1、步進電機運動控制系統設計（一）     論文關鍵詞： 步進電機單片機調速系統論文摘要:步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。步進電機的調速一般是改變輸入步進電機的脈沖的頻率來實現步進電機的調速，因為步進電機每給一個脈沖就轉動一個固定的角度，這樣就可以通過控制步進電機的一個脈

2、沖到下一個脈沖的時間間隔來改變脈沖的頻率，延時的長短來具體控制步進角來改變電機的轉速，從而實現步進電機的調速。在本設計方案中采用AT89C51型單片機內部的定時器改變CP脈沖的頻率從而實現對步進電機的轉速進行控制，實現電機調速與正反轉的功能。設計時考慮到CPU在執行指令時可能受到干擾的沖擊,導致程序”跑飛”或者進入”死循環”,因此,設計了看門狗電路,使用的是MAXI公司生產的微處理系統監控集成芯片MAXI813。本文還詳細地給出了相關的硬件框圖和軟件流程圖，并編制了該匯編語言程序。前 言步進電機最早是在1920年由英國人所開發。1950年后期晶體管的發明也逐漸應用在步進電機上，這對于數字化的控

3、制變得更為容易。以后經過不斷改良，使得今日步進電機已廣泛運用在需要高定位精度、高分解性能、高響應性、信賴性等靈活控制性高機械系統中。在生產過程中要求自動化、省人力、效率高的機器中，我們很容易發現步進電機的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項指令動作的靈活控制性場合步進電機用得最多。步進電機作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一, 廣泛應用在各種自動化控制系統中。隨著電子計算機技術的發展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國經濟領域都有應用。步進電機是將電脈沖信號變換成角位移或直線位移的執行部件。步進電機可以直接用數字信號驅動，使用非常方便。一般電動機都是連續轉動的，而步進電動機則有

4、定位和運轉兩種基本狀態，當有脈沖輸入時步進電動機一步一步地轉動，每給它一個脈沖信號，它就轉過一定的角度。步進電動機的角位移量和輸入脈沖的個數嚴格成正比，在時間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數量、頻率及電動機繞組通電的相序，便可獲得所需的轉角、轉速及轉動方向。在沒有脈沖輸入時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉子保持原有位置處于定位狀態。因此非常適合于單片機控制。步進電機還具有快速啟動、精確步進和定位等特點，因而在數控機床，繪圖儀，打印機以及光學儀器中得到廣泛的應用。步進電動機已成為除直流電動機和交流電動機以外的第三類電動機。傳統電動機作為機電能量轉換裝置，在人類的生產和生活進入電氣化過

5、程中起著關鍵的作用。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應用于各種開環控制。現在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM）、混合式步進電機（HB）和單相式步進電機等。永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度；反應式步進電機一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產生轉矩。混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0

6、.72度。這種步進電機的應用最為廣泛，也是本次細分驅動方案所選用的步進電機。第1章 步進電機概述 1.1步進電機的特點：1） 一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。2）  步進電機外表允許的溫度高。步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。3）步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。

7、在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。4）步進電機低速時可以正常運轉,但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。步進電機有一個技術參數：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）。  TC * MERGEFORMAT 1.2步進電機的工作原理：    步進電機是一種用電脈沖進行控制 ,將電

8、脈沖信號轉換成相位移的電機 ,其機械位移和轉速分別與輸入電機繞組的脈沖個數和脈沖頻率成正比 ,每一個脈沖信號可使步進電機旋轉一個固定的角度.脈沖的數量決定了旋轉的總角度 ,脈沖的頻率決定了電機運轉的速度.當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。 1.3步進電機的技術參數：1)      空載啟動頻率:即步進電

9、機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）。2)      電機固有步距角： 它表示控制系統每發一個步進脈沖信號，電機所轉動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，如86BYG250A型電機給出的值為0.9°/1.8°（表示半步工作時為0.9°、整步工作時為1.8°），這個步距角可以稱之為電機 固有

10、步距角， 它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅動器有關。3)      步進電機的相數： 是指電機內部的線圈組數，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9°/1.8°、三相的     為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72°。在沒有細分驅動器時，用戶主要靠選擇不同相數的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅動器，則相數將變得沒有意義，用戶只需在驅

11、動器上改變細分數，就可以改變步距角。4)      保持轉矩（HOLDING  TORQUE）：是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機最重要的參數之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。由于步進電機的輸出力 矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉矩就成為了衡量步進電機最重要的參數之一。比如，當人們說2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為2N.m的步進電機。 TC * MERGEFORMAT 1)      步距

12、角精度： 步進電機每轉過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數其值不同，  四拍運行時應在5%之內，八拍運行時應在15%以內。 2)      失步： 電機運轉時運轉的步數，不等于理論上的步數。稱之為失步。 3)      失調角：轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉必存在失調角，由失調角產生的誤差，采用細分驅動是不能解決的。 4)      最大空載起動頻率： 電機在某種驅動形式、電壓及

13、額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。 5)      最大空載的運行頻率：電機在某種驅動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉速頻率。 6)      運行矩頻特性：電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲線稱為運行矩特    性，這是電機諸多動態曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據。如下 圖1-1所示：圖1-1 力矩頻率曲線7)      電機的共振點：  

14、0;  步進電機均有固定的共振區域，二、四相感應子式步進電機的共振區一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為0.9度），電機驅動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統的噪音降低，一般工作點均應偏移共振區較多。    其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。電機一旦選定，電機的靜力矩確定而動態力矩卻不然，電機的動態力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態流）平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。如下圖1-2所示：圖1-2 力矩頻率特

15、性曲線其中，曲線3電流最大、或電壓最高;曲線1電流最小、或電壓最低，曲線與負載的交點為負載的最大速度點。要使平均電流大，盡可能提高驅動電壓，使采用小電感大電流的電機。1.4步進電機的分類 1)反應式步進電機（VAriABle ReluCtAnCe，簡稱 VR）反應式步進電機的轉子是由軟磁材料制成的，轉子中沒有繞組。它的結構簡單，成本距角可以做得很小，但動態性能較差。反應式步進電機有單段式和多段式兩種類型。 2)永磁式步進電機（PermAnent MAgnet），簡稱 PM永磁式步進電機的轉子是用永磁材料制成的，轉子本身就是一個磁源。轉子的極數和定子的極數相同，所以一般步進角比較大，它輸出轉矩大

16、，動態性能好，消耗功率小（相比反應式），但啟動運行頻率較低，還需要正負脈沖供電。 3)混合式步進電機（HyBrid，簡稱 HB） 混合式步進電機綜合了反應式和永磁式兩者的優點。混合式與傳統的反應式相比，結構上轉子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉過程中比較平穩、噪聲低、低頻振動小。這種電動機最初是作為一種低速驅動用的交流同步機設計的，后來發現如果各相繞組通以脈沖電流，這種電動機也能做步進增量運動。由于能夠開環運行以及控制系統比較簡

17、單，因此這種電機工業領域中得到廣泛應用。 步進電機轉子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉子齒軸線錯開。0、1/3、2/3,（相鄰兩轉子齒軸線間的距離為齒距以表示），即A與齒1相對齊，B與齒2向右錯開1/3，C與齒3向右錯開2/3，A'與齒5相對齊，（A'就是A，齒5就是齒1）下面是定轉子的展開如圖1-3所示：圖1-3 定子展開圖    電動機定子鐵心和一般電機一樣由硅鋼片疊成，鐵心內孔表面有開口槽。轉子裝有一個軸向磁化永磁體用以產生一個單向磁場。永磁體產生的磁通，在每一個氣隙圓周上都是單方向通過氣隙的，這時作用在氣隙中

18、的磁勢是同極性的，稱為單極磁勢。而轉子包括兩段，一段經永磁體磁化成N 極，另一段磁化為S 極，每段轉子齒以一個齒距間隔均勻分布，但兩段轉子的齒相互錯開1/2 個轉子齒距。A) N 極段截面圖 B) S 極段截面圖如圖1-4所示:A) N 極段截面圖 B) S 極段截面圖                      圖1-4 三相混合式步進電機截面圖 TC * MERGEFORMA

19、T 1.5 步進電機詳細調速原理：步進電機的調速一般是改變輸入步進電機的脈沖的頻率來實現步進電機的調速，因為步進電機每給一個脈沖就轉動一個固定的角度，這樣就可以通過控制步進電機的一個脈沖到下一個脈沖的時間間隔來改變脈沖的頻率，延時的長短來具體控制步進角來改變電機的轉速，從而實現步進電的調速。具體的延時時間可以通過軟件來實現。這就需要采用單片機對步進電機進行加減速控制,實際上就是改變輸出脈沖的時間間隔,單片機控制步進電機加減法運轉可實現的方法有軟件和硬件兩種 ,軟件方法指的是依靠延時程序來改變脈沖輸出的頻率,其中延時的長短是動態的,軟件法在電機控制中, 要不停地產生控制脈沖, 占用了大量的CPU

20、 時間,使單片機無法同時進行其他工作;硬件方法是依靠單片機內部的定時器來實現的,在每次進入定時中斷后,改變定時常數,從而升速時使脈沖頻率逐漸增大,減速時使脈沖頻率逐漸減小,這種方法占用CPU 時間較少,在各種單片機中都能實現,是一種比較實用的調速方法。第2章本次設計的基本要求     研究步進電機的特性、工作原理、及其具體的調速原理。 TC * MERGEFORMAT 2.1基本要求 步進電機采用三相步進電機，功率為1W。調速范圍為0到1000r/min最高轉速時，精度2%要基本上完成畢業設計，作到步進電機能精確的調速，正反轉、并能在起動時不失步，基本上

21、沒有振蕩，能完成完整的硬件電路圖，軟件設計。第3章方案的論證 3.1  控制方式的確定步進電機控制雖然是一個比較精確的，步進電機開環控制系統具有成本低、簡單、控制方便等優點，在采用單片機的步進電機開環系統中，控制系統的CP脈沖的頻率或者換向周期實際上就是控制步進電機的運行速度。系統可用兩種辦法實現步進電機的速度控制。一種是延時，一種是定時。延時方法是在每次換向之后調用一個延時子程序，待延時結束后再次執行換向，這樣周而復始就可發出一定頻率的CP脈沖或換向周期。延時子程序的延時時間與換向程序所用的時間和，就是CP脈沖的周期，該方法簡單，占用資源少，全部由軟件實現，調用不同的子程序可以實現

22、不同速度的運行。但占用CPU時間長，不能在運行時處理其他工作。因此只適合較簡單的控制過程。定時方法是利用單片機系統中的定時器定時功能產生任意周期的定時信號，從而可方便的控制系統輸出CP脈沖的周期。當定時器啟動后，定時器從裝載的初值開始對系統及其周期進行加計數，當定時器溢出時，定時器產生中斷，系統轉去執行定時中斷子程序。將電機換向子程序放在定時中斷服務程序中，定時中斷一次，電機換向一次，從而實現電機的速度控制。由于從定時器裝載完重新啟動開始至定時申請中斷止，有一定的時間間隔，造成定時時間增加，為了減少這種定時誤差，實現精確定時，要對重裝的計數初值作適當的調整。調整的重裝初值主要考慮兩個因素一是中

23、斷響應所需的時間。二是重裝初值指令所占用的時間，包括在重裝初值前中斷服務程序重的其他指令因。綜合這兩個因素后，重裝計數初值的修正量取8個機器周期，即要使定時時間縮短8個機器周期。用定時中斷方式來控制電動機變速時，實際上是不斷改變定時器裝載值的大小。在控制過程中，采用離散辦法來逼近理想的升降速曲線。為了減少每步計算裝載值的時間，系統設計時就把各離散點的速度所需的裝載值固化在系統的ROM中，系統在運行中用查表法查出所需的裝載值，這樣可大幅度減少占用CPU的時間，提高系統的響應速度愿大多數步進電機運動控制系統都運行在開環狀態下，因為成本較低，并可提供運動控制技術固有的位置控制，無須反饋。但是，在某些

24、應用中，需要更多的可靠性、安全性或產品質量的保證，因此，閉環控制也是一種選擇.以下是一些實現步進電機閉環控制的方法：    1) 步進確認，這是最簡單的位移控制，使用一個低值的光學編碼器計算步進移動的數量。一個簡單的回路與指令校驗的步進電機比較，驗證步進電機移動到預計的位置；2) 反電動勢, 一種無傳感器的檢測方法，使用步進電機的反電動勢（eleCtromotiveforCe，emf）信號，測量和控制速度。當反電動勢電壓降至監測探測水平時，閉環控制轉為標準開環，完成最終的位移移動；3）全伺服控制，指全時間的使用反饋設備，用于步進電機-編碼器、解碼器、或其它反饋傳感

25、器上，從而更為精確地控制步進電機位移和轉矩。其它的方法包括各種不同的反電動勢控制電機參數測量和軟件技術，一些制企業都會使用這些方法。這里，步進驅動監控和測量電機線圈，使用電壓額電流信息提高步進電機控制。正阻尼使用這一信息阻擋振動的速度，產生更多的可用的轉矩輸出，降低轉矩的機械振動損耗。無編碼器安裝監測采用信息檢測同步速度的損耗。傳統步進電機控制通常采用反饋設備和非傳感方法，是有效的實現帶有安全需求、危險狀況或高精確度要求的運動應用的方法。    大多數基于步進電機的系統，一般都運行在開環狀態下，這樣可提供一個低成本的方案。 事實上，步進系統可提高位移控制的的性能，

26、且不需要反饋。但是，當步進電機在開環時運行，在命令步幅和實際步幅之間會有同步損耗的可能。    閉環控制，是傳統步進控制的一個部分，能有效地提供更高地可靠性、安全性或產品質量。在這些步進系統中，反饋設備或間接參數傳感方法的閉環能進行校正或控制失步、監測電機停滯，以及確保更大的可用轉矩輸出。近期，步進電機的閉環控制（CLC）還能幫助執行智能分布運動架構。然而，開環操作會有失步的風險，這將產生定位失誤。但與伺服系統中使用的編碼器相比，閉環步進電機采用的編碼器成本更低。故選擇閉環控制。3.2  驅動方式的確定并于步進電機的驅動一般有兩種方法，一種是通過CPU直

27、接來驅動，這種方法一般不宜采用，因為CPU的輸出電流脈沖是特別小的它不能足以讓步進電機的轉動；別一種是通過CPU來間接驅動，就是把從CPU輸出的信號進行放大，然后直接驅動或是再通過光電隔離間接來驅動步進電機，這種方法比較安全可靠。固本次設計應采用CPU間接驅動步進電機。用編碼器還的測速發電機作為轉速測量工具,因為選擇了閉環控制，就必須有反饋元件，反饋元件一般有兩種，一種是采用同軸的測速發電機，把步進電機的轉速反饋回來，然后通過顯示器顯示出來并對步進電機進行調節；別一種是通過光同軸的電編碼器把步進電機的轉速反饋回來對步進電機進行調節；兩者相比，后者的設計比較簡單，價格便宜，安全可靠，污染少。固一

28、般采用后者，用光電騙碼器作為反饋元件。3.3  驅動電路的選擇步進電機的驅動電機有多種，但最為常用的就是單電壓驅動、雙電壓驅動、斬波驅動、細分控制驅動等。單電壓驅動是步進電機控制中最為簡單的一種驅動電路，它在本質上是一個單間的反相器。它的最大特點是結構簡單，因它的工作效率低，特別是在高頻下更顯的突出。它的外接電阻R要消耗相當一部分的熱量，這樣就會影響電路的穩定性所以此種驅動方式一般只用在小功率的步進電機的驅動電路中。雙電壓驅動是電路一般采用兩種電源電壓來驅動，因這兩個電源分別是一個為高壓一個為低壓，因此也稱為高低壓驅動電路。雙電壓驅動電路的缺點是在高低壓連接處電流出現谷點，這樣必然引

29、起力矩在谷點處下降。不宜于電機的正常運行。對于斬波電路驅動則可以克服這種缺點，并且還可以提高步進電機的效率。所以從提高效率來看這是一種很好的驅動電路，它可以用較高的電源電壓，同時無需外接電阻來限定期額定電流和減少時間常數。但由于其波形頂部呈現鋸齒形波動，所以會產生較大的電磁噪聲。細分驅動是用脈沖電壓來供電的，對于一個電壓脈沖，轉子就可以轉動一步，一般會根據電壓脈沖的分配方式，步進電機各相繞阻會輪流切換，固可以使步進電機的轉子旋轉。細分控制的電路一般分為兩類，一類是采用線性模擬功率放大器的方法獲得階梯形電流，這種方法簡單，但效率低。別一種是用單片機采用數子脈寬調制的方法獲得階梯電流，這種方法需要

30、復雜的計算可使細分后的步距角一致。但因本次設計對步進電機的精度要求比較高轉速的調節范圍比較廣，固應選用驅動芯片8713來驅動，并通過軟件來實現步進電機的調速。3.4  基本方案的確定因本次設計的要求，選用三相三拍步進電機，單片機選用89C51作為控制器。選取用8279來驅動顯示和鍵盤。選用8713作為步進電機的驅動芯片并通過光電耦合來驅動步進電機。然后由于步進電機同軸的光電編碼器作為反饋元件，并把反饋回的信號經CPU處理后再由顯示器顯示出來。但由鍵盤輸入的速度數值了得通過顯示器來顯示，固本次設計要兩排顯示，一排來顯示給定的轉速一排來顯示實際的轉速。系統原理框圖如3-1所示：圖3-1

31、系統原理框圖第4章  硬件電路的設計4.1  單片機的選擇 本次設計以CPU選用89C5l作為步進電機的控制芯片89C51的結構簡單并可以在編程器上實現閃爍式的電擦寫達幾萬次以上使用方便等優點，而且完全兼容MCS5l系列單片機的所有功能。AT89C51是一種帶4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFAlsh ProgrAmmABle And ErAsABle ReAd Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和

32、閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案圖4-1  AT89C51的引腳圖與MCS-51 兼容 4K字節可編程閃爍存儲器 壽命：1000寫/擦循環數據保留時間：全靜態工作：0Hz-24Hz三級程序存儲器鎖定、128*8位內部RAM、32可編程I/O線、兩個16位定時器/計數器、5個中斷源、可編程串行通道、低功耗的閑置和掉電模式、片內振蕩器和時鐘電路 1) 振蕩器特性：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器

33、件，XTAL2應不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。2) 芯片擦除：整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節被重復編程以前，該操作必須被執行。此外，AT89C51設有穩態邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM定時器，計數器，串口和中斷系統仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到

34、下一個硬件復位為止。4.2  步進電機的選擇 因本次設計的要求，步進電機的應選用三相三拍的步進電機，關于步進電機的具體說明如下；反應式步進電動機是利用凸極轉子交軸磁阻與直軸磁阻之差所產生的反應轉矩而轉動的所以也稱為磁阻式步進電動機現以一個最簡單的三相反應式步進電動機為例說明其工作原理.圖4-2是一臺三相反應式步進電動機的原理圖定子鐵芯為凸極式共有三對六個磁極每兩個相對的磁極上繞有一相控制繞組轉子用軟磁性材料制成也是凸極結構只有四個齒齒寬等于定子的極靴寬下面通過幾種基本的控制方式來說明其工作原理.圖4-2 三相反應式步進電動機的原理圖當A 相控制繞組通電,其余兩相均不通電,電機內建立以

35、定子A 相極為軸線的磁場.由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點,使轉子齒1, 3 的軸線與定子A 相極軸線對齊,如圖4-4 (A)所示.若A 相控制繞組斷電,B 相控制繞組通電時,轉子在反應轉矩的作用下,逆時針方向轉過30,°使轉子齒2,4 的軸線與定子B 相極軸線對齊,即轉子走了一步,如圖4-4(B)所示, 若再斷開B相,使C相控制繞組通電,轉子又轉過30° 使轉子齒1,3 的軸線與定子C相極軸線對齊,如圖4-4(C)所示.如此按A-BC-A 的順序輪流通電,轉子就會一步一步地按逆時針方向轉動,其轉速取決于各相控制繞組通電與斷電的頻率,旋轉方向取決于控制繞組輪流通電的順序

36、若按A-C-B-A 的順序通電,則電機按順時針反方向轉動.圖4-2-1定轉子展開圖（A相繞組通電）控制繞組的通電方式為AB-BC-CA-AB 或AB-CA-BC-AB 每拍同時有兩相繞組通電三拍為一個循環，當A B 兩相控制繞組同時通電時轉子齒的位置應同時考慮到兩對定子極的作用，只有A 相極和B 相極對轉子齒所產生的磁拉力相平衡才是轉子的平衡位置如4-2-2 B 所示，可見雙三拍運行時的步距角仍是30°,但雙三拍運行時每一拍總有一相繞組持續通電，例如由A B 兩相通電變為B C 兩相通電時，B 相保持持續通電狀態C 相磁拉力圖使轉子逆時針方向轉動，而B 相磁拉力卻起有阻止轉子繼續向前

37、轉動的作用。即起到一定的電磁阻尼作用所以電機工作比較平穩，而在三相單三拍運行時由于沒有這種阻尼作用，所以轉子達到新的平衡位置容易產生振蕩穩定性不如雙三拍運行方式。三相雙三拍運行方式AB相與BC相導通的結構如圖4-2-2所示：                 (A)AB 相導通             

38、0;                                            (B)BC 相導通     

39、      圖4-2-2    三相雙三拍運行方式在分析步進電動機動態運行時，不僅要知道某一相控制繞組通電時的矩角特性，而且要知道整個運行過程中各相控制繞組通電狀態下的矩角特性，即所謂矩角特性族以三相單三拍的通電方式為例，若將失調角的坐標軸統一取在A 相磁極的軸線上，顯然A 相通電時矩角特性如圖4-3中曲線A 所示穩定平衡點為O，點B 相通電時轉子轉過1/3 齒距相當于轉過2/3 電角度,它的穩4-3中曲線C, 這三條曲線就構成了三相單三拍通電方式時的矩角特性族總之矩角特性族中的每一條曲線依次錯開一個用電角度表示的

40、步矩角 * MERGEFORMAT  * MERGEFORMAT  * MERGEFORMAT                                    (4-1)同理可得到三相單雙六拍通電方式時的矩角特性族如圖4-4

41、與4-5 所示：圖4-3三拍時的矩角特性族圖4-4六拍時的矩角特性族步進電機的動態特性是指步進電動機在運行過程中的特性它直接影響系統工作的可靠性和系統的快速反應。1)單步運行狀態單步運行狀態是指步進電動機在一相或多相控制繞組通電狀態下僅改變一次通電狀態時的運行方式.2)動穩定區當A 相控制繞組通電時矩角特性如圖1-12中的曲線A 所示，若步進電動機為理想空載則轉子處于穩定平衡點* MERGEFORMAT 處，如果將A相通電改變為B相通電，那么矩角特性應向前移動一個步距角* MERGEFORMAT 變為曲線B，* MERGEFORMAT 點為新的穩定平衡點由于在改變通電狀態的初瞬轉子位置來不及改變還處于=0的位置，對應的電磁轉矩卻由O 突變為曲* MERGEFORMAT 線B上的C 點，電機在該轉矩的作用下轉子向新的穩定平衡位置，移動直至到達* MERGEFORMAT 點為止對應它的靜穩定區為止，（-+ * MERGEFORMAT   ）< <(+ * MERGEFORMAT )， 即改變通電狀態的瞬間只要轉子在這個區域內就能趨向新的穩定平