第3章32现代机电产品设.docx

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第3章32现代机电产品设

第3章电动机及其驱动控制

§3-5步进电动机

一、步进电动机工作原理

步进电动机——将电脉冲信号转换成直线/角位移的执行元件（转换器）

对电动机施加一个电脉冲，转轴转过一个角度，称为一步。

脉冲数增加，直线/角位移增加；脉冲频率高，电动机旋转速度高；分配脉冲的相序改变，电动机逆转

步进电动机与均匀旋转的电动机差别：

步进形式运动；电源——脉冲电压

步进电动机分类：

1）按工作原理分

可变磁阻式（反应式）、永磁式、混合式

①可变磁阻式（VR-VariableReluctance，反应式）

转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使转子转动——国产步进电动机主要类型

定子、转子无永久磁铁，无励磁时没有保持力

②永磁式（PM-PermanentMagnet）

定子/转子永久磁钢/铁，另一方软磁材料制成

绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁钢/铁的恒定磁场相互作用产生转矩

绕组断电，由于采用永久磁铁，保持一定转矩——具有记忆能力，用作定位驱动

③混合式（HB-Hybrid，永磁反应式）

从定子和转子的导磁体看，如可变磁阻式。

区别：

转子上有磁钢//反应式转子无磁钢，输入能量全靠定子励磁电流供给；

转子上嵌永久磁铁，如永磁式——结构不同

2）输出转矩大小分类

快速步进电动机——输出转矩小（0.07～4Nm），控制小型精密机床工作台

功率步进电动机——输出转矩大（5～40Nm），直接驱动机床移动部件

3）按励磁相数

三相、四相……m相

相数多，步距角小，结构复杂

1．结构

结构：

定子、转子

定子由硅钢片叠成，装上一定相数的控制绕组，由环形分配器送来的电脉冲对多相定子绕组轮流进行励磁

转子用硅钢片叠成或软磁性材料做成凸级结构

步进电动机结构形式很多，工作原理大同小异。

以反应式三相步进电动机说明工作原理

2．工作原理

1）基本工作原理

步进电动机工作原理，就是电磁铁工作原理

图反应式三相步进电动机

定子上三对磁极A,B,C，磁极上有绕组——A相、B相、C相；转子是带槽铁心——三相步进电动机

环形分配器送来脉冲信号，对定子绕组轮流通电。

设先对A相绕组通电，B相和C相不通电。

由于磁通力图沿磁阻最小路径通过，转子齿1、3的轴线与定子A极轴线对齐（在电磁吸力作用下，转子齿1、3吸引到A极下）。

转子只受径向力，无切向力——转矩为零；B、C两相的定子齿和转子齿在不同方向各错开300。

A相断电，B相绕组通电，转子齿就和B相定子齿对齐，转子顺时针旋转300。

B相断电，C相绕组通电，转子齿就和C相定子齿对齐，转子又顺时针旋转300。

当通电顺序为A—B—C—A时，转子按顺时针方向一步步转动

每换接一次，转子前进一步。

一步对应的角度——步距角

电流换接3次，磁场旋转一周，转子前进一个齿距的位置。

一个齿距对应的角度——齿距角[此例，转子4个齿，齿距角为900]

改变通电顺序，改变旋转方向。

通电顺序A—C—B—A，转子逆时针转动。

2）通电方式

步进电动机转速取决于：

控制绕组通电频率，绕组通电方式

通电方式：

①单相轮流通电方式

“单”——每次切换前后只有一相绕组通电

对定子为p相，转子有z齿的步进电动机，一转需步数pz步

通电分配方式——p相单p状态，A—B—C—A

②双相轮流通电方式

“双”——每次有两相绕组通电

两相通电，转矩大些，定位精度提高而不易失步

每转需步数pz步

通电分配方式——p相双p状态，AB—BC—CA—AB

③单双相轮流通电方式

单、双相通电方式组合应用

每转需步数2pz步

通电分配方式——p相2p状态，A—AB—B—BC—C—CA—A

步进电动机以一种通电状态转换到另一种通电状态——一拍

按A—B—C—A方式通电，定子绕组为三相，每一次只有一相绕组通电，每一循环只有三次通电——三相单三拍通电

AB—BC—CA—AB——三相双三拍通电

A—AB—B—BC—C—CA—A——三相六拍通电

当A、B两相同时通电，转子稳定位置在A、B两定子磁极对称的中心位置

一拍，转子转过一个步距角

三相单三拍、三相双三拍步距角为300，三相六拍步距角为150

3．小步距角步进电动机

定子内圆、转子外圆有齿和槽，定子、转子的齿宽、齿距相等

定子三对磁极，分别绕三相绕组

定子上齿与转子上齿位置规律：

当A相的定子齿与转子齿对齐时，B相的定子齿相对于转子齿顺时针方向错开1/3齿距，C相的定子齿相对于转子齿顺时针方向错开2/3齿距

当某一相的定子齿与转子齿对齐时，下一相磁极下定子齿与转子齿错开τ/p齿距（τ齿距，p相数），再下一相磁极下定子齿与转子齿错开2τ/p齿距

定子绕组按A—B—C—A方式通电，转子顺时针转动，各相绕组轮流通电一次，转子转过一个齿距

设转子齿数为z，齿距角τ

τ=3600/z

每通电一次（运行一拍），转子走一步，步距角α

α=齿距/拍数（步数）=3600/（z×拍数）=3600/zkp

k——状态系数，等于导电拍数m和相数p比值

k=m/p

三相三拍通电方式，k=1；三相六拍通电方式，k=2

步进电动机z=40，三相单三拍/三相双三拍，步距角

α=3600/zkm=3600/3×40=30

三相六拍运行，步距角

α=3600/2×3×40=1.50

步进电动机转子齿数z、定子相数p多，步进电动机运行拍数（步数）多，步距角小，控制精确

定子控制绕组按一定顺序轮流通电，步进电动机不停旋转

电脉冲频率f（通电频率）Hz，步距角（0），步进电动机转速（r/min）

n=60f/kpz

二、步进电动机主要特性

1、主要性能指标

1）步距角α——分辨力

在一个电脉冲作用下（即一拍），电机转子转过的角位移，α越小，分辨力越高。

最常用的有0.60/1.20、0.750/l.50、0.90/l.80、10/20、I.50/30等

2）矩—角特性

空载状态下，给步进电动机某相通直流电，转子齿的中心线与定子齿的中心线重合，转子上没有转矩输出——转子初始稳定平衡位置

转子轴上加负载转矩，转子齿的中心线与定子齿的中心线错开一角度β，才能重新稳定。

此时，转子上的电磁转矩Mj与负载转矩M相等

Mj——静态转矩，β——失调角。

β=±900时，最大静转矩Mjmax

Mj—β大致为正弦曲线——矩—角特性曲线

静态转矩大，自锁力矩大，静态误差小

（1）静态稳定区

当失调角β在-

到

范围内，去掉负载转矩M，转子仍能回到初始稳定平衡位置

-π<β<π——步进电动机的静态稳定区

（2）最大静态转矩——额定电流时的最大静态矩转Mjmax

理论分析

最大静态转矩与控制电流的平方成正比，其它为电机的结构参数

一般负载力矩

（3）起动转矩Mq

——A相与B相矩—角特性曲线交点对应的转矩

表示步进电动机单相励磁时所能带动的极限负载转矩

起动转矩与步进电动机相数、通电方式有关

动态特性影响系统的快速响应、工作可靠性

在某一通电方式下，各相的矩—角特性总和矩—角特性曲线族。

每一曲线依次错开角度β=2π/m（m运行拍数）

三相三拍，β=2π/3；三相六拍，β=π/3

动态稳定区：

步进电动机通电A相→B相（或AB相），不致引起丢步的区域

每一条曲线依次错开一角度，在拍数越多的运行方式下，动态稳定区越接近静态稳定区

（4）空载起动频率fq与惯—频特性

空载状态下，转子从静止状态能够不失步地起动时的最大控制频率——空载起动频率（空载突跳频率）

步进电动机带动惯性负载时的起动频率与负载转动惯量间的关系——惯—频特性

在不同负载下，电动机允许的最高连续运行频率不同。

技术说明书指明：

空载最高连续运行频率与矩—频特性曲线、空载起动频率与惯—频特性曲线

（5）最高连续运行频率与矩—频特性

——步进电动机额定载荷下，连续升速，不失步的最高频率，fmax。

代表电机的最高工作速度，一般fmax为fq的十几倍

——电动机在连续运行状态下，电磁转矩随控制频率升高而下降。

转矩与控制频率之间的变化关系——矩—频特性

不同控制频率下电动机所产生的转矩——动态转矩

（6）精度与运行误差

精度包括步距误差和累积误差

步距误差——空载运行一步的理论步距角与实际步距角之差，用分表示，主要由齿形加工精度、各相电流不平衡等因素造成。

一般为十分左右

累积误差——一转范围内累积误差的最大值。

步进电动机的误差在一转后不累积，精度测定只在一转内进行

运行误差用负载运行时的定位误差和动态误差表示

定位误差（静误差）：

电动机负载运行时的定位位置与空载运行时的定位位置之差

动态误差：

发生于频率突跳、负载突变、低频振荡

2．步进电动机选用

1）步进电动机型号标注

反应式步进电动机

（电动机外径mm）×××BF×××（励磁绕组相数或代号）

永磁式

×××BY×××（电动机外径mm，励磁绕组相数或代号）

混合式

×××BYG×××（动机外径mm，永磁感应式，励磁绕组相数或代号）

2）选用

要求：

步进电机严格跟随指令脉冲，不发生失频、振荡；能快速启动，停止，正反转和高效运转；满足各项性能指标且具有良好的动态特性

1）步进电机输出转矩大于负载转矩，电机矩频特性有一定余量

2）机械系统的负载惯量和产品所要求的启动频率与步进电机相匹配，有一定余量，最高工作频率满足产品快速移动要求

3）步进电机步矩角和机械系统相匹配，以得到所需脉冲当量

三、步进电动机驱动与控制

步进电机控制系统——主要由变频信号源和驱动电源（脉冲分配器、功率放大器）组成

变频信号源——由微机或数控装置（逻辑控制电路）等构成

作用：

按控制要求产生脉冲信号及方向信号

要求：

提供从几Hz到几万Hz的频率信号连续可调的脉冲信号

在实际控制中，只要控制输入电脉冲的数量和频率就可精确控制步进电机的转角和速度，变频信号源称为可调脉冲信号发生器

类型：

微机控制——优点是控制过程由软件实现，可根据不同要求进行调整

数控装置——按控制过程的要求，由各种逻辑控制电路组成，一般用于专用设备的过程控制，其控制方案不宜改变

驱动电源——由脉冲分配器、功率放大器组成

作用：

将变频信号源送来的脉冲信号及方向信号，按要求的配电方式自动地循环供给电机各相绕组，以驱动电机转子正反向旋转

步进电机的运行特性与配套使用的驱动电源有密切关系

1、环形脉冲分配器

基本作用：

将输入脉冲信号，按电机的运行控制要求（即各相绕组的通电顺序），分配成电机各相绕组的驱动控制信号

环形分配方法

a、计算机软件分配

利用计算机软件通过查表或计算方法来进行脉冲信号环形分配的方法——软环分

原理：

将电机各相绕组的通电状态，用数据代码表示并列成表格

三相六拍控制分配状态表

计算机在软件控制下顺次读取表中数据，通过输出接口进行输出

通过正向顺序读取和反向顺序读取可控制电机进行正反转

通过控制读取一次的时间间隔即可控制电机的转速

特点：

充分利用计算机软件资源，以降低硬件成本。

尤其是对多相电机的脉冲分配具有更大的优点。

但由于软环分占用计算机的运行时间，故会使插补一次的时间增加，影响步进电机的运行速度

b、集成电路搭接

利用双稳态触发器小规模集成电路进行搭接

优点：

灵活性大，可搭接任意相、任意通电顺序的环形分配器，同时在工作时不占用计算机的工作时间。

c、专用环形分配器（可编程逻辑器件）

GAL16V8三相六拍环形分配器

市场上出售的环形分配器器件的种类很多，功能齐全，有的还具有其它功能，如斩波控制等。

如用于二相步进电机斩波控制的L297（L297A）、PMM8713和用于五相步进电机的PMM8714……

2、功率放大器驱动电源

作用：

将环形分配器输出的信号脉冲电流进行放大，驱动步进电机运转

从环形分配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安，不能直接驱动步进电机，必须采用功率放大器进行放大，使其增大到几至十几安培，从而驱动步进电机运转

需解决主要问题：

功率放大器作为驱动电源，在驱动电机类电感较大的感性负载时，需要解决问题：

a、通电时，由于电感的磁惯性作用，使脉冲电流的上升率受到限制，启动电流较小，影响电机力矩输出

主要措施：

采用高低压或恒流驱动；提高启动电流

b、断电时，由于电感的反电动势作用，使电流不能迅速下降，影响电机输出力矩的准确切换

主要措施：

增加续流回路；使反电动势得到有效释放，加快电流衰减

步进电机是感性负载，电流上升率受感抗影响，电流不能立即达到稳定值，经过电路时间常数的3倍时间接近稳态

电感电路时间常数：

式中L——每相绕组的电感；

R——每相电路的总电阻

电动机每相绕组的电感为常数。

提高电流上升率：

增加电路的总电阻或提高供电回路电压

功率放大电路类型：

电流型——恒流驱动、斩波驱动……

电压型——单电压型、双电压型（高低压型）

1）限流电阻式驱动电源

电路原理图

开关S为步进电机运行控制开关

S闭合→与非门关闭→进给脉冲不能通过→V1管栅极为低电平→电机绕组没有电流流过

S断开→与非门的一个输入端为高电平，另一端有进给脉冲时，与非门的输出为低电平，通过非门转变为高电平→V1管导通

V1管是场效应大功率器件（VMOS），栅极与源极及漏极相绝缘，栅极只要提供一定开启电压，V1管即可饱和。

栅极与漏极之间具有1000～2000pF的结电容，要求驱动电路能提供低阻抗的充放电回路

CMOS电路是一种理想驱动电路。

充放电回路内阻较大时，会影响V1管开关速度

V1管导通时，电流通过R1流过绕组，绕组中电流的上升速率随电源电压的增大而增大——要求驱动频率较高时，为保证绕组流过额定电流，电源电压应相应提高

由于绕组内阻很小——在电流回路中串联一限流电阻，使回路中的电流与绕组的额定电流相配

V1管关闭时，为防止绕组中的电流突然消失，形成很大电流变化率击穿V1管，并接续流二极管

R1作用：

限流电阻；减小电路时间常数，加速电流上升速度

限流电阻式驱动电源特点：

结构安全可靠，在较高的电源电压下有较好的快速性能

效率低、发热严重（主电路电流较大，很大一部分能量消耗在电阻上）

限流电阻式驱动电源一般应用在小功率步进电机驱动

2）高低压驱动电源

特点：

先接通高压以保证绕组中有较大的冲击电流，电流波形上升沿很陡，有利于提高步进电机的启动频率和最高连续工作频率；

切断高压，由低压供电以保证绕组中稳定电流等于额定值

额定电流由低压维持，只需很小限流电阻→消耗功率很小，当工作频率提高到每相通电时间≤高压开通时间时，变成纯高压供电，使在高频下工作时获得较大电流→具有较好的矩-频特性

双电压驱动放大电路

功率晶体管T1、T2；二极管D1、D2；外接电阻Rc，步进电机绕组电感L及电阻RL

电路电源Ul和U2，一般Ul是高压，80～150V，U2为5～20V

单电压供电的功率放大器电路中，工作控制信号是步进时一相所需的方波信号

在高低压驱动功放电路中，除一相所需的方波信号外，还需要高压驱动控制信号

高低压驱动功放电路，T1是高压电源开关管，T2是功率驱动管；Dl是低压电源U2的钳位二极管——T1导通时处于反向偏置而截止，T1截止时正向导通向电机的绕组提供低压电源U2

D2是续流二极管，在T1，T2都截止时向绕组提供放电回路

在T1基极上加高压电源开关控制信号Vh时，在T1基极上必须加上步进控制信号V1，且要求Vh和V1的上升沿的上升时刻一致，同时有

Th

Th是高压电源U1的开关控制信号的周期、Tl是步进控制信号的周期

高低压功率放大电路特点：

效率高——仅在脉冲开始的一瞬间接通高压电源，其余时间均由低压供电

矩频特性好——电流上升率高

振动大——电流波形陡，产生过冲，谐波成分丰富

3）恒流斩波式驱动电源

单一高压供电，电流上升快→高频性能好

恒流斩波方法使绕组的电流限定在额定值，电源效率高

斩波恒流功放电路

正常工作过程中，Vin输入步进方波信号→晶体管T5导通→光电耦合→T1导通，T2截止，T3、T4导通

Vin信号使T6、T7、T8导通→加在步进电机绕组L上的电源U使绕组中的电流上升。

当绕组中的电流上升到额定值以上，从恒流采样电阻R12上产生的压降Vs高于运算放大器OPl上的正端输入参考电压Vp时，OPl输出低电平，二极管D2导通→T5、T1截止，T2导通，T3、T4截止→关闭电源U

绕组L上产生反电势，由于T7、T8仍导通，反电势由两个回路进行泄放：

回路L、RL、T8、R12、D3；回路L、RL、R13、D4、U、D3

RL是绕组电阻，R13是泄放电阻，两个泄放回路的并联电阻很小→泄放时间常数较大，绕组L中的电流泄放缓慢

当电流降到额定值以下，在恒流采样电阻R12上产生压降Vs低于OPl的正端输入的参考电压Vp，OPl输出高电平，二极管D2截止，晶体管T5导通，T1导通，T2截止，T3、T4导通，电源U又加于绕组上，使其电流上升

上述过程在步进方波信号有效期间重复→绕组中的电流保持在额定值上下如锯齿形波动的波形

调整电阻R11或R12，都可以改变额定电流值

在步进信号Vin＝0时，T5、T1截止，T2导通，T3、T4截止，同时T6、T7、T8截止，绕组L中的电流通过RL、R13、D4、U、D3回路泄放→相当于对绕组上加一负电源-U，使电流下降速率提高→电流泄放时间较短

3、细分驱动

功率放大电路是按照环形分配器决定的分配方式，控制电机各相绕组的导通或截止，使电机运转，其步距角的大小只有两种（整步/半步工作），步距角的大小由电机结构决定

细分驱动定义：

如果要求步进电机有更小的步距角或者为减小电机振动、噪声等原因，可以在每次输入脉冲切换时，不是将绕组电流全部通入或切除，而是只改变相应绕组中额定电流的一部分，则电机转子的每步运动也只有步距角的一部分

电机绕组电流不是一个方波，而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除，电流分成多少个台阶，则转子就以同样的个数转过一个步距角

将一个步距角细分成若干步的驱动方法——细分驱动

实现细分驱动方法：

采用多路功率开关元件

采用脉冲信号叠加

4、步进电机的微机控制

步进电机的工作过程一般由控制器控制，控制器按照设计者的要求完成一定的控制过程，使功率放大电路按照要求的规律驱动步进电机运行

1）控制器类型

逻辑电路控制：

简单的控制过程可以用各种逻辑电路来实现，缺点是线路复杂，控制方案改变困难

单片微机控制：

特点：

设计功能很强、价格低廉

2）微机控制方式

使用微型计算机对步进电机进行控制有串行和并行两种方式

串行控制：

三条控制线：

脉冲输出信号线——产生不同频率的速度控制脉冲；

方向控制信号线——产生正、反转控制信号；

方式控制信号线——产生单拍、双拍或单双拍控制方式

特点：

单片机系统与步进电机驱动电源之间具有较少的连线，但电机的驱动电源必须有环形分配器

并行控制：

用微机系统的数个端口直接去控制步进电机各相驱动电路

特点：

控制线与电机的线圈相数相同；

驱动电源无环形分配器，环形分配器的功能由计算机完成。

用微机实现脉冲分配的方法：

①纯软件方法

完全用软件来实现相序的分配，直接输出各相导通或截止的信号

②软、硬件相结合的方法

专门设计编程器接口，计算机向接口输入简单形式的代码数据，而接口输出的是步进电动机各相导通或截止的信号

3）加减速度的控制

a、速度大小控制

控制步进电机的运行速度，实际上就是控制系统发出时钟脉冲的频率/换相的周期

速度大小的控制——控制脉冲的频率/换相周期

加速时——使脉冲串逐渐加密；

减速时——使脉冲串逐渐稀疏

微机调速方法：

软件延时——通过调用延时子程序，改变脉冲频率，它占有CPU时间。

用定时器——通过设置定时时间常数，改变脉冲频率。

b、控制过程选择

对于点——位控制系统，从起点至终点的运行速度控制有两种方式：

（1）等速控制——系统按实际速度直接起动，并等速运行至终点；

基本要求：

实际速度小于系统的极限起动频率。

否则，启动时会造成失步，到达终点时，会造成过冲现象，使点一位控制发生偏差

应用范围：

低速、小惯量系统

（2）加减速控制——起点到终点的运行：

加速→恒速→减速（低恒速）→停止

实际应用中，由于系统的极限起动频率较低，而实际运行速度较高，一般情况下主要采用加减速控制方式

为提高系统的快速响应能力，减小运行时间，对加减速控制的基本要求：

加减速时间——尽量短，恒速时间——尽量长，使总运行时间最短

加减速度的大小，需要根据步进电机的矩—频特性（即输出力矩）进行设计

升速规律设计

按直线规律加速——加速度为恒值

要求步进电机产生的转矩为恒值。

从电机本身的矩—频特性看，在转速不是很高的范围内，输出的转矩可基本认为恒定。

但实际上电机转速升高时，输出转矩将有所下降

按指数规律加速——加速度是逐渐下降的，接近电机输出转矩随转速变化的规律

采用微机对步进电机进行加减速控制时，为减少计算机对实际速度的运算时间，一般是根据理想的升降速曲线，用离散逼近办法，计算出各离散点的速度大小与时间间隔，并存入计算机的存储器（EPROM）中，运行时计算机通过查表方式进行输出控制。

从而大大减少占用CPU时间，提高系统响应速度

在计算升降速曲线的离散控制参数时，需准备下列数据：

1加减速的斜率；

2升速过程的总步数；

3恒速运行总步数；

4减速运行的总步数

对升降速过程的控制方法很多，软件编程十分灵活

利用模拟/数字集成电路（硬件控制）也可实现升降速控制，缺点是实现起来较复杂且不灵活

5、步进电动机的闭环与开环控制

1、开环控制

电机的输入脉冲不依赖于转子的位置，而是事先按一定的规律给定的

缺点：

电机的输出转矩和加速度，不仅取决于驱动电源、控制方式，而且与负载的大小有关，控制精度差。

根据电机的矩—角特性知，失调角的大小不同（即转子位置不同），电机的输出力矩不同。

对于不同的电机或者同一种电机而不同的负载，采用开环控制很难找到通用的加减速规律，使提高步进电机的性能指标受到限制。

2、闭环控制

闭环控制是直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当的处理，自动给出驱动的脉冲串

优点：

位置控制精确高；运行速度平稳；可根据转子的位置（失调角大小）调整定子激磁电流，提高输出力矩；控制方式具有通用性

根据不同控制性能要求，步进电机闭环控制有许多方法，具体内容参考有关书籍

六、控制电机的选用

1、按控制性能：

开环控制系统——一般采用步进电机

特点：

系统简单、但精度低

闭环/半闭环控制系统——主要采用交、直流伺服电机

特点：

速度稳定性好、动力大

2、按动力性能

对动力性能的选用，需要根据工作机械的要求选择：

启、停频率低（如几十次/分），要求低速平稳、扭矩脉动小的系统（如NC机械的进给运动、机器人的驱动系统），其动力性能指标主要是功率密度；

启、停频率高（如数百次/分），运行速度高、而低速性能要求不高的系统（如高速打印机、给图机等），其动力性能指标主要是比功率（即单位时间的输出功率）

比功率：

交流>直流>步进