控制电机第五章 步进电机

4 反应式步进电机的运行特性
静态特性
5 电源及分配方式对电机性 能的影响
1. 驱动电源的基本要求
2. 驱动电源的组成
（1）变频信号源：脉冲信号发生器，可产生数十赫兹到几 万赫兹连续可变的脉冲。 （2）脉冲分配器：一种逻辑电路，由双稳态触发器和门电 路组成，能将输入的电脉冲信号根据需要循环输出。 （3）功率放大器：将输入的循环信号进行功率放大，使步 进电机按选定的运行方式工作。
3. 驱动电源的分类
按功率 放大器 型式进 行分类 单一电压型电源 高低压切换型电源 其他型式的驱动电源
单一电压型电源
当信号脉冲输入时，晶体管导通，电容C在起始瞬间相 当于将电阻短接，而加大控制绕组的电流，稳定时R起 限流作用。 优点：线路简单，功放元 件少，成本低 缺点：Rf1上要消耗能量， 工作效率低。 只适用于小功率步进电机， 性能指标要求不高的场合。
可见：
转子的转速取决于控制绕组通电和断电的频率。
转子旋转的方向取决于控制绕组轮流通电的顺序。
几个基本概念 分配方式
单拍制分配方式：状态数＝相数 双拍制分配方式：状态数＝2相数
三相双三拍
拍数（状态数）
步距角的表示方法
齿距角 t ：转子相邻两个齿之间的夹角。
3600 t ZR
t
Z R为转子齿数
图 11 - 40 高低压电源的电压和电流波形图
(a) 信号电压； (b) 绕组端压； (c) 绕组电流
图 11 - 40 高低压电源的电压和电流波形图 (a) 信号电压； (b) 绕组端压； (c) 绕组电流
其他型式的驱动电源
带有多次电流检测的高低压驱动电源
在高、低压切换型电源的基础上，使高压部分的电流断续 加入，以补偿步进电机控制绕组中旋转电势而引起的电流 波顶下凹所造成的转矩下降，使电流波顶维持在预定范围 内，而使步进电机的机械特性得到显著提高。
按AB C A ……的顺序给三相绕组 轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转
过30°(步距角)，每个通电循环周期(3拍)磁场在 空间旋转了360°而转子转过90°(一个齿距角)。 2. 三相六拍 按AAB B BC C CA的顺序给三相 绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制 特性。
1 步距角 b ：每输入一个脉冲电信号转子转过的空间角度 2 （机械角度）。
3600 b N ZR N
t
N为运行拍数， N km(k 1,2; m为相数)
同一台电机采用不同的供电方式，步距角可有两 种不同的数值。
为了提高控制精度，缩小步距角，可以增加相数， 且电机的定子、转子都做成多齿的。
高、低压切换型电源
步进电机的每一相控制绕组要有两只功率元件串联。 由高、低压两种不同的电源供电。这种电源效率好， 起动和运行效率比单一电源高。 高压供电用来加速电流的增 长速度；低压供电为了维持 稳定的电流值。 优点： 电源功耗小，效率高。 矩频特性好，启动和运行频 率有很大提高。
常用于大功率步进电机的驱动
图 11 - 41 电流波形下凹现象
图 11 - 42 多次电流检测后的电流波形
单电压斩波恒流型电源
这种电源可以消除电流波形下凹现象， 使绕组中电流维持在额定值附近。单一 电压线路简单。
细分电路
对一个有步距角的步进电机绕组用阶梯波形的电流供电， 使步距角减少，提高运行平滑性。 电流的每个阶梯，电 机转动一步，步距角 减小了很多。它与一 般的由 0 值突跳至额 定值， 从额定值跳至0 的通电方式相比， 步 距角缩小了1/10， 因 而使电机运转非常平 滑， 可以消除电机在 低频段运转时产生的 振动、 噪音等现象。
另外， 由于双拍制分配方式的步距角比单拍制减少一 半， 所以当电机产生的角加速度dω/dt及要克服的惯性 矩Jdω/dt相同时， 双拍制的控制频率比单拍制的可增 加一倍。 可见， 采用双拍制分配方式对提高启动和连 续运行频率是明显有利的。
6 其他类型步进电机
3. 三相双三拍 按AB BC CA的顺序给三相绕组轮流通 电。每拍有两相绕组同时通电。
A
A C' B B' C' B A'
A
B'
C A' AB通电
B'
C
C'
C
B A'
BC通电
CA通电
与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循 环周期也分为三拍。每拍转子转过30 (步距角)， 一个通电循环周期(3拍)转子转过90(齿距角)。
角度控制：输出轴转动的角位移量与输入脉冲数 成正比。 k1k 速度控制：
60 f n ZR N
N为运行拍数， ZR为转子齿数 f为控制脉冲的频率
反应式步进电动机的转速取决于脉冲频率、转子齿 数和拍数，而与电压、负载、温度等因素无关。可 实现无级调速，调速范围很宽。
改变通电顺序，相当于改变定子磁场的旋转方向 ，从而控制电机正反转。改变脉冲输入的情况可 以控制电机的启动，反转，制动或改变转速。
定子材料：硅钢片叠成；转子材料：叠片铁心
由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭 合，因此会在磁力线扭曲时产生切向力，而形 成磁阻转矩，使转子转动。
现以A B IA C A的通电顺序，使三相绕组
轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。
IC C
IB B
1.三相单三拍 “三相”指三相步进电机；“单”指每次只能一相绕 组通电；“三拍”指通电三次完成一个通电循环。 A相绕组通电，B、C相 不通电。气隙产生以A-A为轴线 A 的磁场，而磁力线总是力图从 B' C' 1 磁阻最小的路径通过，故电动 4 2 3 B C 机转子受到一个反应转矩，在 A' 此转矩的作用下，转子必然转 到左图所示位置：1、3齿与A、 A′极对齐。

脉冲分配和功放
s
脉冲信号
0
v
1脉冲 对应1步
k
脉冲数 等于步数
0
f
应用：由于步进电动机的工作特点符合数字 控制系统要求，因此它在数控机床、钟表工业及 自动记录仪、打印机等方面都有很广泛的应用。
对步进电机的基本要求: 调速范围宽； 能快速的启动，快速的正反转； 开环精度高，不丢步或越步； 输出转矩大，可直接带负载。
3 步进电机的工作基本特点
（1）步进电机工作时，每相绕组由专门驱动电源通 过“环形分配器”按一定规律轮流通电。
分配方式 几个概念 状态数、拍数 单拍制分配方式：状态数＝相数 双拍制分配方式：状态数＝2相数
f f相 ＝ N
f相：每相脉冲电压的频率 f：控制电脉冲的频率 N：拍数
（2）步距角的表示方法 步距角 b ：每输入一个脉冲电信号转子转过的角度。
B、C相同时通电， C' 、C 磁极拉住1、3 齿，B、B' 磁极拉住 2、4齿，转子再转过 15。
三相反应式步进电动机的一个通电循环周 期如下：AAB B BC C CA，每个循 环周期分为六拍。每拍转子转过15（步距角）， 一个通电循环周期(6拍)转子转过90 (齿距角)。 与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更 小，更适用于需要精确定位的控制系统中。
A B'
4 1
C'
2
A相通电，转子1、 3齿与A、A' 对齐。
C
3
B
A'
A B'
C C' B
A'
A、B相同时通电， A、A' 磁极拉住1、3齿， B、B' 磁极拉住2、4齿， 转子转过15，到达左图 所示位置。
A B' C A'
C'
B
B 相通电，转子2、 4齿与B、B´ 对齐,又转
过15。
A B' C A' C' B
60 f 60 f 3600 f n b 0 Z R N 360 Z R N 6
f 一定时，步距角小，转速低，输出功率小，但加
工精度要求高，故应二者兼顾考虑。
（4）步进电机具有自锁功能
当控制脉冲停止，最后一个脉冲控制绕组继续通 直流电，电机停留在最后一个脉冲控制的角位移 终点——实现停车时转子定位。
A B' C A'
A
C'
B
B' C A'
C' B
同理，B相通电时，转子会转过30角，2、4
齿和B、B´ 磁极轴线对齐；当C相通电时，转子
再转过30角，1、3齿和C´、C磁极轴线对齐。
这种工作方式下，三个绕组依次通电一 次为一个循环周期，一个循环周期包括三个 工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。
细分电流波形
4. 分配方式对性能的影响
分配方式对输出转矩也有很大影响。 一般来说， 同时
通电的相数越多， 转矩下降较少。
例如， 三相电机中三相双三拍及三相六拍分配方式的 转矩都比三相单三拍的高。 这是因为在绕组换接过程中， 如AB→BC时， 只是A相电流切断， C相电流导通； 它们 都是按指数曲线规律变化的， 但 B相电流在换接过程中仍 保持稳态电流值不变， 它对维持转矩不变起了较大作用。 显然， 同时通电的相数越多， 维持电流不变的相数也越多， 转矩就越高。
齿距角 t ：
3600 t ZR
3600 b N ZR
Z R为转子齿数
t
N为运行拍数， N km(k 1,2; m为相数)
提角度表示步距角：
3600 Z R be b Z R N ZR
电角度等于机械角度乘上极对数
（3）反应式步进电动机可以按特定指令 进行角度控制或速度控制
步进电机的分类: 励 磁 方 式
反应式(磁阻式) ——应用最为广泛
永磁式 感应式
2 反应式步进电机的结构及工作原理