伺服系統(tǒng) 第2版 教學(xué)課件 ppt 作者 錢平第3章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制伺服系統(tǒng)第3章編寫人：葛翔上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院內(nèi)容提要第一節(jié)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法

第二節(jié)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開、閉環(huán)控制

第三節(jié)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最佳點(diǎn)-位控制

第四節(jié)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制的程序設(shè)計(jì)引言步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，也可以用于閉環(huán)控制系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)是工業(yè)過程控制及儀表中的主要控制元件之一，由于它可以直接接受計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)，而不需要進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，所以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。步進(jìn)電機(jī)角位移與控制脈沖間精確同步，若將角位移的改變轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性位移、位置、體積、流量等物理量的變化，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的控制。例如，在機(jī)械結(jié)構(gòu)中，可以用絲杠把角度變成直線位移，也可以用它帶動(dòng)螺旋定位器，調(diào)節(jié)電壓和電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制引言步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有快速啟停、精確步進(jìn)以及能直接接收數(shù)字量的特點(diǎn)，使其在定位場合中得到了廣泛的應(yīng)用。如在繪圖機(jī)、打印機(jī)及光學(xué)儀器中，采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來定位繪圖筆、印字頭或光學(xué)鏡頭。特別在工業(yè)過程控制的位置控制系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛。本章介紹步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最佳點(diǎn)、位控制及目前使用較廣的微機(jī)控制與程序的設(shè)計(jì)方法。第3章第一節(jié)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法

第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或稱脈沖電動(dòng)機(jī)，是一種將電脈沖信號(hào)變換成相應(yīng)的角位移或直線位移的機(jī)電執(zhí)行元件。步進(jìn)電機(jī)實(shí)際上是一個(gè)數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器，也是一個(gè)串行的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“一步”，這個(gè)固定的角度稱為步距角。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是步進(jìn)形式的，故稱為“步進(jìn)電動(dòng)機(jī)”。從步進(jìn)電機(jī)定子繞組所加的電源形式來看，與一般交流和直流電動(dòng)機(jī)也有區(qū)別，既不是正弦波，也不是恒定直流，而是脈沖電壓、電流，所以有時(shí)也稱為脈沖電動(dòng)機(jī)或電脈沖馬達(dá)。第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有如下特點(diǎn)：1.電機(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.由步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡單、廉價(jià)，又非?？煽俊Ｍ瑫r(shí)，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)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于起停、正反轉(zhuǎn)及變速。4.步進(jìn)電機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對(duì)控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)的措施。5.步進(jìn)電機(jī)自身的噪聲和振動(dòng)較大，帶慣性負(fù)載的能力較差。控制輸入脈沖數(shù)量、頻率及電機(jī)各相繞組的通電順序，可得到各種需要的運(yùn)行特性。第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類1.按運(yùn)動(dòng)方式來分。分為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)、平面運(yùn)動(dòng)和滾切運(yùn)動(dòng)式步進(jìn)電機(jī)。2.按工作原理來分。分為反應(yīng)式（磁阻式）、電磁式、永磁式、永磁感應(yīng)子式（混合式）步進(jìn)電機(jī)。3.按其工作方式來分。分為功率式和伺服式。前者輸出轉(zhuǎn)矩較大，能直接帶動(dòng)較大的負(fù)載；后者輸出轉(zhuǎn)矩較小，只能帶動(dòng)較小的負(fù)載，對(duì)于大負(fù)載需通過液壓放大元件來傳動(dòng)。4.按結(jié)構(gòu)來分。分為單段式（徑向式）、多段式（軸向式）、印刷繞組式。5.按相數(shù)來分。分為三相、四相、五相、六相等。6.按使用頻率來分。分為高頻步進(jìn)電機(jī)和低頻步進(jìn)電機(jī)。不同類型步進(jìn)電機(jī)其工作原理、驅(qū)動(dòng)裝置也不完全一樣，但其工作過程基本是相同的。第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理是基于電磁感應(yīng)原理。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和一般旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)一樣，分為定子和轉(zhuǎn)子兩大部分。定子由硅鋼片疊成，裝上一定相數(shù)的控制繞組，輸入電脈沖對(duì)多相定子繞組輪流進(jìn)行勵(lì)磁；轉(zhuǎn)子用硅鋼片疊成或用軟磁性材料做成凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子本身沒有勵(lì)磁繞組的稱為“反應(yīng)式”步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，用永久磁鐵做轉(zhuǎn)子的稱為“永磁式”步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。目前以反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)用得較多。下面以三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例，來說明反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理。第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法（一）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖3-1所示是單段式三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的另一種結(jié)構(gòu)是多段式（軸相分相式），圖3-2就是三相軸向分相式反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖。（二）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理

分析反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理，要抓住兩點(diǎn)：磁力線力圖走磁阻最小的路徑，從而產(chǎn)生反應(yīng)力矩；各相定子齒之間彼此錯(cuò)開1/m齒距，m為相數(shù)，舉例中m=3。圖3-3所示為一臺(tái)三相反應(yīng)式的工作原理圖。

第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法圖3-1單段式反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖圖3-2三段式三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法圖3-3三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理圖第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法它的定子有六個(gè)極，構(gòu)成“三相”。轉(zhuǎn)子是四個(gè)均勻分布的齒，上面沒有繞組。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理近似于電磁鐵的工作原理。當(dāng)A相繞組通電時(shí)，B相C相都不通電。磁通總是要沿著磁阻最小的路徑通過的特點(diǎn)，將使轉(zhuǎn)子齒1、3的軸線向定子A極的軸線對(duì)齊，即在電磁吸力作用下，將轉(zhuǎn)子1、3齒吸引到A極下。此時(shí)，因轉(zhuǎn)子只受到徑相力而無切向力，故轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子被自鎖在這個(gè)位置，如圖3-3a所示。第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法A相斷電，B相控制繞組通電時(shí)，則轉(zhuǎn)子將在空間轉(zhuǎn)過30o角，使轉(zhuǎn)子齒2、4與B相（定子）齒對(duì)齊，如圖3-3b所示。再使B相斷電，C相通電，轉(zhuǎn)子又將在空間轉(zhuǎn)過30o角，使轉(zhuǎn)子齒1、3與C相定子齒對(duì)齊，如圖3-3c所示。可見通電順序?yàn)锳—B—C—A時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子便一步一步按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。每步轉(zhuǎn)過的角度均為30o，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每步轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角。電流換接三次，磁場旋轉(zhuǎn)一周。圖中轉(zhuǎn)子有4個(gè)齒時(shí)齒距角為90o。若按A—C—B—A的順序通電，則電動(dòng)機(jī)就反相轉(zhuǎn)動(dòng)。因此改變通電順序，可改變電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法1．通電方式從一相通電改換成另一相通電，即通電方式改變一次叫“一拍”。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有單相輪流通電、雙相輪流通電和單雙相輪流通電的方式?！皢巍笔侵该看吻袚Q前后只有一相繞組通電；“雙”就是指每次有兩相繞組通電?，F(xiàn)以三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例說明步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電方式。（1）三相單三拍通電方式其通電順序?yàn)锳—B—C—A?！叭唷奔词侨嗖竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)，每次只有一相繞組通電，而每一個(gè)循環(huán)只有三次通電，故稱為三相單三拍運(yùn)行。第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法單三拍通電方式每次只有一相控制繞組通電吸引轉(zhuǎn)子，容易使轉(zhuǎn)子在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩，運(yùn)行穩(wěn)定性較差。另外，在切換時(shí)一相控制繞組斷電而另一相控制繞組開始通電，容易造成失步，因而實(shí)際上很少采用這種通電方式。（2）雙三拍通電方式其通電順序?yàn)锳B—BC—CA—AB。這種通電方式由兩相同時(shí)通電，轉(zhuǎn)子受到的感應(yīng)力矩大，靜態(tài)誤差小，定位精度高。另外，轉(zhuǎn)換時(shí)始終有一相的控制繞組通電，所以工作穩(wěn)定，不易失步。第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法（3）三相六拍通電方式其通電順序?yàn)锳—AB—B—BC—C—CA—A。這種通電方式是單、雙相輪流通電。它具有雙三拍的特點(diǎn)，且通電狀態(tài)增加一倍，而使步距角減少一半。三相六拍步距角為15o。這種反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角較大，不適合一般用途的要求。實(shí)際的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種小步距的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法2．小步距角步進(jìn)電動(dòng)機(jī)圖3-1所示的為三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。設(shè)m為相數(shù)，z為轉(zhuǎn)子的齒數(shù)則齒距：

tb=因?yàn)槊客娨淮危催\(yùn)行一拍），轉(zhuǎn)子就走一步，各相繞組輪流通電一次，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距。故步距角：第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法若步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)z=40，按三相單三拍運(yùn)行時(shí)，K=1，m=3：若按五相十拍運(yùn)行時(shí)，則K=2，m=5，z=40：可見，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)和轉(zhuǎn)子齒數(shù)越多，步距角就越小，控制越精確。故步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以做成三相，也可以做成二相、四相、五相、六相或更多相數(shù)。第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法若步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通電的脈沖頻率為?(脈沖數(shù)/秒)步距角用弧度表示，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速：由上式可知，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在一定脈沖頻率下，電動(dòng)機(jī)的相數(shù)和轉(zhuǎn)子齒數(shù)越多，轉(zhuǎn)速就越低。而且相數(shù)越多，驅(qū)動(dòng)電源也越復(fù)雜，成本也就越高。第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用在機(jī)床上一般是通過減速器和絲桿螺母副帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。所以，步距角θ對(duì)應(yīng)工作臺(tái)的移動(dòng)量便是工作臺(tái)的最小運(yùn)動(dòng)單位，也稱脈沖當(dāng)量δ（mm/脈沖）：式中：t：絲桿導(dǎo)程（mm）θb：步距角（o）i：減速裝置傳動(dòng)比。工作臺(tái)的進(jìn)給速度v(mm/min)：v=60δ?第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有控制方便、步距小、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)；具有帶負(fù)載能力差、高速時(shí)易失步、斷電后無定位轉(zhuǎn)矩的缺點(diǎn)。例３-１一臺(tái)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，采用三相六拍分配方式，轉(zhuǎn)子有40個(gè)齒，脈沖頻率為600HZ，求：⑴寫出一個(gè)循環(huán)的通電程序。⑵步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角。⑶步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法解⑴脈沖分配方式有兩種：⑵根據(jù)，其中K=2,m=3,Z=40.

θb=360°/(40×2×3)=1.5°⑶根據(jù)n=,其中?=600HZn=(60×600)/(2×3×40)=150r/minA—AB—B—BC—C—CA或A—AC—C—CB—B—BA第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法3．步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)與運(yùn)行特性（1）主要技術(shù)指標(biāo)與運(yùn)行特性1）步距角和靜態(tài)步距誤差步距角也稱為步距。它的大小由式（3-2）決定。目前我國步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角為0.36o至90o。常用的為7.5o/15o、3o/6o、1.5o/3o、0.9o/1.8o、0.75o/1.5o、0.6o/1.2o、0.36o/0.72o等幾種。不同的應(yīng)用場合，對(duì)步距角大小的要求不同。它的大小直接影響步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和運(yùn)行頻率，因此在選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角時(shí)，若通電方式和系統(tǒng)的傳動(dòng)比已初步確定，則步距角應(yīng)滿足:θb≤iαmin

第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法從理論上講，每一個(gè)脈沖信號(hào)應(yīng)使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過相同的步距角。但實(shí)際上，由于定、轉(zhuǎn)子的齒距分布不均勻，定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙不均勻或鐵心分段時(shí)的錯(cuò)位誤差等，實(shí)際步距角與理論步距角之間會(huì)存在偏差，這個(gè)偏差稱為靜態(tài)步距角誤差。累積誤差是指在一圈范圍內(nèi)，從任意位置開始，經(jīng)任意步后轉(zhuǎn)子角位移誤差的最大值。在多數(shù)情況下，采用累積誤差來衡量精度。步距精度Δθb應(yīng)滿足:

Δθb=i（ΔθL）第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法2）最大靜轉(zhuǎn)矩步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的靜特性，是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定狀態(tài)（即步進(jìn)電動(dòng)機(jī)處于通電狀態(tài)不變，轉(zhuǎn)子保持不動(dòng)的定位狀態(tài)）時(shí)的特性，包括靜轉(zhuǎn)矩、矩角特性及靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。靜轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)定狀態(tài)下的電磁轉(zhuǎn)矩。它是繞組內(nèi)電流和失調(diào)角的函數(shù)。在穩(wěn)定狀態(tài)下，如果在轉(zhuǎn)子軸上加一負(fù)載轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)角度θ，并能穩(wěn)定下來，這時(shí)轉(zhuǎn)子受到的電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等，該電磁轉(zhuǎn)矩即為靜轉(zhuǎn)矩，而角度θ即為失調(diào)角。對(duì)應(yīng)于某個(gè)失調(diào)角時(shí)，靜轉(zhuǎn)矩最大，稱為最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax?？蓮木亟翘匦陨戏从砊jmax，如圖3-4所示，當(dāng)失調(diào)角θ=90o時(shí)，將有最大靜轉(zhuǎn)矩。第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法

T

-180°180°

θ

靜穩(wěn)定區(qū)Tjmax0圖3-4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩角特性第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法從矩角特性可知，當(dāng)失調(diào)角θ在-π到+π的范圍內(nèi)，若去掉負(fù)載，轉(zhuǎn)子仍能回到初始穩(wěn)定平衡位置。區(qū)域-π＜θ＜π稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。但是，失調(diào)角θ超出這個(gè)范圍，轉(zhuǎn)子則不可能自動(dòng)回到初始零位。當(dāng)θ=±π，±3π，…時(shí)，雖然此處的轉(zhuǎn)矩為零，可是這些點(diǎn)稱為不穩(wěn)定點(diǎn)。多相通電時(shí)的矩角特性和最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，按照疊加原理，根據(jù)各相通電時(shí)的矩角特性疊加起來求出。例如三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)常用單—雙相通電的方式。當(dāng)兩相通電時(shí)，由于正弦量可以用相量相加的方法求和，因此兩相通電時(shí)的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩可用相量圖求取。用相量TA和TB分別表示A相和B相單獨(dú)通電時(shí)的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，兩相通電時(shí)的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩TAB為：第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法從上式可知，對(duì)于三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，TAB=TA=TB，即兩相通電時(shí)的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩值與單相通電時(shí)的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩值相等。此時(shí)三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不能靠提高通電相數(shù)來提高轉(zhuǎn)矩。當(dāng)三相通電時(shí)的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩:由于采用了二-三相通電方式，最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩提高了，而且矩角特性形狀相同，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性有利。T0圖3-5矩頻特性

?/Hz第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法

3）矩頻特性當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制繞組的電脈沖時(shí)間間隔大于電機(jī)機(jī)電過渡過程所需的時(shí)間時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)入連續(xù)運(yùn)行壯態(tài)，這時(shí)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩和脈沖頻率的關(guān)系，即Tdm=F(?)，稱為矩頻特性，如圖3-5所示。由圖可知，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩隨著脈沖頻率的升高而降低。第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制繞組是一個(gè)電阻電感元件，其電流按指數(shù)函數(shù)增長。當(dāng)電脈沖頻率低時(shí)，電流可以達(dá)到穩(wěn)定值，如圖3-6a所示。隨著頻率升高，達(dá)到穩(wěn)定值的時(shí)間縮短，如圖3-6b所示。當(dāng)頻率高到一定值時(shí)，電流就達(dá)不到穩(wěn)定值，如圖3-6c所示，故電動(dòng)機(jī)的最大動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩小于最大靜轉(zhuǎn)矩，而且脈沖頻率越高，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩也就越小。對(duì)于某一頻率。只有當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于它在該頻率時(shí)的最大動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。（a）(b)(c)圖3-6不同頻率時(shí)的控制繞組中電流波形第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法為了提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性，必須設(shè)法減小控制繞組的電氣時(shí)間常數(shù)（τ=L/R），為此要盡量減小它的電感，使控制繞組匝數(shù)減少，所以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制繞組的電流一般都比較大。有時(shí)也在控制繞組回路中串接一個(gè)較大的附加電阻，以降低回路電氣時(shí)間常數(shù)，但這樣就增加了在附加電阻上功率損耗，導(dǎo)致步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及系統(tǒng)效率降低。可以采用雙電源供電，即在控制繞組電流的上升階段由高壓電源供電，以縮短達(dá)到穩(wěn)定值的時(shí)間，然后再改為低壓電源供電以維持其電流值，這樣可大大提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性。第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法4）啟動(dòng)頻率和連續(xù)運(yùn)行頻率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作頻率一般包括啟動(dòng)頻率、制動(dòng)頻率和連續(xù)運(yùn)行頻率。對(duì)同樣的負(fù)載轉(zhuǎn)矩來說，正、反向的啟動(dòng)頻率和制動(dòng)頻率是一樣的，所以一般技術(shù)數(shù)據(jù)中只給出啟動(dòng)頻率和連續(xù)運(yùn)行頻率。所謂失步包括丟步和越步。丟步時(shí)指轉(zhuǎn)子前進(jìn)的步距數(shù)小于脈沖數(shù)；越步是指轉(zhuǎn)子前進(jìn)的步距數(shù)多于脈沖數(shù)。丟步嚴(yán)重時(shí)，轉(zhuǎn)子將停留在一個(gè)位置上或圍繞一個(gè)位置振動(dòng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)頻率?st是指在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下能夠不失步地啟動(dòng)的最高脈沖頻率。?st的大小與驅(qū)動(dòng)電路和負(fù)載大小有關(guān)。步距角θb越小。負(fù)載（包括負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）越小。則啟動(dòng)頻率越高。第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的連續(xù)運(yùn)行頻率?c是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，當(dāng)控制脈沖頻率連續(xù)上升時(shí)，能不失步運(yùn)行的最高頻率。它的值也與負(fù)載有關(guān)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率比啟動(dòng)頻率高得多，這是因?yàn)樵趩?dòng)時(shí)除了要克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩外，還要克服軸上的慣性轉(zhuǎn)矩。啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子的角加速度大，它的負(fù)擔(dān)要比連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)為重。若啟動(dòng)時(shí)脈沖頻率過高，電動(dòng)機(jī)就可能發(fā)生丟步或振蕩。所以啟動(dòng)時(shí)，脈沖頻率不宜過高。啟動(dòng)以后，再逐漸升高脈沖頻率，由于這時(shí)的角加速度較小，就能隨之正常升速。這種情況下，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率就遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率。第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法5）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)指標(biāo)實(shí)例步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)表示方法舉例如下（不同生產(chǎn)廠家其表示方法也有所不同）反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：（如150BF003）混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：（如42BYG008）永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁繞組相數(shù)或代號(hào)永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)×××

BY

×××電動(dòng)機(jī)外徑（mm）勵(lì)磁繞組相數(shù)或代號(hào)混合式（永磁感應(yīng)式）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)×××

BFG

×××電動(dòng)機(jī)外徑（mm）勵(lì)磁繞組相數(shù)或代號(hào)反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)×××

BF

×××電動(dòng)機(jī)外徑（mm）第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法（2）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的振蕩、失步及解決方法步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的振蕩和失步是一種普遍存在的現(xiàn)象，它影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此要盡力避免。下面對(duì)振蕩和失步的原因進(jìn)行分析，并給出解決方法。（a）振蕩步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的振蕩現(xiàn)象主要發(fā)生于：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作在低頻區(qū)；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作在共振區(qū)；步進(jìn)電機(jī)突然停車時(shí)。第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低頻區(qū)時(shí)，由于勵(lì)磁脈沖間隔的時(shí)間較長，步進(jìn)電機(jī)表現(xiàn)為單步運(yùn)行。當(dāng)勵(lì)磁開始時(shí)，轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下加速轉(zhuǎn)動(dòng)。在到達(dá)平衡點(diǎn)時(shí)，電磁驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為零，但轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速最大，由于慣性，轉(zhuǎn)子沖過平衡點(diǎn)。這時(shí)電磁力產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子在負(fù)轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)速逐漸為零，并開始反向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)過平衡點(diǎn)后，電磁力又產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，迫使轉(zhuǎn)子又正向轉(zhuǎn)動(dòng)，形成轉(zhuǎn)子圍繞平衡點(diǎn)的振蕩。由于有機(jī)械摩擦和電磁阻尼的作用，這個(gè)振蕩表現(xiàn)為衰減振蕩，最終穩(wěn)定在平衡點(diǎn)。第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在共振區(qū)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率接近步進(jìn)電機(jī)的振蕩頻率?或振蕩頻率的分頻或倍頻，這會(huì)使振蕩加劇，嚴(yán)重時(shí)造成失步。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的振蕩頻率?可由下式求出：振蕩失步的過程可描述如下：在第一個(gè)脈沖到來后，轉(zhuǎn)子經(jīng)歷了一次振蕩。當(dāng)轉(zhuǎn)子回?cái)[到最大幅值時(shí)，恰好第二個(gè)脈沖到來，轉(zhuǎn)子受到的電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)回?cái)[。接著第三個(gè)脈沖到來，轉(zhuǎn)子受正電磁轉(zhuǎn)矩的作用回到平衡點(diǎn)。這樣，轉(zhuǎn)子經(jīng)過三個(gè)脈沖仍然回到原來位置，也就是丟了三步。

第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在高頻區(qū)時(shí)，由于換相周期短，轉(zhuǎn)子來不及反沖。同時(shí)繞組中的電流尚未上升到穩(wěn)定值，轉(zhuǎn)子沒有獲得足夠的能量，所以在這個(gè)工作區(qū)中不會(huì)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。（b）失步步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的失步原因有兩種。第一種是轉(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(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，如果脈沖的頻率較高，由于電動(dòng)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。因此步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有一個(gè)啟動(dòng)頻率，超過啟動(dòng)頻率啟動(dòng)時(shí)，肯定會(huì)產(chǎn)生失步。注意，啟動(dòng)頻率不是一個(gè)固定值，提高電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、減小電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、減小步距角都可以提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)頻率。第二種是轉(zhuǎn)子的平均速度大于旋轉(zhuǎn)磁場的速度。這主要發(fā)生在制動(dòng)和突然換相時(shí)，轉(zhuǎn)子獲得過多的能量，產(chǎn)生嚴(yán)重的過沖，引起失步。第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法（c）阻尼方法消除振蕩是通過增加阻尼的方法來實(shí)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(dòng)機(jī)軸上加阻尼器；電子阻尼法有多種，主要有：多相勵(lì)磁法、變頻變壓法、細(xì)分步法、反相阻尼法等。第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方法步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性，不僅與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)本身的特性和負(fù)載有關(guān)，而且與配套使用的驅(qū)動(dòng)電源（即驅(qū)動(dòng)電路）有著十分密切的關(guān)系。選擇性能優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)電源對(duì)于充分發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)的性能是十分重要的。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方法是與驅(qū)動(dòng)電源有關(guān)的。驅(qū)動(dòng)電源按供電方式分類，有單電壓供電、雙電壓供電、調(diào)頻調(diào)壓供電；按功率驅(qū)動(dòng)部分所用元件分類，有大功率晶體管驅(qū)動(dòng)、快速晶閘管驅(qū)動(dòng)、可關(guān)斷晶閘管驅(qū)動(dòng)、混合驅(qū)動(dòng)。圖3-7為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖。第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法步進(jìn)電機(jī)的控制方法可歸納為兩點(diǎn)：第一，按預(yù)定的工作方式分配各個(gè)繞組的通電脈沖；第二，控制步進(jìn)電機(jī)的速度，使它始終遵循加速—?jiǎng)蛩佟獪p速的運(yùn)動(dòng)規(guī)律工作。控制繞組是按一定的通電方式工作的，為了實(shí)現(xiàn)這種輪流通電，必須依靠環(huán)形分配器將控制脈沖按規(guī)定的通電方式分配到各相控制繞組上。環(huán)形分配可以用硬件電路來實(shí)現(xiàn)，也可以由微機(jī)通過軟件進(jìn)行。經(jīng)分配器輸出的脈沖，未經(jīng)放大時(shí)，其驅(qū)動(dòng)功率很小，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組需要相當(dāng)大的功率，即需要較大的電流才能工作。所以由分配器輸出的脈沖還需進(jìn)行功率放大才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法四、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電源主要包括脈沖發(fā)生器（變頻信號(hào)源）、環(huán)形分配器（又稱脈沖分配器）和功率放大器幾個(gè)基本部分。變頻信號(hào)源是一個(gè)頻率可從幾十Hz到幾十kHz連續(xù)變化的脈沖發(fā)生器。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)中，脈沖的產(chǎn)生和分配均由微機(jī)來完成。下面主要介紹環(huán)形分配器和功率放大器。第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法（一）環(huán)形分配器步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的每相繞組不是恒定的通電，而是按照一定的規(guī)律輪流通電，環(huán)形分配器的作用是將控制脈沖按規(guī)定方式分配到各相繞組上。環(huán)形分配器是根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)和要求通電的方式來設(shè)計(jì)的。環(huán)形分配器有硬件環(huán)形分配器、軟件環(huán)形分配器。1。硬件環(huán)形分配器。硬件環(huán)形分配器由門電路、觸發(fā)器等基本邏輯功能元件組成，按一定的順序?qū)ê徒刂构β史糯笃?，使相?yīng)的繞組通電或斷電。硬件環(huán)形分配器可分為分立元件的、集成觸發(fā)器的、單塊MOS集成塊的和可編程門陣列芯片等。集成元器件的使用，使環(huán)形分配器的體積大大縮小，可靠性和抗干擾能力提高，并具有較好的響應(yīng)速度。第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法（1）觸發(fā)器型環(huán)形分配器環(huán)形分配器種類很多，可以由D觸發(fā)器或J-K觸發(fā)器所組成。圖3-8是一個(gè)由3只J-K觸發(fā)器及12個(gè)與非門組成的三相六拍的環(huán)形分配器。圖3-8三相六拍環(huán)形分配器第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法（2）環(huán)形分配器集成芯片目前市場上有很多可靠性高、尺寸小、使用方便的集成脈沖分配器供選擇。按其電路結(jié)構(gòu)不同可分為TTL集成電路和CMOS集成電路。如國產(chǎn)TTL脈沖分配器有三相（YBO13）、四相（YBO14）、五相（YBO15）和六相（YBO16），均為18個(gè)管腳的直插式封裝。CMOS集成脈沖分配器也有不同型號(hào)。如CH250型是專為三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的環(huán)形分配器。封裝形式為16腳直插式。圖3-9所示為三相六拍工作時(shí)的接線圖。第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法（3）EPROM可編程式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按類型、相數(shù)等劃分，種類繁多，相應(yīng)的就有不同的環(huán)形分配器，可見所需的環(huán)型分配器的品種很多。用EPROM設(shè)計(jì)的環(huán)形分配器，用一種線路可實(shí)現(xiàn)多種通電方式的分配，硬件電路不變動(dòng)，只需改變軟件內(nèi)存儲(chǔ)器的地址。圖3-10為含有EPROM的環(huán)形分配器。根據(jù)驅(qū)動(dòng)要求，求出環(huán)形分配器的輸出狀態(tài)表，以二進(jìn)制碼的形式依次存入EPROM中，在線路中只要依照地址的正向或反向順序依次取出地址的內(nèi)容，即可實(shí)現(xiàn)正、反向通電的順序。對(duì)不同通電方式，狀態(tài)表也不同，可將存儲(chǔ)器地址劃分為若干區(qū)域，每個(gè)區(qū)域儲(chǔ)存一個(gè)狀態(tài)表，運(yùn)行時(shí)，用EPROM的高位地址線選通這些不同區(qū)域，這樣，用同樣的計(jì)數(shù)器輸出就可以運(yùn)行不同的通電狀態(tài)。目前市場上出售的環(huán)形分配器的種類很多，功能也十分齊全，有的還具有其它許多功能，如斬波控制等，用于兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩相控制的L297（L297A）、PMM8713和用于五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的PMM8714等。第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法圖3-9CH250三相六拍接線圖可逆計(jì)數(shù)器EPROM狀態(tài)輸出CP脈沖方向電平清零方式零位輸出圖3-10含有EPROM的環(huán)形分配器第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法這里介紹一種8713集成電路芯片。8713有幾種型號(hào)，如三洋公司的PMM8713，富士通公司的MB8713，國產(chǎn)的5G8713等，他們的功能一樣，可以互換。8713是屬于單極性控制，用于控制三相和四相步進(jìn)電機(jī)，可以選擇以下不同的工作方式。三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：單三拍、雙三拍、六拍；四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：單四拍、雙四拍、八拍。8713可以選擇單時(shí)鐘輸入或雙時(shí)鐘輸入；具有正反轉(zhuǎn)控制、初始化復(fù)位、工作方式和輸入脈沖狀態(tài)監(jiān)視等功能；所有輸入端內(nèi)部都設(shè)有斯密特整形電路，提高抗干擾能力，使用4~18V直流電源，輸出電流為20mA。8713有16個(gè)引腳。第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法8713脈沖分配器與單片機(jī)的接口例子如圖3-11所示。本例選用單時(shí)鐘輸入方式。8713的3腳為步進(jìn)脈沖輸入端，4腳為轉(zhuǎn)向控制端，這兩個(gè)引腳的輸入均由單片機(jī)提供和控制。選用對(duì)四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行八拍方式控制，所以5、6、7均接高電平。轉(zhuǎn)向控制5V。步進(jìn)脈沖

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圖3-118713脈沖分配器與單片機(jī)接口A相驅(qū)動(dòng)B向驅(qū)動(dòng)C相驅(qū)動(dòng)D向驅(qū)動(dòng)

P1.0P1.18051系列單片機(jī)第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法由于采用了脈沖分配器，單片機(jī)只需提供不進(jìn)脈沖，進(jìn)行速度控制和轉(zhuǎn)向控制，脈沖分配的工作交給脈沖分配器來自動(dòng)完成。因此，CPU的負(fù)擔(dān)減輕許多。1.軟件環(huán)形分配器。是完全用軟件的方式進(jìn)行脈沖分配，按照給定的通電換相順序，通過單片機(jī)的I/O口向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出控制脈沖。采用不同的計(jì)算機(jī)及接口器件有不同的形式。圖3-12是控制五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的硬件接口例子。利用8051系列單片機(jī)的P1.0~P1.4這5條I/O線，向五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳送控制信號(hào)。

P1.0

P1.18051

P1.2系列

P1.3單片機(jī)

P1.4A相驅(qū)動(dòng)

B相驅(qū)動(dòng)

C相驅(qū)動(dòng)

D相驅(qū)動(dòng)

E相驅(qū)動(dòng)

圖3-12用軟件實(shí)現(xiàn)脈沖分配的接口示意圖第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法下面以五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作在十拍方式為例，說明如何設(shè)計(jì)軟件。五相十拍工作方式的正序?yàn)椋篈B—ABC—BC—BCD—CD—CDE—DE—DEA—EA—EAB，共有10個(gè)通電狀態(tài)。如果P1口輸出的控制信號(hào)中，0代表使繞組通電，1代表使繞組斷電，則可用10個(gè)控制字來對(duì)應(yīng)這10個(gè)通電狀態(tài)。這10個(gè)控制字如表3-3所列。第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法在程序中，只要依次將這10個(gè)控制字送到P1口，每送一個(gè)控制字，就完成一拍，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。程序就是根據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)的。用R0作為狀態(tài)計(jì)數(shù)器，來指示第幾拍，按正轉(zhuǎn)時(shí)加1，反轉(zhuǎn)時(shí)減1的操作規(guī)律，則正轉(zhuǎn)程序?yàn)椋篊W：INCR0；正轉(zhuǎn)加1CJNER0，#0AH，ZZ；如果計(jì)數(shù)器等于10修正為0MOVR0，#00HZZ：MOVA，R0；計(jì)數(shù)器值送AMOVDPTR，#ABC；指向數(shù)據(jù)存放首地址

MOVDPTR，#ABC；指向數(shù)據(jù)存放首地址

MOVCA，@A+DPTR；取控制字

MOVP1，A；送控制字到P1口第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法

RETABC：DB0FCH，0F8H，0F9H，0F1H，0F3H；10個(gè)控制字

DB0E3H，0E7H，0E6H，0EEH，0ECH反轉(zhuǎn)程序?yàn)椋?/p>

CCW：DECR0；反轉(zhuǎn)減1(反序)CJNER0，#0FFH，F(xiàn)Z；如果計(jì)數(shù)器等于FFH修正為9MOVR0，#09HFZ：MOVA，R0MOVDPTR，#ABC；指向數(shù)據(jù)存放首地址

MOVCA，A+DPTR；取控制字

MOVP1，A；送P1口

RET軟件法在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中，要不停地產(chǎn)生控制脈沖，占用了大量的CPU時(shí)間，可能使單片機(jī)無法同時(shí)進(jìn)行其他工作（如監(jiān)測等），所以，人們更喜歡用硬件法?；蜍浻布嘟Y(jié)合。

第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法（二）功率放大器功率放大器的輸出直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的控制繞組，因此功率放大電路的性能對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)有很大影響。對(duì)驅(qū)動(dòng)電路要求的核心問題是如何提高電動(dòng)機(jī)的快速性和平穩(wěn)性。目前國內(nèi)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路主要有以下幾種。1．單電壓恒流功放電路。圖3-13所示的是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單相的功放電路。第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法2．高低壓（雙電壓）功率放大電路。圖3-14所示是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單相的雙電壓功放電路。這種線路的特點(diǎn)是：繞組通電開始時(shí)接通高壓以保證電機(jī)繞組中有較大的沖擊電流流過。然后再截?cái)喔邏?，由低壓維持繞組中的電流，以保證電機(jī)繞組中的穩(wěn)定電流等于額定值。高壓U1大約為80～150V，低壓U2大約為5～20V左右。3．調(diào)頻調(diào)壓功放電路前面介紹的雙電壓功放和斬波功放電路，都能使流入電動(dòng)機(jī)的電流有較好的上升沿和幅值，提高了電動(dòng)機(jī)的高頻工作能力。但在低頻時(shí)，則低頻振蕩較高。采用調(diào)頻調(diào)壓的控制方法，即低頻時(shí)工作在低壓狀態(tài)，減少能量的流入，從而抑制了振蕩；在高頻時(shí)工作在高頻狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)將有足夠的驅(qū)動(dòng)能力。第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法調(diào)頻調(diào)壓的控制方式很多，簡單的方式是分頻段調(diào)壓。一般把步進(jìn)電機(jī)的工作頻率分成幾段，每段的工作電壓不同，即調(diào)頻調(diào)壓方法。在理想條件下，保持步進(jìn)電動(dòng)機(jī)力矩不變，則電源電壓應(yīng)隨工作頻率的升高而升高，隨工作頻率的下降而下降。圖3-15為調(diào)頻調(diào)壓功放電路，整個(gè)電路分成三部分：開關(guān)調(diào)壓、調(diào)頻調(diào)壓控制和功率放大。第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法圖3-13單電壓功率放大電路圖3-14高低壓驅(qū)動(dòng)原理圖圖3-15調(diào)頻調(diào)壓功放電路第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法五、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與微機(jī)的接口技術(shù)由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流比較大，所以微型機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的連接都需要專門的接口電路及驅(qū)動(dòng)電路。接口電路可以用緩沖器和鎖存器組成，也可以選用LSI并行I/O接口芯片，如8255、8155等。其中A口接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，向步進(jìn)電機(jī)提供各相的勵(lì)磁電流；B口用來檢測步進(jìn)電機(jī)的類型及工作方式選擇，開關(guān)的狀態(tài)可根據(jù)需要來設(shè)置。如圖3-16所示。第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法

CBCPU

B

口步進(jìn)電機(jī)接口電路

A

口步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)類型及工作方式選擇圖3-16步進(jìn)電機(jī)接口框圖DBAB第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法驅(qū)動(dòng)器可用大功率復(fù)合管，也可以是專門的驅(qū)動(dòng)器。為了抗干擾，或避免一旦驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生故障，造成功率放大器中的高電平信號(hào)進(jìn)入微型機(jī)而燒壞器件，在驅(qū)動(dòng)器與微型機(jī)之間加一級(jí)光電隔離器，其原理接口電路如圖3-17、圖3-18所示?，F(xiàn)在，已經(jīng)生產(chǎn)出許多專門用于步進(jìn)電機(jī)的接口器件，用戶可根據(jù)需要選用。第一節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法

圖3-17步進(jìn)電機(jī)與微機(jī)接口電路之一

圖3-18步進(jìn)電機(jī)與微機(jī)接口電路之二第3章第二節(jié)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開、閉環(huán)控制第二節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開、閉環(huán)控制一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、使用維護(hù)方便、可靠性高、制造成本低。適用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床和現(xiàn)有機(jī)床的數(shù)控化改造，且在中、小型機(jī)床和速度、精度要求不是很高的場合得到了廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)主要由步進(jìn)控制器、功率放大器及步進(jìn)電機(jī)組成。步進(jìn)控制器是由緩沖寄存器、環(huán)形分配器、控制邏輯及正、反轉(zhuǎn)控制門等組成。典型步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)如圖3-19所示。這種控制方式中，由于步進(jìn)控制器線路復(fù)雜、成本高，因而限制了它的使用。第二節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開、閉環(huán)控制隨著電子技術(shù)的發(fā)展，除功率驅(qū)動(dòng)電路之外，其它硬件電路均可由軟件實(shí)現(xiàn)。采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，由軟件代替步進(jìn)控制器，不僅簡化了線路，降低了成本而且可靠性也大為提高，根據(jù)系統(tǒng)的需要可靈活改變步進(jìn)電機(jī)的控制方案，使用起來很方便。典型的微型機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)原理圖如圖3-20所示。每當(dāng)步進(jìn)電機(jī)脈沖輸入線上得到一個(gè)脈沖，它便沿著轉(zhuǎn)向控制線信號(hào)所確定的方向走一步。只要負(fù)載是在步進(jìn)電機(jī)允許的范圍之內(nèi)，那么，每個(gè)脈沖將使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，根據(jù)步距角的大小及實(shí)際走的步數(shù)，只要知道初始位置，便可預(yù)知步進(jìn)電機(jī)的最終位置。使用微型機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制有串行和并行兩種方式。第二節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開、閉環(huán)控制步進(jìn)控制器功率放大器步進(jìn)電機(jī)負(fù)載圖3-19步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成方向控制脈沖接口微型機(jī)驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電機(jī)

負(fù)載圖3-20用微型機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)原理系統(tǒng)圖第二節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開、閉環(huán)控制（一）串行控制具有串行控制功能的單片機(jī)系統(tǒng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源之間，具有較少的連線將信號(hào)送入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的環(huán)形分配器，所以在這種系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電源中必須含有環(huán)形分配器。這種控制方式的示意圖如圖3-21所示。（二）并行控制用微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)個(gè)端口直接去控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相驅(qū)動(dòng)電路的方法稱為并行控制。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)脈沖分配功能的方法有兩種：一種是純軟件方法，即完全用軟件來實(shí)現(xiàn)相序的分配，直接輸出各相導(dǎo)通或截止的信號(hào)；另一種是軟、硬件相結(jié)合的方法，有專門設(shè)計(jì)的一種編程器接口，計(jì)算機(jī)向接口輸入簡單形式的代碼數(shù)據(jù)，而接口輸出的是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相導(dǎo)通或截止的信號(hào)。并行控制方案的示意圖如圖3-22所示。第二節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開、閉環(huán)控制CP脈沖方式信號(hào)方向信號(hào)

P1.0

8031

P1.1

P1.2環(huán)行分配器功率放大器步進(jìn)電動(dòng)機(jī)圖3-21串行控制示意圖

P1.1

P1.28031P1.3

P1.4P1.5A相B相C相驅(qū)動(dòng)器D相E相12345圖3-22并行控制示意圖第二節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開、閉環(huán)控制（三）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)變速控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制是通過控制單片機(jī)發(fā)出的步進(jìn)脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)?？刂撇竭M(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)脈沖的頻率或者換相的周期。若是軟脈沖分配方式，可以采用調(diào)整兩個(gè)步進(jìn)控制字之間的時(shí)間間隔來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，若是硬脈沖分配方式，可以控制步進(jìn)脈沖的頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。系統(tǒng)可用兩種方法來確定步進(jìn)脈沖的周期：一種是軟件延時(shí)；軟件延時(shí)的方法是通過調(diào)用延時(shí)子程序的方法來實(shí)現(xiàn)的，它占用大量CPU時(shí)間，因此沒有實(shí)用價(jià)值。另一種是通過定時(shí)器中斷的方法。定時(shí)器方法是通過設(shè)置定時(shí)時(shí)間常數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到而使定時(shí)器產(chǎn)生溢出時(shí)發(fā)生中斷，在中斷子程序中進(jìn)行改變P1.0電平狀態(tài)的操作，改變定時(shí)常數(shù)，就可改變方波的頻率，得到一個(gè)給定頻率的方波輸出，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。第二節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開、閉環(huán)控制二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制：在開環(huán)控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，其輸入的脈沖不依賴轉(zhuǎn)子的位置，而是事先按一定規(guī)律安排的。電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)電源和控制方式。對(duì)于不同的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或同一種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)而不同的負(fù)載，勵(lì)磁電流和失調(diào)角發(fā)生改變，輸出轉(zhuǎn)矩就會(huì)隨之發(fā)生改變，很難找到通用的控速規(guī)律，因此也難以提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的技術(shù)性能指標(biāo)。閉環(huán)系統(tǒng)是直接或間接地檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度，然后通過反饋和適當(dāng)處理自動(dòng)給出驅(qū)動(dòng)脈沖串。因此采用閉環(huán)控制可以獲得更加精確的位置控制和高得多，平穩(wěn)得多的轉(zhuǎn)速，從而提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)?？梢栽诓竭M(jìn)電機(jī)的許多其他領(lǐng)域獲得更大的通用性。第二節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開、閉環(huán)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制有不同的方案，主要有核步法，延遲時(shí)間法，用位置傳感器的閉環(huán)系統(tǒng)等，采用光電脈沖編碼器作為位置檢測元件的閉環(huán)控制原理框圖如圖3-23所示。其中編碼器的辨力必須與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步矩角相匹配。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由微機(jī)發(fā)出一個(gè)初始脈沖起動(dòng)，后續(xù)控制脈沖由編碼器產(chǎn)生。編碼器直接反映切換角這一參數(shù)。微機(jī)接口功率驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電動(dòng)機(jī)光電脈沖編碼器接口圖3-23步進(jìn)電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制原理框圖第二節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開、閉環(huán)控制編輯器相對(duì)于電動(dòng)機(jī)的位置是固定的，因此發(fā)出的相切換信號(hào)是一定的具有一種固定的切換角。改變切換角（采用時(shí)間延時(shí)方法可獲得不同切換角），可使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生不同的平均轉(zhuǎn)速。在閉環(huán)系統(tǒng)中，為了擴(kuò)大切換角的范圍，有時(shí)還要插入或刪去切換脈沖。通常加速時(shí)要插入脈沖，而在減速時(shí)要?jiǎng)h除脈沖，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的迅速加減速控制。在固定切換角的情況下，增加負(fù)載，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將下降。要實(shí)現(xiàn)勻速控制，可用編碼器測出電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速（編碼器兩次發(fā)生脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔），以此作為反饋信號(hào)不斷地調(diào)節(jié)切換角，補(bǔ)償由負(fù)載變化所引起的轉(zhuǎn)速變化。第3章第三節(jié)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最佳點(diǎn)—位控制第三節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最佳點(diǎn)—位控制一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最佳點(diǎn)-位控制

對(duì)于點(diǎn)、位控制系統(tǒng)，從起點(diǎn)至終點(diǎn)的運(yùn)行速度都有一定要求。如果要求運(yùn)行頻率（速度）小于系統(tǒng)的極限起動(dòng)頻率，則系統(tǒng)可以按要求的頻率（速度）直接起動(dòng)，運(yùn)行至終點(diǎn)后可立即停發(fā)脈沖串而令其停止。系統(tǒng)在這樣的運(yùn)行方式下其速度可認(rèn)為是恒定的。但在一般情況下，系統(tǒng)的極限起動(dòng)頻率是比較低的，而要求的運(yùn)行速度往往較高。如果系統(tǒng)以要求的速度直接起動(dòng)，因?yàn)樵擃l率已超過極限起動(dòng)頻率而不能正常起動(dòng)，可能發(fā)生丟步或根本不能起動(dòng)的情況。減速圖3-24點(diǎn)、位控制中的加減速控制（時(shí)間）t終點(diǎn)低速恒速升速起點(diǎn)?第三節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最佳點(diǎn)—位控制系統(tǒng)運(yùn)行起來之后，如果到達(dá)終點(diǎn)時(shí)突然停發(fā)脈沖串，令其立即停止，則因?yàn)橄到y(tǒng)的慣性原因，會(huì)發(fā)生沖過終點(diǎn)的現(xiàn)象，使點(diǎn)—位控制精度發(fā)生偏差。因此在點(diǎn)—位控制過程中，運(yùn)行速度都需要有一個(gè)加速—恒速—減速—（低恒速）—停止的過程，如圖3-24所示。系統(tǒng)在工作過程中要求加減速過程時(shí)間盡量短，而恒速時(shí)間盡量長。特別是在要求快速響應(yīng)的工作中，從起點(diǎn)至終點(diǎn)運(yùn)行的時(shí)間要求最短，這就必須要求升速、減速的過程最短，而恒速時(shí)的速度最高。升速規(guī)律一般可有兩種選擇：一是按直線規(guī)律升速，二是按指數(shù)規(guī)律升速。按直線規(guī)律升速時(shí)加速度為恒值，因此要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為恒值。第三節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最佳點(diǎn)—位控制用微機(jī)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行加減速控制，實(shí)際上就是改變輸出步進(jìn)脈沖的時(shí)間間隔。升速時(shí)使脈沖串逐漸加密，減速時(shí)使脈沖串逐漸稀疏。微機(jī)用定時(shí)器中斷的方式來控制電動(dòng)機(jī)變速時(shí)，實(shí)際上就是不斷改變定時(shí)器裝載值的大小。一般用離散辦法來逼近理想的升降速曲線。為了減少每步計(jì)算裝載值的時(shí)間，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就把各離散點(diǎn)的速度所需的裝載值固化在系統(tǒng)的EPROM中，系統(tǒng)運(yùn)行中用查表方法查出所需的裝載值，從而大大減少占用CPU時(shí)間，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。系統(tǒng)在執(zhí)行升降速的控制過程中，對(duì)加減速的控制還需準(zhǔn)備下列數(shù)據(jù)：①加減速的斜率；②升速過程的總步數(shù)；③恒速運(yùn)行總步數(shù)；④減速運(yùn)行總步數(shù)。第三節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最佳點(diǎn)—位控制要想使步進(jìn)電機(jī)按一定的速率精確地到達(dá)指定的位置（角度或線位移），步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)N和延時(shí)時(shí)間t是兩個(gè)重要的參數(shù)。前者用來控制步進(jìn)電機(jī)的精度，后者用來控制步進(jìn)電機(jī)的速率。如何確定這兩個(gè)參數(shù)是步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)中十分重要的問題。（一）步進(jìn)電機(jī)步數(shù)的確定

步進(jìn)電機(jī)常用來控制角度和位移。改變步進(jìn)電機(jī)的控制方式，可以提高精度，但在同樣的脈沖周期下，步進(jìn)電機(jī)的速率將減慢。同理，可求出任意位移量與步數(shù)之間的關(guān)系。第三節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最佳點(diǎn)—位控制（二）步進(jìn)電機(jī)控制速率的確定步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)是精確定位的重要參數(shù)之一。在某些場合，不但要求能精確定位，而且還要求在一定的時(shí)間內(nèi)到達(dá)預(yù)定的位置，這就要求控制步進(jìn)電機(jī)的速率。步進(jìn)電機(jī)速率控制的方法就是改變每個(gè)脈沖的時(shí)間間隔，亦即改變速度控制程序中的延時(shí)時(shí)間。例如，若步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)10圈需要2000毫秒，則每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈需要的時(shí)間為t=2000ms/10=200ms，每步進(jìn)一步需要的時(shí)間為第三節(jié)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最佳點(diǎn)—位控制所以，只要在輸出一個(gè)脈沖后，延時(shí)833，即可達(dá)到上述之目的。（三）步進(jìn)電機(jī)的變速控制

前面兩種計(jì)算中，在整個(gè)控制過程中，步進(jìn)電機(jī)是以恒定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行工作的。然而，對(duì)于大多數(shù)任務(wù)而言，希望能盡快地達(dá)到控制終點(diǎn)，即要求步進(jìn)電機(jī)的速率盡可能快一些。但如果速度太快，則可能產(chǎn)生失步。此外，一般步進(jìn)電機(jī)對(duì)空載最高啟動(dòng)頻率有所限制。所謂空載最高啟動(dòng)頻率是指電動(dòng)機(jī)空載時(shí)，轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)不失步的啟動(dòng)的最大控制脈沖頻率。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)帶有負(fù)載時(shí)，它的啟動(dòng)頻率要低于最高空載啟動(dòng)頻率。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)矩頻特性可知，啟動(dòng)頻率越高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩越小。變速控制的基本思想是：啟動(dòng)時(shí)，以低于響應(yīng)頻率的速度慢慢加速，到一定速率后恒速運(yùn)行，快要到達(dá)終點(diǎn)時(shí)慢慢減速，以低于響應(yīng)速率的速度運(yùn)行，直到走完規(guī)定的步數(shù)后停機(jī)。這樣，步進(jìn)電機(jī)便可以最快的速度走完所規(guī)定的步數(shù)，而又不出現(xiàn)失步。變速控制過程如圖3-24所示，變速控制的方