1、特种电机及其控制,1,第3章 步进电动机及其控制Stepping Motors,特种电机及其控制,2,3.1 步进电动机的结构与工作原理,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，带动机械移 动一小段距离。,特点：(1)给一个脉冲，转一个步距角。 (2)控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序，改变转动方向。,特种电机及其控制,3,以反应式为例说明步进电机的结构和原理,通常按励磁方式分为三大类：,1）反应式：转子为软磁材料，无绕组，定、转子开小齿、步距小。应用最广。2）永磁式：转子为永磁材料，转子的极数=每相定子极数，
2、不开小齿，步距角较大，力矩较大3）感应子式(混合式)： 转子为永磁式、两段，开小齿，混合反应式与永磁式优点：转矩大、动态性能好、步距角小。但结构复杂，成本较高。,步进电动机的种类：,特种电机及其控制,4,3.1.1 步进电动机结构,反应式步进电机,特点定转子开小齿定转子均为软磁材料小步距,特种电机及其控制,5,步进电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 。,定子,转子,定子绕组,特种电机及其控制,6,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。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线路的联接和组数的
3、区别。,IA,IB,IC,特种电机及其控制,7,永磁式步进电机结构,特点转子磁极为永磁材料定子每极相数等于转子极数不开小齿，大步矩、大力矩,特种电机及其控制,8,混合式步进电机(Hybrid)结构,特点：转子永磁、两极，定转子均开小齿，混合二者优点。,特种电机及其控制,9,3.1.2 工作方式,三相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。,一、三相单三拍,（1）三相绕组联接方式：Y 型,特种电机及其控制,10,（3）工作过程,A 相通电使转子1、3齿和 AA 对齐。,特种电机及其控制,11,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3
4、0,特种电机及其控制,12,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。,特种电机及其控制,13,二、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。,特种电机及其控制,14,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。,（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。,A、B
5、相同时通电,（2）AA 磁场继续对1、3齿有拉力。,特种电机及其控制,15,总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为15。,B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15。,特种电机及其控制,16,三、三相双三拍,三相绕组的通电顺序为： AB BC CA AB 共三拍。,特种电机及其控制,17,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。,特种电机及其控制,18,3.1.3 小步距角的步进电动机,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
6、个磁极，但每个磁极上也有五个齿。,特种电机及其控制,19,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。,特种电机及其控制,20,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 相的五个小齿和转子对齐。此时，B 相和 A 相空间差120，含 120/9 = 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）。,特种电机及其控制,21,若工作方式改为三相六
7、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相序决定。,同理，C 相通电再转3 ,（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。,特种电机及其控制,22,3.1.4 步进电机的特点,1）步进电机工作时，每相绕组由专门的驱动电源通过“环形分配器”按一定规律轮流通电。,步进电机轮流通电方式分配方式每一次循环所包含的通电状态数拍数状态数=相数单拍制分配方式 (如：三相单三拍、四相双四拍)状态数=相数的两倍双拍制分配方式 (如：三相六拍、四相八拍),特种电机及其控制,23,步进机通过一个电脉冲转子转过的角度,称为步距角。,N:一个周期的
8、运行拍数Zr：转子齿数,如：Zr=40 , N=3 时,2) 步距角,特种电机及其控制,24,3) 转速,每输入一个脉冲，电机转过,即转过整个圆周的1/(ZrN）, 也就是1/(ZrN）转,因此每分钟转过的圆周数，即转速为,4)步进电机具有自锁能力,当控制脉冲停止输入、而使最后一个脉冲控制的绕组继续通电时，电机可以保持在固定位置。,特种电机及其控制,25,3.2 反应式步进电机的特性,3.2.1 步进电机的振荡、失步与对策,步进电动机的振荡和失步是种普遍存在的现象，它影响应用系统的正常运行，国此要尽力去避免。,1、振 荡,步进电动机的振荡现象主要发生于：步进电动机工作在低频区；步进电动机工作在
9、共振区；步进电动机突然停车时。,特种电机及其控制,26,1）低频振荡：当步进电动机工作在低频区时，由于励磁脉冲间隔的时间较长，步进电动机表现为单步运行。当励磁开始时，转子在电磁力的作用下加速转动。在到达平衡点时。电磁驱动转矩为零，但转子的转速最大由于惯性，转子冲过平衡点。这时电磁力产生负转还，转子在负转矩的作用下，转速逐渐为零，并开始反向转动。当转子反转过平衡点后。电磁力又产生正转矩，迫使转子又正向转动。如此下去，形成转子围绕平衡点的振荡。由于有机械摩擦和电磁阻尼的作用，这个振荡表现为衰减振荡、最终稳定在平衡点。,特种电机及其控制,27,2） 低频共振：当步进电动机的脉冲频率接近步进电动机的固
10、有振荡频率或振荡频率的分频或倍频时，会使振荡加剧，严重时造成失步。,当步进电动机工作在高频区时，由于换相周期短，转子来不及反冲。同时。绕组中的电流尚未上升到稳定值，转子没有获得足够的能量，所以在这个上作区中不会产生振荡。,特种电机及其控制,28,2、失 步： 步进电动机的失步原因有2种：,2）转子的平均速度大于旋转磁场的速度。这主要发生在制动和突然换向时，转子获得过多的能量，产生严重的过冲，引起失步。,例：步进电动机在启动时，如果脉冲的频率较高，由于电动机来不及获得足够的能量，转子无法跟上旋转磁场的速度，所以引起失步。因此，步进电动机有一个启动频率。超过启动频率启动时，肯定会产少失步。注意：启
11、动频率不是一个固定值提高电动机的转矩、减小负载转动惯量、减小步距角都可以提高步进电动机的启动频率。,1）转子的转速慢于旋转磁场的速度、或者说慢于换相速度。,特种电机及其控制,29,3、消除振荡阻尼方法：机械阻尼法和电子阻尼法,机械阻尼法比较单一，就是在电动机轴上加阻尼器，电子阻尼法则有多种：,1)多相励磁法多相励磁会产生电磁阻尼，削弱或消除振荡现象，如电动机的双三拍和六柏方式。,2)变频变压法步进电机在高频和在低频时转子所获得的能量不一样。在低频时，绕组中的电流上升时间长，转子获得的能量大，因此容易产生振荡，在高频时则相反。所以，可以设计一种电路，使电压随频率的降低而减小，这样使绕组在低频时的
12、电流减小，可以有效地消除振荡。,特种电机及其控制,30,3)细分步法将步进电动机绕组中的稳定电流分成若干级，每进一步，电流升一级，也相对地提高步进频率，使步进过程平稳进行。,4)反相阻尼法用于步进电动机制动在步进电动机转子要过平衡点之前，加一个反向作用力以平衡惯性力，使转子到达平衡点时速度为零，实现准确制动。例如，三相步进电动机工作在单三拍，正处于B拍，并希望它停在C拍，则控制换相B-C-B-C,第二个B拍起平衡惯性力作用，而不是让电动机走一步,特种电机及其控制,31,单相通电时矩角特性,3.2.2 步进电机的矩角特性,零位转子处于平衡点的位置,失调角转子偏离零位线的夹角e,失调角是在齿距角范
13、围内变化的，为了表示方便，将齿距角的范围看成2电角度。,1、单相通电,特种电机及其控制,32,e=0无切向力Te=0,e0切向力负转矩e=/2 Te=max,e=两齿之间切向力抵Te=0,e 位于下个定子齿附近，产生正转矩,特种电机及其控制,33,三相电机两相通电的矩角特性,2、多相通电,对于三相步进电动机来说，两相通电时的最大转矩与单相通电时的最大转矩相同，也就是说，三相步进电动机不能靠增加通电相数来提高最大转矩。,多相通电时的矩角特性可近似地由每相单独通电时的矩角特性叠加求出,特种电机及其控制,34,3单步运行与最大负载能力,1）负载TLTL 转子加速向新平衡点a运动。,特种电机及其控制,
14、35,步进运行所能提供的连续的最大驱动转矩为A、B两条曲线的交点纵坐标Tq。只有当负载转短TLTq时，步进电动机才能带动负载作步进运动。因此，Tq 称为最大负载转矩或启动转矩。,2）负载TLTq-A相通电稳定平衡位置为d点A相B相:转子位置来不及变化（惯性），矩角特性变为曲线B,TdTL 转子不能向新平衡点e运动。,特种电机及其控制,36,三相电机两相通电的矩角特性,三相步进电机六拍通电方式下，Tq升高，有助于电机的稳定运行。,特种电机及其控制,37,3.2.3 步进电机的矩频特性,步进电动机的输出转矩与控制脉冲频率之间的关系称为矩频特性,步进电动机矩频特性,特点：下降曲线。以最大负载转矩（启
15、动转矩）Tq为起点，随着控制脉冲频率增加，步进电动机的转速逐步升高、而带负载能力却下降,特种电机及其控制,38,矩频特性下降的原因：,步进电动机的驱动电路,1）、绕组电感影响：绕组中的电流上升和下降都需要定的时间。当脉冲频率较低时绕组通电的周期较长，电流的平均值较大，电动机获得的能量较高，能维持较高的转矩；当脉冲频率较高时，绕组中通电的周期较短, 电流的平均值较小，电动机获得的能量较少，转矩下降。,2）铁耗： 随着频率上升，转子转速升高，在定子绕组中产生的附加旋转电势使电动机受到更大的阻尼转矩，铁芯的涡损也增加。,特种电机及其控制,39,1)减小时间常数可增大电阻。为了保证通电回路中的电流不变
16、，在增加电阻的同时，还要提高电源电压。2)改进工作方式采用多相励磁的工作方式，例如，三相步进电动机的双三拍、六拍方式。多相励磁工作方式使每一相通电的时间延长，电动机就能获得较多的能量，使高额时输出的转矩增加。,提高矩频特性的高频性能措施,特种电机及其控制,40,3.3 步进电动机驱动控制器的构成,特种电机及其控制,41,2、驱动控制器的组成,步进电动机的驱动电源主要由脉冲发生器、脉冲分配器和脉冲放大器（也称功率放大器）三部分组成。,特种电机及其控制,42,脉冲分配器脉冲分配器根据指令把脉冲按一定的逻辑关系加到各相绕组的功率放大器上，使电机按一定方式运行，实现正、反转和定位。传统电路：门电路+触
17、发器组成集成电路：如CH205(CMOS)三相六拍脉冲分配器,脉冲发生器脉冲发生器是一个脉冲频率在几赫到几十千赫内可连续变化的脉冲信号发生器。最常见的有多谐振荡器和单结晶体管构成的张弛振荡器两种。,趋势：单片机控制步进电机由单片机实现脉冲发生器+脉冲分配器的功能,特种电机及其控制,43,单极性驱动电路：适用于反应式步进电动机,3.4 步进电机的功率驱动电路,按照电流流过绕组的方向是单向还是双向，功率放大电路可分为：,双极性驱动电路：适用于永磁式和混合式步进电动机,特种电机及其控制,44,步进电动机单电压驱动电路,3.4 步进电机的功率驱动电路,1、单电压驱动,R1、R2：限流、减小通电和续流的
18、时间常数,3.4.1 单极性驱动电路,特种电机及其控制,45,2、双电压驱动,1) 双电压法：在低频段使用较低的电压驱动，在高频段使用较高的电压驱动,低频：给T1低电平关断。绕组由低电压VL供电，控制脉冲通过T2使绕组得到低压脉冲。,双电压驱动原理,高频：给T1高电平导通。D2反向截止，切断低电压电源VL，电动机绕组由高电压VH供电、控制脉冲通过T2，使绕组得到高压脉冲。,特种电机及其控制,46,双电压驱动原理,特点保证了低频段仍然只有单电压驱动的特点。在高频段具有良好的高频性能，但仍没摆脱单电压驱动的弱点，限流电阻仍然会产生损耗和发热。,特种电机及其控制,47,高低压驱动原理,2)高低压法：
19、不论电动机工作频率如何，在绕组通电开始用高压供电，使绕组中电流迅速上升，而后用低压来维持绕组中的电流。,高低压开关脉冲同时起步，高压脉冲很窄,开始时T1T2同时导通, VH供电，i迅速上升VH很快关断，VL继续供电。,特种电机及其控制,48,高低压驱动法是目前普遍应用的一种方法。由于这种驱动在低频时电流有较大的上冲，电动机低频噪声较大。存在低频共振现象，使用时要注意。,高低压驱动原理,特种电机及其控制,49,3、 斩波驱动,ui为低电平时Tl和T2两个开关管均截止；ui为高电平时，T1和T2两个开关管均导通，电源向绕组供电。,由于绕组电感的作用，R上的电压逐渐升高，当超过给定电压uc时,比较器
20、输出低电平与门输出低电平 T1截止电源被切断；当取样电阻上的电压小于uc时，比较器输出高电平，与门也输出高电平，T1又导通，电源又开始向绕组供电。,特种电机及其控制,50,特 点T2每导通一次，Tl导通多次，绕组电流为锯齿波。在T2导通期间，电源是脉冲式供电的，所以提高了电源效率，并且能有效地抑制共振。由于无需外接限流电阻所以提高了高频性能，但是，由于电流波形为锯齿形，将会产生较大的电磁噪声。斩波供电只需单电源。,斩波供电的电流波形,特种电机及其控制,51,3.4.2 双极性驱动电路,1、H桥驱动电路,使用H桥驱动，每相绕组必须用一个H桥。当电机的相数较多时，所用的开关管较多，成本较高。为此，
21、可采用多相桥式驱动电路，使开关管的数目减少一半。,特种电机及其控制,52,2、五相桥驱动五相混合式步进电动机,特种电机及其控制,53,3.5 步进电动机的角度细分控制,原理1）电磁力的大小与绕组通电电流的大小有关。2）当通电相的电流并不马上升到位，而断电相的电流也非立即降为0时，它们所产生的磁场合力，会使转子有一个新的平衡位置，这个新的平衡位置是在原来的步距角范围内。,例：m=3、Zr=40、六拍，S=1.5o,如4细分，S=0.375o,3.5.1 角度细分的原理,将一个步距角细分成若干小步的驱动细分驱动,特种电机及其控制,54,a) 三拍通电 (b) 六拍通电,每拍通电使定子合成磁动势在空
22、间转动的角度减半，则步进电机的步距角减半。,特种电机及其控制,55,4细分时合成磁动势的旋转情况,AAB ABB,特种电机及其控制,56,三相六拍4细分,特种电机及其控制,57,3.5.2 角度细分控制的电路实现,恒频脉宽调制细分驱动电路,D触发器: D=“1”, CLR置零R2:采样电阻,压降输入比较器“-”,特种电机及其控制,58,复习： D触发器1、在时钟CLK信号上升沿指挥下，D型触发器能把D端的数据传输到输出端。输入端无CLK信号时，D端信号对触发器不起作用。2、触发器做成IC产品时，其输入端还增加有置“0”端(CLR)或置“1”端。它们不受CLK和D信号的影响，具有最高的优先级。,
23、特种电机及其控制,59,当D/A转换器输出的ua不变时，恒频信号CLK的上升沿使D触发器输出ub高电平，使开关管Tl、T2导通，绕组中的电流上升，取样电阻R2上压降增加。,单片机为控制主体: 1)通过定时器T0输出20kHz方波，送D触发器，作为恒频信号。2)输出阶梯电压的数字信号到D/A转换器，作为控制信号.阶梯电压的每一次变化，都使转子走一细分步。,当采样电压大于ua时、比较器输出低电平，使D触发器输出ub为低电平，Tl、T2截止，绕组的电流下降。当R2上的压降小于ua时，比较器输出高电平，使D 触发器输出高电平，T1、T2导通，绕组中的电流重新上升。,特种电机及其控制,60,上述过程反复
24、进行，使绕组电流的波顶为锯齿形。因为CLK的频率较高，锯齿形波纹很小。,当ua上升突变时，取样电阻上的压降小于ua，电流有较长的上升时间，电流大幅增长，上升一个阶级。,当ua下降突变时，R2上的压降有较长时间大于ua，比较器输出低电平，电源始终被切断使电流值大幅下降，直到新的阶级为止。,恒频细分电流波形,特种电机及其控制,61,关于细分驱动的说明在国外，步进系统主要采用二相混合式步进电机及相应的细分驱动器。目前，采用细分技术已可将原步距角分成数百份。有人对“细分”还不是特别了解，只是认为，细分是为了提高精度，其实不然，细分主要是改进性能。以二相电机为例，假如电机为3A，如果使用常规驱动器驱动该
25、电机，电机每运行一步，其绕组内的电流将从0突变为3A或3A到0，相电流的巨大变化，必然会引起电机运行的振动和噪音。如果使用细分驱动器，在10细分的状态下驱动该电机，每一电微步，其绕组内的电流变化只有0.3A而不是3A，且电流是以曲线规律变化的，这样就大大的改善了电机的振动和噪音。性能上的优点才是细分的真正优点。由于细分驱动器要精确控制电机的相电流，所以对驱动器要有相当高的技术要求和成本亦会较高。,特种电机及其控制,62,3.6 步进电机的单片机控制,3.6.1 脉冲分配,1. 通过软件实现脉冲分配,二-三通电五相十拍运行方式(ABABCBCBCDDC CDEDEDEA EAEABAB) 有10
26、个通电状态在内存区开辟一个存储空间来存放这10种输出状态(控制字)系统软件按照电机正、反转的要求，依次将10个控制字的内容取出来并送至单片机的输出口P1，每送一个控制字，就完成一拍，步进电动机转过一个步距角。,特种电机及其控制,63,2. 通过硬件实现脉冲分配,通过脉冲分配器芯片实现脉冲分配，单片机只需向脉冲分配器发送步进脉冲和控制旋转方向的电平信号,特种电机及其控制,64,3. 用软硬件相结合的方法实现脉冲分配,单片机的四条数据线P1.0P1.3直接接到EPROM(2764)的低四位地址线上，EPROM的其他地址线均接地，这样P1口可选通EPROM的16个状态。,在EPROM中存储各种通电状
27、态，如表3-7所示。在单片机的数据存储器中选一个地址作为输出状态的计数器，程序只需把计数器加1送到P1口，就可完成一拍。,特种电机及其控制,65,3.6.2 步进电动机的速度控制,步进电动机的运行速度决定于绕组的通电频率。单片机控制步进电动机速度的方法有两种：,1. 软件延时法在每次换相之后，调用一个延时子程序，待延时结束后，再执行换相子程序。周而复始，即可发出一定频率的步进脉冲，使电机按某一确定转速运转。改变延时的时间长度就可以改输出脉冲的频率，从而调节电机的转速。,2. 定时器延时法各种单片机都有数量不等的片载定时器/计数器。加载某个定时器，当定时器溢出时就会产生中断信号，中止主程序的执行
28、，转而执行中断服务程序，这样可以产生硬件延时的效果。如将电机换相子程序放在定时器中断服务程序之中，则定时器每中断一次，电机就换相一次，从而实现对电机的速度控制。,特种电机及其控制,66,3.6.3 步进电动机的加减速与定位控制,1. 加减速控制原理步进电动机驱动执行机构从一个位置向另一个位置移动时，要经历升速、恒速和减速过程。,对步进电动机的加减速有严格的要求，那就是保证在不失步和过冲的前提下，用最快的速度(或最短的时间)移动到指定位置。,如果非常缓慢地升降速，步进电动机虽然不会产生失步和过冲现象，但影响了执行机构的工作效率。,如果到终点时突然停下来，由于惯性作用，步进电动机会发生过冲，影响位
29、置控制精度。,如果起动时一次将速度升到给定速度，起动频率可能超过极限起动频率fst，造成步进电动机失步。,特种电机及其控制,67,(a) 直线升速规律 (b) 指数升速规律,步进电动机的升速规律,特种电机及其控制,68,硬件环境,走步控制对通电状态计数器进行加一运算速度控制通过不断改变定时器的装载值来实现,2. 加减速定位控制的软件设计,特种电机及其控制,69,主程序：全面管理系统资源，处理输入与显示，计算运行参数，加载定时器中断服务程序所需的全部参数和初始值，开中断，等待走步过程的结束,应用软件,定时器中断服务程序：使步进电动机走一步，累计转过的步数，向定时器送下一个延时参数,2. 加减速定位控制的软件设计,特种电机及其控制,70,定时器中断服务程序框图,2. 加减速定位控制的软件设计,
