1、,步进电机控制技术,补充内容,小步距角的步进电机,步进电机工作方式,步进电机简介及结构,反应式步进电机的特性,步进电机的控制,一、步进电机简介及结构,机理,步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械部件移动一小段距离。,特点,来一个脉冲，转一个步距角；控制脉冲频率，可控制电机转速；改变脉冲顺序，改变电机转动方向。,步进电机的应用非常广泛。如：在数控机床、自动绘图仪等设备中都得到应用。,应用,一、步进电机简介及结构,种类,下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。,Physics review:,Nature is la
2、zy.,iron core vs. magnet,magnetic fields tend to line up,步进电动机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极 。,一、步进电机简介及结构,以三相步进电机为例,定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。注意： 这里的相和三相交流电中的“相”的概念不同。步进电动机通的是直流电脉冲，这主要是指线圈的联接和组数的区别。,一、步进电机简介及结构,二、步进电机工作方式,步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。,三相单三拍,（1）三相绕组联接方式：Y型 （2）三相绕组中的通电顺序为
3、：,二、步进电机工作方式,（3）工作过程,A 相通电，A 方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。,A 相通电使转子1、3齿和 AA 对齐。,同理，B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电位置转30；C相通电再转30。,二、步进电机工作方式,二、步进电机工作方式,这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。,三相单三拍的特点：,（1）每来一个电脉冲，转子转过 30。此角称为步距角，用S表示。,（2）转子
4、的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。,二、步进电机工作方式,三相单双六拍,三相绕组的通电顺序为： AABBBCCCAA 共六拍。,工作过程：,A相通电，转子1、3齿和A相对齐。,二、步进电机工作方式,A、B相同时通电,（1）BB 磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针方向转动。 （2）AA 磁场继续对1、3齿有拉力。所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通电，转子转了15。,二、步进电机工作方式,B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15。,总之，每个循环周期有六种通电状态，所以称为三相单双六拍，步距角为15。,二、步进电机工作方式,三相双三拍,三相绕
5、组的通电顺序为： AB BC CA AB 共三拍。,二、步进电机工作方式,工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转30，即 S = 30。,三、小步距角的步进电机,实际采用的步进电机的步距角多为3度和1.5度，步距角越小，机加工的精度越高。,为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子40个齿，定子仍是 6个磁极，但每个磁极上也有五个齿。,三、小步距角的步进电机,转子的齿距等于360/40=9 ，齿宽、齿槽各4.5 。,为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽和齿槽和转子相同。,三、小步距角的步进电机,工作原理：假设是单三拍通电工作方式。,（1）A 相通电时，定子A 相的五个
6、小齿和转子对齐。此时，B 相和 A 相空间差120，含 120/9 = 个齿。 A 相和 C 相差240，含240/ 9 = 个齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿对齐时，B 相、C 相不能对齐，B相的转子、定子相差1/3 个齿（3），C相的转子、定子相差2/3个齿（6）。,三、小步距角的步进电机,（2）A 相断电、B 相通电后，转子只需转过1/3个齿（3），使 B 相转子、定子对齐。 同理，C 相通电再转3 ,若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，转子只转 1.5 。,步进电机的转动方向仍由通电顺序决定。,三、小步距角的步进电机,步进电机通过一个电脉冲,转子转过的角度,称为步距角。,四
7、、反应式步进电机的特性,静态特性,静态特性是指通电状态不变,电机处于稳定状态时的特性。,静特性,静转矩矩角特性静态稳定区,需要弄清楚几个名词： (1)初始稳定平衡位置：指步进电动机在空载情况下，控制绕组中通以直流电流时，转子的最后稳定位置;,(2)失调角：指步进电动机转子偏离初始平衡位置的电角度。在反应式步进电动机中，转子一个齿距所对应的电角度为2。 (3)矩角特性：在不改变通电状态(即控制绕组电流不变)时，步进电动机的静转矩与转子失调角的关系，即=f()。,四、反应式步进电机的特性,步进电机的矩角特性T=-Tmaxsin=-f(I) sin,四、反应式步进电机的特性,(4)静态稳定区：在空载
8、时，稳定平衡位置对应于=0处，而=180度则为不稳定平衡位置。在静态情况下，如受外力矩的作用使转子偏离稳定平衡位置，但没有超出相邻的不稳定平衡点，则当外力矩除去以后，电动机转子在静态转矩作用下仍能回到原来的稳定平衡点，所以二个不稳定平衡点之间的区域构成静态稳定区。 (5)最大静转矩：Tmax=f(I) 当一相绕组通电时，在=90有最大静转矩。,最大静转矩特性,四、反应式步进电机的特性,(6)矩角特性簇：各相控制绕组通电状态下的矩角特性。,矩角特性族中的每一条曲线依次错开一个用电角度表示的步距角se=2/N。,五、其他型式步进电机,永磁式步进电机,定子为两相(或多相)绕组；转子为星形永久磁钢；转
9、子极对数应与定子每相绕组的极对数相同。,转子极对数 p =2,二相单四拍：定子绕组按AB(-A)(-B)A的次序通电，转子将顺时针方向转过45。步距角为：,五、其他型式步进电机,二相双四拍：定子绕组按ABB(-A)(-A)(-B)(-B)AAB的次序通电，转子将顺时针方向转过45。永磁式步进电动机的特点是：步距角大，启动和运行频率低，需正负脉冲供电 ；但所需控制功率小，效率高。,五、其他型式步进电机,混合式步进电机,定子结构与反应式步进电动机相同。 转子由环形磁钢和两段铁芯组成，环形磁钢在转子中部，轴向充磁，两段铁芯分别装在磁钢的两端。,五、其他型式步进电机,气隙上有两个磁动势：一个永磁磁动势
10、，一个是控制绕组通电产生的磁动势。它们有时相加，有时相减。故称为混合式。,对驱动电源的基本要求1、驱动电源的相数、通电方式和电压、电流都要满足步进电动机的要求；2、要满足步进电动机起动频率和连续运行频率的要求；3、能最大限度地抑制步进电动机的振荡；4、工作可靠，抗干扰能力强；5、成本低、效率高，安装维护方便。,六、步进电机驱动,六、步进电机驱动,变频信号源：是一个脉冲频率由几赫到几十千赫可连续变化的信号发生器，可以是计算机或振荡器。脉冲分配器：一种逻辑电路，由双稳态触发器和门电路组成，它可能将输入的电脉冲信号根据需要循环地分配到脉冲放大器进行功率放大，并使步进电动机按选定的运行方式工作。,驱动
11、电源组成,六、步进电机驱动,三相单三拍脉冲分配器,开始工作时加上预置脉冲信号使触发器置0，即Q1=Q2=“0”；,六、步进电机驱动,三相单、双六拍单转向脉冲分配器,六、步进电机驱动,功率驱动电路单极性驱动（反应式步进电动机）单一电压型功率放大电路,优点：线路简单，功率元件少，成本低。缺点：Rf1上要消耗能量，工作效率低。只适用于小功率步进电动机。如果电容C选择不当，在低频段会使振荡有所增加，使低频性能变差。,六、步进电机驱动,高、低电压切换型功率放大电路,优点：电源功耗比较小，效率比较高。矩频特性好，启动和运行频率得到了很大的提高。主要缺点：低频运行时输入能量过大，造成电机低频振荡加重；增大了
12、电源的容量，对功率管性能参数的要求高。常用于大功率步进电动机的驱动,六、步进电机驱动,细分驱动放大电路,细分电流波形,先放大后合成,先合成后放大,电流的每个阶梯，电机转动一步，步距角减小了很多。,六、步进电机驱动,双极性驱动（永磁式和混合式步进电动机）,正负电源供电,单一电源供电,由于双极性驱动电路较为复杂，过去仅用于大功率步进电动机机。但近年来出现了集成化的双极性驱动芯片，使它能方便应用于对效率和体积要求较高的产品中。 如：L298双H桥驱动器， L297斩波驱动控制器,六、步进电机驱动,由专用芯片构成的双极性恒流斩波驱动电路,六、步进电机驱动,L297电路原理图,六、步进电机驱动,L298
13、内部原理框图,七、步进电机的控制与应用,步进电动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，使驱动电源按照要求的规律驱动电动机运行。简单的控制过程可以用各种逻辑电路来实现，缺陷就是逻辑线路复杂，控制方案难以改变。 目前，主要采用单片机作为步进电动机的控制器进行控制，很好地克服了硬件逻辑线路控制器的缺点。,七、步进电机的控制与应用,步进电机的控制,一）、步进电机开环控制系统,串行控制 具有串行控制功能的单片机系统与步进电动机驱电源之间具有较少的连线。这种系统中，驱动电源中必须含有环形分配器，其功能框图如下页所示。,七、步进电机的控制与应用,脉冲分配电路亦称环行分配器，
14、用来对输入的步进脉冲进行逻辑变换，产生给定工作方式所需的各相脉冲序列信号。功率放大电路对脉冲分配电路输出的信号进行放大，产生使电动机旋转所需的激磁电流。步进方向信号指定各相导通的先后次序，用以改变步进电机旋转方向。电源控制信号用来在必要时使各相电流为零，以达到降低功耗等的目的。,七、步进电机的控制与应用,并行控制 用微机系统的数条端口线直接去控制步进电动机各相驱动电路的方法称为并行控制。在驱动电源内，不包含环形分配器，其功能必须由微机系统完成。 并行控制方案的功能框图如下页图所示。,七、步进电机的控制与应用,七、步进电机的控制与应用,1、环形分配器,环形分配器是根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关
15、系加到放大器上，使各相绕组按一定的顺序和时间导通和断开，并根据指令使电动机正转或反转，实现确定的运行方式。环形分配器可以由硬件和软件两种方式实现。 硬件环形分配器由门电路和双稳态触发器组成的逻辑电路构成。特点：直观、维护方便、响应速度较好。 软件环形分配受微机运算速度限制，难以满足高速实时控制的要求。,七、步进电机的控制与应用,1.1、硬件环形分配器,集成脉冲分配器CH250是专为三相反应式步进电动机设计的环形分配器。这种集成电路采用CMOS工艺，集成度高，可靠性好。它的管脚图及三相六拍工作时的接线图如图所示。,七、步进电机的控制与应用,R和R*分别为双三拍运行和六拍运行的复位端。当R加上正脉
16、冲，ABC的状态为110，而R*加上正脉冲后，ABC的状态为100，以避免ABC出现000或111非法状态。,CH250有A、B、C三个输出端，当输入端CL或EN加上时钟脉冲后，输出波形将符合三相反应式步进电动机的要求。 若采用CL脉冲输入端时，是上升沿触发，同时EN为使能端，EN1时工作，EN0时禁止。反之，采用EN作时钟端，则下降沿触发，此时CL为使能端，CL0时工作，CL1时禁止。,七、步进电机的控制与应用,1.2、软件环形分配器,一般微机系统需要进行如下设置：设置输出接口；设计环形分配子程序；在存储器中建立环形分配表；设计延时子程序。 设计延时子程序来控制步进频率。,七、步进电机的控制
17、与应用,设计延时子程序（速度控制）,控制步进电动机的运行速度，实际上就是控制系统发出脉冲的频率或者换相的周期。系统可以用两种方法确定脉冲的周期（频率）：软件延时 软件延时的方法是通过调用延时子程序的方法实现的，它占用CPU时间。定时器 定时器方法是通过设置定时时间常数的方法来实现，不占用CPU资源。,七、步进电机的控制与应用,步进电机控制系统原理,1.3.步进电机通电模型的建立：（1）用微型机输出接口的每一位控制一相绕组，【例如】用 8255 控制三相步进电机时， 可用 PC.O、PC.1、PC.2 分别接至步进电机的 A、 B、 C 三相绕组。（2）根据所选定的步进电机及控制方式，写出相应控
18、制方式的数学模型。 上面讲的三种控制方式的数学模型分别为：,微机控制技术, 三相单三拍,微机控制技术, 三相双三拍,用 P1口 的 P1.2 、P1.1、P1.0 对应 C、B、A 相 进行控制 。,步进电机控制系统原理,同理，可以得出三相六拍的控制模型： 三相六拍 01H，03H，02H，06H，04H，05H 以上为步进电机正转时的控制顺序及数学模型， 如按逆序进行控制，步进电机将向相反方向转动。,微机控制技术,步进电机与微型机的接口及程序设计,1.4.步进电机与微型机的接口电路（1）由于步进电机的驱动电流较大，所以微型机与 步进电机的连接都需要专门的接口及驱动电路。接口电路可以是锁存器，
19、也可以是可编程接口芯片，如 8255、8155等。驱动器可用大功率复合管，也可以是专门的驱动器。 光电隔离器，一是抗干扰，二是电隔离，,微机控制技术,步进电机与微型机的接口及程序设计,微机控制技术,1,0,0,1,0,0,1,0,0,步进电机与微型机的接口及程序设计,总之， 只要按一定的顺序 改变 三相通电的状况， 即可控制步进电机依选定的方向步进。,微机控制技术,步进电机与微型机的接口及程序设计,由于步进电机运行时功率较大， 可在微型机与驱动器之间增加一级光电隔离器，以防强功率的干扰信号反串进主控系统。如 图,微机控制技术,步进电机与微型机的接口及程序设计,微机控制技术,0,0,1,0,1,
20、1,1,0,0,步进电机 的实际驱动电路,单极性 (unipolar),步进电机 的实际驱动电路,双极性 (bipolar),步进电机的驱动控制,在点位控制过程中，运行速度需要有一个“加速恒速减速低恒速停止”的加减速过程。点位控制的加减速过程如图所示。,步进电动机的加减速控制,习 题,1、一台三相反应式步进电动机，采用三相六拍分配方式，转子有40个齿，脉冲频率为600HZ，求：写出一个循环的通电程序。步进电动机步距角。步进电动机转速。2、若一台BF系列四相反应式步进电动机，其步距角为1.8/0.9。试问：1.8/0.9表示什么意思？转子齿数为多少？写出四相八拍运行方式的一个通电顺序。在A相测得电源频率为400Hz时，其每分钟的转速为多少？,
