1、步進電機傳動控制系統步進電機傳動控制系統第十一章第十一章 本章要求：本章要求： 1、掌握步進電機的基本結構與工作原理；、掌握步進電機的基本結構與工作原理； 2、了解步進電機的驅動方式與驅動電路；、了解步進電機的驅動方式與驅動電路； 3、了解環形分配器的實現方式。、了解環形分配器的實現方式。 本章知識點：本章知識點： 1、步距角、分辨率與控制精度的關系；、步距角、分辨率與控制精度的關系； 2、相與拍的關系；、相與拍的關系； 3、失步與產生失步的原因；、失步與產生失步的原因； 4、步距角的細分技術。、步距角的細分技術。 步進電動機是一種步進電動機是一種將電脈沖信號變換成相應的角將電脈沖信號變換成相

2、應的角位移或直線位移的機電執行元件位移或直線位移的機電執行元件，每當輸入一個，每當輸入一個電脈沖時，它便轉過一個固定的角度，這個角度電脈沖時，它便轉過一個固定的角度，這個角度稱為稱為步距角步距角，簡稱為步距。每輸入一個脈沖電，簡稱為步距。每輸入一個脈沖電動機便轉動一步，步進電動機便因之而命名。動機便轉動一步，步進電動機便因之而命名。 當電動機不失步時，當電動機不失步時，步進電動機的位移量與輸入步進電動機的位移量與輸入脈沖數嚴格成比例，不會引起積累誤差脈沖數嚴格成比例，不會引起積累誤差，其轉速，其轉速與脈沖頻率和步距角有關。控制輸入脈沖數量、與脈沖頻率和步距角有關。控制輸入脈沖數量、頻率及電動機

3、各相繞組的接通次序，就可以得到頻率及電動機各相繞組的接通次序，就可以得到所需的位移、速度和轉向。通過傳動機構，帶動所需的位移、速度和轉向。通過傳動機構，帶動工作設備完成符合要求的動作。工作設備完成符合要求的動作。步進電機的分類步進電機的分類1、定位電磁鐵原理的步進電機；、定位電磁鐵原理的步進電機；2、反應式步進電機（變磁阻式）；、反應式步進電機（變磁阻式）；3、永磁式步進電機；、永磁式步進電機；4、混合式步進電機。、混合式步進電機。一、步進電機的結構與工作原理一、步進電機的結構與工作原理 當當A相通電時，定子相通電時，定子A相的齒與轉子上的齒相的齒與轉子上的齒對齊對齊(磁通具有力圖沿磁通具有力

4、圖沿磁阻最小路徑通過的磁阻最小路徑通過的特點特點)，B相的齒與轉相的齒與轉子上的齒錯開子上的齒錯開1/3齒，齒，C相的齒與轉子上的齒相的齒與轉子上的齒錯開錯開2/3齒。若按齒。若按A、B、C相輪流導通，每通電相輪流導通，每通電一次轉過一次轉過1/3齒；若按齒；若按A、AB、B、BC、C、CA的方式，則每通電的方式，則每通電一次，轉過一次，轉過1/6齒。齒。 轉子與相之間錯開的轉子與相之間錯開的角度增量為角度增量為t/m 定子繞組按一定的規律通電；轉子鐵心在磁場作定子繞組按一定的規律通電；轉子鐵心在磁場作用下每次轉過一定的角度。用下每次轉過一定的角度。實際步進電動機的步距角通常較小，這就要求轉子

5、的齒數多。實際步進電動機的步距角通常較小，這就要求轉子的齒數多。 反應式步進電動機工作原理反應式步進電動機工作原理接線與結構接線與結構A相繞組通電相繞組通電B相繞組通電相繞組通電C相繞組通電相繞組通電 二、步進電機的步距角、和拍的定義二、步進電機的步距角、和拍的定義 1、拍、拍定子由一種通電狀態轉換到另一種通電狀定子由一種通電狀態轉換到另一種通電狀態態（即磁場狀態每一次變化）稱為一拍；（即磁場狀態每一次變化）稱為一拍； 2、步距角、步距角步進電機每轉一步步進電機每轉一步（一拍）（一拍）所轉過所轉過的角度的角度。其大小取決于轉子的齒數，和通電的方式。其大小取決于轉子的齒數，和通電的方式。 步距角

6、步距角 =360 =360o o/(ZKm)/(ZKm) Z轉子齒數；轉子齒數；m定子繞組相數；定子繞組相數；K狀態系數（單狀態系數（單m拍、雙拍、雙m拍時拍時K=1，單、雙，單、雙m拍拍時時K=2）。）。 3、步進電機的、步進電機的轉速轉速n=60f /2/2 顯然，顯然，齒數越多、相數越多，步距角越小，精度越高，齒數越多、相數越多，步距角越小，精度越高，但轉速越慢但轉速越慢。 三、提高步進電機分辨率的方法：三、提高步進電機分辨率的方法： 1、增加轉子齒數增加轉子齒數Z（設計成小步距角的步進電（設計成小步距角的步進電機）但齒太小，容易磁飽和，力矩變小；機）但齒太小，容易磁飽和，力矩變小； 2

7、、增加定子繞組相數增加定子繞組相數m（做成多相）；（做成多相）； 3、做成多段做成多段式結構；式結構； 4、采用電流細分技術采用電流細分技術（通過單片機的（通過單片機的D/A控制控制步進電機定子相鄰兩相電流的比例實現）。但步進電機定子相鄰兩相電流的比例實現）。但要注意，細分主要是改善運動性能。要注意，細分主要是改善運動性能。 四、四、 步進電動機的分類步進電動機的分類 1按步進電動機的工作原理分按步進電動機的工作原理分 1）勵磁式勵磁式 電機的定子轉子均有繞組，靠電磁力矩使轉子轉動。電機的定子轉子均有繞組，靠電磁力矩使轉子轉動。 2）反應式反應式(變磁阻式）變磁阻式） 轉子無繞組，定子繞組勵磁

8、后產生反應力矩，使轉子轉轉子無繞組，定子繞組勵磁后產生反應力矩，使轉子轉動。這是步進電動機發展的主要類型，有較好的技術性動。這是步進電動機發展的主要類型，有較好的技術性能指標。能指標。 3）混合式混合式（即永磁感應子式）（即永磁感應子式） 它與反應式的主要區別是轉子上置有磁鋼。反應式電機它與反應式的主要區別是轉子上置有磁鋼。反應式電機轉子無磁鋼，輸入能量全靠定子勵磁電流供給，靜態電轉子無磁鋼，輸入能量全靠定子勵磁電流供給，靜態電流比永磁式大許多。永磁感應子式電機具有驅動電流小、流比永磁式大許多。永磁感應子式電機具有驅動電流小、效率高、過載能力強和具有零電流力矩等優點，是一種效率高、過載能力強和

9、具有零電流力矩等優點，是一種很有發展前途的步進電動機。很有發展前途的步進電動機。 還有其它的分類方法（自學）還有其它的分類方法（自學）混合式步進電機有零電流力矩混合式步進電機有零電流力矩 五、環形分配器的實現五、環形分配器的實現 1、硬件環形分配器（隨著單片機的出現已、硬件環形分配器（隨著單片機的出現已很少使用）；很少使用）； 2、軟件環形分配器（通過查表實現）、軟件環形分配器（通過查表實現）六、步進電機的驅動電路六、步進電機的驅動電路1、單電壓限流型驅、單電壓限流型驅動電路動電路 為了克服靜摩為了克服靜摩擦力和慣性，加擦力和慣性，加大步進電機的加大步進電機的加速度，加快啟動速度，加快啟動過程

10、，采用高低過程，采用高低壓切換電路。利壓切換電路。利用高電壓產生大用高電壓產生大力矩，利用低電力矩，利用低電壓維持靜止，從壓維持靜止，從而減少發熱。而減少發熱。 當晶體管當晶體管VT導通瞬導通瞬間，由于電容間，由于電容C兩端兩端電壓不能突變，電電壓不能突變，電容相當于短路，加容相當于短路，加在電阻在電阻R的電壓很小，的電壓很小，電流很小，電壓全電流很小，電壓全部加在繞組部加在繞組L上，電上，電流快速上升。隨著流快速上升。隨著電容充電，加在繞電容充電，加在繞組組L的電壓降低電流的電壓降低電流減少。減少。V為續流二極管，為續流二極管，RD為為限流電阻防止關斷瞬限流電阻防止關斷瞬間反電勢過高，擊穿間

11、反電勢過高，擊穿晶體管晶體管VT。電容。電容C僅僅在啟動時起作用，稱在啟動時起作用，稱為加速電容。時間常為加速電容。時間常數數=L/（r+R)為了提為了提高速度，要加大高速度，要加大R，但，但要保證維持電流，必要保證維持電流，必須同時提高須同時提高U。造成功。造成功耗大。耗大。I=U/（r+R) 2、雙電源高低壓切換型驅動電路、雙電源高低壓切換型驅動電路 開始時開始時VT1、VT2同時導通，同時導通，80V直接加在繞組直接加在繞組L上，當經過上，當經過t2時間，關斷時間，關斷VT2，用低壓，用低壓12V維維持。在下一步開始前，把持。在下一步開始前，把VT1關斷。關斷。 引起步進電機失步的原因：

12、引起步進電機失步的原因： 1、步進電機的力矩不夠步進電機的力矩不夠（負載力矩大于步（負載力矩大于步進電機的最大靜力矩）；進電機的最大靜力矩）； 2、加減速過快加減速過快（動態力矩不夠）；（動態力矩不夠）； 即給定角加速度即給定角加速度=（TM-TL）/J 步進電機控制的優缺點：步進電機控制的優缺點： 優點：優點： 1、步進電機不失步時，步進電機的角位移與輸入脈沖、步進電機不失步時，步進電機的角位移與輸入脈沖數嚴格成比例，數嚴格成比例，可以用于高精度的開環控制可以用于高精度的開環控制； 2、控制方法及設備簡單，價錢便宜；、控制方法及設備簡單，價錢便宜； 3、零速（堵轉）力矩大零速（堵轉）力矩大；

13、 4、永磁式和混合式、永磁式和混合式有零電流力矩有零電流力矩； 5、體積小。、體積小。 缺點：缺點： 1、高速力矩小高速力矩小（每一步只有一個齒出力）響應慢；（每一步只有一個齒出力）響應慢； 2、允許最高轉速低允許最高轉速低（每一步都作啟、停運動）；（每一步都作啟、停運動）； 3、精度低（受步距角限制）、精度低（受步距角限制） 4、共振點多，噪聲大；、共振點多，噪聲大； 5、功率小功率小。 在高性能的控制中步進電機正被交流伺服控制取代。在高性能的控制中步進電機正被交流伺服控制取代。T步步只有只有A相通電相通電A相電流大于相電流大于B相相B相電流大于相電流大于A 相相AA B BCC C 4321AA B BCC C 43214321AA B BCC C 步距角的細分技術步距角的細分技術 步距角的細分技術是利用計算機的步距角的細分技