步進電機結(jié)構(gòu)原理特性驅(qū)動控制選用原則課件

1、步進電機結(jié)構(gòu)原理特性驅(qū)動控制選用原則步進電動機是一種把電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的控制電機，常作為數(shù)字控制系玩。的執(zhí)行元件。由于其輸入信號是脈沖電壓，輸出角位移是斷續(xù)的，即每輸入一個電脈沖信號轉(zhuǎn)子就前進一步，因此叫做步進電機，也稱為脈沖電動機。 步進電動機的主要特點有如下幾點： (1)轉(zhuǎn)速和步距值不受電壓波動、負載變化和溫度變化的影響，只與脈沖頻率同步，轉(zhuǎn)子運動的總位移量只取決于總的脈沖信號數(shù)。 (2)開環(huán)控制，無需反饋，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大為簡化，工作更加可靠，維護更加方便，在一般定位驅(qū)動裝置中具有足夠高的精度。 (3)控制性能好，可以在很寬的范圍內(nèi)通過改變脈沖的頻率來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，起動制動、反向及

2、其他任何運行方式的改變，都在少數(shù)脈沖內(nèi)完成。 (4)誤差不積累。步進電動機每走一步所轉(zhuǎn)過的角度與理論值之間總有一定的誤差但它每轉(zhuǎn)一圈都有固定的步數(shù)，所以在不失步的情況下，其步距誤差是不會積累的。 由于步進電動機具有上述優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于許多需要精確定位控制的場合，如計算機的軟盤驅(qū)動、打印機的進紙、電腦繡花機和繪圖儀的x-y軸驅(qū)動、自動移靶機的移位等。步進電動機在數(shù)控機床上的應(yīng)用，可以說是最典型的例子。由于步進電動機系統(tǒng)實現(xiàn)開環(huán)控制，使得控制方便、工作可靠、成本較低的數(shù)控機床成為當(dāng)前機床發(fā)展的主流方向之一，這樣步進電動機成為經(jīng)濟型數(shù)控機床的核心。 步進電動機在近十幾年中發(fā)展很快好地解決了步進電動機

3、的驅(qū)動電源問題了許多自動控制系統(tǒng)的要求。這是由于電力電子技術(shù)和計算機控制技術(shù)而步進電動機能將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成角位移第一節(jié)步進電動機的基本結(jié)構(gòu)步進電動機從轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上來說，主要包括反應(yīng)式、永磁式和混合式三種。反應(yīng)式步進電動機的工作原理與磁阻式同步電動機相似，都是利用磁力線力圖通過磁阻最小路徑的原理來產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，因此又稱為磁阻式步進電動機，圖71(a)所示為反應(yīng)式步進電動機的基本結(jié)構(gòu)；永磁式步進電動機依靠轉(zhuǎn)子永磁體和定子繞組磁動勢之間所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩工作圖71(b)所示為 水磁式步進電動機的基本結(jié)構(gòu)；混合式進電動機則是反應(yīng)式和永磁式的結(jié)合構(gòu)較為復(fù)雜。 步進電動機的定子通常采用成對的大齒狀結(jié)構(gòu)，如圖7

4、一l所示。徑向相對的兩個齒極組成一組(一相)，每個齒極上都裝有集中控制繞組。同一相的控制繞組可以串聯(lián)也可以并聯(lián)，只要它們產(chǎn)生的磁場極性相反。這樣定子齒極的極對數(shù)就等于定子繞組的相數(shù)，即p=m。步進電動機的定子相數(shù)一般有三相、四相和五相。 步進電動機不同于普通的交、直流電動機，它必須與驅(qū)動控制器、直流電源組成系統(tǒng)方能正常運行如圖7 2所示。在實際系統(tǒng)中，步進電動機和驅(qū)動控制器是兩個不可分割的組成部分，這是因為給步進電動機定子控制繞組所加的電源既不是正弦交流，也不是恒定直流，而是脈沖電壓，步進電動機系統(tǒng)的性能不僅與電動機本體有關(guān)，而且與驅(qū)動控制器的性能也密切相關(guān)。因此，應(yīng)用中所說的步進電動機均指步

5、進電動機本體和驅(qū)動控制器的成套裝置。 目前結(jié)構(gòu)簡單且應(yīng)用較多的是三相反應(yīng)式步進電動機，所以下面就以三相反應(yīng)式步進電動機為例說明其工作原理和運行特性。 圖7 3所示為步進電動機的通電方式(三個齒極，而轉(zhuǎn)子類似于凸極同步電動機的轉(zhuǎn)子相單三拍)，三相反應(yīng)式步進電動機定子有六這里討論有四個齒極的情況。 一、通電方式的分析 三相反應(yīng)式步進電動機主要有以下通電方式： 1三相單三拍通電方式 當(dāng)a相繞組通入直流電流時。由于磁力線力圖通過磁阻最小的路徑，轉(zhuǎn)子將受到磁阻轉(zhuǎn)矩的作用而轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到l 3軸線與a相繞組軸線相重合的位置時，磁阻轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子停留在該位置如圖7 3(a)所示。如果a相繞組不斷電，轉(zhuǎn)子將

6、一直停留在這個平衡位置，稱為“自鎖”。要使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動。可以將a相繞組斷電，而使b相繞組通電。這樣轉(zhuǎn)子就會逆時針旋轉(zhuǎn)30，轉(zhuǎn)到2 4軸線與b相繞組軸線相重合的位置，如圖7 3(b)所示。繼續(xù)改變通電狀態(tài)，即使b相繞組斷電，c相繞組通電，轉(zhuǎn)子將繼續(xù)逆時針旋轉(zhuǎn)30。，轉(zhuǎn)到1 3軸線與c相繞組軸線相重合的位置，如圖73(c)所示。如果三相定子繞組按照a-c-b順序通電則轉(zhuǎn)子將按順時針方向旋轉(zhuǎn)。上述定子繞組的通電狀態(tài)每切換一次稱為“一拍”，其特點是每次只有一相繞組通電。每通入一個脈沖信號，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個角度，這個角度稱為步距角。每經(jīng)過三拍完成一次通電循環(huán)，所以稱為“三相單三拍”通電方式。 2三相雙三拍通

7、電方式 三相步進電動機采用單三拍通電方式時，在繞組斷、通電的間隙轉(zhuǎn)子有可能失去自鎖能力出現(xiàn)失步現(xiàn)象。另外，在轉(zhuǎn)子頻繁起動、加速、減速的步進過程中，由于受慣性的影響，轉(zhuǎn)子在平衡位置附近有可能出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。因此，三相步進電動機單三拍運行方式容易出現(xiàn)失步和振蕩，常采用雙三拍通電方式。 三相雙三拍通電方式的通電順序是ab bc caab。由于每拍都有兩相繞組同時通電，如a、b兩相通電時-轉(zhuǎn)子齒極1、3受到定子磁極a、x的吸引，而2、4受到b、y的吸引，轉(zhuǎn)子在兩者吸力相平衡的位置停止轉(zhuǎn)動，如圖74(a)所示。下一拍b、c相通電時，轉(zhuǎn)子將逆時針轉(zhuǎn)過30。達到新的平衡位置如圖74(b)所示。再下一拍(：、a

8、相通電時，轉(zhuǎn)子將再逆時針轉(zhuǎn)過30。達到新的平衡位置，如圖7 4(c)所示?？梢娺@種通電方式的步距角也是30。 采用三相雙三拍通電方式時，在切換過程中總有一相繞組處于通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子齒極受到定子磁場控制，不易失步和振蕩。 3三相六拍通電方式 這是一種將一相通電和兩相通電結(jié)合起來的運行方式，其通電順序依次為aab bbc c ca a，即一相通電和兩相通電間隔輪流進行，六種不同的通電狀態(tài)組成一個循環(huán)。當(dāng)a相單獨通電時，相應(yīng)狀態(tài)與單三相a相通電的情況完全一樣，磁阻轉(zhuǎn)矩將使轉(zhuǎn)子齒1、3定位于a相繞組軸線方向，如圖73(a)和圖75(a)所示。當(dāng)a、b通電時，相應(yīng)狀態(tài)與雙三相a、b通電的情況完全一樣，如圖

9、7 4(a)和圖7 5(b)所示。顯然從a相通電到a、b相通電，轉(zhuǎn)子按逆時針方向轉(zhuǎn)過15。 其余四個通電狀態(tài)依此類推，相應(yīng)的步距角都是15，如圖75所示。二、多齒結(jié)構(gòu)的分析 對于圖73和圖7 4所示的步進電動機，其步距角都太大不能滿足精密控制的要求。為了減小步距角可以將定、轉(zhuǎn)子加工成多齒結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子上開有數(shù)目較多的齒極，而定子每個大齒極上又開有若干個小齒極，圖76所示為步進電動機的多齒結(jié)構(gòu)。下面進一步分析這種多齒結(jié)構(gòu)步進電動機的工作原理。 圖7-6所示的步進電動機定子有六個大齒極每個大齒極上又有三個小齒極；轉(zhuǎn)子沿圓周有50個小齒極(圖7 6中僅畫出部分)，并且定子上的小齒極和轉(zhuǎn)子上的小齒極齒距相等

10、。 設(shè)通電方式為三相單三拍。當(dāng)a相繞組通電時，產(chǎn)生沿a相繞組軸線方向的磁通，由于磁通力圖通過磁阻最小的路徑使轉(zhuǎn)子受到磁阻轉(zhuǎn)矩的作用而轉(zhuǎn)動，直到轉(zhuǎn)子齒的軸線與0定子齒極ax的軸線對齊為止。因為轉(zhuǎn)子共有50個齒，所以齒距角。，而定子一個大齒極所對應(yīng)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)為不是整數(shù)，這樣當(dāng)齒極a下定、轉(zhuǎn)子齒的軸線對齊時齒極b和齒極c下定、轉(zhuǎn)子齒的軸線必然分別錯開三分之一和三分之二齒距角，即如圖7 7(a)所示。 如果將a相繞組斷電，而使b相繞組通電，則產(chǎn)生沿b相繞組軸線方向的磁通，同樣的道理，轉(zhuǎn)子將逆時針轉(zhuǎn)過三分之一的齒距角，使轉(zhuǎn)子齒的軸線與定子齒極b-y的軸線對齊，如圖77(b)所示。繼續(xù)改變通電狀態(tài)，即使b

11、相繞組斷電，c相繞組通電，轉(zhuǎn)子將繼續(xù)逆時針旋轉(zhuǎn)寺的齒距角，轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子齒的軸線與定子齒極c z的軸線對齊的位置，如圖7-7(c)所示。如果三相定子繞組按照a c b的順序通電，則轉(zhuǎn)子將按順時針方向旋轉(zhuǎn)。可見，這種情況下步距角為24。 如果通電方式為三相雙三拍，相當(dāng)于有三對等效的定子齒極在輪流產(chǎn)生相應(yīng)方向的磁通(見圖74)，因此步距角還是24。如果通電方式為三相六拍，就相當(dāng)于有六對等效的定子齒極在輪流產(chǎn)生相應(yīng)方向的磁通(見圖7-5)，而定子一個等效大齒極所對應(yīng)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)為也不是整數(shù)，這樣相鄰兩對等效大齒極下的定子齒和轉(zhuǎn)子齒必然分別錯開六分之一的齒距角，即因此步距角將是12。 三、步距角和轉(zhuǎn)速的計算

12、根據(jù)以上分析可知步進電動機工作時，每相繞組不是恒定地通電，而是脈沖式地通電。通電狀態(tài)每循環(huán)一次，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個轉(zhuǎn)子齒距。若轉(zhuǎn)子齒數(shù)為zr則轉(zhuǎn)子相鄰兩齒間的夾角，即齒距角為轉(zhuǎn)子每一步轉(zhuǎn)過的空間角度，即步距角為 式中：n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距需要的通電狀態(tài)數(shù)即拍數(shù)。對于三相步進電動機，當(dāng)通電方式為單三拍或雙三拍時，nm；當(dāng)通電方式為六拍時，n一2m。 可見，步進電動機的步距角和定子相數(shù)和轉(zhuǎn)子齒數(shù)成反比。定子相數(shù)越多，則步距角越小，精度越高，但供電電源和電機結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。所以，一般步進電動機的相數(shù)不超過六相，而且主要是通過增加轉(zhuǎn)子齒數(shù)來提高系統(tǒng)精度。 由式(7 2)可知，每輸入一個電壓脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角

13、度是整個圓周角的也就是轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)。若脈沖電源的頻率為f，則轉(zhuǎn)子每分鐘轉(zhuǎn)過的圓周數(shù)，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為 可見步進電動機的轉(zhuǎn)速取決于脈沖電源的頻率、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù)而與電壓、負載和溫度等因素?zé)o關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)子齒數(shù)一定時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與脈沖電源的頻率成正比，即電視轉(zhuǎn)速與脈沖頻率同步。這樣，步進電動機可以直接采用開環(huán)控制，并進行較寬范圍的無級調(diào)速。 反應(yīng)式步進電動機有靜止、單步運行和連續(xù)運行三種運行狀態(tài)，分別對應(yīng)不同的運行特性，下面分別予以介紹。 一、步進電動機的靜特性 步進電動機的靜止?fàn)顟B(tài)是指當(dāng)控制脈沖停止送入，如果某些定子繞組仍通以恒定不變的電流時，轉(zhuǎn)子將固定于某一位置保持不動的情況。步進電動機的靜特性可以用靜態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩

14、te與轉(zhuǎn)子失調(diào)角e之間的關(guān)系te=f(e)來描述，稱為矩角特性。 根據(jù)前面通電方式的分析可以知道。多相步進電動機的定子繞組可以是一相通電，也可以是幾相同時通電，下面分別進行討論。 1單相通電時 失調(diào)角e是指轉(zhuǎn)子偏離平衡位置的電角度，即通電相的定、轉(zhuǎn)子齒中心線問用電角度表示的夾角，如圖7-8所示。 如果將轉(zhuǎn)子齒數(shù)看作轉(zhuǎn)子的極對數(shù)，電角度就等于空間機械角度乘以轉(zhuǎn)子齒數(shù)，即一個齒距就對應(yīng)2電角度，用電角度表示的齒距角為相應(yīng)的步距角為 所以，當(dāng)拍數(shù)一定時無論轉(zhuǎn)子齒數(shù)是多少，用電角度表示的步距角是一定值。對于三相步進電動機，通電方式為單三拍或雙三拍時，步距角為23電角度；通電方式為六拍時，步距角為3電角

15、度。在單相通電時，通電相的定子齒和轉(zhuǎn)子齒對齊，失調(diào)角e=0，轉(zhuǎn)子處于零位。此時，定、轉(zhuǎn)子齒之間雖有較大的吸力，但這個吸力是垂直于轉(zhuǎn)軸的。轉(zhuǎn)子上沒有切向的磁拉力，轉(zhuǎn)矩te=0，轉(zhuǎn)子處于平衡位置，如圖7-8(a)所示 。 若轉(zhuǎn)子齒相對于定子齒向右錯開一個角度，這時就出現(xiàn)了切向磁拉力，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩te,其作用是阻礙轉(zhuǎn)子齒的錯開，故為負值。顯然，當(dāng)e2時，e越大te就越大如圖78(b)所示。 當(dāng)e2時，由于氣隙段磁路的加長，磁阻顯著增加，進入轉(zhuǎn)子齒頂?shù)拇磐看鬄闇p少。切向磁拉力以及相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩te將減小。直到e=時，轉(zhuǎn)子齒處于兩個定子齒的正中，兩個定子齒對轉(zhuǎn)子齒的磁拉力互相抵消，轉(zhuǎn)矩te=0,如圖7 8(c

16、)所示 如果e繼續(xù)增大，即e則轉(zhuǎn)子齒將受到另外一個定子齒磁拉力的作用，出現(xiàn)與e 通過以上分析可以知道，步進電動機的靜態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩te隨失調(diào)角e作周期性的變化，變化周期是一個齒距，即2電角度。嚴格來說，矩角特性te=(e)的形狀是比較復(fù)雜的，它與氣隙的長度、定轉(zhuǎn)子齒的形狀以及磁路飽和的程度都有關(guān)系。對于反應(yīng)式步進電動機，其單相通電時的矩角特性可近似為正弦函數(shù)曲線。如圖7 9所示，相應(yīng)的表達式為式中：tem靜態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩的最大值，它表示步進電動機承受負載的能力，與步進電動機很多特性的優(yōu)劣直接相關(guān)。所以，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大值tem步進電動機最主要的性能指標之一，通常在技術(shù)數(shù)據(jù)中都會指明。 由圖7-9可見，e=

17、o是理想的穩(wěn)定平衡點，因為若有外力干擾，使轉(zhuǎn)子偏離初始穩(wěn)定平衡位置，只要偏離的角度在之間，即沒有超過12齒距范圍，一旦干擾消失，轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)矩作用下將恢復(fù)在e=0這一位置。當(dāng)e=時，雖然電磁轉(zhuǎn)矩也等于零，但是如果有外力干擾使轉(zhuǎn)子偏離該位置，當(dāng)干擾消失后，轉(zhuǎn)子將不能再回到e=的位置，而是在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，穩(wěn)定于e=o或e=2的位置。因此，e=為不穩(wěn)定平衡點。 總之，e0,圖7-11中陰影線所示)轉(zhuǎn)子將向前轉(zhuǎn)動到達新的穩(wěn)定平衡點b，對應(yīng)的轉(zhuǎn)子失調(diào)角為eb。這樣，電動機就前進了一個步距角be=eb-ea. 由圖7一n可見，要保證電動機能夠步進式轉(zhuǎn)動，負載轉(zhuǎn)矩不能大于相鄰兩拍矩角特性的交點所對應(yīng)的電

18、磁轉(zhuǎn)矩。即相鄰兩拍矩角特性交點所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩是步進電動機單步運行時能夠帶動的極限負載，稱為極限起動轉(zhuǎn)矩(或最大負載轉(zhuǎn)矩)tst其表達式為 在規(guī)定的電源條件下，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大值tem是一定的，要提高步進電動機的負載能力，應(yīng)增大運行拍數(shù)n，如三相電機由單三拍或雙三拍運行改為六拍運行。 如果是兩相步進電動機。則由于nm一2(即兩矩角特性相差電角度)tst=o因此反應(yīng)式步進電動機的相數(shù)應(yīng)滿足m3相數(shù)越多，極限起動轉(zhuǎn)矩tst接近靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大值t。，負載能力就強。由于實際負載可能發(fā)生變化，tem的計算電不嚴密，因此選用電機時應(yīng)留有足夠的余量。 另外還要注意，在步進電動機的單步運行過程中轉(zhuǎn)子在由一個穩(wěn)定平衡點a

19、達到另一個新的穩(wěn)平衡點b的過程中，所積累的動能和慣性會使轉(zhuǎn)子沖過新的平衡位置，而此后te-tl0(見圖7 11)，又使電動機減速，進而反向運行。由于能量消耗和阻尼的結(jié)果，轉(zhuǎn)子將在新的平衡位置附近作衰減的振蕩。 這種振蕩現(xiàn)象對于步進電動機的正常運行是不利的它影響了系統(tǒng)的精度，并產(chǎn)生一定的振動和噪聲，嚴重時甚至可能使轉(zhuǎn)子失步，所以應(yīng)設(shè)法增大阻尼加以削弱。 三、步進電動機的連續(xù)運行和動特性 隨著外加脈沖頻率的提高，步進電動機進入連續(xù)運行狀態(tài)。在伺服系統(tǒng)中，步進電動機經(jīng)常做起動、制動、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和調(diào)速等動作，并在各種頻率下運行。這就要求步進電動機的步數(shù)與脈沖數(shù)嚴格相等，既不失步也不越步，而且轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動

20、應(yīng)是平穩(wěn)的。否則，步進電動機系統(tǒng)的“步進”精度就失去了意義。因此，在伺服系統(tǒng)中步進電動機必須具有良好的動特性。 步進電動機連續(xù)運行時所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱為動態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩，步進電動機的動特性可以用動態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩te與電源脈沖頻率，之間的關(guān)系來描述f稱為矩頻特性。 圖7 12所示為反應(yīng)式步進電動機的矩頻特性曲線，該特性表明隨著電源頻率，的升高，步進電動機的最大輸出轉(zhuǎn)矩要下降，這主要是由于定子控制繞組電感的影響而造成的。因為控制回路總有一定的電感，控制繞組通、斷電后，電流均需一定的上升或下降的時間。當(dāng)電源頻率較低時，繞組通電和斷電的周期較長，電流的波形比較接近于理想矩形波電機負載能力較強如圖7 13(a)所示

21、。當(dāng)電源頻率升高后周期縮短，電流來不及上升到穩(wěn)定值就開始下降，因而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩就要減小。電機的負載能力也就下降，如圖7 13(b)所示。 此外當(dāng)頻率增加時，電機鐵心中的渦流損耗隨之增大，使輸出功率和轉(zhuǎn)矩下降。當(dāng)輸入脈沖頻率增加到一定值時，步進電動機已無法帶動任何負載，而且只要受到很小的擾動，就會振蕩、失步，甚至停轉(zhuǎn)。 從圖712所示的矩頻特性可知，對于一定的供電方式，負載轉(zhuǎn)矩越大，步進電動機允許的工作頻率就越低。當(dāng)te=0時所對應(yīng)的頻率即為極限頻率，稱為最大連續(xù)運行頻率fmax動機的工作頻率絕對不能超過fmax 值得注意的是,在步進電動機起動時所能施加的最高頻率(稱為起動頻率fst)比連續(xù)運行頻

22、率低多，如圖7-12中的虛線所示。這是因為在起動過程中，電動機除了要克服負載轉(zhuǎn)矩tl還要克服加速度力矩。 提高步進電動機連續(xù)運行頻率的途徑除了提高電磁轉(zhuǎn)矩的基本方法外，還包括增加電機運行的拍數(shù)、減小電機的時間常數(shù)、減小轉(zhuǎn)動慣量、采用機械阻尼裝置等措施。 步進電動機不同于普通的控制電機，給步進電動機定子控制繞組所加的電源既不是正弦交流，也不是恒定直流，而是脈沖電壓，它必須由特定的脈沖電源供電。因此步進電動機的控制相對比較復(fù)雜。 一、驅(qū)動控制器 步進電動機和元刷直流電動機一樣都是典型的機電一體化產(chǎn)品，電動機本體與其驅(qū)動控制器構(gòu)成一個不可分割的有機整體，步進電動機的運行性能在很大程度上取決于所使用的

23、驅(qū)動控制器的質(zhì)量。 1驅(qū)動控制器的組成 圖7 14所示為步進電動機驅(qū)動控制器的組成示意圖，步進電動機的驅(qū)動控制器主要由脈沖發(fā)生器、脈沖分配器(環(huán)形分配器)和功率放大器組成。脈沖發(fā)生器產(chǎn)生頻率從幾赫茲到幾卜千赫茲連續(xù)變化的脈沖信號，脈沖分配器根據(jù)指令把脈沖按一定的邏輯關(guān)系加到定子各相繞組的功率放大器上使步進電動機按照一定的通電方式運行。因為脈沖分配器輸出的電流只有幾毫安，所以必須進行功率放大由功率放大器來驅(qū)動步進電動機。2.對驅(qū)動控制器的要求 (1)驅(qū)動控制器的相數(shù)、電壓、電流和通電方式都要滿足步進電動機的要求。 (2)驅(qū)動控制器的頻率要滿足步進電動機起動頻率和連續(xù)運行頻率的要求。 (3)能最大

24、限度地抑制步進電動機的振蕩提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。 (4)工作可靠，抗干擾能力強。 (5)成本低，效率高，安裝和維護方便。 3驅(qū)動控制系統(tǒng)的分類 (1)步進電動機簡單的控制過程可以通過各種邏輯電路來實現(xiàn)，如由門電路和觸發(fā)器組成脈沖分配器。這種控制方法線路較復(fù)雜，成本高，而且一旦成型很難改變控制方案缺少靈活性。 (z)由于步進電動機能直接接受數(shù)字量輸入，因此特別適合于微機控制。隨著計算機控制技術(shù)的飛速發(fā)展，基于微機控制的步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛。在這種控制系統(tǒng)中，脈沖發(fā)生和脈沖分配功能可由微機軟件來實現(xiàn)，電動機的轉(zhuǎn)速也由微機來控制。采用計算機控制，不僅可以用很低的成本實現(xiàn)復(fù)雜的控制過程。而且具有

25、很高的靈活性便于控制功能的升級和擴充。 (3)步進電動機的驅(qū)動控制系統(tǒng)還可以采用專用集成電路來構(gòu)成。這種控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、性價比高的優(yōu)點，在系列化產(chǎn)品中應(yīng)該優(yōu)先采用。 二、功率驅(qū)動電路 步進電動機功率放大電路的種類很多按照電流流過定子控制繞組的方向是單向的還是雙向的，可以分為單極性驅(qū)動電路和雙極性驅(qū)動電路。單極性驅(qū)動電路適用于反應(yīng)式步進電動機，雙極性驅(qū)動電路適用于永磁式和混合式步進電動機。這里僅介紹單極性驅(qū)動電路。 1單電壓驅(qū)動電路 單電壓驅(qū)動電路的原理如圖7 15所示。來自脈沖分配器的信號電壓經(jīng)過電流放大后加到功率開關(guān)管vt的基極，控制vt的導(dǎo)通和關(guān)斷，即控制步進電動機定子相繞組的通電和

26、斷電。二極管vd則在vt關(guān)斷期間起續(xù)流作用。 由于繞組電感的影響，相繞組的通電和斷電不能瞬時完成。由于電流上升緩慢會導(dǎo)致電機動態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩下降，因此應(yīng)設(shè)法減小電流變化的時間常數(shù)。使電流前沿變陡(見圖7-13)。通常在相繞組回路中串人電阻rs，使繞組回路的時間常數(shù)減小。為了達到同樣的穩(wěn)態(tài)電流值，直流電源的電壓就要相應(yīng)地提高。 單電壓驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)簡單，開關(guān)器件少、成本低，但串聯(lián)電阻rs會產(chǎn)生一定的損耗，效率較低只適用于驅(qū)動小功率步進電機或用于性能指標要求不高的場合。 2雙電壓驅(qū)動電路 用提高直流電源電壓的方法可以使定子相繞組中的電流迅速上升。這樣就產(chǎn)生了雙電壓驅(qū)動。雙電壓驅(qū)動有兩種方式，即雙電壓法和

27、高低電壓法。 (1)雙電壓法。雙電壓法的基本思路是在低頻段使用較低的直流電壓，而在高頻段使用較高的直流電壓，其驅(qū)動電路的原理如圖7 16(a)所示。當(dāng)電動機工作在低頻段時，給開關(guān)管vti基極加低電平使vti關(guān)斷。這時相繞組由低壓電源ul供電控制脈沖通過vt2使繞組得到低壓脈沖；當(dāng)電動機工作在高頻段時，給開關(guān)管vtl基極加高電平，使vtl導(dǎo)通。這時，二極管vd2反向截止切斷低壓電源ul，而相繞組由高壓電源uh供電，控制脈沖通過開關(guān)管vt2使繞組得到高壓脈沖。 這種驅(qū)動電路在低頻段與單電壓驅(qū)動相同在高頻段通過轉(zhuǎn)換電源電壓提高電流響應(yīng)速度，但仍需要在繞組回路中串聯(lián)電阻rs并沒有擺脫單電壓驅(qū)動的弱點。

28、另外，將頻率劃分為高、低兩段，使特性不連續(xù)，有突變。 (2)高低電壓法。高低電壓法的基本思路是不論電動機工作的頻率如何在相繞組開始通電的時候用較高的直流電壓，使繞組電流迅速上升然后用較低的直流電壓來維持繞組中的電流-其驅(qū)動電路的原理如圖7- 16(b)所示。 當(dāng)要求某相繞組通電時，開關(guān)管vtl和開關(guān)管vt2的基極都有信號電壓輸入，高壓控制脈沖ul和低壓控制脈沖ul。同頻率并同時起步但脈沖寬度要窄很多，圖7 17所示為高低電壓驅(qū)動的電壓、電流波形。兩個控制脈沖使開關(guān)管vtl和vt2同時導(dǎo)通，于是高電壓uh為相繞組供電。這時，二極管vd2承受反向電壓而處于截止?fàn)顟B(tài)，使得低電壓ul不起作用。在高電壓

29、uh作用下繞組電流快速上升。當(dāng)高壓控制脈沖“。降為低電平時。vtl關(guān)斷，高電壓uh被切斷而低電壓則通過二極管vd2為繞組繼續(xù)供電。由于繞組電阻小，回路中又沒有串聯(lián)電阻，因此低電壓只需要數(shù)伏即可為相繞組提供較大的電流。 當(dāng)要求繞組斷電時，vt2基極上的信號電壓消失。于是vt2截止，繞組中的電流經(jīng)二極管vdl、高壓電源uh、電源地、低壓電源ul和二極管vd2放電，電流迅速下降，如圖7- 17所示。 這種高低壓切換型驅(qū)動電路能夠保證相繞組在很寬的頻段內(nèi)具有較大的平均電流，在關(guān)斷時電流又能迅速下降，因此改善了電機的動態(tài)轉(zhuǎn)矩和動態(tài)性能。另外由于相繞組回路不需要串聯(lián)電阻，因此功率損耗比較小。但是，這種驅(qū)動

30、電路在低頻時繞組通電時間長，電流有較大的過沖，所以低頻時電機的振動和噪聲較大，存在低頻共振現(xiàn)象。 3斬波恒流驅(qū)動電路 斬波恒流驅(qū)動的基本思路是，無論電機是在鎖定狀態(tài)還是在低頻段或高頻段運行，均使導(dǎo)通相繞組的電流保持額定值，其電路的原理如圖7 18所示。相繞組的通斷由開關(guān)管vtl和vt2共同控制vt2的發(fā)射極接一個采樣電阻r，該電阻上的壓降與相繞組電流i成正比。 當(dāng)控制脈沖“ui為高電平時，開關(guān)管vtl和vt2均導(dǎo)通直流電源向繞組供電。由于繞組電感的影晌，采樣電阻r上的電壓逐漸升高，當(dāng)超過給定電壓ua時，比較器輸出低電平，使其后面的與門也輸出低電平vtl被截止直流電源被切斷，繞組電流i經(jīng)vt2、

31、_r、vd2續(xù)流而衰減，采樣電阻r上的電壓隨之下降。當(dāng)采樣電阻r上的電壓小于給定電壓“ua時，比較器輸出高電平，其后的與門也輸出高電平，vtl重新導(dǎo)通，直流電源又開始向繞組供電。如此反復(fù)相繞組的電流就穩(wěn)定在由給定電壓“ua所決定的數(shù)值上。 當(dāng)控制脈沖“ui，變?yōu)榈碗娖綍r，開關(guān)管vtl和vt2均截止。繞組中的電流經(jīng)二極管vi)1、直流電源u、電源地和二極管vd2放電迅速下降，圖7 -19所示為斬波恒流驅(qū)動的電壓、電流波形(其中ub1是開關(guān)管vtl的基極電位)。 可見，在控制脈沖“為高電平期間，直流電源以脈沖方式供電，保證了相繞組電流的基本恒定使電機的輸出轉(zhuǎn)矩較為均衡，電機運行平穩(wěn)。這種驅(qū)動電路的

32、另一個優(yōu)點是，能夠有效地抑制振蕩，因為步進電機振蕩的根本原因是能量過剩，而斬波恒流驅(qū)動的輸入能量是隨著繞組電流的變化自動調(diào)節(jié)的，可以有效地防止能量積聚。但是，由于電流波形為鋸齒波，這種驅(qū)動方式會產(chǎn)生較大的電磁噪聲。 4調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動電路 從根本上說，步進電動機的運行性能是由定子相繞組中的電流決定的。一般希望低速運行時繞組電流上升緩慢一些，使轉(zhuǎn)子向新的穩(wěn)定平衡位置移動時不要有嚴重的過沖，以避免產(chǎn)生劇烈的振蕩；而在高速運行時電流波形的前沿較陡，能夠迅速建立繞組電流，提高負載能力。然而。前面三種驅(qū)動電路都不能很好滿足這一要求，為此可采用調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動方式。 調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動電路的原理如圖7-20所示。積分器

33、對脈沖信號進行積分其輸出電壓與鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生的鋸齒波在比較器中進行比較，產(chǎn)生脈寬隨頻率變化的控制信號，并用以控制電壓調(diào)整器。電壓調(diào)整器采用脈寬調(diào)制(pwm)實現(xiàn)調(diào)壓，其輸出電壓u2與控制信號的脈寬成正比即隨脈沖頻率的上升而上升。這樣，就達到了按照輸入脈沖信號頻率的變化自動調(diào)整相繞組電壓，進而自動調(diào)整相繞組電流的目的。調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動的電流波形如圖7 21所示。 這種調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動方式類似于雙電壓驅(qū)動電路其優(yōu)點是相繞組電壓可以自動調(diào)節(jié)，控制效果較好。但是這種驅(qū)動電路需要的器件較多。線路較復(fù)雜而且在實際運行時針對不同參數(shù)的電機，還要相應(yīng)調(diào)整電壓u2隨脈沖頻率變化的特性，因此也存在一定的局限性。 5細分

34、驅(qū)動電路 細分驅(qū)動控制又稱為微步距控制，是步進電動機開環(huán)控制的新技術(shù)之一，可以達到極高的控制精度。所謂細分驅(qū)動控制，就是指把步進電動機的步距角進一步減小把原來的一步再細分成若干微步(如100步)。這樣步進電動機的轉(zhuǎn)動就近似為勻速運動，并能在任何位置準確停步。 為了達到上述目的，可以設(shè)法將定子相繞組中原來的矩形波電流改為階梯波電流，如圖7 22所示。這樣，在相繞組電流的每個階梯電機轉(zhuǎn)動一步，步距角大為減小。電機運行更加平穩(wěn)，同時負載能力也得到顯著提高。 實現(xiàn)階梯波電流的方法有兩種。具體介紹如下： (1)第一種是通過順序脈沖發(fā)生器形成若干等幅又等寬的脈沖用相應(yīng)數(shù)量的完全相同的脈沖放大器分別進行功率

35、放大最后在電機的相繞組中將這些脈沖電流進行疊加，合成階梯波電流，如圖723(a)所示。這種方法使用的功放元件很多，但元件的容量較小且結(jié)構(gòu)簡單，容易調(diào)整適用于中、大功率步進電動機的驅(qū)動。 (2)第二種是對順序脈沖發(fā)生器所形成的等幅又等寬的脈沖，先用加法器合成階梯波，再對階梯波信號進行功率放大，如圖723(b)所示。這種方法所用功放元件少，但元件的容量較大，適用于微、小型步進電動機的驅(qū)動。 細分驅(qū)動控制可以使步進電動機的步距角成數(shù)量級地減小，大大提高執(zhí)行機構(gòu)的控制精度，同時也可以減小或消除振蕩降低噪聲，并抑制轉(zhuǎn)矩脈動，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，因而值得推廣應(yīng)用。 一、步進電動機的主要技術(shù)數(shù)據(jù) (1)步

36、距角。指每給一個脈沖信號電機轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角度通常用電角度來表示，常用的步距角有036、06、0 72、075、o9、12、15、18、225、36、45等。與之配套的驅(qū)動控制器均具有整步、半步驅(qū)動功能(半步驅(qū)動的步距角是整步驅(qū)動的12)。當(dāng)用戶有特殊要求時，還可對上述步距角進行細分處理，即可進行5細分(15步距角)、10細分(110步距角)或更高精度的細分。 (2)精度。通常指的是最大步距誤差。從使用者的角度看，多數(shù)情況使用累積誤差比較方便。步進電動機每轉(zhuǎn)一圈的累積誤差是零。所以步進電動機產(chǎn)品樣本上一般不給出精度指標。 (3)定位轉(zhuǎn)矩。指繞組不通電時電磁轉(zhuǎn)矩的最大值，或轉(zhuǎn)角不超過一定值時的轉(zhuǎn)矩

37、。通常反應(yīng)式步進電動機的定位轉(zhuǎn)矩為零，除非具有特殊的產(chǎn)生定位轉(zhuǎn)矩的裝置。永磁式和混合式步進電動機具有一定的定位轉(zhuǎn)矩。 (4)靜轉(zhuǎn)矩。指不改變控制繞組通電狀態(tài)即轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)情況下的電磁轉(zhuǎn)矩。它是相繞組電流及失調(diào)角的函數(shù)。對應(yīng)于某一失調(diào)角時，靜轉(zhuǎn)矩的最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩它取決于通電狀態(tài)及繞組內(nèi)電流的值。 (5)動轉(zhuǎn)矩。指轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動情況下的最大輸出轉(zhuǎn)矩。它與運行頻率有關(guān)。當(dāng)然對于在一定頻率情況下，最大靜轉(zhuǎn)矩越大其動轉(zhuǎn)矩也就越大。 (6)起動頻率。指電動機空載起動和停止均元失步的最高頻率又稱為最高起動頻率或空載起動頻率。負載時，對于一定的電動機及一定的驅(qū)動器，起動頻率值與負載轉(zhuǎn)矩的大小和負載轉(zhuǎn)動慣量有關(guān)，即

38、負載越大，起動頻率越低。 (7）運行頻率。指頻率連續(xù)上升時，電動機能不失步運行的最高頻率，又稱為連續(xù)頻率。 另外，一般產(chǎn)品樣本中還會給出相電流指標，該指標只在配套整機系統(tǒng)中有電流限止時需要參考。至于產(chǎn)品樣本中給出的相數(shù)指標，大多數(shù)用戶可以不必考慮，只有自配驅(qū)動控制器的用戶需要參考。 二、步進電動機的選用原則 步進電動機系統(tǒng)是典型的機電一體化裝置選用時需要考慮機械、電氣和驅(qū)動控制等諸多因素。對于終端用戶-最好是選擇一個生產(chǎn)商的配套產(chǎn)品這樣能夠保證配置合理品質(zhì)優(yōu)良。 1步進電動機的選用 步進電動機的選擇首先要考慮的是外形尺寸(機座號)、轉(zhuǎn)矩和步距角。最大靜轉(zhuǎn)矩是主要參考指標同時還要考慮實際工作點的動轉(zhuǎn)矩(需查看矩頻特性曲線)。一般動轉(zhuǎn)矩小于最大靜轉(zhuǎn)矩。步進電動機的性能很大程度上取決于矩頻特性。一個矩頻特性好的步進電動機可在高的步進頻率下帶動負載從而以最少的時問對負載定位。另外，轉(zhuǎn)動慣量大的負載應(yīng)選擇大機座號電機。 步進電動機在較高速或大慣量負載時一般不在工作頻率起動而是采用逐漸升頻提速，這樣可確保電機不