第6章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)

第六章

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制

1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（SteppingMotor，或StepMotor、StepperMotor）是一種可由電脈沖控制運(yùn)動(dòng)的特殊電動(dòng)機(jī)，可以通過(guò)脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換控制的方法將脈沖電信號(hào)變換成相應(yīng)的角位移或線位移。因此步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也被稱為脈沖電動(dòng)機(jī)（PulseMotor）。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不能直接使用通常的直流或交流電源來(lái)驅(qū)動(dòng)，而是需要使用專門的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。在工業(yè)生產(chǎn)中被應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、打印機(jī)、繪圖儀、機(jī)器人控制等，6.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)概述2一些使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的機(jī)器、設(shè)備。

機(jī)器人打印機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制器數(shù)控機(jī)床數(shù)控機(jī)床34通過(guò)一定的控制方式，可以使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)的角位移或線位移與脈沖數(shù)成正比，即其轉(zhuǎn)速或線速度與輸入控制脈沖的頻率成正比。在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所能承受的負(fù)載能力范圍內(nèi)，這種關(guān)系不會(huì)因電源電壓、負(fù)載大小以及環(huán)境條件的波動(dòng)而變化，因而在系統(tǒng)中可以采用開(kāi)環(huán)的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，從而使控制系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化。通常步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以在較寬的范圍內(nèi)通過(guò)改變輸入控制脈沖的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，并能夠做到快速起動(dòng)、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)。由于它能直接利用脈沖數(shù)字信號(hào)進(jìn)行控制并將其轉(zhuǎn)換成角位移，因而很適合于采用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行數(shù)字式控制的場(chǎng)合。5交流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子繞組通電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，而轉(zhuǎn)子由于形成切割磁力線的等效作用在其內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，與定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用形成運(yùn)動(dòng)所需的電磁力，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)。為了產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)所需的一定強(qiáng)度的感應(yīng)電流，交流電動(dòng)機(jī)在原理上就會(huì)要求旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)速上有一定限制。同步電機(jī)由定子線圈通過(guò)電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)吸引轉(zhuǎn)子形成轉(zhuǎn)動(dòng)所需的作用力，磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)。在這一過(guò)程中需要在轉(zhuǎn)子內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流及其產(chǎn)生的相應(yīng)的磁場(chǎng)。所有電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)所需的力都源于電磁力。與交流電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)不同的是，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)的所需的電磁力是由定子繞組因通電產(chǎn)生的磁場(chǎng)（恒定非旋轉(zhuǎn)），對(duì)由磁性材料按照一定形狀做成的轉(zhuǎn)子磁極的吸引力形成的。定子各相繞組一相一相通電，轉(zhuǎn)子就受磁吸力一步一步運(yùn)動(dòng)。6步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)是受走步脈沖信號(hào)控制的，因此適合于作為數(shù)字控制系統(tǒng)的伺服元件。它的直線位移量或角位移量與電脈沖數(shù)成正比，所以電機(jī)的線速度或轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。通過(guò)改變脈沖頻率的高低，就可以在很大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并能實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。當(dāng)在設(shè)計(jì)條件下工作時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角和轉(zhuǎn)速的大小不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響，也不受環(huán)境條件如清晰度、氣壓、沖擊和振動(dòng)等影響，它僅與電脈沖頻率有關(guān)，每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在不丟步的情況下運(yùn)行，其步距誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累。這些優(yōu)點(diǎn)使它完全適用于數(shù)字控制的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中作為伺服元件，并使整個(gè)系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化而又運(yùn)行可靠。7步進(jìn)電機(jī)的一些基本參數(shù)電機(jī)固有步距角步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)保持轉(zhuǎn)矩81)按轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原理分為a.反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。b.激磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。這類步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又分為電磁式與永磁式；c.混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。同時(shí)混合使用前兩種方式。2)按輸出轉(zhuǎn)矩的大小分為a．功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(動(dòng)力式)，轉(zhuǎn)矩一般在1公斤·米以上，可直接用來(lái)拖動(dòng)執(zhí)行元件；b．伺服式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(指示式)，轉(zhuǎn)矩在幾百克·厘米以下，多用于控制系統(tǒng)中。3)按磁場(chǎng)方向分為a．橫向磁場(chǎng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；b．縱向磁場(chǎng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。94)按定轉(zhuǎn)子數(shù)目分為a.單定子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；b.雙定子及多定子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。5)按定轉(zhuǎn)子相對(duì)位置可分為a.內(nèi)定子外轉(zhuǎn)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；b.外定子內(nèi)轉(zhuǎn)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；c.十雙定子式(內(nèi)外定子)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。另外也還可按繞組形式(集中、分布)，轉(zhuǎn)向（可逆轉(zhuǎn)、不可逆轉(zhuǎn))、相數(shù)〔單相、兩相、三相及多相)等方法分類。在本章中，將按產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的原理來(lái)進(jìn)行分類及分別敘述。106.2

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按產(chǎn)生轉(zhuǎn)距的方式不同可分為反應(yīng)式、激磁式及混合式三種。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定轉(zhuǎn)子都是凸極結(jié)構(gòu)，是利用磁阻最小原理工作。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)可以很多，因此步距角可以做得很小，即使沒(méi)有減速裝置，也可以低速、高精度地實(shí)現(xiàn)位置控制。激磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的激磁可以是永磁式或電磁激磁式，通常是永磁式激磁。激磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子由于具有磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，但由于制造工藝的緣故，轉(zhuǎn)子磁極數(shù)目不能做的太多，因此步距角比較大?；旌鲜讲竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)兼有反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，可以做到步距角小而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩又大。11（a）對(duì)齒（b）錯(cuò)齒126.2.1

通電方式分析

圖

6.6

三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理及其繞組的通電順序（a）三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理

（b）三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組等效電路圖131.三相單三拍通電14

(a)(b)圖6-8三相雙三拍運(yùn)行方式(a)AB相通電；(b)BC相通電2.三相雙三拍通電153.三相六拍通電166.2.2

小步距角步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

17圖6.11定子齒對(duì)轉(zhuǎn)子齒的作用力a、對(duì)齊b、錯(cuò)開(kāi)c、在兩齒間186.2.3

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本特點(diǎn)

1.分配方式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每相繞組不是恒定地通電，而是脈沖式通電，是由專用電源供給電脈沖。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)這種不同的輪流通電方式稱為“分配方式”，每循環(huán)一次所包含的通電狀態(tài)數(shù)稱為“狀態(tài)數(shù)”或“拍數(shù)”。狀態(tài)數(shù)（拍數(shù)）等于相數(shù)稱為單拍制（如三相單三拍，三相雙三拍、四相雙四拍等），狀態(tài)數(shù)（拍數(shù)）等于相數(shù)的兩倍稱為雙拍制（如三相六拍，四相八拍等）。192.齒距角和步距角20213.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速22234.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)自鎖能力246.4

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制脈沖分配器功放電路三相步進(jìn)電機(jī)負(fù)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(jìn)脈沖方向信號(hào)ABC脈沖分配器+功率放大電路256.4.1.

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

當(dāng)方向電平為高時(shí)，脈沖分配器的輸出按A-C-B的順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。

26步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖分配器可由硬件或軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

硬件環(huán)形分配器：由計(jì)數(shù)器等數(shù)字電路組成的。有較好的響應(yīng)速度，且具有直觀、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

軟件環(huán)分：由計(jì)算機(jī)接口電路和相應(yīng)的軟件組成的。受到微型計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的限制，有時(shí)難以滿足高速實(shí)時(shí)控制的要求。

1.硬件環(huán)形分配器

27序號(hào)控制信號(hào)狀態(tài)輸出狀態(tài)導(dǎo)電繞組CAJCBJCCJQAQBQC0110100A1010110AB2011010B3001011BC4101001C5100101CA6110100A28

2．軟件環(huán)形分配軟件環(huán)分的方法是利用計(jì)算機(jī)程序來(lái)設(shè)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

8031單片機(jī)本身包含4個(gè)8位I/O端口，分別為P0、P1、P2、P3。

輸出接口是將計(jì)算機(jī)的輸出端與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的每相繞組一一對(duì)應(yīng)起來(lái)。29

2)輸出模型如果三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按單、雙拍通電方式工作，即:正轉(zhuǎn)：A-AB-B-BC-C-CA反轉(zhuǎn)：A-AC-C-CB-B-BC

根據(jù)8031單片機(jī)的基本原理，對(duì)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(shí)現(xiàn)了三相六拍分配任務(wù)。P1.7通電相XXXXX001AXXXXX011ABXXXXX010BXXXXX110BCXXXXX100CXXXXX101CAP1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0P1.6306.4.2、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率放大電路

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上是一種脈沖放大電路，使脈沖具有一定的功率驅(qū)動(dòng)能力。由于功率放大器的輸出直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)繞組，因此，功率放大電路的性能對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能影響很大。

1.單電壓驅(qū)動(dòng)電路

L－是電動(dòng)機(jī)繞組VT－開(kāi)關(guān)晶體管

電阻R(減少時(shí)間常數(shù)T=l/r)兩端并聯(lián)電容C，使電流上升更快，所以電容C又稱為加速電容。缺點(diǎn)是R上有功率消