1、步進電動機傳動控制系統(tǒng),第 13 篇,13.1 步進電動機結(jié)構(gòu)與工作原理,步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械位移的機電執(zhí)行元件。,步進電動機的分類：,工作原理,反應(yīng)式,永磁式,混合式,輸出轉(zhuǎn) 矩大小,快速步進電機,功率步進電機,勵磁相數(shù),二、三、四、五、六、八相等,角位移,輸入脈沖個數(shù),運行速度,輸入脈沖頻率,特點: (1)來一個脈沖，轉(zhuǎn)一個步距角。 (2)控制脈沖頻率，可控制電機轉(zhuǎn)速。 (3)改變脈沖順序，可改變轉(zhuǎn)動方向。,13.1 步進電動機結(jié)構(gòu)與工作原理,區(qū)別在于勵磁式步進電機的轉(zhuǎn)子上有勵磁線圈，反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子上沒有勵磁線圈。,種類：勵磁式和反應(yīng)式兩種。,下面以反應(yīng)式步進電機為

2、例說明步進電機的 結(jié)構(gòu)和工作原理。,13.1 步進電動機結(jié)構(gòu)與工作原理,步進電動機的工作原理,給A相繞組通電時，轉(zhuǎn)子位置如圖（a），轉(zhuǎn)子齒偏離定子齒一個角度。由于勵磁磁通力圖沿磁阻最小路徑通過，因此對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁吸力，迫使轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到與定子齒對齊位置時(圖b)，因轉(zhuǎn)子只受徑向力而無切線力，故轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子被鎖定在這個位置上。由此可見：錯齒是助使步進電機旋轉(zhuǎn)的根本原因。,三相反應(yīng)式步進電動機的原理結(jié)構(gòu)圖如下：,A,定子內(nèi)圓周 均勻分布著六個 磁極，磁極上有 勵磁繞組，每兩 個相對的繞組組 成一相。轉(zhuǎn)子有 四個齒。,定子,轉(zhuǎn)子,13.1.1 三相單三拍,A相繞組通電，B、C 相 不通電。

3、由于在磁場作用下， 轉(zhuǎn)子總是力圖旋轉(zhuǎn)到磁阻最 小的位置，故在這種情況下， 轉(zhuǎn)子必然轉(zhuǎn)到左圖所示位置： 1、3齒與A、A極對齊。,13.1 步進電動機結(jié)構(gòu)與工作原理,同理，B相通電時，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過30角，2、4 齒和B、B 磁極軸線對齊；當(dāng)C相通電時，轉(zhuǎn)子 再轉(zhuǎn)過30角，1、3齒和C、C 磁極軸線對齊。,13.1 步進電動機結(jié)構(gòu)與工作原理,這種工作方式下，三個繞組依次通電一次為一個循環(huán)周期，一個循環(huán)周期包括三個工作脈沖，所以稱為三相單三拍工作方式。,按AB C A 的順序給三相繞組輪流通電，轉(zhuǎn)子便一步一步轉(zhuǎn)動起來。每一拍轉(zhuǎn)過30(步距角)，每個通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)過90(一個齒距角)。,13.1

4、 步進電動機結(jié)構(gòu)與工作原理,13.1.2 三相六拍,按AAB B BC C CA的順序給三相繞組輪流通電。這種方式可以獲得更精確的控制特性。,A相通電，轉(zhuǎn)子1、 3齒與A、A 對齊。,A、B相同時通電， A、A 磁極拉住1、3齒，B、B 磁極拉住2、4齒，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15，到達左圖所示位置。,B 相通電，轉(zhuǎn)子2、 4齒與B、B 對齊,又轉(zhuǎn) 過15。,B、C相同時通電， C 、C 磁極拉住1、3 齒，B、B 磁極拉住 2、4齒，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過 15。,三相反應(yīng)式步進電動機的一個通電循環(huán)周 期如下：AAB B BC C CA，每個循 環(huán)周期分為六拍。 每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15（步距角），一個通電循環(huán)周期(6拍)轉(zhuǎn)

5、子轉(zhuǎn)過90 (齒距角)。,與單三拍相比，六拍驅(qū)動方式的步進角更 小，更適用于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。,13.1.3 三相雙三拍,按AB BC CA的順序給三相繞組輪流通 電。每拍有兩相繞組同時通電。,與單三拍方式相似，雙三拍驅(qū)動時每個通電循 環(huán)周期也分為三拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30 (步距角)， 一個通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90(齒距角)。,從以上對步進電機三種驅(qū)動方式的分析可 得步距角計算公式：,實用步進電機的步距角多為3和1.5 。為了獲得小步距角，電機的定子、轉(zhuǎn)子都做成多齒的，如教材圖10.4.4所示。圖中轉(zhuǎn)子表面有40個齒，,齒距角是9；定子仍是 6個磁極，但每個磁極表面加工有五個和轉(zhuǎn)

6、子一樣的齒。,步進電動機的應(yīng)用非常廣泛，如各種數(shù)控 機床、自動繪圖儀、機器人等。,應(yīng)用：,13.2 步進電動機的步距角,由一個通電狀態(tài)改變到下一個通電狀態(tài)時，電動機轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角。T11-2.SWF,360/ZKm,其中：Z轉(zhuǎn)子齒數(shù) m定子繞組相數(shù) K通電系數(shù) K=1,2,若二相步進電動機的Z=100，單拍運行時，其步距角,若按單、雙通電方式運行時，步距角,由此可見，步進電動機的轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z和定子相數(shù)(或運行拍數(shù))愈多，則步距角愈小，控制越精確。 當(dāng)定子控制繞組按著一定順序不斷地輪流通電時，步進電動機就持續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。如果電脈沖的頻率為f(HZ)，步距角用弧度表示，則步進電動機的轉(zhuǎn)速

7、為：,13.2 步進電動機的步距角,13.3 步進電動機的主要性能指標(biāo),1. 步距角,2. 最大工作頻率：在轉(zhuǎn)子不失步的情況下，電動機連續(xù)工作時，輸入脈沖信號的最大頻率。,3. 最大突跳頻率：在轉(zhuǎn)子不失步的情況下，電動機能增加和減小的最大頻率。,4. 步距差：理想的步矩角與實際的步矩角之差。,5. 輸出轉(zhuǎn)矩：電動機軸上的輸出轉(zhuǎn)矩的大小,步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩與脈沖頻率的函數(shù)關(guān)系稱為矩頻特性。,13.4 步進電動機的驅(qū)動電源,一、驅(qū)動電源的組成,脈沖分配器+功率放大電路,1. 脈沖分配器,當(dāng)方向電平為低時，脈沖分配器的輸出按A-B-C的順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。,當(dāng)方向電平為高時，脈沖分配器的輸出按A-C

8、-B的順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。,2.功率放大器,將脈沖分配器的輸出信號進行電流放大后給電動機的定子繞組供電，使電動機的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩。,二、步進電動機的脈沖分配器,步進電動機的脈沖分配器可由硬件或軟件方法來實現(xiàn)。,硬件環(huán)形分配器：由計數(shù)器等數(shù)字電路組成的。有較好的響應(yīng)速度，且具有直觀、維護方便等優(yōu)點。,軟件環(huán)分：由計算機接口電路和相應(yīng)的軟件組成的。受到微型計算機運算速度的限制，有時難以滿足高速實時控制的要求。,1.硬件環(huán)形分配器,2軟件環(huán)形分配,軟件環(huán)分的方法是利用計算機程序來設(shè)定硬件接口的位狀態(tài)，從而產(chǎn)生一定的脈沖分配輸出。,1) 輸出接口,8031單片機本身包含4個8位I/O端口，分別為P0、P1、P2、P3。,輸出接口是將計算機的輸出端與步進電動機的每相繞組一一對應(yīng)起來。,若要實現(xiàn)三相步進電動機的脈沖分配，需要三根輸出口線，本例中選P1口的P1.0、P1.1、P1.2位作為脈沖分配的輸出。,三、步進電動機的功率放大電路,步進電動機的功率驅(qū)動電路實際上是一種脈沖放大電路，使脈沖具有一定的功率驅(qū)動能力。,由于功率放大器的輸出直接驅(qū)動電動機繞組，因此，功率放大電路的性能對步進電動機的運行性能影響很大。,1.單電壓驅(qū)動電路,L是電動機繞組,VT開關(guān)晶體管,電阻R兩端并聯(lián)電容C，使電流上升