步进电机的调速控制

太大。 注：步距角 β 太大。
13. 小步距角步进电动机（实际的步进电动机） 13.1.3 小步距角步进电动机（实际的步进电动机）
特征： 1. 特征： 定子内圆和转子外 圆均有齿和槽。 定子和转子的齿宽 和齿距相等。 规定： 2. 规定： 当一相磁极下定子 与转子的齿相对时，下 一相磁极下定子与转子 齿的位置刚好错开 τ / m （ τ —齿距，m—相数）。
故 f 过高使步进电动机 ① 启动不起来； ② 运行时失步而停下。
4. 转子机械惯性对运行的影响 1) 受机械惯性作用，在启动阶段，转子落 后于应转过的角度，一般会跟上来，严 重（ f ↑↑ ）时会启动不起来。 2) 在运转时，因惯性作用，经过几次振荡 后才停下来，严重时会引起失步。
措施： 措施：采用阻尼方法，消除或减弱步进电机的 振荡。
表 13.1 环形分配器逻辑真值表
控制信号状态 序号 CAJ 1 0 0 0 1 1 1 CBJ 1 1 1 0 0 0 1 CCJ 0 0 1 1 1 0 0 QA 1 1 0 0 0 1 1 输出状态 QB 0 1 1 1 0 0 0 QC 0 0 0 1 1 1 0 导电绕组
0 1 2 3 4 5 6
2. 矩角特性 ——反映步进电动机电磁转距 电磁转距T随偏转角 θ 变化 电磁转距 偏转角 的关系。 1) 初始平衡位置——定子一相绕组通电，转子 无负载转矩，转子齿与通电相磁极上小齿对 齐。 2) 转子偏转角 θ （空间角）——转子齿偏离初 始平衡位置的角度（转子有负载作用，电磁 转矩与负载转矩平衡）。 3) 电角度 θ e ——空间角度的Z倍，即 θ e = Zθ 。 4) 矩角特性曲线 T = f (θ e ) 。
转速
{n}rpm =
{β }( rad ) { f }Hz
2π
60 60 = { f }Hz KmZ
360 o 2π = β= 注： KmZ KmZ
作业： 作业： P:360 13.1~2，13.7~9
13.2 环形分配器 13.2.1 驱动系统
控制脉冲按规定的通电方式分配 分配到每相绕 1. 控制脉冲 分配 组。 2. 实现脉冲分配的硬件 硬件逻辑电路，称为环形 硬件 环形 分配。 分配 3. 可采用软件 软件实现脉冲分配，这种方式称为 软件 软件环分（如：计算机数字控制系统）。 软件环分 4. 分配器输出的脉冲需进行功率放大 功率放大，才能 功率放大 驱动步进电动机。
↓↓ ，缩短 i 上升的过渡时间， 3. R（串联电阻）—— τ = r+R 提高工作速度。 L
4. C（并联电容或加速电容）——C上的电压不能突变，在截 止到导通的瞬间，电源电压全落在绕组上， i ↑↑ 。 5. V(二极管)——VT截止时起续流和保护作用，以防绕组产 生的反电势击穿。 6. RD（串联电阻）—— i ↓↓ ，使 i 波形后沿变陡。 缺点： 缺点：R上有功率损耗（快速性↑，R↑，功耗↑，限制使用这 种电路）。
表13.2 环形分配表
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 A AB B BC C CA
3) 环形分配子程序 与主程序配合，环形分配器以子程序 子程序的形 子程序 式出现。 正转子程序。 正转时调用正转子程序 正转子程序 地址指针； 存索引值。 注：HL—地址指针；B—存索引值。 地址指针 存索引值
A AB B BC C CA A
注：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. 软件环分 以Z-80A CPU和PIO配置为例。 1) 由PIO作为驱动电路接口 脉冲经Z-80A的并行I/O接口PIO输出至步进电动机 各相，如图所示。
2) 通电方式
a) 取决于控制绕组通电频率，也取决于绕组通电方式。 b) 通电方式——单三拍、六拍及双三拍等。 “单”——每次只有一相绕组通电； “双”——每次有两相绕组通电； “拍”——通电次数（即从一种通电状态转到另一种 通电状态）。 按 A—B—C—A 方 式 通 电 ， 称 为 三 相 单 三 拍 运 行 β = 30o ）。 （ 按A—AB—B—BC—C—CA—A方式通电，称为三相六拍 β = 15o ）。 运行（
4.广泛用于数字控制系统，如数控机床。
13.1.2 结构与工作原理 13. 1. 结构特点 1) 定子——由硅钢片叠成，装上一定相数的控制 绕组，由环形分配器送来电脉冲，对多相定子绕组轮 流励磁。 2) 转子——用硅钢片叠成或软磁性材料做成的凸 极结构。 反应式步进电动机（转子本身无励磁绕组） （转子本身无励磁绕组） 永磁式步进电动机（用永久磁铁做转子） （用永久磁铁做转子）
如：三相反应式步进电机。
① 定子——6个磁极，每两相对磁极上有一相控制绕组。 ② 转子——装有4个凸齿。
2. 工作原理 1) 基本工作原理——就是电磁铁工作原理。
a) 环形分配器送来脉冲信号，对定子绕组轮流通电。 b) A相通电，B、C相不通电，转子齿1、3与A相定子齿 对齐，转子齿2、4与B、C相在不同方向上错开30º（此时转 矩为0，转子自锁）。 c) A相断电，B相通电，转子齿2、4与B相定子齿对齐， 30º 顺时针旋转30º。 d) B相断电，C相通电，同理转子顺时针旋转30º。 e) 通电顺序为A—B—C—A时，转子顺时针旋转。如改 为A—C—B—A时，转子反向（逆时针）转动。 f) 电流换接三次，磁场转一周，转子前进一个齿距角 （90º＝ 3β ）。
PIO A口 口
A2 A1 A0
C相 相 B相 相 A相 相
图13.7 I/O接口图 接口图
2) 建立环形分配表 PIO是可编程控制器件 可编程控制器件。 可编程控制器件 运行程序时，对应存储器单元的内容 送到PIO的A口，使A0、A1、A2依次发 送信号，从而使绕组轮流通电 绕组轮流通电。 绕组轮流通电 正转（反转 反转）时，（反向 反向）依次输出 反转 反向 表中各单元内容，输出状态是表底 （表首 表首）状态时，修改索引值使下一 表首 次输出重新为表首（表底 表底）状态。 表底
公式： 3. 公式： 齿距
360o τ= Z
（Z—转子齿数）
τ
步距角
360 o β= = 拍数 ZKm
360 o β= = 3o 3× 3 × 40
（K—状态系数，三拍时，K=1；六拍时，K＝2） 三拍时， 三拍时 ；六拍时， ＝ 例如：Z＝40，三相单三拍运行，则
由此可见， 由此可见 ， 转子齿数Z↑（或定子相数m↑，或运行拍 β↓ 数Km↑），则 ，控制越精确。
作业： 作业： P:361电路——一种脉冲放大电路，使脉冲 驱动电路 具有一定的功率驱动能力。 要求： 要求： ① 提高步进电动机的快速性 快速性； 快速性 ② 提高步进电动机的平稳性 平稳性。 平稳性
13.3.1 单电压限流型驱动电路 13.
1. VT（晶体管）——无触点开关，使流过L的波形接近矩形波。 2. L（电动机绕组）—— L 中电流不能突变，经3 τ（时间常 数 τ = L ）时间后达到稳态电流（L—绕组电感，r—绕组电 r 阻）。 τ ↑↑ ( r ↓↓ ) ，严重影响启动频率。
近似一条正弦曲线。
θe = ± π
2
时，T达到最大
静转矩 Ts max （定、转子 齿错开1/4齿距）。 反映了步进电动机带 负载的能力（负载转矩 ＝（0.3～0.5）Ts max ）。 “稳定运行”
3. 脉冲信号频率对运行的影响
(a) 频率很低（接近矩形波）； (b) 频率增高（波形畸变）； (c) 频率很高（I 下降到 I/ ）。
13. 13.3.2 高低压切换型驱动电路
1. 采用高压和低压两种电压供电。 2. t1 − t 2 时间，VT1和VT2饱和导通，＋80V经过VT1和 VT2加到L上， i ↑↑。 3. 到 t 2 时（定时方式）或 i 上升到某一数值（定流方 式）， U b 2为低电平，VT2截止，L的电流由＋12V电 源经VT1维持， i ↓ 到 I额。 4. 到 t 3 时， U b1为低电平，VT1截止， i ↓ ，I＝0。 5. U b1 由脉冲分配器经几级电流放大获得， U b 2 由单稳 定时或定流装置再经脉冲变压器获得。
5) 精度——用一周内最大的步距角误差值表示。 步距精度 ∆β = i(∆β L ) 式中：∆β L ——负载轴上所允许的角度误差。
6) 输入电压U、输入电流I和相数m三项指标与驱 动电源有关。
2. 注意事项 1) 驱动电源的优劣对控制系统的运行影响极 大。 2) 若负载转动惯量较大，则在低频下启动， 再上升到工作频率；停车时从工作频率下 降到适当频率再停车。 3) 在工作过程中，尽量避免由负载突变而引 起的误差。 4) 在 工 作 中 若 发 生 失 步 现 象 ， 先 检 查 负 载 （是否过大）、电源电压（是否正常）， 再检查驱动电源输出波形（是否正常）， 不应随意变换元件。
作业： 作业： P:361 13.6，13.10～11
13. 13.1 步进电动机 13.1.1 定义 13.
一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直 线位移的机电执行元件。
1.步距角 β（步距）
——当输入一个电脉冲时所转过的一个固定角度。
2.位移量与输入脉冲数严格成比例（无误差积累）。
n 与 f 、 β 有关
3.各种运行特性由下列条件决定：
输入脉冲数； 脉冲频率； 电动机各相绕组的接通次序。
优点：功耗小，启动力矩大，突跳频率和工作频率高。 优点： 缺点： 缺点：大功率管数量多用一倍，增加了驱动电源。