機(jī)電傳動控制：E第3章步進(jìn)電機(jī)傳動控制

1、第三章 步進(jìn)電動機(jī)傳動控制步進(jìn)電動機(jī)傳動控制特點:(1)總位移量取決于總脈沖數(shù)； (2)轉(zhuǎn)子運(yùn)動的速度取決于脈沖信號的頻率； (3)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的方向取決于脈沖信號的順序。機(jī)理：步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵原理，將脈沖信號轉(zhuǎn)換成線 位移或角位移的電機(jī)。每來一個電脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動 一個角度，帶動機(jī)械移動一小段距離。步進(jìn)電動機(jī)傳動控制種類： 分為勵磁式和反應(yīng)式兩種。 區(qū)別：勵磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上有勵磁線圈 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒有勵磁線圈。應(yīng)用： 步進(jìn)機(jī)的應(yīng)用非常廣泛。如：在數(shù)控機(jī)床、自動繪圖儀等設(shè)備中都得到應(yīng)用。 下面以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例說明步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。步進(jìn)電動機(jī)傳動控制脈沖分配器功放電路三相

2、步進(jìn)電機(jī)負(fù)載放大器電源分配器電源功放電路功放電路功率放大器步進(jìn)脈沖方向信號ABC步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)框圖 步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu) 步進(jìn)機(jī)主要由兩部分構(gòu)成：定子和轉(zhuǎn)子。定子由硅鋼片疊成，裝上一定相數(shù)的控制繞組；轉(zhuǎn)子用硅鋼片疊成或軟磁性材料做成凸極結(jié)構(gòu)。定子轉(zhuǎn)子定子繞組三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu) 定子的六個磁極上有控制繞組，兩個相對的磁極組成一相。 注意：這里的相和三相交流電中的“相”的概念不同。步進(jìn)機(jī)通的是直流電脈沖，這主要是指線圖的聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。U1V1定子轉(zhuǎn)子IUIVIWU2V2W2W1三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)步進(jìn)電動機(jī)的工作原理 給U相繞組通電時，轉(zhuǎn)子位置如圖（a），轉(zhuǎn)子齒偏離

3、定子齒一個角度。由于勵磁磁通力圖沿磁阻最小路徑通過，因此對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁吸力，迫使轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到與定子齒對齊位置時(圖b)，因轉(zhuǎn)子只受徑向力而無切線力，故轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子被鎖定在這個位置上。由此可見：錯齒是助使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的根本原因。（a）（b）三相繞組中的通電順序為：U相 V 相 W 相U相通電，U 方向的磁通經(jīng)轉(zhuǎn)子形成閉合回路。若轉(zhuǎn)子和磁場軸線方向原有一定角度，則在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子被磁化，吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的位置力圖使通電相磁路的磁阻最小，使轉(zhuǎn)、定子的齒對齊停止轉(zhuǎn)動。U 相通電使轉(zhuǎn)子1、3齒和 U相對齊。W1V1V2W2U13412U2通電方式單相輪流通電方式U13412同理，V相通電

4、，轉(zhuǎn)子2、4齒和V相軸線對齊，相對U相通電位置轉(zhuǎn)30；W相通電再轉(zhuǎn)30。1W2342W1U2V1V2U1W2V2V1W1U2W1V1V2W2U12341U2U 相通電使轉(zhuǎn)子2、4齒和 U相對齊。U相 V 相 W 相 U 相W1V1V2W2U13412U2U相 V 相U12341W2V2V1W1U2U相 V 相 W 相 U 相 V 相 4W2231W1U2V1V2U1U相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相W1V1V2W2U11234U2U相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相4W2231W1U2V1V2U1U相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相 V 相 3W212

5、4W1U2V1V2U1U相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相W1V1V2W2U14123U2U相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相U14123W2V2V1W1U2U相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相 V 相 2W2413W1U2V1V2U1U相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相U相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相 V 相 W 相 U 相W1V1V2W2U13412U2步進(jìn)電動機(jī)以一種通電狀態(tài)換到

6、另一種通電狀態(tài)就叫做一”拍”。 這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，而且，一個循環(huán)周期共包括三個脈沖，所以稱三相單三拍。三相單三拍的特點：（1）每來一個電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 30。此角稱為步距角。（2）轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序，改變通電順序即可改變轉(zhuǎn)向。通電方式三相單雙六拍三相繞組的通電順序為： UUVVVWWWUU 共六拍。工作過程：U相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒和U相對齊。W1V1V2W2U13412U2所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上(UV兩定子磁極對稱的中心)。相對U1U2 通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了15。（1）V1V2 磁場對 2、4 齒有磁拉力，該拉力使轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動。 （ 2）

7、U1U2 磁場繼續(xù)對1、3齒有拉力。U、V相同時通電W1U2V1V2W2U13412W1V1V2W2U13412U2U相通電總之，每個循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，所以稱為三相六拍，步距角為15。W1U2V1V2W2U13412V相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和V相對齊，又轉(zhuǎn)了15。通電方式三相雙三拍三相繞組的通電順序為： UV VW WU UV 共三拍。UV通電W1U2V1V2W2U13412VW通電W1U2V1V2W2U13412以上三種工作方式，三相雙三拍和三相單雙六拍較三相單三拍穩(wěn)定，因此較常采用。工作方式為三相雙三拍時，每通入一個電脈沖，轉(zhuǎn)子也是轉(zhuǎn)30，即 步距角 = 30。WU通電通電方式三相雙

8、三拍W1U2V1V2W2U13412小步距角的步進(jìn)電動機(jī) 定子上有三對磁極，分別繞有三相繞組，當(dāng)U相的定子齒與轉(zhuǎn)子對齊時，V相的定子齒與轉(zhuǎn)子齒順時針方向錯開1/3齒距，而W相磁極下定子與轉(zhuǎn)子齒順時針方向錯開2/3齒距。 當(dāng)定子各相繞組輪流通電一次，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個齒距。 為使轉(zhuǎn)、定子的齒對齊，定子磁極上的小齒，齒寬和齒槽和轉(zhuǎn)子相同。定子上有m相，齒距為，當(dāng)某一相磁極下定子與轉(zhuǎn)子的齒對齊時，下一相磁極下定子齒與轉(zhuǎn)子齒順時針方向錯開 /m，而再下一相磁極下定子與轉(zhuǎn)子齒順時針方向錯開2 /3。 （1）U相通電時，定子U 相的五個小齒和轉(zhuǎn)子對齊。此時，V 相和 U 相空間差120，含120/9 = 個

9、齒。 U 相和 W 相差240，含240/ 9 = 個齒。所以， U相定子的五個小齒與轉(zhuǎn)子對齊時， V 相、W 相不能對齊， V相的轉(zhuǎn)子、假設(shè)轉(zhuǎn)子齒數(shù)在z40，則轉(zhuǎn)子的齒距等于360/ 40=9 ，齒寬、齒槽各4.5 。小步距角的步進(jìn)電動機(jī) 工作原理：假設(shè)是單三拍通電工作方式。定子相差 1/3個齒（3）， W相的轉(zhuǎn)子、定子相差2/3個齒（6）。若工作方式改為三相六拍，則每通一個電脈沖，轉(zhuǎn)子只轉(zhuǎn) 1.5 。步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向仍由通電順序決定。（3）V 相斷電、W 相通電后，轉(zhuǎn)子只需轉(zhuǎn)過1/3個齒（3），使 W 相定子與轉(zhuǎn)子對齊。（2）U 相斷電、V 相通電后，轉(zhuǎn)子只需轉(zhuǎn)過1/3個齒（3），使

10、V 相定子與轉(zhuǎn)子對齊。小步距角的步進(jìn)電動機(jī) f：電脈沖的頻率 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速(r/min) 步進(jìn)機(jī)通過一個電脈沖,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度,稱為步距角 。K：狀態(tài)系數(shù)，相鄰兩次通電相數(shù)一致時，K1，如單、雙三拍；反之K 2，如三相六拍；z：轉(zhuǎn)子齒數(shù)。如：z=40 , 三相單三拍或三相雙三拍 時如：z=40 , 三相六拍 時小步距角的步進(jìn)電動機(jī) 步進(jìn)電機(jī)的分類1. 按工作原理分類激磁式（電磁式） 步進(jìn)電動機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子均有繞組，靠電磁力矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。反應(yīng)式（磁阻式） 轉(zhuǎn)子無繞組，定子繞組勵磁后產(chǎn)生反應(yīng)力矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。永磁式 轉(zhuǎn)子和定子的某一方具有永久磁鋼，另一方由軟磁材料制成。繞組輪流通電，建立的磁場與

11、永久磁鋼的恒定磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?；旌鲜剑ㄓ来鸥袘?yīng)式） 從定子或轉(zhuǎn)子的導(dǎo)磁體來看，它如反應(yīng)式，與反應(yīng)式的主要區(qū)別是轉(zhuǎn)子上置有磁鋼，輸入能量全靠定子勵磁電流供給，靜電電流比永磁式大許多；從它的磁路內(nèi)含有永久磁鋼這點看，又可以說它是永磁式，但因其結(jié)構(gòu)的不同，使其作用原理以及性能方面，都與永磁式步進(jìn)電動機(jī)有明顯的區(qū)別，它好像是反應(yīng)式和永磁式的結(jié)合。步進(jìn)電機(jī)的分類2. 按輸出轉(zhuǎn)矩的大小分類快速步進(jìn)電動機(jī) 電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩一般為0.074Nm，可以控制小型精密機(jī)床的工作臺，例如線切割機(jī)床。功率步進(jìn)電動機(jī) 電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩一般為540Nm，可直接驅(qū)動機(jī)床的移動部件。 此外，按勵磁相數(shù)可分為三相、四相、五

12、相、六相、等等。相數(shù)越多，步距角越小，但結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。 按運(yùn)動方式分為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、直線運(yùn)動、平面運(yùn)動等。 按定子排列還可分為徑向式（單段式）和軸向式（多段式），軸向式的轉(zhuǎn)動慣量小，快速性和穩(wěn)定性好，功率步進(jìn)電動機(jī)多為軸向式，步進(jìn)電機(jī)的分類步進(jìn)電動機(jī)的型號反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)（如150BF003） 混合式步進(jìn)電動機(jī)（如42BYG008）永磁式步進(jìn)電動機(jī)3.2.1 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方式脈沖分配器功放電路三相步進(jìn)電機(jī)負(fù)載放大器電源分配器電源功放電路功放電路功率放大器步進(jìn)脈沖方向信號ABC步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)框圖1. 脈沖分配器 當(dāng)方向電平為低時，脈沖分配器的輸出按A-B-C的順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。 當(dāng)方向電平為高時

13、，脈沖分配器的輸出按A-C-B的順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。 2.功率放大器 將脈沖分配器的輸出信號進(jìn)行電流放大后給電動機(jī)的定子繞組供電，使電動機(jī)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩。3.2.2 步進(jìn)電機(jī)的環(huán)形分配器 硬件環(huán)形分配器：硬件環(huán)形分配器由門電路和雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的邏輯電路構(gòu)成。有較好的響應(yīng)速度，且具有直觀、維護(hù)方便等優(yōu)點。 （1）集成脈沖分配器（2）EPROM在環(huán)形分配器中的應(yīng)用 軟件環(huán)分：受到微型計算機(jī)運(yùn)算速度的限制，有時難以滿足高速實時控制的要求。 集成脈沖分配器R,R*R是雙三拍的復(fù)位端，R*是六拍的復(fù)位端 J3r、J3L兩端子是三相雙三拍的控制端，J6r、J6L是三相六拍的控制端，三相雙三拍工作時，若

14、J3r“1”，而J3L“0”，則電機(jī)正轉(zhuǎn)；若J3r“0”，J3L“1”，則電機(jī)反轉(zhuǎn)；三相六拍供電時，若J6r“1”，J6L“0”，則電機(jī)正轉(zhuǎn)；若J6r“0”，J6L“1”，電機(jī)反轉(zhuǎn)。CL端是時鐘脈沖輸入端，EN是時鐘脈沖允許端，用以控制時鐘脈沖的允許與否。當(dāng)脈沖CP由CL端輸入，只有EN端為高電平時，時鐘脈沖的上升沿才起作用。CH250也允許以EN端作脈沖CP的輸入端，此時，只有CL為低電平時，時鐘脈沖的下降沿才起作用。EPEOM在環(huán)形分配器中的應(yīng)用 結(jié)合驅(qū)動電源線路按步進(jìn)電機(jī)勵磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換表求出所需的環(huán)形分配器輸出狀態(tài)表，以二進(jìn)制碼的形式依次存入EPROM中，在線路中只要按照地址的正向或反向順

15、序依次取出地址的內(nèi)容，則EPROM的輸出端即依次表示各勵磁狀態(tài)。軟件環(huán)分2. 軟件環(huán)形分配器設(shè)置輸出接口 設(shè)輸出口的A0接U相；A1接V相；A2接W相。設(shè)計環(huán)形分配子程序 在存儲器中建立環(huán)形分配表。設(shè)計延時子程序 主程序每調(diào)用一次環(huán)形分配子程序，就按順序改變一次步進(jìn)電動機(jī)通電狀態(tài)，而后調(diào)用延時子程序控制通斷節(jié)拍，從而改變步進(jìn)頻率。I/O接口圖軟件環(huán)分表3.6 環(huán)形分配表存儲元件地址 單元內(nèi)容 對應(yīng)通電相K0K1K2K3K4K501H（0001）03H（0011）02H（0010）06H（0110）04H（0100）05H（0101）UUVVVWWWU存儲器各單元中存放對應(yīng)繞組通電的順序數(shù)值。當(dāng)

16、運(yùn)行程序時，依次將環(huán)形分配表中的數(shù)據(jù)，也就是對應(yīng)存儲器單元的內(nèi)容送到A口，使依次送出脈沖信號，從而使電動機(jī)繞組輪流通電。3.3 步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電路 步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電路實際上是一種脈沖放大電路，使脈沖具有一定的功率驅(qū)動能力。 由于功率放大器的輸出直接驅(qū)動電動機(jī)繞組，因此，功率放大電路的性能對步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行性能影響很大。 核心：如何提高步進(jìn)電機(jī)的快速性和平穩(wěn)性 單電壓限流型驅(qū)動電路雙電壓驅(qū)動電路斬波驅(qū)動電路升頻升壓驅(qū)動電路細(xì)分驅(qū)動電路3.3.1單電壓限流型驅(qū)動電路L是電動機(jī)繞組電感VT開關(guān)晶體管 電阻Rc兩端并聯(lián)電容C，使電流上升更快，所以，電容C又稱為加速電容。 二極管V在晶體管VT截止時

17、起續(xù)流和保護(hù)作用，串聯(lián)電阻使電流下降更快，從而使繞組電流波形后沿變陡。VT的理想工作狀態(tài)：使流過繞組的波形盡可能接近矩形波。繞組電阻單電壓驅(qū)動缺點是外接電阻Rc上有功耗，隨著阻值的增加，電源電壓勢必提高，功率消耗也進(jìn)一步加大。應(yīng)用在小功率步進(jìn)電動機(jī)的簡單應(yīng)用中。3.3.2.高低壓切換型(雙電壓)驅(qū)動電路 高低壓驅(qū)動線路的特點是：電動機(jī)繞組主電路中采用高壓和低壓兩種電壓供電。一般高壓為低壓的數(shù)倍。思路：不論電機(jī)的工作頻率如何，在導(dǎo)通相的前沿用高電壓供電來提高電流的前沿上升率，而在前沿通過后，用低壓來維持繞組的電流。3.3.2.高低壓切換型(雙電壓)驅(qū)動電路 高低壓驅(qū)動加大了繞組電流的注入量，以提

18、高其功率，適用于大功率合高頻工作的步進(jìn)電機(jī)；但由于高壓的沖擊作用在低頻時也存在，使低頻輸入能量過大而造成低頻振蕩加劇，同時高低壓銜接處的電流波動呈凹形，使步進(jìn)電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)距下降；此外大功率管的數(shù)量要多用一倍，增加了驅(qū)動電源。一般電壓Ub1由脈沖分配器經(jīng)幾級電流放大獲得；電壓Ub2由單穩(wěn)定時或定流裝置再經(jīng)脈沖變壓器獲得。3.3.5.細(xì)分驅(qū)動電路什么叫細(xì)分？ 為了提高步進(jìn)電動機(jī)的精度，現(xiàn)在的步進(jìn)驅(qū)動器都有細(xì)分的功能。所謂細(xì)分，就是通過驅(qū)動器中電路的方法把步距角減小。 比如把步進(jìn)驅(qū)動器設(shè)置成5細(xì)分，假設(shè)原來步距角為1.8度，那么設(shè)成5細(xì)分后，步距角就是0.36度，也就是說原來一步可以走完的，設(shè)置細(xì)分

19、后需要走5步。3.3.5.細(xì)分驅(qū)動電路細(xì)分的主要作用 有一種認(rèn)為：細(xì)分是為了提高精度，其實不然，細(xì)分主要是改善電機(jī)的運(yùn)行性能，現(xiàn)說明如下： 步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制是由驅(qū)動器精確控制步時電機(jī)的相電流來實現(xiàn)的，以二相電機(jī)為例，假如電機(jī)的額定相電流為3A，如果使用常規(guī)驅(qū)動器（如常用的恒流斬波方式）驅(qū)動該電機(jī)，電機(jī)每運(yùn)行一步，其繞組內(nèi)的電流將從0突變?yōu)?A或從3A突變到0，相電流的巨大變化，必然會引起電機(jī)運(yùn)行的振動和噪音，如果使用細(xì)分驅(qū)動器，在10細(xì)分的狀態(tài)下驅(qū)動該電機(jī)，電機(jī)每運(yùn)行一微步，其繞組內(nèi)的電流變化只有0.3A，而不是3A，且電流是以正弦曲線規(guī)律變化，這樣就大大地改善了電機(jī)的振動和噪音，因此，在性

20、能上的優(yōu)點才是細(xì)分的真正優(yōu)點。由于細(xì)分驅(qū)動器要精確控制電機(jī)的相電流，所以對驅(qū)動器要有相當(dāng)高的技術(shù)要求和工藝要求，成本亦會較高。3.3.5.細(xì)分驅(qū)動電路如果每次通電時電流的數(shù)值不是一次升到位，而是分成階級，逐個階級地上升；同樣斷電時電流也不是一次降到0，而是逐個階級地下降。那么會發(fā)生什么現(xiàn)象？電磁力的大小與繞組的通電電流的大小有關(guān)系。當(dāng)通電相的電流并不馬上升到位，斷電相的電流并不立即降為0，它們所產(chǎn)生的磁場合力，會使轉(zhuǎn)子有一個新的平衡位置。也就是說，如果繞組中電流的波形不在是一個近似方波，而是一個分成N個階級的近似階梯波，則電流每升或降一個階級時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一小步，當(dāng)轉(zhuǎn)子按照這樣的規(guī)律轉(zhuǎn)過N小步時

21、，實際上相當(dāng)于它轉(zhuǎn)過一個步距角。3.3.5.細(xì)分驅(qū)動電路3.3.5.細(xì)分驅(qū)動電路細(xì)分驅(qū)動特點不改變電動機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下，減小步距角，但細(xì)分后齒矩角精度不高，且驅(qū)動電源的結(jié)構(gòu)也相應(yīng)復(fù)雜使步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，提高均勻性，并能減弱或消除振蕩實現(xiàn)階梯波供電的方法先放大后疊加。將通過細(xì)分環(huán)形分配器所形成的各個等幅等寬的脈沖，分別進(jìn)行放大，然后在電動機(jī)繞組中疊加成階梯波。先疊加后放大。利用運(yùn)算放大器來疊加，或采用公共負(fù)載的方法，把方波合成變成階梯波，然后對階梯波進(jìn)行放大再去驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)。3.3.5.細(xì)分驅(qū)動電路b)先疊加后放大。a) 先放大后疊加3.4.1 步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行特性矩角特性單步運(yùn)行特性連續(xù)脈

22、沖運(yùn)行特性加減速特性脈沖信號頻率對步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行的影響轉(zhuǎn)子機(jī)械慣性對步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行的影響步進(jìn)運(yùn)行和低頻振蕩偏轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)子齒偏離初始平衡位置的角度矩角特性矩角特性反映了步進(jìn)電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)距T隨偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系就是矩角特性曲線。步進(jìn)電動機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)距必須小于最大靜轉(zhuǎn)距，否則，根本帶不動負(fù)載。為了維持穩(wěn)定運(yùn)行，負(fù)載轉(zhuǎn)距一般只能是最大轉(zhuǎn)距的3050。矩角特性反映了步進(jìn)電動機(jī)帶負(fù)載的能力。當(dāng)定子每相繞組通電循環(huán)一周時，其電角度 ，對應(yīng)轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過一個齒矩角，即其空間角 齒矩角 ，則有脈沖信號頻率對步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行的影響a)b)c)a) 脈沖信號頻率低時，接近理想的矩形波b) 脈沖信號頻率增加，電流波形發(fā)生畸變；轉(zhuǎn)

23、矩下降，起動轉(zhuǎn)矩下降，可能起不來；c) 脈沖信號頻率很高，電流來不及上升到穩(wěn)態(tài)值就開始下降，因而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩減小致使帶負(fù)載能力下降。頻率過高會使步進(jìn)電動機(jī)起動不了或運(yùn)行時因失步而停機(jī)。轉(zhuǎn)子機(jī)械慣性對步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行的影響當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)從靜止到起步，由于轉(zhuǎn)子部分的機(jī)械慣性的作用，轉(zhuǎn)子一下子轉(zhuǎn)不起來，因此要落后于它應(yīng)轉(zhuǎn)過的角度，如果落后不太大，還會跟上來，如果落后太多，或者脈沖頻率過高，電動機(jī)會起動不起來。即使電動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)，也不是每一步都迅速地停留在相當(dāng)?shù)奈恢?，而是受機(jī)械慣性的作用，要經(jīng)過幾次振蕩才停下來；如果這種情況嚴(yán)重，就可能引起失步。采用阻尼方法，消除步進(jìn)電動機(jī)的振蕩。電動機(jī)運(yùn)行中存在振蕩，有一個

24、固定頻率 ，若輸入脈沖頻率時，就要產(chǎn)生共振，使步進(jìn)電動機(jī)振蕩不前。3.4.2 步進(jìn)電動機(jī)的主要性能指標(biāo)步距角精度轉(zhuǎn)矩響應(yīng)頻率運(yùn)行頻率起動矩頻特性起動慣頻特性運(yùn)行矩頻特性3.4.2 步進(jìn)電動機(jī)的主要性能指標(biāo)步距角 步距角的大小直接影響步進(jìn)電動機(jī)的起動和運(yùn)行頻率。i 為傳動比；為負(fù)載軸要求的最小位移增量。或稱脈沖當(dāng)量，即每一個脈沖所對應(yīng)的負(fù)載軸的位移增量。3.4.2 步進(jìn)電動機(jī)的主要性能指標(biāo)精度 步距誤差最大值：電動機(jī)旋轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)內(nèi)相鄰兩步之間最大步距和理想步距角的差值，用理想步距的百分?jǐn)?shù)表示。 步距累積誤差最大值：任意位置開始經(jīng)過任意步之后，角位移誤差的最 大值。對于所選用的步進(jìn)電動機(jī)，其步距精度為

25、：為負(fù)載軸上所允許的角度誤差。3.4.2 步進(jìn)電動機(jī)的主要性能指標(biāo)轉(zhuǎn)距保持轉(zhuǎn)矩，指繞組不通電時電磁轉(zhuǎn)矩的最大值或轉(zhuǎn)角不超過一定值時的轉(zhuǎn)矩值。反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩為零，而永磁式步進(jìn)電動機(jī)具有一定的保持轉(zhuǎn)矩。動轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動情況下最大輸出轉(zhuǎn)矩值，與運(yùn)行頻率有關(guān)。靜轉(zhuǎn)矩，指不改變繞組通電狀態(tài)，即轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)情況下的電磁轉(zhuǎn)矩。負(fù)載轉(zhuǎn)矩 與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為為保證步進(jìn)電動機(jī)在系統(tǒng)中正常工作為步進(jìn)電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩。為步進(jìn)電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩。為步進(jìn)電動機(jī)最大靜負(fù)載轉(zhuǎn)矩值。3.4.2 步進(jìn)電動機(jī)的主要性能指標(biāo)突跳頻率 響應(yīng)頻率指使步進(jìn)電動機(jī)可以任意運(yùn)行而不丟步的最大頻率。通常用起動頻率 來作為衡量的指標(biāo)，它是能

26、不丟步起動的極限頻率，有時也叫突跳頻率或牽入頻率。運(yùn)行頻率 運(yùn)行頻率指頻率連續(xù)上升時，電動機(jī)能不失步運(yùn)行的極限頻率。起動矩頻特性 給定驅(qū)動條件下，負(fù)載慣量一定時，起動頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。3.4.2 步進(jìn)電動機(jī)的主要性能指標(biāo)起動（牽入）慣頻特性 負(fù)載力矩一定時，起動頻率與負(fù)載慣量之間的關(guān)系。運(yùn)行矩頻特性 負(fù)載慣量不變時，運(yùn)行頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。3.4.3 步進(jìn)電動機(jī)的特點1、電動機(jī)輸出軸的角位移與輸入脈沖數(shù)成正比；轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比；轉(zhuǎn)向與通電相序有關(guān)。當(dāng)它轉(zhuǎn)一周后，沒有累積誤差，具有良好的跟隨性。2、無刷，由步進(jìn)電動機(jī)與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡單、廉價、又非?？煽?。同

27、時，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。3、步進(jìn)電動機(jī)的動態(tài)響應(yīng)快，易于起停、正反轉(zhuǎn)及變速。4、步進(jìn)電動機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對控制系統(tǒng)的機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)的措施。5、步進(jìn)電動機(jī)自身的噪聲和振動較大，帶慣性負(fù)載的能力較差。6、不能直接使用普通的交真流電源驅(qū)動。7、控制輸入脈沖數(shù)量、頻率及電動機(jī)各相繞組的通電順序，可得到各種需要的運(yùn)行特性。3.4.3 步進(jìn)電動機(jī)的特點1、電動機(jī)輸出軸的角位移與輸入脈沖數(shù)成正比；轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比；轉(zhuǎn)向與通電相序有關(guān)。當(dāng)它轉(zhuǎn)一周后，沒有累積誤差，具有良好的跟隨性。2、無刷，由步進(jìn)電動機(jī)與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡單、廉價、又非?？煽俊Ｍ瑫r

28、，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。3、步進(jìn)電動機(jī)的動態(tài)響應(yīng)快，易于起停、正反轉(zhuǎn)及變速。4、步進(jìn)電動機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對控制系統(tǒng)的機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)的措施。5、步進(jìn)電動機(jī)自身的噪聲和振動較大，帶慣性負(fù)載的能力較差。6、不能直接使用普通的交真流電源驅(qū)動。7、控制輸入脈沖數(shù)量、頻率及電動機(jī)各相繞組的通電順序，可得到各種需要的運(yùn)行特性。3.4.3 步進(jìn)電動機(jī)的特點振蕩： 步進(jìn)電動機(jī)的振蕩現(xiàn)象主要發(fā)生于：步時電動機(jī)工作在低頻區(qū)；步進(jìn)電動機(jī)工作在共振區(qū)；步進(jìn)電動機(jī)突然停車時。 當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)工作在高頻區(qū)時，由于換相周期短，轉(zhuǎn)子來不及反沖，同時繞組中的電流尚未上升到穩(wěn)定值，轉(zhuǎn)子沒有獲得足

29、夠的能量，所以在這個區(qū)中不會產(chǎn)生振蕩，減小步距角可以減小振蕩幅值，以達(dá)到削弱振蕩的目的。步進(jìn)電動機(jī)的振蕩、失步及解決方法3.4.3 步進(jìn)電動機(jī)的特點失步： 步進(jìn)電動機(jī)的失步原因有兩種。 第一種（丟步）是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速慢于旋轉(zhuǎn)磁場的速度，或者說慢于換相速度。例如。步進(jìn)電動機(jī)在啟動時，如果脈沖的頻率較高，由于電動機(jī)來不及獲得足夠的能量，使其無法令轉(zhuǎn)子跟上旋轉(zhuǎn)磁場的速度，所以引起失步，因此步時電動機(jī)有一個啟動頻率，超過啟動頻率啟動時，肯定會產(chǎn)生失步。注意，啟動頻率不是一個固定值，提高電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，減小電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量，減小步距角都可以提高步進(jìn)電動機(jī)的啟動頻率。 第二種（越步）是轉(zhuǎn)子的平均速度大于旋轉(zhuǎn)磁場的

30、速度，這主要發(fā)生在制動和突然換相時，轉(zhuǎn)子獲得過多的能量，產(chǎn)生嚴(yán)重的過沖，引起失步。步進(jìn)電動機(jī)的振蕩、失步及解決方法3.4.3 步進(jìn)電動機(jī)的特點解決方法：阻尼方法 消除振蕩是通過增加阻尼的方法來實現(xiàn)的，主要有機(jī)械阻尼法和電子阻尼法兩大類。 機(jī)械阻尼法比較單一，就是在電動機(jī)軸上加阻尼器；電子阻尼法有多種，主要有：多相勵磁法，變頻變壓法，細(xì)分步法，反相阻尼法等。步進(jìn)電動機(jī)的振蕩、失步及解決方法3.5 步進(jìn)電動機(jī)的控制 步進(jìn)電動機(jī)的工作過程一般由控制器控制，控制器按照設(shè)計者的要求完成一定的控制過程，使驅(qū)動電源按照要求的規(guī)律驅(qū)動電動機(jī)運(yùn)行。簡單的控制過程可以用各種邏輯電路來實現(xiàn)，但其缺點是線路復(fù)雜，控制方案改變困難；各種單片機(jī)的迅猛發(fā)展和普及應(yīng)用，為設(shè)計功能很強(qiáng)而價格低廉的步進(jìn)電動機(jī)控制器提供了先進(jìn)的技術(shù)。步進(jìn)電動機(jī)的開環(huán)控制速度控制加減速控制步進(jìn)電動機(jī)的閉環(huán)控制3.5 .1 步進(jìn)電動機(jī)的開環(huán)控制通過硬件實現(xiàn)脈沖分配硬件實現(xiàn)脈沖分配3.5 .1 步進(jìn)電動機(jī)的開環(huán)控制通過軟件實現(xiàn)脈沖分配通過軟件實現(xiàn)脈沖分配接口圖3.5 .1 步進(jìn)電動機(jī)的開環(huán)控制速度控制 控制系統(tǒng)發(fā)出脈