步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)

1、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)1. 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)與種類（1） 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)。它是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。其輸入一個(gè)電脈沖就轉(zhuǎn)動(dòng)一步，即每當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組接受一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時(shí)間上與輸入脈沖同步，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電動(dòng)機(jī)繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向、很容易用微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。步進(jìn)電機(jī)具有如下特點(diǎn)：1）步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素(如電源電壓的波動(dòng)、電流的大小與波形的變化、溫度等)的影響，只要在它們的大小未引起步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生“丟步”現(xiàn)象之前，就不影響其正常

2、工作； 2）步進(jìn)電機(jī)的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一定步數(shù)以后也會(huì)出現(xiàn)累積誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一轉(zhuǎn)以后，其累積誤差變?yōu)椤傲恪?，因此不?huì)長(zhǎng)期積累； 3）控制性能好,在啟動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)時(shí)不易“丟步”。因此，步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用于開(kāi)環(huán)控制的機(jī)電一體化系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡(jiǎn)化，并可靠地獲得較高的位置精度。（2）步進(jìn)電機(jī)的種類步進(jìn)電機(jī)的種類很多，有旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機(jī)，也有直線步進(jìn)電機(jī)；從勵(lì)磁相數(shù)來(lái)分有三相、四相、五相、六相等步進(jìn)電機(jī)。就常用的旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，可將其分為以下三種：1） 可變磁阻(VR-Variable Reluctance)型該類電動(dòng)機(jī)由定子繞組產(chǎn)生的反應(yīng)電磁力吸引用軟磁鋼制成的齒形轉(zhuǎn)子作步進(jìn)驅(qū)動(dòng)，

3、故又稱反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。其結(jié)構(gòu)原理如下圖所示。其定子1與轉(zhuǎn)子2由鐵心構(gòu)成，沒(méi)有永久磁鐵，定子上嵌有線圈，轉(zhuǎn)子朝定子與轉(zhuǎn)子之間磁阻最小方向轉(zhuǎn)動(dòng)，并由此而得名可變磁型。此類電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)子直徑小，有利于高速響應(yīng)。由于VR型步進(jìn)電機(jī)的鐵心無(wú)極性，故不需改變電流極性，因此多為單極性勵(lì)磁。可變磁阻型(反應(yīng)式）三相步進(jìn)電機(jī)斷面圖 該類電動(dòng)機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子均不含永久磁鐵，故無(wú)勵(lì)磁時(shí)沒(méi)有保持力。另外，需要將氣隙做得盡可能小，例如幾個(gè)微米。這種電動(dòng)機(jī)具有制造成本高、效率低、轉(zhuǎn)子的阻尼差、噪聲大等缺點(diǎn)。但是，由于其制造材料費(fèi)用低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、步距角小，隨著加工技術(shù)的進(jìn)步，可望成為多用途的機(jī)種。2） 永磁(PM

4、-Permanent Magnet)型 永磁（PM）型步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子2采用永久磁鐵、定子1采用軟磁鋼制成，繞組3輪流通電，建立的磁場(chǎng)與永久磁鐵的恒定磁場(chǎng)相互吸引與排斥產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。其結(jié)構(gòu)如圖所示。這種電動(dòng)機(jī)由于采用了永久磁鐵，即使定子繞組斷電也能保持一定轉(zhuǎn)矩，故具有記憶能力，可用做定位驅(qū)動(dòng)。PM型電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是勵(lì)磁功率小、效率高、造價(jià)低，因此需要量也大。由于轉(zhuǎn)子磁鐵的磁化間距受到限制，難于制造，故步距角較大。與VR型相比轉(zhuǎn)矩大，但轉(zhuǎn)子慣量也較大。3） 混合(HB-Hybrid)型步進(jìn)電機(jī) 該型步進(jìn)電機(jī)不僅具有VR型步進(jìn)電機(jī)步距角小、響應(yīng)頻率高的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有PM型步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁功率小、效率高的優(yōu)點(diǎn)

5、。它的定子與VR型沒(méi)有多大差別，只是在相數(shù)和繞組接線方面有其特殊的地方，例如，VR型一般都做成集中繞組的形式，每極上放有一套繞組，相對(duì)的兩極為一相，而HB型步進(jìn)電機(jī)的定子繞組大多數(shù)為四相，而且每極同時(shí)繞兩相繞組或采用橋式電路繞一相繞組，按正反脈沖供電。這種類型的電動(dòng)機(jī)由轉(zhuǎn)子鐵心的凸極數(shù)和定子的副凸極數(shù)決定步距角的大小，可制造出步距角較小(0.9°3.6°)的電動(dòng)機(jī)。永久磁鐵也可磁化軸向的兩極，可使用軸向各向異性磁鐵制成高效電動(dòng)機(jī)。 混合型與永磁型多為雙極性勵(lì)磁 勵(lì)磁：就是向發(fā)電機(jī)或者同步電動(dòng)機(jī)定子提供定子電源的裝置。根據(jù)直流電機(jī)勵(lì)磁方式的不同，可分為他勵(lì)磁，并勵(lì)磁，串勵(lì)磁，

6、復(fù)勵(lì)磁等方式，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，勵(lì)磁就是控制定子的電壓使其產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化，改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變勵(lì)磁同樣起到改變轉(zhuǎn)速的作用。由于都采用了永久磁鐵，所以無(wú)勵(lì)磁時(shí)具有保持力。另外，勵(lì)磁時(shí)的靜止轉(zhuǎn)矩都比VR型步進(jìn)電機(jī)的大。HB和PM型步進(jìn)電機(jī)能夠用做超低速同步電機(jī)，如用60Hz驅(qū)動(dòng)每步1.8°的電動(dòng)機(jī)可作為72rmin的同步電機(jī)使用。步進(jìn)電機(jī)與DC和AC伺服電機(jī)相比其轉(zhuǎn)矩、效率、精度、高速性比較差，但步進(jìn)電機(jī)具有低速時(shí)轉(zhuǎn)矩大、速度控制比較簡(jiǎn)單、外形尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，所以在辦公室自動(dòng)化方面的打印機(jī)、繪圖機(jī)、復(fù)印機(jī)等機(jī)電一體化產(chǎn)品中得到廣泛使用，在工廠自動(dòng)化方面也可代替低檔的DC伺服電機(jī)。2

7、. 步進(jìn)電機(jī)的工作原理如下圖a所示，如果先將電脈沖加到A相勵(lì)磁繞組，定子A相磁極就產(chǎn)生磁通，并對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁拉力，使轉(zhuǎn)子的1、3兩個(gè)齒與定子的A相磁極對(duì)齊。而后再將電脈沖通入B相勵(lì)磁繞組，B相磁極便產(chǎn)生磁通。由圖b可以看出，這時(shí)轉(zhuǎn)子2、4兩個(gè)齒與B相磁極靠得最近，于是轉(zhuǎn)子便沿著逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)30°角，使轉(zhuǎn)子2、4兩個(gè)齒與定子B相磁極對(duì)齊。如果按照ABCA的順序通電，轉(zhuǎn)子則沿反時(shí)針?lè)较蛞徊讲降剞D(zhuǎn)動(dòng)，每步轉(zhuǎn)過(guò)30°，這個(gè)角度就叫步距角。顯然，單位時(shí)間內(nèi)通入的電脈沖數(shù)越多，即電脈沖頻率越高，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就越高。如果按ABCA的順序通電，步進(jìn)電機(jī)將沿順時(shí)針?lè)较蛞徊讲降剞D(zhuǎn)動(dòng)。從一相通電換

8、接到另一相通電稱為一拍，每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角。像上述的步進(jìn)電機(jī)，三相勵(lì)磁繞組依次單獨(dú)通電運(yùn)行，換接三次完成一個(gè)通電循環(huán)，稱為三相單三拍通電方式。如果使兩相勵(lì)磁繞組同時(shí)通電，即按ABBCCAAB順序通電，這種通電方式稱為三相雙三拍，其步距角仍為30°。還有一種是按三相六拍通電方式工作的步進(jìn)電機(jī)，即按照AABBBCCCAA順序通電，換接六次完成一個(gè)通電循環(huán)。這種通電方式的步距角為l5°，如下圖所示。若將電脈沖首先通入A相勵(lì)磁繞組，轉(zhuǎn)子齒1、3與A相磁極對(duì)齊，如上圖中a所示。然后再將電脈沖同時(shí)通入A、B相勵(lì)磁繞組，這時(shí)A相磁極拉著1、3兩個(gè)齒，B相磁極拉著2、4兩個(gè)齒，使轉(zhuǎn)子

9、沿著逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，轉(zhuǎn)過(guò)15°角時(shí)，A、B兩相的磁拉力正好平衡，轉(zhuǎn)子靜止于圖中b的位置。如果繼續(xù)按BBCCCAA的順序通電，步進(jìn)電機(jī)就沿著逆時(shí)針?lè)较?，?5°步距角一步步轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的步距角越小，意味著它所能達(dá)到的位置精度越高。通常的步矩角是1.5°或0.75°，為此需要將轉(zhuǎn)子做成多極式的，并在定子磁極上制成小齒，如下圖所示。如上述斷面圖所示，定子磁極上的小齒和轉(zhuǎn)子磁極上的小齒大小一樣，兩種小齒的齒寬和齒距相等。當(dāng)一相定子磁極的小齒與轉(zhuǎn)子的齒對(duì)齊時(shí)，其他兩相磁極的小齒都與轉(zhuǎn)子的齒錯(cuò)過(guò)一個(gè)角度。按著相序，后一相比前一相錯(cuò)開(kāi)的角度要大。例如轉(zhuǎn)子上有40個(gè)齒

10、，則相鄰兩個(gè)齒的齒距角是360°409°。若定子每個(gè)磁極上制成5個(gè)小齒，當(dāng)轉(zhuǎn)子齒和A相磁極小齒對(duì)齊時(shí)，B相磁極小齒則沿逆時(shí)針?lè)较虺稗D(zhuǎn)子13齒距角，即超前3°，而C相磁極小齒則超前轉(zhuǎn)子23齒距，即超前6°。 按照此結(jié)構(gòu)，當(dāng)勵(lì)磁繞組按ABCA順序以三相三拍通電時(shí)，轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針?lè)较?，?°步距角轉(zhuǎn)動(dòng)；如果按照AABBBCCCAA順序以三相六拍通電時(shí)，步距角將減小一半，為1.5°。如通電順序相反，則步進(jìn)電機(jī)將沿著順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。步距角的大小與通電方式和轉(zhuǎn)子齒數(shù)有關(guān)，其大小可用下式計(jì)算：步距角360°(z m) 式中：z-轉(zhuǎn)子齒數(shù)；

11、m-運(yùn)行拍數(shù)，通常等于相數(shù)或相數(shù)整數(shù)倍，即m=KN(N為電動(dòng)機(jī)的相數(shù)，單拍時(shí)K1，雙拍時(shí)K2)。 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)環(huán)形脈沖分配方式3. 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性及性能指標(biāo)（1） 分辨力在一個(gè)電脈沖作用下(即一拍)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移，即步距角越小，分辨力越高。最常用的有0.6°1.2°、0.75°1.5°、0.9°1.8°、1°2°、1.5°3°等。（2） 靜態(tài)特性（3） 動(dòng)態(tài)特性1） 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩上圖中，A 相與B 相矩-角特性曲線之交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，它表示步進(jìn)電機(jī)單相勵(lì)磁時(shí)所能帶動(dòng)的極限

12、負(fù)載轉(zhuǎn)矩。啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩通常與步進(jìn)電機(jī)相數(shù)和通電方式有關(guān)，如下表所示。2） 最高連續(xù)運(yùn)行頻率及矩-頻特性3） 矩頻特性及聯(lián)系尺寸 4） 空載啟動(dòng)頻率與慣-頻特性 5） 空載啟動(dòng)頻率（4） 步進(jìn)電機(jī)技術(shù)指標(biāo)實(shí)例反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)技術(shù)性能數(shù)據(jù)表永磁感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)技術(shù)性能數(shù)據(jù)(一)永磁感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)技術(shù)性能數(shù)據(jù)(二)4. 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性與配套使用的驅(qū)動(dòng)電源（驅(qū)動(dòng)器）有密切關(guān)系。驅(qū)動(dòng)電源由脈沖分配器、功率放大器等組成，如下圖所示。驅(qū)動(dòng)電源是將變頻信號(hào)源(微機(jī)或數(shù)控裝置等)送來(lái)的脈沖信號(hào)及方向信號(hào)按要求的配電方式自動(dòng)地循環(huán)供給電動(dòng)機(jī)各相繞組，以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子正反向旋轉(zhuǎn)。變頻信號(hào)源是可提供從

13、幾赫茲到幾萬(wàn)赫茲的頻率信號(hào)連續(xù)可調(diào)的脈沖信號(hào)發(fā)生器。因此，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量及頻率就可精確控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速。（1） 環(huán)形脈沖分配器步進(jìn)電機(jī)的各相繞組必須按一定的順序通電才能正常工作。這種使電動(dòng)機(jī)繞組的通電順序按一定規(guī)律變化的部分稱為脈沖分配器（又稱為環(huán)形脈沖分配器）。實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配的方法有三種。下圖是一種采用計(jì)算機(jī)軟件，利用查表或計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行脈沖的環(huán)形分配，簡(jiǎn)稱軟環(huán)分。 下表為三相六拍分配狀態(tài)，可將表中狀態(tài)代碼0lH、03H、02H、06H、04H、05H列入程序數(shù)據(jù)表中,通過(guò)軟件可順次在數(shù)據(jù)表中提取數(shù)據(jù)并通過(guò)輸出接口輸出即可，通過(guò)正向順序讀取和反向順序讀取可控制電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)

14、。通過(guò)控制讀取一次數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔可控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。該方法能充分利用計(jì)算機(jī)軟件資源以降低硬件成本，尤其是對(duì)多相的脈沖分配具有更大的優(yōu)點(diǎn)。但由于軟環(huán)分占用計(jì)算機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，故會(huì)使插補(bǔ)一次的時(shí)間增加，易影響步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度。另一種采用小規(guī)模集成電路搭接而成的三相六拍環(huán)形脈沖分配器（如下圖1所示），圖中C1、C2、C3為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。這種方式靈活性很大，可搭接任意相任意通電順序的環(huán)形分配器，同時(shí)在工作時(shí)不占用計(jì)算機(jī)的工作時(shí)間。第三種是采用專用環(huán)形分配器器件。如下圖2所示的CH250為一種三相步進(jìn)電機(jī)專用環(huán)形分配器。它可以實(shí)現(xiàn)三相步進(jìn)電機(jī)的各種環(huán)形分配，使用方便、接口簡(jiǎn)單。其中圖a為CH250的管腳

15、圖、圖b為三相六拍接線圖。 CH250工作狀態(tài)（2） 功率放大器步進(jìn)電機(jī)所使用的功率放大電路有電壓型和電流型。電壓型又有單電壓型（下圖1）、雙電壓型(高低壓型)（如下圖2，其中圖2a是由采用脈沖變壓器TI組成的、圖2b是由采用單穩(wěn)觸發(fā)器組成的）。電流型中有恒流驅(qū)動(dòng)、斬波驅(qū)動(dòng)等。（3） 細(xì)分驅(qū)動(dòng) 上述提到的步進(jìn)電機(jī)的各種功率放大電路都是采用環(huán)形分配器芯片進(jìn)行環(huán)形分配，控制電動(dòng)機(jī)各相繞組的導(dǎo)通或截止，從而使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，步距角的大小只有兩種，即整步工作或半步工作。步距角已由步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)所確定。如果要求步進(jìn)電機(jī)有更小的步距角或者為減小電動(dòng)機(jī)振動(dòng)、噪聲等原因，可以在每次輸入脈沖切換時(shí)，不是將繞組

16、電流全部通入或切除，而是只改變相應(yīng)繞組中額定電流的一部分，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的每步運(yùn)動(dòng)也只有步距角的一部分。這里繞組電流不是一個(gè)方波，而是階梯波，額定電流是臺(tái)階式的投入或切除，電流分成多少個(gè)臺(tái)階，則轉(zhuǎn)子就以同樣的個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這樣將一個(gè)步距角細(xì)分成若干步的驅(qū)動(dòng)方法被稱為細(xì)分驅(qū)動(dòng)。細(xì)分驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是：在不改動(dòng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，能使步距角減小。但細(xì)分后的步距角精度不高，功率放大驅(qū)動(dòng)電路也相應(yīng)復(fù)雜；能使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、提高勻速性，并能減弱或消除振蕩。功率開(kāi)關(guān)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電源疊加細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理步進(jìn)電機(jī)的微機(jī)控制（串行、并行控制示意）點(diǎn)-位控制的加減速過(guò)程 升速規(guī)律一般可有兩種選擇：一是按照直線規(guī)律升速，二是按指數(shù)規(guī)律升速。按直線規(guī)律升速時(shí)加速度為恒值，因此要求步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為恒值。從電動(dòng)機(jī)本身的矩-頻特性來(lái)看，在轉(zhuǎn)速不是很高的范圍內(nèi)，輸出的轉(zhuǎn)矩可基本認(rèn)為恒定。但實(shí)際上電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩將有所下降，如按指數(shù)規(guī)律升速，加速度是逐漸下降的，接近電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律。 用微機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行加減速控制，實(shí)際上就是改變輸出步進(jìn)脈沖的時(shí)間間隔。升速時(shí)使脈沖串逐漸加密，減速時(shí)使脈沖串逐漸稀疏。微機(jī)用定時(shí)器中斷的方式來(lái)控制電動(dòng)機(jī)變速時(shí),實(shí)際上就是不斷改變定時(shí)器裝