步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)課件

5.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)步進(jìn)電機(jī)外形構(gòu)造

第五章步進(jìn)電動(dòng)機(jī)5.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)步進(jìn)電機(jī)外形構(gòu)造第五章步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)通電線圈中磁感應(yīng)強(qiáng)度B=μH=μnI

Ф=BS．(S是垂直磁感強(qiáng)度的面積)線圈磁通量是由線圈匝數(shù)和面積，以及線圈中的通電電流所決定的。步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)通電線圈中磁感應(yīng)強(qiáng)度B=μH=μnI步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造

步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)構(gòu)造：由轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)子鐵芯、永磁體、轉(zhuǎn)軸、滾珠軸承），定子（繞組、定子鐵芯），前后端蓋等組成。最典型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的定子有8個(gè)大齒，40個(gè)小齒，轉(zhuǎn)子有50個(gè)小齒；三相電機(jī)的定子有9個(gè)大齒，45個(gè)小齒，轉(zhuǎn)子有50個(gè)小齒。電動(dòng)機(jī)構(gòu)造圖轉(zhuǎn)軸成平行方向的斷面圖步進(jìn)電動(dòng)機(jī)構(gòu)造：電動(dòng)機(jī)構(gòu)造圖轉(zhuǎn)軸成平行方向的斷面圖5.1.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移的機(jī)電執(zhí)行元件。每當(dāng)輸入一個(gè)電脈沖時(shí)，它便轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)固定的角度，這個(gè)角度叫步距角β，簡(jiǎn)稱步距。脈沖一個(gè)一個(gè)輸入，電動(dòng)機(jī)便一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類(lèi)：工作原理反應(yīng)式永磁式混合式輸出轉(zhuǎn)矩大小快速步進(jìn)電機(jī)功率步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁相數(shù)二、三、四、五、六、八相等角位移輸入脈沖個(gè)數(shù)運(yùn)行速度輸入脈沖頻率5.1.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種以反應(yīng)式為例說(shuō)明步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理通常按勵(lì)磁方式分為三大類(lèi)：1）反應(yīng)式：

轉(zhuǎn)子為軟磁材料，無(wú)繞組，定、轉(zhuǎn)子開(kāi)小齒、步距角小。2）永磁式：

轉(zhuǎn)子為永磁材料，轉(zhuǎn)子的極數(shù)=每相定子極數(shù)，不開(kāi)小齒，步距角較大，力矩較大。3）混合式：

轉(zhuǎn)子為永磁式、兩段，開(kāi)小齒，轉(zhuǎn)矩大、動(dòng)態(tài)性能好、步距角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類(lèi)以反應(yīng)式為例說(shuō)明步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理通常按勵(lì)磁方式分為三

反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)：反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)：一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的組成

如圖所示為一臺(tái)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，同樣由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子：由定子鐵心、繞組、絕緣材料等組成

勵(lì)磁繞組由外部脈沖信號(hào)對(duì)各相繞組輪流勵(lì)磁。如圖所示。

轉(zhuǎn)子：由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)軸等組成。轉(zhuǎn)子鐵心是由硅鋼片或軟磁材料疊壓而成的齒形鐵心。一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的組成如圖所示為一臺(tái)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)

其中定子的三個(gè)勵(lì)磁繞組，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開(kāi)。錯(cuò)開(kāi)的距離分別為1/3(T)、2/3(T)。T為相鄰兩齒軸線間的距離。其中定子的三個(gè)勵(lì)磁繞組，其幾何軸線依次分別與二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理

給A相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子位置如圖（a），轉(zhuǎn)子齒偏離定子齒一個(gè)角度。由于勵(lì)磁磁通力圖沿磁阻最小路徑通過(guò)，因此對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁吸力，迫使轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到與定子齒對(duì)齊位置時(shí)(圖b)，因轉(zhuǎn)子只受徑向力而無(wú)切線力，故轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子被鎖定在這個(gè)位置上。由此可見(jiàn)：錯(cuò)齒是使得步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的根本原因。a)b)二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理給A相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子位置5.1.2通電方式一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電方式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速既取決于控制繞組的通電頻率，也取決于繞組通電方式，三相步進(jìn)電機(jī)一般有單三拍、單雙六拍和雙三拍等通電方式，其中“單”是指每次切換前后只有一相繞組通電，“雙”指每次有兩相繞組通電；而從一種通電狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種通電狀態(tài)就叫“拍”。5.1.2通電方式一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電方式

1.單相通電方式：指對(duì)每相繞組單獨(dú)輪流通電，對(duì)于三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：如果要改變旋轉(zhuǎn)方向，則只要改變通電順序即可，如通電順序改為A－Ｃ－Ｂ－Ａ?xí)r，轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊睫D(zhuǎn)動(dòng)。齒距角：轉(zhuǎn)子齒與齒之間的角度。步距角：轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過(guò)的角度。每次轉(zhuǎn)動(dòng)30o，因此，當(dāng)通電順序?yàn)锳－B－Ｃ－Ａ?xí)r，轉(zhuǎn)子按順時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊睫D(zhuǎn)動(dòng)。每換接一次，則轉(zhuǎn)子前進(jìn)一個(gè)步距角。電流換接三次，磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子前進(jìn)一個(gè)齒距角，這里是90o。1.單相通電方式：指對(duì)每相繞組單獨(dú)輪流通電，對(duì)于三

3.雙拍工作方式：正轉(zhuǎn)：AB-BC-CA-AB

反轉(zhuǎn)：AC-CA-BC-AC

2.三相六拍工作方式：

每次轉(zhuǎn)動(dòng)15o，當(dāng)通電順序按A-AB-B-BC-C-CA-A時(shí)，則轉(zhuǎn)子便按順時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊降剞D(zhuǎn)動(dòng)，步距角為15o。電流換接六次，磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子前進(jìn)了一個(gè)齒距。如果要反轉(zhuǎn)，則通電順序改為A-CA-C-BC-B-AB-A即可。同樣雙三拍通電方式每走一步前進(jìn)了一個(gè)步距角（30o）。3.雙拍工作方式：2.三相六拍工作方式：二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角

由一個(gè)通電狀態(tài)改變到下一個(gè)通電狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為步距角。設(shè)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為Z，則齒距為：

τ=360/Z步距角：

＝齒距/拍數(shù)=360/（KmZ）

其中：Z－轉(zhuǎn)子齒數(shù)

m－定子繞組相數(shù)

K－通電系數(shù)K=1,2，（單三拍、雙三拍時(shí)，K＝1；單、雙六拍時(shí)，K＝2）

若二相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的Z=100，單拍運(yùn)行時(shí)，其步距角若按單、雙通電方式運(yùn)行時(shí)，步距角二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角由一個(gè)通電狀態(tài)改變到下一個(gè)通電

由此可見(jiàn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z和定子相數(shù)(或運(yùn)行拍數(shù))愈多，則步距角愈小，控制越精確。當(dāng)定子控制繞組按著一定順序不斷地輪流通電時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就持續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。如果電脈沖的頻率為f(HZ)，步距角用弧度表示，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為：（r/min標(biāo)注為rpm）由此可見(jiàn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z和定子相數(shù)(5.1.3步距角的細(xì)分

單相或雙相通電時(shí)，稱為整步運(yùn)行；整步又稱自然步。

單、雙相通電時(shí)，稱為半步運(yùn)行。

整步或半步運(yùn)行時(shí)，因單步增量都比較大，而運(yùn)行振動(dòng)直接與步增量有關(guān)。

細(xì)分的目的就是將自然步進(jìn)行細(xì)分，得到微步距，以得到較好的運(yùn)行性能。5.1.3步距角的細(xì)分單相或雙相通電時(shí)，稱細(xì)分時(shí)：

A相繞組額定電流：轉(zhuǎn)子停在A-A位置A相繞組額定電流、B相繞組1/2額定電流：轉(zhuǎn)子停在位置Ⅱ，轉(zhuǎn)角150A相繞組額定電流、B相繞組額定電流時(shí)：轉(zhuǎn)子停在位置Ⅰ，轉(zhuǎn)角150A相繞組1/2額定電流、B相繞組額定電流：轉(zhuǎn)子停在位置Ⅲ，轉(zhuǎn)角150B相繞組額定電流：轉(zhuǎn)子停在位置B-B，轉(zhuǎn)角150這就是4細(xì)分，即一步分成4步。目前常用細(xì)分系數(shù)有2、4、8、16、32、64圖5.4步距細(xì)分原理圖細(xì)分時(shí)：這就是4細(xì)分，即一步分成4步。目前常用細(xì)分系數(shù)有2不細(xì)分時(shí):A相繞組通電：轉(zhuǎn)子停在A-A位置

A、B相繞組通電：轉(zhuǎn)子停在位置Ⅰ，轉(zhuǎn)角300B相繞組通電：轉(zhuǎn)子停在B-B位置

，轉(zhuǎn)角300不細(xì)分時(shí):5.1.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)一、步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)相數(shù)：產(chǎn)生磁場(chǎng)的激勵(lì)線圈的勵(lì)磁數(shù)（定子繞組的個(gè)數(shù)），一般分為三相、四相、五相、六相甚至八相。目前多用三至六相的步進(jìn)電機(jī)；拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，用n表示，磁場(chǎng)一個(gè)周期360°，轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)機(jī)械齒距角；步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移，用θ表示；定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩；靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。該力矩是衡量電機(jī)體積的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源無(wú)關(guān)。5.1.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)一、步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)相力矩：

電機(jī)一旦通電，在定子和轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子與定子錯(cuò)開(kāi)一定角度（磁通量Ф）。力F與定子和轉(zhuǎn)子的錯(cuò)開(kāi)角有關(guān)，與（dФ/dθ)成正比。

Ф＝BrSBr為磁通密度，S為導(dǎo)磁面積。F與LDBr成正比，L為鐵芯有效長(zhǎng)度，D為轉(zhuǎn)子直徑。Br＝N×I/R，N×I為勵(lì)磁繞組安匝數(shù)，R為磁阻，磁阻與磁導(dǎo)率成反比。力矩＝力×半徑。力矩與電機(jī)有效體積×安匝數(shù)×磁密成正比，因此電機(jī)有效體積越大，勵(lì)磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，力矩越大。二、步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)步距角精度：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用％表示。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在5％以內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在15％以內(nèi)。力矩：電機(jī)一旦通電，在定子和轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場(chǎng)，輸出轉(zhuǎn)矩：電動(dòng)機(jī)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩的大小

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與脈沖頻率的函數(shù)關(guān)系稱為矩頻特性。失步：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)不等于理論上的步數(shù)。失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。最大空載啟動(dòng)頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接啟動(dòng)的最大頻率。最大空載運(yùn)行頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。輸出轉(zhuǎn)矩：電動(dòng)機(jī)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩的大小步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特性

1.矩角特性矩角特性指電磁轉(zhuǎn)矩與偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系2.啟動(dòng)慣頻特性啟動(dòng)頻率和軸上負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之間的關(guān)系θe達(dá)到±π/2，定子齒與轉(zhuǎn)子齒錯(cuò)開(kāi)1/4個(gè)齒距時(shí)，轉(zhuǎn)矩T達(dá)到最大值，稱為最大靜轉(zhuǎn)矩Tsmax。負(fù)載轉(zhuǎn)矩一般為T(mén)smax的30~50%。在負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=0的條件下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)突然啟動(dòng)、不失步地進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)所允許的最高啟動(dòng)頻率，稱為啟動(dòng)頻率。啟動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、折算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有關(guān)。實(shí)際啟動(dòng)頻率由于TL存在，比標(biāo)稱數(shù)值要低。拍數(shù)越多，步距角越小，極限啟動(dòng)頻率越高；最大靜轉(zhuǎn)矩越大，電磁力矩越大，轉(zhuǎn)子加速度就越大，啟動(dòng)頻率也越高。定子每相繞組通電循環(huán)一周（360度電角度），對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距（360°/Z機(jī)械角度）。三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特性1.矩角特性三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特性

3.運(yùn)行頻率特性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，當(dāng)控制的脈沖頻率連續(xù)上升時(shí)能不失步運(yùn)行的最高頻率脈沖重復(fù)頻率稱為連續(xù)運(yùn)行平率。

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量主要應(yīng)影響運(yùn)行頻率連續(xù)升降的速度，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的繞組電感和驅(qū)動(dòng)電源的電壓對(duì)運(yùn)行頻率的上限影響很大。實(shí)際啟動(dòng)頻率比運(yùn)行頻率低得多。

通常采用自動(dòng)升降頻的方式，即步進(jìn)電動(dòng)機(jī)先在低頻下啟動(dòng)，再逐漸升高至運(yùn)行頻率；當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，先將脈沖頻率降低至啟動(dòng)頻率以下，再停止輸出脈沖，這樣，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就能不失步地準(zhǔn)確停止。三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特性3.運(yùn)行頻率特性三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特性4.矩頻特性

負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量一定且穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，定子繞組電流變化（最大輸出轉(zhuǎn)矩）和頻率的關(guān)系

負(fù)載轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行時(shí)頻率的關(guān)系頻率很低頻率增高頻率很高最大輸出轉(zhuǎn)矩隨脈沖頻率的升高而下降。繞組電感和驅(qū)動(dòng)電源電壓對(duì)矩頻特性影響很大。低頻區(qū)，矩頻特性平坦。高頻區(qū)，矩頻曲線急劇下降。步進(jìn)電機(jī)高頻特性差。從靜止到高速，需要加速過(guò)程。從高速到靜止，需要減速。否則會(huì)出現(xiàn)失步。步進(jìn)電機(jī)先低頻啟動(dòng)，然后升至運(yùn)行頻率。運(yùn)行頻率增高，負(fù)載能力變差。三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特性4.矩頻特性三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特性

5.精度

精度最大步距誤差：電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)一周相鄰兩步之間的實(shí)際步距與理想步距的最大差值最大累計(jì)誤差：旋轉(zhuǎn)一周范圍內(nèi)，從任何位置開(kāi)始經(jīng)過(guò)任意步后角位移的最大誤差值步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在一周內(nèi)存在最大步距誤差或最大累計(jì)誤差。但沒(méi)有累計(jì)誤差。即：旋轉(zhuǎn)一周后誤差被清除。三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特性5.精度

一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的組成脈沖分配器功放電路三相步進(jìn)電機(jī)負(fù)載功率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(hào)ABC脈沖分配器+功率放大電路第11章

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的組成脈功放電路三負(fù)載功率電源分配1.脈沖分配器

當(dāng)方向電平為低時(shí)，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(shí)，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(hào)進(jìn)行電流放大后給電動(dòng)機(jī)的定子繞組供電，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩。1.脈沖分配器當(dāng)方向電平為低時(shí)，脈沖分配器的輸出按A-11.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的環(huán)形分配器

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的環(huán)形分配器可由硬件或軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

硬件環(huán)形分配器：由計(jì)數(shù)器等數(shù)字電路組成的。有較好的響應(yīng)速度，且具有直觀、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

軟件環(huán)形分配器：由計(jì)算機(jī)接口電路和相應(yīng)的軟件組成的。受到微型計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的限制，有時(shí)難以滿足高速實(shí)時(shí)控制的要求。

一、硬件環(huán)形分配器：

硬件環(huán)形分配器由門(mén)電路、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器或邏輯陣列芯片（GAL、PLD）組成的邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。11.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的環(huán)形分配器步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的環(huán)形分1.由J－K觸發(fā)器組成的環(huán)形分配器JKQn+1功能00Qn保持010置0101置111翻轉(zhuǎn)1.由J－K觸發(fā)器組成的環(huán)形分配器JKQn+1功能00Q11.1由J－K觸發(fā)器組成的環(huán)形分配器邏輯真值表序號(hào)控制信號(hào)狀態(tài)輸出狀態(tài)導(dǎo)電繞組CAJCBJCCJQAQBQC0110100A1010110AB2011010B3001011BC4101001C5100101CA6110100A11.1由J－K觸發(fā)器組成的環(huán)形分配器邏輯真值表序號(hào)控制2.專用集成芯片或通用可編程邏輯器件組成的環(huán)形分配器CH250是專門(mén)為三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的環(huán)形分配器，采用CMOS工藝，集成度高，可靠性好。其管腳分布及三相雙六拍工作時(shí)的接線見(jiàn)圖11.3，和狀態(tài)表11.2。2.專用集成芯片或通用可編程邏輯器件組成的環(huán)形分配器第1章步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)課件3.EPROM在環(huán)形分配器中的應(yīng)用EPROM環(huán)形分配器在硬件電路不動(dòng)的情況下，只需改變軟件內(nèi)存儲(chǔ)器的地址，就可是實(shí)現(xiàn)多種通電方式。

EPROM環(huán)形分配器特點(diǎn)：（1）線路簡(jiǎn)單，僅有可逆計(jì)數(shù)器和存儲(chǔ)器兩部分；（2）一種線路可實(shí)現(xiàn)多種勵(lì)磁方式的分配，只要在不同的地址區(qū)域存儲(chǔ)不同的狀態(tài)表，除軟件工作外，硬件線路不變；（3）可徹底排除非法狀態(tài)；可有多種輸入端，便于同控制器連接。3.EPROM在環(huán)形分配器中的應(yīng)用EPRO

二、軟件環(huán)形分配

軟件環(huán)分的方法是利用計(jì)算機(jī)程序來(lái)設(shè)定硬件接口的位狀態(tài)，從而產(chǎn)生一定的脈沖分配輸出。

1)輸出接口8155單片機(jī)本身包含4個(gè)8位I/O端口，分別為PC0、PC1、PC2。

輸出接口是將計(jì)算機(jī)的輸出端與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的每相繞組一一對(duì)應(yīng)起來(lái)。

若要實(shí)現(xiàn)三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖分配，需要三根輸出口線，本例中選P1口的P1.0、P1.1、P1.2位作為脈沖分配的輸出。二、軟件環(huán)形分配軟件環(huán)分的方法是利用計(jì)算機(jī)程序來(lái)設(shè)2)輸出模型

如果三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按單、雙拍通電方式工作，即:

正轉(zhuǎn)：A-AB-B-BC-C-CA

反轉(zhuǎn)：A-AC-C-CB-B-BC

根據(jù)8031單片機(jī)的基本原理，對(duì)P1.0、P1.1、P1.2位編程使其按表規(guī)定改變輸出狀態(tài)就實(shí)現(xiàn)了三相六拍分配任務(wù)。2)輸出模型如果三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按單、雙拍第1章步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)課件3.控制程序按正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的要求將輸出模型向輸出接口發(fā)送，并控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度。以三相單三拍為例，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選裝方向標(biāo)志FLAG=1，表示正轉(zhuǎn)，F(xiàn)LAG=0，表示反轉(zhuǎn)；輸出模型01H、02H、03H存放在地址S為起始地址的內(nèi)存單元中，反轉(zhuǎn)時(shí)只需反向讀取模型。3.控制程序按正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的要求將輸出模型向輸出接口發(fā)送，并11.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率放大電路

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上是一種脈沖放大電路，使脈沖具有一定的功率驅(qū)動(dòng)能力。

由于功率放大器的輸出直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)繞組，因此，功率放大電路的性能對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能影響很大。

11.2.1單電壓驅(qū)動(dòng)電路

L－是電動(dòng)機(jī)繞組VT－開(kāi)關(guān)晶體管

外接電阻R兩端并聯(lián)電容C（初期電流主要流過(guò)電容C，將電阻傍路掉），電容電壓不能突變，使繞組電流上升更快，所以，電容C又稱為加速電容。

二極管V在晶體管VT截止時(shí)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。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組是電感性負(fù)載，故當(dāng)繞組L中的電流不能突變，而是按指數(shù)規(guī)律上升，時(shí)間常數(shù)τ=L/(r+R)。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組的內(nèi)阻r很小，因此時(shí)間常數(shù)很大，繞組中的電流上升很慢，嚴(yán)重影響步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)頻率。串接電阻R可減小時(shí)間常數(shù)，使脈沖電流的前沿變陡，從而改善步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的頻率響應(yīng)

11.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率放大電路步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率11.2.2高低壓切換型驅(qū)動(dòng)電路

在t1～t2的時(shí)間內(nèi)，VT1、VT2均飽和導(dǎo)通，+80V的電源經(jīng)VT1、VT2管加到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的繞組L上，使其電流迅速上升。當(dāng)時(shí)間到達(dá)t2（采用定時(shí)方法），或當(dāng)電流上升到某值（采用定流方法）時(shí)，Ub2為低電平，此時(shí)VT2管截止，電動(dòng)機(jī)繞組的電流由+12V經(jīng)VT1管來(lái)維持，此時(shí)電流下降到電動(dòng)機(jī)的額定電流。直到t3時(shí)，Ubl也為低電平，VT1管截止，繞組電流下降到零。

Ubl和Ub2的電壓：環(huán)行分配器每相輸出的脈沖信號(hào)分兩路，一路如單電壓線路直接用來(lái)控制低壓管V1的導(dǎo)通和截止。另一路采用改變微分電路或單穩(wěn)觸發(fā)器電路時(shí)間常數(shù)的辦法，使脈寬變窄，用來(lái)控制高電壓管的V2的導(dǎo)通和截止，在時(shí)間上，這兩路控制信號(hào)同時(shí)到達(dá)。

高低壓驅(qū)動(dòng)線路的優(yōu)點(diǎn)是：功耗小，啟動(dòng)力矩大，突跳頻率和工作頻率高。缺點(diǎn)是：大功率管的數(shù)量要多用一倍，增加了驅(qū)動(dòng)電源。11.2.2高低壓切換型驅(qū)動(dòng)電路在t1～t2的時(shí)間內(nèi)，V11.2.3斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路當(dāng)繞組中電流為某個(gè)數(shù)值時(shí)，由于采樣電阻Re的反饋?zhàn)饔?，?jīng)整形、放大后送到VT1基極，使其截止，繞組由低壓U2供電，繞組中電流立即下降，剛降至額定值以下時(shí)，由于Re的反饋?zhàn)饔?，?jīng)整形電路無(wú)輸出，此時(shí)高用壓放大電路又使VT1導(dǎo)通，電流上升。如此反復(fù)形成鋸齒波。圖11.10斬波恒流驅(qū)動(dòng)原理圖和電流波形（a）電路原理圖(b)電流波形圖11.2.3斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路當(dāng)繞組中電流11.2.3斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路繞組中電流為一個(gè)在額定電流值上下波動(dòng)、呈鋸齒狀的電流波形，近似恒流。鋸齒波的頻率可通過(guò)采樣電阻Re和整形電路的電位器來(lái)調(diào)整。斬波電路可使步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行矩頻特性、啟動(dòng)矩頻特性和慣性矩頻特性有明顯提高。使繞組中的脈沖電流邊沿陡，快速響應(yīng)好。采樣電阻Re很小，整個(gè)系統(tǒng)功耗小。繞組中電流不隨步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化而變化，從而保證在很大頻率范圍內(nèi)，能輸出恒大的轉(zhuǎn)矩。圖11.10斬波恒流驅(qū)動(dòng)原理圖和電流波形（a）電路原理圖(b)電流波形圖11.2.3斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路繞組中電流為一個(gè)在額定電流值11.2.4調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)電路

高低壓或斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路，為提高高頻響應(yīng)，都采取提高供電電壓，加快電流上升前沿的措施，這會(huì)加劇低頻振蕩。

低速時(shí)繞組電流上升前沿較平緩，高速時(shí)電流前沿較陡。這就要求低頻時(shí)低壓供電，高頻時(shí)高壓供電，調(diào)頻調(diào)壓即可滿足要求。

I/O1輸出步進(jìn)信號(hào)；I/O2輸出調(diào)壓信號(hào)。

當(dāng)I/O1輸出步進(jìn)脈沖、I/O2輸出負(fù)脈沖，VT1、VT2導(dǎo)通，U1向電感Ls、電容C諧振充電；當(dāng)負(fù)脈沖過(guò)后，電容C儲(chǔ)能通過(guò)續(xù)流二極管放電。

通過(guò)單片機(jī)控制，步進(jìn)信號(hào)I/O1頻率高，從I/O2輸出的負(fù)脈沖ton變大，U2也隨之變大，這就起到調(diào)頻調(diào)壓的作用。圖11.11調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)電路11.2.4調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)電路高低壓或斬波恒流11.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制與有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用11.3.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角的細(xì)分控制為了提高數(shù)控精度，應(yīng)減小脈沖當(dāng)量δ，方法如下：（1）減小步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角；（2）加大步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)絲杠間齒輪的傳動(dòng)比和減小傳動(dòng)絲杠的螺距；（3）將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角細(xì)分。11.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制與有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用為了提高數(shù)控精度步進(jìn)電機(jī)控制已經(jīng)蘊(yùn)含了細(xì)分的原理。電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)圓周,步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)一整個(gè)步距角。若三相步進(jìn)電機(jī)按A→B→C→A的順序輪流通電,即整步工作,磁場(chǎng)分三拍旋轉(zhuǎn),每次電流換向,步進(jìn)電機(jī)將前進(jìn)整步距角的1/3。而按A→AB→B→BC→C→CA→A的順序輪流通電,半步工作,每次電流換向，步進(jìn)電機(jī)將前進(jìn)整步距角的1/6。但是,如果半步工作狀態(tài)下每拍前進(jìn)的角度超過(guò)控制精度要求,則需要對(duì)步距角進(jìn)行更進(jìn)一步的細(xì)分。電磁力的大小跟繞組通電電流的大小是相關(guān)的。當(dāng)通電相的電流不馬上到達(dá)峰值,而斷電相的電流也不立即降為零時(shí),電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)為上兩相電流共同合成,而產(chǎn)生的磁場(chǎng)合力,會(huì)使轉(zhuǎn)子有一個(gè)新的平衡位置,這個(gè)新的平衡位置在原步距角的范圍內(nèi)。即：如果繞組電流的波形不再是一個(gè)近似方波,而是分成N個(gè)階梯的近似階梯波,則電流每升或者降一個(gè)階梯時(shí),轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一小步。當(dāng)轉(zhuǎn)子按照這個(gè)規(guī)律轉(zhuǎn)過(guò)N小步時(shí),實(shí)際相當(dāng)于它轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這種將一個(gè)步距角分成若干小步的驅(qū)動(dòng)方法,稱為細(xì)分驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)控制已經(jīng)蘊(yùn)含了細(xì)分的原理。實(shí)現(xiàn)階梯波供電的兩種方法：（1）先放大后疊加：將通過(guò)細(xì)分環(huán)形分配器所形成的各個(gè)等幅等寬的脈沖分別進(jìn)行放大，然后在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組中疊加起來(lái)形成階梯波。驅(qū)動(dòng)管工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，損耗小，適合大功率場(chǎng)合。（2）先疊加后放大：在利用運(yùn)算放大器來(lái)疊加，或采用公共負(fù)載的方法，把方波合成為階梯波，然后對(duì)階梯波進(jìn)行放大再去驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。驅(qū)動(dòng)管工作于放大狀態(tài)，損耗大，只適合小功率場(chǎng)合。圖11.12階梯波疊加電路圖

先放大后疊加

先疊加后放大實(shí)現(xiàn)階梯波供電的兩種方法：（1）先放大后疊加：將通過(guò)細(xì)分環(huán)形1.用集成環(huán)形分配器芯片構(gòu)成細(xì)分電路用HF-2三相六拍環(huán)形分配器構(gòu)成三相十八拍細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路。三相三拍步距角為3°，三相六拍步距角為1.5°三相十八拍步距角為0.5°。

采用細(xì)分電路后，電動(dòng)機(jī)繞組中的電流不是由零躍升到額定值，而是經(jīng)過(guò)若干小步的變化才達(dá)到額定值；同時(shí)，也不是由額定值陡降到零，而是經(jīng)過(guò)若干小步的變化才達(dá)到零。

細(xì)分后的電流波形1.用集成環(huán)形分配器芯片構(gòu)成細(xì)分電路用HF-2三相用微機(jī)實(shí)施細(xì)分，關(guān)鍵是設(shè)計(jì)一個(gè)軟件的移位分配器。要形成三相六拍的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，就要從三個(gè)I/O周期地輸出信號(hào)。8155的PA0～PA3中四個(gè)I/O口并聯(lián)控制A相繞組；PA4～PA7中四個(gè)I/O口并聯(lián)控制B相繞組；PB0～PB3中四個(gè)I/O口并聯(lián)控制C相繞組；2.用集成環(huán)形分配器芯片構(gòu)成細(xì)分電路PA3PA2PA1PA0狀態(tài)字000101H001002H001103H……………11100EH11110FH圖11.14微機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分接口表11.5A相分配表用微機(jī)實(shí)施細(xì)分，關(guān)鍵是設(shè)計(jì)一個(gè)軟件的移位分配器11.3.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)環(huán)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一般分為開(kāi)環(huán)控制和反饋補(bǔ)償閉環(huán)控制。在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度全取決于指令脈沖的頻率。點(diǎn)位控制中為了避免啟動(dòng)失步和停止過(guò)充，必須低速啟動(dòng)，然后再慢慢加速到高速，實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行；同樣，停止時(shí)也要從高速慢慢降到低速。圖11.15步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制方式（a）開(kāi)環(huán)控制（b）閉環(huán)控制（a）（b）11.3.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)環(huán)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一般分為開(kāi)環(huán)點(diǎn)-位控制的加減速過(guò)程圖11.16點(diǎn)-位控制的加減速過(guò)程

升降速曲線：點(diǎn)-位控制的加減速過(guò)程圖11.16點(diǎn)-位控制的加減速過(guò)程

11.3.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制開(kāi)環(huán)控制的脈沖不依賴于轉(zhuǎn)子的位置，而是事先按一定的規(guī)律給定的，其缺點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩加速度在很大的程度上取決于驅(qū)動(dòng)電源和控制方式。

閉環(huán)控制是直接或間接地檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置和速度，位置檢測(cè)裝置將測(cè)得的工作臺(tái)位置信號(hào)與指令位置信號(hào)相比較，然后用它們的差值（即誤差）進(jìn)行控制，以此差值自動(dòng)給出驅(qū)動(dòng)的脈沖串。11.3.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制開(kāi)環(huán)控制11.3.4應(yīng)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)注意的問(wèn)題（1）其步距值不受電壓、電流及溫度等變化的影響，位移僅取決于脈沖的個(gè)數(shù)。（2）盡管步進(jìn)電動(dòng)機(jī)存在齒間相鄰誤差，有步距角誤差，它的大小是由制造精度、齒槽的分布和氣隙等因素決定的。但是每一圈的誤差為零，即步距誤差不會(huì)產(chǎn)生累積誤差。（3）啟動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)等運(yùn)行方式的改變，都可在幾個(gè)脈沖內(nèi)完成，且不會(huì)失步。（4）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的顯著優(yōu)點(diǎn)11.3.4應(yīng)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)注意的問(wèn)題（1）其步距2.應(yīng)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最基本的一些問(wèn)題（1）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的位移或轉(zhuǎn)角大小由指令脈沖數(shù)決定。（2）為使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行（不失步、不越步），正常啟動(dòng)并滿足對(duì)轉(zhuǎn)速的要求，必須保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載所需的轉(zhuǎn)矩。(a)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)選擇為：Tst≥TLmax/(0.3~0.5)

一般：TL=(0.3~0.5)Tsmax

（b）在要求的運(yùn)行范圍內(nèi)，步進(jìn)電動(dòng)運(yùn)行轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于它的靜載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（包括負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）引起的慣性矩之和。2.應(yīng)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最基本的一些問(wèn)題（1）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)進(jìn)2.應(yīng)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最基本的一些問(wèn)題（3）必須使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角β與機(jī)械負(fù)載相匹配，以得到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部件所需要的脈沖當(dāng)量。（4）選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)必須與機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載慣量及所要求的啟動(dòng)頻率相匹配，并留有余量。（5）驅(qū)動(dòng)電源的優(yōu)劣對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行影響極大，盡量采用先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)電源。（6）若所帶負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，則應(yīng)在低頻下啟動(dòng)，然后再上升到工作頻率，停車(chē)時(shí)也應(yīng)從工作頻率下降到適當(dāng)頻率再停車(chē)。（7）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中存在振蕩，它有一個(gè)固有頻率發(fā)f1,當(dāng)輸入脈沖頻率f=f1時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)振蕩。（8）若在工作中發(fā)生失步現(xiàn)象，首先檢查負(fù)載是否過(guò)大，電源電壓是否正常，在檢查驅(qū)動(dòng)電源輸出波形是否正常，在處理問(wèn)題時(shí)不應(yīng)隨意更換元件。2.應(yīng)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最基本的一些問(wèn)題（3）必須使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)13.4步進(jìn)電機(jī)與交流伺服電機(jī)性能比較1.控制精度不同兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為3.6o、1.8o，五相混合式一般為0.72o、0.36o，也有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)步距角更小。交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以松下全數(shù)字式交流伺服電機(jī)為例，對(duì)于帶標(biāo)準(zhǔn)2500線編碼器的電機(jī)，由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為0.036o。對(duì)于帶17位編碼器的電機(jī)，其脈沖當(dāng)量為1.8o步進(jìn)電機(jī)的1/655。2.低頻特性不同步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象；交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。3.矩頻特性不同步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速上升而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600r/min。交流伺服電機(jī)為恒轉(zhuǎn)矩輸出，不存在這個(gè)問(wèn)題。13.4步進(jìn)電機(jī)與交流伺服電機(jī)性能比較1.控制精度不同4.過(guò)載能力不同步進(jìn)電機(jī)一般不具有過(guò)載能力。交流伺服電機(jī)有較強(qiáng)的過(guò)載能力，其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的2～4倍。5.運(yùn)行性能不同步進(jìn)電機(jī)為開(kāi)環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過(guò)高或者負(fù)載過(guò)大易出現(xiàn)丟步和堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)過(guò)沖現(xiàn)象。交流伺服電機(jī)為閉環(huán)控制，一般不會(huì)出現(xiàn)上述現(xiàn)象，控制性能更加可靠。6.速度響應(yīng)性能不同步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為幾百轉(zhuǎn)每分鐘）需要200～400ms。交流伺服電機(jī)僅需幾ms（額定轉(zhuǎn)速3000r/min)，可用于要求快速啟停場(chǎng)合。4.過(guò)載能力不同步進(jìn)電機(jī)一般不具有過(guò)載能力。交流伺服電機(jī)有13.5步進(jìn)電機(jī)的選擇與應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)的選擇由步矩角、靜轉(zhuǎn)矩、電流三大要素決定。1.步距角的選擇：取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度，電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。2.靜力矩的選擇：依據(jù)電機(jī)工作的負(fù)載，負(fù)載分慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載兩種，加速啟動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行時(shí)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2～3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長(zhǎng)度便能確定下來(lái)。3.電流的選擇：靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流。13.5步進(jìn)電機(jī)的選擇與應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)的選擇由步矩角、靜轉(zhuǎn)5.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)步進(jìn)電機(jī)外形構(gòu)造

第五章步進(jìn)電動(dòng)機(jī)5.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)步進(jìn)電機(jī)外形構(gòu)造第五章步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)通電線圈中磁感應(yīng)強(qiáng)度B=μH=μnI

Ф=BS．(S是垂直磁感強(qiáng)度的面積)線圈磁通量是由線圈匝數(shù)和面積，以及線圈中的通電電流所決定的。步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)通電線圈中磁感應(yīng)強(qiáng)度B=μH=μnI步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造

步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)構(gòu)造：由轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)子鐵芯、永磁體、轉(zhuǎn)軸、滾珠軸承），定子（繞組、定子鐵芯），前后端蓋等組成。最典型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的定子有8個(gè)大齒，40個(gè)小齒，轉(zhuǎn)子有50個(gè)小齒；三相電機(jī)的定子有9個(gè)大齒，45個(gè)小齒，轉(zhuǎn)子有50個(gè)小齒。電動(dòng)機(jī)構(gòu)造圖轉(zhuǎn)軸成平行方向的斷面圖步進(jìn)電動(dòng)機(jī)構(gòu)造：電動(dòng)機(jī)構(gòu)造圖轉(zhuǎn)軸成平行方向的斷面圖5.1.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移的機(jī)電執(zhí)行元件。每當(dāng)輸入一個(gè)電脈沖時(shí)，它便轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)固定的角度，這個(gè)角度叫步距角β，簡(jiǎn)稱步距。脈沖一個(gè)一個(gè)輸入，電動(dòng)機(jī)便一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類(lèi)：工作原理反應(yīng)式永磁式混合式輸出轉(zhuǎn)矩大小快速步進(jìn)電機(jī)功率步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁相數(shù)二、三、四、五、六、八相等角位移輸入脈沖個(gè)數(shù)運(yùn)行速度輸入脈沖頻率5.1.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種以反應(yīng)式為例說(shuō)明步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理通常按勵(lì)磁方式分為三大類(lèi)：1）反應(yīng)式：

轉(zhuǎn)子為軟磁材料，無(wú)繞組，定、轉(zhuǎn)子開(kāi)小齒、步距角小。2）永磁式：

轉(zhuǎn)子為永磁材料，轉(zhuǎn)子的極數(shù)=每相定子極數(shù)，不開(kāi)小齒，步距角較大，力矩較大。3）混合式：

轉(zhuǎn)子為永磁式、兩段，開(kāi)小齒，轉(zhuǎn)矩大、動(dòng)態(tài)性能好、步距角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類(lèi)以反應(yīng)式為例說(shuō)明步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理通常按勵(lì)磁方式分為三

反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)：反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)：一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的組成

如圖所示為一臺(tái)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，同樣由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子：由定子鐵心、繞組、絕緣材料等組成

勵(lì)磁繞組由外部脈沖信號(hào)對(duì)各相繞組輪流勵(lì)磁。如圖所示。

轉(zhuǎn)子：由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)軸等組成。轉(zhuǎn)子鐵心是由硅鋼片或軟磁材料疊壓而成的齒形鐵心。一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的組成如圖所示為一臺(tái)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)

其中定子的三個(gè)勵(lì)磁繞組，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開(kāi)。錯(cuò)開(kāi)的距離分別為1/3(T)、2/3(T)。T為相鄰兩齒軸線間的距離。其中定子的三個(gè)勵(lì)磁繞組，其幾何軸線依次分別與二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理

給A相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子位置如圖（a），轉(zhuǎn)子齒偏離定子齒一個(gè)角度。由于勵(lì)磁磁通力圖沿磁阻最小路徑通過(guò)，因此對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁吸力，迫使轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到與定子齒對(duì)齊位置時(shí)(圖b)，因轉(zhuǎn)子只受徑向力而無(wú)切線力，故轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子被鎖定在這個(gè)位置上。由此可見(jiàn)：錯(cuò)齒是使得步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的根本原因。a)b)二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理給A相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子位置5.1.2通電方式一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電方式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速既取決于控制繞組的通電頻率，也取決于繞組通電方式，三相步進(jìn)電機(jī)一般有單三拍、單雙六拍和雙三拍等通電方式，其中“單”是指每次切換前后只有一相繞組通電，“雙”指每次有兩相繞組通電；而從一種通電狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種通電狀態(tài)就叫“拍”。5.1.2通電方式一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電方式

1.單相通電方式：指對(duì)每相繞組單獨(dú)輪流通電，對(duì)于三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：如果要改變旋轉(zhuǎn)方向，則只要改變通電順序即可，如通電順序改為A－Ｃ－Ｂ－Ａ?xí)r，轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊睫D(zhuǎn)動(dòng)。齒距角：轉(zhuǎn)子齒與齒之間的角度。步距角：轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過(guò)的角度。每次轉(zhuǎn)動(dòng)30o，因此，當(dāng)通電順序?yàn)锳－B－Ｃ－Ａ?xí)r，轉(zhuǎn)子按順時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊睫D(zhuǎn)動(dòng)。每換接一次，則轉(zhuǎn)子前進(jìn)一個(gè)步距角。電流換接三次，磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子前進(jìn)一個(gè)齒距角，這里是90o。1.單相通電方式：指對(duì)每相繞組單獨(dú)輪流通電，對(duì)于三

3.雙拍工作方式：正轉(zhuǎn)：AB-BC-CA-AB

反轉(zhuǎn)：AC-CA-BC-AC

2.三相六拍工作方式：

每次轉(zhuǎn)動(dòng)15o，當(dāng)通電順序按A-AB-B-BC-C-CA-A時(shí)，則轉(zhuǎn)子便按順時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊降剞D(zhuǎn)動(dòng)，步距角為15o。電流換接六次，磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子前進(jìn)了一個(gè)齒距。如果要反轉(zhuǎn)，則通電順序改為A-CA-C-BC-B-AB-A即可。同樣雙三拍通電方式每走一步前進(jìn)了一個(gè)步距角（30o）。3.雙拍工作方式：2.三相六拍工作方式：二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角

由一個(gè)通電狀態(tài)改變到下一個(gè)通電狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為步距角。設(shè)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為Z，則齒距為：

τ=360/Z步距角：

＝齒距/拍數(shù)=360/（KmZ）

其中：Z－轉(zhuǎn)子齒數(shù)

m－定子繞組相數(shù)

K－通電系數(shù)K=1,2，（單三拍、雙三拍時(shí)，K＝1；單、雙六拍時(shí)，K＝2）

若二相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的Z=100，單拍運(yùn)行時(shí)，其步距角若按單、雙通電方式運(yùn)行時(shí)，步距角二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角由一個(gè)通電狀態(tài)改變到下一個(gè)通電

由此可見(jiàn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z和定子相數(shù)(或運(yùn)行拍數(shù))愈多，則步距角愈小，控制越精確。當(dāng)定子控制繞組按著一定順序不斷地輪流通電時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就持續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。如果電脈沖的頻率為f(HZ)，步距角用弧度表示，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為：（r/min標(biāo)注為rpm）由此可見(jiàn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z和定子相數(shù)(5.1.3步距角的細(xì)分

單相或雙相通電時(shí)，稱為整步運(yùn)行；整步又稱自然步。

單、雙相通電時(shí)，稱為半步運(yùn)行。

整步或半步運(yùn)行時(shí)，因單步增量都比較大，而運(yùn)行振動(dòng)直接與步增量有關(guān)。

細(xì)分的目的就是將自然步進(jìn)行細(xì)分，得到微步距，以得到較好的運(yùn)行性能。5.1.3步距角的細(xì)分單相或雙相通電時(shí)，稱細(xì)分時(shí)：

A相繞組額定電流：轉(zhuǎn)子停在A-A位置A相繞組額定電流、B相繞組1/2額定電流：轉(zhuǎn)子停在位置Ⅱ，轉(zhuǎn)角150A相繞組額定電流、B相繞組額定電流時(shí)：轉(zhuǎn)子停在位置Ⅰ，轉(zhuǎn)角150A相繞組1/2額定電流、B相繞組額定電流：轉(zhuǎn)子停在位置Ⅲ，轉(zhuǎn)角150B相繞組額定電流：轉(zhuǎn)子停在位置B-B，轉(zhuǎn)角150這就是4細(xì)分，即一步分成4步。目前常用細(xì)分系數(shù)有2、4、8、16、32、64圖5.4步距細(xì)分原理圖細(xì)分時(shí)：這就是4細(xì)分，即一步分成4步。目前常用細(xì)分系數(shù)有2不細(xì)分時(shí):A相繞組通電：轉(zhuǎn)子停在A-A位置

A、B相繞組通電：轉(zhuǎn)子停在位置Ⅰ，轉(zhuǎn)角300B相繞組通電：轉(zhuǎn)子停在B-B位置

，轉(zhuǎn)角300不細(xì)分時(shí):5.1.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)一、步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)相數(shù)：產(chǎn)生磁場(chǎng)的激勵(lì)線圈的勵(lì)磁數(shù)（定子繞組的個(gè)數(shù)），一般分為三相、四相、五相、六相甚至八相。目前多用三至六相的步進(jìn)電機(jī)；拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，用n表示，磁場(chǎng)一個(gè)周期360°，轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)機(jī)械齒距角；步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移，用θ表示；定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩；靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。該力矩是衡量電機(jī)體積的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源無(wú)關(guān)。5.1.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)一、步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)相力矩：

電機(jī)一旦通電，在定子和轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子與定子錯(cuò)開(kāi)一定角度（磁通量Ф）。力F與定子和轉(zhuǎn)子的錯(cuò)開(kāi)角有關(guān)，與（dФ/dθ)成正比。

Ф＝BrSBr為磁通密度，S為導(dǎo)磁面積。F與LDBr成正比，L為鐵芯有效長(zhǎng)度，D為轉(zhuǎn)子直徑。Br＝N×I/R，N×I為勵(lì)磁繞組安匝數(shù)，R為磁阻，磁阻與磁導(dǎo)率成反比。力矩＝力×半徑。力矩與電機(jī)有效體積×安匝數(shù)×磁密成正比，因此電機(jī)有效體積越大，勵(lì)磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，力矩越大。二、步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)步距角精度：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用％表示。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在5％以內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在15％以內(nèi)。力矩：電機(jī)一旦通電，在定子和轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場(chǎng)，輸出轉(zhuǎn)矩：電動(dòng)機(jī)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩的大小

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與脈沖頻率的函數(shù)關(guān)系稱為矩頻特性。失步：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)不等于理論上的步數(shù)。失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。最大空載啟動(dòng)頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接啟動(dòng)的最大頻率。最大空載運(yùn)行頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。輸出轉(zhuǎn)矩：電動(dòng)機(jī)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩的大小步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特性

1.矩角特性矩角特性指電磁轉(zhuǎn)矩與偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系2.啟動(dòng)慣頻特性啟動(dòng)頻率和軸上負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之間的關(guān)系θe達(dá)到±π/2，定子齒與轉(zhuǎn)子齒錯(cuò)開(kāi)1/4個(gè)齒距時(shí)，轉(zhuǎn)矩T達(dá)到最大值，稱為最大靜轉(zhuǎn)矩Tsmax。負(fù)載轉(zhuǎn)矩一般為T(mén)smax的30~50%。在負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=0的條件下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)突然啟動(dòng)、不失步地進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)所允許的最高啟動(dòng)頻率，稱為啟動(dòng)頻率。啟動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、折算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有關(guān)。實(shí)際啟動(dòng)頻率由于TL存在，比標(biāo)稱數(shù)值要低。拍數(shù)越多，步距角越小，極限啟動(dòng)頻率越高；最大靜轉(zhuǎn)矩越大，電磁力矩越大，轉(zhuǎn)子加速度就越大，啟動(dòng)頻率也越高。定子每相繞組通電循環(huán)一周（360度電角度），對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距（360°/Z機(jī)械角度）。三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特性1.矩角特性三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特性

3.運(yùn)行頻率特性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，當(dāng)控制的脈沖頻率連續(xù)上升時(shí)能不失步運(yùn)行的最高頻率脈沖重復(fù)頻率稱為連續(xù)運(yùn)行平率。

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量主要應(yīng)影響運(yùn)行頻率連續(xù)升降的速度，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的繞組電感和驅(qū)動(dòng)電源的電壓對(duì)運(yùn)行頻率的上限影響很大。實(shí)際啟動(dòng)頻率比運(yùn)行頻率低得多。

通常采用自動(dòng)升降頻的方式，即步進(jìn)電動(dòng)機(jī)先在低頻下啟動(dòng)，再逐漸升高至運(yùn)行頻率；當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，先將脈沖頻率降低至啟動(dòng)頻率以下，再停止輸出脈沖，這樣，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就能不失步地準(zhǔn)確停止。三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特性3.運(yùn)行頻率特性三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特性4.矩頻特性

負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量一定且穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，定子繞組電流變化（最大輸出轉(zhuǎn)矩）和頻率的關(guān)系

負(fù)載轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行時(shí)頻率的關(guān)系頻率很低頻率增高頻率很高最大輸出轉(zhuǎn)矩隨脈沖頻率的升高而下降。繞組電感和驅(qū)動(dòng)電源電壓對(duì)矩頻特性影響很大。低頻區(qū)，矩頻特性平坦。高頻區(qū)，矩頻曲線急劇下降。步進(jìn)電機(jī)高頻特性差。從靜止到高速，需要加速過(guò)程。從高速到靜止，需要減速。否則會(huì)出現(xiàn)失步。步進(jìn)電機(jī)先低頻啟動(dòng)，然后升至運(yùn)行頻率。運(yùn)行頻率增高，負(fù)載能力變差。三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特性4.矩頻特性三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特性

5.精度

精度最大步距誤差：電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)一周相鄰兩步之間的實(shí)際步距與理想步距的最大差值最大累計(jì)誤差：旋轉(zhuǎn)一周范圍內(nèi)，從任何位置開(kāi)始經(jīng)過(guò)任意步后角位移的最大誤差值步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在一周內(nèi)存在最大步距誤差或最大累計(jì)誤差。但沒(méi)有累計(jì)誤差。即：旋轉(zhuǎn)一周后誤差被清除。三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特性5.精度

一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的組成脈沖分配器功放電路三相步進(jìn)電機(jī)負(fù)載功率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(hào)ABC脈沖分配器+功率放大電路第11章

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的組成脈功放電路三負(fù)載功率電源分配1.脈沖分配器

當(dāng)方向電平為低時(shí)，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(shí)，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(hào)進(jìn)行電流放大后給電動(dòng)機(jī)的定子繞組供電，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩。1.脈沖分配器當(dāng)方向電平為低時(shí)，脈沖分配器的輸出按A-11.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的環(huán)形分配器

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的環(huán)形分配器可由硬件或軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

硬件環(huán)形分配器：由計(jì)數(shù)器等數(shù)字電路組成的。有較好的響應(yīng)速度，且具有直觀、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

軟件環(huán)形分配器：由計(jì)算機(jī)接口電路和相應(yīng)的軟件組成的。受到微型計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的限制，有時(shí)難以滿足高速實(shí)時(shí)控制的要求。

一、硬件環(huán)形分配器：

硬件環(huán)形分配器由門(mén)電路、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器或邏輯陣列芯片（GAL、PLD）組成的邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。11.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的環(huán)形分配器步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的環(huán)形分1.由J－K觸發(fā)器組成的環(huán)形分配器JKQn+1功能00Qn保持010置0101置111翻轉(zhuǎn)1.由J－K觸發(fā)器組成的環(huán)形分配器JKQn+1功能00Q11.1由J－K觸發(fā)器組成的環(huán)形分配器邏輯真值表序號(hào)控制信號(hào)狀態(tài)輸出狀態(tài)導(dǎo)電繞組CAJCBJCCJQAQBQC0110100A1010110AB2011010B3001011BC4101001C5100101CA6110100A11.1由J－K觸發(fā)器組成的環(huán)形分配器邏輯真值表序號(hào)控制2.專用集成芯片或通用可編程邏輯器件組成的環(huán)形分配器CH250是專門(mén)為三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的環(huán)形分配器，采用CMOS工藝，集成度高，可靠性好。其管腳分布及三相雙六拍工作時(shí)的接線見(jiàn)圖11.3，和狀態(tài)表11.2。2.專用集成芯片或通用可編程邏輯器件組成的環(huán)形分配器第1章步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)課件3.EPROM在環(huán)形分配器中的應(yīng)用EPROM環(huán)形分配器在硬件電路不動(dòng)的情況下，只需改變軟件內(nèi)存儲(chǔ)器的地址，就可是實(shí)現(xiàn)多種通電方式。

EPROM環(huán)形分配器特點(diǎn)：（1）線路簡(jiǎn)單，僅有可逆計(jì)數(shù)器和存儲(chǔ)器兩部分；（2）一種線路可實(shí)現(xiàn)多種勵(lì)磁方式的分配，只要在不同的地址區(qū)域存儲(chǔ)不同的狀態(tài)表，除軟件工作外，硬件線路不變；（3）可徹底排除非法狀態(tài)；可有多種輸入端，便于同控制器連接。3.EPROM在環(huán)形分配器中的應(yīng)用EPRO

二、軟件環(huán)形分配

軟件環(huán)分的方法是利用計(jì)算機(jī)程序來(lái)設(shè)定硬件接口的位狀態(tài)，從而產(chǎn)生一定的脈沖分配輸出。

1)輸出接口8155單片機(jī)本身包含4個(gè)8位I/O端口，分別為PC0、PC1、PC2。

輸出接口是將計(jì)算機(jī)的輸出端與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的每相繞組一一對(duì)應(yīng)起來(lái)。

若要實(shí)現(xiàn)三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖分配，需要三根輸出口線，本例中選P1口的P1.0、P1.1、P1.2位作為脈沖分配的輸出。二、軟件環(huán)形分配軟件環(huán)分的方法是利用計(jì)算機(jī)程序來(lái)設(shè)2)輸出模型

如果三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按單、雙拍通電方式工作，即:

正轉(zhuǎn)：A-AB-B-BC-C-CA

反轉(zhuǎn)：A-AC-C-CB-B-BC

根據(jù)8031單片機(jī)的基本原理，對(duì)P1.0、P1.1、P1.2位編程使其按表規(guī)定改變輸出狀態(tài)就實(shí)現(xiàn)了三相六拍分配任務(wù)。2)輸出模型如果三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按單、雙拍第1章步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)課件3.控制程序按正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的要求將輸出模型向輸出接口發(fā)送，并控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度。以三相單三拍為例，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選裝方向標(biāo)志FLAG=1，表示正轉(zhuǎn)，F(xiàn)LAG=0，表示反轉(zhuǎn)；輸出模型01H、02H、03H存放在地址S為起始地址的內(nèi)存單元中，反轉(zhuǎn)時(shí)只需反向讀取模型。3.控制程序按正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的要求將輸出模型向輸出接口發(fā)送，并11.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率放大電路

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上是一種脈沖放大電路，使脈沖具有一定的功率驅(qū)動(dòng)能力。

由于功率放大器的輸出直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)繞組，因此，功率放大電路的性能對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能影響很大。

11.2.1單電壓驅(qū)動(dòng)電路

L－是電動(dòng)機(jī)繞組VT－開(kāi)關(guān)晶體管

外接電阻R兩端并聯(lián)電容C（初期電流主要流過(guò)電容C，將電阻傍路掉），電容電壓不能突變，使繞組電流上升更快，所以，電容C又稱為加速電容。

二極管V在晶體管VT截止時(shí)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。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組是電感性負(fù)載，故當(dāng)繞組L中的電流不能突變，而是按指數(shù)規(guī)律上升，時(shí)間常數(shù)τ=L/(r+R)。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組的內(nèi)阻r很小，因此時(shí)間常數(shù)很大，繞組中的電流上升很慢，嚴(yán)重影響步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)頻率。串接電阻R可減小時(shí)間常數(shù)，使脈沖電流的前沿變陡，從而改善步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的頻率響應(yīng)

11.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率放大電路步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率11.2.2高低壓切換型驅(qū)動(dòng)電路

在t1～t2的時(shí)間內(nèi)，VT1、VT2均飽和導(dǎo)通，+80V的電源經(jīng)VT1、VT2管加到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的繞組L上，使其電流迅速上升。當(dāng)時(shí)間到達(dá)t2（采用定時(shí)方法），或當(dāng)電流上升到某值（采用定流方法）時(shí)，Ub2為低電平，此時(shí)VT2管截止，電動(dòng)機(jī)繞組的電流由+12V經(jīng)VT1管來(lái)維持，此時(shí)電流下降到電動(dòng)機(jī)的額定電流。直到t3時(shí)，Ubl也為低電平，VT1管截止，繞組電流下降到零。

Ubl和Ub2的電壓：環(huán)行分配器每相輸出的脈沖信號(hào)分兩路，一路如單電壓線路直接用來(lái)控制低壓管V1的導(dǎo)通和截止。另一路采用改變微分電路或單穩(wěn)觸發(fā)器電路時(shí)間常數(shù)的辦法，使脈寬變窄，用來(lái)控制高電壓管的V2的導(dǎo)通和截止，在時(shí)間上，這兩路控制信號(hào)同時(shí)到達(dá)。

高低壓驅(qū)動(dòng)線路的優(yōu)點(diǎn)是：功耗小，啟動(dòng)力矩大，突跳頻率和工作頻率高。缺點(diǎn)是：大功率管的數(shù)量要多用一倍，增加了驅(qū)動(dòng)電源。11.2.2高低壓切換型驅(qū)動(dòng)電路在t1～t2的時(shí)間內(nèi)，V11.2.3斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路當(dāng)繞組中電流為某個(gè)數(shù)值時(shí)，由于采樣電阻Re的反饋?zhàn)饔茫?jīng)整形、放大后送到VT1基極，使其截止，繞組由低壓U2供電，繞組中電流立即下降，剛降至額定值以下時(shí)，由于Re的反饋?zhàn)饔?，?jīng)整形電路無(wú)輸出，此時(shí)高用壓放大電路又使VT1導(dǎo)通，電流上升。如此反復(fù)形成鋸齒波。圖11.10斬波恒流驅(qū)動(dòng)原理圖和電流波形（a）電路原理圖(b)電流波形圖11.2.3斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路當(dāng)繞組中電流11.2.3斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路繞組中電流為一個(gè)在額定電流值上下波動(dòng)、呈鋸齒狀的電流波形，近似恒流。鋸齒波的頻率可通過(guò)采樣電阻Re和整形電路的電位器來(lái)調(diào)整。斬波電路可使步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行矩頻特性、啟動(dòng)矩頻特性和慣性矩頻特性有明顯提高。使繞組中的脈沖電流邊沿陡，快速響應(yīng)好。采樣電阻Re很小，整個(gè)系統(tǒng)功耗小。繞組中電流不隨步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化而變化，從而保證在很大頻率范圍內(nèi)，能輸出恒大的轉(zhuǎn)矩。圖11.10斬波恒流驅(qū)動(dòng)原理圖和電流波形（a）電路原理圖(b)電流波形圖11.2.3斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路繞組中電流為一個(gè)在額定電流值11.2.4調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)電路

高低壓或斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路，為提高高頻響應(yīng)，都采取提高供電電壓，加快電流上升前沿的措施，這會(huì)加劇低頻振蕩。

低速時(shí)繞組電流上升前沿較平緩，高速時(shí)電流前沿較陡。這就要求低頻時(shí)低壓供電，高頻時(shí)高壓供電，調(diào)頻調(diào)壓即可滿足要求。

I/O1輸出步進(jìn)信號(hào)；I/O2輸出調(diào)壓信號(hào)。

當(dāng)I/O1輸出步進(jìn)脈沖、I/O2輸出負(fù)脈沖，VT1、VT2導(dǎo)通，U1向電感Ls、電容C諧振充電；當(dāng)負(fù)脈沖過(guò)后，電容C儲(chǔ)能通過(guò)續(xù)流二極管放電。

通過(guò)單片機(jī)控制，步進(jìn)信號(hào)I/O1頻率高，從I/O2輸出的負(fù)脈沖ton變大，U2也隨之變大，這就起到調(diào)頻調(diào)壓的作用。圖11.11調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)電路11.2.4調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)電路高低壓或斬波恒流11.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制與有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用11.3.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角的細(xì)分控制為了提高數(shù)控精度，應(yīng)減小脈沖當(dāng)量δ，方法如下：（1）減小步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角；（2）加大步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)絲杠間齒輪的傳動(dòng)比和減小傳動(dòng)絲杠的螺距；（3）將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角細(xì)分。11.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制與有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用為了提高數(shù)控精度步進(jìn)電機(jī)控制已經(jīng)蘊(yùn)含了細(xì)分的原理。電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)圓周,步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)一整個(gè)步距角。若三相步進(jìn)電機(jī)按A→B→C→A的順序輪流通電,即整步工作,磁場(chǎng)分三拍旋轉(zhuǎn),每次電流換向,步進(jìn)電機(jī)將前進(jìn)整步距角的1/3。而按A→AB→B→BC→C→CA→A的順序輪流通電,半步工作,每次電流換向，步進(jìn)電機(jī)將前進(jìn)整步距角的1/6。但是,如果半步工作狀態(tài)下每拍前進(jìn)的角度超過(guò)控制精度要求,則需要對(duì)步距角進(jìn)行更進(jìn)一步的細(xì)分。電磁力的大小跟繞組通電電流的大小是相關(guān)的。當(dāng)通電相的電流不馬上到達(dá)峰值,而斷電相的電流也不立即降為零時(shí),電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)為上兩相電流共同合成,而產(chǎn)生的磁場(chǎng)合力,會(huì)使轉(zhuǎn)子有一個(gè)新的平衡位置,這個(gè)新的平衡位置在原步距角的范圍內(nèi)。即：如果繞組電流的波形不再是一個(gè)近似方波,而是分成N個(gè)階梯的近似階梯波,則電流每升或者降一個(gè)階梯時(shí),轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一小步。當(dāng)轉(zhuǎn)子按照這個(gè)規(guī)律轉(zhuǎn)過(guò)N小步時(shí),實(shí)際相當(dāng)于它轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這種將一個(gè)步距角分成若干小步的驅(qū)動(dòng)方法,稱為細(xì)分驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)控制已經(jīng)蘊(yùn)含了細(xì)分的原理。實(shí)現(xiàn)階梯波供電的兩種方法：（1）先放大后疊加：將通過(guò)細(xì)分環(huán)形分配器所形成的各個(gè)等幅等寬的脈沖分別進(jìn)行放大，然后在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組中疊加起來(lái)形成階梯波。驅(qū)動(dòng)管工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，損耗小，適合大功率場(chǎng)合。（2）先疊加后放大：在利用運(yùn)算放大器來(lái)疊加，或采用公共負(fù)載的方法，把方波合成為階梯波，然后對(duì)階梯波進(jìn)行放大再去驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。驅(qū)動(dòng)管工作于放大狀態(tài)，損耗大，只適合小功率場(chǎng)合。圖11.12階梯波疊加電路圖

先放大后疊加

先疊加后放大實(shí)現(xiàn)階梯波供電的兩種方法：（1）先放大后疊加：將通過(guò)細(xì)分環(huán)形1.用集成環(huán)形分配器芯片構(gòu)成細(xì)分電路用HF-2三相六拍環(huán)形分配器構(gòu)成三相十八拍細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路。三相三拍步距角為3°，三相六拍步距角為1.5°三相十八拍步距角為0.5°。

采用細(xì)分電路后，電動(dòng)機(jī)繞組中的電流不是由零躍升到額定值，而是經(jīng)過(guò)若干小步的變化才達(dá)到額定值；同時(shí)，也不是由額定值陡降到零，而是經(jīng)過(guò)若干小步的變化才達(dá)到零。

細(xì)分后的電流波形1.用集成環(huán)形分配器芯片構(gòu)成細(xì)分電路用HF-2三相用微機(jī)實(shí)施細(xì)分，關(guān)鍵是設(shè)計(jì)一個(gè)軟件的移位分配器。要形成三相六拍的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，就要從三個(gè)I/O周期地輸出信號(hào)。8155的PA0～PA3中四個(gè)I/O口并聯(lián)控制A相繞組；PA4～PA7中四個(gè)I/O口并聯(lián)控制B相繞組；PB0～PB3中四個(gè)I/O口并聯(lián)控制C相繞組；2.用集成環(huán)形