步进电机.docx

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步进电机

5.5步进电动机

1.步进电动机的结构与工作原理

步进电动机按其工作原理主要可分为磁电式和反应式两大类，这里只介绍常用的反应式步进电动机的工作原理。

三相反应式步进电动机的工作原理如图1所示，其中步进电动机的定子上有6个齿，其上分别缠有U、V、W三相绕组，构成三对磁极；转子上则均匀分布着4个齿。

步进电动机采用直流电源供电。

当U、V、W三相绕组轮流通电时，通过电磁力的吸引，步进电动机转子一步一步地旋转。

图1步进电动机运动原理图

假设U相绕组首先通电，则转子上、下两齿被磁场吸住，转子就停留在U相通电的位置上。

然后U相断电，V相通电，则磁极U的磁场消失，磁极V产生了磁场，磁极V的磁场把离它最近的另外两齿吸引过去，停止在V相通电的位置上，这时转子逆时针转了30°。

随后V相断电，W相通电，根据同样的道理，转子又逆时针转了30°，停止在W相通电的位置上。

若再U相通电，W相断电，那么转子再逆转30°。

定子各相轮流通电一次，转子转一个齿。

步进电动机绕组按U→V→W→U→V→W→U…依次轮流通电，步进电动机转子就一步步地按逆时针方向旋转。

反之，如果步进电动机按倒序依次使绕组通电，即U→W→V→U→W→V→U…则步进电动机将按顺时针方向旋转。

步进电动机绕组每次通断电使转子转过的角度称之为步距角。

上述分析中的步进电动机步距角为30°。

对于一个真实的步进电动机，为了减少每通电一次的转角，在转子和定子上开有很多定分的小齿。

其中定子的三相绕组铁心间有一定角度的齿差，当U相定子小齿与转子小齿对正时，V相和W相定子上的齿则处于错开状态，如图2所示。

真实步进电动机的工作原理与上同，只是步距角是小齿距夹角的1/3。

图2三相反应式步进电动机

2.步进电动机的通电方式

如果步进电动机绕组的每一次通断电操作称为一拍，每拍中只有一相绕组通电，其余绕组断电，则这种通电方式称为单相通电方式。

三相步进电动机的单相通电方式称为三相单三拍通电方式。

如果步进电动机通电循环的每拍中都有两相绕组通电，则这种通电方式称为双相通电方式。

三相步进电动机采用双相通电方式时，称为三相双三拍通电方式。

如果步进电动机通电循环的各拍中交替出现单、双相通电状态，则这种通电方式称为单双相轮流通电方式。

三相步进电动机采用单双相轮流通电方式时，每个通电循环中共有六拍，因而又称为三相六拍通电方式。

一般情况下，m相步进电动机可采用单相通电、双相通电或单双相轮流通电方式工作，对应的通电方式分别称为m相单m拍、m相双m拍或m相2m拍通电方式。

由于采用单相通电方式工作时，步进电动机的矩频特性（输出转矩与输入脉冲频率的关系）较差，在通电换相过程中，转子状态不稳定，容易失步，因而实际应用中较少采用。

图3是某三相反应式步进电动机在不同通电方式下工作时的矩频特性曲线。

显然，采用单双相轮流通电方式可使步进电动机在各种工作频率下都具有较大的负载能力。

图3不同通电方式时的矩频特性

通电方式不仅影响步进电动机的矩频特性，对步距角也有影响。

一个m相步进电动机，如其转子上有z个小齿，则其步距角可通过下式计算：

式中，k是通电方式系数。

当采用单相或双相通电方式时，k＝1；当采用单双相轮流通电方式时，k＝2。

可见，采用单双相轮流通电方式还可使步距角减小一半。

步进电机的步距角决定了系统的最小位移，步距角越小，位移的控制精度越高。

3.步进电动机的使用特性

（1）步距误差

（2）最大静转矩

（3）启动矩频特性

当伺服系统要求步进电动机的运行频率高于最大允许启动率时，可先按较低的频率启动，然后按一定规律逐渐加速到运行频率。

图4给出了90BF002型步进电动机的启动矩频特性曲线。

由图可见，负载转矩越大，所允许的最大启动频率越小。

图4启动矩频特性

（4）运行矩频特性

图5是90BF002型步进电动机的运行矩频特性曲线。

（5）最大相电压和最大相电流

图5运行矩频特性

4.步进电动机的控制与驱动

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。

图6为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。

图6开环步进电动机控制系统框图

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。

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7所示。

图7环形分配器CH250引脚图

（a）引脚功能；（b）三相六拍线路图

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，主要用于对速度要求不高的小型步进电动机的驱动。

图8所示为步进电动机的一相绕组驱动电路（每相绕组的电路相同）。

图8单源驱动电路

（2）双电源驱动电路

双电源驱动电路又称高、低压驱动电路，采用高压和低压两个电源供电，如图9所示。

图9高、低压驱动电路

（3）斩波限流驱动电路

这种电路采用单一高压电源供电，以加快电流上升速度，并通过对绕组电流的检测，控制功放管的开和关，使电流在控制脉冲持续期间始终保持在规定值上下，其波形如图10所示。

这种电路功率大，功耗小，效率高，目前应用最广。

图11所示为一种斩波限流驱动电路原理图。

图10斩波限流驱动电路波形图

图11斩波限流驱动电路