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1、2023/4/4,Tianjin University of Technology,1,第4章 步进电动机运动控制,2023/4/4,Tianjin University of Technology,2,本章主要内容安排如下：,矩角特性及动态特性,步进电动机的控制电路,典型步进电动机运动控制系统的硬件和软件,步进电动机的工作原理,2023/4/4,Tianjin University of Technology,3,概念,步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移(或线位移)的电磁装置，是一种特殊的电动机。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电
2、动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。,2023/4/4,Tianjin University of Technology,4,优点,缺点,结构简单、价格便宜、工作可靠，能将数字的电脉冲输入直接转换为模拟的输出轴运动。,具有较强的非线性，高性能的闭环控制比较困难。,2023/4/4,Tianjin University of Technology,5,41 步进电动机工作原理,永磁式步进电动机,永磁感应式步进电动机,根据工作原理，步进电动机可以分为,反应式步进电动机,2023/4/4,Tianjin University of Technology,6,411 反应式步进
3、电动机,定子和转子均由硅钢片铁芯组成,定子上有若干对磁极，磁极上有控制绕组。在转子的圆柱面上有均匀分布的小齿。依靠定子与转子之间的气隙磁场吸力的作用，产生电磁矩，使转子向气隙磁阻减小的位置方向转动。,图4-1 反应式步进电动机,2023/4/4,Tianjin University of Technology,7,首先有一相线圈(设为A相)通电，则转子1、3两齿被磁极A吸住，转子就停留在图a的位置上;然后，A相断电，B相通电，则磁极A的磁场消失磁极B产生了磁场，磁极B的磁场把离它最近的2、4两齿吸引过去，停止在图b的位置上，这时转子逆时针转了30;再接下去B相断电，C相通电。根据同样道理，转子
4、又逆时针转了30，停止在图c的位置上。,2023/4/4,Tianjin University of Technology,8,优点 结构简单，启动和运行时频率较高，步距角一般为1.5-15。缺点 消耗功率较大，断电时无定位转矩。,2023/4/4,Tianjin University of Technology,9,412 永磁式步进电动机,永磁式步进电动机的定子极上有两相或多相控制绕组，转子为一对或多对极的星形永久磁钢。转子的极数与定子每相的极数相同。一个典型的四相永磁式步进电动机的原理如图4-3所示。,图4-3 永磁式步进电动机,2023/4/4,Tianjin University o
5、f Technology,10,优点 由于转子为永久磁钢，永磁式步进电动机断电时有定位转矩，消耗功率较小；缺点 步进电动机步距角较大(一般为7.5-18)，启动和运行频率较低，并需要正、负脉冲供电。,2023/4/4,Tianjin University of Technology,11,413 永磁感应式步进电动机,永磁感应式步进电动机定子结构与反应式步进电动机类似，而转子由环形磁钢且两端罩上两段帽式铁芯组成。这两段转子铁芯的外圆周上有均布的齿槽，二者的装配位置从轴向看上去错开半个齿距。,图4-4 混合式步进电动机,2023/4/4,Tianjin University of Technol
6、ogy,12,图4-5所表示的磁路，磁通沿着如下路径：由永久磁铁的N极进入A段转子，然后由极1和5离开(极l和5由Il磁化，这时磁路的磁阻为最小)，经过定子机壳，再由定子极3和7进入B段转子(注意，I1磁化极3和7，磁通进人B段转子的磁阻为最小)，从而在永久磁铁的S端完成闭路。,图4-5 混合式步进电动机磁路,2023/4/4,Tianjin University of Technology,13,优点 步距角可做得较小(一般为0.9-3.6)，启动和运行频率较高，消耗功率较小，断电时有定位转矩，兼有反应式和永磁式的优点；缺点 需要正、负脉冲供电，制造工艺较复杂。,2023/4/4,Tianj
7、in University of Technology,14,三种步进电动机的比较,永磁式步进电动机,永磁感应式步进电动机,结构简单，启动和运行时频率较高，步距角一般1.5 15。但是，消耗功率较大，断电时无定位转矩。,断电时有定位转矩，消耗功率较小。但是，这种步进电动机步距角较大(一般为7.5 18)，启动和运行频率较低，并需要正、负脉冲供电。,步距角可做得较小(一般为0.9 3.6)，启动和运行频率较高，消耗功率较小，断电时有定位转矩，兼有反应式和永磁式的优点，但需要正、负脉冲供电，制造工艺较复杂。,反应式步进电动机,2023/4/4,Tianjin University of Techn
8、ology,15,42 特性及主要技术指标,步距角和转速,单脉冲运行特性,连续脉冲运行特性,静态运行特性,2023/4/4,Tianjin University of Technology,16,421 静态运行特性,静态运行特性主要指矩角特性。矩角特性是在不改变控制绕组通电状态的情况下，电磁转矩与转子转角的关系曲线。,图4-6 矩角特性,2023/4/4,Tianjin University of Technology,17,步进电动机的电磁转矩是由于磁路磁阻(从而磁链)随转子位置变化而产生的。,（4-1）,步进电动机的电磁转矩,2023/4/4,Tianjin University of
9、Technology,18,422 步距角和转速,步进电动机的通电方式,单拍制：在同一瞬间只有一相绕组通电。,双拍制：双相绕组依次顺序通电。,单双拍制：单、双拍相间依次顺序通电。,2023/4/4,Tianjin University of Technology,19,三相反应式步进电动机这三种通电方式的矩角特性,(a)三相单三拍,(b)三相双三拍,(c)三相六拍,2023/4/4,Tianjin University of Technology,20,式中，Pr为转子齿距，Zr为转子齿数，m为控制绕组相数，c为通电方式系数，单拍或双拍时取1，单、双拍交替时取2。,（4-2）,转速,（4-3）
10、,步距角:把步进电动机每步转过的角度称之为步距角。,2023/4/4,Tianjin University of Technology,21,423 单脉冲运行特性,当步进电动机输入单脉冲时，电动机从一种通电状态切换到另一种通电状态不引起失步的区域，称为动稳定区，如图4-8所示。,图4-8 步进电动机稳定区,2023/4/4,Tianjin University of Technology,22,裕量角：动稳定区的边界a点到初始稳定平衡位置Oo点的区域r,自由振荡频率,（4-4）,（4-5）,（4-6）,最大负载转矩：又称为启动转矩,式中：J-电动机轴上的总转动惯量,2023/4/4,Tian
11、jin University of Technology,23,424 连续脉冲运行特性,连续运行频率,在负载转矩小于启动转矩的条件下，步进电动机不失步启动的最高脉冲频率。,启动后，步进电动机不失步运行的最高输入脉冲频率。,启动频率,2023/4/4,Tianjin University of Technology,24,图4-9表示了步进电动机的启动停止和连续运行的转矩-转速特性。图中阴影区是单向变速区域。连续运行和启动停止转矩-转速曲线之间的差值是电动机转子惯量引起的转矩损失。,图4-9 步进电动机转矩-转速特性,2023/4/4,Tianjin University of Technol
12、ogy,25,43 驱动电路,对步进电动机驱动电路的要求：,能够提供快速上升和快速下降的电流，使电流波 形尽量接近矩形；,具有供截止期间释放电流的回路，以降低相绕组 两端的反电动势，加快电流衰减；,功耗低，效率高；,具有细分功能。,2023/4/4,Tianjin University of Technology,26,431 单极性驱动电路,限流电阻R的作用：减小相绕组的电气时间常数。续流二极管VD和电阻Rf的作用是，在开关晶体管关断时，为相绕组电流提供一条续流回路，沿图中虚线流动，把相绕组电感中储存的磁能消耗在R和Rf上，让相电流尽快衰减至零。,图4-10 单极性驱动电路,2023/4/4
13、,Tianjin University of Technology,27,432 双极性驱动电路,工作时，VTlVT4成对开关，即VT1，VT4同时导通或截止，VT2，VT3同时导通或截止。当VT1，VT4导通时，VT2，VT3则截止，电流从a流向b；反之，VT1，VT4截止时，VT2，VT3导通，电流从b流向a。VTlVT4全部截止时，则无电流通过相绕组。,图4-11 桥式双极性驱动电路,2023/4/4,Tianjin University of Technology,28,433 高低压驱动电路,图4-12 高低压驱动电路,2023/4/4,Tianjin University of T
14、echnology,29,该电路的工作过程如下：当输入脉冲刚转为高电位时，晶体管VT1，VT2均导通，电流沿图4-12(a)所示的回路流动，高压电源UH和低压电源UL全部加在相绕组上，因此相电流迅速上升;经过一段很短的时间，VT2截止，电流沿图4-12(b)所示路径流动，电流仅由UL提供。若选择合适的UL值，使UL/r等于额定相电流(r为相绕组内阻)，并维持相绕组电流，那么当输入脉冲为零时，VT1也截止，则相电流沿图4-12(c)所示路径续流。由于回路中包含UH，故电流衰减速度很快。,2023/4/4,Tianjin University of Technology,30,434 斩波驱动电路
15、,图4-13 斩波驱动电路,在斩波驱动电路中，晶体管VT1受脉冲分配器产生的激励信号控制，VT2则根据相绕组中的电流开或关，以维持相绕组中的电流大小。,2023/4/4,Tianjin University of Technology,31,435 细分(微步)驱动电路,细分驱动亦称微步驱动。细分电路是建立在步进电动机的各相绕组理想对称和矩角特性严格正弦的基础上的。它通过控制电动机各相绕组中电流的大小和比例，使步距角减小到原来的几分之一至几十分之一。实际上，加工误差致使细分后的步距角精度并不高。但是，细分驱动能极大地改善步进电动机运行的平稳性，提高匀速性，减弱甚至消除振荡。,2023/4/4,
16、Tianjin University of Technology,32,细分驱动原理,实现细分驱动，就是要在每一个步距角s之内产生若干个合力矩为零的平衡点。细分驱动可以通过改变相电流的大小和通电相数、相序来实现。细分数可以定义为电动机以细分步距角运行一个状态周期所需要的步数，因此它与电动机的相数有关。,2023/4/4,Tianjin University of Technology,33,三、四、五相步进电动机与两相步进电动机的微步运行原理是一致的。下面，以三相反应式步进电动机为例，说明其具体实现原理。,两相双极性和四相单极性步进电动机,三相单极性步进电动机,N:细分数；s:步距角；c:细分
17、步距角；,2023/4/4,Tianjin University of Technology,34,三相的Tem曲线可分别表示如下：,若采用相邻两相同时通电来产生所需的细分位置矩角特性Tem曲线，并假设负载转矩为零，则平衡位置处于0 s间，且下式成立：,（4-7）,（4-8）,2023/4/4,Tianjin University of Technology,35,可得两相电流的比值:,假设1相和2相的相电流为:,2023/4/4,Tianjin University of Technology,36,那么，合成的矩角特性可表示为,则,同理，可以推出s2s，2s3s之间的各相电流的计算公式。,
18、（4-9）,（4-10）（4-11）,2023/4/4,Tianjin University of Technology,37,细分驱动电路,根据上面的推导结果，可以得出每一个细分位置与各相电流的对应关系。如N4，则可用表4-1。,表4-1 位置与各相电流对应关系(N4),2023/4/4,Tianjin University of Technology,38,根据表中的电流数值，可以画出细分后三相绕组电流变化波形，如图4-14所示。,图4-14 三相绕组细分电流变化波形,2023/4/4,Tianjin University of Technology,39,细分驱动电路原理如图4-15所示
19、。其中EPROM中储存的就是表4-1中对应的各相电流值。EPROM的地址由可逆计数器产生。EPROM输出相应的相电流数据，经DA转换为相应的模拟电压，该电压控制恒流电路，使相绕组中产生相应的电流。这样，便可以控制各相电流的大小，实现细分驱动。,图4-15 细分驱动电路原理图,2023/4/4,Tianjin University of Technology,40,436 各种驱动电路的性能比较,表4-2 各种驱动电路性能比较,2023/4/4,Tianjin University of Technology,41,44脉冲分配器,脉冲分配器是步进电动机运动控制系统的重要组成部分。它的作用是把输
20、入脉冲按一定的逻辑关系转换为合适的脉冲序列，然后通过驱动电路加到步进电动机的相绕组上，使电动机按一定的方式工作。脉冲分配器可以由逻辑电路硬件实现，也可以通过逻辑代数运算由软件实现。,2023/4/4,Tianjin University of Technology,42,441 硬件脉冲分配器,三相六拍脉冲分配器,图4-16三相六拍脉冲分配器电路,2023/4/4,Tianjin University of Technology,43,反转,（4-12）,（4-13）,正转,2023/4/4,Tianjin University of Technology,44,表4-3 三相双三拍脉冲分配器
21、真值表,由真值表可知：正转时，相电流依次接通顺序为C-CA-A-AB-B-BC-C；反转时，依次接通顺序为C-CB-B-BA-A-AC-C。这正是三相步进电动机三相双三拍通电方式所需要的脉冲序列。,2023/4/4,Tianjin University of Technology,45,四相脉冲分配器,图4-l7 四相脉冲分配器的电路,2023/4/4,Tianjin University of Technology,46,表4-4 四相脉冲分配器真值表,由真值表4-4可知，正转时，脉冲分配器输出脉冲序列依次为Y4Y2Y3Y1Y4；而反转时，依次为Y3Y2Y4YlY3。这就是我们所要求的四相步
22、进电动机相电流脉冲序列。,2023/4/4,Tianjin University of Technology,47,442 软件脉冲分配器,下面，以控制三相步进电动机为例，说明软件脉冲分配器的编程原理。,三相步进电动机可以采用三相单三拍、三相双三拍及单双拍(六拍)等三种通电方式。图4-18表示了六拍通电方式、三相脉冲序列为AABBBCCCAA的波形图。,图4-18 三相脉冲分配器的脉冲序列波形图,由图4-18可以看出：在一个循环周期内，A，B，C三相脉冲电平分别是110001，011100以及0001l1。,2023/4/4,Tianjin University of Technology,4
23、8,MCS-96系列单片机8098单片机的三个高速输出口HSO0，HSO1，HSO2，用来输出步进电动机的A，B，C三相脉冲。对照脉冲序列波形图4-22，HSO0，HSO1，HSO2应输出相应的高电平和低电平。正转时，三相电流脉冲电平变化顺序为l00110010011001l01；反转时，顺序为001011010110100101。为了完成软件脉冲分配器，需利用定时器T1及相互依存的命令寄存器HSO_COMMAND(8位)和时间寄存器HSO_TIME(16位)。命令寄存器HSO_COMMAND决定触发事件，时间寄存器HSO_TIME决定事件触发时间。HSO_COMMAND的命令格式如下(其中的
24、通道约定由表4-5列出)：,2023/4/4,Tianjin University of Technology,49,表4-5 HS0通道号约定表T0，D1，J0,例如，下列语句：HSO_COMMAND00H HSO_TIMETIME1十0020H第一语句等号右边的00H表示十六进制00一个表示“T0，DO以及I0”，后一个0表示“触发HSO0”，这里，D0规定通道电位为低电平。第二语句表示在以定时器T1为基准的条件下，经过0020H时间延时(2162s64s)，触发事件发生。这两个语句连起来的意思，就是“将HSO0口置为低电平”。,2023/4/4,Tianjin University of
25、 Technology,50,45 步进电动机闭环控制系统,步进电动机闭环控制系统由速度环和位置环双环路组成，其原理方框图如图4-19所示。,图4-19 步进电动机闭环控制原理图,2023/4/4,Tianjin University of Technology,51,451 变速控制原理,图(a)为步进电动机参考脉冲生成原理。它由速度寄存器v和位置寄存器P组成，时钟脉冲每出现一次，v寄存器中的内容向p寄存器中累加一次。当p寄存器溢出时，便产生一个溢出脉冲作为参考脉冲控制步进电动机前进一个步距角。v寄存器中的内容由速度控制器的输出值决定。如果v寄存器中内容不改变，则步进电动机产生等速运动。,(
26、a)参考脉冲生成,2023/4/4,Tianjin University of Technology,52,(b)速度曲线,经过采样后，连续变化的速度曲线被量化为阶梯型折线，如图(b)所示。图中，t为采样周期(一般比时钟频率低)。如果采样周期足够高，则阶梯型折线逼近连续变化的曲线。,2023/4/4,Tianjin University of Technology,53,452 受控对象传递函数,脉冲控制的步进电动机具有时间延迟和振动特性。传动装置采用同步齿形带时是一种具有弹性的传动，它与受控机械相结合组成弹簧-质量系统。对于这样一个脉冲控制的受控对象，通常可以把步进电动机受控对象等价为惯性环
27、节与振荡环节的串联，并且采用实验方法辨识出其等价的数学模型。下面，考虑一个卫星电视接收天线稳定跟踪系统，如图4-21所示。,2023/4/4,Tianjin University of Technology,54,图4-21 卫星电视天线稳定跟踪系统,2023/4/4,Tianjin University of Technology,55,图4-22 步进电动机受控对象频率特性(a)对数幅频特性；(b)对数相频特性,2023/4/4,Tianjin University of Technology,56,对数相频特性可以分解为两条曲线：一条为点划线，另一条为双点划线，如图4-22(b)所示。点
28、划线是相应于二阶振荡环节的相频特性，双点划线相应于一阶惯性环节的相频特性。因此，受控对象传递函数可以等价地表示为,（4-14）,2023/4/4,Tianjin University of Technology,57,453 速度环,为了能够获得较好的控制效果，步进电动机伺服系统需要采用位置环和速度环的双环路控制。其中，速度环由速度控制器、受控对象以及速度负反馈组成，用来改善闭环系统的控制特性。根据受控对象传递函数式(4-14)，为了消除速度环的振荡特性，速度控制器必须采用比例-积分-微分控制器，其传递函数选择如下：,（4-15）,2023/4/4,Tianjin University of
29、Technology,58,开环传递函数,闭环传递函数,（4-16）,（4-17）,定义速度负反馈系数为Kf，于是,2023/4/4,Tianjin University of Technology,59,选择最佳阻尼比，代入上式，并利用实测参数值，可得速度环自然角频率,以及速度控制器参数,（4-18）,（4-19）（4-20）（4-21）,2023/4/4,Tianjin University of Technology,60,454 位置环,根据速度环设计结果，位置环的固有部分就是速度环，其传递函数由式(4-17)附加一阶纯积分组成，即,（4-22）,若采用近似对数频率特性表示，则如图4-
30、23中粗实线所示。,2023/4/4,Tianjin University of Technology,61,图423 闭环系统近似对数频率特性,2023/4/4,Tianjin University of Technology,62,如果采用比例控制器，开环增益大于12，则闭环系统是不稳定的，而且通频带不够宽。因此，必须附加相位超前校正，采用比例-微分控制器，但为了限制微分对高频噪声的放大作用，实际使用下列形式的相位超前控制器：,（4-23）,若取11020.1s，则可得其近似对数频率特性如图4-23中虚线所示。这样，校正后的开环传递函数为,（4-24）,其近似对数频率特性如图4-23中细实线所示。,
