動機類型，如直線步進電動機和平面步進電動機。1. 反應式步進電動機反應式步進

19、電動機的定子和轉子均由軟磁材料制成，是一種利用磁阻的變化產生反應轉矩的步進電動機，因此又稱為可變磁阻式步進電動機。反應式步進電動機的原理圖如圖2.13所示。從圖中可以看出，電動機的定子上有六個磁極，每個磁極上都裝有控制繞組，每兩個相對的磁極構成一相。轉子上均勻分布有四個齒，轉子齒上沒有繞組。當A相控制繞組通電、B相和C相不通電時，定子A相磁極產生磁通，而這個磁通要經過磁阻最小的路徑形成閉合磁路。轉子與定子間的相對位置不同，磁路的磁阻也不同：當齒-齒相對時，磁路的磁阻最小；當齒-槽相對時，磁路的磁阻最大。因此，轉子齒1、3將與定子的A相磁極對齊，如圖2.13a所示。若A相斷電、改為B相通電時，B

20、相磁極產生的磁通同樣也要經過磁阻最小的路徑形成閉合磁路，于是轉子逆時針轉過，使轉子齒2、4和定子的B相磁極對齊，如圖2.13b所示。如再使B相斷電、改為C相通電時，轉子又將逆時針轉過，使轉子齒1、3和定子的C相磁極對齊，如圖2.13c所示。如果按照ABCA的順序循環往復地通電，步進電動機將按一定的速度沿逆時針方向一步步地轉動。當按照ACBA的順序通電時，則步進電動機的轉動方向將變為順時針方向。圖2.13 三相單三拍反應式步進電動機工作原理在步進電動機的控制過程中，定子繞組每改變一次通電方式，稱為一拍。上述的通電控制方式在每次切換前后只有一相繞組通電，并且經過三次切換使控制繞組的通電狀態完成一次

21、循環，故稱為三相單三拍。此外，三相步進電動機還有三相雙三拍、三相六拍通電方式。在三相雙三拍通電方式中，控制繞組的通電順序為A BB CC AA B（轉子逆時針旋轉）或A CC BB AA C（轉子順時針旋轉）。對于三相六拍通電方式，控制繞組的通電順序為AABBB CCC AA（轉子逆時針旋轉）或AA CCC BBBAA（轉子順時針旋轉），如圖2.14所示，轉子的具體運轉情況請讀者自行分析。 圖2.14 三相六拍反應式步進電動機工作原理通過步進電動機工作原理的分析可以看出，對于同一臺三相步進電動機，其通電方式不同，則步距角也不相同：單三拍和雙三拍的步距角為，而六拍的步距角為。因此，在采用三相六拍

22、通電方式時，步進電動機的步距角是三相單三拍和三相雙三拍時的一半。步進電動機的步距角與轉子齒數、控制繞組的相數和通電方式有關，可由下式計算： （2.2）式中，m步進電動機的相數，對于三相步進電動機，m=3； K通電狀態系數，單三拍或雙三拍時，K=1；六拍時，K=2； Z步進電動機轉子的齒數。步進電動機的轉速可通過下式計算： （2.3）式中，n步進電動機的轉速（r/min）； f步進電動機的通電脈沖頻率，即每秒的拍數（或步數）（脈沖/s）。由式（2.2）和（2.3）可以看出，步進電動機的相數和轉子齒數越多，則步距角越小；在一定的脈沖頻率下，電動機的轉速也就越低。2.永磁式步進電動機永磁式步進電動機

23、的轉子一般使用永磁材料制成，故得此名。如圖2.15所示是永磁式步進電動機的典型原理結構圖，轉子為一對或幾對磁極的星形磁鋼，定子上繞有兩相或多相繞組，電源按正負脈沖供電。當定子A相繞組正向通電時，在A相的A(1)、A（3）端產生S極， A(2)、A（4）端產生N極。基于磁極同性相斥、異性相吸原理，轉子位于圖2.15a所示的位置上。當A相斷電、改為B相繞組正向通電時， B相的B(1)、B（3）端產生S極， B(2)、B（4）端產生N極，轉子將順時針旋轉至圖2.15b所示的位置。當B相斷電、改為A相負向通電時，A相的A(1)、A（3）端產生N極， A(2)、A（4）端產生S極，轉子繼續順時針旋轉至圖

24、2.15c所示的位置。當A相斷電、改為B相負向通電時，B相的B(1)、B（3）端產生N極， B(2)、B（4）端產生S極，轉子繼續順時針旋轉至圖2.15d所示的位置。圖2.15 永磁式步進電動機原理結構圖按上述AB單四拍方式循環通電，轉子便連續旋轉。也可按A BBA雙四拍方式通電，步距角均為。當按照AA BBBA八拍方式通電時，步距角為。對于永磁式步進電動機，若要減小步距角，可以增加轉子的磁極數和定子的齒數，然而轉子制成NS相間的多對磁極十分困難，加之必須相應增加定子極數和定子繞組線圈數，這些都將受到定子空間的限制，因此永磁式步進電動機的步距角一般都較大。3混合式步進電動機混合式步進電動機在永

25、磁和變磁阻原理的共同作用下運轉，也可稱為永磁感應式步進電動機。它兼具了反應式步進電動機步距角小、起動頻率和運行頻率高的優點以及永磁式步進電動機勵磁功率小、無勵磁時具有轉矩定位的優點，成為目前市場上的主流品種。和永磁式步進電動機相同的是，這類電動機要求電源提供正負脈沖。圖2.16是混合式步進電動機的剖面圖，其中圖2.16a是電動機軸向剖面圖，圖2.16b是電動機x、y方向的剖面圖。由圖中可以看出，電動機轉子上裝有一個軸向磁化永磁體，用來產生一個單向磁場。轉子分為兩段，一段經永磁體磁化為S極，另一段則磁化為N極，每段轉子齒以一個齒距間隔均勻分布，但是兩段轉子的齒之間相互錯開1/2個轉子齒距。定子上

26、有8個磁極，每相繞組分別繞在4個磁極上，圖中A相繞組繞在1、3、5、7磁極上，B相繞組繞在2、4、6、8磁極上，每相相鄰磁極上的繞組以相反方向纏繞，以便使相鄰磁極產生方向相反的磁場。圖2.16 混合式步進電動機剖面圖2.2.2步進電動機的特點步進電動機具有以下幾個基本特點：1.易于實現數字控制步進電動機嚴格受數字脈沖信號的控制，因此易于與微機接口，實現數字控制。1）步進電動機的輸出角位移與輸入脈沖數成正比，即式中，電動機轉子轉過的角度（º）； N控制脈沖數； 步距角（º）。2）步進電動機的轉速與輸入脈沖頻率成正比，即 3）步進電動機的轉動方向可以通過改變繞組通電相序來改變。

27、2具有自鎖能力步進電動機具有自鎖能力，當停止輸入脈沖時，只要某些相的控制繞組仍保持通電狀態，電動機就可以保持在該固定位置上，從而使步進電動機實現停車時轉子定位。3抗干擾能力強步進電動機的工作狀態不易受到各種干擾因素（如電源電壓波動，電流的幅值與波形的變化，環境溫度變化等）影響，只要這些干擾未引起“失步”，步進電動機就可以繼續正常工作。4步距角誤差不會長期累積從理論上講，每一個脈沖信號應使步進電動機的轉子轉過相同的角度，即步距角。但是實際上，由于定子、轉子的齒距分度不均勻，或定子、轉子之間的氣隙不均勻等原因，實際步距角和理論步距角之間存在偏差，即步距角誤差。當轉子轉過一定步數以后，步距角會產生累

28、積誤差，但是由于步進電動機每轉一周都有固定的步數，因此當轉子轉過360º后又恢復原來位置，累積誤差將變為零，所以步進電動機的步距角只有周期性誤差，而無累積誤差。5. 多用于構成開環控制系統步進電動機可以用于開環和閉環兩種控制系統。當步進電動機用于開環控制時，由于無需位置和速度檢測反饋裝置，因此結構簡單，使用維護方便，并且可以可靠地獲得較高的位置精度，因此被廣泛地用于構成開環位置伺服系統。2.2.3步進電動機的運行特性和性能指標1.步距角步距角是指在一個電脈沖的作用下，步進電動機轉子所轉過的角度，可由式（2.2）計算。步距角是步進電動機的主要性能指標之一，步距角越小，步進電動機的位置精

29、度越高。步進電動機一旦選定后，其步距角就固定不變，可以通過改變通電方式來獲得兩種步距角。反應式步進電動機的步距角一般為0.6°/1.2°，0.75°/1.5°，0.9°/1.8°，1°/2°，1.5°/3°，而采用微機控制、由變頻器三相正弦電流供電的混合式步進電動機的步距角可達到0.036°，這就意味著電動機每旋轉一轉需要10000步。2.矩角特性和最大靜轉矩在空載狀態下，步進電動機的某相繞組通以直流電流，轉子齒的中心線與定子齒的中心線相重合，轉子上沒有轉矩輸出，此時的位置稱為轉子初始

30、穩定平衡位置。如果在電動機轉子軸上施加負載轉矩TL，轉子齒將偏離初始平衡位置一定角度e后才重新穩定下來。此時，電動機的電磁轉矩Tj與負載轉矩TL相等。轉矩Tj稱為靜態轉矩，e稱為失調角，Tj與e之間的關系稱為矩角特性。由如圖2.17所示的矩角特性曲線可以看出，當e=±時，靜態轉矩最大，稱為最大靜轉矩Tjmax。圖2.16 步進電動機的矩角特性最大靜轉矩是步進電動機最主要的性能指標之一，它反映了步進電動機帶負載的能力，Tjmax越大，電動機帶負載能力越大，運動的快速性和穩定性越好。步進電動機的負載轉矩必須小于Tjmax，否則將無法帶動負載。為了使電動機能夠穩定運行，TL一般只能是Tjm

31、ax的30%50%。3.起動轉矩Tq在單相勵磁時，步進電動機從靜止狀態突然起動并且不失步運行所能帶動的最大負載轉矩為起動轉矩。起動轉矩必須大于負載轉矩，否則步進電動機將無法起動。Tq可通過最大靜轉矩Tjmax折算求得，Tq和Tjmax之間的數值關系與步進電動機的相數和通電方式有關，如對于三相反應式步進電動機，單三拍和雙三拍時，Tq/Tjmax均為0.5，六拍時為0.87。4.慣頻特性和起動頻率在空載的情況下，步進電動機由靜止狀態突然不失步起動的最高脈沖頻率稱為空載起動頻率或空載突跳頻率。它是反映步進電動機動態響應性能的重要指標，起動頻率越高，表明電動機的響應速度越快。起動頻率與傳動系統的轉動慣

32、量有關，包括步進電動機轉子的轉動慣量以及其他運動部件折算到電動機軸上的轉動慣量。負載轉動慣量越小，在相同的電磁轉矩的作用下，角加速度越大，起動頻率越高。起動頻率與負載轉動慣量之間的關系為步進電動機的慣頻特性，如圖2.18所示。此外，起動頻率還和步進電動機的最大靜轉矩有關，Tjmax越大，起動頻率越高。事實上，步進電動機大多是在帶負載的情況下起動的。在帶負載起動時，隨著負載慣量的增加，起動頻率顯著下降，這時的起動頻率稱為負載起動頻率。很顯然，負載起動頻率將低于空載起動頻率，一般為空載起動頻率的5080%。圖2.18 步進電動機的慣頻特性5.最高連續運行頻率在步進電動機起動后，當脈沖頻率逐漸連續上

33、升時能不失步運行的最高脈沖頻率稱為最高連續運行頻率。它會受到轉動慣量以及步進電動機繞組電感和驅動電源電壓的影響，轉動慣量主要影響運行頻率連續升降的速度，而步進電動機的繞組電感和驅動電源的電壓則影響運行頻率的上限。由于步進電動機在運行中不但要克服負載轉矩，而且還要克服軸上的慣性轉矩，因此在實際應用中，最高連續運行頻率要比起動頻率高許多。6.矩頻特性和動態轉矩步進電動機在連續運行狀態下所產生的輸出轉矩為動態轉矩，它隨控制脈沖頻率的不同而改變。矩頻特性反映了步進電動機在負載轉動慣量一定且穩定運行時，動態轉矩與控制脈沖頻率之間的關系。由圖2.19可以看出，步進電動機的動態轉矩隨控制頻率的升高而逐漸下降

34、，這是因為步進電動機的繞組為感性負載，在繞組通電時，電流緩慢上升；繞組斷電時，電流緩慢下降。隨著脈沖頻率的升高，電流波形的前后沿占通電時間的比例增大，因此頻率越高，平均電流越小，輸出轉矩也就越小。當脈沖頻率高到一定程度時，步進電動機的輸出轉矩小到不足以克服自身的摩擦轉矩和負載轉矩，其轉子就會在原位振蕩而不能作旋轉運動，這就是所謂的失步或堵轉。從圖2.19還可以看出，在低頻區，矩頻特性曲線比較平坦，步進電動機基本保持額定轉矩；而在高頻區，矩頻特性曲線急劇下降，說明步進電動機的高頻特性較差。因此步進電動機在從靜止狀態到高速旋轉需要有一個加速過程，從高速旋轉狀態到靜止同樣也要有一個減速過程。如果在運

35、行過程中沒有加、減速過程或加、減速不當，步進電動機都將出現失步現象。圖2.19 步進電動機的矩頻特性2.2.4步進電動機的驅動與控制步進電動機的運行特性不但與電動機本身的特性有關，而且還與配套使用的驅動電源（或驅動器）有密切關系，步進電動機的性能是由電動機和驅動電源相互配合反映出來的，因此，驅動電源在步進電動機控制系統中占有相當重要的地位。步進電動機的驅動電源一般由脈沖信號發生器、環形脈沖分配器和功率放大器組成。脈沖信號發生器（微型計算機，數控裝置或專門的硬件電路）準確地輸出一定數量和頻率的脈沖，通過環形脈沖分配器按一定的順序分配給步進電動機各相繞組，再利用功率放大器對環形分配器的輸出信號進行

36、功率放大，得到驅動步進電動機控制繞組所需要的脈沖電流和脈沖波形，從而使步進電動機的轉角、轉速及轉動方向得到控制。1. 環形脈沖分配器步進電動機實現環形脈沖分配的方法有硬件和軟件兩種方法。1）硬件環形分配器硬件環形分配器可分為集成電路型、專用芯片型和可編程邏輯器件型。圖2.20是采用小規模集成電路搭接而成的三相六拍環形分配器，它有三個雙穩態觸發器C1C3，其余為與非門。脈沖信號加到脈沖分配器的脈沖輸入端CP，步進電動機的旋轉方向由正、反轉控制信號決定。該電路的初始狀態是C相導通。當正向控制端加高電平、反向控制端加低電平時，在CP端輸入第一個脈沖，觸發器C1翻轉。此時，步進電動機的A、C相同時通電

37、、B相斷電。在第二個脈沖到來時，C3翻轉，于是A相通電、B相和C相同時斷電。如果不斷地輸入脈沖，步進電動機繞組將按CCAAABBBCC的順序通電，且正向旋轉。反之，當反向控制端加高電平、正向控制端加低電平時，步進電動機繞組則按CCBBBAAACC的順序通電，且反向旋轉。圖2.20 三相六拍環形分配器這種環形分配器需要根據步進電動機的相數和通電方式進行設計，靈活性大，可搭接任意相數、任意通電方式的環形分配器，但是電動機相數過多時會導致電路十分復雜。目前廣泛使用的是專用集成電路芯片和通用可編程邏輯器件組成的環形分配器。利用專用芯片實現環形分配，接口簡單，使用方便，可靠性好。而在利用PAL、GAL等

38、通用可編程邏輯器件構成環形分配器時，結構更加簡單，性能更好。專用環形分配芯片的種類有很多，如CH250（雙三拍或六拍三相步進電動機）、PMM8713（三相或四相步進電動機）、PMM8714（五相步進電動機）等。圖2.21和圖2.22分別為CH250三相六拍接線圖和PMM8713雙四拍接線圖，表2.1和表2.2分別為CH250和PMM8713的主要端子功能說明。 圖2.21 CH250三相六拍接線圖圖2.22 PMM8713雙四拍接線圖表2.1 CH250主要端子功能端子功能說明UD、US電源端A、B、C三相勵磁信號輸出端R、R*確定初始勵磁相R=0、R*=1時，A、B、C的初始勵磁相為1 1

39、0；R=1、R*=0時，A、B、C的初始勵磁相為1 0 0；R=0、R*=0時，環形分配器工作。CL、EN進給脈沖輸入端若EN=1，則進給脈沖接CL端，脈沖上升沿使環形分配器工作；若CL=0，則進給脈沖接EN端，脈沖下降沿使環形分配器工作。否則，環形分配器狀態鎖定。J3R、J3L三相雙三拍正、反轉控制端J6R、J6L三相六拍正、反轉控制端表2.2 PMM8713主要端子功能端子功能說明VDD、VSS電源CK時鐘脈沖雙四拍工作方式時，電動機的轉速由CK的脈沖輸入頻率決定U/D正、反轉切換若U/D=1，電動機正轉；若U/D=0，電動機反轉。電動機正、反轉也可采用脈沖控制方法，即通過CU、CD端子控

40、制。CU、CD電動機正、反轉脈沖輸入CU端輸入的脈沖使電動機正轉，CD端輸入的脈沖使電動機反轉。此時，CK和U/D端同時接地。C切換電動機相數分配器用于三相電動機時，C=0；用于四相電動機時，C=114脈沖輸出EAEB勵磁方式選擇12相勵磁時，EA=EB=1；2相勵磁時，EA=EB=0；1相勵磁時，EA和EB一端為1，另一端為0。復位端=0時，14均為1，此時步進電動機鎖住不動。2）軟件環形分配器不同種類、不同相數、不同通電方式的步進電動機都必須配備不同的環形分配器。而硬件環形分配器只能適用于某種相數或某種通電方式的步進電動機，在使用時有很大的局限性。為了充分利用計算機軟件資源，降低硬件成本，

41、可采用軟件環形分配器，即編制不同的環形分配程序，將其存入程序存儲器，通過調用不同的程序段就可控制不同相數的步進電動機按不同的通電方式工作。以三相步進電動機為例，三相六拍通電方式所對應的環形脈沖分配狀態如表2.3所示。將表中的狀態代碼01H06H放在順序存儲單元中，通過軟件依次訪問這些存儲單元，這樣就可以將表中的狀態代碼順序提取出來，并通過輸出接口輸出，以控制步進電動機運動。通過正向或反向順序讀取代碼，可控制步進電動機正轉或反轉；通過控制讀取時間間隔，即可控制步進電動機的轉速。表2.3 三相六拍環形脈沖分配表轉向CBA代碼通電相轉向正轉00101HA反轉01103 HAB01002 HB1100

42、6 HBC10004 HC10105 HCA00101HA2. 功率放大電路一般來說，步進電動機定子繞組的電流為幾安培十幾安培，而從環形分配器來的脈沖電流信號只有幾毫安，不足以驅動步進電動機運動，因此需要采用功率放大電路將環形分配器送來的脈沖電流進行放大，并獲得較為理想的矩形脈沖波形。但是，由于步進電動機繞組有很大的電感，因此要想做到這一點并不容易。可見，功率放大電路對步進電動機的運行性能有很大影響。最早應用的功率放大電路是單電壓功率放大電路，其功率消耗大、輸出脈沖波形較差，現在已較少使用。后來又出現了雙電壓（高低壓）功率放大電路、斬波恒流功率放大電路、調頻調壓功率放大電路等，其電路分別如圖2

43、.23圖2.26所示。在實際應用中，步進電動機的每相繞組都要接一個功率放大電路。在電動機工作過程中，單電壓功率放大電路只有一個方向的電壓對繞組供電，而高低壓功率放大電路可以提供兩種電壓，一種是高電壓，一般為80V左右；另一種是低電壓，一般不超過20V。這種電路常用于大功率步進電動機的驅動，起動轉矩和運行頻率高，但是低頻時振蕩嚴重，運行平穩性較差，輸出轉矩下降。斬波恒流功率放大電路雖然復雜，但是繞組中的脈沖電流波形好，而且可以使步進電動機在較大的頻率范圍內都輸出恒定的轉矩。調頻調壓功率放大電路可以使驅動電源為繞組提供的電壓與步進電動機運行頻率建立直接的聯系，即低頻時用低壓，高頻時用高壓，從而避免

44、低頻運行時可能出現的振蕩。圖2.23 單電壓功率放大電路圖2.24 高低壓功率放大電路圖2.25 斬波恒流功率放大電路圖2.26 調頻調壓功率放大電路3. 步進電動機細分驅動前面提到的步進電動機驅動是利用環形分配器進行脈沖環形分配，控制步進電動機各相繞組的導通或截止，從而使電動機產生步進式運動。步進電動機的運動精度和步距角有關，但是步距角的大小受到電動機結構的限制，而小步距角電動機加工比較困難。目前，為了使步進電動機有更小的步距角，滿足生產機械控制精度的要求，通常采用細分步距角的方法，其具體做法是：在每次輸入脈沖切換時，不是將繞組電流全部通入或切除，而是只改變繞組中額定電流的一部分，從而使步進

45、電動機轉子在每步運動時只轉過步距角的一部分。這種將一個步距角細分為若干小步、每一小步只有步距角的一部分的驅動方法稱為細分驅動。細分驅動的特點是：在不改變電動機結構參數的情況下，使步距角減小，實現精確定位。由于步進電動機在細分狀態下步距角變小，轉子達到新的穩定位置時所具有的動能也變小，從而使振動顯著減小。由于采用細分驅動后，電動機繞組中的電流不是由零跳升到額定值，而是經過若干小步的變化后才達到額定值，同樣也不是由額定值陡降至零，而是經過若干小步才達到零，所以繞組中各相電流的變化比較均勻，能夠使電動機運行平穩，并在任何位置停步。因此，細分驅動技術有效地克服了步進電動機的低頻振蕩、噪聲及分辨率低等缺

46、點，使步進電動機在低頻段能夠實現平滑的步進運動，拓寬了步進電動機的應用范圍，提高了它與直流伺服電動機和交流伺服電動機相抗衡的能力。若要實現細分，需要將繞組中的矩形電流波改為階梯形電流波，即繞組中的電流以若干個等幅等寬的階梯上升到額定值，并以同樣的階梯從額定值下降為零。目前實現階梯波供電的方法有：1）利用多片專用集成電路芯片構成細分電路采用三片三相六拍環形分配芯片可實現三相十八拍細分驅動。假如三相步進電動機的步距角為3°/1.5°，即單三拍或雙三拍通電方式時的步距角為3°，而六拍時的步距角為1.5°，那么十八拍時的步距角則減小為0.5°。2）用微

47、機實現細分驅動若要利用微型計算機實現細分，必須增加接口電路的I/O口，以步進電動機的三相六拍15細分控制為例，由四個I/O口并聯控制一相繞組。由于要在每相繞組中產生15個等間距的上升或下降階梯電流波形，在這四個I/O口需要分別串聯1:2:4:8的權電阻，并聯后接于某一相，這樣按照特定的邏輯順序來接通不同的權電阻，便可產生所需要的波形。三相六拍15細分時有與之對應的90個特殊組合的邏輯狀態，在硬件線路確定后，相應的90個四位數據及其順序也就確定下來。將計算好的這些數據按一定的順序存在存儲器中，即建立了一個脈沖分配表，利用查表指令將各個數據依次順序取出。改變地址指針的增減方向，即可改變讀取數據的方

48、向，從而達到控制電動機正反轉的目的。4.步進電動機驅動器目前，隨著步進電動機在實際生產中的廣泛應用，步進電動機的驅動裝置已逐漸發展為系列化和模塊化，這樣就可以大大簡化步進電動機控制系統的設計過程，提高系統的工作效率及系統運行的可靠性。不同廠家生產的步進電動機驅動器雖然標準并不統一，但工作原理基本相同。只要掌握了接線端子、標準接口及撥動開關的定義和使用，就可以利用驅動器構成步進電動機控制系統。下面對德國百格拉三相混合式步進電動機驅動器WD3-008進行詳細介紹。德國百格拉公司于1993年推出的三相混合式步進電動機系統應用了交流伺服控制原理，徹底解決了傳統步進電動機的低速爬行、存在共振區、噪聲大、

49、高速扭矩小、起動頻率低、驅動器可靠性差等缺點，成為具有交流伺服電動機運行特性的步進電動機系統。百格拉WD3-008型步進電動機驅動器主要驅動12Nm16.5Nm的三相混合式步進電動機，輸入電壓為220VAC，輸出電壓為325VAC。1）驅動器控制面板WD3-008步進電動機驅動器控制面板如圖2.27所示。圖中，01為控制信號接口，用于輸入信號的連接；02為功能選擇開關，其中，STEP1、STEP2用于設置電動機的每轉步數，I-RED用于設置半流功能，GAT/ENA用于設置門/使能功能，PH.CURR用于設置輸出電流；0307為狀態指示燈，用于指示驅動器正常工作、電動機相間短路、驅動器超溫、驅動器超壓、驅動器欠壓等狀態；U、V、W為功率接口，用于驅動器和電動機之間的連線。圖2.27 WD3-008型步進電動機驅動器控制面板2）驅動器控制信號定義PULSE：脈沖信號輸入端，每一個脈沖的上升沿使電動機轉動一步。應當說明的是，對于輸入控制信號而言，最小脈沖寬度和最小脈沖間隔為2.5s，最高接收脈沖頻率為200kHz。DIR：方向信號輸入端，低電平時電動