是一種把電能變換成機(jī)械能的典型促動器

。每當(dāng)對步進(jìn)電機(jī)施加一個電脈沖，步進(jìn)電機(jī)輸出軸就轉(zhuǎn)過一個角度，稱為一步。當(dāng)連續(xù)供給電脈沖，步進(jìn)電機(jī)就一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動，因此，命名為步進(jìn)電機(jī)。

步進(jìn)電機(jī)的位移量與輸入的脈沖數(shù)量嚴(yán)格成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，轉(zhuǎn)向與電機(jī)各相繞組的通電順序有關(guān)。6.1步進(jìn)電機(jī)工作原理

6.1.1

VR型步進(jìn)電機(jī)工作原理圖4.2是A相勵磁時(shí)的穩(wěn)定狀態(tài)。如果從A相切換到B相通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15o，即轉(zhuǎn)過一個步距角為勵磁相數(shù)為轉(zhuǎn)子的齒數(shù)

6.1.1VR型步進(jìn)電機(jī)工作原理轉(zhuǎn)子是2極（極對數(shù)１）永久磁鐵，定子上4組線圈連接成四相式：A→B→C→D，轉(zhuǎn)子每次向順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)90o為極對數(shù)（極數(shù)/2）6.1.2PM型步進(jìn)電機(jī)工作原理

6.1.2PM型步進(jìn)電機(jī)工作原理定子磁場對轉(zhuǎn)子的作用力分為∶與轉(zhuǎn)子軸線垂直的與轉(zhuǎn)子軸線平行的如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一圈產(chǎn)生的磁場力矩，用圖描繪將是一條磁場力矩和轉(zhuǎn)子位置的正弦曲線失調(diào)角電磁轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定區(qū)域平衡點(diǎn)6.1.3轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系6.1.4電機(jī)的特點(diǎn)及分類特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制位置誤差不會積累，位移與輸入的脈沖數(shù)量成正比，具有一定精度的開環(huán)系統(tǒng)可以采用開環(huán)控制具有一定的自鎖功能6.1.4電機(jī)的特點(diǎn)及分類可以超低速度運(yùn)行，而不用加減速器抗干擾能力強(qiáng)，即在負(fù)載能力范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速不受電壓大小、負(fù)載波動的影響，也不受環(huán)境溫度、沖擊、振動的影響，僅與頻率、脈沖數(shù)、步距角有關(guān)若用同一頻率的脈沖電源控制幾臺步進(jìn)電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)多個電機(jī)的同步思考題：步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速高低與負(fù)載大小的關(guān)系？6.1.4電機(jī)的特點(diǎn)及分類步距角是固定的，在步進(jìn)分辨率方面缺乏靈活性在單步響應(yīng)中，有較大的超調(diào)量和振蕩過載能力較差，過載時(shí)易丟步輸出功率較小，對于需要大電流的大功率電機(jī)，控制裝置和功率放大器都變得復(fù)雜、笨重、不經(jīng)濟(jì)，所以步進(jìn)電機(jī)的尺寸和功率都不大運(yùn)動時(shí)發(fā)生共振，需要加入阻尼機(jī)構(gòu)或其他補(bǔ)救措施6.1.4電機(jī)的特點(diǎn)及分類目前主要用于開環(huán)，閉環(huán)控制時(shí)所用元件和線路比較復(fù)雜不能把步進(jìn)電機(jī)直接接到直流電源上，必須配有驅(qū)動電路，而驅(qū)動定路復(fù)雜、成本較高

總之，步進(jìn)電機(jī)主要用于功率要求不大，負(fù)載波動范圍不大，控制精度要求不是很高，尤其應(yīng)該指出的是，對于負(fù)載較小的點(diǎn)位控制系統(tǒng)，可以優(yōu)先選用。分類：HB,VR,PM6.1.4電機(jī)的特點(diǎn)及分類6.1.5步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo)1）步距角：每給一個電脈沖信號，電機(jī)轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角度的理論值2）齒距角：相鄰兩齒中心線之間的夾角6.1.5步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo)3）失調(diào)角：轉(zhuǎn)子偏離平衡位置（或零位）的角度，等于定子磁軸與轉(zhuǎn)子齒中心線之間的夾角

。4）矩角特性：電磁轉(zhuǎn)矩和失調(diào)角的關(guān)系。通常，未磁飽和時(shí)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與相電流的平方呈正比，混合式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與相電流呈線性比例關(guān)系。2/3額定電流1/3額定電流電磁轉(zhuǎn)矩最大靜轉(zhuǎn)矩失調(diào)角穩(wěn)定點(diǎn)圖4.1一相繞組的矩角特性曲線6.1.5步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo)5）最大靜轉(zhuǎn)矩：步進(jìn)電機(jī)在規(guī)定的通電相數(shù)下，矩角特性曲線上的轉(zhuǎn)矩最大值。6）額定電流：電動機(jī)靜止時(shí)，每一相繞組允許通過的最大電流。7）額定電壓：驅(qū)動電源應(yīng)供給的電壓，一般不等于加在繞組兩端的電壓。6.1.5步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo)8）啟動頻率：步進(jìn)電機(jī)不失步啟動的最高頻率，通常是指空載啟動。9）運(yùn)行頻率：步進(jìn)電機(jī)啟動后，不失步所達(dá)到的最高頻率，通常是指空載運(yùn)行。10）啟動矩頻特性：在負(fù)載慣量一定情況下，啟動頻率隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化的特性。6.1.5步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo)11）運(yùn)行矩頻特性：在一定的負(fù)載力矩下，運(yùn)行頻率和負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。12）慣頻特性：在負(fù)載力矩一定時(shí)，頻率和負(fù)載慣量之間的關(guān)系。慣頻特性分為啟動慣頻特性和運(yùn)行慣頻特性。如圖所示。6.1.5步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo)13）最大靜態(tài)位置誤差：當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩作用在步進(jìn)電機(jī)上，為了使轉(zhuǎn)子保持平衡，此時(shí)轉(zhuǎn)子所停留的位置與勵磁所要求的位置存在一定的偏差，這就是負(fù)載轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的靜態(tài)位置誤差6.1.5步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo)思考題：三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為A-B-C-A送電方式時(shí)，電機(jī)順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，步距角1.5o，請?zhí)钊胝_答案：順時(shí)針轉(zhuǎn)，步距角0.75o，送電方式應(yīng)為：()逆時(shí)針轉(zhuǎn)，步距角0.75o，送電方式應(yīng)為：()順時(shí)針轉(zhuǎn)，步距角1.5o，送電方式應(yīng)為：()或()6.1.5步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo)思考題：三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī),采用三相六拍工作方式，轉(zhuǎn)子有40個齒，脈沖頻率為600Hz,求寫出一個循環(huán)的通電順序求步距角求步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速rpm

6.1.5步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo)1）靜態(tài)矩角特性曲線：指不改變各項(xiàng)繞組的通電狀態(tài)，即一相或幾相繞組同時(shí)通以直流電流時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系。4）穩(wěn)定區(qū)域：在負(fù)載作用下，轉(zhuǎn)子在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，撤除負(fù)載后，轉(zhuǎn)子仍然能回到平衡點(diǎn)。2）失調(diào)角：在電機(jī)上加一順時(shí)針方向的負(fù)載力矩，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)過一個角度θ，并重新穩(wěn)定，這是電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等，順時(shí)針方向轉(zhuǎn)過的角度θ，叫失調(diào)角。3）電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是失調(diào)角的周期函數(shù)。是以轉(zhuǎn)子齒距（齒距角）為周期重復(fù)。6.1.6步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)特性-------矩角特性曲線失調(diào)角電磁轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定區(qū)域平衡點(diǎn)靜態(tài)矩角特性曲線6.1.6步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)特性一、穩(wěn)定平衡區(qū)和穩(wěn)定平衡點(diǎn)假設(shè)轉(zhuǎn)子齒數(shù)z，最大靜轉(zhuǎn)矩Timax，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，則靜態(tài)位置誤差θe減小靜態(tài)位置誤差的方法：選用不同電機(jī)即改變電機(jī)的轉(zhuǎn)子的齒數(shù)z；不同的激勵方法改變Timax使用減速裝置連接負(fù)載和電機(jī)改變TL

二、最大靜轉(zhuǎn)矩對靜態(tài)位置誤差的影響6.1.6步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)特性激勵方案的選擇總之，除三相電機(jī)外，采用多相激勵，可以提高最大丟步轉(zhuǎn)矩，即可以減小靜態(tài)位置誤差。未磁飽和時(shí)，VR產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與相電流的平方成正比HB產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與相電流成線性比例6.1.6步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)特性三、機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)對靜態(tài)位置誤差的影響

用絲杠把負(fù)載（螺母）連接到步進(jìn)電機(jī)上：6.1.6步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)特性在負(fù)載要求的線性誤差相同的情況下，螺距越小，電機(jī)應(yīng)許的靜態(tài)位置誤差越大。螺距越小，加在電機(jī)上的負(fù)載力矩越小。6.1.6步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)特性即螺距越小，負(fù)載有效慣量減小了6.1.6步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)特性6.1.7步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)特性一、運(yùn)行狀態(tài)（空載）

通電順序是A-B-C-A二、運(yùn)行狀態(tài)（有載）

通電順序是A-B-C-A6.1.7步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)特性失調(diào)角電磁轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定區(qū)域平衡點(diǎn)啟動最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩三、忽略了慣性，啟動時(shí)的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩6.1.7步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)特性思考題：步距角小、最大靜轉(zhuǎn)矩大的步進(jìn)電機(jī)，啟動頻率和運(yùn)行頻率高？負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量對電機(jī)啟動頻率和運(yùn)行頻率有什么影響？圖.步進(jìn)特性四、步進(jìn)電機(jī)的振蕩、丟步、阻尼方法1）振蕩原因單步運(yùn)行步進(jìn)電機(jī)的換相頻率和轉(zhuǎn)子的特征頻率相等步進(jìn)電機(jī)突然停車在停止點(diǎn)的前后，往往存在振蕩，這不但產(chǎn)生噪聲和振動，還可能帶來失步。6.1.7步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)特性2）阻尼方法步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行中，振蕩是它的固有特性，但也是在任何振動系統(tǒng)中所不希望的，所以要對振蕩進(jìn)行抑制，抑制振蕩常采用各種阻尼，機(jī)械阻尼和電子阻尼。多相激勵變頻變壓阻尼細(xì)分阻尼反相阻尼頻率力矩NM0.20.40.6200300矩頻特性曲線6.1.7步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)特性3）丟步的原因轉(zhuǎn)子的速度慢于定子磁場的旋轉(zhuǎn)速度，即換相頻率太快轉(zhuǎn)子的速度快于定子磁場的旋轉(zhuǎn)速度，即定子通電的時(shí)間太長，能量過剩，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生振蕩矩角特性曲線失調(diào)角電磁轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定區(qū)域平衡點(diǎn)OA6.1.7步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)特性6.1.7步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)特性五、脈沖頻率對運(yùn)行的影響(a)脈沖頻率很低(b)脈沖頻率增高(c)脈沖頻率很高圖

脈沖信號的畸變圖

步進(jìn)電機(jī)的速度轉(zhuǎn)矩特性（頻率特性、動態(tài)特性曲線）這個特性曲線對電機(jī)而言不是固定的，隨著負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量和驅(qū)動電路的方式的不同，啟動區(qū)和旋轉(zhuǎn)區(qū)會大幅度發(fā)生變化6.1.7步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)特性6.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動環(huán)形分配器A相驅(qū)動電路B相驅(qū)動電路C相驅(qū)動電路步進(jìn)電機(jī)方向電平脈沖信號復(fù)位環(huán)形分配器的作用：把脈沖信號按狀態(tài)轉(zhuǎn)換表的狀態(tài)順序產(chǎn)生各相的控制信號，每來一個脈沖，環(huán)形分配器就轉(zhuǎn)換一次，因此步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速、正反轉(zhuǎn)、起停完全取決于脈沖的頻率和有無。驅(qū)動電路的作用：把環(huán)形分配器輸出的各相繞組導(dǎo)通、截止信號放大、產(chǎn)生電機(jī)工作所需的激磁電流。6.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動6.2.1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的特點(diǎn)各相繞組都是開關(guān)工作，即脈沖式供電各相繞組都是繞在鐵芯上的線圈，所以都有較大的電感，繞組通電時(shí)電流上升受到限制，影響繞組電流的大小（需要減小TL）繞組斷電時(shí)，電感將維持繞組中的已有電流不能突變，使繞組中的電流不能立即截止，為了使電流盡快衰減，必須設(shè)計(jì)續(xù)流回路。常用驅(qū)動芯片：晶體管（transistor,base,emitter,collector）MOSFET(metaloxidesemi-conductorfieldeffecttransistor)source,drain,gate6.2.1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的特點(diǎn)6.2.2單電壓驅(qū)動（只有一個電源電壓供電）一、基本單電壓驅(qū)動T---開關(guān)晶體管L---步進(jìn)電機(jī)的繞組RL---繞組電阻D---續(xù)流二極管（D的作用：T從飽和突變到截止時(shí)，產(chǎn)生一個反電動勢，和電源疊加在一起，加在T上，易使T被擊穿，D使繞組中產(chǎn)生的反電勢通過二極管續(xù)流而衰減掉，保護(hù)晶體管。）6.2.2單電壓驅(qū)動第六章步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動與控制導(dǎo)通時(shí)，電壓平衡方程為：U/RLi1t關(guān)斷時(shí)，電壓平衡方程為：i1i2t第六章步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動與控制在導(dǎo)通期間，其電流的平均值：隨著電機(jī)頻率逐漸增加，T逐漸減小，繞組的平均電流逐漸降低，所以這種電路低頻時(shí)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩，有較強(qiáng)的負(fù)載能力。這種電路在高頻時(shí)，負(fù)載能力差。一般只適合小功率電機(jī)的驅(qū)動二、單電壓串電阻U/RLi1t第六章步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動與控制改善了步進(jìn)電機(jī)的高頻性能，增加了低頻振蕩，而且串接的電阻使得損耗加重，發(fā)熱嚴(yán)重，效率低。三、單電壓恒流驅(qū)動PNPT1、T2---開關(guān)狀態(tài)T3---放大狀態(tài)T1、T2---開關(guān)狀態(tài)T3---放大狀態(tài)PNP6.2.3高低壓驅(qū)動（兩個電源電壓供電）高壓電源UH：80-150V低壓電源UL：5-10V值得注意的是：在單電壓驅(qū)動中，控制信號時(shí)步進(jìn)電機(jī)一相所需的方波信號。在高低壓驅(qū)動的電路中，除了需要一相所需要的方波信號外，高壓輸入信號由低壓輸入信號的前沿得到，VH、VL同步設(shè)計(jì)思想：不論工作頻率如何，在導(dǎo)通的前沿用高壓供電，提高電流注入繞組的前沿的上升率，提高高頻力矩；后沿用低壓維持繞組中的電流，減小低頻共振。續(xù)流回路ULUH6.2.3高低壓驅(qū)動6.2.4斬波驅(qū)動一、斬波恒流驅(qū)動（利用斬波的方法使電流恒定在額定值范圍）6.2.4斬波驅(qū)動第六章步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動與控制第六章步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動與控制由于電流在工作中恒定，所以在很大頻率范圍內(nèi)輸出轉(zhuǎn)矩恒定。能量是各個脈沖時(shí)間內(nèi)電壓和電流的乘積，取自電源的能量大幅度的下降，效率高。由于共振是能量過剩的結(jié)果，所以可以減小低頻振蕩。電流頂部鋸齒波有電流噪聲二、斬波平滑驅(qū)動第六章步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動與控制與單電壓驅(qū)動相比：減小TON近似看作U的減小，繞組中的電流比單電壓驅(qū)動中繞組的電流上升快，所以高頻性能比低壓的單電壓驅(qū)動好。增加TON近似看作U的增加，繞組中的電流比單電壓驅(qū)動中繞組的電流上升平緩，所以抑制了低頻性能，低頻性能比高壓的單電壓驅(qū)動好。由于電流頂部的波動而產(chǎn)生電磁噪聲改善電路高頻、低頻性能的方法：Vb的頻率和脈寬步進(jìn)電機(jī)繞組中的電流大?。河呻娫措妷汉透哳l脈沖序列的脈寬決定三、恒頻脈寬調(diào)制驅(qū)動斬波恒流驅(qū)動由于電流頂部的波動而產(chǎn)生電磁噪聲，在低頻時(shí)，不會產(chǎn)生很大的噪聲，而當(dāng)斬波頻率為幾KHZ或十幾KHZ時(shí)，有相當(dāng)嚴(yán)重的噪聲，采用的措施：使斬波頻率工作在超聲頻率第六章步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動與控制V1---D觸發(fā)器的時(shí)鐘信號V2---步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)信號Vref---比較電壓6.2.5細(xì)分驅(qū)動在一般情況下，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的勵磁方式，各相繞組的電流輪流切換，從而步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。假設(shè)每次輸入脈沖切換時(shí)，只改變對應(yīng)繞組中電流的一部分，那么轉(zhuǎn)子相應(yīng)轉(zhuǎn)過原有步距角的一部分，額定電流分成多少個級別進(jìn)行切換，轉(zhuǎn)子就以多少步來完成一個原有的步距角。很明顯，通過控制繞組中的電流的數(shù)值，則可以調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的步距角的大小，這種控制方式叫細(xì)分控制。步進(jìn)電機(jī)繞組中的電流進(jìn)行細(xì)分，在本質(zhì)上把對繞組的矩形電流改為階梯電流，要求繞組中的電流以若干等幅、等寬的階梯上升到額定電流值，或以同樣的階梯從額定值下降到0。6.2.5細(xì)分驅(qū)動獲得階梯波的兩種方法：采用多路功率開關(guān)電路供電，在繞組上進(jìn)行電流疊加，這種方法使功率管上的損耗小，但路數(shù)多，元件多，體積大先對脈沖信號進(jìn)行疊加，在經(jīng)功率管進(jìn)行放大，獲得階梯電流，這種方法功率損耗大。第六章步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動與控制第六章步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動與控制一、可變細(xì)分控制驅(qū)動電路所謂“可變細(xì)分控制”是指：細(xì)分的步數(shù)可以控制。D/A電路：把單片機(jī)的數(shù)據(jù)（00H-FFH,00H-3FFH）轉(zhuǎn)換為模擬量Vin放大電路A：把Vin放大為VA,使單片機(jī)輸出最大數(shù)字量時(shí)對應(yīng)電機(jī)的額定電流。比較放大電路：把繞組采樣得到的電壓Ve和電壓VA比較，產(chǎn)生調(diào)整量Vb，以控制繞組的電流iL單片機(jī)：根據(jù)細(xì)分步距，分別送出十六進(jìn)制數(shù)。在細(xì)分時(shí)，要求每個階梯的電流等差值，這樣細(xì)分的步數(shù)必須能對255整除，顯然這時(shí)細(xì)分的階梯只能為3、5、15、17、51、85。細(xì)分3步，則每次的突變量：85（55H）細(xì)分5步，則每次的突變量：51（33H）細(xì)分15步，則每次的突變量：17（11H）依次類推……..第六章步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動與控制細(xì)分控制的過程分為3步：恒流原理細(xì)分控制瞬間響應(yīng)值得注意：要求功率管工作在線性區(qū)，效率低二、數(shù)字脈寬調(diào)制（pulsewidthmodulation）