1、步進電動機的控制步進電動機的控制第3章1內容提要內容提要第第1 1節節 步進電動機的任務原理及驅動方法步進電動機的任務原理及驅動方法 第第2 2節節 步進電動機的開、閉環控制步進電動機的開、閉環控制 第第3 3節節 步進電動機的最正確點步進電動機的最正確點- -位控制位控制 第第4 4節節 步進電動機控制的程序設計步進電動機控制的程序設計2引引 言言 步進電動機主要用于開環控制系統，也可以用于閉環控制系統。步進電動機主要用于開環控制系統，也可以用于閉環控制系統。 由于它可以直接接納計算機輸出的數字信號，而不需求進展數由于它可以直接接納計算機輸出的數字信號，而不需求進展數/ /模轉換，模轉換，所

2、以廣泛運用于數字控制系統。所以廣泛運用于數字控制系統。 步進電機角位移與控制脈沖間準確同步，假設將角位移的改動轉變為線步進電機角位移與控制脈沖間準確同步，假設將角位移的改動轉變為線性位移、位置、體積、流量等物理量的變化，便可實現對它們的控制。性位移、位置、體積、流量等物理量的變化，便可實現對它們的控制。例如，在機械構造中，可以用絲杠把角度變成直線位移，也可以用它例如，在機械構造中，可以用絲杠把角度變成直線位移，也可以用它帶動螺旋定位器，調理電壓和電流，實現對執行機構的控制。帶動螺旋定位器，調理電壓和電流，實現對執行機構的控制。 步進電動機具有快速啟停、準確步進的特點，使其在定位場所中得到了步進

3、電動機具有快速啟停、準確步進的特點，使其在定位場所中得到了廣泛的運用。廣泛的運用。( (如繪圖機、打印機及光學儀器中，采用步進電動機來定如繪圖機、打印機及光學儀器中，采用步進電動機來定位繪圖筆、印字頭或光學鏡頭。在工業過程控制的位置控制系統中運用位繪圖筆、印字頭或光學鏡頭。在工業過程控制的位置控制系統中運用也越來越廣泛。也越來越廣泛。) )3第第1 1節節 步進電動機的任務原理及驅動方法步進電動機的任務原理及驅動方法 步進電動機是一種將電脈沖信號變換成相應的角位移或直步進電動機是一種將電脈沖信號變換成相應的角位移或直線位移的機電執行元件。相當于一個數字線位移的機電執行元件。相當于一個數字/ /

4、角度轉換器，也角度轉換器，也是一個串行的數是一個串行的數/ /模轉換器。輸入一個電脈沖，電動機就轉模轉換器。輸入一個電脈沖，電動機就轉動一個固定的角度，稱為動一個固定的角度，稱為“一步，這個固定的角度稱為一步，這個固定的角度稱為步距角。步距角。 控制信號是脈沖電壓、電流，所以有時也稱為脈沖電動機控制信號是脈沖電壓、電流，所以有時也稱為脈沖電動機或電脈沖馬達。或電脈沖馬達。 4 1. 1. 電機輸出軸的角位移與輸入脈沖數成正比；電機輸出軸的角位移與輸入脈沖數成正比；轉速與脈沖頻率成正比；轉向與通電相序有關。沒轉速與脈沖頻率成正比；轉向與通電相序有關。沒有累積誤差，具有良好的跟隨性。有累積誤差，具

5、有良好的跟隨性。 2. 2. 由步進電機與驅動電路組成的開環數控系由步進電機與驅動電路組成的開環數控系統，既簡單、廉價，又非常可靠。同時，它也可以統，既簡單、廉價，又非常可靠。同時，它也可以與角度反響環節組成高性能的閉環數控系統。與角度反響環節組成高性能的閉環數控系統。 3. 3. 步進電機的動態呼應快，易于起停、正反步進電機的動態呼應快，易于起停、正反轉、變速。轉、變速。 4. 4. 步進電機存在振蕩和失步景象，必需對控步進電機存在振蕩和失步景象，必需對控制系統和機械負載采取相應的措施。制系統和機械負載采取相應的措施。 5. 5. 步進電機本身的噪聲和振動較大，帶慣性步進電機本身的噪聲和振動

6、較大，帶慣性負載的才干較差。負載的才干較差。步進電動機有如下特點：步進電動機有如下特點：51.1.按運動方式來分：分為旋轉運動、直線運動、平面運動印刷繞組式和按運動方式來分：分為旋轉運動、直線運動、平面運動印刷繞組式和滾切運動式步進電機。滾切運動式步進電機。2.2.按任務原理來分：分為反響式按任務原理來分：分為反響式( (磁阻式磁阻式) )、電磁式、永磁式、永磁感應式、電磁式、永磁式、永磁感應式混合式步進電機。混合式步進電機。3.3.按其任務方式來分：分為功率式和伺服式。前者輸出轉矩較大，能直接帶按其任務方式來分：分為功率式和伺服式。前者輸出轉矩較大，能直接帶動較大的負載；后者輸出轉矩較小，只

7、能帶動較小的負載，對于大負載需經動較大的負載；后者輸出轉矩較小，只能帶動較小的負載，對于大負載需經過液壓放大元件來傳動。過液壓放大元件來傳動。4.4.按構造來分：分為單段式徑向式、多段式軸向式、印刷繞組式。按構造來分：分為單段式徑向式、多段式軸向式、印刷繞組式。5.5.按相數來分：分為三相、四相、五相、六相等。按相數來分：分為三相、四相、五相、六相等。6.6.按運用頻率來分：分為高頻步進電機和低頻步進電機。按運用頻率來分：分為高頻步進電機和低頻步進電機。 不同類型步進電機其任務原理、驅動安裝也不完全一樣，但其任務過程不同類型步進電機其任務原理、驅動安裝也不完全一樣，但其任務過程根本是一樣的。根

8、本是一樣的。 一、步進電動機的種類一、步進電動機的種類6 步進電動機的任務原理是基于電磁感步進電動機的任務原理是基于電磁感應原理。應原理。 步進電動機和普通旋轉電動機一樣，步進電動機和普通旋轉電動機一樣，分為定子和轉子兩大部分。分為定子和轉子兩大部分。 定子由硅鋼片疊成，配以一定相定子由硅鋼片疊成，配以一定相數的控制繞組，輸入電脈沖對多相定子數的控制繞組，輸入電脈沖對多相定子繞組輪番進展勵磁；繞組輪番進展勵磁； 轉子用硅鋼片疊成或用軟磁性資轉子用硅鋼片疊成或用軟磁性資料做成凸極構造，轉子本身沒有勵磁繞料做成凸極構造，轉子本身沒有勵磁繞組的稱為組的稱為“反響式步進電動機；用永反響式步進電動機；用

9、永久磁鐵做轉子的稱為久磁鐵做轉子的稱為“永磁式步進電永磁式步進電動機；兼有永磁式和反響式兩種步進電動機；兼有永磁式和反響式兩種步進電機的特點，稱為混合式步進電機。目前機的特點，稱為混合式步進電機。目前以反響式步進電動機用得較多。以反響式步進電動機用得較多。二、步進電動機的任務原理二、步進電動機的任務原理7一反響式步進電機的構造一反響式步進電機的構造1.1.單段徑向式三相反響式步進電機的構造原理圖單段徑向式三相反響式步進電機的構造原理圖 主要由定子和轉子兩部分組主要由定子和轉子兩部分組成。成。定子鐵芯由硅鋼片疊壓而成，定子上有六定子鐵芯由硅鋼片疊壓而成，定子上有六個均勻分布的極，每兩個為一對。定

10、子繞個均勻分布的極，每兩個為一對。定子繞組是繞置在定子上的六個均勻分布鐵芯齒組是繞置在定子上的六個均勻分布鐵芯齒上的線圈，它把沿直徑方向上相對的兩個上的線圈，它把沿直徑方向上相對的兩個齒上的線圈串聯在一同，構成一相控制繞齒上的線圈串聯在一同，構成一相控制繞組。圖中所示的步進電機為組。圖中所示的步進電機為A A、B B、C C三相三相控制繞組，故稱為三相步進電機。當任一控制繞組，故稱為三相步進電機。當任一相繞組通電時，便構成一對定子磁極，即相繞組通電時，便構成一對定子磁極，即構成構成N N、S S極。極。 在定子的每個磁極上，即定子鐵在定子的每個磁極上，即定子鐵芯的每個齒上又開了五個小齒，齒槽等

11、寬，芯的每個齒上又開了五個小齒，齒槽等寬，齒間夾角為齒間夾角為9 9，在空間位置上依次錯開，在空間位置上依次錯開1/31/3齒距其展開圖如下圖。齒距其展開圖如下圖。8圖圖3-1 3-1 單段式反響式步進電動機單段式反響式步進電動機構造原理圖構造原理圖9轉子是一個帶齒的鐵芯，轉子上沒有繞組，轉子上均勻分布了轉子是一個帶齒的鐵芯，轉子上沒有繞組，轉子上均勻分布了4040個小齒，齒槽等寬，齒間夾角也是個小齒，齒槽等寬，齒間夾角也是9 9，與定子磁極上的小齒一致。，與定子磁極上的小齒一致。當定子當定子A A相磁極上的小齒與轉子上的小齒對齊時，定子相磁極上的小齒與轉子上的小齒對齊時，定子B B相磁極上相

12、磁極上的小齒剛好超前的小齒剛好超前( (或滯后或滯后) )轉子小齒轉子小齒1/31/3齒距角，定子齒距角，定子C C相磁極上的相磁極上的小齒超前小齒超前( (或滯后或滯后) )轉子小齒轉子小齒2/32/3齒距角。齒距角。10步進電機步進電機A A相通電形狀相通電形狀112.2.單段三相反響式步進電機的任務原理近似于電磁鐵的任務單段三相反響式步進電機的任務原理近似于電磁鐵的任務原理原理三相單三拍任務方式：如圖轉子上有四個均勻分布的齒三相單三拍任務方式：如圖轉子上有四個均勻分布的齒1 1、2 2、3 3、4 4。當。當A A相通電，相通電，B B、C C都不通電，因磁通總是要沿著磁阻最少的途徑閉合

13、，將使轉子齒都不通電，因磁通總是要沿著磁阻最少的途徑閉合，將使轉子齒1 1、3 3吸引吸引到定子磁極到定子磁極A A、AA下，并對齊，圖下，并對齊，圖(a),(a),因轉子只遭到徑向力而無切向力，故轉因轉子只遭到徑向力而無切向力，故轉矩為零，轉子被自鎖在這個位置；當矩為零，轉子被自鎖在這個位置；當B B相繞組通電，相繞組通電，A A、C C相不通電，將使轉子齒相不通電，將使轉子齒2 2、4 4和定子磁極和定子磁極B B、BB對齊，在電磁力矩的作用下使轉子沿逆時針方向轉過對齊，在電磁力矩的作用下使轉子沿逆時針方向轉過3030，圖圖(b)(b)；C C相通電，相通電，A A、B B相斷電，又使轉子

14、齒相斷電，又使轉子齒1 1、3 3和定子磁極和定子磁極C C、CC對齊，在電磁對齊，在電磁力矩的作用下使轉子再沿著逆時針方向轉過力矩的作用下使轉子再沿著逆時針方向轉過3030，圖，圖(C)(C)。假設使定子繞組按。假設使定子繞組按A-A-B-C-AB-C-A的順序通電，那么步進電機轉子便不停地沿逆時針方向轉動。假設定的順序通電，那么步進電機轉子便不停地沿逆時針方向轉動。假設定子繞組的通電順序為子繞組的通電順序為A-C-B-AA-C-B-A那么步進電機轉子沿順時針方向轉動。那么步進電機轉子沿順時針方向轉動。要點：磁力線力圖走磁阻最小的途徑，從而產生反響力矩；要點：磁力線力圖走磁阻最小的途徑，從而

15、產生反響力矩； 各相定子齒之間彼此錯開各相定子齒之間彼此錯開1/m1/m齒距，齒距，m m為相數，這里為相數，這里m=3m=3。磁力線：外邊是從磁力線：外邊是從N N極指向極指向S S極。極。12 三相單三拍任務方式從一相繞組的通電或斷電切換到另一相繞組的三相單三拍任務方式從一相繞組的通電或斷電切換到另一相繞組的斷電或通電時，由于電機繞組是電感性元件，磁場的消逝或建立均需一斷電或通電時，由于電機繞組是電感性元件，磁場的消逝或建立均需一定時間，因此，切換期間容易使電機產生失步。定時間，因此，切換期間容易使電機產生失步。 此外，由單一繞組通電吸引轉子，也容易使轉子在平衡位置附近產此外，由單一繞組通

16、電吸引轉子，也容易使轉子在平衡位置附近產生振蕩，運轉的穩定性較差，所以很少采用。生振蕩，運轉的穩定性較差，所以很少采用。三相雙三拍任務方式：為了抑制以上缺乏，通常將其改為三相雙三拍通電三相雙三拍任務方式：為了抑制以上缺乏，通常將其改為三相雙三拍通電方式，即按方式，即按AB-BC-CA-ABAB-BC-CA-AB方式通電，可使電機正轉；反之按方式通電，可使電機正轉；反之按AB-AC-BC-AB-AC-BC-ABAB方式通電，可使電機反轉。這種任務方式每個通電形狀均為兩相繞方式通電，可使電機反轉。這種任務方式每個通電形狀均為兩相繞組同時通電，且相鄰的兩個任務節拍中總有一相堅持通電的形狀不變，因組同

17、時通電，且相鄰的兩個任務節拍中總有一相堅持通電的形狀不變，因此，可防止三相單三拍任務方式的失步和低頻振蕩等景象。三相雙三拍任此，可防止三相單三拍任務方式的失步和低頻振蕩等景象。三相雙三拍任務方式下，每改動一次通電形狀可使步進電機旋轉務方式下，每改動一次通電形狀可使步進電機旋轉3030。三相六拍任務方式：為減小每改動一次通電形狀使步進電機所轉過的角三相六拍任務方式：為減小每改動一次通電形狀使步進電機所轉過的角度，而采用三相六拍通電方式。即按度，而采用三相六拍通電方式。即按A-AB-B-BC-C-CA-AA-AB-B-BC-C-CA-A方式通電，使方式通電，使電機正轉；反之，按電機正轉；反之，按A

18、-AC-C-BC-B-AB-AA-AC-C-BC-B-AB-A方式通電，使電機反轉。三方式通電，使電機反轉。三相六拍任務方式除具有三相雙三拍的特點外，還可使步進電機每改動一相六拍任務方式除具有三相雙三拍的特點外，還可使步進電機每改動一次通電形狀僅旋轉次通電形狀僅旋轉1515。13 通電方式: 從一相通電改換成另一相通電，即通電方式改動一次叫“一拍。步進電動機有單相輪番通電、雙相輪番通電和單雙相輪番通電的方式。 14圖圖3-2 3-2 三段三相反響式步進電動三段三相反響式步進電動機構造原理圖機構造原理圖3.3.多段反響式步進電機構造及任務原理多段反響式步進電機構造及任務原理 前面引見的單段反響式

19、步進電機是按前面引見的單段反響式步進電機是按徑向分相的，此外，還有一種反響式徑向分相的，此外，還有一種反響式步進電機是按軸向分相，這種步進電步進電機是按軸向分相，這種步進電機又稱為多段反響式步進電機。機又稱為多段反響式步進電機。 多段反響式步進電機是沿軸向分成磁多段反響式步進電機是沿軸向分成磁性相對獨立的幾段，每一段都有一組性相對獨立的幾段，每一段都有一組勵磁繞組，構成一相，因此，三相電勵磁繞組，構成一相，因此，三相電動機有三段，其構造如圖動機有三段，其構造如圖3-23-2所示。所示。 這種反響式步進電動機的步距角較大，不適宜普通用途的要求。這種反響式步進電動機的步距角較大，不適宜普通用途的要

20、求。154.4.小步距角步進電動機小步距角步進電動機 圖圖3-13-1所示為三相反響式步進電動機。所示為三相反響式步進電動機。設設m m為相數，為相數，z z為轉子的齒數那么齒距：為轉子的齒數那么齒距： 由于每通電一次即運轉一拍，轉由于每通電一次即運轉一拍，轉子就走一步，各相繞組輪番通電一次，轉子子就走一步，各相繞組輪番通電一次，轉子就轉過一個齒距。故步距角：就轉過一個齒距。故步距角：z360tb z360KmKmb 齒齒距距拍拍數數齒齒距距 K- K-定子繞組通電方式系數。相鄰兩次通電的相數一樣，取定子繞組通電方式系數。相鄰兩次通電的相數一樣，取K=lK=l，如，如三相單三拍、三相雙三拍任務

21、方式；反之，取三相單三拍、三相雙三拍任務方式；反之，取K=2K=2，如三相單雙六拍任務，如三相單雙六拍任務方式。拍數方式。拍數/ /相數相數16假設步進電動機的轉子齒數假設步進電動機的轉子齒數z=40z=40，按三相單三拍運轉時，按三相單三拍運轉時，K=1K=1，m=3m=3：假設按五相十拍運轉時，那么假設按五相十拍運轉時，那么K=2K=2，m=5m=5，z=40z=40：可見，步進電動機的相數和轉子齒數越多，步距角就越小，控制越準確。可見，步進電動機的相數和轉子齒數越多，步距角就越小，控制越準確。故步進電動機可以做成三相，也可以做成二相、四相、五相、六相或更故步進電動機可以做成三相，也可以做

22、成二相、四相、五相、六相或更多相數。多相數。 34031360b 9 . 04052360b 17假設步進電動機通電的脈沖頻率為假設步進電動機通電的脈沖頻率為( (脈沖數脈沖數/ /秒秒) )，步距角用弧度表示，步距角用弧度表示，那么步進電動機的轉速：那么步進電動機的轉速：由上式可知，步進電動機在一定脈沖頻率下，電動機的相數和轉子齒由上式可知，步進電動機在一定脈沖頻率下，電動機的相數和轉子齒數越多，轉速就越低。而且相數越多，驅動電源也越復雜，本錢也就數越多，轉速就越低。而且相數越多，驅動電源也越復雜，本錢也就越高。越高。18 步進電動機運用在機床上普通是經過減速器和絲桿螺母副帶開任步進電動機運

23、用在機床上普通是經過減速器和絲桿螺母副帶開任務臺挪動。所以，步距角務臺挪動。所以，步距角對應任務臺的挪動量便是任務臺的最小運對應任務臺的挪動量便是任務臺的最小運動單位，也稱脈沖當量動單位，也稱脈沖當量mm/mm/脈沖：脈沖： 式中式中 t t ：絲桿導程：絲桿導程mmmm，絲桿的導程就是絲杠旋轉一周所走的，絲桿的導程就是絲杠旋轉一周所走的行程，也有人叫螺距。行程，也有人叫螺距。 b b ：步距角：步距角 i i ：減速安裝傳動比：減速安裝傳動比 任務臺的進給速度任務臺的進給速度v(mm/min)v(mm/min)： v =60 v =60 it360b 19解：脈沖分配方式有兩種：解：脈沖分配

24、方式有兩種： 根據根據 ，其中，其中K=2,m=3,Z=40.K=2,m=3,Z=40. b=360 b=360/(40/(402 23)=1.53)=1.5 根據根據 n= , n= ,其中其中=600HZ=600HZ n=1.5 n=1.5* *600600* *60/360=150r/min60/360=150r/min 例例3-1.3-1.一臺三相反響式步進電動機，采用三相六拍分配方式，轉子有一臺三相反響式步進電動機，采用三相六拍分配方式，轉子有4040個齒，脈沖頻率為個齒，脈沖頻率為600Hz600Hz，求：寫出一個循環的通電順序；求步進電動，求：寫出一個循環的通電順序；求步進電動機

25、步距角；求步進電動機轉速。機步距角；求步進電動機轉速。z360KmKmb 齒齒距距拍拍數數齒齒距距 反響式步進電動機具有控制方便、步距小、價錢低廉的優點；具有帶反響式步進電動機具有控制方便、步距小、價錢低廉的優點；具有帶負載才干差、高速時易失步、斷電后無定位轉矩的缺陷。負載才干差、高速時易失步、斷電后無定位轉矩的缺陷。AABBBCCCA 或 AACCCBBBA602fb202122231 1主要技術目的與運轉特性主要技術目的與運轉特性 1 1步距角和靜態步距誤差步距角和靜態步距誤差a.a.步距角步距角 步距角步距角: :也稱為步距。它的大小由下式也稱為步距。它的大小由下式3-23-2決議。目前

26、我國步決議。目前我國步進電動機的步距角為進電動機的步距角為0.360.36至至9090。常用的為。常用的為7.57.5/15/15、3 3/6/6、1.51.5/3/3、0.90.9/1.8/1.8、0.750.75/1.5/1.5、0.60.6/1.2/1.2、0.360.36/0.72/0.72等幾種。等幾種。 假設通電方式和系統的傳動比已初步確定，那么步距角應滿足假設通電方式和系統的傳動比已初步確定，那么步距角應滿足: : bimin bimin 5.5.步進電動機的主要技術目的與運轉特性步進電動機的主要技術目的與運轉特性z360KmKmb 齒齒距距拍拍數數齒齒距距 i 傳動比傳動比mi

27、n負載軸要求的最小位移增量即每個脈沖對應的最小角位負載軸要求的最小位移增量即每個脈沖對應的最小角位移增量移增量3-224 例如，所用絲杠螺距為例如，所用絲杠螺距為12.7mm (t),12.7mm (t),線性增量為線性增量為0.529mm/0.529mm/每步每步()()取取決于運動精度，所需電動機步距為角：決于運動精度，所需電動機步距為角：步距腳步距腳b也可用分辨率也可用分辨率bs來表示：來表示：bs=360/ b步步/轉轉 當步進電機拖動的機械作直線運動時，用絲杠作運動轉換器，步進電當步進電機拖動的機械作直線運動時，用絲杠作運動轉換器，步進電機的步距角可按以下公式計算：機的步距角可按以下

28、公式計算：ttib360/360 直線增量運動當量直線增量運動當量mm/mm/每步每步 t t絲杠螺距絲杠螺距mm/mm/周周157 .12529. 0360 b 可知，可知，360360/15/15=24=24，需求一臺每轉，需求一臺每轉2424步的步進電機。步的步進電機。設傳動比為設傳動比為1 125 b. b.靜態步距誤差靜態步距誤差 靜態步距角誤差靜態步距角誤差: :從實際上講，每一個脈沖信號應使電動機轉子轉過從實際上講，每一個脈沖信號應使電動機轉子轉過一樣的步距角。但實踐上，由于定、轉子的齒距分布不均勻，定、轉子之一樣的步距角。但實踐上，由于定、轉子的齒距分布不均勻，定、轉子之間的氣

29、隙不均勻或鐵心分段時的錯位誤差等，實踐步距角與實際步距角之間的氣隙不均勻或鐵心分段時的錯位誤差等，實踐步距角與實際步距角之間會存在偏向，這個偏向稱為靜態步距角誤差。間會存在偏向，這個偏向稱為靜態步距角誤差。 步距精度步距精度bb應滿足應滿足: :)(Lbi LL絲杠傳動精度絲杠傳動精度26 步進電動機的靜特性，是指步進電動機在穩定形狀即步進電動機不步進電動機的靜特性，是指步進電動機在穩定形狀即步進電動機不改動通電情況的運轉形狀時的特性，包括靜轉矩、矩角特性及靜態穩定改動通電情況的運轉形狀時的特性，包括靜轉矩、矩角特性及靜態穩定區。區。 靜轉矩：指步進電動機處于穩定形狀下的電磁轉矩。它是繞組電流

30、和失靜轉矩：指步進電動機處于穩定形狀下的電磁轉矩。它是繞組電流和失調角的函數。調角的函數。 在穩定形狀下，假設在轉子軸上加一負載轉矩使轉子轉過一個角度在穩定形狀下，假設在轉子軸上加一負載轉矩使轉子轉過一個角度，并能穩定下來，這時轉子遭到的電磁轉矩與負載轉矩相等，該電磁轉矩即并能穩定下來，這時轉子遭到的電磁轉矩與負載轉矩相等，該電磁轉矩即為靜轉矩，而角度為靜轉矩，而角度即為失調角或：電機定子齒與轉子齒中心線之間的即為失調角或：電機定子齒與轉子齒中心線之間的夾角叫做失調角。夾角叫做失調角。 對應于某個失調角時，靜轉矩最大，稱為最大靜轉矩對應于某個失調角時，靜轉矩最大，稱為最大靜轉矩TjmaxTjm

31、ax。可從矩。可從矩角特性上反映角特性上反映TjmaxTjmax，如圖，如圖3-43-4所示，當失調角所示，當失調角=90=90時，將有最大靜轉矩。時，將有最大靜轉矩。2 2最大靜轉矩最大靜轉矩27靜轉矩和失調角之間的特性曲線，叫做矩角特性：靜轉矩和失調角之間的特性曲線，叫做矩角特性： T = -C sin由此我們可以發現步進電動機的任務過程就是實現失調角為零的過程。由此我們可以發現步進電動機的任務過程就是實現失調角為零的過程。28多相通電時的矩角特性和最大靜態轉矩：按照疊加原理，根據各多相通電時的矩角特性和最大靜態轉矩：按照疊加原理，根據各相通電時的矩角特性疊加起來求出。例如三相步進電動機常

32、用單相通電時的矩角特性疊加起來求出。例如三相步進電動機常用單- -雙相通電的方式。當兩相通電時，由于正弦量可以用相量相加的雙相通電的方式。當兩相通電時，由于正弦量可以用相量相加的方法求和，因此兩相通電時的最大靜態轉矩可用相量圖求取。用方法求和，因此兩相通電時的最大靜態轉矩可用相量圖求取。用相量相量TATA和和TBTB分別表示分別表示A A相和相和B B相單獨通電時的最大靜態轉矩，兩相相單獨通電時的最大靜態轉矩，兩相通電時的最大靜態轉矩通電時的最大靜態轉矩TABTAB為：為：mcosTTmaxAB 2 式中，式中，Tmax=TA=TB29 從上式可知，對于三相步進電動機，從上式可知，對于三相步進

33、電動機，TAB=TA=TBTAB=TA=TB，即兩相，即兩相通電時的最大靜態轉矩值與單相通電時的最大靜態轉矩值通電時的最大靜態轉矩值與單相通電時的最大靜態轉矩值相等。此時三相步進電動機不能靠提高通電相數來提高轉相等。此時三相步進電動機不能靠提高通電相數來提高轉矩。矩。 五相步進電動機三相通電時的最大靜態轉矩五相步進電動機三相通電時的最大靜態轉矩: : 由于采用了由于采用了2-32-3相通電方式，最大靜態轉矩提高了，而且相通電方式，最大靜態轉矩提高了，而且矩角特性外形一樣，對步進電動機運轉穩定性有利。矩角特性外形一樣，對步進電動機運轉穩定性有利。 mcosTTmaxAB 2 maxABCTmco

34、sT 221 運用步進電機時，普通電動機軸上的負載轉矩運用步進電機時，普通電動機軸上的負載轉矩TL=(0.3TL=(0.30.5)Tmax0.5)Tmax，啟動轉矩啟動轉矩TsTs總是小于最大靜態轉矩總是小于最大靜態轉矩TjmaxTjmax。30T0圖圖3-5 3-5 矩頻特性矩頻特性 /Hz 當步進電動機的控制繞組的電脈沖當步進電動機的控制繞組的電脈沖時間間隔小于電機機電過渡過程所時間間隔小于電機機電過渡過程所需的時間時，步進電動機進入延續需的時間時，步進電動機進入延續運轉形狀，這時電動機產生的轉矩運轉形狀，這時電動機產生的轉矩稱為動態轉矩。稱為動態轉矩。 步進電動機的最大動態轉矩和脈沖步進

35、電動機的最大動態轉矩和脈沖頻率的關系，即頻率的關系，即Tdm=F(Tdm=F() )，稱為矩，稱為矩頻特性，如圖頻特性，如圖3-53-5所示。所示。 即，步進電動機的動態轉矩隨著脈即，步進電動機的動態轉矩隨著脈沖頻率的升高而降低。沖頻率的升高而降低。 3 3矩頻特性矩頻特性什么是矩頻特性？什么是矩頻特性？31步進電動機的控制繞組是感性元件，其電流按指數函數增長。步進電動機的控制繞組是感性元件，其電流按指數函數增長。 當電脈沖頻率低時，電流可以到達穩定值，如圖當電脈沖頻率低時，電流可以到達穩定值，如圖3-6a3-6a所示。所示。 隨著頻率升高，到達穩定值的時間縮短，如圖隨著頻率升高，到達穩定值的

36、時間縮短，如圖3-6b3-6b所示。所示。 當頻率高到一定值時，電流就達不到穩定值，如圖當頻率高到一定值時，電流就達不到穩定值，如圖3-6c3-6c所示，故所示，故電動機的最大動態轉矩小于最大靜轉矩，而且脈沖頻率越高，動態轉矩電動機的最大動態轉矩小于最大靜轉矩，而且脈沖頻率越高，動態轉矩也就越小。對于某一頻率。只需當負載轉矩小于它在該頻率時的最大動也就越小。對于某一頻率。只需當負載轉矩小于它在該頻率時的最大動態轉矩，電動機才干正常運轉。態轉矩，電動機才干正常運轉。a (b) (c)圖3-6 不同頻率時的控制繞組中電流波形矩頻特性有什么特點？矩頻特性有什么特點？32 為了提高步進電動機的矩頻特性

37、，必需設法減小控制繞組的電氣時間常數為了提高步進電動機的矩頻特性，必需設法減小控制繞組的電氣時間常數=L/R=L/R，為此要：，為此要： 盡量減小它的電感，使控制繞組匝數減少，所以步進電動機控制繞組的電流普盡量減小它的電感，使控制繞組匝數減少，所以步進電動機控制繞組的電流普通都比較大。通都比較大。 有時也在控制繞組回路中串接一個較大的附加電阻，以降低回路電氣時間常數，有時也在控制繞組回路中串接一個較大的附加電阻，以降低回路電氣時間常數，但這樣就添加了在附加電阻上功率損耗，導致步進電動機及系統效率降低。但這樣就添加了在附加電阻上功率損耗，導致步進電動機及系統效率降低。 也可以采用雙電源供電，即在

38、控制繞組電流的上升階段由高壓電源供電，以縮也可以采用雙電源供電，即在控制繞組電流的上升階段由高壓電源供電，以縮短到達穩定值的時間，然后再改為低壓電源供電以維持其電流值，這樣可大大短到達穩定值的時間，然后再改為低壓電源供電以維持其電流值，這樣可大大提高步進電動機的矩頻特性。提高步進電動機的矩頻特性。 怎樣提高矩頻特性？怎樣提高矩頻特性？33 步進電動機的任務頻率普通包括啟動頻率、制動頻率和延步進電動機的任務頻率普通包括啟動頻率、制動頻率和延續運轉頻率。對同樣的負載轉矩來說，正、反向的啟動續運轉頻率。對同樣的負載轉矩來說，正、反向的啟動頻率和制動頻率是一樣的，所以普通技術數據中只給出啟頻率和制動頻

39、率是一樣的，所以普通技術數據中只給出啟動頻率和延續運轉頻率。動頻率和延續運轉頻率。 步進電動機的啟動頻率步進電動機的啟動頻率stst是指在一定負載轉矩下可以不是指在一定負載轉矩下可以不失步地啟動的最高脈沖頻率。失步地啟動的最高脈沖頻率。stst的大小與驅動電路和負的大小與驅動電路和負載大小有關。步距角載大小有關。步距角bb越小，負載包括負載轉矩與轉越小，負載包括負載轉矩與轉動慣量越小，那么啟動頻率越高。動慣量越小，那么啟動頻率越高。 4 4啟動頻率和延續運轉頻率啟動頻率和延續運轉頻率34步進電動機的延續運轉頻率步進電動機的延續運轉頻率c c：是指步進電動機啟動后，當控制脈沖：是指步進電動機啟動

40、后，當控制脈沖頻率延續上升時，能不失步運轉的最高頻率。它的值也與負載有關。頻率延續上升時，能不失步運轉的最高頻率。它的值也與負載有關。 步進電動機的運轉頻率比啟動頻率高得多，這是由于在啟動時步進電動機的運轉頻率比啟動頻率高得多，這是由于在啟動時除了要抑制負載轉矩外，還要抑制軸上的慣性轉矩。啟動時轉子的角除了要抑制負載轉矩外，還要抑制軸上的慣性轉矩。啟動時轉子的角加速度大，它的負擔要比延續運轉時重。所以啟動時，脈沖頻率不宜加速度大，它的負擔要比延續運轉時重。所以啟動時，脈沖頻率不宜過高。啟動以后，再逐漸升高脈沖頻率。過高。啟動以后，再逐漸升高脈沖頻率。35步進電動機的型號表示方法舉例如下不同消費

41、廠家其表示方法步進電動機的型號表示方法舉例如下不同消費廠家其表示方法也有所不同也有所不同反響式步進電動機反響式步進電動機: :如如150BF/BC003150BF/BC003混合式步進電動機混合式步進電動機: :如如42BYG00842BYG008：四相永磁感應式步進電動機：四相永磁感應式步進電動機永磁式步進電動機永磁式步進電動機: :勵磁繞組相數或代號永磁式步進電動機 BY BY 電動機外徑mm勵磁繞組相數或代號混合式永磁感應式步進電動機 BYG BYG 電動機外徑mm勵磁繞組相數或代號反響式步進電動機 BF BF 電動機外徑mm5 5步進電動機技術目的實例步進電動機技術目的實例369090

42、 - - BYG BYG - - 2 2 - - 50 50 - - A A機座號機座號 混合式混合式 相數相數 轉子齒數轉子齒數 派生代號派生代號外徑外徑mmmm 步進電動機步進電動機 37 混合式步進電機兼有永磁式和反響式兩種步進電混合式步進電機兼有永磁式和反響式兩種步進電機的特點。轉子由圓周上均勻分布一定數量小齒的兩機的特點。轉子由圓周上均勻分布一定數量小齒的兩段齒片組成，這兩段齒片相互錯開半個齒距，兩塊齒片段齒片組成，這兩段齒片相互錯開半個齒距，兩塊齒片之間夾有一個軸向充磁的環形永久磁鋼之間夾有一個軸向充磁的環形永久磁鋼( (如圖如圖3-43-4所示所示) )。這樣，與這樣，與N N極

43、磁鋼相連的那段轉子整個呈極磁鋼相連的那段轉子整個呈N N極，另一端與極，另一端與S S極磁鋼相連，呈極磁鋼相連，呈S S極，產生的合成轉矩使轉子轉動。普極，產生的合成轉矩使轉子轉動。普通為兩相或三相；須供應正負脈沖信號；輸出轉矩較永通為兩相或三相；須供應正負脈沖信號；輸出轉矩較永磁式大耗費功率相對較小；步距角較永磁式小普磁式大耗費功率相對較小；步距角較永磁式小普通為通為1.81.8度；斷電時無定位轉矩；啟動和運轉頻率較度；斷電時無定位轉矩；啟動和運轉頻率較高；是目前開展較快的一種步進電機。高；是目前開展較快的一種步進電機。3839 步進電動機的振蕩和失步是一種普遍存在的景象，它步進電動機的振蕩

44、和失步是一種普遍存在的景象，它影響系統的正常運轉，因此要盡力防止。失步包括丟步和越影響系統的正常運轉，因此要盡力防止。失步包括丟步和越步。丟步時指轉子前進的步距數小于脈沖數；越步是指轉子步。丟步時指轉子前進的步距數小于脈沖數；越步是指轉子前進的步距數多于脈沖數。丟步嚴重時，轉子將停留在一個前進的步距數多于脈沖數。丟步嚴重時，轉子將停留在一個位置上或圍繞一個位置振動。位置上或圍繞一個位置振動。a a振蕩振蕩 步進電動機的振蕩景象主要發生于：步進電動機的振蕩景象主要發生于：2 2步進電動機的振蕩、失步及處理方法步進電動機的振蕩、失步及處理方法 步進電動機任務在低頻區；步進電動機任務在低頻區； 步進

45、電動機任務在共振區；步進電動機任務在共振區； 步進電機忽然停車時。步進電機忽然停車時。40當步進電機任務在低頻區時，由于勵磁脈沖間隔的時間較長，步進電當步進電機任務在低頻區時，由于勵磁脈沖間隔的時間較長，步進電機表現為單步運轉。機表現為單步運轉。 當勵磁開場時，轉子在電磁力的作用下加速轉動。在到達平衡當勵磁開場時，轉子在電磁力的作用下加速轉動。在到達平衡點時，電磁驅動轉矩為零，但轉子的轉速最大，由于慣性，轉子沖過點時，電磁驅動轉矩為零，但轉子的轉速最大，由于慣性，轉子沖過平衡點。這時電磁力產生負轉矩，轉子在負轉矩的作用下，轉速逐漸平衡點。這時電磁力產生負轉矩，轉子在負轉矩的作用下，轉速逐漸為零

46、，并開場反向轉動。當轉子反轉過平衡點后，電磁力又產生正轉為零，并開場反向轉動。當轉子反轉過平衡點后，電磁力又產生正轉矩，迫使轉子又正向轉動，構成轉子圍繞平衡點的振蕩。由于有機械矩，迫使轉子又正向轉動，構成轉子圍繞平衡點的振蕩。由于有機械摩擦和電磁阻尼的作用，這個振蕩表現為衰減振蕩，最終穩定在平衡摩擦和電磁阻尼的作用，這個振蕩表現為衰減振蕩，最終穩定在平衡點。點。 41當步進電機任務在共振區時，步進電機的控制脈沖頻率接近步進電機當步進電機任務在共振區時，步進電機的控制脈沖頻率接近步進電機的固有頻率的固有頻率 ( (振蕩頻率振蕩頻率) )或固有頻率的分頻或倍頻，這會使振蕩加劇，或固有頻率的分頻或倍

47、頻，這會使振蕩加劇，嚴重時呵斥失步。步進電動機的固有頻率嚴重時呵斥失步。步進電動機的固有頻率( (振蕩頻率振蕩頻率) ) 可由下式求出：可由下式求出： 振蕩失步的過程可描畫如下：在第一個脈沖到來后，轉子閱歷振蕩失步的過程可描畫如下：在第一個脈沖到來后，轉子閱歷了一次振蕩。當轉子回擺到最大幅值時，恰好第二個脈沖到來，轉子了一次振蕩。當轉子回擺到最大幅值時，恰好第二個脈沖到來，轉子遭到的電磁轉矩為負值，使轉子繼續回擺。接著第三個脈沖到來，轉遭到的電磁轉矩為負值，使轉子繼續回擺。接著第三個脈沖到來，轉子受正電磁轉矩的作用回到平衡點。這樣，轉子經過三個脈沖依然回子受正電磁轉矩的作用回到平衡點。這樣，轉

48、子經過三個脈沖依然回到原來位置，也就是丟了三步。到原來位置，也就是丟了三步。 JZTfmax021 JJ轉動慣量；轉動慣量；ZZ轉子齒數；轉子齒數；TmaxTmax最大轉矩。最大轉矩。42當步進電機任務在高頻區時，由于換相周期短，轉子來不及反沖。同當步進電機任務在高頻區時，由于換相周期短，轉子來不及反沖。同時繞組中的電流尚未上升到穩定值，轉子沒有獲得足夠的能量，所以時繞組中的電流尚未上升到穩定值，轉子沒有獲得足夠的能量，所以在這個任務區中不會產生振蕩。減小步距角可以減小振蕩幅值，以到在這個任務區中不會產生振蕩。減小步距角可以減小振蕩幅值，以到達減弱振蕩的目的。達減弱振蕩的目的。b失步失步步進電

49、動機的失步緣由有兩種：步進電動機的失步緣由有兩種：第一種是轉子的轉速慢于換相速度。例如，步進電動機在啟動時，假第一種是轉子的轉速慢于換相速度。例如，步進電動機在啟動時，假設脈沖的頻率較高，由于電動機來不及獲得足夠的能量，使其無法令設脈沖的頻率較高，由于電動機來不及獲得足夠的能量，使其無法令轉子跟上旋轉磁場的速度，所以引起失步。因此步進電動機有一個啟轉子跟上旋轉磁場的速度，所以引起失步。因此步進電動機有一個啟動頻率，超越啟動頻率啟動時，一定會產生失步。留意，啟動頻率動頻率，超越啟動頻率啟動時，一定會產生失步。留意，啟動頻率不是一個固定值，提高電動機的轉矩、減小電動機轉動慣量、減小步不是一個固定值

50、，提高電動機的轉矩、減小電動機轉動慣量、減小步距角都可以提高步進電動機的啟動頻率距角都可以提高步進電動機的啟動頻率第二種是轉子的平均速度大于旋轉磁場的速度。這主要發生在制動和第二種是轉子的平均速度大于旋轉磁場的速度。這主要發生在制動和忽然換相時，轉子獲得過多的能量，產生嚴重的過沖，引起失步。忽然換相時，轉子獲得過多的能量，產生嚴重的過沖，引起失步。 43 消除振蕩是經過添加阻尼的方法來實消除振蕩是經過添加阻尼的方法來實現的，主要有機械阻尼法和電子阻尼法現的，主要有機械阻尼法和電子阻尼法兩大類。兩大類。機械阻尼法比較單一，就是在電動機軸上機械阻尼法比較單一，就是在電動機軸上加阻尼器；加阻尼器；電

51、子阻尼法有多種，主要有：多相勵磁法、電子阻尼法有多種，主要有：多相勵磁法、變頻變壓法、細分步法、反相阻尼法等。變頻變壓法、細分步法、反相阻尼法等。c c阻尼方法阻尼方法44步進電動機的運轉特性，不僅與步進電動機本身步進電動機的運轉特性，不僅與步進電動機本身的特性和負載有關，而且與配套運用的驅動電源的特性和負載有關，而且與配套運用的驅動電源即驅動電路有著非常親密的關系。即驅動電路有著非常親密的關系。驅動電源按供電方式分類，有：單電壓供電、雙驅動電源按供電方式分類，有：單電壓供電、雙電壓供電、調頻調壓供電；按功率驅動部分所用電壓供電、調頻調壓供電；按功率驅動部分所用元件分類，有大功率晶體管驅動、快

52、速晶閘管驅元件分類，有大功率晶體管驅動、快速晶閘管驅動、可關斷晶閘管驅動、混合驅動。動、可關斷晶閘管驅動、混合驅動。圖圖3-73-7為步進電動機驅動系統原理圖。為步進電動機驅動系統原理圖。 三、步進電動機的驅動方法三、步進電動機的驅動方法45驅動器：驅動器：德國百格拉德國百格拉WD3-007WD3-00746信號接口：信號接口：PULSE+ PULSE+ 電機輸入控制脈沖信號；電機輸入控制脈沖信號； DIR+ DIR+ 電機轉動方向控制信號；電機轉動方向控制信號； RESET+ RESET+ 復位信號，用于封鎖輸入信號；復位信號，用于封鎖輸入信號； READY+ READY+ 報警信號；報警信

53、號； PULSE- PULSE-、DIR-DIR-、RESET-RESET-和和READY-READY-短接公共地；短接公共地；形狀指示：形狀指示：RDY RDY 燈亮表示驅動器正常任務；燈亮表示驅動器正常任務； TEMP TEMP 燈亮表示驅動器超溫；燈亮表示驅動器超溫； FLT FLT 燈亮表示驅動器缺點；燈亮表示驅動器缺點；功能選擇：功能選擇：MOT.CURR MOT.CURR 設置電機相電流；設置電機相電流； STEP1 STEP1、STEP2 STEP2 設置電機每轉的步數；設置電機每轉的步數； CURR.RED CURR.RED 設定半流功能設定半流功能 PULSE.SYS PUL

54、SE.SYS 可設置成可設置成“脈沖和方向控制方式；脈沖和方向控制方式； 也可以設置成也可以設置成“正轉和反轉控制方式；正轉和反轉控制方式；功率接口：功率接口：DC+DC+和和DC-DC-接制動電容；接制動電容； U U、V V、W W 接電機動力線，接電機動力線，PEPE是地；是地； L L、N N、PE PE 接驅動器電源，電源電壓是接驅動器電源，電源電壓是220VAC220VAC輸輸入時，最大電流是入時，最大電流是3A3A。電源線橫截面。電源線橫截面1.51.5平方毫米，盡量平方毫米，盡量短。驅動器的短。驅動器的L L端和端和N N端接供電電源，同時要串接一個端接供電電源，同時要串接一個

55、6.3A6.3A保保險絲；險絲；PEPE為接地。為接地。STEP1ON 1 2 3 4PULES.SYSCURR.REDSTEP2PACERWWD3-007PENLPEUVDC-DC+READY-READY+RESET-RESET+DIR-/CCW-DIR+/CCW+PULSE-/CW-PULSE+/CW+MOT.CURRFLTTEMPRDYC40FED2138A9B76547PULSE：脈沖信號輸入端，每一個脈沖的上升沿使電機轉動一步。：脈沖信號輸入端，每一個脈沖的上升沿使電機轉動一步。DIR：方向信號輸入端，如：方向信號輸入端，如“DIR為低電平，電機按順時針方向旋轉；為低電平，電機按順時

56、針方向旋轉； “DIR為高電平電機按逆時針方向旋轉。為高電平電機按逆時針方向旋轉。CW：正轉信號，每個脈沖使電機正向轉動一步。：正轉信號，每個脈沖使電機正向轉動一步。CCW：反轉信號，每個脈沖使電機反向轉動一步。：反轉信號，每個脈沖使電機反向轉動一步。RESET：復位信號，如復位信號為低電平常：復位信號，如復位信號為低電平常,輸入脈沖信號起作用，假設輸入脈沖信號起作用，假設復位信號為高電平常就制止任何有效的脈沖，輸入信號無效，電機無堅復位信號為高電平常就制止任何有效的脈沖，輸入信號無效，電機無堅持扭矩。持扭矩。READY: 輸入報警信號：輸入報警信號：READY是繼電器開關，當驅動器正常任務時

57、繼是繼電器開關，當驅動器正常任務時繼電器閉合，當驅動器任務異常時繼電器斷開。繼電器允許最高輸入電壓電器閉合，當驅動器任務異常時繼電器斷開。繼電器允許最高輸入電壓和電流是：和電流是：35VDC，10mAI200mA，電阻性負載。如用該繼電器，要，電阻性負載。如用該繼電器，要把他串聯到把他串聯到CNC的某輸入端。當驅動器正常任務時繼電器閉合，外部的某輸入端。當驅動器正常任務時繼電器閉合，外部24VDC經過繼電器輸入到經過繼電器輸入到CNC輸入端，否那么外部輸入端，否那么外部24VDC無法輸入到無法輸入到CNC輸入端。輸入端。留意：留意：PULSE與與CW，PULSE與與CW，DIR與與CCW，DI

58、R與與CCW對應同一個接口，按控制方式不同給出兩種定義稱號；可以對應同一個接口，按控制方式不同給出兩種定義稱號；可以用兩相脈沖輸出用兩相脈沖輸出CW/CCW方式進展控制，也可以用方式進展控制，也可以用PULSE+DIR方式控制。方式控制。 48脈沖、方向信號時序圖脈沖、方向信號時序圖3A3B3AsteprightleftPULES：DIR：221脈寬定義：脈寬和脈沖間隔 2.5us；占 空 比：可選用任意占空比的脈沖；輸入信號：采用光耦隔離；切換時間：轉動方向的切換時間 0us；1-Hold time 2.5us2-Setup time 0us3A-Minimum pulse width 2.

59、5us3B-Minimum pulse pause 2.5us上位機的控制信號可以高電平有效，也可以低電平有效。上位機的控制信號可以高電平有效，也可以低電平有效。高有效時，把一切控制信號的負端連在一同作為信號地，高有效時，把一切控制信號的負端連在一同作為信號地，低有效時，把一切控制信號的正端連在一同作為信號公共端。低有效時，把一切控制信號的正端連在一同作為信號公共端。49MOT.CURRMOT.CURR：設置輸出相電流：設置輸出相電流位置位置2 23 34 45 56 67 78 89 9A AB BC CD DE EF F電流電流1.01

60、.1.92.02.02.52.5STEP1STEP1、STEP2STEP2：設置電機每轉步數：設置電機每轉步數驅動器驅動器WD3-007WD3-007可將電機的步數分別設置為可將電機的步數分別設置為500500、10001000、50005000、1000010000步。用戶可以經過驅動器正面板上的兩個撥碼開關步。用戶可以經過驅動器正面板上的兩個撥碼開關STEP1STEP1、STEP2STEP2設置電機的步數如下表：設置電機的步數如下表：STEP1STEP1形狀形狀OFFOFFONONOFFOFFONONSTEP2STE