7 步进电动机传动控制系统 7.1 步进电动机 7.1.1 定义 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。

2.位移量与输入脉冲数严格成比例（无误差积累）。 1.步距角 （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）。 与 有关 3.各种运行特性由下列条件决定： l 输入脉冲数；        l 脉冲频率； l 电动机各相绕组的接通次序。 4.广泛用于数字控制系统，如数控机床。

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。 7.1.2 结构与工作原理 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。 l  反应式步进电动机（转子本身无励磁绕组） l  永磁式步进电动机（用永久磁铁做转子）

如：三相反应式步进电机。 7.1 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。 7. 2

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，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＝ ）。

注：步距角 太大。 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。 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）。 l按A—B—C—A方式通电，称为三相单三拍运行（ ）。 l按A—AB—B—BC—C—CA—A方式通电，称为三相六拍运行（ ）。 注：步距角 太大。

7. 3

7.1.3 小步距角步进电动机（实际的步进电动机） 1. 特征： l 定子内圆和转子外圆均有齿和槽。 l 定子和转子的齿宽和齿距相等。 7. 4 1. 特征： l 定子内圆和转子外圆均有齿和槽。 l 定子和转子的齿宽和齿距相等。 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 （ —齿距，m—相数）。

3. 公式： l  齿距 （Z—转子齿数） l  步距角 （K—状态系数，三拍时，K=1；六拍时，K＝2） 例如：Z＝40，三相单三拍运行，则 由此可见，转子齿数Z↑（或定子相数m↑，或运行拍数Km↑），则 ，控制越精确。 l  转速 注：

  作业： P:360 13.1~2，13.7~9

7.2 环形分配器 7.2.1 驱动系统 7. 5

控制脉冲按规定的通电方式分配到每相绕组。 实现脉冲分配的硬件逻辑电路，称为环形分配。 可采用软件实现脉冲分配，这种方式称为软件环分（如：计算机数字控制系统）。 分配器输出的脉冲需进行功率放大，才能驱动步进电动机。

7.2.2 环形分配器 7. 6 1. 硬件环形分配器 如：三相六拍环形分配器。

主体是三个J-K触发器，输出端Q接功放线路与三相绕组相连。QA＝1时，A相通电…… 和 是正、反转控制信号。正转时， ＝1， ＝0…… 正转时通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A；反转时通电顺序为A-AC-C-CB-B-BA-A。 逻辑状态真值表如表13.1所示（以正向分配为例）。

表 7.1 环形分配器逻辑真值表 注： 序号 控制信号状态 输出状态 导电绕组 CAJ CBJ CCJ QA QB QC 1 2 3 4 5 表 7.1 环形分配器逻辑真值表 序号 控制信号状态 输出状态 导电绕组 CAJ CBJ CCJ QA QB QC 1 2 3 4 5 6 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 A AB B BC C CA 注：

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. 软件环分 以Z-80A CPU和PIO配置为例。 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。 PIO A口 A2 A1 A0 C相 B相 A相 图13.7 I/O接口图

2) 建立环形分配表 PIO是可编程控制器件。 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。 正转（反转）时，（反向）依次输出表中各单元内容，输出状态是表底（表首）状态时，修改索引值使下一次输出重新为表首（表底）状态。

表7.2 环形分配表 存储单元地址 单元内容 对应通电相 K+0 01H(0001) A K+1 03H(0011) AB K+2 表7.2 环形分配表 存储单元地址 单元内容 对应通电相 K+0 01H(0001) A K+1 03H(0011) AB K+2 02H(0010) B K+3 06H(0110) BC K+4 04H(0100) C K+5 05H(0101) CA

3) 环形分配子程序 与主程序配合，环形分配器以子程序的形式出现。 正转时调用正转子程序。 注：HL—地址指针；B—存索引值。 作业： P:361 13.3

驱动电路——一种脉冲放大电路，使脉冲具有一定的功率驱动能力。 7.3 驱动电路 驱动电路——一种脉冲放大电路，使脉冲具有一定的功率驱动能力。 要求： ① 提高步进电动机的快速性； ② 提高步进电动机的平稳性。 7. 8 7.3.1 单电压限流型驱动电路

VT（晶体管）——无触点开关，使流过L的波形接近矩形波。 L（电动机绕组）—— L 中电流不能突变，经3 （时间常数 ）时间后达到稳态电流（L—绕组电感，r—绕组电阻）。 ，严重影响启动频率。 R（串联电阻）—— ，缩短 上升的过渡时间，提高工作速度。 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， 。 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。 RD（串联电阻）—— ，使 波形后沿变陡。 缺点：R上有功率损耗（快速性↑，R↑，功耗↑，限制使用这 种电路）。

7.3.2 高低压切换型驱动电路 7. 9

时间，VT1和VT2饱和导通，＋80V经过VT1和VT2加到L上， 。 采用高压和低压两种电压供电。 时间，VT1和VT2饱和导通，＋80V经过VT1和VT2加到L上， 。 到 时（定时方式）或 上升到某一数值（定流方式）， 为低电平，VT2截止，L的电流由＋12V电源经VT1维持， 到 I额。 到 时， 为低电平，VT1截止， ，I＝0。 由脉冲分配器经几级电流放大获得， 由单稳定时或定流装置再经脉冲变压器获得。 优点：功耗小，启动力矩大，突跳频率和工作频率高。 缺点：大功率管数量多用一倍，增加了驱动电源。

作业： P:361 13.5

7.4 运行特性及注意事项 7.4.1 运行特性及影响因素 基本特点 7.4 运行特性及注意事项 7.4.1 运行特性及影响因素 基本特点 工作时的步数或转速（角度控制或速度控制）只与控制脉冲同步，而与电压、负载、温度、冲击（环境条件）等因素无关。 按控制要求进行启动、停止、反转或改变速度。 应用广泛（在数字控制系统中）。

2. 矩角特性 ——反映步进电动机电磁转距T随偏转角 变化的关系。 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。 转子偏转角 （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）。 电角度 ——空间角度的Z倍，即 。 矩角特性曲线 。

“稳定运行” 近似一条正弦曲线。 时，T达到最大静转矩 （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） ）。 “稳定运行” 7. 10

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/ ）。 7. 11 (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/ ）。 故 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 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（ ）时会启动不起来。 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：采用阻尼方法，消除或减弱步进电机的振荡。

7.4.2 主要性能指标和注意事项 主要性能指标 1) 步距角 ——步进电动机的主要性能指标之一，它直接影响启动和运行频率。 1) 步距角 ——步进电动机的主要性能指标之一，它直接影响启动和运行频率。 式中： ——传动比； ——负载轴要求的最小位移增量（或称脉冲当量）。 2) 最大静转矩 式中： ——步进电动机启动转矩； ——最大静负载转矩。 通常取 。

注： 与负载有关；在同样负载下， 。 3) 空载启动频率 ——步进电动机在空载情况下，不失步启动所允许的最高频率。 3) 空载启动频率 ——步进电动机在空载情况下，不失步启动所允许的最高频率。 在负载情况下，不失步启动所允许的最高频率随负载的增加而显著下降。 4) 连续运行频率 ——当步进电动机运行频率连续上升时，电动机不失步运行的最高频率。 矩频特性是指在连续运行状态下，步进电动机的电磁力矩随频率的升高而急剧下降的特性。 注： 与负载有关；在同样负载下， 。 7. 12

5) 精度——用一周内最大的步距角误差值表示。 步距精度 式中： ——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 驱动电源的优劣对控制系统的运行影响极大。 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。 在工作过程中，尽量避免由负载突变而引起的误差。 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： P:361 13.6，13.10～11