【正文】 此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移過(guò) 1/3π，此時(shí)齒 3 與 C 偏移為 1/3π，齒 4 與 A 偏移（ π1/3π）=2/3π。 如 C 相通電， A， B 相不通電，齒 3 應(yīng)與 C 對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過(guò) 1/3π，此時(shí)齒 4 與 A 偏移為 1/3π對(duì)齊。 如 A 相通電， B， C 相不通 電，齒 4與 A 對(duì)齊，轉(zhuǎn)子又向右移過(guò) 1/3π 這樣經(jīng)過(guò) A、 B、 C、 A 分別通電狀態(tài)，齒 4（即齒 1 前一齒）移到 A 相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距，如果不斷地按 A，B， C， A…… 通電，電機(jī)就每步（每脈沖） 1/3π,向右旋轉(zhuǎn)。如按 A， C， B， A……通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 由此可見(jiàn)：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。 不過(guò)，出于對(duì)力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用 AABBBC－ CCAA 這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來(lái)每步 1/3π改變?yōu)?1/6π。甚至于通過(guò)二相電流不同的組 合，使其 1/3π變?yōu)?/12π， 1/24π，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論依據(jù)。 不難推出：電機(jī)定子上有 m相勵(lì)磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移 1/m,2/m……(m 1)/m,1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制 ——這是旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進(jìn)電機(jī)，出于成本等多方面考慮，市場(chǎng)上一般以二、三、四、五相為多。 工作方式（三相） 1. 單三拍： 通電順序?yàn)? A?B?C ； 2. 雙三拍 ：通電順序?yàn)? AB?BC?CA ； 3. 三相六拍 ：通 電順序?yàn)? A?AB?B?BC?C?CA 這三種工作方式 的區(qū)別，如下表所示： 表 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)三種工作方式的性能比較 工作方式 單三拍 雙三拍 六拍 步進(jìn)周期 T T T 畢業(yè)論文 5 每相通電時(shí)間 T 2T 3T 走齒周期 3T 3T 6T 相電流 小 較大 最大 高頻性能 差 較好 較好 轉(zhuǎn)矩 小 中 大 電磁阻尼 小 較大 較大 振蕩 容易 較容易 不容易 功耗 小 大 中 由表 可以看出這三種工作方式中，六拍的性能最好，單三拍的性能最差，因此，在步進(jìn)電機(jī)的控制應(yīng)用中，選擇合 適的工作方式非常重要，本文主要研究的是三相六拍工作方式。 步進(jìn)電機(jī)的常用術(shù)語(yǔ) 1. 齒距角：相鄰兩齒中心線間的夾角，通常定子和轉(zhuǎn)子具有相同的齒距角。 θz=2π/Z (Z 是轉(zhuǎn)子的齒數(shù) ) 2. 步距角：指每給一個(gè)電脈沖信號(hào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子所應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)的角度的理論值。 θb=θz/N = 2π/NZ (N是工作拍數(shù)， Z 是轉(zhuǎn)子的齒數(shù) ) 3. 步距角精度 ： 步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差 /步距角 *100%。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn) 行時(shí)應(yīng)在 5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在 15%以內(nèi)。 4. 失調(diào)角： 指轉(zhuǎn)子偏離零位的角度。 轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī) 轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。 5. 零位或初始穩(wěn)定平衡位置： 指不改變繞組通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子在理想空載狀態(tài)下的平衡位置。 6. 最大空載的運(yùn)行頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。 7. 最大空載起動(dòng)頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。 8. 響應(yīng)頻率： 在某一頻率范圍內(nèi)步進(jìn) 電機(jī)可以任意運(yùn)行而不會(huì)丟失一步，則這一最大頻率稱為響應(yīng)頻率。 9. 運(yùn)行頻率： 指拖動(dòng)一定負(fù)載使頻率連續(xù)上升時(shí)，步進(jìn)電機(jī)能不失步運(yùn)行的極限頻率。 10. 單步響應(yīng)： 指步進(jìn)電機(jī)在帶電不動(dòng)的情況下，改變一次脈沖電壓，轉(zhuǎn)子由起動(dòng)到停止的運(yùn)動(dòng)軌跡 。 畢業(yè)論文 6 步進(jìn)電機(jī)的振蕩和失步 步進(jìn)電機(jī)的振蕩和失步是一種普遍存在的現(xiàn)象，它影響應(yīng)用系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此要盡力去避免。 振蕩 步進(jìn)電機(jī)的振蕩現(xiàn)象主要發(fā)生于：步進(jìn)電機(jī)工作在低頻區(qū)，步進(jìn)電機(jī)工作在共振區(qū)，步進(jìn)電機(jī)突然停車(chē)時(shí)。 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低頻區(qū)時(shí)，由于勵(lì)磁脈 沖間隔的時(shí)間較長(zhǎng)，步進(jìn)電機(jī)表現(xiàn)為單步運(yùn)行，當(dāng)勵(lì)磁開(kāi)始時(shí)，轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下加速轉(zhuǎn)動(dòng)，到達(dá)平衡點(diǎn)時(shí)，電磁驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為零，但轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速最大，由于慣性，轉(zhuǎn)子沖過(guò)平衡點(diǎn)，這時(shí)電磁力產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子在負(fù)轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)速逐漸為零，并開(kāi)始反向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)過(guò)平衡點(diǎn)后，電磁力又產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，迫使轉(zhuǎn)子又正向轉(zhuǎn)動(dòng)。如此下去，形成轉(zhuǎn)子圍繞平衡點(diǎn)的振蕩。由于有機(jī)械摩擦和電磁阻尼的作用，這個(gè)振蕩表現(xiàn)為衰弱振蕩，最終穩(wěn)定在平衡點(diǎn)。 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在共振區(qū)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率接近步進(jìn)電機(jī)的振蕩頻率 fo 或振蕩頻率的分頻或倍頻，這會(huì)使振 蕩加劇，嚴(yán)重時(shí)造成失步。振蕩失步的過(guò)程可描述如下：在第一個(gè)脈沖到來(lái)后，轉(zhuǎn)子經(jīng)歷了一次振蕩。當(dāng)轉(zhuǎn)子回?cái)[到最大幅值時(shí)，恰好第 2 個(gè)脈沖到來(lái)，轉(zhuǎn)子受到的電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)回?cái)[，接著第 3 個(gè)脈沖到來(lái)，轉(zhuǎn)子受正電磁轉(zhuǎn)矩的作用回到平衡點(diǎn)，這樣，轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò) 3 個(gè)脈沖仍然回到原來(lái)位置，也就是丟了三步。 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在高頻率區(qū)時(shí)，由于換相周期短，轉(zhuǎn)子來(lái)不及反沖，同時(shí)，繞組中的電流尚未上升到穩(wěn)定值，轉(zhuǎn)子沒(méi)有獲得足夠的能量，所以在這個(gè)工作區(qū)中不會(huì)產(chǎn)生振蕩。 減少步距角可以減少振蕩幅值，以達(dá)到削弱振蕩的目的。 失 步 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。 步進(jìn)電機(jī)失步的原因 有 2 種 : 1. 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速慢于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度 （ 或者說(shuō)慢于換相速度 ） 。例如，步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，如果脈沖的頻率較高，由于電動(dòng)機(jī)來(lái)不及獲得足夠的能量，使其無(wú)法令轉(zhuǎn)子跟上旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度，所以引起失步。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有一個(gè)啟動(dòng)頻率啟動(dòng)時(shí)，肯定會(huì)產(chǎn)生失步。注意，啟動(dòng)頻率不是一個(gè)固定值，提高電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、減少負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、減少步距角都可以提高 步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率。 2. 轉(zhuǎn)子的平均速度大于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度 。這主要發(fā)生在制動(dòng)和突然換向時(shí)，轉(zhuǎn)子獲得過(guò) 多的能量，產(chǎn)生嚴(yán)重的過(guò)沖，引起失步。 畢業(yè)論文 7 阻尼方法 消除振蕩是通過(guò)增加阻尼的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，主要有機(jī)械阻尼法和電子阻尼法兩大類(lèi)。其中機(jī)械阻尼法比較單一，就是在電動(dòng)機(jī)軸上加阻尼器，電子阻尼法則有多種。 1. 多相勵(lì)磁法： 采用多相勵(lì)磁會(huì)產(chǎn)生電磁阻尼，會(huì)削弱或消除振蕩現(xiàn)象。 2. 變頻變壓法： 步進(jìn)電機(jī)在高頻和在低頻時(shí)轉(zhuǎn)子所獲得的能量不一樣，在低頻時(shí)繞組中的電流上升時(shí)間長(zhǎng)，轉(zhuǎn)子獲得的能量大，因此容易產(chǎn)生振蕩，在高頻時(shí)則相反。所以，可以設(shè)計(jì)一種電路，使電壓隨頻率的降低而減少，這樣使繞組在低頻時(shí)的電流減少，可以 有效地消除振蕩。 3. 細(xì)分步法： 細(xì)分步法是將步進(jìn)電機(jī)繞組中的穩(wěn)定電流分成若干階段，每進(jìn)一步時(shí)，電流升一級(jí)。同時(shí)，也相對(duì)地提高步進(jìn)頻率，使步進(jìn)過(guò)程平穩(wěn)進(jìn)行。 4. 反相阻尼法 ：這種方法用于步進(jìn) 電機(jī)制動(dòng)，在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子要過(guò)平衡點(diǎn)之前，加一個(gè)反向作用力去平衡慣性力，使轉(zhuǎn)子到達(dá)平衡點(diǎn)時(shí)速度為零，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確制動(dòng)。 第 三 章 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 不能直接接到工頻交流或直流電源上 工作，而必須使用專(zhuān)用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 驅(qū)動(dòng)器，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、保護(hù)單元等組成。驅(qū)動(dòng)單元與 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 直接耦合，也可理解成 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 微機(jī)控制器的功率接口，這里予以簡(jiǎn)單介紹。 單電壓功率驅(qū)動(dòng)接口 單電壓驅(qū)動(dòng)是指電動(dòng)機(jī)繞組在工作時(shí)，只用一個(gè)電壓電源對(duì)繞組供電，它的特點(diǎn)是電路最簡(jiǎn)單。 步進(jìn)電機(jī)使用脈沖電源工作，脈沖電源的獲得可通過(guò)下圖說(shuō)明，開(kāi)關(guān)管 T是按照控制脈沖的規(guī)律 “開(kāi) ”和 “關(guān) ”，使直流電源以脈沖方式向繞組 L 供電，這一過(guò)程我們稱為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。 實(shí)用電路如下圖所示。在電機(jī)繞組回路中串有電阻 Rs，使電機(jī)回路時(shí)間常數(shù)減小，高頻時(shí)電機(jī)能產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩，還能緩解電機(jī)的低頻共振現(xiàn)象，但它引 起附加的損耗。一般情況下，簡(jiǎn)單單電壓驅(qū)動(dòng)線路中， Rs 是不可缺少的。Rs 對(duì) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 單步響應(yīng)的改善如圖 所示： 畢業(yè)論文 8 圖 單電壓功率驅(qū)動(dòng)接口 電路圖 在 圖 中 ，電路中只有一個(gè)電源 V，電路中的限流電阻 R1 決定了時(shí)間常數(shù)，但 R1 太大會(huì)使繞組供電電流減小。這一矛盾不能解決時(shí)，會(huì)使電動(dòng)機(jī)的高頻性能下降，可在 R1 兩端并聯(lián)一個(gè)電容，以使電流的上升波形變陡，來(lái)改善高頻特性，但這 樣做又使低頻性能變差。 R1 在工作中腰消耗一定的能量，所以這個(gè)電路損耗大，效率低，一般只用于小功率步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。 雙電壓功率驅(qū)動(dòng)接口 用提高電壓的方法可以使繞組中的電流上升波形變陡，這樣就產(chǎn)生了雙電壓驅(qū)動(dòng)。雙電壓驅(qū)動(dòng)有兩種工作方式：雙電壓法和高低壓法。 雙電壓驅(qū)動(dòng)的基本思路是在較低（低頻段）用較低的電壓 UL 驅(qū)動(dòng)，而在高速（高頻段）時(shí)用較高的電壓 UH 驅(qū)動(dòng)。這種功率接口需要兩個(gè)控制信號(hào)，Uh 為高壓有效控制信號(hào)， U為脈沖調(diào)寬驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。圖 中，功率管 TH和二極管 DL 構(gòu)成電源轉(zhuǎn)換電路。當(dāng) Uh 低電平， TH 關(guān)斷， DL正偏置，低電壓 UL 對(duì)繞組供電。反之 Uh 高電平， TH 導(dǎo)通， DL反偏，高電壓 UH 對(duì)繞組供電。這種電路可使電機(jī)在高頻段也有較大出力，而靜止鎖定時(shí)功耗減小。其電路圖如下所示： 畢業(yè)論文 9 圖 雙電壓功率驅(qū)動(dòng)接口 電路 雖然這方法保證了低頻段仍然具有單電壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，在高頻段具有良好的高頻特性，但仍沒(méi)有擺脫單電壓驅(qū)動(dòng)的弱點(diǎn)，在限流電阻 R 上仍然會(huì)產(chǎn)生損耗和發(fā)熱。 高低壓功率驅(qū)動(dòng)接口 高低壓驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)思想是，不論電機(jī)工作頻率如何，均利用高電壓 UH 供電來(lái)提高導(dǎo)通相繞組的電流前沿，而在前沿過(guò)后 ，用低電壓 UL 來(lái)維持繞組的電流。這一作用同樣改善了驅(qū)動(dòng)器的高頻性能，而且不必再串聯(lián)電阻 Rs，消除了附加損耗。高低壓驅(qū)動(dòng)功率接口也有兩個(gè)輸入控制信號(hào) Uh 和 Ul，它們應(yīng)保持同步，且前沿在同一時(shí)刻跳變，高壓管 VTH 的導(dǎo)通時(shí)間 tl 不能太大，也不能太小，太大時(shí)，電機(jī)電流過(guò)載；太小時(shí)，動(dòng)態(tài)性能改善不明顯。一般可取 1~3ms。（當(dāng)這個(gè)數(shù)值與電機(jī)的電氣時(shí)間常數(shù)相當(dāng)時(shí)比較合適）。 高低壓驅(qū)動(dòng)電路如下圖所示： 圖 高低 壓驅(qū)動(dòng)接口 電路圖 高低壓驅(qū)動(dòng)法是目前普遍應(yīng)用的一種方法，由于這種驅(qū)動(dòng)在低頻時(shí)電流有較大的上沖，電動(dòng) 機(jī)低頻噪聲較大，低頻共振現(xiàn)象存在，使用時(shí)要注意。 畢業(yè)論文 10 第 四 章 步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)組成 圖 用微型機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)原理系統(tǒng)圖 與傳統(tǒng)步進(jìn)控制器相比較有以下優(yōu)點(diǎn)： 1. 用微型機(jī)代替了步進(jìn)控制器把并行二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成串行脈沖序列，并實(shí)現(xiàn)方向控制。 2. 只要負(fù)載是在步進(jìn)電機(jī)允許的范圍之內(nèi)，每個(gè)脈沖將使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的步距角度。 3. 根據(jù)步距角的大小及實(shí)際走的步數(shù)，只要知道初始位置，便可知道步進(jìn)電機(jī)的最終位置。 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理 脈沖序 列的生成 圖 脈沖的生成 脈沖幅值 ： 由數(shù)字元件電平?jīng)Q定。 畢業(yè)論文 11 TTL 0 ～ 5V CMOS 0 ～ 10V 接通和斷開(kāi)時(shí)間可用延時(shí)的辦法控制。要求：確保步進(jìn)到位。 方向控制 步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與 內(nèi)部繞組的通電順序相關(guān)。 三相六拍，通電順序?yàn)?: 正轉(zhuǎn) : A?AB?B?BC?C?CA 反轉(zhuǎn) : A?AC?C?CB?B?BA 改變通電順序可以改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向 脈沖分配 實(shí)現(xiàn)脈沖分配（也就是通電換相控制）的方法有兩種：軟件法和硬件法 通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)脈沖分配 軟件法是完全用軟件的方式，按照給定的通電換相順序，通過(guò)單片機(jī)的 IO向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出控制脈沖，下面以三相六拍為例 上面提到了 三相六拍工作方式通電換相得正序?yàn)?AABBBCCCAA,，反序?yàn)?AACCCBBBAA 圖 用軟件實(shí)現(xiàn)脈沖分配的接口示意圖 注： ： A 相驅(qū)動(dòng) ： B 相驅(qū)動(dòng) ： C 相驅(qū)動(dòng) 三相六拍控制字如下表所示： 表 三相六