第三章 步进电机

3.1简介步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电机。3.步进电机它每接收一个电脉冲，转子就转过一角度，称为步距角。由于这种电机的转动是断续地一步步进行的，所以被称为步进电动机。s步机电动机的脉冲信号，一般由环形分配器和功率放大器两部分组成的驱动器提供，并由它确定输入脉冲的个数、频率、分配到各控制绕组的次序以及同时输入控制绕组的数目。种类：励磁方式磁阻式(反应式)永磁式混合式运行方式直线型平面型系统构成：步进电机环形分配器脉冲放大器脉冲信号输入步进电动机的定子一般为凸极式，设置多相绕组用作控制绕组来接收电脉冲。转子亦为凸极，可由软铁或永久磁铁构成，也可以是带齿的圆柱形铁心。3.2工作原理三相反应式步进电动机定子为凸极式，共有三对磁极磁极上设置控制绕组。相对的两个极的线圈串联联接，形成一相控制绕组。转子用软磁材料制成，也是凸极，但转子上没有绕组。图示转子为两极，步进机中称转子极为齿极，转子齿极数以表示。下面通过几种基本控制方式来说明其工作原理。rQ三相反应式步进电动机a)A相通电时b)B相通电时三相反应式步进电动机有三种运行方式：(1)三相单三拍运行；(2)三相双三拍运行；(3)三相单、双六拍运行“三相”—指步进电机的相数；“单”—指每次只给一相绕组通电；“双”则是每次同时给二相绕组通电；“三拍”—指通电三次完成一个循环1234AA'BB'CC'A相导通1234AA'BB'CC'B相导通1.三相单三拍运行方式1234AA'BB'CC'C相导通AA'BB'CC'1234A相导通按A-B-C-A的顺序通电，电机转子在磁阻转矩作用下沿ABC方向转动，电机的转速直接取决于控制绕组的换接频率。定子控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍，此时电机转子所转过的空间角度称为步距角。36090trZ9033ts齿距角：步距角：2.三相双三拍运行方式按AB-BC-CA-AB或相反的顺序通电，每次同时给两相绕组通电，且三次换接为一个循环。步距角与三相单三拍运行方式的步距角相同。AB相导通BC相导通3.三相单、双六拍运行方式按A-AB-B-BC-C-CA或相反顺序通电，即需要六拍才完成一个循环，因此步距角为：156906ts1234AA'BB'CC'A相导通1234AA'BB'CC'B相导通AB相导通1.小步距角反应式步进电机940360t31340360360NZrs3.3基本构造上述步进电动机为15°、30°。在实际应用中常嫌太大，为提高精度和扩大其功能，制成小步距角电动机。s电机齿的相对位置a)A相通电b)B相通电电机齿的相对位置a)A、B相通电b)B、C相通电•反应式步进电动机的相数等于定子极对数，即m=p，转子齿数的数值要受下列两个条件的限制：①正对面的两个极属于同一相，某相通电时，这两个极的齿都应与转子齿对齐，所以转子齿数必须是偶数；②某相磁极的齿与转子齿对齐时，相邻磁极齿与转子齿应错开t/m。齿数不能任意确定，则步距角亦将不是随意的，在选用步进电机时要注意。rQrQ2、多段式步进电动机前述步进电动机与一般电机相同，定、转子均为一段铁心（不计通风槽的影响），各相绕组沿圆周均匀排列，所以也叫做径向分相的结构。与它相对的是所谓轴向分相，它的定转子铁心分成m段，所以也称为多段式结构。三段式三相反应式步进电动机a)结构示意图1—控制绕组2—定子铁心3—轴承4—转轴5—转子铁心b)三段定转子齿相对位置图3、永磁式步进电动机定子为凸极，控制绕组为两相、相隔一极的绕组属同一相。转子为两对永久磁铁磁极。A相加正脉冲时，第1、3、5、7极激励磁场，极性为S、N、S、N，可见转子稳定位置恰如图所示。然后，B相加正脉冲，第2、4、6、8极分别呈S、N、S、N极性，于是转子转过45°。第三拍A相加负脉冲，奇数极极性呈N、S、N、S。与第一拍相反，这时转子恰好被吸而又转过45°。这种电动机步距角较大，控制电源需有正负脉冲，优点是消耗的电功率比反应式步进电动机小。在断电没有信号输入时，它有定位转矩，即表示它的转子只能锁定在某几个位置，不像反应式电机，当无信号时，其转子位置可以是任意的。4、永磁感应子式步进电动机(混合式步进电动机)这种电机的原理结构图如所示，其定子结构与小步距角单段反应式步进电动机相似，其相数，极数同。转子中段为轴向充磁的环形永久磁铁，两端软铁制成圆周开了齿槽的转子铁心，沿轴向两端铁心上的子齿错过1/2齿距，定转子齿槽的齿距是相同的。5、单相步进电动机广泛应用于钟、手表中的步进电动机常常是单相式，亦即是只有一个接受信号的绕组，其转子为圆片状永久磁铁，径向充磁为两极型。单相步进电动机原理图a)b)c)秒脉冲信号3.4步进电动机基本特性1、矩角特性当电动机为理想空载（指负载转矩包括摩擦转矩在内等于零），且电动机在某一种通电状态下，其转子所处的位置称为零位或稳定平衡位置。电动机带上负载，则转子位置便将偏离零位，称与零位间的角度为失调角。此时，电机能产生的转矩T和失调角的关系称为矩角特性。)(xfTa)矩角特性曲线b)转矩和失调角正方向的设定对矩角特性我们主要关心的是它的波形和最大值。从希望来说，矩角特性以接近矩形为好，微小的失调角便有最大的转矩。但实际的矩角特性接近正弦波，曲线的最大转矩正比于控制绕组的电流平方及同时通电的相数。maxT在分析步进电动机的工作特性时，不仅要知道某一条矩角特性，而且要知道各个通电状态下的矩角特性，即所谓矩角特性曲线族。三相单三拍运行时矩角特性曲线族，—第n拍静态稳定区snA1snA—第n+1拍静态稳定区32se2.单脉冲运行当加上一个控制脉冲信号，矩角特性将转移到矩角特性族中的下一条矩角特性曲线，转子将转到新的稳定平衡位置o1。在改变通电状态时，只有当转子起始位置位于ab之间才能使它向o1点运动。因此称区间ab为电动机空载时的动态稳定区。o0-To1serab动态稳定区静态稳定区C仅只对电动机加上一个控制脉冲的运行方式。•只要负载阻力转矩小于相邻矩角特性的交点处的电磁转矩，电机就可正常实现步进运动。称该交点处的转矩为起动转矩stTo0-To1Tsto0TL2o1o0-To1Tsto'0TL1o'1TL1Tst因新的矩角特性曲线上对应点的电磁转矩大于负载转矩，使转子加速并向增大的方向运动，最终到达新的稳定平衡点o’1.TL2Tst新矩角特性上对应点的转矩小于负载转矩，转子不能到达新的稳定平衡点o”1，而是向减小的方向运动，因此不能作步进运动。由此可知，步进电动机能带的最大负载转矩要比最大静转矩Tmax小。只有当负载转矩小于起动转矩(最大负载转矩)Tst，才能保证电动机进行正常的步进运动。若矩角特性为幅值相等的正弦波时，可得：bsesestNTTTTcos2cos2sinmaxmaxmax由式可见，如果相同，增加拍数，减小步距角可以增大起动转矩。转子振荡过程：以上分析时认为，切换控制绕组时，转子单调地趋向新的平衡位置，但实际上要经过一个衰减的振荡过程。maxT为减小振荡幅度和时间，可增加阻尼：•机械阻尼：增加电机转子的干摩擦阻力或增加粘性阻力。缺点：增大了惯性，快速性能变坏，体积增大。•电气阻尼：多相激磁阻尼、延迟断开阻尼。优点：方法简单，效果好。转子运动衰减振荡过程及停止时间的定义•机械阻尼方法是增加电机的摩擦阻力或增加粘性阻力。此法虽然有效，但加大了转子的惯性，使电机的快速响应性能变坏。•电气阻尼方法简便，效果好，因此应用广泛，常用的有①多相励磁阻尼法，如改三相单三拍运行方式为三相双三拍运行方式，有一相在两拍间均通电，该相的磁场在转子运动过程中起着阻尼作用；②延迟断开法，使原通电相在新通电相通电一段时间再断开，其作用与前一方法相似，如三相单三拍运行时采用延迟断开法，效果同前一方法，但可节省电源消耗功率。3.连续脉冲运行连续脉冲运行sptt当时，转子的响应是很复杂的。sptt但如果，转子振荡已衰减完毕，已sptt处于新的平衡位置，转子角速度已为零。所以这种频率的连续脉冲运行犹如连续的单脉冲运行。②极限起动频率：当电动机的负载一定时，如果外加控制脉冲频率超过某一临界值，电机便会起动不起来，这一临界值称为极限起动频率。•连续脉冲的频率是下列两个指标的制约：①连续运行频率：为使电动机不失步（每拍走一步为正常运行，每拍不走或多走均为失步）地运行的极限频率。它的数值随轴上负载的增加而下降。小步距角步进电动机的连续运行频率可达每秒一万步以上；极限起动频率总小于连续运行频率，一般空载起动频率约为数千赫。说明极限起动频率3.6步进电动机的环形分配器和驱动电源一、驱动电源的组成脉冲分配器功放电路三相步进电机负载功率电源分配器电源功放电路功放电路功率放大器步进脉冲方向信号fABC脉冲分配器+功率放大电路步进电机的运行要求足够功率的电脉冲信号按一定的顺序分配到各相绕组。所以，与其它旋转电机不同的是步进电机的工作需要专门的驱动。步进电机的驱动包含脉冲分配（环行分配）和功率放大两部分。步进电机驱动器步进电机步进电机+驱动器步进电机运动控制卡1.脉冲分配器当方向电平为高时，脉冲分配器的输出按A-B-C的顺序循环产生脉冲。fABC当方向电平为低时，脉冲分配器的输出按A-C-B的顺序循环产生脉冲。ABCf任务：将脉冲信号按照一定的逻辑关系加到放大器上，使各相绕组按一定的顺序和时间导通和关断，并根据指令使得电机正转或反转，实现确定的运行方式。2.功率放大器将脉冲分配器的输出信号进行功率放大（电压或是电流）后给电动机的定子绕组供电，使电动机的转子产生输出足够大的电磁转矩带动负载。二、步进电动机的脉冲分配器步进电动机的脉冲分配可由硬件或软件方法来实现。硬件环形分配器：由计数器等数字电路组成的。有较好的响应速度，且具有直观、维护方便等优点。软件环分：由计算机接口电路和相应的软件组成的。受到微型计算机运算速度的限制，有时难以满足高速实时控制的要求。1.硬件环形分配器2．软件环形分配软件环分的方法是利用计算机程序来设定硬件接口的位状态，从而产生一定的脉冲分配输出。1)输出接口输出接口是将计算机的输出端与步进电动机的每相绕组一一对应起来。8031单片机本身包含4个8位I/O端口，分别为P0、P1、P2、P3。8031P1.0P1.1P1.2ABC驱动器若要实现三相步进电动机的脉冲分配，需要三根输出口线，本例中选P1口的P1.0、P1.1、P1.2位作为脉冲分配的输出。2)输出模型如果三相步进电动机按单、双拍通电方式工作，即:正转：A-AB-B-BC-C-CA反转：A-AC-C-CB-B-BC根据8031单片机的基本原理，对P1.0、P1.1、P1.2位编程使其按表规定改变输出状态就实现了三相六拍分配任务。P1.7通电相XXXXX001AXXXXX011ABXXXXX010BXXXXX110BCXXXXX100CXXXXX101CAP1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0P1.6P1输送的内容依次为：01HA03HAB02HB06HBC04HC05HCA正转反转输出模型3)控制程序设输出模型存放在存储器中，首地址为2000H，地址指针为DPR,初始值为2000H。编写程序时，将这些值按顺序存放在固定的只读存储器中，设计一个正转子程序和一个反转子程序供主程序调用。正转子程序按顺序取表中的内容输出到P1端口，而反转子程序按逆序取表中的内容输出到P1端口。主程序每调用一次子程序，就完成一次P1端口的输出。主程序调用子程序的时间间隔（可用软件延时或中断的方法实现）决定了输出脉冲的频率，从而决定步进电机转速。下面是正转子程序清单，反转子程序与此相类似。正转子程序：CW：CJNER0，#6，CW1；R0指示数据表中数据输出的;相对指针MOVR0，#0；若指针已指到表尾，则将指针重指表头CW1：MOVA，R0MOVDPTR，#TABLE；指针DPTR指向表头MOVCA，@A+DPTR；从