13. 13.1 步进电动机 13.1.1 定义 13. 一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直 线位移的机电执行元件。 1.步距角 β（步距） ——当输入一个电脉冲时所转过的一个固定角度。 2.位移量与输入脉冲数严格成比例（无误差积累）。 n 与 f 、 β 有关 3.各种运行特性由下列条件决定： 输入脉冲数； 脉冲频率； 电动机各相绕组的接通次序。 4.广泛用于数字控制系统，如数控机床。 13.1.2 结构与工作原理 13. 1. 结构特点 1) 定子——由硅钢片叠成，装上一定相数的控制 绕组，由环形分配器送来电脉冲，对多相定子绕组轮 流励磁。 2) 转子——用硅钢片叠成或软磁性材料做成的凸 极结构。 反应式步进电动机（转子本身无励磁绕组） （转子本身无励磁绕组） 永磁式步进电动机（用磁铁做转子） （用磁铁做转子） 如：三相反应式步进电机。 ① 定子——6个磁极，每两相对磁极上有一相控制绕组。 ② 转子——装有4个凸齿。 2. 工作原理 1) 基本工作原理——就是电磁铁工作原理。 a) 环形分配器送来脉冲信号，对定子绕组轮流通电。 b) A相通电，B、C相不通电，转子齿1、3与A相定子齿 对齐，转子齿2、4与B、C相在不同方向上错开30?（此时转 矩为0，转子自锁）。 c) A相断电，B相通电，转子齿2、4与B相定子齿对齐， 30? 顺时针旋转30?。 d) B相断电，C相通电，同理转子顺时针旋转30?。 e) 通电顺序为A—B—C—A时，转子顺时针旋转。如改 为A—C—B—A时，转子反向（逆时针）转动。 f) 电流换接三次，磁场转一周，转子前进一个齿距角 （90?＝ 3β ）。 2) 通电方式 a) 取决于控制绕组通电频率，也取决于绕组通电方式。 b) 通电方式——单三拍、六拍及双三拍等。 “单”——每次只有一相绕组通电； “双”——每次有两相绕组通电； “拍”——通电次数（即从一种通电状态转到另一种 通电状态）。 按 A—B—C—A 方 式 通 电 ， 称 为 三 相 单 三 拍 运 行 β = 30o ）。 （ 按A—AB—B—BC—C—CA—A方式通电，称为三相六拍 β = 15o ）。 运行（ 太大。 注：步距角 β 太大。 13. 小步距角步进电动机（实际的步进电动机） 13.1.3 小步距角步进电动机（实际的步进电动机） 特征： 1. 特征： 定子内圆和转子外 圆均有齿和槽。 定子和转子的齿宽 和齿距相等。 规定： 2. 规定： 当一相磁极下定子 与转子的齿相对时，下 一相磁极下定子与转子 齿的位置刚好错开 τ / m （ τ —齿距，m—相数）。 公式： 3. 公式： 齿距 360o τ= Z （Z—转子齿数） τ 步距角 360 o β= = 拍数 ZKm 360 o β= = 3o 3× 3 × 40 （K—状态系数，三拍时，K=1；六拍时，K＝2） 三拍时， 三拍时 ；六拍时， ＝ 例如：Z＝40，三相单三拍运行，则 由此可见， 由此可见 ， 转子齿数Z↑（或定子相数m↑，或运行拍 β↓ 数Km↑），则 ，控制越。 转速 {n}rpm = {β }( rad ) { f }Hz 2π 60 60 = { f }Hz KmZ 360 o 2π = β= 注： KmZ KmZ 作业： 作业： P:360 13.1~2，13.7~9 13.2 环形分配器 13.2.1 驱动系统 控制脉冲按规定的通电方式分配 分配到每相绕 1. 控制脉冲 分配 组。 2. 实现脉冲分配的硬件 硬件逻辑电路，称为环形 硬件 环形 分配。 分配 3. 可采用软件 软件实现脉冲分配，这种方式称为 软件 软件环分（如：计算机数字控制系统）。 软件环分 4. 分配器输出的脉冲需进行功率放大 功率放大，才能 功率放大 驱动步进电动机。 13. 13.2.2 环形分配器 ?硬件环形分配器（直观、维护方便，响应速度较好） 环形分配器? ?软件环分（受微机运算速度限制，难以满足高速实时控制的要求） 1. 硬件环形分配器 如：三相六拍环形 分配器。 1) 主体是三个J-K触发器，输出端Q接功 放线路与三相绕组相连。QA ＝1时，A 相通电…… 2) W+?x 和 W??x 是正、反转控制信号。正 转时， W+?x＝1， W??x＝0…… 1 0…… 3) 正转时通电顺序为A-AB-B-BC-C-CAA；反转时通电顺序为A-AC-C-CB-BBA-A。 4) 逻辑状态线所示（以正 向分配为例）。 表 13.1 环形分配器逻辑真值表 控制信号状态 序号 CAJ 1 0 0 0 1 1 1 CBJ 1 1 1 0 0 0 1 CCJ 0 0 1 1 1 0 0 QA 1 1 0 0 0 1 1 输出状态 QB 0 1 1 1 0 0 0 QC 0 0 0 1 1 1 0 导电绕组 0 1 2 3 4 5 6 A AB B BC C CA A 注：C AJ = W+ ?X QB + W? ?X QC ；C BJ = W+ ?X QC + W? ?X Q A ；CCJ = W+ ?X Q A + W? ?X QB 。 2. 软件环分 以Z-80A CPU和PIO配置为例。 1) 由PIO作为驱动电路接口 脉冲经Z-80A的并行I/O接口PIO输出至步进电动机 各相，如图所示。 PIO A口 口 A2 A1 A0 C相 相 B相 相 A相 相 图13.7 I/O接口图 接口图 2) 建立环形分配表 PIO是可编程控制器件 可编程控制器件。 可编程控制器件 运行程序时，对应存储器单元的内容 送到PIO的A口，使A0、A1、A2依次发 送信号，从而使绕组轮流通电 绕组轮流通电。混合式步进电机 绕组轮流通电 正转（反转 反转）时，（反向 反向）依次输出 反转 反向 表中各单元内容，输出状态是表底 （表首 表首）状态时，修改索引值使下一 表首 次输出重新为表首（表底 表底）状态。 表底 表13.2 环形分配表 存储单元地 址 K+0 K+1 K+2 K+3 K+4 K+5 单元内容 01H(0001) 03H(0011) 02H(0010) 06H(0110) 04H(0100) 05H(0101) 对应通电相 A AB B BC C CA 3) 环形分配子程序 与主程序配合，环形分配器以子程序 子程序的形 子程序 式出现。 正转子程序。 正转时调用正转子程序 正转子程序 地址指针； 存索引值。 注：HL—地址指针；B—存索引值。 地址指针 存索引值 作业： 作业： P:361 13.3 13. 13.3 驱动电路 驱动电路——一种脉冲放大电路，使脉冲 驱动电路 具有一定的功率驱动能力。 要求： 要求： ① 提高步进电动机的快速性 快速性； 快速性 ② 提高步进电动机的平稳性 平稳性。 平稳性 13.3.1 单电压限流型驱动电路 13. 1. VT（晶体管）——无触点开关，使流过L的波形接近矩形波。 2. L（电动机绕组）—— L 中电流不能突变，经3 τ（时间常 数 τ = L ）时间后达到稳态电流（L—绕组电感，r—绕组电 r 阻）。 τ ↑↑ ( r ↓↓ ) ，严重影响启动频率。 ↓↓ ，缩短 i 上升的过渡时间， 3. R（串联电阻）—— τ = r+R 提高工作速度。 L 4. C（并联电容或加速电容）——C上的电压不能突变，在截 止到导通的瞬间，电源电压全落在绕组上， i ↑↑ 。 5. V(二极管)——VT截止时起续流和保护作用，以防绕组产 生的反电势击穿。 6. RD（串联电阻）—— i ↓↓ ，使 i 波形后沿变陡。 缺点： 缺点：R上有功率损耗（快速性↑，R↑，功耗↑，限制使用这 种电路）。 13. 13.3.2 高低压切换型驱动电路 1. 采用高压和低压两种电压供电。 2. t1 ? t 2 时间，VT1和VT2饱和导通，＋80V经过VT1和 VT2加到L上， i ↑↑。 3. 到 t 2 时（定时方式）或 i 上升到某一数值（定流方 式）， U b 2为低电平，VT2截止，L的电流由＋12V电 源经VT1维持， i ↓ 到 I额。 4. 到 t 3 时， U b1为低电平，VT1截止， i ↓ ，I＝0。 5. U b1 由脉冲分配器经几级电流放大获得， U b 2 由单稳 定时或定流装置再经脉冲变压器获得。 优点：功耗小，启动力矩大，突跳频率和工作频率高。 优点： 缺点： 缺点：大功率管数量多用一倍，增加了驱动电源。 作业： 作业： P:361 13.5 13.4 运行特性及注意事项 13.4.1 运行特性及影响因素 1. 基本特点 1) 工作时的步数或转速（角度控制或速度控制） 只与控制脉冲同步，而与电压、负载、温度、 冲击（环境条件）等因素无关。 2) 按控制要求进行启动、停止、反转或改变速 度。 3) 应用广泛（在数字控制系统中）。 2. 矩角特性 ——反映步进电动机电磁转距 电磁转距T随偏转角 θ 变化 电磁转距 偏转角 的关系。 1) 初始平衡位置——定子一相绕组通电，转子 无负载转矩，转子齿与通电相磁极上小齿对 齐。 2) 转子偏转角 θ （空间角）——转子齿偏离初 始平衡位置的角度（转子有负载作用，电磁 转矩与负载转矩平衡）。 3) 电角度 θ e ——空间角度的Z倍，即 θ e = Zθ 。 4) 矩角特性曲线 T = f (θ e ) 。 近似一条正弦曲线。 θe = ± π 2 时，T达到 静转矩 Ts max （定、转子 齿错开1/4齿距）。 反映了步进电动机带 负载的能力（负载转矩 ＝（0.3～0.5）Ts max ）。 “稳定运行” 3. 脉冲信号频率对运行的影响 (a) 频率很低（接近矩形波）； (b) 频率增高（波形畸变）； (c) 频率很高（I 下降到 I/ ）。 故 f 过高使步进电动机 ① 启动不起来； ② 运行时失步而停下。 4. 转子机械惯性对运行的影响 1) 受机械惯性作用，在启动阶段，转子落 后于应转过的角度，混合式步进电机一般会跟上来，严 重（ f ↑↑ ）时会启动不起来。 2) 在运转时，因惯性作用，经过几次振荡 后才停下来，严重时会引起失步。 措施： 措施：采用阻尼方法，消除或减弱步进电机的 振荡。 13. 13.4.2 主要性能指标和注意事项 1. 主要性能指标 1) 步距角 β ——步进电动机的主要性能指标之一，它直接 影响启动和运行频率。 β ≤ iθ min 式中：i ——传动比； θ min ——负载轴要求的小位移增量（或称脉冲当量）。 2) 静转矩 Ts max TL = (0.3 ~ 0.5)Ts max Tst TL max 式中： Tst ——步进电动机启动转矩； TL max ——静负载转矩。 通常取 Tst = TL max /(0.3 ~ 0.5) 。 3) 空载启动频率 f 0 st ——步进电动机 在空载情况下，不失步启动所允许 的频率。 在负载情况下，不失步启动所 允许的频率随负载的增加而显 著下降。 4) 连续运行频率 f c ——当步进电动机 运行频率连续上升时，电动机不失 步运行的频率。 矩频特性是指在连续运行状态 下，步进电动机的电磁力矩随频率 的升高而急剧下降的特性。 与负载有关； 注： f c 与负载有关；在同样负载 下， f c f 0 st 。 5) 精度——用一周内的步距角误差值表示。 步距精度 ?β = i(?β L ) 式中：?β L ——负载轴上所允许的角度误差。 6) 输入电压U、输入电流I和相数m三项指标与驱 动电源有关。混合式步进电机 2. 注意事项 1) 驱动电源的优劣对控制系统的运行影响极 大。 2) 若负载转动惯量较大，则在低频下启动， 再上升到工作频率；停车时从工作频率下 降到适当频率再停车。 3) 在工作过程中，尽量避免由负载突变而引 起的误差。 4) 在 工 作 中 若 发 生 失 步 现 象 ， 先 检 查 负 载 （是否过大）、电源电压（是否正常）， 再检查驱动电源输出波形（是否正常）， 不应随意变换元件。 作业： 作业： P:361 13.6，13.10～11
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