1、步進電動機傳動控制系統第 13 篇13.1 13.1 步進電動機步進電動機結構與工作原理結構與工作原理 步進電動機是一種將電脈沖信號轉換成機械位移的機電執行元步進電動機是一種將電脈沖信號轉換成機械位移的機電執行元件。件。 步進電動機的分類：步進電動機的分類：工作原理工作原理反應式反應式永磁式永磁式混合式混合式輸出轉輸出轉矩大小矩大小快速步進電機快速步進電機功率步進電機功率步進電機勵磁相數勵磁相數二、三、四、五、六、八相等二、三、四、五、六、八相等角位移角位移輸入脈沖個數輸入脈沖個數運行速度運行速度輸入脈沖頻率輸入脈沖頻率 ( ( 步進電機是利用電磁鐵的作用原理，將脈沖步進電機是利用電磁鐵的作用

2、原理，將脈沖信號轉換為線位移或角位移的電機。每來一個電脈信號轉換為線位移或角位移的電機。每來一個電脈沖，步進電機轉動一定角度，帶動機械移動一小段沖，步進電機轉動一定角度，帶動機械移動一小段距離。距離。13.1 13.1 步進電動機步進電動機結構與工作原理結構與工作原理 種類種類：勵磁式勵磁式和和兩種。兩種。 下面以反應式步進電機為例說明步進電機的下面以反應式步進電機為例說明步進電機的結構和工作原理。結構和工作原理。13.1 13.1 步進電動機步進電動機結構與工作原理結構與工作原理步進電動機的工作原理步進電動機的工作原理 給給A A相繞組通電時，轉子位相繞組通電時，轉子位置如圖（置如圖（a a

3、），轉子齒偏離定），轉子齒偏離定子齒一個角度。由于勵磁磁子齒一個角度。由于勵磁磁通力圖沿磁阻最小路徑通過，通力圖沿磁阻最小路徑通過，因此對轉子產生電磁吸力，因此對轉子產生電磁吸力，迫使轉子齒轉動，當轉子轉迫使轉子齒轉動，當轉子轉到與定子齒對齊位置時到與定子齒對齊位置時( (圖圖b)b)，因轉子只受徑向力而無切線因轉子只受徑向力而無切線力，故轉矩為零，轉子被鎖力，故轉矩為零，轉子被鎖定在這個位置上。由此可見：定在這個位置上。由此可見：錯齒是助使步進電機旋轉的錯齒是助使步進電機旋轉的根本原因。根本原因。如下：如下：ABCIAIBIC 定子內圓周定子內圓周均勻分布著六個均勻分布著六個磁極，磁極上有磁

4、極，磁極上有勵磁繞組，每兩勵磁繞組，每兩個相對的繞組組個相對的繞組組成一相。轉子有成一相。轉子有四個齒。四個齒。定子定子轉子轉子CABBCA3412 A A相繞組通電，相繞組通電，B B、C C 相相不通電。由于在磁場作用下，不通電。由于在磁場作用下，轉子總是力圖旋轉到磁阻最轉子總是力圖旋轉到磁阻最小的位置，故在這種情況下，小的位置，故在這種情況下，轉子必然轉到左圖所示位置：轉子必然轉到左圖所示位置：1 1、3 3齒與齒與A A、A A極對齊。極對齊。13.1 13.1 步進電動機步進電動機結構與工作原理結構與工作原理CABBCA3412同理，同理，B相通電時，轉子會轉過相通電時，轉子會轉過3

5、0 角，角，2、4齒和齒和B、B 磁極軸線對齊；當磁極軸線對齊；當C相通電時，轉子相通電時，轉子再轉過再轉過30 角，角，1、3齒和齒和C C 、C 磁極軸線對齊。磁極軸線對齊。1C342CABBA13.1 13.1 步進電動機步進電動機結構與工作原理結構與工作原理這種工作方式下，三個繞組依次通電一次為這種工作方式下，三個繞組依次通電一次為一個循環周期，一個循環周期包括三個工作脈沖，一個循環周期，一個循環周期包括三個工作脈沖，所以稱為三相單三拍工作方式。所以稱為三相單三拍工作方式。 按按AB C A 的順序給三相繞組的順序給三相繞組輪流通電，轉子便一步一步轉動起來。每一拍轉輪流通電，轉子便一步

6、一步轉動起來。每一拍轉過過30( (步距角步距角) )，每個通電循環周期，每個通電循環周期(3(3拍拍) )轉過轉過90( (一個齒距角一個齒距角) )。13.1 13.1 步進電動機步進電動機結構與工作原理結構與工作原理 按按AAB B BC C CA的順的順序給三相繞組輪流通電。序給三相繞組輪流通電。這種方式可以這種方式可以獲得更精確的控制特性。獲得更精確的控制特性。CABBCA3412CABBCA3412 A相通電，相通電，轉子轉子1 1、3 3齒與齒與A、A 對齊。對齊。 A、B相同時通電，相同時通電，A、A 磁極拉住磁極拉住1、3齒，齒，B、B 磁極拉住磁極拉住2、4齒，齒，轉子轉轉

7、子轉過過15 ，到達左圖到達左圖所示位置。所示位置。CABBCA3412 B B 相通電，相通電，轉子轉子2、4齒與齒與B、B 對齊對齊, ,又轉又轉過過15 。3412CABBCA B、C相同時通電，相同時通電，C 、C 磁極拉住磁極拉住1、3齒，齒，B、B 磁極拉住磁極拉住2、4齒，轉子再轉齒，轉子再轉過過15 。 三相反應式步進電動機的一個通電循環周三相反應式步進電動機的一個通電循環周期如下：期如下：AAB B BC C CA，每個循每個循環周期分為六拍。環周期分為六拍。 每拍轉子轉過每拍轉子轉過15 （步距角），（步距角），一一個通電循個通電循環周期環周期( (6拍拍) )轉子轉過轉子

8、轉過90 ( (齒距角齒距角) )。 與單三拍相比，六拍驅動方式的步進角更與單三拍相比，六拍驅動方式的步進角更小，更適用于需要精確定位的控制系統中。小，更適用于需要精確定位的控制系統中。 按按ABAB BCBC CACA的順序給三相繞組輪流通的順序給三相繞組輪流通電。每拍有兩相繞組同時通電電。每拍有兩相繞組同時通電。AB通電通電CABBCA3412BC通電通電3412CABBCACA通電通電CABBCA3412 與單三拍方式相似，雙三拍驅動時每個通電與單三拍方式相似，雙三拍驅動時每個通電循循環周期也分為三拍。每拍轉子轉過環周期也分為三拍。每拍轉子轉過30 ( (步距角步距角) )，一一個通電循

9、環周期個通電循環周期( (3拍拍) )轉子轉過轉子轉過90 ( (齒距角齒距角) )。 從以上對步進電機三種驅動方式的分析可從以上對步進電機三種驅動方式的分析可得步距角計算公式：得步距角計算公式：mZr360 步距角步距角Zr 轉子齒數轉子齒數m 每個通電循環周期的拍數每個通電循環周期的拍數 實用步進電機的步距角多為實用步進電機的步距角多為3 和和1.5 。為了。為了獲得小步距角，電機的定子、轉子都做成多齒的，獲得小步距角，電機的定子、轉子都做成多齒的，如教材圖如教材圖10.4.4所示。圖中轉子表面有所示。圖中轉子表面有4040個齒，個齒，齒距角是齒距角是9 9 ；定子仍是定子仍是 6 6個磁

10、極，但每個磁極表個磁極，但每個磁極表面加工有五個和轉子一樣的齒。面加工有五個和轉子一樣的齒。應用：應用：13.2 13.2 步進電動機的步距角步進電動機的步距角 由一個通電狀態改變到下一個通電狀態時，電動機轉子所轉過由一個通電狀態改變到下一個通電狀態時，電動機轉子所轉過的角度稱為步距角。的角度稱為步距角。T11-2.SWFT11-2.SWF 360360 / /ZKmZKm 其中：其中：Z Z轉子齒數轉子齒數 m m定子繞組相數定子繞組相數 K K通電系數通電系數 K K=1,2=1,2 若二相步進電動機的若二相步進電動機的Z=100，單拍運行時，其步距角，單拍運行時，其步距角8 . 1100

11、23609 . 010022360若按單、雙通電方式運行時，步距角若按單、雙通電方式運行時，步距角 由此可見，步進電動機的轉子齒數由此可見，步進電動機的轉子齒數Z和定子相數和定子相數(或運行拍數或運行拍數)愈愈多，則步距角愈小，控制越精確。多，則步距角愈小，控制越精確。 當定子控制繞組按著一定順序不斷地輪流通電時，步進電動機當定子控制繞組按著一定順序不斷地輪流通電時，步進電動機就持續不斷地旋轉。如果電脈沖的頻率為就持續不斷地旋轉。如果電脈沖的頻率為f(HZ)，步距角用弧度表，步距角用弧度表示，則步進電動機的轉速為：示，則步進電動機的轉速為：fKmZfKmZfn60602260213.2 13.

12、2 步進電動機的步距角步進電動機的步距角13.313.3 步進電動機的主要性能指標步進電動機的主要性能指標1. 步距角步距角 2. 最大工作頻率：在轉子不失步的情況下，電動機連續工作時，最大工作頻率：在轉子不失步的情況下，電動機連續工作時，輸入脈沖信號的最大頻率。輸入脈沖信號的最大頻率。 3. 最大突跳頻率：在轉子不失步的情況下，電動機能增加和減最大突跳頻率：在轉子不失步的情況下，電動機能增加和減小的最大頻率。小的最大頻率。 4. 步距差：理想的步矩角與實際的步矩角之差。步距差：理想的步矩角與實際的步矩角之差。 5. 輸出轉矩：電動機軸上的輸出轉矩的大小輸出轉矩：電動機軸上的輸出轉矩的大小 步

13、進電動機的輸出轉矩與脈沖頻率的函數關系稱為步進電動機的輸出轉矩與脈沖頻率的函數關系稱為矩頻特性矩頻特性。13.4 13.4 步進電動機的驅動電源步進電動機的驅動電源 一、驅動電源的組成一、驅動電源的組成脈脈沖沖分分配配器器功放電路功放電路三三相相步步進進電電機機負載負載功率電功率電源源分配器電源分配器電源功放電路功放電路功放電路功放電路功率放大器功率放大器步進脈沖步進脈沖方向信號方向信號fABC脈沖分配器+功率放大電路1. 脈沖分配器脈沖分配器 當方向電平為低時，脈沖當方向電平為低時，脈沖分配器的輸出按分配器的輸出按A-B-CA-B-C的順序的順序循環產生脈沖。循環產生脈沖。fABC 當方向電

14、平為高時，脈當方向電平為高時，脈沖分配器的輸出按沖分配器的輸出按A-C-BA-C-B的順的順序循環產生脈沖。序循環產生脈沖。 ABCf 2.功率放大器功率放大器 將脈沖分配器的輸出信號進行電流放大后給電動機的定子繞組供將脈沖分配器的輸出信號進行電流放大后給電動機的定子繞組供電，使電動機的轉子產生輸出轉矩。電，使電動機的轉子產生輸出轉矩。二、步進電動機的脈沖分配器二、步進電動機的脈沖分配器 步進電動機的脈沖分配器可由硬件或軟件方法來實現步進電動機的脈沖分配器可由硬件或軟件方法來實現。 硬件環形分配器：由計數器等數字電路組成的。有較好的響應硬件環形分配器：由計數器等數字電路組成的。有較好的響應速度

15、，且具有直觀、維護方便等優點。速度，且具有直觀、維護方便等優點。 軟件環分：由計算機接口電路和相應的軟件組成的。受到微型軟件環分：由計算機接口電路和相應的軟件組成的。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。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. 1.硬件環形分配器硬件環形分配器 2 2軟件環形分配軟件環形分配 軟件環分的方法是利用計算機程序來設定硬件接口的位狀態，軟件環分的方法是利用計算機程序來設定硬件接口的位狀態，從而產生一定的脈沖分配輸出。從而產生一定的脈沖分配輸出。 1) 1) 輸出接口輸出接口 8031 8031單片機本身包含單片機本身包含4

16、 4個個8 8位位I/OI/O端口，分別為端口，分別為P0P0、P1P1、P2P2、P3P3。 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起來。應起來。8031P1.0P1.1P1.2ABC驅驅動動器器 若要實現三相步進電動機若要實現三相步進電動機的脈沖分配，需要三根輸出口的脈沖分配，需要三根輸出口線，本例中選線，本例中選P1P1口的口的P1.0P1.0、P1.1P1.1、P1.2P1.2位作為脈沖分配的位作為脈沖分配的輸出。輸出。三、步進電動機的功率放大電路三、步進電動機的功率放大電路 步進電動機的功率驅動電路實際上是一種脈

17、沖放大電路，使脈步進電動機的功率驅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動能力。沖具有一定的功率驅動能力。 由于功率放大器的輸出直接驅動電動機繞組，因此，功率放大由于功率放大器的輸出直接驅動電動機繞組，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。電路的性能對步進電動機的運行性能影響很大。 1. 1.單電壓驅動電路單電壓驅動電路 R C RD V L +U VT L是電動機繞組是電動機繞組VT開關晶體管開關晶體管 電阻電阻R兩端并聯電容兩端并聯電容C，使電流上升更快，使電流上升更快，所以，電容所以，電容C又稱為加速電容。又稱為加速電容。 二極管二極管V在晶體管在晶體管VT截止時起續流和保護截止時起續流和保