步进电机及其控制系统

4.1步进电动机驱动及其控制技术第4章电动机驱动与控制技术4.1.1步进电动机的基本结构和工作原理概述步进电动机称为脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行元件。其作用是将脉冲电信号转换为角位移或直线位移。步进电动机脉冲分配器和功放步进电动机角位移与脉冲k成正比。步进电动机速度与脉冲频率成正比。具有同步特性。概述步进电动机的历史：德国百格拉公司于1973年发明了五相混合式步进电机及其驱动器；1993年又推出了性能更加优越的三相混合式步进电机。我国在80年代以前，一直是反应式步进电机占统治地位，混合式步进电机是80年代后期才开始发展。步进电动机的定义：是一种专门用于速度和位置精确控制的特种电机，它旋转是以固定的角度（称为步距角）一步一步运行的，故称步进电机。步进电动机脉冲分配器和功放步进电动机的驱动需要结合数字技术、计算机技术和电力电子技术。步进电动机被广泛应用于需要精确定位和定速的控制系统中，例如数控机床、绘图仪器、机器人等领域。4.1.1步进电动机的基本结构和工作原理概述XY操作台恒流泵打印机激光排版切线机幻灯机4.1步进电动机结构与工作原理步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件。步进电动机的分类：工作原理反应式永磁式混合式输出转矩大小快速步进电机功率步进电机励磁相数二、三、四、五、六、八相等角位移输入脉冲个数运行速度输入脉冲频率特点:(1)来一个脉冲，转一个步距角。(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。(3)改变脉冲顺序，可改变转动方向。步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段距离。4.1步进电动机结构与工作原理区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。种类：励磁式和反应式两种。下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。4.1步进电动机结构与工作原理1.基本结构步进电动机构造：由转子（转子铁芯、永磁体、转轴、滚珠轴承），定子（绕组、定子铁芯），前后端盖等组成。最典型两相混合式步进电机的定子有8个大齿，40个小齿，转子有50个小齿；三相电机的定子有9个大齿，45个小齿，转子有50个小齿。电动机构造图转轴成平行方向的断面图步进电机外形结构常见步进电机外形构造步进电机内部结构步进电机内部结构步进电机的内部构造2.工作原理给A相绕组通电时，转子位置如图（a），转子齿偏离定子齿一个角度。由于励磁磁通力图沿磁阻最小路径通过，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转动，当转子转到与定子齿对齐位置时(图b)，因转子只受径向力而无切线力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。由此可见：错齿是助使步进电机旋转的根本原因。三相反应式步进电动机的原理结构图如下：ABCIAIBIC定子内圆周均匀分布着六个磁极，磁极上有励磁绕组，每两个相对的绕组组成一相。转子有四个齿。定子转子2.工作原理•按励磁方式分类：步进电动机可分为反应式、永磁式和感应子式。•其中反应式步进电动机用得比较普遍，结构也较简单。•右图为一台三相反应式步进电动机的典型结构图。2.工作原理三相反应式步进电动机按通电方式的不同，每步转动不同的角度。下面以三相单三拍为例，说明其工作原理。步进电动机的工作原理是磁通总是走磁阻最小的路径，由于磁力线的扭曲而产生拖动转矩。三相步进电动机具有三相单三拍、三相六拍和三相双三拍通电运行状态。“三相”：步进电动机具有三相定子绕组。“单、双”：每次只有一相（单）或两相（双）绕组通电。“三拍”：每三次换接为一个循环。有三种通电状态。“六拍”：每六次换接为一个循环。有六种通电状态。A-AB-B-BC-C-CA-A……A-B-C-A……3.通电方式1）三相单三拍CA'BB'C'A3412A相绕组通电，B、C相不通电。由于在磁场作用下，转子总是力图旋转到磁阻最小的位置，故在这种情况下，转子必然转到左图所示位置：1、3齿与A、A′极对齐。3.通电方式CA'BB'C'A同理，B相通电时，转子会转过30角，2、4齿和B、B´磁极轴线对齐；当C相通电时，转子再转过30角，1、3齿和C´、C磁极轴线对齐。C'CA'BB'A4.1步进电动机结构与工作原理3.通电方式这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。按ABCA……的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过30°(步距角)，每个通电循环周期(3拍)转过90°(一个齿距角)。4.1步进电动机结构与工作原理3.通电方式2）三相六拍按AABBBCCCA的顺序给三相绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制特性。3.通电方式4.1步进电动机结构与工作原理CA'BB'C'A3412CA'BB'C'AA相通电，转子1、3齿与A、A'对齐。A、B相同时通电，A、A'磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子转过15，到达左图所示位置。CA'BB'C'AB相通电，转子2、4齿与B、B´对齐,又转过15。CA'BB'C'AB、C相同时通电，C'、C磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子再转过15。三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：AABBBCCCA，每个循环周期分为六拍。每拍转子转过15（步距角），一个通电循环周期(6拍)转子转过90(齿距角)。与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更小，更适用于需要精确定位的控制系统中。2）三相六拍3.通电方式4.1步进电动机结构与工作原理3）三相双三拍按ABBCCA的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电。3.通电方式4.1步进电动机结构与工作原理AB通电CA'BB'C'ABC通电CA'BB'C'ACA通电CA'BB'C'A与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循环周期也分为三拍。每拍转子转过30(步距角)，一个通电循环周期(3拍)转子转过90(齿距角)。从以上对步进电机三种驱动方式的分析可得步距角计算公式：mkZr360α—步距角Zr—转子齿数m—每个通电循环周期的拍数实用步进电机的步距角多为3和1.5。为了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的。K为状态系数，相邻两次通电的相数目相同时，K取1，相邻两次通电的相数目不同时，K取2.3.通电方式步进电动机的步距角由一个通电状态改变到下一个通电状态时，电动机转子所转过的角度称为步距角。α＝360/ZKm其中：Z－转子齿数m－定子绕组相数K－通电系数K=1,2若二相步进电动机的Z=100，单拍运行时，其步距角8.110023609.010022360若按单、双通电方式运行时，步距角由此可见，步进电动机的转子齿数Z和定子相数（或运行拍数）愈多，则步距角愈小，控制越精确。当定子控制绕组按着一定顺序不断地轮流通电时，步进电动机就持续不断地旋转，所以可进行速度控制。如果电脉冲的频率为f(Hz)，步距角用弧度表示，则步进电动机的转速为：fKmZfKmZfn6060226023.通电方式步进电动机的步距角步进电动机具有自锁能力当控制电脉冲停止输入，而让最后一个脉冲控制的绕组继续通直流电时，电机可以保持在固定的位置上。这样，步进电动机可以实现停车时转子定位。永磁式步进电机工作原理2020/1/2647步进电动机的电枢通断电次数和各相通电顺序决定了输出角位移和运动方向，控制脉冲分配频率可实现步进电动机的速度控制。因此，步进电机控制系统一般采用开环控制方式。开环步进电动机控制系统框图，系统主要由环形分配器、功率驱动器、步进电动机等组成。4.1.2步进电机的驱动方法环形分配器功率驱动器步进电动机负载指令脉冲输出1.脉冲分配器的作用当方向电平为低时，脉冲分配器的输出按A-B-C的顺序循环产生脉冲。fABC当方向电平为高时，脉冲分配器的输出按A-C-B的顺序循环产生脉冲。ABCf2.功率放大器的作用将脉冲分配器的输出信号进行电流放大后给电动机的定子绕组供电，使电动机的转子产生输出转矩。•1）环形分配器•步进电动机在一个脉冲的作用下，转过一个相应的步距角，因此只要控制一定的脉冲数，即可精确控制步进电动机转过的相应的角度。但步进电动机的各绕组必须按一定的顺序通电才能正确工作，这种使电动机绕组的通断电顺序按输入脉冲的控制而循环变化的过程称为环形脉冲分配。•实现环形分配的方法有两种。一种是计算机软件分配，采用查表或计算的方法使计算机的三个输出引脚依次输出满足速度和方向要求的环形分配脉冲信号。这种方法能充分利用计算机软件资源，减少硬件成本，尤其是多相电动机的脉冲分配更能显示出这种分配方法的优点。但由于软件运行会占用计算机的运行时间，因而会使插补运算的总时间增加，从而影响步进电动机的运行速度。4.1.2步进电机的驱动方法2020/1/2650图示为是一个89C51单片机与步进电动机驱动电路接口连接的框图。采用查表法。P1口的三个引脚经过光电隔离、功率放大之后，分别与电动机的A,B,C三相连接。当采用三相六拍方式时，电动机正转的通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A；电动机反转的顺序为A→AC→C→CB→B→BA→A。2020/1/2651它们的环形分配见下表。把表中的数值按顺序存入内存的EPROM中，并分别设定表头的地址为2000H，表尾的地址为2005H。计算机的P1口按从表头开始逐次加1的地址依次取出存储内容进行输出，电动机则正向旋转。如果按从2005H，逐次减1的地址依次取出存储内容进行输出，电动机则反转。三相六拍环形分配表•1）环形分配器•另一种是硬件环形分配，采用数字电路搭建或专用的环形分配器件将连续的脉冲信号经电路处理后输出环形脉冲。采用数字电路搭建的环形分配器通常由分立元件（如触发器、逻辑门等）构成，特点是体积大，成本高，可靠性差。专用的环形分配器目前市面上有很多种，如CMOS电路CH250即为三相步进电动机的专用环形分配器，它的引脚功能及三相六拍线路图如图所示。UDJ3LJ3rWVUR*RJ6rJ6LUsCPEN16151413121110912345678(a)环形分配器CH250引脚图(a)引脚功能；环形分配器CH250引脚图(b)三相六拍线路图方向CP100k1F217910166＋12V111213R*RCPJ6LJ6rJ3rJ3LUs14158WVUENUD(b)环行分配器的工作原理硬件环行分配器的基本构成是触发器。因为步进电机有几相就需要几个序列脉冲，所以步进电机有几相，就要设置几个触发器。每个触发器发出的脉冲就是一个序列脉冲，用来控制步进电机某相定子绕组的通、断电。触发器工作的同步信号就是来自插补器的某个坐标轴的位移驱动信号Δx或Δy。CPQADAQASRCPQBRSDBQBCPQCRSDCQC复位△X△A△B△C26811111111111145379△C△B△A△三相单三拍工作方式：A→B→C→A当QA有输出ΔA，就使步进电机的A相通电，当QB有输出ΔB，就使步进电机的B相通电，当QC有输出ΔC，就使步进电机的C相通电。输出波形如下环行分配器的工作原理硬件环形分配器目前有专门的芯片，一片芯片就可完成环分功能。硬件环分真值表2020/1/26582）功率驱动要使步进电动机能输出足够的转矩以驱动负载工作，必须为步进电动机提供足够功率的控制信号，实现这一功能的电路称为步进电动机驱动电路。驱动电路实际上是一个功率开关电路，其功能是将环形分配器的输出信号进行功率放大，得到步进电动机控制绕组所需要的脉冲电流及所需要的脉冲波形。步进电动机的工作特性在很大程度上取决于功率驱动器的性能，对每一相绕组来说，理想的功率驱动器应使通过绕组的电流脉冲尽量接近矩形波。但由于步进电动机绕组有很大的电感，要做到这一点是有困难的。4.1.2步进电机的驱动方法•2）功率驱动•常见的步进电动机驱动电路有三种：•（1）单电源驱动电路。这种电路采用单一电源供电，结构简单，成本低，但电流波形差，效率低，输出力矩小，主