第三章 步进电动机传动控制

　　永磁式：转子或定子的某一方具有永久磁钢，另一方是 由软磁材料制成。绕组轮流通电，建立的磁场 与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生转矩。 特点：控制精度不高，控制功率小，效率高；内阻尼 较大，震荡时间短；断电后有一定的自锁功能 混合式(即永磁感应子式) 它与反应式的主要区别是转子上置有磁钢。永磁感应 式电机具有驱动电流小、效率高、过载能力强等优点， 是一种很有发展前途的步进电动机 特点：驱动电流小，效率高，过载能力强、控制精度 高，代表着步进电机的发展趋势

　　三相绕组的通电顺序为： AABBBCCCAA 共六拍,称为三相六拍通电。

　　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。

　　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。

　　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 °)。

　　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。

　　在机械、电子、纺织、轻工、化工、石油、 邮电、冶金、文教和卫生等行业，特别是在数控机 床上都获得越来越广泛的应用。

　　本章从应用的角度介绍步进电动机的基本结 构、工作原理、主要技术指标、运行特性和影响 因素，环形分配器方式和功率驱动电路等。

　　定子有6个磁极，每两个 3.1.1 步进电动机的结构与工作原理 相对的磁极上绕有一相 控制绕组。

　　这样，A通电后，A 磁极上的齿与转子上 的齿对齐。但是， B磁 极上的齿与转子上的 齿错开1/3齿距，即相 差3 A断电B通电后，转 子只需顺时针转动3， B磁极上的齿就可与转 子上的齿对齐。

　　转子的齿距等于360/ 40=9  ，齿宽、齿槽各4.5 。 为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿 宽和齿槽和转子相同。

　　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。 AABBBCCCAA 顺时针方向旋转 AACCCBBBAA 逆时针方向旋转

　　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 °

　　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。

　　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°。

　　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凯时k8，在 多数情况下，可以代替交直流伺服电动机。

　　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

　　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。

　　实际采用的步进电机的步距角多为3度和1.5度，步 距角越小，机加工的精度越高。

　　为产生小步距角， 定、转子都做成多齿的 ，图中转子40个齿，定 子仍是 6个磁极，但每 个磁极上也有五个齿

　　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

　　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

　　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

　　快速步进电动机 该类电动机输出转矩一般为0.07 N.m～4 N.m。可控 制小型精密机床的工作台(例如，线切割机床)。 功率步进电动机 其输出转矩一般为5 N.m～40 N.m。可直接驱动机床 移动部件。

　　按励磁相数可分为三相、四相、五相太阳轮、六相等。相数越多， 步距角越小，但结构越复杂。 按定子排列还可分为多段式(轴向式)和单段式(径向式)。轴 向式的转动惯量小，快速性和稳定性好，功率步进电动机多 为轴向式。

　　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。

　　由定子和转子两大部分组成。 定子由硅钢片叠成，装上一定相 数的控制绕组； 转子用硅钢片叠成或用软磁性材 料做成凸极结构；转子本身没有励磁 绕组的叫做“反应式步进电动机”； 用永久磁铁做转子的叫做“永磁式步 进电动机”。

　　32步进电动机的环形分配器321步进电动机的驱动方式环形分配器环形分配器把输入的脉冲转换成环型脉冲以控制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步进电动机并能进行正反转控制功率放大器功率放大器把步进电动机输出的环型脉冲放大以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驱动步进电动机转动典型的步进电机控制系统的组成322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环形分配器有硬件和软件两种硬件环分

　　（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齿有拉力轴环。 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°。

　　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

　　3600 结论：z越多，相数越大，则电机运行拍数越多，步 三相六拍 b   1.50 距角越小，控制精度越高 2  3  40

　　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。 脉冲数增加步进电气传动，直线或角位移随之增加；脉冲频率高八角锤，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

　　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

　　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。