步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路

1、第三節(jié) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)一、步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)與種類1.步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電機(jī)。它是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。每當(dāng)輸入一個(gè)電脈沖時(shí)，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個(gè)相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時(shí)間上與輸入脈沖同步。只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電機(jī)繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有以下特點(diǎn)：?      工作狀態(tài)不易受各種干擾因素(如電壓波動(dòng)、電流大小與波形變化、溫度等)的影響；?      步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角有誤

2、差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步數(shù)以后也會(huì)出現(xiàn)累積誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)以后，其累積誤差變?yōu)椤傲恪?；?      由于可以直接用數(shù)字信號控制，與微機(jī)接口 比較容易；?      控制性能好,在起動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)時(shí)不易“丟步”；?      不需要傳感器進(jìn)行反饋，可以進(jìn)行開環(huán)控制；?      缺點(diǎn)是能量效率較低。就常用的旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來說，可將其分為以下三種：（1）可變磁阻(VR-Variable R

3、eluctance),也叫反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（2）永磁(PM-Permanent Magnet)型（3）混合(HB-Hybrid)型（1）可變磁阻(VR-Variable Reluctance) 結(jié)構(gòu)原理：該類電動(dòng)機(jī)由定子繞組產(chǎn)生的反應(yīng)電磁力吸引用軟磁鋼制成的齒形轉(zhuǎn)子作步進(jìn)驅(qū)動(dòng)，故又稱作反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。其結(jié)構(gòu)原理如圖3.5定子1上嵌有線圈，轉(zhuǎn)子2朝定子與轉(zhuǎn)子之間磁阻最小方向轉(zhuǎn)動(dòng)，并由此而得名可變磁阻型。 圖3.6 可變式阻步進(jìn)電機(jī)可變磁阻步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)：v     反應(yīng)式電動(dòng)機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子均不含永久磁鐵，故無勵(lì)磁時(shí)沒有保持力； v  

4、   需要將氣隙作得盡可能小，例如幾個(gè)微米；v     結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行頻率高，可產(chǎn)生中等轉(zhuǎn)矩，步距角?。?.099°） v     制造材料費(fèi)用低；v     有些數(shù)控機(jī)床及工業(yè)機(jī)器人上使用。（3）混合(HB-Hybrid)型結(jié)構(gòu)原理 這類電機(jī)是PM式和VR式的復(fù)合形式。其定子與VR類似，表面制有小齒，轉(zhuǎn)子由永磁鐵和鐵心構(gòu)成，同樣切有小齒，為了減小步距角可以在結(jié)構(gòu)上增加轉(zhuǎn)子和定子的齒數(shù)。其結(jié)構(gòu)如圖3.7所示?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)特點(diǎn):HB兼有PM和VR

5、式步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)：步距角可以做得較小(0.93.6°)；無勵(lì)磁時(shí)具有保持力；可以產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩，應(yīng)用較廣。拍:從一相通電換接到另一相通電稱為一拍。三相單三拍：通電方式A-B-C-A ，步距角為30度三相雙三拍：通電方式ABBCCAAB ，步距角為30°三相六拍：通電方式AABBBCCCAA，步距角為l5°（見圖3.9）。二、步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角越小，意味著它所能達(dá)到的位置精度越高。通常的步矩角是1.5o或0.75o。為此需要將轉(zhuǎn)子做成多極式的，并在定子磁極上制成小齒，定子磁極上的小齒和轉(zhuǎn)子磁極上的小齒大小、齒寬和齒距一樣。當(dāng)一相定子磁極的小齒與轉(zhuǎn)子的

6、齒對齊時(shí)，其它兩相磁極的小齒都與轉(zhuǎn)子的齒錯(cuò)過一個(gè)角度。按著相序，后一相比前一相錯(cuò)開的角度要大。步距角的大小與通電方式和轉(zhuǎn)子齒數(shù)有關(guān)，用下式計(jì)算： a360o/(Zm) 式中,Z轉(zhuǎn)子齒數(shù)；m運(yùn)行拍數(shù)，通常等于相數(shù)或相數(shù)整數(shù)倍，即m=KN(N為電動(dòng)機(jī)的相數(shù)，單拍時(shí)K1，雙拍時(shí)K2)。三、 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)及運(yùn)行特性1. 步距角a（分辨力）0.6/1.2，0.75/1.5，0.9/1.8，1/2，1.5/3步距角為與系統(tǒng)脈沖當(dāng)量為和絲杠基本導(dǎo)程為l0的條件下，減速比的匹配關(guān)系： =/(3600)/il0 所以， il0(3600)2. 靜態(tài)特性：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)特性是指它在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的特性，包括

7、矩-角特性、靜轉(zhuǎn)矩等。 在空載狀態(tài)下，給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)某相通以直流電流時(shí)，轉(zhuǎn)子齒的中心線與定子齒的中心線相重合，轉(zhuǎn)子上沒有轉(zhuǎn)矩輸出。如果在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)于軸上加一負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，定子與轉(zhuǎn)子之間將有一角位移e(見圖3.11)，稱為失調(diào)角。此時(shí)轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等，稱為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Tj。Tj-e的關(guān)系曲線為矩-角特性曲線（圖3.12 ）。3動(dòng)態(tài)特性1）動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)2）啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩在某一通電方式下，各相的矩-角特性總和為矩-角特性曲線族，每一曲線依次錯(cuò)開的電角度為e2/3m，m為運(yùn)行拍數(shù)。A相與B相矩-角特性曲線之交點(diǎn)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩Tq被稱為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。3）空載啟動(dòng)頻率與慣-頻特性：在空（負(fù)）載條件下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子

8、從靜止?fàn)顟B(tài)不失步地起動(dòng)的最大控制頻率稱為空載起動(dòng)頻率 (fq)。 當(dāng)帶負(fù)載起動(dòng)時(shí)，所允許的起動(dòng)控制頻率會(huì)大大下降，它反映了電機(jī)跟蹤的快速性，且隨負(fù)載慣量的增加而下降。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)慣性負(fù)載時(shí)的起跳頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之間的關(guān)系為慣-頻特性。 除慣性負(fù)載之外，還有外負(fù)載轉(zhuǎn)矩，則起跳頻率將會(huì)進(jìn)一步下降。90BF002型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)矩頻特性曲線和運(yùn)行矩頻特性。4）最高連續(xù)運(yùn)行頻率及矩-頻特性：步進(jìn)電機(jī)在連續(xù)運(yùn)行時(shí)所能接受的最高控制頻率被稱為最高運(yùn)行頻率（fmax）。電動(dòng)機(jī)在連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下，其電磁轉(zhuǎn)矩隨控制頻率的升高而逐步下降。這種轉(zhuǎn)矩與控制頻率之間的變化關(guān)系稱為矩-頻特性。四、步進(jìn)電機(jī)的型號表示方

9、法不同生產(chǎn)廠家的步進(jìn)電機(jī)型號表示方法也不盡相同，舉例如下：步進(jìn)電機(jī)的尺寸實(shí)物的步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器五、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制1.步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng) 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)包括脈沖分配器和功率放大器等 微機(jī)或數(shù)控裝置等送來的脈沖信號及方向信號應(yīng)按要求的配電方式自動(dòng)循環(huán)地供給電動(dòng)機(jī)各相繞組，以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子正反向旋轉(zhuǎn)。只要控制輸入電脈沖的數(shù)量及頻率就可精確控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速。（1）脈沖分配器 步進(jìn)電機(jī)的各相繞組必須按一定的順序通電才能正常工作，（環(huán)形）脈沖分配器就是實(shí)現(xiàn)該功能的。實(shí)現(xiàn)方法有三種：軟環(huán)分：利用查表或計(jì)算方法來進(jìn)行脈沖的環(huán)形分配。以下圖所示的微機(jī)控制三相步進(jìn)電機(jī)為例，對其軟環(huán)分狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

10、可將表中狀態(tài)代碼0lH、03H、02H、06H、04H、05H列入程序數(shù)據(jù)表中，通過軟件可順次在數(shù)據(jù)表中提取數(shù)據(jù)并通過輸出接口輸出即可，通過正向順序讀取和反向順序讀取可控制電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)。通過控制讀取一次數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔可控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 該方法能充分利用計(jì)算機(jī)軟件資源以降低硬件成本，尤其是對多相的脈沖分配具有更大的優(yōu)點(diǎn)。但由于軟環(huán)分占用計(jì)算機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，故會(huì)使插補(bǔ)一次的時(shí)間增加，易影響步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度。 采用小規(guī)模集成電路搭接 圖3.15為用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器C1、C2、C3搭接而成的三相六拍環(huán)形脈沖分配器，利用這種方式可搭接任意相任意通電順序的環(huán)形分配器，同時(shí)在工作時(shí)不占用計(jì)算機(jī)的工作時(shí)間

11、，但柔性較差，硬件一旦完成就不易修改。采用專用環(huán)形分配器器件 圖為市售的CH250即為一種三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)專用環(huán)形分配器。它可以實(shí)現(xiàn)三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各種環(huán)形分配（雙三拍，單六拍等），使用方便、接口簡單。圖3.16為CH250的管腳圖，圖b為三相六拍接線圖。采用專用環(huán)形分配器器件管腳A、B、C為相輸出端;管腳R、R*用于確定初始勵(lì)磁相:若為10，則為A相，若為01，則為A、B相，若為00，則為環(huán)形分配器工作狀態(tài);管腳CL、EN為進(jìn)給脈沖輸入端:若EN=1，進(jìn)給脈沖接CL，脈沖上升沿使環(huán)形分配器工作，若CL=0，進(jìn)給脈沖接EN，脈沖下降沿使環(huán)形分配器工作，否則環(huán)形分配器狀態(tài)鎖定;管腳J3r、J3L、

12、J6r、J6L為三拍或六拍工作方式的控制端;管腳UD、US為電源端。（2）功率放大器 從計(jì)算機(jī)輸出口或從環(huán)形分配器輸出的信號脈沖電流一般只有幾個(gè)毫安，須采用功率放大器將脈沖電流進(jìn)行放大才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)各相繞組都是感性負(fù)載，通電時(shí)，電流上升率受到限制；斷電時(shí)，又會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢，為使電流盡快衰減，增加適當(dāng)?shù)睦m(xù)流回路。 僅僅介紹簡單的單電壓功率放大電路。 單電壓功率放大電路優(yōu)點(diǎn)：是線路簡單； 缺點(diǎn)是電流上升慢，高頻時(shí)負(fù)載能力低。實(shí)用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) KT350步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的外形及接口圖。其中接線端子排A、A、B、B、C、C、D、D、E、E接至電動(dòng)機(jī)的各相;AC為電源進(jìn)線，用于接50Hz、8

13、0V的交流電源，端子G用于接地;連接器CN1為一個(gè)9芯連接器，可與控制裝置連接。RPW、CP為兩個(gè)LED指示燈;SW是一個(gè)四位撥動(dòng)開關(guān)，用于設(shè)置步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制方式。其中第1位用于脈沖控制模式的選擇，OFF位置為單脈沖控制方式，ON位置為雙脈沖控制方式;第2位用于運(yùn)行方向的選擇（僅在單脈沖方式時(shí)有效），OFF位置為標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行，ON位置為單方向運(yùn)行;第3位用于整.半步運(yùn)行模式選擇，OFF位置時(shí)，電動(dòng)機(jī)以半步方式運(yùn)行，ON位置時(shí)，電動(dòng)機(jī)以整步方式運(yùn)行;第4位用于運(yùn)行狀態(tài)控制，OFF位置時(shí)，驅(qū)動(dòng)器接受外部脈沖控制運(yùn)行，ON位置時(shí)，自動(dòng)試機(jī)運(yùn)行（不需外部脈沖）。圖示為混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的典型接線圖。

14、圖 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的典型接線圖步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)2.步進(jìn)電機(jī)的控制（1）控制方式：使用微機(jī)對步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制有串行和并行兩種方式。串行控制：將微機(jī)送出的脈沖串和方向信號送入驅(qū)動(dòng)電源，由驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行脈沖分配和功率放大，并驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)（圖3.24a）。 特點(diǎn)是使用的信號線少；可進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸；但驅(qū)動(dòng)電源中必須含有環(huán)形分配器。并行控制：由微機(jī)對脈沖串進(jìn)行分配，并同時(shí)經(jīng)并行端口送入驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)（圖3.24b）。 特點(diǎn)是使用的信號線多；傳輸速度快；一般由微機(jī)進(jìn)行軟環(huán)分，所以驅(qū)動(dòng)電源只需進(jìn)行功率放大。 （2）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)出步進(jìn)脈沖的頻率或

15、者換相的周期。系統(tǒng)可用兩種辦法來確定步進(jìn)脈沖的周期：軟件延時(shí)通過調(diào)用延時(shí)子程序的方法來實(shí)現(xiàn)，占有CPU時(shí)間。用定時(shí)器通過設(shè)置定時(shí)器時(shí)間常數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)，需硬件支持。軟件延時(shí)用定時(shí)器加減速規(guī)律一般有按照直線規(guī)律升速按指數(shù)規(guī)律升速兩種。其實(shí)現(xiàn)也可以由軟件延時(shí)和定時(shí)器兩種方法。當(dāng)利用定時(shí)器方式時(shí)，實(shí)質(zhì)就是不斷改變定時(shí)器裝載值的大小。為了減少每步計(jì)算裝載值的時(shí)間，可用階梯曲線來逼近理想升降曲線。這樣，每次裝載，軟件系統(tǒng)可通過查表的方法，查出所需要的裝載值。下面以最簡單的等加速、等減速的加減速過程對直線加減速規(guī)律進(jìn)行介紹：加速和減速的速度曲線有圖3.25所示兩種。 2.步進(jìn)電機(jī)的控制 圖中，fq為起跳頻率，fn為正常運(yùn)行頻率，起始頻率fq=0 時(shí)(圖 a)，直線加速的斜率為：K= fn /(tn -