第三章 步进电动机传动控制

三相绕组的通电顺序为： AB BC CA AB 共三拍。
A
B'
A C' B
B'
C'
C
A'
C
A'
B
AB通电
BC通电
A
B'
C' B
A'
C
工作方式为三相双三拍 时，每通入一个电脉冲 ， 转 子 也 是 转 30 ， 即 S = 30。
CA通电
Hale Waihona Puke 3)单双相轮流通电方式是单和双两种通电方式的组合应用，这种通电分配方 式叫做m相2m状态，转一转所需步数为2mz步。
3.2 步进电动机的环形分配器
3.2.1 步进电动机的驱动方式
环形分配器——把输入的脉冲转换成环型脉冲，以控制 步进电动机，并能进行正反转控制 功率放大器——把步进电动机输出的环型脉冲放大，以 驱动步进电动机转动
典型的步进电机控制系统的组成
3.2.2 步进电动机的环形分配器
环形分配器是根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加 到放大器上，使各相绕组按一定的顺序和时间导通和关断 步进电机旋转方向和内部绕组的通电顺序有关 环形分配器由电动机的励磁绕组数（相数）和工作方式决 定 环形分配器有硬件和软件两种 硬件环分：较好的响应速度，直观、维护方便等特点； 软件环分：往往受到微机运算速度的限制，有时难以满足 高速、实时控制的要求。
1、脉冲分配控制——硬件（环形分配器）
电源 CNC 装置
CLK DIR
A相驱动 B相驱动
FULL/HALF
环形 分配器
M
C相驱动
三相硬件环形分配器的驱动控制
1、脉冲分配控制——硬件（环形分配器）
当DIR=“1” 时，每来一 个脉冲（CLK） 则电动机正 转一步； 当DIR=“0” 时，每来一 个脉冲（CLK） 则电动机反 转一步。 三相六拍环形分配器
第三章 步进电动机传动控制

3.1 3.2 3.3 3.4
步进电动机 步进电动机的环形分配器 步进电动机的驱动电路 步进电动机的运行特性及使用
步进电动机
3.1 步进电动机
概念：步进电动机是一种将电脉冲信号转换成直线 或角位移的执行元件。 差别： 区别
运动形式 驱动电源

步进电机 步进 脉冲电压
特点：电动机工作的稳定性较差，容易失步。 m相，z个齿的步进电动机，转一转所需步数为m z
2)双相轮流通电方式
“双”是指每次有两相绕组同时通电
这种通电分配方式叫做m相双m状态，
按照UV—VW—WU—UV称为三相双三拍通电，步距 角为30° 。 特点：由于两相通电，力矩就大些，定位精度高而不 易失步。 步进电动机每转步数亦为m z步。
A、B相同时通电
A
B'
B相通电，转子2、4齿和 B相对齐，又转了15。
A
C' B
A'
B'
C' B
A'
C
C
总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称 为三相六拍，步距角为15。 AABBBCCCAA 顺时针方向旋转 AACCCBBBAA 逆时针方向旋转
3.1.2 小步距角电动机
C AJ W X QB W X Qc C BJ W X QC W X Q A CCJ W X Q A W X QB
(2)
集成脉冲分配器
CH250是专为三相反应式步进电动机设 计的环形分配器，这种集成电路采用CMOS
工艺，集成度高，可靠性好。它的管脚图及
设计延时子程序：改变步进频率

三相单三拍正向的时序图如图所示

三相双三拍正向的时序图如图所示

三相单六拍正向时序图如图所示
以三相单三拍为例的环形分配程序流程图
3、速度控制
进给脉冲频率f→定子绕组通电/断电状态变化频 率f →步进电机转速ω →工作台的进给速度V。 硬件环分：控制CLK的频率，控制电动机的速度。 软件环分：控制相邻两次软件环分状态之间的延 时时间，改变电动机线圈通电状态的变化频率。
产生的电 脉冲信号 将电脉冲信号按一定 的顺序加到电动机的 各相绕组上
齿轮箱 指令 环形分 CNC 脉冲 配器 步进电动 机功率放 大器
n
电源
步进电动机
步进电机的优点

控制特性好： 误差不长期积累； 步距值不受各种干扰因素的影响。
步进电动机的转子运动的速度主要取决于脉冲信号 的频率，总位移量取决于总的脉冲信号数；故它作 为伺服电动机应用于控制系统时，往往可以使系统 简化，工作可靠，而且可获得较高的控制精度，在 多数情况下，可以代替交直流伺服电动机。
转一圈所需步数：3×4=m×z。
（2）通电方式
步进电动机的转速既取决于控制绕组通电的频率，又 取决于绕组通电方式。 1)单相轮流通电方式 ： “单”是指每次切换前后只有一相绕组通电， 这种通电分配方式叫做m相单m状态； 步进电动机以一种通电状态转换到另一种通电状态 就叫做一“拍”。 上例就是单相轮流通电方式 ，即三相单三拍通电， 步距角为30°。
定子
转子
电机转动的工作原理
当定子绕 组按U— V—W顺 序轮流通 电时，转 子就顺时 针方向一 步一步地 移动，各 相绕组轮 流通电一 次，转子 就转过一 个齿距。
总结：错齿是步进电动机旋转的根本原因
步距角
步距角——绕组每通电一次（即运行一拍）， 转子就走一步，即转过一定的角度。
步距角 b 齿距 3600 3600 b 拍数 Z N ZKm
表3.1
序 号 0 1 2 3 4 5 6
环形分配器逻辑真值
输出状态
QA 1 1 0 0 0 1 1 QB 0 1 1 1 0 0 0 QC 0 0 0 1 1 1 0
控制信号状态
CAJ 1 0 0 0 1 1 1 CBJ 1 1 1 0 0 0 1 CCJ 0 0 1 1 1 0 0
导电绕组
A AB B BC C CA A
转子转过一圈所用时间为：ZkmT
60 f s 1 60 f n (r/s) (r/min) (r/min) 360 Z km T 360 转子转速为：
转速:
60 f s 60 n f (r / min) 360 Kmz
s
3.1.3 步进电动机分类
1、按工作原理分类


励磁式：电机的定子转子均有绕组，靠电磁力矩使转子转 动。 反应式：转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使 转子转动。这是我国步进电动机发展的主要类型 特点：气隙小，定位精度高；步距较小，控制准确；励磁 电流大，要求驱动电源功率大；电动机内部阻尼较 长，相数小时，单步运行震荡时间较长；断电后无 定位转矩，使用中需自锁定位。
A-B-C-A B相通电 A C相通电 A C' B
A'
C' B
B'
B'
C'
B
A'
C
C
C
A相通电，B、C相不通电——转子齿1和3与A对齐。 而B、C两相的定、转子齿各错开30° B相通电，A、C相不通电——转子齿2和4与B对齐， 转子顺时针方向旋转30 ° C相通电，A、B相不通电——转子齿1和3与C对齐， 转子又顺时针方向旋转30 °
C
3 A'
B
C
A相通电 转子1、3齿和A相对齐。
AB相通电 AB齿对转子都有拉力
A、B相同时通电
A
B'
C' B
A'
C
（1）BB' 磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使 转子顺时针方向转动。
（2）AA' 磁场继续对1、3齿有拉力。 所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA' 通电，转子转了15°。
步进电机即可按角度控制，也可按速度控制
步 电 机 速 进 动 转
(1) 2 f b f Km Z 60 60 f (r / min) n 60 2 2 Km Z f 通 脉 频 电 冲 率
3.3
步进电机转速（2）
A
步距角
B
C T
360 S Z Km
1 设每步时间为T，则步进速率为： f T
普通电机 连续 正旋交流或直流
对步进电动机施加一个电脉冲后，其转轴就转过一个角度，称为一步。 脉冲数增加，直线或角位移随之增加；脉冲频率高，则电动机旋转速度 就高； 改变分配脉冲的相序，电动机便逆转。



步进电动机是受其输入信号，即一系列的电脉冲控制 而动作的。 步进电动机、驱动电源和控制器构成步进电动机传动 控制系统
三相六拍工作时的接线图如图3．9所示
1
2. 软件环分 一般微机需作如下设置
设置输出口
2. 软件环分
计算机控制的步进电机驱动系统中，使用软件实现 脉冲分配。常用查表法。
电源
A相驱动
CNC 装置
A
B相驱动
C相驱动
B C
M
软环分驱控制
设计环形分配子程序
存储单元地址 K+0 K+1 K+2 K+3 K+4 K+5 单元内容 01H(0001) 03H(0011) 02H(0010) 06H(0110) 04H(0100) 05H(0101) 对应通电相 U UV V VW W WU
结论： 当通电顺序为U—V—W—U时，转子便按顺 时针方向一步一步地转动。 每换接一次，则转子前进一步，一步所对应 的角度称为步距角(30 °) 。 电流换接三次，磁场旋转一周，转子前进一 个齿距的位置，一个齿距所对应的角度称为齿 距角(此例中转子有四个齿，齿距角为90 °)。