步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制1第一頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一內(nèi)容提要第1節(jié)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法

第2節(jié)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開、閉環(huán)控制第3節(jié)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最佳點(diǎn)-位控制第4節(jié)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制的程序設(shè)計(jì)2第二頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一引言步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)，而不需要進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，所以廣泛應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)角位移與控制脈沖間精確同步，若將角位移的改變轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性位移、位置、體積、流量等物理量的變化，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的控制。（例如，在機(jī)械結(jié)構(gòu)中，可以用絲杠把角度變成直線位移，也可以用它帶動(dòng)螺旋定位器，調(diào)節(jié)電壓和電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有快速啟停、精確步進(jìn)的特點(diǎn)，使其在定位場合中得到了廣泛的應(yīng)用。(如繪圖機(jī)、打印機(jī)及光學(xué)儀器中，采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來定位繪圖筆、印字頭或光學(xué)鏡頭。在工業(yè)過程控制的位置控制系統(tǒng)中應(yīng)用也越來越廣泛。)3第三頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一第1節(jié)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)變換成相應(yīng)的角位移或直線位移的機(jī)電執(zhí)行元件。相當(dāng)于一個(gè)數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器，也是一個(gè)串行的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“一步”，這個(gè)固定的角度稱為步距角?？刂菩盘?hào)是脈沖電壓、電流，所以有時(shí)也稱為脈沖電動(dòng)機(jī)或電脈沖馬達(dá)。4第四頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一

1.電機(jī)輸出軸的角位移與輸入脈沖數(shù)成正比；轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比；轉(zhuǎn)向與通電相序有關(guān)。沒有累積誤差，具有良好的跟隨性。2.由步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既簡單、廉價(jià)，又非常可靠。同時(shí)，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(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于起停、正反轉(zhuǎn)、變速。4.步進(jìn)電機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對(duì)控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)的措施。5.步進(jìn)電機(jī)自身的噪聲和振動(dòng)較大，帶慣性負(fù)載的能力較差。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有如下特點(diǎn)：5第五頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一1.按運(yùn)動(dòng)方式來分：分為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)、平面運(yùn)動(dòng)（印刷繞組式）和滾切運(yùn)動(dòng)式步進(jìn)電機(jī)。2.按工作原理來分：分為反應(yīng)式(磁阻式)、電磁式、永磁式、永磁感應(yīng)式（混合式）步進(jìn)電機(jī)。3.按其工作方式來分：分為功率式和伺服式。前者輸出轉(zhuǎn)矩較大，能直接帶動(dòng)較大的負(fù)載；后者輸出轉(zhuǎn)矩較小，只能帶動(dòng)較小的負(fù)載，對(duì)于大負(fù)載需通過液壓放大元件來傳動(dòng)。4.按結(jié)構(gòu)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(jìn)電機(jī)和低頻步進(jìn)電機(jī)。不同類型步進(jìn)電機(jī)其工作原理、驅(qū)動(dòng)裝置也不完全一樣，但其工作過程基本是相同的。一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類6第六頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理是基于電磁感應(yīng)原理。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和一般旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)一樣，分為定子和轉(zhuǎn)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(duì)多相定子繞組輪流進(jìn)行勵(lì)磁；

轉(zhuǎn)子用硅鋼片疊成或用軟磁性材料做成凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子本身沒有勵(lì)磁繞組的稱為“反應(yīng)式”步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；用永久磁鐵做轉(zhuǎn)子的稱為“永磁式”步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；兼有永磁式和反應(yīng)式兩種步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)，稱為混合式步進(jìn)電機(jī)。目前以反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)用得較多。二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理7第七頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一（一）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)1.單段（徑向式）三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖

主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子鐵芯由硅鋼片疊壓而成，定子上有六個(gè)均勻分布的極，每兩個(gè)為一對(duì)。定子繞組是繞置在定子上的六個(gè)均勻分布鐵芯齒上的線圈，它把沿直徑方向上相對(duì)的兩個(gè)齒上的線圈串聯(lián)在一起，構(gòu)成一相控制繞組。圖中所示的步進(jìn)電機(jī)為A、B、C三相控制繞組，故稱為三相步進(jìn)電機(jī)。當(dāng)任一相繞組通電時(shí)，便形成一對(duì)定子磁極，即形成N、S極。在定子的每個(gè)磁極上，即定子鐵芯的每個(gè)齒上又開了五個(gè)小齒，齒槽等寬，齒間夾角為9°，在空間位置上依次錯(cuò)開1/3齒距其展開圖如圖所示。8第八頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一圖3-1單段式反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖9第九頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一轉(zhuǎn)子是一個(gè)帶齒的鐵芯，轉(zhuǎn)子上沒有繞組，轉(zhuǎn)子上均勻分布了40個(gè)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(dāng)定子A相磁極上的小齒與轉(zhuǎn)子上的小齒對(duì)齊時(shí)，定子B相磁極上的小齒剛好超前(或滯后)轉(zhuǎn)子小齒1/3齒距角，定子C相磁極上的小齒超前(或滯后)轉(zhuǎn)子小齒2/3齒距角。10第十頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一步進(jìn)電機(jī)A相通電狀態(tài)11第十一頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一2.單段三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理（近似于電磁鐵的工作原理）三相單三拍工作方式：如圖轉(zhuǎn)子上有四個(gè)均勻分布的齒1、2、3、4。當(dāng)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(zhuǎn)子齒1、3吸引到定子磁極A、A’下，并對(duì)齊，圖(a),因轉(zhuǎn)子只受到徑向力而無切向力，故轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子被自鎖在這個(gè)位置；當(dāng)B相繞組通電，A、C相不通電，將使轉(zhuǎn)子齒2、4和定子磁極B、B’對(duì)齊，在電磁力矩的作用下使轉(zhuǎn)子沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過30°，圖(b)；C相通電，A、B相斷電，又使轉(zhuǎn)子齒1、3和定子磁極C、C'對(duì)齊，在電磁力矩的作用下使轉(zhuǎn)子再沿著逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過30°，圖(C)。若使定子繞組按A-B-C-A……的順序通電，則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子便不停地沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。如果定子繞組的通電順序?yàn)锳-C-B-A……則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。要點(diǎn)：磁力線力圖走磁阻最小的路徑，從而產(chǎn)生反應(yīng)力矩；各相定子齒之間彼此錯(cuò)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第十二頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一三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(shí)，由于電機(jī)繞組是電感性元件，磁場的消失或建立均需一定時(shí)間，因此，切換期間容易使電機(jī)產(chǎn)生失步。此外，由單一繞組通電吸引轉(zhuǎn)子，也容易使轉(zhuǎn)子在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩，運(yùn)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拍通電方式，即按AB-BC-CA-AB……方式通電，可使電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之按AB-AC-BC-AB……方式通電，可使電機(jī)反轉(zhuǎn)。這種工作方式每個(gè)通電狀態(tài)均為兩相繞組同時(shí)通電，且相鄰的兩個(gè)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(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)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(jìn)電機(jī)所轉(zhuǎn)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(jī)正轉(zhuǎn)；反之，按A-AC-C-BC-B-AB-A……方式通電，使電機(jī)反轉(zhuǎn)。三相六拍工作方式除具有三相雙三拍的特點(diǎn)外，還可使步進(jìn)電機(jī)每改變一次通電狀態(tài)僅旋轉(zhuǎn)15°。13第十三頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一

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(jìn)電動(dòng)機(jī)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第十四頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一圖3-2三段三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖3.多段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理前面介紹的單段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)是按徑向分相的，此外，還有一種反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)是按軸向分相，這種步進(jìn)電機(jī)又稱為多段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。多段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)是沿軸向分成磁性相對(duì)獨(dú)立的幾段，每一段都有一組勵(lì)磁繞組，形成一相，因此，三相電動(dòng)機(jī)有三段，其結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。這種反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角較大，不適合一般用途的要求。15第十五頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一4.小步距角步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

圖3-1所示為三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。設(shè)m為相數(shù)，z為轉(zhuǎn)子的齒數(shù)則齒距：

因?yàn)槊客娨淮危催\(yùn)行一拍），轉(zhuǎn)子就走一步，各相繞組輪流通電一次，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個(gè)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第十六頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一若步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)z=40，按三相單三拍運(yùn)行時(shí)，K=1，m=3：若按五相十拍運(yùn)行時(shí)，則K=2，m=5，z=40：可見，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)和轉(zhuǎn)子齒數(shù)越多，步距角就越小，控制越精確。故步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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第十七頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一若步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通電的脈沖頻率為?(脈沖數(shù)/秒)，步距角用弧度表示，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速：由上式可知，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在一定脈沖頻率下，電動(dòng)機(jī)的相數(shù)和轉(zhuǎn)子齒數(shù)越多，轉(zhuǎn)速就越低。而且相數(shù)越多，驅(qū)動(dòng)電源也越復(fù)雜，成本也就越高。18第十八頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用在機(jī)床上一般是通過減速器和絲桿螺母副帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。所以，步距角θ對(duì)應(yīng)工作臺(tái)的移動(dòng)量便是工作臺(tái)的最小運(yùn)動(dòng)單位，也稱脈沖當(dāng)量δ（mm/脈沖）：式中t：絲桿導(dǎo)程（mm），絲桿的導(dǎo)程就是絲杠旋轉(zhuǎn)一周所走的行程，也有人叫螺距。

θb

：步距角（o）

i：減速裝置傳動(dòng)比

工作臺(tái)的進(jìn)給速度v(mm/min)：

v=60δ?

19第十九頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一解：⑴脈沖分配方式有兩種：⑵根據(jù)，其中K=2,m=3,Z=40.

θb=360°/(40×2×3)=1.5°⑶根據(jù)n=,其中?=600HZn=1.5*600*60/360=150r/min

例3-1.一臺(tái)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，采用三相六拍分配方式，轉(zhuǎn)子有40個(gè)齒，脈沖頻率為600Hz，求：⑴寫出一個(gè)循環(huán)的通電順序；⑵求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角；⑶求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有控制方便、步距小、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)；具有帶負(fù)載能力差、高速時(shí)易失步、斷電后無定位轉(zhuǎn)矩的缺點(diǎn)。A—AB—B—BC—C—CA或A—AC—C—CB—B—BA20第二十頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一21第二十一頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一22第二十二頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一23第二十三頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一（1）主要技術(shù)指標(biāo)與運(yùn)行特性

1）步距角和靜態(tài)步距誤差a.步距角

步距角:也稱為步距。它的大小由下式（3-2）決定。目前我國步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角為0.36o至90o。常用的為7.5o/15o、3o/6o、1.5o/3o、0.9o/1.8o、0.75o/1.5o、0.6o/1.2o、0.36o/0.72o等幾種。

若通電方式和系統(tǒng)的傳動(dòng)比已初步確定，則步距角應(yīng)滿足:θb≤iαmin

5.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)與運(yùn)行特性i—傳動(dòng)比αmin—負(fù)載軸要求的最小位移增量（即每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的最小角位移增量）（3-2）24第二十四頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一

例如，所用絲杠螺距為12.7mm

(t),線性增量為0.529mm/每步(δ)（取決于運(yùn)動(dòng)精度），所需電動(dòng)機(jī)步距為角：步距腳θb也可用分辨率bs來表示：bs=360°/θb（步/轉(zhuǎn)）當(dāng)步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)的機(jī)械作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，用絲杠作運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換器，步進(jìn)電機(jī)的步距角可按以下公式計(jì)算：

δ—直線增量運(yùn)動(dòng)當(dāng)量（mm/每步）

t—絲杠螺距（mm/周）可知，360°/15°=24，需要一臺(tái)每轉(zhuǎn)24步的步進(jìn)電機(jī)。設(shè)傳動(dòng)比為125第二十五頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一

b.靜態(tài)步距誤差

靜態(tài)步距角誤差:從理論上講，每一個(gè)脈沖信號(hào)應(yīng)使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過相同的步距角。但實(shí)際上，由于定、轉(zhuǎn)子的齒距分布不均勻，定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙不均勻或鐵心分段時(shí)的錯(cuò)位誤差等，實(shí)際步距角與理論步距角之間會(huì)存在偏差，這個(gè)偏差稱為靜態(tài)步距角誤差。

步距精度Δθb應(yīng)滿足:ΔθL—絲杠傳動(dòng)精度26第二十六頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的靜特性，是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定狀態(tài)（即步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不改變通電情況的運(yùn)行狀態(tài)）時(shí)的特性，包括靜轉(zhuǎn)矩、矩角特性及靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。

靜轉(zhuǎn)矩：指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)定狀態(tài)下的電磁轉(zhuǎn)矩。它是繞組電流和失調(diào)角的函數(shù)。

在穩(wěn)定狀態(tài)下，如果在轉(zhuǎn)子軸上加一負(fù)載轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)角度θ，并能穩(wěn)定下來，這時(shí)轉(zhuǎn)子受到的電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等，該電磁轉(zhuǎn)矩即為靜轉(zhuǎn)矩，而角度θ即為失調(diào)角（或：電機(jī)定子齒與轉(zhuǎn)子齒中心線之間的夾角叫做失調(diào)角）。

對(duì)應(yīng)于某個(gè)失調(diào)角時(shí)，靜轉(zhuǎn)矩最大，稱為最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax?？蓮木亟翘匦陨戏从砊jmax，如圖3-4所示，當(dāng)失調(diào)角θ=90o時(shí)，將有最大靜轉(zhuǎn)矩。2）最大靜轉(zhuǎn)矩27第二十七頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一靜轉(zhuǎn)矩和失調(diào)角之間的特性曲線，叫做矩角特性：T=-Csin由此我們可以發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作過程就是實(shí)現(xiàn)失調(diào)角為零的過程。28第二十八頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一多相通電時(shí)的矩角特性和最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩：按照疊加原理，根據(jù)各相通電時(shí)的矩角特性疊加起來求出。例如三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)常用單-雙相通電的方式。當(dāng)兩相通電時(shí)，由于正弦量可以用相量相加的方法求和，因此兩相通電時(shí)的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)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(dú)通電時(shí)的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，兩相通電時(shí)的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩TAB為：式中，Tmax=TA=TB29第二十九頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一從上式可知，對(duì)于三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，TAB=TA=TB，即兩相通電時(shí)的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩值與單相通電時(shí)的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩值相等。此時(shí)三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不能靠提高通電相數(shù)來提高轉(zhuǎn)矩。五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相通電時(shí)的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩:由于采用了2-3相通電方式，最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩提高了，而且矩角特性形狀相同，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性有利。使用步進(jìn)電機(jī)時(shí)，一般電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=(0.3～0.5)Tmax，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Ts總是小于最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Tjmax。30第三十頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一T0圖3-5矩頻特性

?/Hz當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制繞組的電脈沖時(shí)間間隔小于電機(jī)機(jī)電過渡過程所需的時(shí)間時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)入連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，這時(shí)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩和脈沖頻率的關(guān)系，即Tdm=F(?)，稱為矩頻特性，如圖3-5所示。即，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)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第三十一頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制繞組是感性元件，其電流按指數(shù)函數(shù)增長。當(dāng)電脈沖頻率低時(shí)，電流可以達(dá)到穩(wěn)定值，如圖3-6a所示。隨著頻率升高，達(dá)到穩(wěn)定值的時(shí)間縮短，如圖3-6b所示。當(dāng)頻率高到一定值時(shí)，電流就達(dá)不到穩(wěn)定值，如圖3-6c所示，故電動(dòng)機(jī)的最大動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩小于最大靜轉(zhuǎn)矩，而且脈沖頻率越高，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩也就越小。對(duì)于某一頻率。只有當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于它在該頻率時(shí)的最大動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。（a）(b)(c)圖3-6不同頻率時(shí)的控制繞組中電流波形矩頻特性有什么特點(diǎn)？32第三十二頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一

為了提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性，必須設(shè)法減小控制繞組的電氣時(shí)間常數(shù)（τ=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(jìn)電動(dòng)機(jī)控制繞組的電流一般都比較大。

有時(shí)也在控制繞組回路中串接一個(gè)較大的附加電阻，以降低回路電氣時(shí)間常數(shù)，但這樣就增加了在附加電阻上功率損耗，導(dǎo)致步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(dá)到穩(wěn)定值的時(shí)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(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性。怎樣提高矩頻特性？33第三十三頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作頻率一般包括啟動(dòng)頻率、制動(dòng)頻率和連續(xù)運(yùn)行頻率。（對(duì)同樣的負(fù)載轉(zhuǎn)矩來說，正、反向的啟動(dòng)頻率和制動(dòng)頻率是一樣的，所以一般技術(shù)數(shù)據(jù)中只給出啟動(dòng)頻率和連續(xù)運(yùn)行頻率。）

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)頻率?st是指在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下能夠不失步地啟動(dòng)的最高脈沖頻率。?st的大小與驅(qū)動(dòng)電路和負(fù)載大小有關(guān)。步距角θb越小，負(fù)載（包括負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）越小，則啟動(dòng)頻率越高。4）啟動(dòng)頻率和連續(xù)運(yùn)行頻率34第三十四頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的連續(xù)運(yùn)行頻率?c：是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，當(dāng)控制脈沖頻率連續(xù)上升時(shí)，能不失步運(yùn)行的最高頻率。它的值也與負(fù)載有關(guān)。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率比啟動(dòng)頻率高得多，這是因?yàn)樵趩?dòng)時(shí)除了要克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩外，還要克服軸上的慣性轉(zhuǎn)矩。啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子的角加速度大，它的負(fù)擔(dān)要比連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)重。所以啟動(dòng)時(shí)，脈沖頻率不宜過高。啟動(dòng)以后，再逐漸升高脈沖頻率。35第三十五頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)表示方法舉例如下（不同生產(chǎn)廠家其表示方法也有所不同）反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī):（如150BF/BC003）混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī):（如42BYG008：四相永磁感應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)）永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī):勵(lì)磁繞組相數(shù)或代號(hào)永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)×××

BY

×××電動(dòng)機(jī)外徑（mm）勵(lì)磁繞組相數(shù)或代號(hào)混合式（永磁感應(yīng)式）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)×××

BYG

×××電動(dòng)機(jī)外徑（mm）勵(lì)磁繞組相數(shù)或代號(hào)反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)×××

BF

×××電動(dòng)機(jī)外徑（mm）5）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)指標(biāo)實(shí)例36第三十六頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一90

-

BYG

-

2

-

50

-

A

機(jī)座號(hào)

混合式

相數(shù)

轉(zhuǎn)子齒數(shù)派生代號(hào)（外徑）mm

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

37第三十七頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一混合式步進(jìn)電機(jī)（兼有永磁式和反應(yīng)式兩種步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)）。轉(zhuǎn)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(cuò)開半個(gè)齒距，兩塊齒片之間夾有一個(gè)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(zhuǎn)子整個(gè)呈N極，另一端與S極磁鋼相連，呈S極，產(chǎn)生的合成轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。一般為兩相或三相；須供給正負(fù)脈沖信號(hào)；輸出轉(zhuǎn)矩較永磁式大（消耗功率相對(duì)較小）；步距角較永磁式小（一般為1.8度）；斷電時(shí)無定位轉(zhuǎn)矩；啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較高；是目前發(fā)展較快的一種步進(jìn)電機(jī)。38第三十八頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一39第三十九頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(yùn)行，因此要盡力避免。失步包括丟步和越步。丟步時(shí)指轉(zhuǎn)子前進(jìn)的步距數(shù)小于脈沖數(shù)；越步是指轉(zhuǎn)子前進(jìn)的步距數(shù)多于脈沖數(shù)。丟步嚴(yán)重時(shí)，轉(zhuǎn)子將停留在一個(gè)位置上或圍繞一個(gè)位置振動(dòng)。（a）振蕩步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的振蕩現(xiàn)象主要發(fā)生于：（2）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的振蕩、失步及解決方法步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作在低頻區(qū)；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作在共振區(qū)；步進(jìn)電機(jī)突然停車時(shí)。40第四十頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低頻區(qū)時(shí)，由于勵(lì)磁脈沖間隔的時(shí)間較長，步進(jìn)電機(jī)表現(xiàn)為單步運(yùn)行。當(dāng)勵(lì)磁開始時(shí)，轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下加速轉(zhuǎn)動(dòng)。在到達(dá)平衡點(diǎn)時(shí)，電磁驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為零，但轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速最大，由于慣性，轉(zhuǎn)子沖過平衡點(diǎn)。這時(shí)電磁力產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子在負(fù)轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)速逐漸為零，并開始反向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)過平衡點(diǎn)后，電磁力又產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，迫使轉(zhuǎn)子又正向轉(zhuǎn)動(dòng)，形成轉(zhuǎn)子圍繞平衡點(diǎn)的振蕩。由于有機(jī)械摩擦和電磁阻尼的作用，這個(gè)振蕩表現(xiàn)為衰減振蕩，最終穩(wěn)定在平衡點(diǎn)。41第四十一頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在共振區(qū)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的控制脈沖頻率接近步進(jìn)電機(jī)的固有頻率?(振蕩頻率)或固有頻率的分頻或倍頻，這會(huì)使振蕩加劇，嚴(yán)重時(shí)造成失步。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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：在第一個(gè)脈沖到來后，轉(zhuǎn)子經(jīng)歷了一次振蕩。當(dāng)轉(zhuǎn)子回?cái)[到最大幅值時(shí)，恰好第二個(gè)脈沖到來，轉(zhuǎn)子受到的電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)回?cái)[。接著第三個(gè)脈沖到來，轉(zhuǎn)子受正電磁轉(zhuǎn)矩的作用回到平衡點(diǎn)。這樣，轉(zhuǎn)子經(jīng)過三個(gè)脈沖仍然回到原來位置，也就是丟了三步。J—轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Z—轉(zhuǎn)子齒數(shù)；Tmax—最大轉(zhuǎn)矩。42第四十二頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在高頻區(qū)時(shí)，由于換相周期短，轉(zhuǎn)子來不及反沖。同時(shí)繞組中的電流尚未上升到穩(wěn)定值，轉(zhuǎn)子沒有獲得足夠的能量，所以在這個(gè)工作區(qū)中不會(huì)產(chǎn)生振蕩。減小步距角可以減小振蕩幅值，以達(dá)到削弱振蕩的目的。（b）失步步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的失步原因有兩種：第一種是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速慢于換相速度。例如，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，如果脈沖的頻率較高，由于電動(dòng)機(jī)來不及獲得足夠的能量，使其無法令轉(zhuǎn)子跟上旋轉(zhuǎn)磁場的速度，所以引起失步。因此步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有一個(gè)啟動(dòng)頻率，超過啟動(dòng)頻率啟動(dòng)時(shí)，肯定會(huì)產(chǎn)生失步。（注意，啟動(dòng)頻率不是一個(gè)固定值，提高電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、減小電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、減小步距角都可以提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)頻率）第二種是轉(zhuǎn)子的平均速度大于旋轉(zhuǎn)磁場的速度。這主要發(fā)生在制動(dòng)和突然換相時(shí)，轉(zhuǎn)子獲得過多的能量，產(chǎn)生嚴(yán)重的過沖，引起失步。43第四十三頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一

消除振蕩是通過增加阻尼的方法來實(shí)現(xiàn)的，主要有機(jī)械阻尼法和電子阻尼法兩大類。機(jī)械阻尼法比較單一，就是在電動(dòng)機(jī)軸上加阻尼器；電子阻尼法有多種，主要有：多相勵(lì)磁法、變頻變壓法、細(xì)分步法、反相阻尼法等。（c）阻尼方法44第四十四頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性，不僅與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)本身的特性和負(fù)載有關(guān)，而且與配套使用的驅(qū)動(dòng)電源（即驅(qū)動(dòng)電路）有著十分密切的關(guān)系。驅(qū)動(dòng)電源按供電方式分類，有：單電壓供電、雙電壓供電、調(diào)頻調(diào)壓供電；按功率驅(qū)動(dòng)部分所用元件分類，有大功率晶體管驅(qū)動(dòng)、快速晶閘管驅(qū)動(dòng)、可關(guān)斷晶閘管驅(qū)動(dòng)、混合驅(qū)動(dòng)。圖3-7為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖。三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方法45第四十五頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一驅(qū)動(dòng)器：德國百格拉WD3-00746第四十六頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一信號(hào)接口：PULSE+電機(jī)輸入控制脈沖信號(hào)；

DIR+電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制信號(hào)；

RESET+復(fù)位信號(hào)，用于封鎖輸入信號(hào)；

READY+報(bào)警信號(hào)；

PULSE-、DIR-、RESET-和READY-短接公共地；狀態(tài)指示：RDY燈亮表示驅(qū)動(dòng)器正常工作；

TEMP燈亮表示驅(qū)動(dòng)器超溫；

FLT燈亮表示驅(qū)動(dòng)器故障；功能選擇：MOT.CURR設(shè)置電機(jī)相電流；

STEP1、STEP2設(shè)置電機(jī)每轉(zhuǎn)的步數(shù)；CURR.RED設(shè)定半流功能

PULSE.SYS可設(shè)置成“脈沖和方向”控制方式；也可以設(shè)置成“正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)”控制方式；功率接口：DC+和DC-接制動(dòng)電容；

U、V、W接電機(jī)動(dòng)力線，PE是地；

L、N、PE接驅(qū)動(dòng)器電源，電源電壓是220VAC輸入時(shí)，最大電流是3A。電源線橫截面≥1.5平方毫米，盡量短。驅(qū)動(dòng)器的L端和N端接供電電源，同時(shí)要串接一個(gè)6.3A保險(xiǎn)絲；PE為接地。47第四十七頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一PULSE：脈沖信號(hào)輸入端，每一個(gè)脈沖的上升沿使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步。DIR：方向信號(hào)輸入端，如“DIR”為低電平，電機(jī)按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)；

“DIR”為高電平電機(jī)按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。CW：正轉(zhuǎn)信號(hào)，每個(gè)脈沖使電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)一步。CCW：反轉(zhuǎn)信號(hào)，每個(gè)脈沖使電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)一步。RESET：復(fù)位信號(hào)，如復(fù)位信號(hào)為低電平時(shí),輸入脈沖信號(hào)起作用，如果復(fù)位信號(hào)為高電平時(shí)就禁止任何有效的脈沖，輸入信號(hào)無效，電機(jī)無保持扭矩。READY:輸入報(bào)警信號(hào)：READY是繼電器開關(guān)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器正常工作時(shí)繼電器閉合，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器工作異常時(shí)繼電器斷開。繼電器允許最高輸入電壓和電流是：35VDC，10mA≤I≤200mA，電阻性負(fù)載。如用該繼電器，要把他串聯(lián)到CNC的某輸入端。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器正常工作時(shí)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(duì)應(yīng)同一個(gè)接口，按控制方式不同給出兩種定義名稱；可以用兩相脈沖輸出（CW/CCW）方式進(jìn)行控制，也可以用（PULSE+DIR）方式控制。

48第四十八頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一脈沖、方向信號(hào)時(shí)序圖上位機(jī)的控制信號(hào)可以高電平有效，也可以低電平有效。高有效時(shí)，把所有控制信號(hào)的負(fù)端連在一起作為信號(hào)地，低有效時(shí)，把所有控制信號(hào)的正端連在一起作為信號(hào)公共端。49第四十九頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一MOT.CURR：設(shè)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(shè)置電機(jī)每轉(zhuǎn)步數(shù)驅(qū)動(dòng)器WD3-007可將電機(jī)的步數(shù)分別設(shè)置為500、1000、5000、10000步。用戶可以通過驅(qū)動(dòng)器正面板上的兩個(gè)撥碼開關(guān)STEP1、STEP2設(shè)置電機(jī)的步數(shù)如下表：STEP1狀態(tài)OFFONOFFONSTEP2狀態(tài)OFFOFFONON步數(shù)/轉(zhuǎn)500100050001000050第五十頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一CURR.RED：設(shè)定半流功能

半流功能是指電機(jī)帶電靜止100ms后，驅(qū)動(dòng)器輸出電流降為額定輸出電流的60%，用來防止電機(jī)發(fā)熱。當(dāng)撥碼開關(guān)CURR.RED設(shè)置為“OFF”時(shí)，有半流功能；當(dāng)設(shè)置成“ON”時(shí)，無半流功能。PULSE.SYS：控制方式選擇

撥碼開關(guān)（PULSE.SYS）可設(shè)置成兩種控制方式：·當(dāng)設(shè)置成“OFF”時(shí)，為“脈沖和方向”控制方式；·當(dāng)設(shè)置成“ON”時(shí)，為“正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)”控制方式。51第五十一頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一“PULSE.SYS”為控制方式選擇開關(guān)PULSE.SYS控制方式高電平有效接線低電平有效接線ON正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)（雙脈沖方式）CW+接正轉(zhuǎn)信號(hào)CCW+接反轉(zhuǎn)信號(hào)CW-與CCW-短接為信號(hào)地CW-接正轉(zhuǎn)信號(hào)CCW-接反轉(zhuǎn)信號(hào)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(hào)DIR+接方向信號(hào)PULSE-與DIR-短接為信號(hào)地PULSE-接脈沖信號(hào)DIR-接方向信號(hào)PULSE+與DIR+短接為公共端52第五十二頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一第一、按預(yù)定的工作方式分配各個(gè)繞組的通電脈沖；第二、控制步進(jìn)電機(jī)的速度，使它始終遵循加速-勻速-減速的運(yùn)動(dòng)規(guī)律工作。步進(jìn)電機(jī)的控制方法可歸納為兩點(diǎn)：53第五十三頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一

驅(qū)動(dòng)電源主要包括脈沖發(fā)生器（變頻信號(hào)源）、環(huán)形分配器（又稱脈沖分配器）和功率放大器幾個(gè)基本部分。

變頻信號(hào)源是一個(gè)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(jì)型數(shù)控系統(tǒng)中，脈沖的產(chǎn)生和分配均由微機(jī)來完成。下面主要介紹環(huán)形分配器和功率放大器。四、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)54第五十四頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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?qū)ê徒刂构β史糯笃?，使相?yīng)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(yīng)速度。（一）環(huán)形分配器55第五十五頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一

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(gè)由3只J-K觸發(fā)器及12個(gè)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第五十六頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一57第五十七頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一58第五十八頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一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(jié)構(gòu)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（YBO14）、五相（YBO15）和六相（YBO16），均為18個(gè)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(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)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(jìn)電動(dòng)機(jī)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(shí)的接線圖，圖8所示為三相六拍工作時(shí)的接線圖。（2）環(huán)形分配器集成芯片59第五十九頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一60第六十頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一CH250環(huán)形脈沖分配器的功能關(guān)系如上表1所示。61第六十一頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按類型、相數(shù)等劃分，種類繁多，相應(yīng)的就需要不同的環(huán)形分配器，而用EPROM設(shè)計(jì)的環(huán)形分配器，用一種線路可實(shí)現(xiàn)多種通電方式的分配-----硬件電路不變動(dòng)，只需改變軟件內(nèi)存儲(chǔ)器的地址。

圖3-10為含有EPROM的環(huán)形分配器。

根據(jù)驅(qū)動(dòng)要求，求出環(huán)形分配器的輸出狀態(tài)表，以二進(jìn)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(nèi)容，即可實(shí)現(xiàn)正、反向通電的順序。

對(duì)不同通電方式，狀態(tài)表也不同，可將存儲(chǔ)器地址劃分為若干區(qū)域，每個(gè)區(qū)域儲(chǔ)存一個(gè)狀態(tài)表，運(yùn)行時(shí)，用EPROM的高位地址線選通這些不同區(qū)域。

（3）EPROM可編程式62第六十二頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一

圖3-10含有EPROM的環(huán)形分配器可逆計(jì)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第六十三頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一8713有幾種型號(hào)，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(jìn)電機(jī)，可以選擇以下不同的工作方式。三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：單三拍、雙三拍、六拍；四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：單四拍、雙四拍、八拍。8713可以選擇單時(shí)鐘輸入或雙時(shí)鐘輸入；具有正反轉(zhuǎn)控制、初始化復(fù)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(nèi)部都設(shè)有斯密特整形電路，提高抗干擾能力，使用4～18V直流電源，輸出電流為20mA。8713有16個(gè)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(jìn)電機(jī)控制的如：L297（L297A）（產(chǎn)生4相控制信號(hào)，可用于兩相雙極和四相單極步進(jìn)電機(jī)）和PMM8713；用于五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制的如PMM8714等。（4）多功能環(huán)形分配器64第六十四頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一8713脈沖分配器與單片機(jī)的接口例子如圖3-11所示。本例選用單時(shí)鐘（單脈沖）輸入方式：8713的3腳為步進(jìn)脈沖輸入端，4腳為轉(zhuǎn)向控制端，這兩個(gè)引腳的輸入均由單片機(jī)提供和控制。選用對(duì)四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行八拍方式控制，所以5、6、7均接高電平。

圖3-118713脈沖分配器與單片機(jī)接口由于采用了脈沖分配器，單片機(jī)只需提供步進(jìn)脈沖，進(jìn)行速度控制和轉(zhuǎn)向控制，脈沖分配的工作交給脈沖分配器來自動(dòng)完成。因此，CPU的負(fù)擔(dān)減輕許多。有兩種脈沖輸入方法,雙脈沖輸入法：１、２分別接控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的輸入脈沖；單脈沖輸入法：３為脈沖輸入,步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)方向由４的電位高低決定;轉(zhuǎn)向控制5V。步進(jìn)脈沖

313

412

871311

10

567A相驅(qū)動(dòng)B相驅(qū)動(dòng)C相驅(qū)動(dòng)D相驅(qū)動(dòng)

P1.0P1.18051系列單片機(jī)65第六十五頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一

是完全用軟件的方式進(jìn)行脈沖分配，按照給定的通電換相順序，通過單片機(jī)的I/O口向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出控制脈沖。

圖3-12是控制五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的硬件接口例子。利用8051系列單片機(jī)的P1.0～P1.4這5條I/O線，向五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳送控制信號(hào)。

P1.0

P1.18051

P1.2系列

P1.3單片機(jī)

P1.4A相驅(qū)動(dòng)

B相驅(qū)動(dòng)

C相驅(qū)動(dòng)

D相驅(qū)動(dòng)

E相驅(qū)動(dòng)

圖3-12用軟件實(shí)現(xiàn)脈沖分配的接口示意圖２.軟件環(huán)形分配器66第六十六頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一ULN2003是高耐壓、大電流、內(nèi)部由七個(gè)硅NPN達(dá)林頓管組成的驅(qū)動(dòng)芯片。67第六十七頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一下面以五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作在十拍方式為例，說明如何設(shè)計(jì)軟件。五相十拍工作方式的正序?yàn)椋篈B-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB，共有10個(gè)通電狀態(tài)。如果P1口輸出的控制信號(hào)中，0代表使繞組通電，1代表使繞組斷電，則可用10個(gè)控制字來對(duì)應(yīng)這10個(gè)通電狀態(tài)。這10個(gè)控制字如表3-3所列。

P1.0

P1.18051

P1.2系列

P1.3單片機(jī)

P1.4A相驅(qū)動(dòng)

B相驅(qū)動(dòng)

C相驅(qū)動(dòng)

D相驅(qū)動(dòng)

E相驅(qū)動(dòng)

圖3-12用軟件實(shí)現(xiàn)脈沖分配的接口示意圖68第六十八頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一69第六十九頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一在程序中，只要依次將這10個(gè)控制字送到P1口，每送一個(gè)控制字，就完成一拍，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。程序就是根據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)的。用R0作為狀態(tài)計(jì)數(shù)器，來指示第幾拍，按正轉(zhuǎn)時(shí)加1，反轉(zhuǎn)時(shí)減1的操作規(guī)律，則正轉(zhuǎn)程序?yàn)椋?/p>

CW：INCR0

；正轉(zhuǎn)加1CJNER0，#0AH，ZZ；如果計(jì)數(shù)器等于10修正為0MOVR0，#00HZZ：MOVA，R0；計(jì)數(shù)器值送AMOVDPTR，#ABC

；指向數(shù)據(jù)存放首地址MOVCA，@A+DPTR；取控制字MOVP1，A；送控制字到P1口RETABC：DB0FCH，0F8H，0F9H，0F1H，0F3H；10個(gè)控制字DB0E3H，0E7H，0E6H，0EEH，0ECH反轉(zhuǎn)程序?yàn)椋篊CW：DECR0

；反轉(zhuǎn)減1(反序)CJNER0，#0FFH，F(xiàn)Z；如果計(jì)數(shù)器等于FFH修正為9MOVR0，#09HFZ：MOVA，R0MOVDPTR，#ABC；指向數(shù)據(jù)存放首地址MOVCA，@A+DPTR；取控制字MOVP1，A

；送P1口RET70第七十頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一

軟件法在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中，要不停地產(chǎn)生控制脈沖，占用了大量的CPU時(shí)間，可能使單片機(jī)無法同時(shí)進(jìn)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(jié)合的方法。

71第七十一頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期一功率放大器的輸出直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的控制繞組，因此功率放大電路的性能對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)有很大影響。對(duì)驅(qū)動(dòng)電路要求的核心問題是如何提高電動(dòng)機(jī)的快速性和平穩(wěn)性。目前國內(nèi)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路主要有以下幾種。1.單電壓恒流功放電路

圖3-13所示的是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單相的功放電路。

（二）功率放大器圖3-13單電壓功率放大電路

L、RL是步進(jìn)電機(jī)的繞組電感和繞組電阻；由于電機(jī)繞組存在電感L，當(dāng)晶體管VT突然接通后，繞組電流按指數(shù)規(guī)律上升。其時(shí)間常數(shù)為：