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1、步进电动机的控制,伺 服 系 统,第 3 篇,内容提要,步进电动机的工作原理及驱动方法 步进电动机的开、闭环控制 步进电动机的最佳点-位控制,步进电动机或称脉冲电动机，是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。步进电动机实际上是一个数字/角度转换器，也是一个串行的数/模转换器。输入一个电脉冲，电动机就转动一个固定的角度，称为“一步”，这个固定的角度称为步距角。步进电动机的运动状态是步进形式的，故称为“步进电动机”。从步进电动机定子绕组所加的电源形式来看，与一般交流和直流电动机不同，既不是正弦波，也不是恒定直流，而是脉冲电压、电流，所以有时也称为脉冲电动机或电脉冲马达。,步进
2、电动机特点,电动机输出轴的角位移与输入脉冲数成正比；转速与脉冲频率成正比；转向与通电相序有关。当它转一周后，没有累积误差，具有良好的跟随性。由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。步进电动机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。步进电动机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。步进电动机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。,步进电动机的种类,按运动方式：旋转运动、直线运动、平面运动和滚切运动。按工作原理：反应式（磁阻式）、电磁式、永磁式、永磁感应子式（混合式）。按其工作方式：功率式
3、和伺服式。功率式：输出转矩较大，能直接带动较大的负载；伺服式：输出转矩较小，只能带动较小的负载，对于大负载需通过液压放大元件来传动。按结构：单段式（径向式）、多段式（轴向式）、印刷绕组式。按相数：三相、四相、五相、六相等。按使用频率：分为高频步进电动机和低频步进电动机。,步进电动机的工作原理,步进电动机的工作原理是基于电磁感应原理。步进电动机和一般旋转电动机一样，分为定子和转子两大部分。定子由硅钢片叠成装上一定相数的控制绕组，输入电脉冲对多相定子绕组轮流励磁；转子用硅钢片叠成或用软磁性材料做成凸极结构转子本身没有励磁绕组的称为“反应式”步进电动机用永久磁铁做转子的称为“永磁式”步进电动机。目前
4、以反应式步进电动机用得较多。,单段式三相反应式步进电动机的结构,磁极按照定子径向排列，径向分相式；电机的定子上有六个均布的磁极，其夹角是60。定子磁极数为相数的两倍，即2p=2m；每个磁极上都装有控制绕组，并接成m相；转子上均布40个小齿。所以每个齿的齿距为360/40=9 定子每个磁极的极弧上也有5个小齿，且定子和转子的齿距和齿宽均相同,若以A相磁极小齿和转子的小齿对齐，那么B相和C相磁极的齿就会分别和转子齿相错三分之一的齿距，即3,三段式三相反应式步进电动机结构,多段式又称为轴向分相式。,三段式三相反应式步进电动机a)结构示意图1控制绕组2定子铁心3轴承4转轴5转子铁心,反应式步进电动机的
5、工作原理,A相通电，A方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。A相通电使转子1、3齿和 AA对齐。同理，B相通电，转子2、4齿和BB相轴线对齐，相对A相通电位置转30；同理，C相通电，转子1、3齿和CC相轴线对齐，相对B相通电位置转30。,如图按A-B-C-A顺序通电，电动机逆时针旋转，若按A-C-B-A顺序通电，电动机反向旋转。步距角步进电机绕组的通断电状态每改变一次，其转子转过的角度（30度）,三相步进电动机通电方式,从一相通电改换成另一相通电，即通电方式改变
6、一次叫“一拍”。步进电动机有单相轮流通电、双相轮流通电和单双相轮流通电的方式。“单”是指每次切换前后只有一相绕组通电；“双”就是指每次有两相绕组通电。,三相步进电动机通电方式,三相单三拍：通电顺序为ABCA“三相”：即三相步进电动机，每次只有一相绕组通电，而每一个循环只有三次通电，故称为三相单三拍运行。每次只有一相控制绕组通电吸引转子，容易使转子在平衡位置附近产生振荡，运行稳定性较差。另外，在切换时一相控制绕组断电而另一相控制绕组开始通电，容易造成失步，实际上很少采用。,双三拍：通电顺序为ABBCCAAB。由两相同时通电，转子受到的感应力矩大，静态误差小，定位精度高。另外，转换时始终有一相的控
7、制绕组通电，所以工作稳定，不易失步。三相六拍：其通电顺序为AABBBCCCAA。单、双相轮流通电。它具有双三拍的特点，且通电状态增加一倍，而使步距角减少一半。这种反应式步进电动机的步距角较大，不适合一般用途的要求。实际的步进电动机是一种小步距的步进电动机。,小步距角步进电动机,图3-1所示的为三相反应式步进电动机。设m为相数，z为转子的齿数则齿距因为每通电一次（即运行一拍），转子就走一步，各相绕组轮流通电一次，转子就转过一个齿距。故步距角式中，K为状态系数，K=拍数/相数。,小步距角步进电动机,若步进电动机的转子齿数z=40，按三相单三拍运行时，K=1，m=3 若按五相十拍运行时，则K=2，m
8、=5，z=40可见，步进电动机的相数和转子齿数越多，步距角就越小，控制越精确。故步进电动机可以做成三相，也可以做成二相、四相、五相、六相或更多相数。,小步距角步进电动机,若步进电动机通电的脉冲频率为(脉冲数/秒)，步距角用弧度表示，则步进电动机的转速 由上式可知，步进电动机在一定脉冲频率下，电动机的相数和转子齿数越多，转速就越低。而且相数越多，驱动电源也越复杂，成本也就越高。,小步距角步进电动机,步进电动机应用在机床上一般是通过减速器和丝杆螺母副带动工作台移动。所以，步距角对应工作台的移动量便是工作台的最小运动单位，也称脉冲当量（mm/脉冲）式中 t-丝杆导程（mm）；b-步距角（）；i-减速
9、装置传动比。工作台的进给速度v(mm/min)：v=60式中 f-频率（Hz）反应式步进电动机优点：控制方便、步距小、价格低廉；缺点：带负载能力差、高速时易失步、断电后无定位转矩。,步进电动机的主要技术指标与运行特性,主要技术指标与运行特性步距角和静态步距误差静态步距误差：实际步距角与理论步距角之间的误差(齿距不均匀，气隙不均匀)最大静转矩 步进电机的静特性：步进电机在稳定状态（即步进电机处于通电状态，转子保持不动的定位状态）时的特性。静转矩：步进电机处于稳定状态的电磁转矩。电动机带上负载，则转子位置便将偏离零位，称与零位间的角度为失调角。此时，电机能产生的转矩T和失调角的关系称为矩角特性。,
10、步进电动机的主要技术指标与运行特性,矩频特性 当控制脉冲频率极低时，脉冲持续的时间很长，并且大于转子衰减振荡的时间，也就是说在下一个控制脉冲尚未到来时，转子已经处在某稳定平衡位置，故其每一步都和单步运行一样。电机具有明显的步进特征。步进电动机作单步运行时的最大允许负载转矩为Tst，但当控制脉冲的频率逐渐增加，步进电动机的转速逐渐升高时，步进电动机所能带的负载使转矩值将逐步下降。这就是说，电机转动时所产生的电磁转矩是随频率的升高而减小的，把电磁转矩和脉冲频率的关系称为矩频特性。它是一条随频率增加电磁转矩下降的曲线。,步进电动机的主要技术指标与运行特性,启动频率和连续运行频率 失步：丢布和越步。起
11、动频率fst是指在一定负载转矩下能够不失步起动脉冲的最高频率。步进电动机在一定负载转矩下，不失步连续运行的最高频率称为电机的连续运行频率。,步进电动机技术指标实例,步进电动机的型号表示方法举例如下（不同生产厂家其表示方法也有所不同）反应式步进电动机：（如150BF003）混合式步进电动机：（如42BYG008）永磁式步进电动机：（如43BY30A）,步进电动机的振荡、失步及解决方法,振荡在不同平衡点切换时由于惯性产生的围绕平衡点衰减抖动。步进电动机的振荡现象主要发生于步进电动机工作在低频区步进电动机工作在共振区步进电动机突然停车时当步进电动机工作在高频区时，由于换相周期短，转子来不及反冲。同时
12、绕组中的电流尚未上升到稳定值，转子没有获得足够的能量，所以在这个工作区中不会产生振荡。减小步距角可以减小振荡幅值，以达到削弱振荡的目的。,步进电动机的振荡、失步及解决方法,失步步进电动机的失步原因有两种转子的转速慢于旋转磁场的速度，或者说慢于换相速度。例如，步进电动机在启动时，如果脉冲的频率较高，由于电动机来不及获得足够的能量，使其无法令转子跟上旋转磁场的速度，所以引起失步。因此步进电动机有一个启动频率，超过启动频率启动时，肯定会产生失步。启动频率不是一个固定值，提高电动机的转矩、减小电动机转动惯量、减小步距角都可以提高步进电动机的启动频率。转子的平均速度大于旋转磁场的速度主要发生在制动和突然
13、换相时，转子获得过多的能量，产生严重的过冲，引起失步。,步进电动机的振荡、失步及解决方法,阻尼方法消除振荡是通过增加阻尼的方法来实现的，主要有机械阻尼法：比较单一，就是在电动机轴上加阻尼器；电子阻尼法：多相励磁法、变频变压法、细分步法、反相阻尼法等。,步进电动机的驱动方法,步进电动机的运行特性，不仅与步进电动机本身的特性和负载有关，而且与配套使用的驱动电源（即驱动电路）有着十分密切的关系。选择性能优良的驱动电源对于充分发挥步进电动机的性能是十分重要的。步进电动机的驱动方法是与驱动电源有关的。驱动电源按供电方式分类，有单电压供电、双电压供电、调频调压供电；按功率驱动部分所用元件分类，有大功率晶体
14、管驱动、快速晶闸管驱动、可关断晶闸管驱动、混合驱动。,步进电动机的驱动方法,步进电动机的驱动方法,步进电动机的控制方法可归纳为两点：按预定的工作方式分配各个绕组的通电脉冲；控制步进电动机的速度，使它始终遵循加速匀速减速的运动规律工作。控制绕组是按一定的通电方式工作的，为了实现这种轮流通电，必须依靠环形分配器将控制脉冲按规定的通电方式分配到各相控制绕组上。环形分配可以用硬件电路来实现，也可以由微机通过软件进行。经分配器输出的脉冲，未经放大时，其驱动功率很小，而步进电动机绕组需要相当大的功率，即需要较大的电流才能工作。所以由分配器输出的脉冲还需进行功率放大才能驱动步进电动机。,步进电动机驱动电源设
15、计,驱动电源主要包括脉冲发生器（变频信号源）环形分配器（又称脉冲分配器）功率放大器,变频信号源,变频信号源：是一个频率可从几十Hz到几十kHz连续变化的脉冲发生器。经济型数控系统中，脉冲的产生和分配均由微机来完成。,环形分配器,步进电动机的每相绕组不是恒定的通电，而是按照一定的规律轮流通电，环形分配器的作用是将控制脉冲按规定方式分配到各相绕组上。环形分配器是根据步进电动机的相数和要求通电的方式来设计的。环形分配器有硬件环形分配器、软件环形分配器。,硬件环形分配器,触发器型环形分配器 环形分配器种类很多，可以由D触发器或J-K触发器所组成。图3-8是一个由3只J-K触发器及12个与非门组成的三相
16、六拍的环形分配器。,环形分配器集成芯片 按其电路结构不同可分为TTL集成电路和CMOS集成电路。如国产TTL脉冲分配器有三相（YBO13）、四相（YBO14）、五相（YBO15）和六相（YBO16），均为18个管脚的直插式封装。CMOS集成脉冲分配器也有不同型号。如CH250型是专为三相反应式步进电动机设计的环形分配器。封装形式为16脚直插式。图3-9所示为三相六拍工作时的接线图。,软件环形分配器,所谓件软件环形分配器，是指实现步进电机通电方式和通电顺序改变的功能不是用专门的硬件电路来完成，而是用编程的方式，即以指令驱动的方式来完成的。,软件环形分配器,在程序中，只要依次将这10个控制字送到P
17、1口，每送一个控制字，就完成一拍，步进电动机转过一个步距角。,功率放大器,单电压恒流功放电路 高低压（双电压）功率放大电路调频调压功放电路,步进电动机与微机的接口技术,由于步进电动机的驱动电流比较大，所以微型机与步进电动机的连接都需要专门的接口电路及驱动电路。接口电路可以用缓冲器和锁存器组成，也可以选用LSI并行I/O接口芯片，如8255、8155等。其中A口接步进电动机驱动器，向步进电动机提供各相的励磁电流；B口用来检测步进电动机的类型及工作方式选择，开关的状态可根据需要来设置。如图316所示。,步进电动机的开、闭环控制,步进电动机的开环控制 步进电动机系统的主要特点是能实现精确位移，精确定
18、位，且无积累误差，这是因为步进电动机的运动受输入脉冲控制，其位移量是断续的，总的位移量严格等于输入的指令脉冲数或其平均转速严格正比于输入指令脉冲的频率，若能准确控制输入指令脉冲的数量或频率，就能够完成精确的位置或速度控制，无需系统的反馈，形成所谓的开环控制系统。,步进电动机的开环控制,步进电动机的开、闭环控制,步进电动机的闭环控制 在开环控制系统中，电机响应控制指令后的实际运行情况，控制系统是无法预测和监视的，在某些运行速度范围宽，负载大小变化频繁的场合，步进电动机很容易失步，使整个系统趋于失控。另外，对于高精度的控制系统，采用开环控制往往满足不了精度的要求，因此必须在控制回路中增加反馈环节，构成闭环控制系统，与开环系统相比多了一个由位置传感器组成的反馈环节，将位置传感器测出的负载实际位置与位置指令值相比较，用比较信号进行控制，不仅可防止失步，还能够消除位置误差，提高系统的精度。,步进电动机的闭环控制,
