步進電機控制系統(tǒng)課件

5.1步進電動機常見步進電機外形構造

第五章步進電動機5.1步進電動機常見步進電機外形構造第五章步進電動機步進電機內部結構通電線圈中磁感應強度B=μH=μnI

Ф=BS．(S是垂直磁感強度的面積)線圈磁通量是由線圈匝數(shù)和面積，以及線圈中的通電電流所決定的。步進電機內部結構通電線圈中磁感應強度B=μH=μnI步進電機內部結構步進電機的內部構造

步進電機內部結構步進電機的內部構造

步進電動機構造：由轉子（轉子鐵芯、永磁體、轉軸、滾珠軸承），定子（繞組、定子鐵芯），前后端蓋等組成。最典型兩相混合式步進電機的定子有8個大齒，40個小齒，轉子有50個小齒；三相電機的定子有9個大齒，45個小齒，轉子有50個小齒。電動機構造圖轉軸成平行方向的斷面圖步進電動機構造：電動機構造圖轉軸成平行方向的斷面圖5.1.1步進電動機結構與工作原理步進電動機是一種將電脈沖信號轉換成機械位移的機電執(zhí)行元件。每當輸入一個電脈沖時，它便轉過一個固定的角度，這個角度叫步距角β，簡稱步距。脈沖一個一個輸入，電動機便一步一步轉動。

步進電動機的分類：工作原理反應式永磁式混合式輸出轉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5.1.1步進電動機結構與工作原理步進電動機是一種以反應式為例說明步進電機的結構和工作原理通常按勵磁方式分為三大類：1）反應式：

轉子為軟磁材料，無繞組，定、轉子開小齒、步距角小。2）永磁式：

轉子為永磁材料，轉子的極數(shù)=每相定子極數(shù)，不開小齒，步距角較大，力矩較大。3）混合式：

轉子為永磁式、兩段，開小齒，轉矩大、動態(tài)性能好、步距角小，但結構復雜，成本較高。步進電動機的種類以反應式為例說明步進電機的結構和工作原理通常按勵磁方式分為三

反應式步進電動機結構：反應式步進電動機結構：一、步進電動機的組成

如圖所示為一臺三相反應式步進電動機的結構示意圖，同樣由定子和轉子組成。定子：由定子鐵心、繞組、絕緣材料等組成

勵磁繞組由外部脈沖信號對各相繞組輪流勵磁。如圖所示。

轉子：由轉子鐵心、轉軸等組成。轉子鐵心是由硅鋼片或軟磁材料疊壓而成的齒形鐵心。一、步進電動機的組成如圖所示為一臺三相反應式步進電動

其中定子的三個勵磁繞組，其幾何軸線依次分別與轉子齒軸線錯開。錯開的距離分別為1/3(T)、2/3(T)。T為相鄰兩齒軸線間的距離。其中定子的三個勵磁繞組，其幾何軸線依次分別與二、步進電動機的工作原理

給A相繞組通電時，轉子位置如圖（a），轉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，因此對轉子產(chǎn)生電磁吸力，迫使轉子齒轉動，當轉子轉到與定子齒對齊位置時(圖b)，因轉子只受徑向力而無切線力，故轉矩為零，轉子被鎖定在這個位置上。由此可見：錯齒是使得步進電機旋轉的根本原因。a)b)二、步進電動機的工作原理給A相繞組通電時，轉子位置5.1.2通電方式一、步進電動機的通電方式步進電動機的轉速既取決于控制繞組的通電頻率，也取決于繞組通電方式，三相步進電機一般有單三拍、單雙六拍和雙三拍等通電方式，其中“單”是指每次切換前后只有一相繞組通電，“雙”指每次有兩相繞組通電；而從一種通電狀態(tài)轉換到另一種通電狀態(tài)就叫“拍”。5.1.2通電方式一、步進電動機的通電方式

1.單相通電方式：指對每相繞組單獨輪流通電，對于三相步進電動機：如果要改變旋轉方向，則只要改變通電順序即可，如通電順序改為A－Ｃ－Ｂ－Ａ時，轉子按逆時針方向一步一步轉動。齒距角：轉子齒與齒之間的角度。步距角：轉子每步轉過的角度。每次轉動30o，因此，當通電順序為A－B－Ｃ－Ａ時，轉子按順時針方向一步一步轉動。每換接一次，則轉子前進一個步距角。電流換接三次，磁場旋轉一周，轉子前進一個齒距角，這里是90o。1.單相通電方式：指對每相繞組單獨輪流通電，對于三

3.雙拍工作方式：正轉：AB-BC-CA-AB

反轉：AC-CA-BC-AC

2.三相六拍工作方式：

每次轉動15o，當通電順序按A-AB-B-BC-C-CA-A時，則轉子便按順時針方向一步一步地轉動，步距角為15o。電流換接六次，磁場旋轉一周，轉子前進了一個齒距。如果要反轉，則通電順序改為A-CA-C-BC-B-AB-A即可。同樣雙三拍通電方式每走一步前進了一個步距角（30o）。3.雙拍工作方式：2.三相六拍工作方式：二、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，電動機轉子所轉過的角度稱為步距角。設轉子的齒數(shù)為Z，則齒距為：

τ=360/Z步距角：

＝齒距/拍數(shù)=360/（KmZ）

其中：Z－轉子齒數(shù)

m－定子繞組相數(shù)

K－通電系數(shù)K=1,2，（單三拍、雙三拍時，K＝1；單、雙六拍時，K＝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，步距角二、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

由此可見，步進電動機的轉子齒數(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。如果電脈沖的頻率為f(HZ)，步距角用弧度表示，則步進電動機的轉速為：（r/min標注為rpm）由此可見，步進電動機的轉子齒數(shù)Z和定子相數(shù)(5.1.3步距角的細分

單相或雙相通電時，稱為整步運行；整步又稱自然步。

單、雙相通電時，稱為半步運行。

整步或半步運行時，因單步增量都比較大，而運行振動直接與步增量有關。

細分的目的就是將自然步進行細分，得到微步距，以得到較好的運行性能。5.1.3步距角的細分單相或雙相通電時，稱細分時：

A相繞組額定電流：轉子停在A-A位置A相繞組額定電流、B相繞組1/2額定電流：轉子停在位置Ⅱ，轉角150A相繞組額定電流、B相繞組額定電流時：轉子停在位置Ⅰ，轉角150A相繞組1/2額定電流、B相繞組額定電流：轉子停在位置Ⅲ，轉角150B相繞組額定電流：轉子停在位置B-B，轉角150這就是4細分，即一步分成4步。目前常用細分系數(shù)有2、4、8、16、32、64圖5.4步距細分原理圖細分時：這就是4細分，即一步分成4步。目前常用細分系數(shù)有2不細分時:A相繞組通電：轉子停在A-A位置

A、B相繞組通電：轉子停在位置Ⅰ，轉角300B相繞組通電：轉子停在B-B位置

，轉角300不細分時:5.1.4步進電動機的主要性能指標一、步進電機的靜態(tài)指標相數(shù)：產(chǎn)生磁場的激勵線圈的勵磁數(shù)（定子繞組的個數(shù)），一般分為三相、四相、五相、六相甚至八相。目前多用三至六相的步進電機；拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或導電狀態(tài)，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數(shù)，用n表示，磁場一個周期360°，轉過一個機械齒距角；步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移，用θ表示；定位轉矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉子自身的鎖定力矩；靜轉矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉運行時，電機轉軸的鎖定力矩。該力矩是衡量電機體積的標準，與驅動電壓及驅動電源無關。5.1.4步進電動機的主要性能指標一、步進電機的靜態(tài)指標相力矩：

電機一旦通電，在定子和轉子間將產(chǎn)生磁場，轉子與定子錯開一定角度（磁通量Ф）。力F與定子和轉子的錯開角有關，與（dФ/dθ)成正比。

Ф＝BrSBr為磁通密度，S為導磁面積。F與LDBr成正比，L為鐵芯有效長度，D為轉子直徑。Br＝N×I/R，N×I為勵磁繞組安匝數(shù)，R為磁阻，磁阻與磁導率成反比。力矩＝力×半徑。力矩與電機有效體積×安匝數(shù)×磁密成正比，因此電機有效體積越大，勵磁安匝數(shù)越大，定轉子間氣隙越小，力矩越大。二、步進電機的動態(tài)指標步距角精度：步進電機每轉過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用％表示。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應在5％以內，八拍運行時應在15％以內。力矩：電機一旦通電，在定子和轉子間將產(chǎn)生磁場，輸出轉矩：電動機軸上的輸出轉矩的大小

步進電動機的輸出轉矩與脈沖頻率的函數(shù)關系稱為矩頻特性。失步：電機運轉時運轉的步數(shù)不等于理論上的步數(shù)。失調角：轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉必存在失調角，由失調角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅動是不能解決的。最大空載啟動頻率：電機在某種驅動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接啟動的最大頻率。最大空載運行頻率：電機在某種驅動形式、電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉速頻率。輸出轉矩：電動機軸上的輸出轉矩的大小步進電動機的輸出轉矩與三、步進電動機的主要特性

1.矩角特性矩角特性指電磁轉矩與偏轉角的關系2.啟動慣頻特性啟動頻率和軸上負載轉動慣量之間的關系θe達到±π/2，定子齒與轉子齒錯開1/4個齒距時，轉矩T達到最大值，稱為最大靜轉矩Tsmax。負載轉矩一般為Tsmax的30~50%。在負載轉矩TL=0的條件下，步進電動機由靜止狀態(tài)突然啟動、不失步地進入正常運行狀態(tài)所允許的最高啟動頻率，稱為啟動頻率。啟動頻率與轉子轉動慣量、折算轉動慣量有關。實際啟動頻率由于TL存在，比標稱數(shù)值要低。拍數(shù)越多，步距角越小，極限啟動頻率越高；最大靜轉矩越大，電磁力矩越大，轉子加速度就越大，啟動頻率也越高。定子每相繞組通電循環(huán)一周（360度電角度），對應轉子在空間轉過一個齒距（360°/Z機械角度）。三、步進電動機的主要特性1.矩角特性三、步進電動機的主要特性

3.運行頻率特性步進電動機啟動后，當控制的脈沖頻率連續(xù)上升時能不失步運行的最高頻率脈沖重復頻率稱為連續(xù)運行平率。

轉動慣量主要應影響運行頻率連續(xù)升降的速度，而步進電動機的繞組電感和驅動電源的電壓對運行頻率的上限影響很大。實際啟動頻率比運行頻率低得多。

通常采用自動升降頻的方式，即步進電動機先在低頻下啟動，再逐漸升高至運行頻率；當步進電動機停轉時，先將脈沖頻率降低至啟動頻率以下，再停止輸出脈沖，這樣，步進電動機就能不失步地準確停止。三、步進電動機的主要特性3.運行頻率特性三、步進電動機的主要特性4.矩頻特性

負載轉動慣量一定且穩(wěn)定運行時，定子繞組電流變化（最大輸出轉矩）和頻率的關系

負載轉矩與連續(xù)運行時頻率的關系頻率很低頻率增高頻率很高最大輸出轉矩隨脈沖頻率的升高而下降。繞組電感和驅動電源電壓對矩頻特性影響很大。低頻區(qū)，矩頻特性平坦。高頻區(qū)，矩頻曲線急劇下降。步進電機高頻特性差。從靜止到高速，需要加速過程。從高速到靜止，需要減速。否則會出現(xiàn)失步。步進電機先低頻啟動，然后升至運行頻率。運行頻率增高，負載能力變差。三、步進電動機的主要特性4.矩頻特性三、步進電動機的主要特性

5.精度

精度最大步距誤差：電動機旋轉一周相鄰兩步之間的實際步距與理想步距的最大差值最大累計誤差：旋轉一周范圍內，從任何位置開始經(jīng)過任意步后角位移的最大誤差值步進電動機在一周內存在最大步距誤差或最大累計誤差。但沒有累計誤差。即：旋轉一周后誤差被清除。三、步進電動機的主要特性5.精度

一、步進電動機驅動電源的組成脈沖分配器功放電路三相步進電機負載功率電源分配器電源功放電路功放電路功率放大器步進脈沖方向信號ABC脈沖分配器+功率放大電路第11章

步進電動機控制系統(tǒng)一、步進電動機驅動電源的組成脈功放電路三負載功率電源分配1.脈沖分配器

當方向電平為低時，脈沖分配器的輸出按A-B-C的順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。

當方向電平為高時，脈沖分配器的輸出按A-C-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，使電動機的轉子產(chǎn)生輸出轉矩。1.脈沖分配器當方向電平為低時，脈沖分配器的輸出按A-11.1步進電動機的環(huán)形分配器

步進電動機的環(huán)形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。有較好的響應速度，且具有直觀、維護方便等優(yōu)點。

軟件環(huán)形分配器：由計算機接口電路和相應的軟件組成的。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。

一、硬件環(huán)形分配器：

硬件環(huán)形分配器由門電路、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器或邏輯陣列芯片（GAL、PLD）組成的邏輯電路來實現(xiàn)。11.1步進電動機的環(huán)形分配器步進電動機的環(huán)形分1.由J－K觸發(fā)器組成的環(huán)形分配器JKQn+1功能00Qn保持010置0101置111翻轉1.由J－K觸發(fā)器組成的環(huán)形分配器JKQn+1功能00Q11.1由J－K觸發(fā)器組成的環(huán)形分配器邏輯真值表序號控制信號狀態(tài)輸出狀態(tài)導電繞組CAJCBJCCJQAQBQC0110100A1010110AB2011010B3001011BC4101001C5100101CA6110100A11.1由J－K觸發(fā)器組成的環(huán)形分配器邏輯真值表序號控制2.專用集成芯片或通用可編程邏輯器件組成的環(huán)形分配器CH250是專門為三相反應式步進電動機設計的環(huán)形分配器，采用CMOS工藝，集成度高，可靠性好。其管腳分布及三相雙六拍工作時的接線見圖11.3，和狀態(tài)表11.2。2.專用集成芯片或通用可編程邏輯器件組成的環(huán)形分配器第1章步進電機控制系統(tǒng)課件3.EPROM在環(huán)形分配器中的應用EPROM環(huán)形分配器在硬件電路不動的情況下，只需改變軟件內存儲器的地址，就可是實現(xiàn)多種通電方式。

EPROM環(huán)形分配器特點：（1）線路簡單，僅有可逆計數(shù)器和存儲器兩部分；（2）一種線路可實現(xiàn)多種勵磁方式的分配，只要在不同的地址區(qū)域存儲不同的狀態(tài)表，除軟件工作外，硬件線路不變；（3）可徹底排除非法狀態(tài)；可有多種輸入端，便于同控制器連接。3.EPROM在環(huán)形分配器中的應用EPRO

二、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8155單片機本身包含4個8位I/O端口，分別為PC0、PC1、PC2。

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。二、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2)輸出模型

如果三相步進電動機按單、雙拍通電方式工作，即:

正轉：A-AB-B-BC-C-CA

反轉：A-AC-C-CB-B-BC

根據(jù)8031單片機的基本原理，對P1.0、P1.1、P1.2位編程使其按表規(guī)定改變輸出狀態(tài)就實現(xiàn)了三相六拍分配任務。2)輸出模型如果三相步進電動機按單、雙拍第1章步進電機控制系統(tǒng)課件3.控制程序按正轉和反轉的要求將輸出模型向輸出接口發(fā)送，并控制步進電動機的速度。以三相單三拍為例，步進電動機選裝方向標志FLAG=1，表示正轉，F(xiàn)LAG=0，表示反轉；輸出模型01H、02H、03H存放在地址S為起始地址的內存單元中，反轉時只需反向讀取模型。3.控制程序按正轉和反轉的要求將輸出模型向輸出接口發(fā)送，并11.2步進電動機的功率放大電路

步進電動機的功率驅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動能力。

由于功率放大器的輸出直接驅動電動機繞組，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。

11.2.1單電壓驅動電路

L－是電動機繞組VT－開關晶體管

外接電阻R兩端并聯(lián)電容C（初期電流主要流過電容C，將電阻傍路掉），電容電壓不能突變，使繞組電流上升更快，所以，電容C又稱為加速電容。

二極管V在晶體管VT截止時起續(xù)流和保護作用，串聯(lián)電阻使電流下降更快，從而使繞組電流波形后沿變陡。由于步進電動機繞組是電感性負載，故當繞組L中的電流不能突變，而是按指數(shù)規(guī)律上升，時間常數(shù)τ=L/(r+R)。由于步進電動機繞組的內阻r很小，因此時間常數(shù)很大，繞組中的電流上升很慢，嚴重影響步進電動機起動頻率。串接電阻R可減小時間常數(shù)，使脈沖電流的前沿變陡，從而改善步進電動機的頻率響應

11.2步進電動機的功率放大電路步進電動機的功率11.2.2高低壓切換型驅動電路

在t1～t2的時間內，VT1、VT2均飽和導通，+80V的電源經(jīng)VT1、VT2管加到步進電動機的繞組L上，使其電流迅速上升。當時間到達t2（采用定時方法），或當電流上升到某值（采用定流方法）時，Ub2為低電平，此時VT2管截止，電動機繞組的電流由+12V經(jīng)VT1管來維持，此時電流下降到電動機的額定電流。直到t3時，Ubl也為低電平，VT1管截止，繞組電流下降到零。

Ubl和Ub2的電壓：環(huán)行分配器每相輸出的脈沖信號分兩路，一路如單電壓線路直接用來控制低壓管V1的導通和截止。另一路采用改變微分電路或單穩(wěn)觸發(fā)器電路時間常數(shù)的辦法，使脈寬變窄，用來控制高電壓管的V2的導通和截止，在時間上，這兩路控制信號同時到達。

高低壓驅動線路的優(yōu)點是：功耗小，啟動力矩大，突跳頻率和工作頻率高。缺點是：大功率管的數(shù)量要多用一倍，增加了驅動電源。11.2.2高低壓切換型驅動電路在t1～t2的時間內，V11.2.3斬波恒流驅動電路當繞組中電流為某個數(shù)值時，由于采樣電阻Re的反饋作用，經(jīng)整形、放大后送到VT1基極，使其截止，繞組由低壓U2供電，繞組中電流立即下降，剛降至額定值以下時，由于Re的反饋作用，經(jīng)整形電路無輸出，此時高用壓放大電路又使VT1導通，電流上升。如此反復形成鋸齒波。圖11.10斬波恒流驅動原理圖和電流波形（a）電路原理圖(b)電流波形圖11.2.3斬波恒流驅動電路當繞組中電流11.2.3斬波恒流驅動電路繞組中電流為一個在額定電流值上下波動、呈鋸齒狀的電流波形，近似恒流。鋸齒波的頻率可通過采樣電阻Re和整形電路的電位器來調整。斬波電路可使步進電機的運行矩頻特性、啟動矩頻特性和慣性矩頻特性有明顯提高。使繞組中的脈沖電流邊沿陡，快速響應好。采樣電阻Re很小，整個系統(tǒng)功耗小。繞組中電流不隨步進電機的轉速變化而變化，從而保證在很大頻率范圍內，能輸出恒大的轉矩。圖11.10斬波恒流驅動原理圖和電流波形（a）電路原理圖(b)電流波形圖11.2.3斬波恒流驅動電路繞組中電流為一個在額定電流值11.2.4調頻調壓驅動電路

高低壓或斬波恒流驅動電路，為提高高頻響應，都采取提高供電電壓，加快電流上升前沿的措施，這會加劇低頻振蕩。

低速時繞組電流上升前沿較平緩，高速時電流前沿較陡。這就要求低頻時低壓供電，高頻時高壓供電，調頻調壓即可滿足要求。

I/O1輸出步進信號；I/O2輸出調壓信號。

當I/O1輸出步進脈沖、I/O2輸出負脈沖，VT1、VT2導通，U1向電感Ls、電容C諧振充電；當負脈沖過后，電容C儲能通過續(xù)流二極管放電。

通過單片機控制，步進信號I/O1頻率高，從I/O2輸出的負脈沖ton變大，U2也隨之變大，這就起到調頻調壓的作用。圖11.11調頻調壓驅動電路11.2.4調頻調壓驅動電路高低壓或斬波恒流11.3步進電動機的控制與有細分驅動器應用11.3.1步進電動機步距角的細分控制為了提高數(shù)控精度，應減小脈沖當量δ，方法如下：（1）減小步進電動機的步距角；（2）加大步進電動機與傳動絲杠間齒輪的傳動比和減小傳動絲杠的螺距；（3）將步進電動機的步距角細分。11.3步進電動機的控制與有細分驅動器應用為了提高數(shù)控精度步進電機控制已經(jīng)蘊含了細分的原理。電機內部磁場每旋轉一個圓周,步進電機前進一整個步距角。若三相步進電機按A→B→C→A的順序輪流通電,即整步工作,磁場分三拍旋轉,每次電流換向,步進電機將前進整步距角的1/3。而按A→AB→B→BC→C→CA→A的順序輪流通電,半步工作,每次電流換向，步進電機將前進整步距角的1/6。但是,如果半步工作狀態(tài)下每拍前進的角度超過控制精度要求,則需要對步距角進行更進一步的細分。電磁力的大小跟繞組通電電流的大小是相關的。當通電相的電流不馬上到達峰值,而斷電相的電流也不立即降為零時,電機內部磁場為上兩相電流共同合成,而產(chǎn)生的磁場合力,會使轉子有一個新的平衡位置,這個新的平衡位置在原步距角的范圍內。即：如果繞組電流的波形不再是一個近似方波,而是分成N個階梯的近似階梯波,則電流每升或者降一個階梯時,轉子轉動一小步。當轉子按照這個規(guī)律轉過N小步時,實際相當于它轉過一個步距角。這種將一個步距角分成若干小步的驅動方法,稱為細分驅動。步進電機控制已經(jīng)蘊含了細分的原理。實現(xiàn)階梯波供電的兩種方法：（1）先放大后疊加：將通過細分環(huán)形分配器所形成的各個等幅等寬的脈沖分別進行放大，然后在步進電動機繞組中疊加起來形成階梯波。驅動管工作于開關狀態(tài)，損耗小，適合大功率場合。（2）先疊加后放大：在利用運算放大器來疊加，或采用公共負載的方法，把方波合成為階梯波，然后對階梯波進行放大再去驅動步進電動機。驅動管工作于放大狀態(tài)，損耗大，只適合小功率場合。圖11.12階梯波疊加電路圖

先放大后疊加

先疊加后放大實現(xiàn)階梯波供電的兩種方法：（1）先放大后疊加：將通過細分環(huán)形1.用集成環(huán)形分配器芯片構成細分電路用HF-2三相六拍環(huán)形分配器構成三相十八拍細分驅動電路。三相三拍步距角為3°，三相六拍步距角為1.5°三相十八拍步距角為0.5°。

采用細分電路后，電動機繞組中的電流不是由零躍升到額定值，而是經(jīng)過若干小步的變化才達到額定值；同時，也不是由額定值陡降到零，而是經(jīng)過若干小步的變化才達到零。

細分后的電流波形1.用集成環(huán)形分配器芯片構成細分電路用HF-2三相用微機實施細分，關鍵是設計一個軟件的移位分配器。要形成三相六拍的驅動信號，就要從三個I/O周期地輸出信號。8155的PA0～PA3中四個I/O口并聯(lián)控制A相繞組；PA4～PA7中四個I/O口并聯(lián)控制B相繞組；PB0～PB3中四個I/O口并聯(lián)控制C相繞組；2.用集成環(huán)形分配器芯片構成細分電路PA3PA2PA1PA0狀態(tài)字000101H001002H001103H……………11100EH11110FH圖11.14微機控制步進電動機的細分接口表11.5A相分配表用微機實施細分，關鍵是設計一個軟件的移位分配器11.3.2步進電動機的開環(huán)控制步進電動機一般分為開環(huán)控制和反饋補償閉環(huán)控制。在開環(huán)控制系統(tǒng)中，步進電動機的旋轉速度全取決于指令脈沖的頻率。點位控制中為了避免啟動失步和停止過充，必須低速啟動，然后再慢慢加速到高速，實現(xiàn)高速運行；同樣，停止時也要從高速慢慢降到低速。圖11.15步進電動機的控制方式（a）開環(huán)控制（b）閉環(huán)控制（a）（b）11.3.2步進電動機的開環(huán)控制步進電動機一般分為開環(huán)點-位控制的加減速過程圖11.16點-位控制的加減速過程

升降速曲線：點-位控制的加減速過程圖11.16點-位控制的加減速過程

11.3.3步進電動機的閉環(huán)控制開環(huán)控制的脈沖不依賴于轉子的位置，而是事先按一定的規(guī)律給定的，其缺點是電動機的輸出轉矩加速度在很大的程度上取決于驅動電源和控制方式。

閉環(huán)控制是直接或間接地檢測轉子的位置和速度，位置檢測裝置將測得的工作臺位置信號與指令位置信號相比較，然后用它們的差值（即誤差）進行控制，以此差值自動給出驅動的脈沖串。11.3.3步進電動機的閉環(huán)控制開環(huán)控制11.3.4應用步進電動機驅動應注意的問題（1）其步距值不受電壓、電流及溫度等變化的影響，位移僅取決于脈沖的個數(shù)。（2）盡管步進電動機存在齒間相鄰誤差，有步距角誤差，它的大小是由制造精度、齒槽的分布和氣隙等因素決定的。但是每一圈的誤差為零，即步距誤差不會產(chǎn)生累積誤差。（3）啟動、停止、反轉等運行方式的改變，都可在幾個脈沖內完成，且不會失步。（4）步進電動機的轉速與輸入1.步進電動機的驅動系統(tǒng)的顯著優(yōu)點11.3.4應用步進電動機驅動應注意的問題（1）其步距2.應用步進電動機最基本的一些問題（1）步進電動機開環(huán)進給系統(tǒng)的位移或轉角大小由指令脈沖數(shù)決定。（2）為使步進電動機正常運行（不失步、不越步），正常啟動并滿足對轉速的要求，必須保證步進電動機的輸出轉矩大于負載所需的轉矩。(a)啟動轉矩應選擇為：Tst≥TLmax/(0.3~0.5)

一般：TL=(0.3~0.5)Tsmax

（b）在要求的運行范圍內，步進電動運行轉矩應大于它的靜載轉矩與轉動慣量（包括負載的轉動慣量）引起的慣性矩之和。2.應用步進電動機最基本的一些問題（1）步進電動機開環(huán)進2.應用步進電動機最基本的一些問題（3）必須使步進電動機步距角β與機械負載相匹配，以得到步進電動機驅動部件所需要的脈沖當量。（4）選步進電動機必須與機械系統(tǒng)的負載慣量及所要求的啟動頻率相匹配，并留有余量。（5）驅動電源的優(yōu)劣對步進電動機控制系統(tǒng)的運行影響極大，盡量采用先進的驅動電源。（6）若所帶負載轉動慣量較大，則應在低頻下啟動，然后再上升到工作頻率，停車時也應從工作頻率下降到適當頻率再停車。（7）步進電動機在運行中存在振蕩，它有一個固有頻率發(fā)f1,當輸入脈沖頻率f=f1時會產(chǎn)生共振，使步進電動機振蕩。（8）若在工作中發(fā)生失步現(xiàn)象，首先檢查負載是否過大，電源電壓是否正常，在檢查驅動電源輸出波形是否正常，在處理問題時不應隨意更換元件。2.應用步進電動機最基本的一些問題（3）必須使步進電動機13.4步進電機與交流伺服電機性能比較1.控制精度不同兩相混合式步進電機步距角一般為3.6o、1.8o，五相混合式一般為0.72o、0.36o，也有一些高性能的步進電機步距角更小。交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證。以松下全數(shù)字式交流伺服電機為例，對于帶標準2500線編碼器的電機，由于驅動器內部采用了四倍頻技術，其脈沖當量為0.036o。對于帶17位編碼器的電機，其脈沖當量為1.8o步進電機的1/655。2.低頻特性不同步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象；交流伺服電機運轉非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。3.矩頻特性不同步進電機的輸出力矩隨轉速上升而下降，且在較高轉速時會急劇下降，其最高工作轉速一般在300～600r/min。交流伺服電機為恒轉矩輸出，不存在這個問題。13.4步進電機與交流伺服電機性能比較1.控制精度不同4.過載能力不同步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機有較強的過載能力，其最大轉矩為額定轉矩的2～4倍。5.運行性能不同步進電機為開環(huán)控制，啟動頻率過高或者負載過大易出現(xiàn)丟步和堵轉現(xiàn)象，停止時轉速過高易出現(xiàn)過沖現(xiàn)象。交流伺服電機為閉環(huán)控制，一般不會出現(xiàn)上述現(xiàn)象，控制性能更加可靠。6.速度響應性能不同步進電機從靜止加速到工作轉速（一般為幾百轉每分鐘）需要200～400ms。交流伺服電機僅需幾ms（額定轉速3000r/min)，可用于要求快速啟停場合。4.過載能力不同步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機有13.5步進電機的選擇與應用步進電機的選擇由步矩角、靜轉矩、電流三大要素決定。1.步距角的選擇：取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當量）換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度，電機的步距角應等于或小于此角度。2.靜力矩的選擇：依據(jù)電機工作的負載，負載分慣性負載和摩擦負載兩種，加速啟動時主要考慮慣性負載，恒速運行時只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2～3倍內好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來。3.電流的選擇：靜力矩一樣的電機，由于電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流。13.5步進電機的選擇與應用步進電機的選擇由步矩角、靜轉5.1步進電動機常見步進電機外形構造

第五章步進電動機5.1步進電動機常見步進電機外形構造第五章步進電動機步進電機內部結構通電線圈中磁感應強度B=μH=μnI

Ф=BS．(S是垂直磁感強度的面積)線圈磁通量是由線圈匝數(shù)和面積，以及線圈中的通電電流所決定的。步進電機內部結構通電線圈中磁感應強度B=μH=μnI步進電機內部結構步進電機的內部構造

步進電機內部結構步進電機的內部構造

步進電動機構造：由轉子（轉子鐵芯、永磁體、轉軸、滾珠軸承），定子（繞組、定子鐵芯），前后端蓋等組成。最典型兩相混合式步進電機的定子有8個大齒，40個小齒，轉子有50個小齒；三相電機的定子有9個大齒，45個小齒，轉子有50個小齒。電動機構造圖轉軸成平行方向的斷面圖步進電動機構造：電動機構造圖轉軸成平行方向的斷面圖5.1.1步進電動機結構與工作原理步進電動機是一種將電脈沖信號轉換成機械位移的機電執(zhí)行元件。每當輸入一個電脈沖時，它便轉過一個固定的角度，這個角度叫步距角β，簡稱步距。脈沖一個一個輸入，電動機便一步一步轉動。

步進電動機的分類：工作原理反應式永磁式混合式輸出轉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5.1.1步進電動機結構與工作原理步進電動機是一種以反應式為例說明步進電機的結構和工作原理通常按勵磁方式分為三大類：1）反應式：

轉子為軟磁材料，無繞組，定、轉子開小齒、步距角小。2）永磁式：

轉子為永磁材料，轉子的極數(shù)=每相定子極數(shù)，不開小齒，步距角較大，力矩較大。3）混合式：

轉子為永磁式、兩段，開小齒，轉矩大、動態(tài)性能好、步距角小，但結構復雜，成本較高。步進電動機的種類以反應式為例說明步進電機的結構和工作原理通常按勵磁方式分為三

反應式步進電動機結構：反應式步進電動機結構：一、步進電動機的組成

如圖所示為一臺三相反應式步進電動機的結構示意圖，同樣由定子和轉子組成。定子：由定子鐵心、繞組、絕緣材料等組成

勵磁繞組由外部脈沖信號對各相繞組輪流勵磁。如圖所示。

轉子：由轉子鐵心、轉軸等組成。轉子鐵心是由硅鋼片或軟磁材料疊壓而成的齒形鐵心。一、步進電動機的組成如圖所示為一臺三相反應式步進電動

其中定子的三個勵磁繞組，其幾何軸線依次分別與轉子齒軸線錯開。錯開的距離分別為1/3(T)、2/3(T)。T為相鄰兩齒軸線間的距離。其中定子的三個勵磁繞組，其幾何軸線依次分別與二、步進電動機的工作原理

給A相繞組通電時，轉子位置如圖（a），轉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，因此對轉子產(chǎn)生電磁吸力，迫使轉子齒轉動，當轉子轉到與定子齒對齊位置時(圖b)，因轉子只受徑向力而無切線力，故轉矩為零，轉子被鎖定在這個位置上。由此可見：錯齒是使得步進電機旋轉的根本原因。a)b)二、步進電動機的工作原理給A相繞組通電時，轉子位置5.1.2通電方式一、步進電動機的通電方式步進電動機的轉速既取決于控制繞組的通電頻率，也取決于繞組通電方式，三相步進電機一般有單三拍、單雙六拍和雙三拍等通電方式，其中“單”是指每次切換前后只有一相繞組通電，“雙”指每次有兩相繞組通電；而從一種通電狀態(tài)轉換到另一種通電狀態(tài)就叫“拍”。5.1.2通電方式一、步進電動機的通電方式

1.單相通電方式：指對每相繞組單獨輪流通電，對于三相步進電動機：如果要改變旋轉方向，則只要改變通電順序即可，如通電順序改為A－Ｃ－Ｂ－Ａ時，轉子按逆時針方向一步一步轉動。齒距角：轉子齒與齒之間的角度。步距角：轉子每步轉過的角度。每次轉動30o，因此，當通電順序為A－B－Ｃ－Ａ時，轉子按順時針方向一步一步轉動。每換接一次，則轉子前進一個步距角。電流換接三次，磁場旋轉一周，轉子前進一個齒距角，這里是90o。1.單相通電方式：指對每相繞組單獨輪流通電，對于三

3.雙拍工作方式：正轉：AB-BC-CA-AB

反轉：AC-CA-BC-AC

2.三相六拍工作方式：

每次轉動15o，當通電順序按A-AB-B-BC-C-CA-A時，則轉子便按順時針方向一步一步地轉動，步距角為15o。電流換接六次，磁場旋轉一周，轉子前進了一個齒距。如果要反轉，則通電順序改為A-CA-C-BC-B-AB-A即可。同樣雙三拍通電方式每走一步前進了一個步距角（30o）。3.雙拍工作方式：2.三相六拍工作方式：二、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，電動機轉子所轉過的角度稱為步距角。設轉子的齒數(shù)為Z，則齒距為：

τ=360/Z步距角：

＝齒距/拍數(shù)=360/（KmZ）

其中：Z－轉子齒數(shù)

m－定子繞組相數(shù)

K－通電系數(shù)K=1,2，（單三拍、雙三拍時，K＝1；單、雙六拍時，K＝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，步距角二、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

由此可見，步進電動機的轉子齒數(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。如果電脈沖的頻率為f(HZ)，步距角用弧度表示，則步進電動機的轉速為：（r/min標注為rpm）由此可見，步進電動機的轉子齒數(shù)Z和定子相數(shù)(5.1.3步距角的細分

單相或雙相通電時，稱為整步運行；整步又稱自然步。

單、雙相通電時，稱為半步運行。

整步或半步運行時，因單步增量都比較大，而運行振動直接與步增量有關。

細分的目的就是將自然步進行細分，得到微步距，以得到較好的運行性能。5.1.3步距角的細分單相或雙相通電時，稱細分時：

A相繞組額定電流：轉子停在A-A位置A相繞組額定電流、B相繞組1/2額定電流：轉子停在位置Ⅱ，轉角150A相繞組額定電流、B相繞組額定電流時：轉子停在位置Ⅰ，轉角150A相繞組1/2額定電流、B相繞組額定電流：轉子停在位置Ⅲ，轉角150B相繞組額定電流：轉子停在位置B-B，轉角150這就是4細分，即一步分成4步。目前常用細分系數(shù)有2、4、8、16、32、64圖5.4步距細分原理圖細分時：這就是4細分，即一步分成4步。目前常用細分系數(shù)有2不細分時:A相繞組通電：轉子停在A-A位置

A、B相繞組通電：轉子停在位置Ⅰ，轉角300B相繞組通電：轉子停在B-B位置

，轉角300不細分時:5.1.4步進電動機的主要性能指標一、步進電機的靜態(tài)指標相數(shù)：產(chǎn)生磁場的激勵線圈的勵磁數(shù)（定子繞組的個數(shù)），一般分為三相、四相、五相、六相甚至八相。目前多用三至六相的步進電機；拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或導電狀態(tài)，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數(shù)，用n表示，磁場一個周期360°，轉過一個機械齒距角；步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移，用θ表示；定位轉矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉子自身的鎖定力矩；靜轉矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉運行時，電機轉軸的鎖定力矩。該力矩是衡量電機體積的標準，與驅動電壓及驅動電源無關。5.1.4步進電動機的主要性能指標一、步進電機的靜態(tài)指標相力矩：

電機一旦通電，在定子和轉子間將產(chǎn)生磁場，轉子與定子錯開一定角度（磁通量Ф）。力F與定子和轉子的錯開角有關，與（dФ/dθ)成正比。

Ф＝BrSBr為磁通密度，S為導磁面積。F與LDBr成正比，L為鐵芯有效長度，D為轉子直徑。Br＝N×I/R，N×I為勵磁繞組安匝數(shù)，R為磁阻，磁阻與磁導率成反比。力矩＝力×半徑。力矩與電機有效體積×安匝數(shù)×磁密成正比，因此電機有效體積越大，勵磁安匝數(shù)越大，定轉子間氣隙越小，力矩越大。二、步進電機的動態(tài)指標步距角精度：步進電機每轉過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用％表示。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應在5％以內，八拍運行時應在15％以內。力矩：電機一旦通電，在定子和轉子間將產(chǎn)生磁場，輸出轉矩：電動機軸上的輸出轉矩的大小

步進電動機的輸出轉矩與脈沖頻率的函數(shù)關系稱為矩頻特性。失步：電機運轉時運轉的步數(shù)不等于理論上的步數(shù)。失調角：轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉必存在失調角，由失調角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅動是不能解決的。最大空載啟動頻率：電機在某種驅動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接啟動的最大頻率。最大空載運行頻率：電機在某種驅動形式、電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉速頻率。輸出轉矩：電動機軸上的輸出轉矩的大小步進電動機的輸出轉矩與三、步進電動機的主要特性

1.矩角特性矩角特性指電磁轉矩與偏轉角的關系2.啟動慣頻特性啟動頻率和軸上負載轉動慣量之間的關系θe達到±π/2，定子齒與轉子齒錯開1/4個齒距時，轉矩T達到最大值，稱為最大靜轉矩Tsmax。負載轉矩一般為Tsmax的30~50%。在負載轉矩TL=0的條件下，步進電動機由靜止狀態(tài)突然啟動、不失步地進入正常運行狀態(tài)所允許的最高啟動頻率，稱為啟動頻率。啟動頻率與轉子轉動慣量、折算轉動慣量有關。實際啟動頻率由于TL存在，比標稱數(shù)值要低。拍數(shù)越多，步距角越小，極限啟動頻率越高；最大靜轉矩越大，電磁力矩越大，轉子加速度就越大，啟動頻率也越高。定子每相繞組通電循環(huán)一周（360度電角度），對應轉子在空間轉過一個齒距（360°/Z機械角度）。三、步進電動機的主要特性1.矩角特性三、步進電動機的主要特性

3.運行頻率特性步進電動機啟動后，當控制的脈沖頻率連續(xù)上升時能不失步運行的最高頻率脈沖重復頻率稱為連續(xù)運行平率。

轉動慣量主要應影響運行頻率連續(xù)升降的速度，而步進電動機的繞組電感和驅動電源的電壓對運行頻率的上限影響很大。實際啟動頻率比運行頻率低得多。

通常采用自動升降頻的方式，即步進電動機先在低頻下啟動，再逐漸升高至運行頻率；當步進電動機停轉時，先將脈沖頻率降低至啟動頻率以下，再停止輸出脈沖，這樣，步進電動機就能不失步地準確停止。三、步進電動機的主要特性3.運行頻率特性三、步進電動機的主要特性4.矩頻特性

負載轉動慣量一定且穩(wěn)定運行時，定子繞組電流變化（最大輸出轉矩）和頻率的關系

負載轉矩與連續(xù)運行時頻率的關系頻率很低頻率增高頻率很高最大輸出轉矩隨脈沖頻率的升高而下降。繞組電感和驅動電源電壓對矩頻特性影響很大。低頻區(qū)，矩頻特性平坦。高頻區(qū)，矩頻曲線急劇下降。步進電機高頻特性差。從靜止到高速，需要加速過程。從高速到靜止，需要減速。否則會出現(xiàn)失步。步進電機先低頻啟動，然后升至運行頻率。運行頻率增高，負載能力變差。三、步進電動機的主要特性4.矩頻特性三、步進電動機的主要特性

5.精度

精度最大步距誤差：電動機旋轉一周相鄰兩步之間的實際步距與理想步距的最大差值最大累計誤差：旋轉一周范圍內，從任何位置開始經(jīng)過任意步后角位移的最大誤差值步進電動機在一周內存在最大步距誤差或最大累計誤差。但沒有累計誤差。即：旋轉一周后誤差被清除。三、步進電動機的主要特性5.精度

一、步進電動機驅動電源的組成脈沖分配器功放電路三相步進電機負載功率電源分配器電源功放電路功放電路功率放大器步進脈沖方向信號ABC脈沖分配器+功率放大電路第11章

步進電動機控制系統(tǒng)一、步進電動機驅動電源的組成脈功放電路三負載功率電源分配1.脈沖分配器

當方向電平為低時，脈沖分配器的輸出按A-B-C的順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。

當方向電平為高時，脈沖分配器的輸出按A-C-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，使電動機的轉子產(chǎn)生輸出轉矩。1.脈沖分配器當方向電平為低時，脈沖分配器的輸出按A-11.1步進電動機的環(huán)形分配器

步進電動機的環(huán)形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。有較好的響應速度，且具有直觀、維護方便等優(yōu)點。

軟件環(huán)形分配器：由計算機接口電路和相應的軟件組成的。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。

一、硬件環(huán)形分配器：

硬件環(huán)形分配器由門電路、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器或邏輯陣列芯片（GAL、PLD）組成的邏輯電路來實現(xiàn)。11.1步進電動機的環(huán)形分配器步進電動機的環(huán)形分1.由J－K觸發(fā)器組成的環(huán)形分配器JKQn+1功能00Qn保持010置0101置111翻轉1.由J－K觸發(fā)器組成的環(huán)形分配器JKQn+1功能00Q11.1由J－K觸發(fā)器組成的環(huán)形分配器邏輯真值表序號控制信號狀態(tài)輸出狀態(tài)導電繞組CAJCBJCCJQAQBQC0110100A1010110AB2011010B3001011BC4101001C5100101CA6110100A11.1由J－K觸發(fā)器組成的環(huán)形分配器邏輯真值表序號控制2.專用集成芯片或通用可編程邏輯器件組成的環(huán)形分配器CH250是專門為三相反應式步進電動機設計的環(huán)形分配器，采用CMOS工藝，集成度高，可靠性好。其管腳分布及三相雙六拍工作時的接線見圖11.3，和狀態(tài)表11.2。2.專用集成芯片或通用可編程邏輯器件組成的環(huán)形分配器第1章步進電機控制系統(tǒng)課件3.EPROM在環(huán)形分配器中的應用EPROM環(huán)形分配器在硬件電路不動的情況下，只需改變軟件內存儲器的地址，就可是實現(xiàn)多種通電方式。

EPROM環(huán)形分配器特點：（1）線路簡單，僅有可逆計數(shù)器和存儲器兩部分；（2）一種線路可實現(xiàn)多種勵磁方式的分配，只要在不同的地址區(qū)域存儲不同的狀態(tài)表，除軟件工作外，硬件線路不變；（3）可徹底排除非法狀態(tài)；可有多種輸入端，便于同控制器連接。3.EPROM在環(huán)形分配器中的應用EPRO

二、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8155單片機本身包含4個8位I/O端口，分別為PC0、PC1、PC2。

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。二、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2)輸出模型

如果三相步進電動機按單、雙拍通電方式工作，即:

正轉：A-AB-B-BC-C-CA

反轉：A-AC-C-CB-B-BC

根據(jù)8031單片機的基本原理，對P1.0、P1.1、P1.2位編程使其按表規(guī)定改變輸出狀態(tài)就實現(xiàn)了三相六拍分配任務。2)輸出模型如果三相步進電動機按單、雙拍第1章步進電機控制系統(tǒng)課件3.控制程序按正轉和反轉的要求將輸出模型向輸出接口發(fā)送，并控制步進電動機的速度。以三相單三拍為例，步進電動機選裝方向標志FLAG=1，表示正轉，F(xiàn)LAG=0，表示反轉；輸出模型01H、02H、03H存放在地址S為起始地址的內存單元中，反轉時只需反向讀取模型。3.控制程序按正轉和反轉的要求將輸出模型向輸出接口發(fā)送，并11.2步進電動機的功率放大電路

步進電動機的功率驅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動能力。

由于功率放大器的輸出直接驅動電動機繞組，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。

11.2.1單電壓驅動電路

L－是電動機繞組VT－開關晶體管

外接電阻R兩端并聯(lián)電容C（初期電流主要流過電容C，將電阻傍路掉），電容電壓不能突變，使繞組電流上升更快，所以，電容C又稱為加速電容。

二極管V在晶體管VT截止時起續(xù)流和保護作用，串聯(lián)電阻使電流下降更快，從而使繞組電流波形后沿變陡。由于步進電動機繞組是電感性負載，故當繞組L中的電流不能突變，而是按指數(shù)規(guī)律上升，時間常數(shù)τ=L/(r+R)。由于步進電動機繞組的內阻r很小，因此時間常數(shù)很大，繞組中的電流上升很慢，嚴重影響步進電動機起動頻率。串接電阻R可減小時間常數(shù)，使脈沖電流的前沿變陡，從而改善步進電動機的頻率響應

11.2步進電動機的功率放大電路步進電動機的功率11.2.2高低壓切換型驅動電路

在t1～t2的時間內，VT1、VT2均飽和導通，+80V的電源經(jīng)VT1、VT2管加到步進電動機的繞組L上，使其電流迅速上升。當時間到達t2（采用定時方法），或當電流上升到某值（采用定流方法）時，Ub2為低電平，此時VT2管截止，電動機繞組的電流由+12V經(jīng)VT1管來維持，此時電流下降到電動機的額定電流。直到t3時，Ubl也為低電平，VT1管截止，繞組電流下降到零。

Ubl和Ub2的電壓：環(huán)行分配器每相輸出的脈沖信號分兩路，一路如單電壓線路直接用來控制低壓管V1的導通和截止。另一路采用改變微分電路或單穩(wěn)觸發(fā)器電路時間常數(shù)的辦法，使脈寬變窄，用來控制高電壓管的V2的導通和截止，在時間上，這兩路控制信號同時到達。

高低壓驅動線路的優(yōu)點是：功耗小，啟動力矩大，突跳頻率和工作頻率高。缺點是：大功率管的數(shù)量要多用一倍，增加了驅動電源。11.2.2高低壓切換型驅動電路在t1～t2的時間內，V11.2.3斬波恒流驅動電路當繞組中電流為某個數(shù)值時，由于采樣電阻Re的反饋作用，經(jīng)整形、放大后送到VT1基極，使其截止，繞組由低壓U2供電，繞組中電流立即下降，剛降至額定值以下時，由于Re的反饋作用，經(jīng)整形電路無輸出，此時高用壓放大電路又使VT1導通，電流上升。如此反復形成鋸齒波。圖11.10斬波恒流驅動原理圖和電流波形（a）電路原理圖(b)電流波形圖11.2.3斬波恒流驅動電路當繞組中電流11.2.3斬波恒流驅動電路繞組中電流為一個在額定電流值上下波動、呈鋸齒狀的電流波形，近似恒流。鋸齒波的頻率可通過采樣電阻Re和整形電路的電位器來調整。斬波電路可使步進電機的運行矩頻特性、啟動矩頻特性和慣性矩頻特性有明顯提高。使繞組中的脈沖電流邊沿陡，快速響應好。采樣電阻Re很小，整個系統(tǒng)功耗小。繞組中電流不隨步進電機的轉速變化而變化，從而保證在很大頻率范圍內，能輸出恒大的轉矩。圖11.10斬波恒流驅動原理圖和電流波形（a）電路原理圖(b)電流波形圖11.2.3斬波恒流驅動電路繞組中電流為一個在額定電流值11.2.4調頻調壓驅動電路

高低壓或斬波恒流驅動電路，為提高高頻響應，都采取提高供電電壓，加快電流上升前沿的措施，這會加劇低頻振蕩。

低速時繞組電流上升前沿較平緩，高速時電流前沿較陡。這就要求低頻時低壓供電，高頻時高壓供電，調頻調壓即可滿足要求。

I/O1輸出步進信號；I/O2輸出調壓信號。

當I/O1輸出步進脈沖、I/O2輸出負脈沖，VT1、VT2導通，U1向電感Ls、電容C諧振充電；當負脈沖過后，電容C儲能通過續(xù)流二極管放電。

通過單片機控制，步進信號I/O1頻率高，從I/O2輸出的負脈沖ton變大，U2也隨之變大，這就起到調頻調壓的作用。圖11.11調頻調壓驅動電路11.2.4調頻調壓驅動電路高低壓或斬波恒流11.3步進電動機的控制與有細分驅動器應用11.3.1步進電動機步距角的細分控制為了提高數(shù)控精度，應減小脈沖當量δ，方法如下：（1）減小步進電動機的步距角；（2）加大步進電動機與傳動絲杠間齒輪的傳動比和減小傳動絲杠的螺距；（3）將步進電動機的步距角細分。11.3步進電動機的控制與有細分驅動器應用為了提高數(shù)控精度步進電機控制已經(jīng)蘊含了細分的原理。電機內部磁場每旋轉一個圓周,步進電機前進一整個步距角。若三相步進電機按A→B→C→A的順序輪流通電,即整步工作,磁場分三拍旋轉,每次電流換向,步進電機將前進整步距角的1/3。而按A→AB→B→BC→C→CA→A的順序輪流通電,半步工作,每次電流換向，步進電機將前進整步距角的1/6。但是,如果半步工作狀態(tài)下每拍前進的角度超過控制精度要求,則需要對步距角進行更進一步的細分。電磁力的大小跟繞組通電電流的大小是相關的。當通電相的電流不馬上到達峰值,而斷電相的電流也不立即降為零時,電機內部磁場為上兩相電流共同合成,而產(chǎn)生的磁場合力,會使轉子有一個新的平衡位置,這個新的平衡位置在原步距角的范圍內。即：如果繞組電流的波形不再是一個近似方波,而是分成N個階梯的近似階梯波,則電流每升或者降一個階梯時,轉子轉動一小步。當轉子按照這個規(guī)律轉過N小步時,實際相當于它轉過一個步距角。這種將一個步距角分成若干小步的驅動方法,稱為細分驅動。步進電機控制已經(jīng)蘊含了細分的原理。實現(xiàn)階梯波供電的兩種方法：（1）先放大后疊加：將通過細分環(huán)形分配器所形成的各個等幅等寬的脈沖分別進行放大，然后在步進電動機繞組中疊加起來形成階梯波。驅動管工作于開關狀態(tài)，損耗小，適合大功率場合。（2）先疊加后放大：在利用運算放大器來疊加，或采用公共負載的方法，把方波合成為階梯波，然后對階梯波進行放大再去驅動步進電動機。驅動管工作于放大狀態(tài)，損耗大，只適合小功率場合。圖11.12階梯波疊加電路圖

先放大后疊加

先疊加后放大實現(xiàn)階梯波供電的兩種方法：（1）先放大后疊加：將通過細分環(huán)形1.用集成環(huán)形分配器芯片構成細分電路用HF-2三相六拍環(huán)形分配器構成三相十八拍細分驅動電路。三相三拍步距角為3°，三相六拍步距角為1.5°三相十八拍步距角為0.5°。

采用細分電路后，電動機繞組中的電流不是由零躍升到額定值，而是經(jīng)過若干小步的變化才達到額定值；同時，也不是由額定值陡降到零，而是經(jīng)過若干小步的變化才達到零。

細分后的電流波形1.用集成環(huán)形分配器芯片構成細分電路用HF-2三相用微機實施細分，關鍵是設計一個軟件的移位分配器。要形成三相六拍的驅動信號，就要從三個I/O周期地輸出信號。8155的PA0～PA3中四個I/O口并聯(lián)控制A相繞組；PA4～PA7中四個I/O口并聯(lián)控制B相繞組；PB0～PB3中四個I/O口并聯(lián)控制C相繞組；2.用集成環(huán)形