步进电机.docx

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步进电机

混合式步进电动机

班级：

2010级机电2班

学号：

201016010244

姓名：

郑泽

混合式步进电动机

概述

步进电动机（steppingmotor）是将电脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移的一种特殊电机。

每输入一个电脉冲信号，电机就转动一个角度，它的运动形式是步进式的。

所以称为步进电动机。

又由于它输入的是脉冲电流所以也叫脉冲电动机。

步进电动机在不需要变换的情况下，能直接将数字脉冲信号转换成角位移或线位移，因此它很适合作为数字控制系统的伺服元件。

此外它还具有一系列的优点：

一是输出角位移量或线位移量与其输入的脉冲数成正比，而转速或线速度与脉冲的频率成正比，在负载能力范围内，这些关系不受电压的大小、负载的大小、环境条件等外界各种因素的干扰。

二是它每转一周都有固定的步数，所以步进电动机在不失步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。

三是控制性能好，它可以在开环系统中在很宽的范围内通过改变脉冲的频率来调节电机的转速，并且能够快速启动制动和反转。

四是有些型式的步进电动机在停止供电的状态下还有定位转矩,有些型式在停机后某些相绕组仍保持通电状态.具有自锁能力,不需要机械制动装置等。

当采用速度和位置检测装置后，它可构成闭环控制系统。

步进电动机的主要缺点是效率较低，并且需要专用电源供给电脉冲信号，带负载惯量的能力不强，在运行中会出现共振和振荡问题。

混合式步进电动机也称为感应子式步进电动机，这是一种十分流行的步进电动机。

它既有反应式步进电动机小步距角的特点，又有永磁式步进电动机的高效率，绕组电感比较小的特点。

常常也作为低速同步电动机运行。

一、两相混合式步进电动机的结构

图4-26为两相混合式步进电动机的轴向剖视图。

定子的结构与反应式步进电动机基本相同，沿着圆周有若干个凸出的磁极，极面上有小齿，极身上有控制绕组。

控制绕组的接线如图4-27。

所示转子由环形磁钢和两段铁芯组成，环形磁钢在转子中部，轴向充磁两段铁芯分别装在磁钢的两端。

转子铁芯上也有小齿，两段铁芯上的小齿相互错开半个齿距。

定转子的齿距和齿宽相同，齿数的配合与单段反应式步进电动机相同。

图4-26磁路混合式步进电动机轴向剖视图

图4-28为转子段横截面图。

定子上均匀分布有8个磁极，每个磁极下有5个小齿。

转子上均匀分布着50个齿。

当磁极1下是齿对齿时，磁极5下也是齿对齿，气隙磁阻最小；磁极3和7下是齿对槽，磁阻最大，如图4-28（a）所示。

此时磁极1´和5´正好是齿对槽，磁极3´和7´是齿对齿如图4-28（b）所示。

二、两相混合式步进电动机的工作原理

混合式步进电动机作用在气隙上的磁动势有两个，一个是由永久磁钢产生的磁动势，另一个是由控制绕组产生的磁动势。

这两个磁动势有时是相加的，有时是相减的，视控制绕组中电流方向而定。

这种步进电动机的特点是混入了永久磁钢的磁动势，故称为混合式步进电动机。

1、零电流时工作状态

各相控制绕组中没有电流通过这，时气隙中的磁动势仅由永久磁钢的磁动势决定。

如果电机的结构完全对称，各个定子磁极下的气隙磁动势将完全相等，电动机无电磁转矩。

因为永磁磁路是轴向的，从转子B端到定子的B端，轴向到定子的A端、转子的A端、经磁钢闭合。

在这个磁路上，总的磁导与转子位置无关。

这一方面由于转子不论处于什么位置，每一端的不同极下，磁导有的大有的小，但总和不变；另一方面由于两段转子的齿错开了半个齿距，所以即使在一个极的范围内看，当B端磁导增大时，A端必然减小，也使总磁导在转子位置不同时保持不变。

图4-28磁极转子段的横截面图

（a）S极转子段截面图（b）N极转子段截面图

2、绕组通电时工作状态

当控制绕组有电流通过时，便产生磁动势。

它与永久磁钢产生的磁动势相互作用，产生电磁转矩使，转子产生步进运动。

当A相绕组通电时，转子的稳定平衡位置如图4-29（a）所示。

若使转子偏离这一位置，如转子向右偏离了一个角度，则定转子齿的相对位置及作用转矩的方向如图4-29（b）所示。

可以看出，在不同端不同极的作用转矩都是同方向的，都是使转子回到稳定平衡位置的方向。

可见，两相混合式步进电动机的稳定平衡位置是：

定转子异极性的极面下磁导最大，而同极性的极面下磁导最小的位置。

（a）

（b）

图4-29稳定平衡位置及偏离时的作用转矩方向

与A相相邻的B相磁极下，定转子齿的相对位置错开1/m齿距，所以当由A相通电改变为B

相通电时，转子的稳定平衡位置将移动1/m齿距，即步距角为

（4-21）

用电弧度表则为

（4-22）

三、通电方式

1、单四拍通电方式

每拍只有一相绕组通电四，拍构成一个循环，两相控制绕组按A—B—（-A）—（-B）—A的次序轮流通电。

每拍转子转动1/4转子齿距，每转的步数4Zr。

若转子齿数为50，每转为200步。

2、双四拍通电方式

每拍有两相绕组同时通电，两相控制绕组按AB—B（-A）—（-A）（-B）—（-B）A—AB的次序轮流通电。

若转子齿数也为50，则每转也是200步，和单四拍相同，但二者的空间定位不重合。

3、单双八拍通电方式

前面两种通电方式的循环拍数都等于四，称为满步通电方式。

若通电循环拍数为八，称为半步通电方式，即按A—AB—B—B（-A）—（-A）—（-A）（-B）—（-B）—（-B）AA的次序轮流通电，每拍转子转动1/8转子齿距。

若Zr=50，则每转为400步。

4、细分通电方式

若调整两相绕组中电流分配的比例和方向，使相应的合成转矩在空间处于任意位置上，则循环拍数可为任意值，称为细分通电方式。

实质上就是把步距角减小，如前面八拍通电方式已经将单四拍或双四拍细分了一半。

采用细分通电方式可使步进电动机的运行更平稳，定位分辨率更加提高，负载能力也有所增加，并且步进电动机可作低速同步运行。

除了两相混合式步进电动机之外还，有伯格五相混合式步进电动机。

它们的结构原理基本相同，不同的只是相数增多，使定子磁极数由8个增加为10个，每个极面下的小齿由5个减少为4个。

四、驱动电源

步进电动机需要由专门的驱动电源供电，驱动电源和步进电动机是一个有机的整体，步进电动机的运行性能是电动机及其驱动电源二者配合所反映的综合效果。

无论那一种电源它应满足以下基本要求

（1）驱动电源的相数、通电方式和电压、电流都要与所驱动的步进电动机相匹配；

（2）要满足步进电动机起动频率和连续运行频率的要求；

（3）能最大限度地抑制步进电动机的振荡；

（4）工作可靠，抗干扰能力强；

（5）成本低效率高安装维护方。

1、驱动电源的组成

步进电动机的驱动电源由变频信号源脉冲、分配器和脉冲放大器三部分组成，如图4-30所示。

变频信号源是一个脉冲信号发生器，脉冲的频率可以由几赫兹到几十千赫兹连续变化。

实现这一功能的电子线路很多，最常见的有多谐振荡器和单结晶体管构成的张弛振荡器两种。

图4-30驱动电源方框图

2、步进电动机的典型驱动方式

（一）单极性驱动

1、单电压驱动方式

图4-32所示为一相控制绕组驱动电路的原理图。

当有控制脉冲信号输入时，功率管V导通，控制绕组中有电流流过；否则，功率管V关断，控制绕组中没有电流流过。

为了减小控制绕组电路的时间常数，提高步进电动机的动态转矩，改善运行性能，在控制绕组中串联电阻Rƒ1同时也起限流作用。

电阻两端并联电容C的作用是改善注入步进电机控制绕组中电流脉冲的前沿。

在功率管V导通的瞬间，由于电容上的电压不能跃变，电容C相当于将电阻R短接，使控制绕组中的电流迅速上升，这样就使得电流波形的前沿明显变陡。

但是，如果电容C选择不当，在低频段会使振荡有所增加，引起低频性能变差。

由于功率管V由导通突然变为关断状态时，在控制绕组中会产生很高的电动势，其极性与电源的极性一致，二者叠加在一起作用到功率管V的集电极上，很容易使功率管击穿。

为此，并联一个二极管D及其串联电阻Rƒ2形成放电回路，限制功率管V集电极上的电压，保护功率管V。

单电压驱动方式的最大特点是线路简单、功率元件少、成本低。

但它的缺点是由于电阻Rƒ1要消耗能量，使得工作效率低。

所以这种驱动方式只适用小功率步进电动机的驱动。

图4-32单电压驱动电路原理图图4-33高低电压驱动电路原理图

2、高低电压驱动方式（双电压驱动方式）

高低压驱动电路原理如图4-33所示。

当输入控制脉冲信号时，功率管V1、V2导通，低压电源由于二极管1D承受反向电压处于截止状态不起作用，高压电源加在控制绕组上，控制绕组中的电流迅速上升，使电流波形的前沿很陡。

当电流上升到额定值或稍比额定值高时，利用定时电路或电流检测电路，使功率管V1关断，V2仍然导通，二极管D1也由截止变为导通，控制绕组由低压电源供电，维持其额定稳态电流。

当输入信号为零时，功率管V2截止，控制绕组中的电流通过二极管D2的续流作用向高压电源放电，绕组中的电流迅速减小。

电阻Rƒ1的阻值很小，目的是为了调节控制绕组中的电流，使各相电流平衡。

这种驱动方式的特点是电源功耗比较小，效率比较高。

由于电流的波形得到了很大的改善，所以电机的矩频特性好，启动和运行频率得到了很大的提高，它的主要缺点是在低频运行时输入能量过大，造成电机低频振荡加重；同时也增大了电源的容量，由于电源电压的提高也提高，了对功率管性能参数的要求。

这种驱动方式常用于大功率步进电动机的驱动。

3、定电流斩波驱动方式

步进电动机在运行过程中，经常会出现控制绕组中电流波顶下凹的现象，如图4-34所示。

这主要是由于电机在转动时，磁导的变化在绕组中产生感应电动势以及相间的互感等原因而造成的。

这一现象会引起电机转矩下降，动态性能变差，甚至使电机失步。

为了消除这一现象，通常采用定电流斩波驱动方式。

它是在高低压驱动电路的基础上，根据控制绕组中电流的变化情况，反复地接通和断开高压电源，使绕组中的电流始终维持在要求的范围内，如图4-35所示。

图4-34电流波顶下凹现象图4-35定电流斩波驱动控制绕组的电流波形

图4-36是定电流斩波驱动电路原理图。

当有控制脉冲信号输入时，功率管V1、V2导通，控制绕组中的电流在高压电源作用下迅速上升。

当上升到电流I1时，电流检测信号使功率管V1关断，高压电源被切除，低压电源对绕组供电。

倘若由于某种原因使电流下降到I2时，电流检测装置再次发出信号，使V1导通电流再次上升。

这样如此反复进行，就可使电流维持在要求值的附近。

这种驱动方式不仅具有高低压驱动方式的优点，而且由于电流的波形得到了补偿，使电机的运行性能得到显著提高。

它的缺点是线路相对较复杂，而且要求功率管的开关速度高。

另外，对于小功率的步进电动机，也可以把功率管V2去掉，成为单电压定电流斩波驱动电路。

图4-36定电流斩波驱动电路原理图

4、调频调压驱动方式

从本质上来说，步进电动机控制绕组中的电流对运行性能起着决定性的作用。

一般希望在低速时绕组电流上升缓慢一些，使转子向新的稳定平衡位置移动时不要严重的过冲，避免产生明显的振荡，而在高速运行时希望电流波形的前沿较陡，以建立足够的绕组电流，提高带负载能力。

然而前几种驱动电路都不能很好满足这一要求。

因此，可采用调频调压驱动方式。

调频调压驱动方式的电路原理如图4-37所示。

电压调整器用脉冲调宽（PWM）实现调压，输出电压随脉冲频率的上升而上升；积分器对脉冲进行积分，其输出电压与锯齿波发生器产生的锯齿波在比较器中进行比较，产生脉宽随频率变化的控制脉冲信号，用该信号控制电压调整器，即可控制U2的大小，达到随输入控制脉冲频率的变化自动调整控制绕组电源电压的目的，从而调节控制绕组中的电流。

即输入控制脉冲频率低，绕组所加电压低电流上升较缓，输入控制脉冲频率高，绕组所加电压高，电流上升较快，电流波形如图4-38（a）、（b）所示。

图4-37调频调压驱动电路原理图

这种驱动方式不仅线路比较复杂，而且在实际运行时针对不同参数的电机，还要相应调整电压U2与输入控制脉冲频率的特性。

5、细分驱动方式

一般步进电动机受制造工艺的限制，它的步距角是有限的。

而实际中的某些系统往往要求步进电动机的步距角必须很小，才能完成加工工艺要求。

如数控机床为了提高加工精度，要求脉冲当量为0.01mm/脉冲左右，甚至要求达到0.001mm/脉冲左右。

这时一般的驱动方式是无能为力的。

为此，常采用细分驱动方式所。

谓细分驱动方式，就是把原来的一步再细分成若干步，使步进电动机的转动近似为匀速运动，并能在任何位置停步。

为达到这一目的，可将原来的矩形脉冲电流改为阶梯波电流，如图4-39所示。

这样在输入电流的每个阶梯，电机转动一步，步距角减小了很多，从而提高了运行的平滑性，改善了低频特性，负载能力也有所增加。

图4-38调频调压电流波形

（a）低频低压（b）高频高压

图4-39阶梯电流波形

实现阶梯波形电流通常有两种方法：

第一种是通过顺序脉冲形成器所形成的各个等幅等宽的脉冲，用几个完全相同的开关放大器分别进行功率放大，最后在电机的绕组中将这些脉冲电流进行叠加，形成阶梯波电流，如图4-40（a）所示这种方法是功放元件成倍增加，但元件的容量成倍降低，且结构简单，容易调整，它适用于中、大功率步进电动机的驱动。

第二种是把顺序脉冲形成器所形成的等幅等宽的脉冲，先合成阶梯波，然后对阶梯波进行放大去驱动步进电动机，如图4-40（b）所示。

这种方法是功率元件少，但元件的容量较大，它适用于微小功率步进电动机的驱动。

（a）（b）

图4-40阶梯波形电流合成的原理图

（a）先放大后合成（b）先合成后放大

（二）双极性驱动

以上介绍的各种驱动电路只能使控制绕组中的电流向一个方向流动,适用于反应式步进电动机,而对于永磁式或混合式步进电动机,工作时要求定子磁极的极性交变,通常要求其绕组由双极性驱动,电路驱动即绕组电流能正、反方向流动。

这样可以提高绕组利用率，增大低速时的转矩。

如果系统能提供合适的正负功率电源，则双极性驱动电路将相当简单，如图4-41（a）所示。

若V1导通能提供正向电流，则V2导通就能提供反向电流。

然而大多数系统只有单极性的功率电源，这时就要采用全桥式驱动电路，如图4-41（b）所示。

若V2和V3导通提供正向电流，则V1V4导通提供反向电流。

图4-41双极性驱动电源原理图

由于双极性驱动电路较为复杂，过去仅用于大功率步进电动机。

但近年来出现了集成化的双极性驱动芯片，使它能方便地应用于对效率和体积要求较高的产品中。

五、步进电动机的控制与应用

（一）步进电动机的控制

由于步进电动机能直接接收数字量信号，所以被广泛应用于数字控制系统中。

较简单的控制电路是利用一些数字逻辑单元组成，即采用硬件的方式。

但要改变系统的控制功能，一般都要重新设计硬件电路，灵活性较差。

以微型计算机为核心的计算机控制系统为步进电动机的控制开辟了新的途径，利用计算机的软件或软、硬件相结合的方法，能使系统的功能大大增强，同时也提高了系统的灵活性和可靠性。

以步进电动机作为执行元件的数字控制系统有开环和闭环两种形式

1、开环控制

步进电动机系统的主要特点是能实现精确位移、精确定位，且无积累误差。

这是因为步进电动机的运动受输入脉冲控制，其位移量是断续的，总的位移量严格等于输入的指令脉冲数或其平均转速严格正比于输入指令脉冲的频率；若能准确控制输入指令脉冲的数量或频率，就能够完成精确的位置或速度控制，无需系统的反馈，形成所谓的开环控制系统。

步进电机的开环控制系统，由控制器（包括变频信号源）脉冲分配器、驱动电路及步进电动机四部分组成，如图4-45所示。

开环控制系统的精度，主要取决于步距角的精度和负载状况。

图4-45步进电动机开环控制原理框图

开环控制常常采用加减定位控制方式。

因为步进电动机的启动频率要比连续运行频率小，所以开环控制的脉冲指令频率，只有小于电机的最大启动频率，电机才能成功启动。

若电动机的工作频率总是低于最高启动频率，当然不会失步，但没有充分发挥电机的潜力，工作速度太低。

为此常用加减速定位控制。

电机开始以低于最高启动频率的某一频率启动，然后再逐步提高频率，使电机逐步加速，到达最高运行频率，电机高速转动。

在到达终点前，降频使电机减速。

这样就可以既快又稳地准确定位，如图4-46。

所示由于步进电动机的电磁转矩受频率影响较大，所以负载的加减速控制不能像普通电机那样。

为了实现加减速的最佳控制，往往是分段设计加速转矩和加速时间，采用微机控制来实现。

由于开环控制系统不需要反馈元件，结构比较简单、工作可靠、成本低。

因而在数字控制系统中得到广泛的应用。

图4-46加减速定位过程

2、闭环控制系统

在开环控制系统中，电机响应控制指令后的实际运行情况，控制系统是无法预测和监视的。

在某些运行速度范围宽、负载大小变化频繁的场合，步进电动机很容易失步，使整个系统趋于失控。

另外，对于高精度的控制系统，采用开环控制往往满足不了精度的要求。

因此必须在控制回路中增加反馈环节，构成闭环控制系统，如图4-47所示。

与开环系统相比多了一个由位置传感器组成的反馈环节。

将位置传感器测出的负载实际位置与位置指令值相比较，用比较信号进行控制，不仅可防止失步，还能够消除位置误差，提高系统的精度。

闭环控制系统的精度与步进电动机有关，但主要是取决于位置传感器的精度。

在数字位置随动系统中，为了提高系统的工作速度和稳定性，还有速度反馈内环。

图4-47步进电动机闭环系统原理框图

二、步进电动机的应用

步进电动机的应用十分广泛，如机械加工、绘图机、机器人、计算机的外部设备、自动记录仪表等等。

它主要用于工作难度大、要求的速度快、精度高等场合。

尤其是电力电子技术和微电子技术的发展为步进电动机的应用开辟了广阔的前景。

六、小结

步进电动机是将控制脉冲信号变换为角位移或直线位移的一种微特电机反应式步进电动机。

的工作原理是建立在磁力线力图通过磁阻最小的路径，产生磁阻转矩来驱动转子转动。

输出的角位移或线位移量与脉冲数成正比，转速与脉冲的频率成正比，转向取决于控制绕组中的通电顺序。

它能按照控制脉冲的要求，快速启动、反转。

制动和无级调速。

正常工作时能够不失步，步距精度高，每步停止转动时具有自锁能力。

因此，被广泛应用于数字控制系统中作执行元件用。