1、第7章步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（Step motor 或Stepping motor），是一種利用電磁感應(yīng)原理，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)脈沖，電機(jī)就轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，運(yùn)行一步，其運(yùn)動(dòng)形式是步進(jìn)式的，故稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。由于其輸入的是脈沖電壓，所以又稱脈沖電動(dòng)機(jī)或階躍電動(dòng)機(jī)。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作機(jī)理是基于最基本的電磁鐵機(jī)理。第7章步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)是由一系列電脈沖控制，脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的電脈沖信號(hào)，通過環(huán)形分配器按一定的順序加到電動(dòng)機(jī)的各相繞組上。為了使電動(dòng)機(jī)能夠輸出足夠的功率，經(jīng)過環(huán)形分配器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)還需要進(jìn)行功率放大。環(huán)形分配器、功率放

2、大器以及其他輔助電路統(tǒng)稱為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電源和控制器構(gòu)成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)，如圖7.1所示。控制器環(huán)形分配器功率放大器步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輔助電路驅(qū)動(dòng)電源圖7.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)框圖7.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理及分類7.1.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)分為定子和轉(zhuǎn)子兩大部分。定子由硅鋼片疊加而成，繞有一定相數(shù)的控制繞組，由環(huán)形分配器送來(lái)的電脈沖對(duì)各相定子繞組輪流進(jìn)行勵(lì)磁。轉(zhuǎn)子用硅鋼片疊成或用軟磁性材料做成凸極結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)子本身沒有勵(lì)磁繞組的叫做“反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)”；用永久磁鐵做轉(zhuǎn)子的叫做“永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)”。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式雖然繁多，但工作原理基本相同，下

3、圖是兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖 。1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)圖7.2所示為一臺(tái)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。其定子有6個(gè)磁極，每?jī)蓚€(gè)相對(duì)的磁極上繞有一相控制繞組，由外部脈沖信號(hào)對(duì)各相繞組輪流勵(lì)磁。轉(zhuǎn)子上有均布的四個(gè)凸齒。圖7.2三相反應(yīng)式(a)(b)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖圖7.3三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理2. 工作原理(1)基本工作原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過一個(gè)確定的角度，即步進(jìn)電機(jī)的步距角，用b表示；改變步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向隨之改變。 7.4單三拍通電方式時(shí)的轉(zhuǎn)子位置（2）通電方式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速即取決于控制繞組通電的頻率，又取決于繞組通電方式。步進(jìn)電動(dòng)

4、機(jī)的通電方式一般有單相輪流通電方式、雙相輪流通電方式和單雙相輪流通電方式 。1）單相輪流通電方式-運(yùn)行的穩(wěn)定性差。 2）雙相輪流通電方式-輸出力矩較大，定位精度高而且不易失步。 3）單雙相輪流通電方式-步距角減小一倍。圖7.5三相六拍通電方式7.1.2小步距角步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子極面小齒和轉(zhuǎn)子上的小齒位置符合下列規(guī)律：當(dāng)U相的定子齒和轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊時(shí)，V相的定子齒應(yīng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子齒順時(shí)針方向錯(cuò)開1/3齒距，而W相的定子齒又應(yīng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子齒順時(shí)針方向錯(cuò)開23齒距。也就是說(shuō)，當(dāng)某一相磁極下定子與轉(zhuǎn)子的齒相對(duì)時(shí)，下一相磁極下定子與轉(zhuǎn)子齒的位置剛好錯(cuò)開/m其中，為齒距，m為相數(shù)；再下一相磁極下定子與轉(zhuǎn)子的齒則錯(cuò)開2m

5、；依此類推。當(dāng)定子繞組按U-V-W順序輪流通電時(shí)，轉(zhuǎn)子就順時(shí)針方向一步一步地移動(dòng)，各相繞組輪流通電一次，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距。圖7.6實(shí)際的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子、轉(zhuǎn)子展開圖 兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子磁極上的齒與左右段轉(zhuǎn)子齒的相對(duì)位置 若以轉(zhuǎn)子左段鐵心作參考，當(dāng)A1、A3極上的齒與轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊時(shí)， 則有A2、A4極上的齒與轉(zhuǎn)子槽相對(duì)，B1、B3極上的齒沿順時(shí)針方向超前轉(zhuǎn)子齒1/4齒距，B2、B4極上的齒沿順時(shí)針方向超前轉(zhuǎn)子齒34齒距；在轉(zhuǎn)子右段鐵心，則A1、A3極上的齒與轉(zhuǎn)子槽相對(duì)，A2、A4極上的齒與轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊，B1、B3極上的齒沿順時(shí)針方向超前轉(zhuǎn)子3/4齒距，B2

6、、B4極上的齒沿順時(shí)針方向超前轉(zhuǎn)子齒14齒距。結(jié)論：通過以上分析可知，轉(zhuǎn)子的齒數(shù)不能任意選取。因?yàn)樵谕幌嗟膸讉€(gè)磁極下，定轉(zhuǎn)子齒應(yīng)同時(shí)對(duì)齊或同時(shí)錯(cuò)開，才能使幾個(gè)磁極的作用相加，產(chǎn)生足夠的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩，而定子圓周上屬于同一相的極總是成對(duì)出現(xiàn)的，所以轉(zhuǎn)子齒數(shù)應(yīng)是偶數(shù)。另外，在不同相的磁極下，定轉(zhuǎn)子相對(duì)位置應(yīng)依次錯(cuò)開1m齒距，這樣才能在連續(xù)改變通電狀態(tài)下，獲得連續(xù)不斷的運(yùn)動(dòng)。否則，當(dāng)某一相控制繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子齒都將處于磁路的磁阻最小位置上，各相繞組輪流通電時(shí)，轉(zhuǎn)子將一直處于靜止?fàn)顟B(tài)，電動(dòng)機(jī)不能正常轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行。為此，要求兩相鄰相磁極軸線之間轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為整數(shù)加或減1m。7.1.2小步距角步進(jìn)電動(dòng)機(jī)設(shè)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)

7、為Z，則齒距角為因?yàn)槊客娨淮?即運(yùn)行一拍)，轉(zhuǎn)子就走一步，故步距角為式中：K為狀態(tài)系數(shù)，相鄰兩次通電相數(shù)一致時(shí)K=1，如單、雙三拍時(shí)；反之則K=2，如三相六拍時(shí)。若步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的z=40，三相單三拍或三相雙三拍時(shí)，其步距角為若按三相六拍運(yùn)行時(shí)，其步距角為7.1.2小步距角步進(jìn)電動(dòng)機(jī)如果步進(jìn)電動(dòng)機(jī)電定子各相繞組輪流通電的脈沖的頻率為f，步距角b的單位為(o)，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速(單位為rmin)為可知，步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)的改變速度越快，其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度越快，即通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高。7.1.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類分類方式具體類型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)按工作原理反應(yīng)式轉(zhuǎn)子無(wú)繞組，由被激磁的定子

8、繞組產(chǎn)生反應(yīng)力矩實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)行，是我國(guó)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)發(fā)展的主要類型。(又稱磁阻式)其主要特點(diǎn)是氣隙小、步距角小，定位精度高，控制準(zhǔn)確；但勵(lì)磁電流較大，要求有較大的驅(qū)動(dòng)電源功率，且電動(dòng)機(jī)內(nèi)部阻尼較小，當(dāng)相數(shù)較小時(shí)，單步運(yùn)行振蕩時(shí)間較長(zhǎng)或斷電后無(wú)定位轉(zhuǎn)矩，所以使用中需要自鎖定位。激磁式定、轉(zhuǎn)子均有激磁繞組(或轉(zhuǎn)子用永久磁鋼)，由電磁力矩實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)行。輸出力矩大，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)際較少應(yīng)用。永磁式轉(zhuǎn)子和定子的某一方具有永久磁鋼，另一方由軟磁材料制成。繞組輪流通電，建立的磁場(chǎng)與永久磁鋼的恒定磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。主要特點(diǎn)時(shí)步距角大，一般為15、30、45等，控制精度不高；控制功率較小，效率高；由于有用具磁鋼，

9、內(nèi)部阻尼較大，單步振蕩時(shí)間較短，斷電后具有一定的定位自鎖力矩。混合式近似反應(yīng)式和永磁式的結(jié)合體。與反應(yīng)式的主要區(qū)別是轉(zhuǎn)子上有磁鋼，反應(yīng)式轉(zhuǎn)子則無(wú)磁鋼，靜態(tài)電流比永磁式大許多永磁式。(永磁感應(yīng)式)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以做成像反應(yīng)式一樣的小步距角，又具有永磁式控制功率小的優(yōu)點(diǎn)；故具有驅(qū)動(dòng)電流小，效率高、過載能力強(qiáng)、控制精度高等特點(diǎn)，代表著步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最新發(fā)展，是一種很有應(yīng)用前景的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。7.1.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類分類方式具體類型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)按輸出力矩大小伺服式輸出力矩在百分之幾之幾至十分之幾(Nm)只能驅(qū)動(dòng)較小的負(fù)載，要與液壓扭矩放大器配用，才能驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)等較大的負(fù)載。功率式輸出力矩在5-50N

10、m以上，可以直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)等較大的負(fù)載。按相數(shù)三相相數(shù)越多，步距角越小，相同工作頻率下運(yùn)行越平穩(wěn)，控制精度越高；隨著相數(shù)增多，結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜，成本越高。四相m相按各相繞組分布徑向分布式電機(jī)各相按圓周依次排列軸向分布式電機(jī)各相按軸向依次排列，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，快速性和穩(wěn)定性好；功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)多為軸向式，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的典型分類 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)多段環(huán)形線圈結(jié)構(gòu) 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)多段分布繞組結(jié)構(gòu) 反應(yīng)式直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)示意圖 永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)環(huán)形線圈結(jié)構(gòu) 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖7.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)運(yùn)行要求足夠功率的電脈沖信號(hào)按一定的順

11、序分配到各相繞組。為了實(shí)現(xiàn)這種驅(qū)動(dòng)，要求有脈沖分配和功率放大功能的專門驅(qū)動(dòng)電源。驅(qū)動(dòng)電源和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一個(gè)有機(jī)的整體，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能是電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電源二者配合所反映的綜合效果。7.2.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式環(huán)形分配器功能是將控制脈沖按規(guī)定的方式分配給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；功率放大器是將環(huán)形分配器的輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大以能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。 圖7.7步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖7.2.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的環(huán)形分配器1.硬件環(huán)形分配器(1)邏輯電路環(huán)形分配器圖7.8三相單三拍脈沖分配器(a)硬件電路圖；(b)輸出脈沖波形圖表7-2JK觸發(fā)器真值表7.2.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的環(huán)形分配器1.硬件環(huán)形分配器(1)邏輯電路環(huán)

12、形分配器(2)EPROM環(huán)形分配器其基本思想是：結(jié)合驅(qū)動(dòng)電源線路按步進(jìn)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換表求出所需的環(huán)形分配器輸出狀態(tài)表(輸出狀態(tài)表與狀態(tài)轉(zhuǎn)換表相對(duì)應(yīng))，以二進(jìn)制碼的形式依次存入EPROM中，在線路中只要按照地址的正向或反向順序依次取出地址的內(nèi)容，則EPROM的輸出端即依次表示各勵(lì)磁狀態(tài)。EPROM設(shè)計(jì)的環(huán)形分配器具有以下特點(diǎn)：1)線路簡(jiǎn)單，僅有可逆計(jì)數(shù)器和存儲(chǔ)器兩部分；2)一種線路可實(shí)現(xiàn)多種勵(lì)磁方式的分配，只要在不同的地址區(qū)域存儲(chǔ)不同的狀態(tài)表，除軟件工作外，硬件線路不變；3)可徹底排除非法狀態(tài)；4)可有多種輸入端，便于同控制器接口。7.2.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的環(huán)形分配器1.硬件環(huán)形分配器(1)邏輯

13、電路環(huán)形分配器(2)EPROM環(huán)形分配器圖7.9EPROM型環(huán)形分配器7.2.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的環(huán)形分配器1.硬件環(huán)形分配器(1)邏輯電路環(huán)形分配器(2)EPROM環(huán)形分配器(3)集成環(huán)形分配器圖7.10CH250環(huán)形分配器表7-3CH250環(huán)形分配器狀態(tài)表7.2.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的環(huán)形分配器2.軟件環(huán)形分配器(1)設(shè)置輸出接口(2)設(shè)計(jì)環(huán)形分配子程序(3)設(shè)計(jì)延時(shí)子程序圖7.11I/O接口圖存儲(chǔ)元件地址單元內(nèi)容對(duì)應(yīng)通電相K0K1K2K3K4K501H(0001)03H(0011)02H(0010)06H(0110)04H(0100)05H(0101)AABBBCCCA表7-4環(huán)形分配表7.2.3步進(jìn)

14、電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路1.單電壓驅(qū)動(dòng)電路7.2.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路2.雙電壓驅(qū)動(dòng)電路7.2.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路2雙電壓驅(qū)動(dòng)電路雙電壓驅(qū)動(dòng)電路習(xí)慣上稱為高低壓切換型電路，其最后一級(jí)如圖7.13a)所示。這種電路的特點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)繞組主電路中采用高壓和低壓兩種電壓供電一般高壓為低壓的數(shù)倍。其基本思想是：不論電動(dòng)機(jī)工作頻率如何，在導(dǎo)通相的前沿用高電壓供電來(lái)提高電流的前沿上升率，而在前沿過后用低壓來(lái)維持繞組的電流。7.2.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路3斬波驅(qū)動(dòng)電路圖7.14 斬波驅(qū)動(dòng)電路斬波驅(qū)動(dòng)電路實(shí)用電路（1）該電路由于電流頂部的波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生電磁嘈聲斬波驅(qū)動(dòng)電路實(shí)用電路（2）恒頻脈寬調(diào)制功率電路可以克服電流頂

15、部的波動(dòng)而產(chǎn)生的電磁嘈聲。7.2.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路4.升頻升壓驅(qū)動(dòng)電路圖3.15升頻升壓驅(qū)動(dòng)電路升頻升壓驅(qū)動(dòng)電路實(shí)用電路（3）7.2.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路5.細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路圖7.16細(xì)分驅(qū)動(dòng)電流階梯波7.2.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路5.細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路細(xì)分驅(qū)動(dòng)有如下特點(diǎn)：(1)不改動(dòng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，能使步距角減小，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，提高均勻性，并能減弱或消除振蕩。改善了低頻特性，負(fù)載能力也有所增加。(2)但細(xì)分后的齒距角精度不高，且驅(qū)動(dòng)電源的結(jié)構(gòu)也相應(yīng)復(fù)雜。目前實(shí)現(xiàn)階梯波供電的方法有：先放大后疊加2)先疊加后放大a)先放大后疊加b)先疊加后放大圖7.17階梯波合成電路圖細(xì)分驅(qū)動(dòng)

16、電路驅(qū)動(dòng)電路實(shí)用電路（4）細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路實(shí)用電路（5）細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路實(shí)用電路（6）7.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性及影響因數(shù)7.3.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性1. 矩角特性 矩角特性是反映步進(jìn)電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩T隨偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一相或多相控制繞組通入直流電流，且不改變它的通電狀態(tài)，這時(shí)轉(zhuǎn)子將固定在某一平衡位置上保持不動(dòng)，稱為靜止?fàn)顟B(tài)(簡(jiǎn)稱靜態(tài))。在空載情況下，轉(zhuǎn)子齒和通電相磁極上的小齒對(duì)齊，這個(gè)位置稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的初始平衡位置。靜態(tài)時(shí)的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩叫靜轉(zhuǎn)矩，在理想空載時(shí)靜轉(zhuǎn)矩為零。當(dāng)轉(zhuǎn)子有負(fù)載作用時(shí)，轉(zhuǎn)子齒就要偏離初始位置由于磁力線有力圖縮短的傾向，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，直到這個(gè)轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩

17、相平衡。轉(zhuǎn)子齒偏離初始平衡位置的角度就叫做偏轉(zhuǎn)角(空間角)。若用電角度e表示偏轉(zhuǎn)角，則由于定子每相繞組通電循環(huán)一周(360 電角度)，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角(=360oz空間角度)，故電角度是空間角度的z倍，即e= z 。靜轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系稱為矩角特性，即T=f(e)。 7.3.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性e 達(dá)到/ 2時(shí)，即在定子齒與轉(zhuǎn)子齒錯(cuò)過14個(gè)齒距時(shí)，轉(zhuǎn)矩T達(dá)到最大值，稱為最大靜轉(zhuǎn)矩Tsmax。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩必須小于最大靜轉(zhuǎn)矩，否則，根本帶不動(dòng)負(fù)載。為了能穩(wěn)定運(yùn)行，負(fù)載轉(zhuǎn)矩一般只能是最大靜轉(zhuǎn)矩的3050左右。因此，這一特性反映了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載的能力，通常在技術(shù)數(shù)據(jù)中都有

18、說(shuō)明，它是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最主要的性能指標(biāo)之一。 圖7.18步進(jìn)電動(dòng)機(jī)矩角特性圖7.19步進(jìn)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定區(qū)2. 單步運(yùn)行特性加一個(gè)控制脈沖改變一次通電狀態(tài)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的這種工作狀態(tài)稱為單步運(yùn)行。(1)穩(wěn)定區(qū)(2)單步運(yùn)行特性只要滿足-e，當(dāng)外力矩消失后，在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)自身的電磁力矩作用下轉(zhuǎn)子仍能回到原平衡點(diǎn)O，將-至區(qū)間稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的靜穩(wěn)定區(qū)。在改變通電狀態(tài)前或改變過程中，只要轉(zhuǎn)子的步進(jìn)角e滿足(-+be) e(+be)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子就可趨向新的平衡點(diǎn)，稱區(qū)間(-+be)至(兀+be)為動(dòng)穩(wěn)定區(qū)。 只要轉(zhuǎn)角e不超過動(dòng)穩(wěn)定區(qū)，如此往復(fù)以新平衡點(diǎn)為基準(zhǔn)作減幅振蕩，T為周期，tb為步距角be對(duì)應(yīng)的衰減時(shí)

19、間。 7.3.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性3.連續(xù)脈沖運(yùn)行特性(1)極低頻條件下運(yùn)行控制脈沖周期T大于轉(zhuǎn)子單步運(yùn)行振蕩的衰減時(shí)間tb，當(dāng)?shù)诙胃淖兺姞顟B(tài)前(即第二個(gè)脈沖到來(lái)前)，第一次改變通電狀態(tài)使轉(zhuǎn)子的運(yùn)行已經(jīng)結(jié)束，所以運(yùn)行方式與單步運(yùn)行方式相同。在這種條件下，運(yùn)行的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)多數(shù)處于欠阻尼狀態(tài)，不可避免的產(chǎn)生振蕩，但其振幅不會(huì)超過步距角be ，因此不會(huì)出現(xiàn)失步和越步現(xiàn)象。 圖7.21極低頻運(yùn)行規(guī)律圖7.22低頻起動(dòng)與失步的條件7.3.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性(2)低頻條件下運(yùn)行當(dāng)控制脈沖的頻率為l/tbf4f0條件下運(yùn)行當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)處在高頻狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，在前一個(gè)脈沖作用下，轉(zhuǎn)子的振蕩尚沒到達(dá)第一

20、個(gè)振蕩的最大振幅，第二個(gè)脈沖已經(jīng)過來(lái)而又一次改變通電狀態(tài)。致使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行如同同步電動(dòng)機(jī)連續(xù)、平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動(dòng)。7.3.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性4.加減速特性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到工作頻率或由工作頻率到靜止的加減速過程中，勵(lì)磁繞組通電狀態(tài)的變化頻率f與時(shí)間t的關(guān)系。當(dāng)要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)到大于起動(dòng)頻率的工作頻率f時(shí)，速度必須上升；當(dāng)從最高工作頻率fmax或高于起動(dòng)頻率的工作頻率f停止時(shí)，速度必須下降；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減速特性如圖7.24所示。圖7.24步進(jìn)電動(dòng)機(jī)漸漸速特性7.3.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性的影響因素1.脈沖信號(hào)頻率對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的影響當(dāng)脈沖信號(hào)頻率很低時(shí)，控制脈沖以矩形波輸入，電流波形比較接

21、近于理想的矩形波，脈沖信號(hào)頻率增高，由于電動(dòng)機(jī)繞組的電感的作用，因此電流發(fā)生畸變，在開始通電瞬間，由于電流不能突變，其值不能立即升起，故使轉(zhuǎn)矩下降，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小，有可能動(dòng)不起來(lái)。在斷電的瞬間，電流也不能迅速下降，而產(chǎn)生反轉(zhuǎn)矩致使電動(dòng)機(jī)不能正常工作。脈沖頻率很高，則電流還來(lái)不及上升到穩(wěn)定值I就開始下降，于是電流的幅值降低（由I降到I），因而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩減小致使帶負(fù)載的能力下降。故頻率過高會(huì)使步講電動(dòng)機(jī)起動(dòng)不了或運(yùn)行時(shí)失步。圖7.25脈沖信號(hào)畸變7.3.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性的影響因素2轉(zhuǎn)子機(jī)械慣性對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的影響從物理學(xué)可知，機(jī)械慣性對(duì)瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)物體要發(fā)生作用，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)從靜止到起步，由于轉(zhuǎn)

22、子部分的機(jī)械慣性的作用，轉(zhuǎn)子一下子轉(zhuǎn)不起來(lái)，因此，要落后于它應(yīng)轉(zhuǎn)過的角度。如果落后不太大，還會(huì)跟上來(lái)；如果落后太多，或者脈沖頻率過高，電動(dòng)機(jī)將會(huì)起動(dòng)不起來(lái)。另外，即使電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)，也不是每一步都迅速地停留在相應(yīng)的位置，而是受機(jī)械慣性的作用要經(jīng)過幾次振蕩才停下來(lái)；如果這種情況嚴(yán)重，就可能引起失步。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)都采用阻尼方法，以消除（或減緩)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的振蕩。隨著轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增加，會(huì)引起機(jī)械阻尼作用的加強(qiáng)，摩擦力矩也會(huì)相應(yīng)增大，轉(zhuǎn)子就跟不上磁場(chǎng)變化的速度，最后兇超出動(dòng)穩(wěn)定區(qū)而失步或產(chǎn)生振蕩，從而限制連續(xù)運(yùn)行的頻率。7.3.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)和應(yīng)用1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)(1)步距角b若

23、通電方式和系統(tǒng)的傳動(dòng)比已初步確定，則步距角應(yīng)滿足bimin式中：i為傳動(dòng)比；min為負(fù)載軸要求的最小位移增量(或稱脈沖當(dāng)量，即每一個(gè)脈沖所對(duì)應(yīng)的負(fù)載軸的位移增量)。7.3.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)和應(yīng)用(2)精度對(duì)于所選用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其步距精度為：=i(L)式中：L為負(fù)載軸上所允許的角度誤差。7.3.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)和應(yīng)用(3)靜轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為TL=0.30.5Tsmax為保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在系統(tǒng)中正常工作，還必須滿足：TstTLmax式中：Tst為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；TLmax為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜負(fù)載轉(zhuǎn)矩。通常取Tst=TLmax(0.30.5)7.3.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

24、的主要性能指標(biāo)和應(yīng)用(4)響應(yīng)頻率在某一頻率范圍，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以任意運(yùn)行而不丟失一步，這一最大頻率稱為響應(yīng)頻率。通常用起動(dòng)頻率fst來(lái)作為衡量的指標(biāo)，它是能不丟步地起動(dòng)的極限頻率，有時(shí)也叫做突跳頻率或牽入頻率。 (5)運(yùn)行頻率運(yùn)行頻率是指頻率連續(xù)上升時(shí)，電動(dòng)機(jī)能不失步運(yùn)行的極限頻率。它的值也與負(fù)載的大小有關(guān)。在相同負(fù)載情況下，連續(xù)頻率fc的值遠(yuǎn)大于響應(yīng)頻率或起動(dòng)頻率fst。(6)起動(dòng)矩頻特性在給定的驅(qū)動(dòng)條件下，負(fù)載慣量定時(shí)，起動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系稱為起動(dòng)矩頻特性。當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶著一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩起動(dòng)時(shí)，作用在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的加速轉(zhuǎn)矩為電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之差。負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，加速轉(zhuǎn)矩就越小，電動(dòng)機(jī)就

25、越不容易起動(dòng)，其起動(dòng)的脈沖頻率就應(yīng)該越低。7.3.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)和應(yīng)用(7)起動(dòng)慣頻特性負(fù)載力矩一定時(shí)，起動(dòng)頻率與負(fù)載慣量之間的關(guān)系稱為起動(dòng)慣頻特性或牽入慣頻特性。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，轉(zhuǎn)子速度的增加越慢，起動(dòng)頻率也應(yīng)越低。(8)運(yùn)行矩頻特性在負(fù)載慣量不變時(shí)，運(yùn)行頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系稱為運(yùn)行矩頻特性。隨著步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率連續(xù)上升時(shí)，電動(dòng)機(jī)不失步運(yùn)行的最高頻率稱為連續(xù)運(yùn)行頻率fc ，它的值也與負(fù)載有關(guān)。很顯然，在同樣負(fù)載下，運(yùn)行頻率fc 遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率。f c 反映了步進(jìn)電機(jī)的最高運(yùn)行速度，直接影響生產(chǎn)率。在連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電磁力矩隨頻率的升高而急劇下降。7.3.3步進(jìn)電動(dòng)

26、機(jī)的主要性能指標(biāo)和應(yīng)用2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用注意事項(xiàng)(1)為使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行(不失步，不越步)、正常起動(dòng)并滿足對(duì)轉(zhuǎn)速的要求，必須保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載所需的轉(zhuǎn)矩。所以應(yīng)計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，并使所選電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩有一定的余量，以保證可靠運(yùn)行。被選電動(dòng)機(jī)能與機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載慣量及所要求的起動(dòng)頻率相匹配并留有一定余量，還應(yīng)使其最高工作頻率能滿足機(jī)械系統(tǒng)移動(dòng)部件加速移動(dòng)的要求。(2)應(yīng)使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步矩角be與機(jī)械負(fù)載相匹配，以得到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所驅(qū)動(dòng)部件需要的脈沖當(dāng)量。(3)驅(qū)動(dòng)電源的優(yōu)劣對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行影響極大，使用時(shí)要特別注意。需根據(jù)運(yùn)行要求，盡量采用先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)電源，以滿足步

27、進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能。(4)若所帶負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，則應(yīng)在低頻下起動(dòng)，然后再上升到工作頻率；停車時(shí)也應(yīng)從工作頻率下降到適當(dāng)頻率再停車；在工作過程中，應(yīng)盡量避免由于負(fù)載突變而引起的誤差。(5)若在工作中發(fā)生失步現(xiàn)象，首先應(yīng)檢查負(fù)載是否過大，電源電壓是否正常，再檢查驅(qū)動(dòng)電源輸出波形是否正常，在處理問題時(shí)不應(yīng)隨意變換元件。7.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開、閉環(huán)控制由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能直接接收數(shù)字量信號(hào)，所以被廣泛應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作過程一般由控制器控制按照設(shè)計(jì)者的要求完成一定的控制過程，使驅(qū)動(dòng)電源按照要求的規(guī)律驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。較簡(jiǎn)單的控制電路利用一些數(shù)字邏輯單元組成，即采用硬件的方式。但要改變系統(tǒng)的

28、控制功能，一般都要重新設(shè)計(jì)硬件電路，靈活性較差。以微型計(jì)算機(jī)為核心的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制開辟了新的途徑，利用計(jì)算機(jī)的軟件或軟、硬件相結(jié)合的方法，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的功能，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件的控制系統(tǒng)，包括開環(huán)和閉環(huán)兩種形式。7.4.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)精確位移、精確定位，且無(wú)積累誤差。這是因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)受輸入脈沖控制，其位移量是斷續(xù)的，總的位移量嚴(yán)格等于輸入的指令脈沖數(shù)或其平均轉(zhuǎn)速嚴(yán)格正比于輸入指令脈沖的頻率；若能準(zhǔn)確控制輸入指令脈沖的數(shù)量或頻率，就能夠完成精確的位置或速度控制，無(wú)需系統(tǒng)的反饋，形成所謂的開

29、環(huán)控制系統(tǒng)。 圖7.26步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開環(huán)控制原理框圖7.4.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制1.串行控制圖7.27串行控制功能框圖7.4.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制2.并行控制圖7.28并行控制方案的功能框圖7.4.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制3.速度控制控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度，實(shí)際上就是控制系統(tǒng)發(fā)出脈沖的頻率或者換相的周期。系統(tǒng)可用兩種方法來(lái)確定脈沖的周期：一種是軟件延時(shí)，另一種是用定時(shí)器。軟件延時(shí)的方法是通過調(diào)用延時(shí)子程序的方法實(shí)現(xiàn)的，它占用CPU時(shí)間；定時(shí)器方法是通過設(shè)置定時(shí)時(shí)間常數(shù)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于開環(huán)控制系統(tǒng)不需要反饋元件，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、工作可靠、成本低，因而在數(shù)字控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。圖7.29

30、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減速定位控制7.4.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制圖7.30步進(jìn)電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制功能框圖開環(huán)控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩在很大的程度上取決于驅(qū)動(dòng)電源和控制方式。在某些運(yùn)行速度范圍寬、負(fù)載大小變化頻繁的場(chǎng)合，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)很容易失步，使整個(gè)系統(tǒng)趨于失控。對(duì)于高精度的控制系統(tǒng)，采用開環(huán)控制往往滿足不了精度的要求。閉環(huán)控制是直接或間接地檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置和速度，然后通過反饋和適當(dāng)?shù)奶幚恚詣?dòng)給出驅(qū)動(dòng)的脈沖串。采用閉環(huán)控制，不僅可以獲得更加精確的位置控制和高的多、平穩(wěn)得多的轉(zhuǎn)速。與開環(huán)系統(tǒng)相比多了一個(gè)由位置傳感器組成的反饋環(huán)節(jié)。 7.5.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用十分廣泛

31、，如機(jī)械加工、繪圖機(jī)、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備、自動(dòng)記錄儀表等。它主要用于工作難度大、要求速度快、精度高的場(chǎng)合。尤其是電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。下面舉幾個(gè)實(shí)例簡(jiǎn)要說(shuō)明步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一些典型應(yīng)用。7.5.1步進(jìn)電機(jī)在數(shù)控車床中開環(huán)控制的應(yīng)用圖7.31步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)示意圖7.5.1步進(jìn)電機(jī)在數(shù)控車床中開環(huán)控制的應(yīng)用1.步進(jìn)電機(jī)的選擇1)計(jì)算(1)切削力的計(jì)算(2)減速齒輪的選擇(3)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算(4)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算7.5.1步進(jìn)電機(jī)在數(shù)控車床中開環(huán)控制的應(yīng)用1.步進(jìn)電機(jī)的選擇1)計(jì)算2)分析7.5.1步進(jìn)電機(jī)在數(shù)控車床中開環(huán)控制的應(yīng)用2.步進(jìn)電機(jī)的控制圖7.3

32、5單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)接口圖7.5.1步進(jìn)電機(jī)在數(shù)控車床中開環(huán)控制的應(yīng)用2.步進(jìn)電機(jī)的控制(1)步進(jìn)電機(jī)通電相序方向控制表7-5步進(jìn)電機(jī)三相六拍勵(lì)磁時(shí)的開關(guān)順序表7.5.1步進(jìn)電機(jī)在數(shù)控車床中開環(huán)控制的應(yīng)用2.步進(jìn)電機(jī)的控制(1)步進(jìn)電機(jī)通電相序方向控制(2)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制7.5.2步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制在擠壓機(jī)速度系統(tǒng)中的應(yīng)用圖5擠壓機(jī)速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成1.主缸2.主柱缸3.動(dòng)梁4.擠壓桿5.擠壓筒6.主驅(qū)動(dòng)電機(jī)7.變量油泵8.液壓變量控制器9.恒壓油源10.系統(tǒng)控制閥門11.速度/位置控制器12.光電測(cè)速13.速度給定器14.PLC可編程控制器7.5.2 步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制在擠壓機(jī)速度系統(tǒng)中的應(yīng)用圖7.37擠壓機(jī)速度閉環(huán)綜合控制系統(tǒng)框圖7.5.2步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制在擠壓機(jī)速