第十三章步进电机

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1、第十三章第十三章 步进电动机传动控制系统步进电动机传动控制系统11.1 11.1 步进电动机步进电动机结构与工作原理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。件。步进电动机的分类：步进电动机的分类：工作原理工作原理反应式反应式永磁式永磁式混合式混合式输出转输出转矩大小矩大小快速步进电机快速步进电机功率步进电机功率步进电机励磁相数励磁相数二、三、四、五、六、八相等二、三、四、五、六、八相等角位移角位移输入脉冲个数输入脉冲个数运行速度运行速度输入脉冲频率输入脉冲频率二、步进电动机的工作原理二、步进电动机的工作原理给

2、给A A相绕组通电时，转子位相绕组通电时，转子位置如图（置如图（a a），），转子齿偏离定转子齿偏离定子齿一个角度。由于励磁磁子齿一个角度。由于励磁磁通力图沿磁阻最小路径通过，通力图沿磁阻最小路径通过，因此对转子产生电磁吸力，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转动，当转子转迫使转子齿转动，当转子转到与定子齿对齐位置时到与定子齿对齐位置时( (图图b)b)，因转子只受径向力而无切线因转子只受径向力而无切线力，故转矩为零，转子被锁力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。由此可见：定在这个位置上。由此可见：错齿是助使步进电机旋转的错齿是助使步进电机旋转的根本原因。根本原因。四、步进电动机的步距角四、

3、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。的角度称为步距角。T11T11- -2.SWF2.SWF 360360 / /ZKmZKm其中：其中：Z Z转子齿数转子齿数m m定子绕组相数定子绕组相数K K通电系数通电系数K K=1,2=1,2若二相步进电动机的若二相步进电动机的Z=100，单拍运行时，其步距角单拍运行时，其步距角8 . 110023609 . 010022360若按单、双通电方式运行时，步距角若按单、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由此可见，步进电动机的转子

4、齿数Z和定子相数和定子相数(或运行拍数或运行拍数)愈多，则步距角愈小，控制越精确。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。如果电脉冲的频率为就持续不断地旋转。如果电脉冲的频率为f(HZ)，步距角用弧度表步距角用弧度表示，则步进电动机的转速为：示，则步进电动机的转速为：fKmZfKmZfn606022602五、步进电动机的主要性能指标五、步进电动机的主要性能指标1. 步距角步距角2. 最大工作频率：在转子不失步的情况下，电动机连续工作时，最大工作频率：在转子不失步的情况下，电动机

5、连续工作时，输入脉冲信号的最大频率。输入脉冲信号的最大频率。T11-2.SWF3. 最大突跳频率：在转子不失步的情况下，电动机能增加和减最大突跳频率：在转子不失步的情况下，电动机能增加和减小的最大频率。小的最大频率。4. 步距差：理想的步矩角与实际的步矩角之差。步距差：理想的步矩角与实际的步矩角之差。5. 输出转矩：电动机轴上的输出转矩的大小输出转矩：电动机轴上的输出转矩的大小步进电动机的输出转矩与脉冲频率的函数关系称为步进电动机的输出转矩与脉冲频率的函数关系称为矩频特性矩频特性。13.2 13.2 步进电动机的驱动电源步进电动机的驱动电源一、驱动电源的组成一、驱动电源的组成脉脉冲冲分分配配器

6、器功放电路功放电路三三相相步步进进电电机机负载负载功率电功率电源源分配器电源分配器电源功放电路功放电路功放电路功放电路功率放大器功率放大器步进脉冲步进脉冲方向信号方向信号fABC脉冲分配器+功率放大电路1. 脉冲分配器脉冲分配器当方向电平为低时，脉冲当方向电平为低时，脉冲分配器的输出按分配器的输出按A A- -B B- -C C的顺序的顺序循环产生脉冲。循环产生脉冲。fABC当方向电平为高时，脉当方向电平为高时，脉冲分配器的输出按冲分配器的输出按A A- -C C- -B B的顺的顺序循环产生脉冲。序循环产生脉冲。ABCf2.功率放大器功率放大器将脉冲分配器的输出信号进行电流放大后给电动机的定

7、子绕组供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。电，使电动机的转子产生输出转矩。二、步进电动机的脉冲分配器二、步进电动机的脉冲分配器步进电动机的脉冲分配器可由硬件或软件方法来实现步进电动机的脉冲分配器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。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

8、控制的要求。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。1.1.硬件环形分配器硬件环形分配器 BQ CQ CQ AQ AQ BQ W- QA CAJ K AQ + & & QB CBJ K BQ + & & R W+ QC CBJ K CQ + & & R S CP 复位 & & & A相B相C相序号序号控制信号状态控制信号状态输出状态输出状态导电绕组导电绕组CAJCBJCCJQAQBQC0 01 1 01 1 01 0 01 0 0A A1 10 1 00 1 01 1 01 1 0ABAB2 20 1 10

9、1 10 1 00 1 0B B3 30 0 10 0 10 1 10 1 1BCBC4 41 0 11 0 10 0 10 0 1C C5 51 0 01 0 01 0 11 0 1CACA6 61 1 01 1 01 0 01 0 0A A2 2软件环形分配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，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。从而产生一定的脉冲分配输出。1) 1) 输出接口输出接口80318031单片机本身包含单片机本身包含4 4个个8 8位位I/OI/O端口，分别为端口，分别为P0P0、P1P1、P2P2、P3

10、P3。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。应起来。8031P1.0P1.1P1.2ABC驱驱动动器器若要实现三相步进电动机若要实现三相步进电动机的脉冲分配，需要三根输出口的脉冲分配，需要三根输出口线，本例中选线，本例中选P1P1口的口的P1.0P1.0、P1.1P1.1、P1.2P1.2位作为脉冲分配的位作为脉冲分配的输出。输出。2) 2) 输出模型输出模型如果三相步进电动机按单、双拍通电方式工作，即如果三相步进电动机按单、双拍通电方式工作，即: :正转：正转：A A- -ABAB- -B B- -BCBC- -C

11、 C- -CACA反转反转：A A- -ACAC- -C C- -CBCB- -B B- -BCBC根据根据80318031单片机的基本原理，对单片机的基本原理，对P P1.01.0、 P P1.11.1、 P P1.21.2位编程使其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。按表规定改变输出状态就实现了三相六拍分配任务。P P1.71.7通电通电相相X XX XX XX XX X0 00 01 1A AX XX XX XX XX X0 01 11 1ABABX XX XX XX XX X0 01 10 0B BX XX XX XX XX X1 11 10 0BCBCX XX X

12、X XX XX X1 10 00 0C CX XX XX XX XX X1 10 01 1CACAP P1.51.5P P1.41.4P P1.31.3P P1.21.2P P1.11.1P P1.01.0P P1.61.6P1P1输送的内容依次为：输送的内容依次为：0101H AH A03H AB03H AB02H B02H B06H BC06H BC04H C 04H C 05H CA05H CA正正转转反反转转输出模型输出模型3) 3) 控制程序控制程序按正转和反转的要求将输出模按正转和反转的要求将输出模型向型向P1P1口口发送，并控制步进电动机发送，并控制步进电动机的速度。的速度。设设

13、输出模型存放在存储器中，首输出模型存放在存储器中，首地址为地址为20002000H H，地址指针为地址指针为DPR,DPR,初始值初始值为为20002000H H。初始化初始化正转正转（DPR）P1调用延时子程序调用延时子程序(DPR)=05HDPR-5DPR PR+1DPR（DPR）P1调用延时子程序调用延时子程序(DPR)=01HPR+5DPR DPR-1DPRNNNYYY三、步进电动机的功率放大电路三、步进电动机的功率放大电路步进电动机的功率驱动电路实际上是一种脉冲放大电路，使脉步进电动机的功率驱动电路实际上是一种脉冲放大电路，使脉冲具有一定的功率驱动能力。冲具有一定的功率驱动能力。由于

14、功率放大器的输出直接驱动电动机绕组，因此，功率放大由于功率放大器的输出直接驱动电动机绕组，因此，功率放大电路的性能对步进电动机的运行性能影响很大。电路的性能对步进电动机的运行性能影响很大。1.1.单电压驱动电路单电压驱动电路 R C RD V L +U VT L是电动机绕组是电动机绕组VT开关晶体管开关晶体管电阻电阻R两端并联电容两端并联电容C，使电流上升更快，使电流上升更快，所以，电容所以，电容C又称为加速电容。又称为加速电容。二极管二极管V在晶体管在晶体管VT截止时起续流和保护截止时起续流和保护作用，串联电阻使电流下降更快，从而使绕作用，串联电阻使电流下降更快，从而使绕组电流波形后沿变陡。组电流波形后沿变陡。2.2.高低压切换型驱动电路高低压切换型驱动电路 R V1 L +80V Ub1 VT1 Ub2 VT2 V2 +12V Ub1 0 t Ub2 0 t I 0 t t1 t2 t3 高低压驱动线路的优点是：功耗小，启动力矩大，突跳频率和高低压驱动线路的优点是：功耗小，启动力矩大，突跳频率和工作频率高。缺点是：大功率管的数量要多用一倍，增加了驱动电工作频率高。缺点是：大功率管的数量要多用一倍，增加了驱动电源。源。