第十一章步进电动机传动控制系统11.1 步进电动机步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件。

每当一个脉冲信号施加于电机的控制绕组时，其转轴就转过一个固定的角度（步距角），顺序连续地发给脉冲，则电机轴一步接一步地运转。

图11.1 步进电动机实物图步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比，运行中无累积误差。

步进电机能方便地实现正、反转和调速、定位控制。

特别是不需位置传感器或速度传感器就可以在开环控制下精确定位或同步运行。

因此，步进电动机广泛应用在数字控制的各个领域。

如各种数控机械、办公自动化产品、工厂自动化机器、计算机外设等。

步进电动机的缺点是不能达到很高的转速（一般小于1000到2000转/min）。

存在低频振荡、高频失步等缺陷。

另外，步进电机自身的噪声和振动较大。

一、步进电动机的工作原理步进电动机的种类很多，按工作原理分，有反应式（Variable-reluctance）、永磁式（Permanent-magnet）、混合式（Hybrid）三种。

按输出转矩大小分，有快速步进电机、功率步进电机。

按励磁相数分有二、三、四、五、六、八相等。

按定子排列还可分为多段式(轴向式)和单段式(径向式)。

步进电动机的结构形式虽然繁多，但工作原理基本相同，下面仅以三相反应式步进电动机为例说明之。

如图11.2所示为一台三相反应式步进电动机的结构示意图。

和一般旋转电动机一样，步进电机也分为定子和转子两大部分。

定子部分由定子铁心、绕组、绝缘材料等组成。

定子铁心是由硅钢片叠压而成的有齿的圆环状铁心。

图中定子有6个磁极，每对磁极上绕有励磁绕组，由外部脉冲信号对各相绕组轮流励磁。

如图所示。

转子部分由转子铁心、转轴等组成。

转子铁心是由硅钢片或软磁材料叠压而成的齿形铁心。

图中转子上有4个凸齿。

若对励磁绕组以一定方式通以直流励磁电流，则转子以相应的方式转动。

其转动原理其实就是电磁铁的工作原理 。

比如，给A 相绕组通电时，转子位置如图（a ），转子齿偏离定子齿一个角度。

由于励磁磁通力图沿磁阻最小路径通过，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转动，当转子转到与定子齿对齐位置时(图b)，因转子只受径向力而无切线力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。

由此可见：错齿是助使步进电机旋转的根本原因。

A'A K1K2K3B'C'B C对于上述三相反应式步进电机，其运行方式有单三拍、单双拍及双三拍等通电方式。

“单”、“双”、“拍”的意思是：“单”是指每次切换前后只有一相绕组通电，“双”就是指每次有两相绕相通电；而从一种通电状态转换到另一种通电状态就叫做一“拍”。

下面请仔细观看动画演示结论：1)三相单三拍工作方式：指对三相绕组单独轮流通电，三次换相（三拍）完成一个通电循环。

通电顺序为A—B－Ｃ－Ａ时，转子按顺时针方向一步一步转动。

通电顺序改为A－Ｃ－Ｂ－Ａ，时，转子按逆时针方向一步一步转动。

可见，欲改变步进电机的旋转方向，则只要改变通电顺序即可。

电流换接三次，磁场旋转一周，转子前进一个齿距角（此例中转子有四个齿，则齿距角为90°）电流每换接一次转子前进一个角度称为步距角。

此例中电流换接三次走完一个齿距角，则步距角为30°2）三相单、双六拍工作方式：按A-AB-B-BC-C-CA-A或A-CA-C-BC-B-AB-A相序循环通电。

同样，通电顺序改变时，旋转方向改变。

而电流换接次数多了一倍，步子走得更细了，步距角为15°3）三相双三拍工作方式：按AB-BC-CA-AB或AC-CA-BC-AC相序循环通电。

步距角与三相单三拍工作方式相同也30°，运行稳定性较前者好。

综上所述，可得出：•通电频率提高，步进电动机的转速升高。

•每一循环中通电拍数越多，步距角减小。

步进电动机的转速降低。

二、小步距角步进电机上述三相反应式步进电机的步距角显然太大，不适合一般用途的要求，下面讨论实际的小步距角步进电动机。

小步距角步进电动机结构特点：如图定转子外园均有齿和槽。

定子、转子的齿宽和齿距相等。

定子极面小齿和转子上的小齿位置符合下列规律：当A 相的定子齿和转子齿对齐时(如图所对应位置)，B 相的定子齿应相对于转子齿顺时针方向错开1/3齿距，而C 相的定子齿又应相对于转子齿顺时针方向错开2/3齿距。

也就是，当某一相磁极下定子与转子的齿相对时，下一相磁极下定子与转子齿的位置则刚好错开t /m 、2t/m 、3t/m …依此类推。

（ t ——齿距；m ——相数）当定子通电循环一周时，转子转过一个齿距。

设转子齿数为Z ，则转子齿距为：因为每通电一次，转子走一步，故步距角为:β＝齿距/拍数＝360︒/ZKm式中，K ——状态系数(单三拍、双三拍时，K =1；单、双六拍时，K =2)。

若步进电动机的Z=40，三相单三拍运行时，其步距角οο3403360=⨯=β若按三相六拍运行时，步距角οο5.14032360=⨯⨯=β由此可见，步进电动机的转子齿数Z 和定子相数(或运行拍数)愈多，则步距角愈小，控制越精确。

当定子控制绕组按着一定顺序不断地轮流通电时，步进电动机就持续不断地旋转。

如果电脉冲的频率为f (HZ)，步距角用弧度表示，则步进电动机的转速为：f KmZf KmZ f n 606022602===πππβz/360︒=τ13.2步进电动机的驱动电源一、驱动电源的组成步进电机的运行要求足够功率的电脉冲信号按一定的顺序分配到各相绕组。

所以，与其它旋转电机不同的是步进电机的工作需要专门的驱动。

步进电机的驱动包含脉冲分配（环行分配）和功率放大两部分。

如图所示。

步进电机与驱动部分是一个不可分开的有机整体，步进电机系统的性能除了与电机本身的性能有关外，在很大程度上取决于所使用的功率驱动电路的类型与优劣。

下图为常见的三相步进电机驱动系统结构示意图。

图中，若步进电机按三相单三拍方式运行，则脉冲分配器输出的A 、B 、C 如下图所示。

当方向电平为低时，脉冲分配器的输出按A-B-C 的顺序循环产生脉冲。

当方向电平为高时，脉冲分配器的输出按A-C-B 的顺序循环产生脉冲。

f A BCf脉冲分配器输出的每一相脉冲信号都需要通过功率放大以后才可连接到步进电机的各相绕组，从而使步进电机产生足够大的电磁转矩带动负载。

二、步进电动机的脉冲分配器步进电动机的脉冲分配器可由硬件或软件方法来实现。

硬件环形分配器有较好的响应速度，且具有直观、维护方便等优点。

软件环分则往往受到微型计算机运算速度的限制，有时难以满足高速实时控制的要求。

1.硬件环形分配器硬件环形分配器需根据步进电动机的相数和步进电机绕组的通电方式设计,图所示是一个三相六拍的环形分配器。

分配器的主体是三个J-K 触发器。

三个J-K 触发器的Q 输出端分别经各自的功放电路与步进电动机A 、B 、C 三相绕组连接。

电机正转时，要使A 、B 、C 按A —AB —B —BC —C —CA 顺序循环产生脉冲信号输出。

电机反转时，则应以A —AC —C —CB —B —BA 的顺序循环。

电路中，决定正、反转的信号为W+、W-。

当使W+=1、W-=0时对应正转； W+=0、W-=1时对应反转。

正、反转工作原理类似，下面仅对正转时的工作情况进行分析。

根据数字电子技术基础分析电路的工作原理可知，当复位端来一个脉冲信号时，三个J-K 触发器被置初值，即 Q A 、Q B 、Q C 依次置为1、0、0。

每一个CP 脉冲的下降沿将J-K 触发器J 端的状态锁存到Q 端，可得出正转（W+=1、W-=0）时环形分配器的逻辑状态真值表。

表3.1。

A BC fW -W +A 相B 相C 相由此可见，连续的输入脉冲CP ，将循环不断地在Q A 、Q B 、Q C 产生三相六拍式脉冲输出。

2．软件环形分配：软件环分的方法是利用计算机程序来设定硬件接口的位状态，从而产生一定的脉冲分配输出。

对于不同的计算机和接口器件，软件环分有不同的形式。

现以MCS-51系列单片机8031为例加以说明。

8031单片机本身包含4个8位I/O 端口，分别为P0、P1、P2、P3。

若要实现三相六拍方式的脉冲分配，需要三根输出口线，本例中选P1口的P1.0、P1.1、P1.2位作为脉冲分配的输出。

如图所示。

根据8031单片机的基本原理，对P1.0、P1.1、P1.2位编程使其按表3.2规定改变输出状态就实现了三相六拍分配任务。

表3.28031P1.0P1.1P1.2A B C驱动器表中P1.3~P1.7位在此例中不相干，可任意设为1或0。

若设定为0，则向端口P1输送的内容依次为：01H、03H、02H、06H、04H、05H。

编写程序时，将这些值按顺序存放在固定的只读存储器中，设计一个正转子程序和一个反转子程序供主程序调用。

正转子程序按顺序取表中的内容输出到P1端口，而反转子程序按逆序取表中的内容输出到P1端口。

主程序每调用一次子程序，就完成一次P1端口的输出。

主程序调用子程序的时间间隔（可用软件延时或中断的方法实现）决定了输出脉冲的频率，从而决定步进电机转速。

下面是正转子程序清单，反转子程序与此相类似。

正转子程序：CW：CJNE R0，#6，CW1；R0指示数据表中数据输出的相对指针MOV R0，#0；若指针已指到表尾，则将指针重指表头CW1：MOV A，R0MOV DPTR，#TABLE；指针DPTR指向表头MOVC A，@A+DPTR；从表中取值送到A中MOV P1，A；A的内容送到输出端口P1INC R0；为取下一个数做准备RET三、步进电动机的驱动电路步进电动机的功率驱动电路实际上是一种脉冲放大电路，使脉冲具有一定的功率驱动能力。

由于功率放大器的输出直接驱动电动机绕组，因此，功率放大电路的性能对步进电动机的运行性能影响很大。

对驱动电路要求的核心问题则是如何提高步进电动机的快速性和平稳性。

常见的经济型数控机床步进电动机驱动电路主要有以下几种。

1．单电压驱动电路U b1U b2I 123图所示是步进电动机一相的驱动电路，L 是电动机绕组，晶体管VT 可以认为是一个无触点开关，它的理想工作状态应使电流流过绕组L 的波形尽可能接近矩形波。

但由于电感线圈中电流不能突变，在接通电源后绕组中的电流按指数规律上升。

)1(L τt e rR Ui -+=时间常数()r R L +=τ绕组中的电流须经一段时间后才能达到稳态电流（L为绕组电感，r 为绕组电阻）。

由于步进电动机绕组本身的电阻很小（约为零点几欧），所以，若不加外接电阻R 其时间常数为L/r 很大，绕组中电流上升速度很慢,从而严重影响电动机的启动频率。

串以电阻R 后，时间常数由变成L/（R+r ），缩短了绕组中电流上升的过渡过程，从而提高了工作速度。