步進(jìn)電機(jī)及其控制系統(tǒng)

關(guān)于步進(jìn)電機(jī)及其控制系統(tǒng)13.1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。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類：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第2頁,共27頁，2024年2月25日，星期天特點(diǎn):

(1)來一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。

(2)控制脈沖頻率，可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

(3)改變脈沖順序，可改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵的作用原理，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為線位移或角位移的電機(jī)。每來一個(gè)電脈沖，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，帶動(dòng)機(jī)械移動(dòng)一小段距離。13.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理第3頁,共27頁，2024年2月25日，星期天

區(qū)別在于勵(lì)磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上有勵(lì)磁線圈，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒有勵(lì)磁線圈。種類：勵(lì)磁式和反應(yīng)式兩種。

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。13.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理第4頁,共27頁，2024年2月25日，星期天步進(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，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：錯(cuò)齒是助使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的根本原因。第5頁,共27頁，2024年2月25日，星期天三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理結(jié)構(gòu)圖如下：ABCIAIBIC

定子內(nèi)圓周均勻分布著六個(gè)磁極，磁極上有勵(lì)磁繞組，每?jī)蓚€(gè)相對(duì)的繞組組成一相。轉(zhuǎn)子有四個(gè)齒。定子轉(zhuǎn)子第6頁,共27頁，2024年2月25日，星期天13.1.1三相單三拍CA'BB'C'A3412

A相繞組通電，B、C

相不通電。由于在磁場(chǎng)作用下，轉(zhuǎn)子總是力圖旋轉(zhuǎn)到磁阻最小的位置，故在這種情況下，轉(zhuǎn)子必然轉(zhuǎn)到左圖所示位置：1、3齒與A、A′極對(duì)齊。13.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理第7頁,共27頁，2024年2月25日，星期天CA'BB'C'A3412

同理，B相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)過30

角，2、4齒和B、B′

磁極軸線對(duì)齊；當(dāng)C相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過30

角，1、3齒和C′、C

磁極軸線對(duì)齊。1C'342CA'BB'A13.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理第8頁,共27頁，2024年2月25日，星期天

這種工作方式下，三個(gè)繞組依次通電一次為一個(gè)循環(huán)周期，一個(gè)循環(huán)周期包括三個(gè)工作脈沖，所以稱為三相單三拍工作方式。

按A

B

C

A……的順序給三相繞組輪流通電，轉(zhuǎn)子便一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)起來。每一拍轉(zhuǎn)過30°(步距角)，每個(gè)通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)過90°(一個(gè)齒距角)。13.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理第9頁,共27頁，2024年2月25日，星期天13.1.2三相六拍

按A

AB

B

BC

C

CA的順序給三相繞組輪流通電。這種方式可以獲得更精確的控制特性。第10頁,共27頁，2024年2月25日，星期天CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412A相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒與A、A'對(duì)齊。A、B相同時(shí)通電，A、A'磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉住2、4齒，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15

，到達(dá)左圖所示位置。第11頁,共27頁，2024年2月25日，星期天CA'BB'C'A3412

B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒與B、B′對(duì)齊,又轉(zhuǎn)過15

。3412CA'BB'C'AB、C相同時(shí)通電，C'、C磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉住2、4齒，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過15

。第12頁,共27頁，2024年2月25日，星期天

三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一個(gè)通電循環(huán)周期如下：A

AB

B

BC

C

CA，每個(gè)循環(huán)周期分為六拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15（步距角），一個(gè)通電循環(huán)周期(6拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90

(齒距角)。

與單三拍相比，六拍驅(qū)動(dòng)方式的步進(jìn)角更小，更適用于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。第13頁,共27頁，2024年2月25日，星期天13.1.3三相雙三拍

按AB

BC

CA的順序給三相繞組輪流通電。每拍有兩相繞組同時(shí)通電。第14頁,共27頁，2024年2月25日，星期天AB通電CA'BB'C'A3412BC通電3412CA'BB'C'ACA通電CA'BB'C'A3412

與單三拍方式相似，雙三拍驅(qū)動(dòng)時(shí)每個(gè)通電循環(huán)周期也分為三拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30(步距角)，一個(gè)通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90

(齒距角)。第15頁,共27頁，2024年2月25日，星期天

從以上對(duì)步進(jìn)電機(jī)三種驅(qū)動(dòng)方式的分析可得步距角計(jì)算公式：—步距角Zr

—轉(zhuǎn)子齒數(shù)m—每個(gè)通電循環(huán)周期的拍數(shù)

實(shí)用步進(jìn)電機(jī)的步距角多為3

和1.5

。為了獲得小步距角，電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子都做成多齒的，如教材圖10.4.4所示。圖中轉(zhuǎn)子表面有40個(gè)齒，第16頁,共27頁，2024年2月25日，星期天齒距角是9

；定子仍是6個(gè)磁極，但每個(gè)磁極表面加工有五個(gè)和轉(zhuǎn)子一樣的齒。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用非常廣泛，如各種數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)繪圖儀、機(jī)器人等。應(yīng)用：第17頁,共27頁，2024年2月25日，星期天13.2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)過的角度稱為步距角。T11-2.SWF

＝360/ZKm

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

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)，步距角第18頁,共27頁，2024年2月25日，星期天

由此可見，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：13.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角第19頁,共27頁，2024年2月25日，星期天13.3

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)1.步距角2.最大工作頻率：在轉(zhuǎn)子不失步的情況下，電動(dòng)機(jī)連續(xù)工作時(shí)，輸入脈沖信號(hào)的最大頻率。3.最大突跳頻率：在轉(zhuǎn)子不失步的情況下，電動(dòng)機(jī)能增加和減小的最大頻率。4.步距差：理想的步矩角與實(shí)際的步矩角之差。5.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。第20頁,共27頁，2024年2月25日，星期天13.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源

一、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21頁,共27頁，2024年2月25日，星期天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。第22頁,共27頁，2024年2月25日，星期天二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖分配器

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖分配器可由硬件或軟件方法來實(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)分：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。

1.硬件環(huán)形分配器

第23頁,共27頁，2024年2月25日，星期天2．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8031單片機(jī)本身包含4個(gè)8位I/O端口，分別為P0、P1、P2、P3。

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。

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。第24頁,共27頁，2024年2月25日，星期天三、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。

1.單電壓驅(qū)動(dòng)電路

L－是電動(dòng)機(jī)繞組VT－開關(guān)晶體管

電阻R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V