項(xiàng)目概述

作為控制類電機(jī)的典型代表，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)因其慣量低、定位精度高、無(wú)累積誤差、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中。通過(guò)本項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，讀者可以掌握步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的概念、分類及工作原理；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能及主要技術(shù)指標(biāo)；DM542步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的使用方法；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的手動(dòng)運(yùn)行控制及基本定位控制實(shí)現(xiàn)。學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)（1）掌握步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的概念、種類及主要應(yīng)用領(lǐng)域。（2）理解步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理。（3）掌握步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及主要技術(shù)指標(biāo)。能力目標(biāo)（1）能夠根據(jù)要求正確設(shè)置DM542步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電流設(shè)置和細(xì)分設(shè)置。（2）能夠根據(jù)要求正確完成DM542步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的接線。（3）能夠根據(jù)要求實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的手動(dòng)運(yùn)行控制。（4）能夠根據(jù)要求實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本定位控制素質(zhì)目標(biāo)（1）通過(guò)本項(xiàng)目學(xué)習(xí)養(yǎng)成科學(xué)的思維方法和分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力。（2）通過(guò)本項(xiàng)目學(xué)習(xí)養(yǎng)成良好的團(tuán)隊(duì)合作精神，培養(yǎng)協(xié)調(diào)和組織能力。（3）通過(guò)本項(xiàng)目學(xué)習(xí)建立自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本職業(yè)素養(yǎng)。項(xiàng)目5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制任務(wù)5.1認(rèn)識(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移或直線位移的一種控制電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每接收一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)相應(yīng)的角度（步距角）。轉(zhuǎn)子的角位移的大小和轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的數(shù)量及其頻率成正比，轉(zhuǎn)向與繞組通電的相序有關(guān)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制原理如圖所示。項(xiàng)目5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制任務(wù)5.1認(rèn)識(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)項(xiàng)目5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制5.1.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按工作原理分類開(kāi)環(huán)步進(jìn)控制系統(tǒng)閉環(huán)步進(jìn)控制系統(tǒng)按控制方式分類任務(wù)5.1認(rèn)識(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)項(xiàng)目5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制5.1.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子上有繞組，轉(zhuǎn)子由軟磁材料構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、步距角小，但動(dòng)態(tài)性能差、效率低。與反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相比，相同體積的永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩大、步距角也大?；旌鲜讲竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)合了前面兩種電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。其特點(diǎn)是輸出力矩大、動(dòng)態(tài)性能好，步距角小。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本相對(duì)較高。（目前市場(chǎng)上的主導(dǎo)產(chǎn)品）反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按工作原理分類任務(wù)5.1認(rèn)識(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)項(xiàng)目5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制5.1.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類開(kāi)環(huán)步進(jìn)控制系統(tǒng)閉環(huán)步進(jìn)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)步進(jìn)系統(tǒng)的指令信號(hào)流程是單向的，其精度主要決定于驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能，無(wú)反饋。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)比較容易穩(wěn)定，成本低廉，但定位精度相對(duì)較低。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制是直接或間接地檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置和速度，通過(guò)反饋和適當(dāng)?shù)奶幚?，自?dòng)給出驅(qū)動(dòng)的脈沖序列。采用閉環(huán)控制，不僅可以獲得精確的位置精度和速度控制，而且擴(kuò)大步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。開(kāi)環(huán)步進(jìn)控制系統(tǒng)閉環(huán)步進(jìn)控制系統(tǒng)按控制方式分類任務(wù)5.1認(rèn)識(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)項(xiàng)目5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制5.1.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由轉(zhuǎn)子，定子，前后端蓋等組成。轉(zhuǎn)子部分包括轉(zhuǎn)子鐵芯、永磁體、轉(zhuǎn)軸、滾珠軸承。定子部分包括繞組、定子鐵芯。勵(lì)磁繞組通電后磁通經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子形成閉合回路，若磁場(chǎng)軸線與轉(zhuǎn)子存在一定角度，則在磁場(chǎng)作用下，轉(zhuǎn)子被磁化，吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的位置力圖使其磁路的磁阻最小，使轉(zhuǎn)子和定子的齒對(duì)齊。任務(wù)5.1認(rèn)識(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)項(xiàng)目5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制5.1.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理

下面分析步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組不同的通電方式下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理。1.三相單三拍

當(dāng)定子繞組按順序輪流通電時(shí)，A、B、C三對(duì)磁極就依次產(chǎn)生磁場(chǎng)，對(duì)轉(zhuǎn)子上的齒產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，并吸引它，使它一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)。

如果按ABCA……的順序給三相繞組輪流通電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子便會(huì)不停地順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。上述的通電方式稱為三相單三拍。“單”是指每次只有一相控制繞組通電；“三拍”是指換接三次可以完成一個(gè)通電循環(huán)；從一相通電轉(zhuǎn)換到另一相通電稱為一拍，每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，這個(gè)角度稱為步距角。任務(wù)5.1認(rèn)識(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)項(xiàng)目5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制5.1.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理

當(dāng)定子繞組按順序輪流通電時(shí)，A、B、C三對(duì)磁極就依次產(chǎn)生磁場(chǎng)，對(duì)轉(zhuǎn)子上的齒產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，并吸引它，使它一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)。

在這種通電方式下，每個(gè)循環(huán)周期分為三拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)30o（步距角）。1.三相單三拍任務(wù)5.1認(rèn)識(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)項(xiàng)目5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制5.1.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理1.三相單三拍

如果按A-C-B-A給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相繞組順序通電，轉(zhuǎn)子沿著逆時(shí)針?lè)较蛞徊讲睫D(zhuǎn)動(dòng)?，F(xiàn)通過(guò)改變定子繞組通電相序，就可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向的控制。任務(wù)5.1認(rèn)識(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)項(xiàng)目5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制5.1.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理2.三相六拍

按A-AB-B-BC-C-CA的順序給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相繞組輪流通電。P198圖5-7（b）有誤任務(wù)5.1認(rèn)識(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)項(xiàng)目5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制5.1.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理2.三相六拍

按A-AB-B-BC-C-CA的順序給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相繞組輪流通電。

當(dāng)A相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒與A、A'對(duì)齊，如圖（a）所示位置；當(dāng)A相繞組斷電而A、B相同時(shí)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子的齒將同時(shí)受到A相和B相繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)的共同吸引力，轉(zhuǎn)子的齒只能停在A相和B相磁極間，A、A'磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉住2、4齒，轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)15°，如圖（b）所示位置；當(dāng)A、B相繞組同時(shí)斷電而B(niǎo)相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子2、4齒與B、B′

對(duì)齊,又順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)15°。（a）A相通電

（b）AB相通電

（c）B相通電

三相六拍的工作原理圖P198圖5-7（b）有誤任務(wù)5.1認(rèn)識(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)項(xiàng)目5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制5.1.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理2.三相六拍

按A-AB-B-BC-C-CA的順序給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相繞組輪流通電。

在這種通電方式下，三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一個(gè)通電循環(huán)周期如下：A-AB-B-BC-C-CA，每個(gè)循環(huán)周期分為六拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)15°（步距角），一個(gè)通電循環(huán)周期(6拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)90°(齒距角)。與單三拍相比，六拍驅(qū)動(dòng)方式的步距角更小，這種方式可以獲得更精確的控制特性，更適用于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。（a）A相通電

（b）AB相通電

（c）B相通電

三相六拍的工作原理圖任務(wù)5.1認(rèn)識(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)項(xiàng)目5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制5.1.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理3.三相雙三拍

按AB-BC-CA的順序給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相繞組輪流通電。每拍有兩相繞組同時(shí)通電。與單三拍方式相似，雙三拍驅(qū)動(dòng)時(shí)每個(gè)通電循環(huán)周期也分為三拍，如圖所示。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)30°(步距角)，一個(gè)通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)90°(齒距角)。任務(wù)5.1認(rèn)識(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)項(xiàng)目5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制5.1.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理

以上三種通電方式可知，對(duì)于一臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，在一個(gè)通電循環(huán)周期，運(yùn)行m拍可使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距位置，即步距角，分析可得步距角計(jì)算公式為：其中θ—步距角，Zr—轉(zhuǎn)子齒數(shù)，m—每個(gè)通電循環(huán)周期的拍數(shù)。任務(wù)5.1認(rèn)識(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)項(xiàng)目5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制5.1.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理

步距角一定時(shí)，通電狀態(tài)的切換頻率越高，即脈沖頻率越高時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越高。脈沖頻率一定時(shí)，步距角越大、即轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周所需的脈沖數(shù)越少時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越高。若脈沖頻率為f，步距角θ的單位為度，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為：

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速取決于脈沖頻率(f)和步距角（θ），而與電壓、負(fù)載、環(huán)境等因素?zé)o關(guān)，只與控制脈沖同步，容易對(duì)其進(jìn)行控制。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于各種數(shù)字控制系統(tǒng)中。任務(wù)5.1認(rèn)識(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)項(xiàng)目5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制5.1.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角越小，意味著它所能達(dá)到的位置精度越高，所以在實(shí)際應(yīng)用中都采用小步距角，實(shí)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角多為3°、1.5°、1.8°或0.9°。

如圖所示，實(shí)際的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子都做成多齒的。圖中轉(zhuǎn)子表面有40個(gè)齒，齒距角是9°。定子仍是6個(gè)磁極，但每個(gè)磁極表面加工有五個(gè)和轉(zhuǎn)子一樣的齒。任務(wù)5.1認(rèn)識(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)項(xiàng)目5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制5.1.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)精度和步距角有關(guān)，但是步距角的大小受到電機(jī)結(jié)構(gòu)的限制，而小步距角電動(dòng)機(jī)加工比較困難。為使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有更小的步距角，通常采用細(xì)分步距角的方法。

將一個(gè)步距角細(xì)分為若干小步、每一小步只有步距角的一部分的驅(qū)動(dòng)方法稱為細(xì)分。每次輸入脈沖切換時(shí)，不是將繞組電流全部輸入或切除，而是改變繞組中額定電流的一部分。繞組中的電流是臺(tái)階式地逐漸增加至額定值，切除電流時(shí)也是從額定值開(kāi)始臺(tái)階式地逐漸切除。任務(wù)5.1認(rèn)識(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)項(xiàng)目5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制5.1.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分繞組中的電流是臺(tái)階式地逐漸增加至額定值，切除電流時(shí)也是從額定值開(kāi)始臺(tái)階式地逐漸切除。任務(wù)5.1認(rèn)識(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)項(xiàng)目5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制5.1.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分，其主要目的是提高電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度。其次，減弱或消除步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的低頻振動(dòng)，細(xì)分本質(zhì)是一種電子阻尼技術(shù)，低頻振蕩是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（尤其是反應(yīng)式電動(dòng)機(jī)）的固有特性，而細(xì)分是消除它的唯一途徑，如果步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有時(shí)要在共振區(qū)工作，選擇細(xì)分是唯一的選擇。

細(xì)分后的主要優(yōu)點(diǎn)為：完全消除了電動(dòng)機(jī)的低頻振蕩；提高了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，尤其是對(duì)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其力矩比不細(xì)分時(shí)提高約30-40%

；提高了電動(dòng)機(jī)的分辨率，由于減小了步距角、提高了步距的均勻度。任務(wù)5.1認(rèn)識(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)項(xiàng)目5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制5.1.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)角位移與輸人脈沖數(shù)成嚴(yán)格的比例關(guān)系，無(wú)累積誤差。不管磁極對(duì)的準(zhǔn)不準(zhǔn)，每一圈它都會(huì)回到原來(lái)的起始位置

。一般步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率成正比，改變控制脈沖的頻率即可在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。在沒(méi)有控制脈沖輸人時(shí)，只要維持繞組電流不變，電動(dòng)機(jī)即可有電磁力矩（最大靜轉(zhuǎn)矩）維持其定位位置，不需附加機(jī)械制動(dòng)裝置，即具有自整步能力。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)外表溫度相對(duì)較高，一般在攝氏80-90度之間。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。具有自鎖能力、抗干擾能力強(qiáng)，多用于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)任務(wù)5.1認(rèn)識(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)項(xiàng)目5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制5.1.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)（1）步距角

控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為歩距角。電動(dòng)機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，如86BYG250A型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)給出的值為1.8°，這個(gè)步距角可以稱之為‘固有步距角’，它不一定是電動(dòng)機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器設(shè)置（細(xì)分）有關(guān)。任務(wù)5.1認(rèn)識(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)項(xiàng)目5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制5.1.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)（1）步距角

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每走一步,轉(zhuǎn)子實(shí)際的角位移與設(shè)計(jì)的步距角存在步距誤差。連續(xù)走若干步以后,上述步距誤差會(huì)形成累積值，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一圈后，會(huì)回到上一轉(zhuǎn)的穩(wěn)定位置,所以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距的誤差不會(huì)無(wú)限累積,只會(huì)在一轉(zhuǎn)的范圍內(nèi)存在一個(gè)最大累積誤差。步距誤差和累積誤差通常用度、分或者步距角百分比表示。任務(wù)5.1認(rèn)識(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)項(xiàng)目5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制5.1.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)（2）起動(dòng)頻率

空載時(shí),步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)突然起動(dòng),不丟步地進(jìn)人正常運(yùn)行狀態(tài)所允許的最高起動(dòng)頻率。

負(fù)載越大，起動(dòng)頻率越低。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，起動(dòng)頻率越低。

給電機(jī)一個(gè)脈沖，就轉(zhuǎn)一個(gè)角度，如果脈沖頻率過(guò)快，電機(jī)不能轉(zhuǎn)動(dòng)指定角度，相當(dāng)于把其中的幾個(gè)脈沖信號(hào)丟掉了，就叫丟步，也就是失步；

過(guò)沖是指電機(jī)接到停止命令后，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩使電機(jī)停止位置超過(guò)了指定位置。任務(wù)5.1認(rèn)識(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)項(xiàng)目5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制5.1.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)（3）矩頻特性

矩頻特性是描述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)