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1、13.1 步进电动机13.1.1 定义 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。,13 步进电动机传动控制系统,1.步距角（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）。与 有关 3.各种运行特性由下列条件决定：l 输入脉冲数；l 脉冲频率；l 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。l反应式步进电动机（转子本身无励磁绕
2、组）l永磁式步进电动机（用永久磁铁做转子）,如：三相反应式步进电机。,定子6个磁极，每两相对磁极上有一相控制绕组。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，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ABCA时，转子顺时针旋转。如改为ACBA时，转子反向（逆时针）转动。f)电流换接三次，磁场转一周，转子
3、前进一个齿距角（90）。,l按ABCA方式通电，称为三相单三拍运行（）。l按AABBBCCCAA方式通电，称为三相六拍运行（）。注：步距角 太大。,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）。,13.1.3 小步距角步进电动机（实际的步进电动机）,1.特征：l定子内圆和转子外圆均有齿和槽。l定子和转子的齿宽和齿距相等。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（齿距，m相数）。,3.公式：l齿
4、距（Z转子齿数）l步距角（K状态系数，三拍时，K=1；六拍时，K2）例如：Z40，三相单三拍运行，则 由此可见，转子齿数Z（或定子相数m，或运行拍数Km），则，控制越精确。l转速 注：,作业：P:360 13.12，13.79,13.2 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到每相绕组。实现脉冲分配的硬件逻辑电路，称为环形分配。可采用软件实现脉冲分配，这种方式称为软件环分（如：计算机数字控制系统）。分配器输出的脉冲需进行功率放大，才能驱动步进电动机。,13.2.2 环形分配器,1.硬件环形分配器如：三相六拍环形分配器。,主体是三个J-K触发器，输出端Q接功放线路与三相绕
5、组相连。QA1时，A相通电 和 是正、反转控制信号。正转时，1，0正转时通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A；反转时通电顺序为A-AC-C-CB-B-BA-A。逻辑状态真值表如表13.1所示（以正向分配为例）。,表 13.1 环形分配器逻辑真值表,注：,2.软件环分 以Z-80A CPU和PIO配置为例。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。,图13.7 I/O接口图,C相B相A相,2)建立环形分配表PIO是可编程控制器件。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。正转（
6、反转）时，（反向）依次输出表中各单元内容，输出状态是表底（表首）状态时，修改索引值使下一次输出重新为表首（表底）状态。,表13.2 环形分配表,3)环形分配子程序与主程序配合，环形分配器以子程序的形式出现。正转时调用正转子程序。注：HL地址指针；B存索引值。,作业：P:361 13.3,13.3 驱动电路 驱动电路一种脉冲放大电路，使脉冲具有一定的功率驱动能力。要求：提高步进电动机的快速性；提高步进电动机的平稳性。,13.3.1 单电压限流型驱动电路,VT（晶体管）无触点开关，使流过L的波形接近矩形波。L（电动机绕组）L 中电流不能突变，经3（时间常数）时间后达到稳态电流（L绕组电感，r绕组电
7、阻）。，严重影响启动频率。R（串联电阻），缩短 上升的过渡时间，提高工作速度。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，。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。RD（串联电阻），使 波形后沿变陡。,缺点：R上有功率损耗（快速性，R，功耗，限制使用这 种电路）。,13.3.2 高低压切换型驱动电路,采用高压和低压两种电压供电。时间，VT1和VT2饱和导通，80V经过VT1和VT2加到L上，。到 时（定时方式）或 上升到某一数值（定流方式），为低电平，VT2截止，L的电流由12V电源经VT1维持，到 I额。到 时，为低电平，V
8、T1截止，I0。由脉冲分配器经几级电流放大获得，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。缺点：大功率管数量多用一倍，增加了驱动电源。,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基本特点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。按控制要求进行启动、停止、反转或改变速度。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T随偏转角 变化的关系。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。转子
9、偏转角（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）。电角度 空间角度的Z倍，即。矩角特性曲线。,近似一条正弦曲线。时，T达到最大静转矩（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（0.30.5）。“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 过高使步进电动机 启动不起来；运行时失步而停下。,4.转子机械惯性对运行的影响受机械惯性作用，在启动阶段，转子落后于应转过的角度，一般会跟上来，严重（）时会启动不起来。在运转时，因惯性作用，经过几次振荡
10、后才停下来，严重时会引起失步。措施：采用阻尼方法，消除或减弱步进电机的振荡。,13.4.2 主要性能指标和注意事项主要性能指标 1)步距角 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。式中：传动比；负载轴要求的最小位移增量（或称脉冲当量）。2)最大静转矩 式中：步进电动机启动转矩；最大静负载转矩。通常取。,3)空载启动频率 步进电动机在空载情况下，不失步启动所允许的最高频率。在负载情况下，不失步启动所允许的最高频率随负载的增加而显著下降。4)连续运行频率 当步进电动机运行频率连续上升时，电动机不失步运行的最高频率。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。注：与负载有关；在同样负载下，。,5)精度用一周内最大的步距角误差值表示。步距精度式中：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。,2.注意事项驱动电源的优劣对控制系统的运行影响极大。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。在工作过程中，尽量避免由负载突变而引起的误差。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：P:361 13.6，13.1011,
