步進電動機的控制

1、步進電動機的控制1第1頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四內容提要第1節(jié) 步進電動機的工作原理及驅動方法 第2節(jié) 步進電動機的開、閉環(huán)控制 第3節(jié) 步進電動機的最佳點-位控制 第4節(jié) 步進電動機控制的程序設計2第2頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四引 言步進電動機主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，也可以用于閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于它可以直接接收計算機輸出的數(shù)字信號，而不需要進行數(shù)/模轉換，所以廣泛應用于數(shù)字控制系統(tǒng)。步進電機角位移與控制脈沖間精確同步，若將角位移的改變轉變?yōu)榫€性位移、位置、體積、流量等物理量的變化，便可實現(xiàn)對它們的控制。（例如，在機械結構中，可以用絲

2、杠把角度變成直線位移，也可以用它帶動螺旋定位器，調節(jié)電壓和電流，實現(xiàn)對執(zhí)行機構的控制。）步進電動機具有快速啟停、精確步進的特點，使其在定位場合中得到了廣泛的應用。(如繪圖機、打印機及光學儀器中，采用步進電動機來定位繪圖筆、印字頭或光學鏡頭。在工業(yè)過程控制的位置控制系統(tǒng)中應用也越來越廣泛。)3第3頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四第1節(jié) 步進電動機的工作原理及驅動方法 步進電動機是一種將電脈沖信號變換成相應的角位移或直線位移的機電執(zhí)行元件。相當于一個數(shù)字/角度轉換器，也是一個串行的數(shù)/模轉換器。輸入一個電脈沖，電動機就轉動一個固定的角度，稱為“一步”，這個固定的角度稱為步

3、距角?？刂菩盘柺敲}沖電壓、電流，所以有時也稱為脈沖電動機或電脈沖馬達。 4第4頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四 1. 電機輸出軸的角位移與輸入脈沖數(shù)成正比；轉速與脈沖頻率成正比；轉向與通電相序有關。沒有累積誤差，具有良好的跟隨性。 2. 由步進電機與驅動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既簡單、廉價，又非?？煽俊Ｍ瑫r，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 3. 步進電機的動態(tài)響應快，易于起停、正反轉、變速。 4. 步進電機存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對控制系統(tǒng)和機械負載采取相應的措施。 5. 步進電機自身的噪聲和振動較大，帶慣性負載的能力較差。步進電動機有如下特點：5第

4、5頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四1.按運動方式來分：分為旋轉運動、直線運動、平面運動（印刷繞組式）和滾切運動式步進電機。2.按工作原理來分：分為反應式(磁阻式)、電磁式、永磁式、永磁感應式（混合式）步進電機。3.按其工作方式來分：分為功率式和伺服式。前者輸出轉矩較大，能直接帶動較大的負載；后者輸出轉矩較小，只能帶動較小的負載，對于大負載需通過液壓放大元件來傳動。4.按結構來分：分為單段式（徑向式）、多段式（軸向式）、印刷繞組式。5.按相數(shù)來分：分為三相、四相、五相、六相等。6.按使用頻率來分：分為高頻步進電機和低頻步進電機。 不同類型步進電機其工作原理、驅動裝置也不

5、完全一樣，但其工作過程基本是相同的。 一、步進電動機的種類6第6頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四 步進電動機的工作原理是基于電磁感應原理。 步進電動機和一般旋轉電動機一樣，分為定子和轉子兩大部分。 定子由硅鋼片疊成，配以一定相數(shù)的控制繞組，輸入電脈沖對多相定子繞組輪流進行勵磁； 轉子用硅鋼片疊成或用軟磁性材料做成凸極結構，轉子本身沒有勵磁繞組的稱為“反應式”步進電動機；用永久磁鐵做轉子的稱為“永磁式”步進電動機；兼有永磁式和反應式兩種步進電機的特點，稱為混合式步進電機。目前以反應式步進電動機用得較多。二、步進電動機的工作原理7第7頁，共77頁，2022年，5月20日，

6、23點46分，星期四（一）反應式步進電機的結構1.單段（徑向式）三相反應式步進電機的結構原理圖 主要由定子和轉子兩部分組成。定子鐵芯由硅鋼片疊壓而成，定子上有六個均勻分布的極，每兩個為一對。定子繞組是繞置在定子上的六個均勻分布鐵芯齒上的線圈，它把沿直徑方向上相對的兩個齒上的線圈串聯(lián)在一起，構成一相控制繞組。圖中所示的步進電機為A、B、C三相控制繞組，故稱為三相步進電機。當任一相繞組通電時，便形成一對定子磁極，即形成N、S極。 在定子的每個磁極上，即定子鐵芯的每個齒上又開了五個小齒，齒槽等寬，齒間夾角為9，在空間位置上依次錯開1/3齒距其展開圖如圖所示。8第8頁，共77頁，2022年，5月20日

7、，23點46分，星期四圖3-1 單段式反應式步進電動機結構原理圖9第9頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四轉子是一個帶齒的鐵芯，轉子上沒有繞組，轉子上均勻分布了40個小齒，齒槽等寬，齒間夾角也是9，與定子磁極上的小齒一致。當定子A相磁極上的小齒與轉子上的小齒對齊時，定子B相磁極上的小齒剛好超前(或滯后)轉子小齒1/3齒距角，定子C相磁極上的小齒超前(或滯后)轉子小齒2/3齒距角。10第10頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四步進電機A相通電狀態(tài)11第11頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四2.單段三相反應式步進電機的工作原理（近

8、似于電磁鐵的工作原理）三相單三拍工作方式：如圖轉子上有四個均勻分布的齒1、2、3、4。當A相通電，B、C都不通電，因磁通總是要沿著磁阻最少的路徑閉合，將使轉子齒1、3吸引到定子磁極A、A下，并對齊，圖(a),因轉子只受到徑向力而無切向力，故轉矩為零，轉子被自鎖在這個位置；當B相繞組通電，A、C相不通電，將使轉子齒2、4和定子磁極B、B對齊，在電磁力矩的作用下使轉子沿逆時針方向轉過30，圖(b)；C相通電，A、B相斷電，又使轉子齒1、3和定子磁極C、C對齊，在電磁力矩的作用下使轉子再沿著逆時針方向轉過30，圖(C)。若使定子繞組按A-B-C-A的順序通電，則步進電機轉子便不停地沿逆時針方向轉動。

9、如果定子繞組的通電順序為A-C-B-A則步進電機轉子沿順時針方向轉動。要點：磁力線力圖走磁阻最小的路徑，從而產(chǎn)生反應力矩； 各相定子齒之間彼此錯開1/m齒距，m為相數(shù)，這里m=3。磁力線：外邊是從N極指向S極。12第12頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四 三相單三拍工作方式從一相繞組的通電或斷電切換到另一相繞組的斷電或通電時，由于電機繞組是電感性元件，磁場的消失或建立均需一定時間，因此，切換期間容易使電機產(chǎn)生失步。 此外，由單一繞組通電吸引轉子，也容易使轉子在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩，運行的穩(wěn)定性較差，所以很少采用。三相雙三拍工作方式：為了克服以上不足，通常將其改為三相雙三

10、拍通電方式，即按AB-BC-CA-AB方式通電，可使電機正轉；反之按AB-AC-BC-AB方式通電，可使電機反轉。這種工作方式每個通電狀態(tài)均為兩相繞組同時通電，且相鄰的兩個工作節(jié)拍中總有一相保持通電的狀態(tài)不變，因此，可避免三相單三拍工作方式的失步和低頻振蕩等現(xiàn)象。三相雙三拍工作方式下，每改變一次通電狀態(tài)可使步進電機旋轉30。三相六拍工作方式：為減小每改變一次通電狀態(tài)使步進電機所轉過的角度，而采用三相六拍通電方式。即按A-AB-B-BC-C-CA-A方式通電，使電機正轉；反之，按A-AC-C-BC-B-AB-A方式通電，使電機反轉。三相六拍工作方式除具有三相雙三拍的特點外，還可使步進電機每改變一

11、次通電狀態(tài)僅旋轉15。13第13頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四 通電方式: 從一相通電改換成另一相通電，即通電方式改變一次叫“一拍”。步進電動機有單相輪流通電、雙相輪流通電和單雙相輪流通電的方式。 14第14頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四圖3-2 三段三相反應式步進電動機結構原理圖3.多段反應式步進電機結構及工作原理前面介紹的單段反應式步進電機是按徑向分相的，此外，還有一種反應式步進電機是按軸向分相，這種步進電機又稱為多段反應式步進電機。多段反應式步進電機是沿軸向分成磁性相對獨立的幾段，每一段都有一組勵磁繞組，形成一相，因此，三相電動機有

12、三段，其結構如圖3-2所示。 這種反應式步進電動機的步距角較大，不適合一般用途的要求。15第15頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四4.小步距角步進電動機 圖3-1所示為三相反應式步進電動機。設m為相數(shù)，z為轉子的齒數(shù)則齒距： 因為每通電一次（即運行一拍），轉子就走一步，各相繞組輪流通電一次，轉子就轉過一個齒距。故步距角： K-定子繞組通電方式系數(shù)。相鄰兩次通電的相數(shù)一樣，取K=l，如三相單三拍、三相雙三拍工作方式；反之，取K=2，如三相單雙六拍工作方式。（拍數(shù)/相數(shù)）16第16頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四若步進電動機的轉子齒數(shù)z=40，按三

13、相單三拍運行時，K=1，m=3：若按五相十拍運行時，則K=2，m=5，z=40：可見，步進電動機的相數(shù)和轉子齒數(shù)越多，步距角就越小，控制越精確。故步進電動機可以做成三相，也可以做成二相、四相、五相、六相或更多相數(shù)。17第17頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四若步進電動機通電的脈沖頻率為(脈沖數(shù)/秒)，步距角用弧度表示，則步進電動機的轉速：由上式可知，步進電動機在一定脈沖頻率下，電動機的相數(shù)和轉子齒數(shù)越多，轉速就越低。而且相數(shù)越多，驅動電源也越復雜，成本也就越高。18第18頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四 步進電動機應用在機床上一般是通過減速器和

14、絲桿螺母副帶動工作臺移動。所以，步距角對應工作臺的移動量便是工作臺的最小運動單位，也稱脈沖當量（mm/脈沖）： 式中 t ：絲桿導程（mm），絲桿的導程就是絲杠旋轉一周所走的行程，也有人叫螺距。 b ：步距角（） i ：減速裝置傳動比 工作臺的進給速度v(mm/min)： v =60 19第19頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四解：脈沖分配方式有兩種： 根據(jù) ，其中K=2,m=3,Z=40. b=360/(4023)=1.5 根據(jù) n= ,其中=600HZ n=1.5*600*60/360=150r/min 例3-1.一臺三相反應式步進電動機，采用三相六拍分配方式，轉子

15、有40個齒，脈沖頻率為600Hz，求：寫出一個循環(huán)的通電順序；求步進電動機步距角；求步進電動機轉速。 反應式步進電動機具有控制方便、步距小、價格低廉的優(yōu)點；具有帶負載能力差、高速時易失步、斷電后無定位轉矩的缺點。AABBBCCCA 或 AACCCBBBA20第20頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四21第21頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四22第22頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四23第23頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四（1）主要技術指標與運行特性 1）步距角和靜態(tài)步距誤差a.步距角 步距角:

16、也稱為步距。它的大小由下式（3-2）決定。目前我國步進電動機的步距角為0.36至90。常用的為7.5/15、3/6、1.5/3、0.9/1.8、0.75/1.5、0.6/1.2、0.36/0.72等幾種。 若通電方式和系統(tǒng)的傳動比已初步確定，則步距角應滿足: bimin 5.步進電動機的主要技術指標與運行特性 i 傳動比min負載軸要求的最小位移增量（即每個脈沖對應的最小角位移增量）（3-2）24第24頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四 例如，所用絲杠螺距為12.7mm (t),線性增量為0.529mm/每步()（取決于運動精度），所需電動機步距為角：步距腳b也可用分辨

17、率bs來表示：bs=360/ b（步/轉） 當步進電機拖動的機械作直線運動時，用絲杠作運動轉換器，步進電機的步距角可按以下公式計算： 直線增量運動當量（mm/每步） t絲杠螺距（mm/周）可知，360/15=24，需要一臺每轉24步的步進電機。設傳動比為125第25頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四 b.靜態(tài)步距誤差 靜態(tài)步距角誤差:從理論上講，每一個脈沖信號應使電動機轉子轉過相同的步距角。但實際上，由于定、轉子的齒距分布不均勻，定、轉子之間的氣隙不均勻或鐵心分段時的錯位誤差等，實際步距角與理論步距角之間會存在偏差，這個偏差稱為靜態(tài)步距角誤差。 步距精度b應滿足:L絲杠

18、傳動精度26第26頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四 步進電動機的靜特性，是指步進電動機在穩(wěn)定狀態(tài)（即步進電動機不改變通電情況的運行狀態(tài)）時的特性，包括靜轉矩、矩角特性及靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。 靜轉矩：指步進電動機處于穩(wěn)定狀態(tài)下的電磁轉矩。它是繞組電流和失調角的函數(shù)。 在穩(wěn)定狀態(tài)下，如果在轉子軸上加一負載轉矩使轉子轉過一個角度，并能穩(wěn)定下來，這時轉子受到的電磁轉矩與負載轉矩相等，該電磁轉矩即為靜轉矩，而角度即為失調角（或：電機定子齒與轉子齒中心線之間的夾角叫做失調角）。 對應于某個失調角時，靜轉矩最大，稱為最大靜轉矩Tjmax。可從矩角特性上反映Tjmax，如圖3-4所示，當失調

19、角=90時，將有最大靜轉矩。2）最大靜轉矩27第27頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四靜轉矩和失調角之間的特性曲線，叫做矩角特性： T = -C sin由此我們可以發(fā)現(xiàn)步進電動機的工作過程就是實現(xiàn)失調角為零的過程。28第28頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四多相通電時的矩角特性和最大靜態(tài)轉矩：按照疊加原理，根據(jù)各相通電時的矩角特性疊加起來求出。例如三相步進電動機常用單-雙相通電的方式。當兩相通電時，由于正弦量可以用相量相加的方法求和，因此兩相通電時的最大靜態(tài)轉矩可用相量圖求取。用相量TA和TB分別表示A相和B相單獨通電時的最大靜態(tài)轉矩，兩相通電時

20、的最大靜態(tài)轉矩TAB為：式中，Tmax=TA=TB29第29頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四從上式可知，對于三相步進電動機，TAB=TA=TB，即兩相通電時的最大靜態(tài)轉矩值與單相通電時的最大靜態(tài)轉矩值相等。此時三相步進電動機不能靠提高通電相數(shù)來提高轉矩。 五相步進電動機三相通電時的最大靜態(tài)轉矩:由于采用了2-3相通電方式，最大靜態(tài)轉矩提高了，而且矩角特性形狀相同，對步進電動機運行穩(wěn)定性有利。 使用步進電機時，一般電動機軸上的負載轉矩TL=(0.30.5)Tmax，啟動轉矩Ts總是小于最大靜態(tài)轉矩Tjmax。30第30頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，

21、星期四T0圖3-5 矩頻特性 /Hz當步進電動機的控制繞組的電脈沖時間間隔小于電機機電過渡過程所需的時間時，步進電動機進入連續(xù)運行狀態(tài)，這時電動機產(chǎn)生的轉矩稱為動態(tài)轉矩。步進電動機的最大動態(tài)轉矩和脈沖頻率的關系，即Tdm=F()，稱為矩頻特性，如圖3-5所示。即，步進電動機的動態(tài)轉矩隨著脈沖頻率的升高而降低。 3）矩頻特性什么是矩頻特性？31第31頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四步進電動機的控制繞組是感性元件，其電流按指數(shù)函數(shù)增長。 當電脈沖頻率低時，電流可以達到穩(wěn)定值，如圖3-6a所示。 隨著頻率升高，達到穩(wěn)定值的時間縮短，如圖3-6b所示。 當頻率高到一定值時，電

22、流就達不到穩(wěn)定值，如圖3-6c所示，故電動機的最大動態(tài)轉矩小于最大靜轉矩，而且脈沖頻率越高，動態(tài)轉矩也就越小。對于某一頻率。只有當負載轉矩小于它在該頻率時的最大動態(tài)轉矩，電動機才能正常運轉。（a） (b) (c)圖3-6 不同頻率時的控制繞組中電流波形矩頻特性有什么特點？32第32頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四 為了提高步進電動機的矩頻特性，必須設法減小控制繞組的電氣時間常數(shù)（=L/R），為此要： 盡量減小它的電感，使控制繞組匝數(shù)減少，所以步進電動機控制繞組的電流一般都比較大。 有時也在控制繞組回路中串接一個較大的附加電阻，以降低回路電氣時間常數(shù)，但這樣就增加了在附

23、加電阻上功率損耗，導致步進電動機及系統(tǒng)效率降低。 也可以采用雙電源供電，即在控制繞組電流的上升階段由高壓電源供電，以縮短達到穩(wěn)定值的時間，然后再改為低壓電源供電以維持其電流值，這樣可大大提高步進電動機的矩頻特性。 怎樣提高矩頻特性？33第33頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四步進電動機的工作頻率一般包括啟動頻率、制動頻率和連續(xù)運行頻率。（對同樣的負載轉矩來說，正、反向的啟動頻率和制動頻率是一樣的，所以一般技術數(shù)據(jù)中只給出啟動頻率和連續(xù)運行頻率。） 步進電動機的啟動頻率st是指在一定負載轉矩下能夠不失步地啟動的最高脈沖頻率。st的大小與驅動電路和負載大小有關。步距角b越小

24、，負載（包括負載轉矩與轉動慣量）越小，則啟動頻率越高。 4）啟動頻率和連續(xù)運行頻率34第34頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四步進電動機的連續(xù)運行頻率c：是指步進電動機啟動后，當控制脈沖頻率連續(xù)上升時，能不失步運行的最高頻率。它的值也與負載有關。 步進電動機的運行頻率比啟動頻率高得多，這是因為在啟動時除了要克服負載轉矩外，還要克服軸上的慣性轉矩。啟動時轉子的角加速度大，它的負擔要比連續(xù)運轉時重。所以啟動時，脈沖頻率不宜過高。啟動以后，再逐漸升高脈沖頻率。35第35頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四步進電動機的型號表示方法舉例如下（不同生產(chǎn)廠家其表

25、示方法也有所不同）反應式步進電動機:（如150BF/BC003）混合式步進電動機:（如42BYG008：四相永磁感應式步進電動機）永磁式步進電動機:勵磁繞組相數(shù)或代號永磁式步進電動機 BY 電動機外徑（mm）勵磁繞組相數(shù)或代號混合式（永磁感應式）步進電動機 BYG 電動機外徑（mm）勵磁繞組相數(shù)或代號反應式步進電動機 BF 電動機外徑（mm）5）步進電動機技術指標實例36第36頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四90- BYG - 2 - 50 - A機座號 混合式 相數(shù) 轉子齒數(shù) 派生代號（外徑）mm 步進電動機 37第37頁，共77頁，2022年，5月20日，23點4

26、6分，星期四 混合式步進電機（兼有永磁式和反應式兩種步進電機的特點）。轉子由圓周上均勻分布一定數(shù)量小齒的兩段齒片組成，這兩段齒片相互錯開半個齒距，兩塊齒片之間夾有一個軸向充磁的環(huán)形永久磁鋼(如圖3-4所示)。這樣，與N極磁鋼相連的那段轉子整個呈N極，另一端與S極磁鋼相連，呈S極，產(chǎn)生的合成轉矩使轉子轉動。一般為兩相或三相；須供給正負脈沖信號；輸出轉矩較永磁式大（消耗功率相對較小）；步距角較永磁式小（一般為1.8度）；斷電時無定位轉矩；啟動和運行頻率較高；是目前發(fā)展較快的一種步進電機。38第38頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四39第39頁，共77頁，2022年，5月20

27、日，23點46分，星期四 步進電動機的振蕩和失步是一種普遍存在的現(xiàn)象，它影響系統(tǒng)的正常運行，因此要盡力避免。失步包括丟步和越步。丟步時指轉子前進的步距數(shù)小于脈沖數(shù)；越步是指轉子前進的步距數(shù)多于脈沖數(shù)。丟步嚴重時，轉子將停留在一個位置上或圍繞一個位置振動。（a）振蕩 步進電動機的振蕩現(xiàn)象主要發(fā)生于：（2）步進電動機的振蕩、失步及解決方法 步進電動機工作在低頻區(qū)； 步進電動機工作在共振區(qū)； 步進電機突然停車時。40第40頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四當步進電機工作在低頻區(qū)時，由于勵磁脈沖間隔的時間較長，步進電機表現(xiàn)為單步運行。 當勵磁開始時，轉子在電磁力的作用下加速轉動

28、。在到達平衡點時，電磁驅動轉矩為零，但轉子的轉速最大，由于慣性，轉子沖過平衡點。這時電磁力產(chǎn)生負轉矩，轉子在負轉矩的作用下，轉速逐漸為零，并開始反向轉動。當轉子反轉過平衡點后，電磁力又產(chǎn)生正轉矩，迫使轉子又正向轉動，形成轉子圍繞平衡點的振蕩。由于有機械摩擦和電磁阻尼的作用，這個振蕩表現(xiàn)為衰減振蕩，最終穩(wěn)定在平衡點。 41第41頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四當步進電機工作在共振區(qū)時，步進電機的控制脈沖頻率接近步進電機的固有頻率 (振蕩頻率)或固有頻率的分頻或倍頻，這會使振蕩加劇，嚴重時造成失步。步進電動機的固有頻率(振蕩頻率) 可由下式求出： 振蕩失步的過程可描述如下

29、：在第一個脈沖到來后，轉子經(jīng)歷了一次振蕩。當轉子回擺到最大幅值時，恰好第二個脈沖到來，轉子受到的電磁轉矩為負值，使轉子繼續(xù)回擺。接著第三個脈沖到來，轉子受正電磁轉矩的作用回到平衡點。這樣，轉子經(jīng)過三個脈沖仍然回到原來位置，也就是丟了三步。 J轉動慣量；Z轉子齒數(shù)；Tmax最大轉矩。42第42頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四當步進電機工作在高頻區(qū)時，由于換相周期短，轉子來不及反沖。同時繞組中的電流尚未上升到穩(wěn)定值，轉子沒有獲得足夠的能量，所以在這個工作區(qū)中不會產(chǎn)生振蕩。減小步距角可以減小振蕩幅值，以達到削弱振蕩的目的。（b）失步步進電動機的失步原因有兩種：第一種是轉子的

30、轉速慢于換相速度。例如，步進電動機在啟動時，如果脈沖的頻率較高，由于電動機來不及獲得足夠的能量，使其無法令轉子跟上旋轉磁場的速度，所以引起失步。因此步進電動機有一個啟動頻率，超過啟動頻率啟動時，肯定會產(chǎn)生失步。（注意，啟動頻率不是一個固定值，提高電動機的轉矩、減小電動機轉動慣量、減小步距角都可以提高步進電動機的啟動頻率）第二種是轉子的平均速度大于旋轉磁場的速度。這主要發(fā)生在制動和突然換相時，轉子獲得過多的能量，產(chǎn)生嚴重的過沖，引起失步。 43第43頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四 消除振蕩是通過增加阻尼的方法來實現(xiàn)的，主要有機械阻尼法和電子阻尼法兩大類。機械阻尼法比較

31、單一，就是在電動機軸上加阻尼器；電子阻尼法有多種，主要有：多相勵磁法、變頻變壓法、細分步法、反相阻尼法等。（c）阻尼方法44第44頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四步進電動機的運行特性，不僅與步進電動機本身的特性和負載有關，而且與配套使用的驅動電源（即驅動電路）有著十分密切的關系。驅動電源按供電方式分類，有：單電壓供電、雙電壓供電、調頻調壓供電；按功率驅動部分所用元件分類，有大功率晶體管驅動、快速晶閘管驅動、可關斷晶閘管驅動、混合驅動。圖3-7為步進電動機驅動系統(tǒng)原理圖。 三、步進電動機的驅動方法45第45頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四驅動器

32、：德國百格拉WD3-00746第46頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四信號接口：PULSE+ 電機輸入控制脈沖信號； DIR+ 電機轉動方向控制信號； RESET+ 復位信號，用于封鎖輸入信號； READY+ 報警信號； PULSE-、DIR-、RESET-和READY-短接公共地；狀態(tài)指示：RDY 燈亮表示驅動器正常工作； TEMP 燈亮表示驅動器超溫； FLT 燈亮表示驅動器故障；功能選擇：MOT.CURR 設置電機相電流； STEP1、STEP2 設置電機每轉的步數(shù)； CURR.RED 設定半流功能 PULSE.SYS 可設置成“脈沖和方向”控制方式； 也可以設置

33、成“正轉和反轉”控制方式；功率接口：DC+和DC-接制動電容； U、V、W 接電機動力線，PE是地； L、N、PE 接驅動器電源，電源電壓是220VAC輸入時，最大電流是3A。電源線橫截面1.5平方毫米，盡量短。驅動器的L端和N端接供電電源，同時要串接一個6.3A保險絲；PE為接地。47第47頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四PULSE：脈沖信號輸入端，每一個脈沖的上升沿使電機轉動一步。DIR：方向信號輸入端，如“DIR”為低電平，電機按順時針方向旋轉； “DIR”為高電平電機按逆時針方向旋轉。CW：正轉信號，每個脈沖使電機正向轉動一步。CCW：反轉信號，每個脈沖使電機

34、反向轉動一步。RESET：復位信號，如復位信號為低電平時,輸入脈沖信號起作用，如果復位信號為高電平時就禁止任何有效的脈沖，輸入信號無效，電機無保持扭矩。READY: 輸入報警信號：READY是繼電器開關，當驅動器正常工作時繼電器閉合，當驅動器工作異常時繼電器斷開。繼電器允許最高輸入電壓和電流是：35VDC，10mAI200mA，電阻性負載。如用該繼電器，要把他串聯(lián)到CNC的某輸入端。當驅動器正常工作時繼電器閉合，外部24VDC通過繼電器輸入到CNC輸入端，否則外部24VDC無法輸入到CNC輸入端。注意：PULSE與CW，PULSE與CW，DIR與CCW，DIR與CCW對應同一個接口，按控制方式

35、不同給出兩種定義名稱；可以用兩相脈沖輸出（CW/CCW）方式進行控制，也可以用（PULSE+DIR）方式控制。 48第48頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四脈沖、方向信號時序圖上位機的控制信號可以高電平有效，也可以低電平有效。高有效時，把所有控制信號的負端連在一起作為信號地，低有效時，把所有控制信號的正端連在一起作為信號公共端。49第49頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四MOT.CURR：設置輸出相電流位置23456789ABCDEF電流0.91.01.11.31.41.51.61.81.92.02.12.32.42.5STEP1、STEP2：設

36、置電機每轉步數(shù)驅動器WD3-007可將電機的步數(shù)分別設置為500、1000、5000、10000步。用戶可以通過驅動器正面板上的兩個撥碼開關STEP1、STEP2設置電機的步數(shù)如下表：STEP1狀態(tài)OFFONOFFONSTEP2狀態(tài)OFFOFFONON步數(shù)/轉500100050001000050第50頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四CURR.RED：設定半流功能 半流功能是指電機帶電靜止100ms后，驅動器輸出電流降為額定輸出電流的60%，用來防止電機發(fā)熱。當撥碼開關CURR.RED設置為“OFF”時，有半流功能；當設置成“ON”時，無半流功能。PULSE.SYS：控

37、制方式選擇 撥碼開關（PULSE.SYS）可設置成兩種控制方式：當設置成“OFF”時，為“脈沖和方向”控制方式；當設置成“ON”時，為“正轉和反轉”控制方式。51第51頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四“PULSE.SYS”為控制方式選擇開關PULSE.SYS控制方式高電平有效接線低電平有效接線ON正轉和反轉（雙脈沖方式）CW+接正轉信號CCW+接反轉信號CW-與CCW-短接為信號地CW-接正轉信號CCW-接反轉信號CW+與CCW+短接為公共端OFF脈沖和方向（單脈沖方式）PULSE+接脈沖信號DIR+接方向信號PULSE-與DIR-短接為信號地PULSE-接脈沖信號D

38、IR-接方向信號PULSE+與DIR+短接為公共端52第52頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四第一、按預定的工作方式分配各個繞組的通電脈沖；第二、控制步進電機的速度，使它始終遵循加速-勻速-減速的運動規(guī)律工作。 步進電機的控制方法可歸納為兩點：53第53頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四 驅動電源主要包括脈沖發(fā)生器（變頻信號源）、環(huán)形分配器（又稱脈沖分配器）和功率放大器幾個基本部分。 變頻信號源是一個頻率可從幾十Hz到幾十kHz連續(xù)變化的脈沖發(fā)生器。 經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)中，脈沖的產(chǎn)生和分配均由微機來完成。下面主要介紹環(huán)形分配器和功率放大器。四、步進電

39、動機驅動電源設計54第54頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四 步進電動機的每相繞組不是恒定的通電，而是按照一定的規(guī)律輪流通電，環(huán)形分配器的作用是將控制脈沖按規(guī)定方式分配到各相繞組上。 環(huán)形分配器有硬件環(huán)形分配器、軟件環(huán)形分配器。 1.硬件環(huán)形分配器 硬件環(huán)形分配器由門電路、觸發(fā)器等基本邏輯功能元件組成，按一定的順序導通和截止功率放大器，使相應的繞組通電或斷電。 硬件環(huán)形分配器可分為分立元件的、集成觸發(fā)器的、單塊MOS集成塊的和可編程EPROM、FPGA等。 集成元器件的使用，使環(huán)形分配器的體積大大縮小，可靠性和抗干擾能力提高，并具有較好的響應速度。（一）環(huán)形分配器55第

40、55頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四 環(huán)形分配器種類很多，可以由D觸發(fā)器或J-K觸發(fā)器所組成。圖3-8是一個由3只J-K觸發(fā)器及12個與非門組成的三相六拍的環(huán)形分配器。 （1）觸發(fā)器型環(huán)形分配器56第56頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四57第57頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四58第58頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四目前市場上有很多可靠性高、尺寸小、使用方便的集成脈沖分配器供選擇。按其電路結構不同可分為TTL集成電路和CMOS集成電路。國產(chǎn)TTL脈沖分配器有：三相（YBO13）、四相（YB

41、O14）、五相（YBO15）和六相（YBO16），均為18個管腳的直插式封裝。CMOS集成脈沖分配器有：CH250型是專為三相反應式步進電動機設計的環(huán)形分配器。封裝形式為16腳直插式。 CH250環(huán)形脈沖分配器是三相步進電動機的理想脈沖分配器，通過其控制端的不同接法，可以組成三相雙三拍，三相六拍的不同工作方式。圖7所示為三相雙三拍工作時的接線圖，圖8所示為三相六拍工作時的接線圖。 （2）環(huán)形分配器集成芯片59第59頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四60第60頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四CH250環(huán)形脈沖分配器的功能關系如上表1所示。61第6

42、1頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四 步進電動機按類型、相數(shù)等劃分，種類繁多，相應的就需要不同的環(huán)形分配器，而用EPROM設計的環(huán)形分配器，用一種線路可實現(xiàn)多種通電方式的分配-硬件電路不變動，只需改變軟件內存儲器的地址。 圖3-10為含有EPROM的環(huán)形分配器。 根據(jù)驅動要求，求出環(huán)形分配器的輸出狀態(tài)表，以二進制碼的形式依次存入EPROM中，在線路中只要依照地址的正向或反向順序依次取出地址的內容，即可實現(xiàn)正、反向通電的順序。 對不同通電方式，狀態(tài)表也不同，可將存儲器地址劃分為若干區(qū)域，每個區(qū)域儲存一個狀態(tài)表，運行時，用EPROM的高位地址線選通這些不同區(qū)域。 （3）EP

43、ROM可編程式62第62頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四 圖3-10 含有EPROM的環(huán)形分配器可逆計數(shù)器EPROM狀態(tài) 輸出 CP脈沖 方式零位輸出方向電平清零63第63頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四8713有幾種型號，如三洋公司的PMM8713，富士通公司的MB8713，國產(chǎn)的5G8713等，他們的功能一樣，可以互換。8713是屬于單極性控制，用于控制三相和四相步進電機，可以選擇以下不同的工作方式。三相步進電動機：單三拍、雙三拍、六拍；四相步進電動機：單四拍、雙四拍、八拍。8713可以選擇單時鐘輸入或雙時鐘輸入；具有正反轉控制、初始化復

44、位、工作方式和輸入脈沖狀態(tài)監(jiān)視等功能；所有輸入端內部都設有斯密特整形電路，提高抗干擾能力，使用418V直流電源，輸出電流為20mA。8713有16個引腳。 這里介紹一種8713集成電路芯片8713引角功能如p57表3-2所示 目前市場上出售的環(huán)形分配器的種類很多，有的還具有其它許多功能，如斬波控制等。用于兩相步進電機控制的如：L297（L297A）（產(chǎn)生4相控制信號，可用于兩相雙極和四相單極步進電機）和PMM8713；用于五相步進電動機控制的如PMM8714等。（4）多功能環(huán)形分配器64第64頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四 8713脈沖分配器與單片機的接口例子如圖3

45、-11所示。本例選用單時鐘（單脈沖）輸入方式：8713的3腳為步進脈沖輸入端，4腳為轉向控制端，這兩個引腳的輸入均由單片機提供和控制。選用對四相步進電動機進行八拍方式控制，所以5、6、7均接高電平。 圖3-11 8713脈沖分配器與單片機接口 由于采用了脈沖分配器，單片機只需提供步進脈沖，進行速度控制和轉向控制，脈沖分配的工作交給脈沖分配器來自動完成。因此，CPU的負擔減輕許多。 有兩種脈沖輸入方法, 雙脈沖輸入法：、分別接控制步進電機正反轉的輸入脈沖；單脈沖輸入法：為脈沖輸入,步進電機的正反轉方向由的電位高低決定;轉向控制5V。步進脈沖 3 13 4 12 8713 11 10 567A相驅

46、動B相驅動C相驅動D相驅動 P1.0 P1.18051系列單片機65第65頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四 是完全用軟件的方式進行脈沖分配，按照給定的通電換相順序，通過單片機的I/O口向驅動電路發(fā)出控制脈沖。 圖3-12是控制五相步進電動機的硬件接口例子。利用8051系列單片機的P1.0P1.4這5條I/O線，向五相步進電動機傳送控制信號。 P1.0 P1.1 8051 P1.2系列 P1.3單片機 P1.4A相驅動 B相驅動 C相驅動 D相驅動 E相驅動 圖3-12 用軟件實現(xiàn)脈沖分配的接口示意圖.軟件環(huán)形分配器66第66頁，共77頁，2022年，5月20日，23點

47、46分，星期四ULN2003 是高耐壓、大電流、內部由七個硅NPN 達林頓管組成的驅動芯片。67第67頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四下面以五相步進電動機工作在十拍方式為例，說明如何設計軟件。五相十拍工作方式的正序為：AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB，共有10個通電狀態(tài)。如果P1口輸出的控制信號中，0代表使繞組通電，1代表使繞組斷電，則可用10個控制字來對應這10個通電狀態(tài)。這10個控制字如表3-3所列。 P1.0 P1.1 8051 P1.2系列 P1.3單片機 P1.4A相驅動 B相驅動 C相驅動 D相驅動 E相驅動 圖3-12

48、 用軟件實現(xiàn)脈沖分配的接口示意圖68第68頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四69第69頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四在程序中，只要依次將這10個控制字送到P1口，每送一個控制字，就完成一拍，步進電動機轉過一個步距角。程序就是根據(jù)這個原理設計的。用R0作為狀態(tài)計數(shù)器，來指示第幾拍，按正轉時加1，反轉時減1的操作規(guī)律，則正轉程序為： CW： INC R0 ；正轉加1 CJNE R0，#0AH，ZZ ；如果計數(shù)器等于10修正為0 MOV R0，#00HZZ： MOV A，R0 ；計數(shù)器值送A MOV DPTR，#ABC ；指向數(shù)據(jù)存放首地址 MOV

49、C A，A+DPTR ；取控制字 MOV P1，A ；送控制字到P1口 RET ABC： DB 0FCH，0F8H，0F9H，0F1H，0F3H ；10個控制字 DB 0E3H，0E7H，0E6H，0EEH，0ECH反轉程序為： CCW： DEC R0 ；反轉減1(反序) CJNE R0，#0FFH，F(xiàn)Z ；如果計數(shù)器等于FFH修正為9 MOV R0，#09H FZ： MOV A，R0 MOV DPTR，#ABC ；指向數(shù)據(jù)存放首地址 MOVC A， A+DPTR ；取控制字 MOV P1，A ；送P1口 RET70第70頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四 軟件法在電動機運行中，要不停地產(chǎn)生控制脈沖，占用了大量的CPU時間，可能使單片機無法同時進行其他工作（如監(jiān)測等），所以，人們更喜歡用硬件法，或軟、硬件相結合的方法。 71第71頁，共77頁，2022年，5月20日，23點46分，星期四 功率放大器的輸出直接驅動電動機的控制繞組，因此功率放大電路的性能對步進電動機的運行狀態(tài)有很大影響。對驅