【正文】 對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過 1/3π，此時齒 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 對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過 1/3π，此時齒 4 與 A 偏移為 1/3π對齊。 如 A 相通電， B， C 相不通電，齒 4與 A 對齊，轉(zhuǎn)子又向右移過 1/3π 這樣經(jīng)過 A、 B、 C、 A 分別通電狀態(tài)，齒 4（即齒 1 前一齒）移到 A 相，電機轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距，如果不斷地按 A，B， C， A…… 通電，電機就每步（每脈沖） 1/3π,向右旋轉(zhuǎn)。如按 A， C， B， A……通電，電機就反轉(zhuǎn)。 由此可見：電機的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。 不過，出于對力矩、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)，這樣將原來每步 1/3π改變?yōu)?1/6π。甚至于通過二相電流不同的組合，使其 1/3π變?yōu)?/12π， 1/24π，這就是電機細(xì)分驅(qū) 動的基本理論依據(jù)。 不難推出：電機定子上有 m 相勵磁繞阻，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就能正反轉(zhuǎn)被控制 ——這是旋轉(zhuǎn)的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。 工作方式（三相） 1. 單三拍： 通電順序為 A?B?C ； 2. 雙三拍 ：通電順序為 AB?BC?CA ； 3. 三相六拍 ：通電順序為 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)式步進電機三種工作方式的性能比較 工作方式 單三拍 雙三拍 六拍 步進周期 T T T 畢業(yè)論文 5 每相通電時間 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，在步進電機的控制應(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。 步進電機的常用術(shù)語 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：指每給一個電脈沖信號電動機轉(zhuǎn)子所應(yīng)轉(zhuǎn)過的角度的理論值。 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 ： 步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差 /步距角 *100%。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應(yīng)在 5%之內(nèi)，八拍運行時應(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 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. 最大空載的運行頻率： 電機在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。 7. 最大空載起動頻率： 電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。 8. 響應(yīng)頻率： 在某一頻率范圍內(nèi)步進電機可以任意運行而不會丟失一步，則這一最大頻率稱為響應(yīng)頻率。 9. 運行頻率： 指拖動一定負(fù)載使頻率連續(xù)上升時，步進電機能不失步運行的極限頻率。 10. 單步響應(yīng)： 指步進電機在帶電不動的情況下，改變一次脈沖電壓，轉(zhuǎn)子由起動到停止的運動軌跡 。 畢業(yè)論文 6 步進電機的振蕩和失步 步進電機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)的正常運行，因此要盡力去避免。 振蕩 步進電機的振蕩現(xiàn)象主要發(fā)生于：步進電機工作在低頻區(qū)，步進電機工作在共振區(qū)，步進電機突然停車時。 當(dāng)步進電機工作在低頻區(qū)時，由于勵磁脈沖間隔的時間較長，步進電機表現(xiàn)為單步運行，當(dāng)勵磁開始時，轉(zhuǎn)子 在電磁力的作用下加速轉(zhuǎn)動，到達平衡點時，電磁驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為零，但轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速最大，由于慣性，轉(zhuǎn)子沖過平衡點，這時電磁力產(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，并開始反向轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)過平衡點后，電磁力又產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，迫使轉(zhuǎn)子又正向轉(zhuǎn)動。如此下去，形成轉(zhuǎn)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(xiàn)為衰弱振蕩，最終穩(wěn)定在平衡點。 當(dāng)步進電機工作在共振區(qū)時，步進電機的脈沖頻率接近步進電機的振蕩頻率 fo 或振蕩頻率的分頻或倍頻，這會使振蕩加劇，嚴(yán)重時造成失步。振蕩失步的過程可描述如下：在第一個脈 沖到來后，轉(zhuǎn)子經(jīng)歷了一次振蕩。當(dāng)轉(zhuǎn)子回擺到最大幅值時，恰好第 2 個脈沖到來，轉(zhuǎn)子受到的電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)回擺，接著第 3 個脈沖到來，轉(zhuǎn)子受正電磁轉(zhuǎn)矩的作用回到平衡點，這樣，轉(zhuǎn)子經(jīng)過 3 個脈沖仍然回到原來位置，也就是丟了三步。 當(dāng)步進電機工作在高頻率區(qū)時，由于換相周期短，轉(zhuǎn)子來不及反沖，同時，繞組中的電流尚未上升到穩(wěn)定值，轉(zhuǎn)子沒有獲得足夠的能量，所以在這個工作區(qū)中不會產(chǎn)生振蕩。 減少步距角可以減少振蕩幅值，以達到削弱振蕩的目的。 失步 電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。 步進電機失步的原因 有 2 種 : 1. 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速慢于旋轉(zhuǎn)磁場的速度 （ 或者說慢于換相速度 ） 。例如，步進電機在啟動時，如果脈沖的頻率較高，由于電動機來不及獲得足夠的能量，使其無法令轉(zhuǎn)子跟上旋轉(zhuǎn)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啟動時，肯定會產(chǎn)生失步。注意，啟動頻率不是一個固定值，提高電動機的轉(zhuǎn)矩、減少負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量、減少步距角都可以提高 步進電機的啟動頻率。 2. 轉(zhuǎn)子的平均速度大于旋轉(zhuǎn)磁場的速度 。這主要發(fā)生在制動和突然換向時，轉(zhuǎn)子獲得過多的能量，產(chǎn)生嚴(yán)重的過沖，引起失步。 畢業(yè)論文 7 阻尼方法 消除振蕩是通過增加阻尼的方法來實現(xiàn)的，主要有機械阻尼法和電子阻尼法兩大類。其中機械阻尼法比較單一，就是在電動機軸上加阻尼器，電子阻尼法則有多種。 1. 多相勵磁法： 采用多相勵磁會產(chǎn)生電磁阻尼，會削弱或消除振蕩現(xiàn)象。 2. 變頻變壓法： 步進電機在高頻和在低頻時轉(zhuǎn)子所獲得的能量不一樣，在低頻時繞組中的電流上升時間長，轉(zhuǎn)子獲得的能量大，因此容易產(chǎn)生振蕩，在高頻時則相反。所以，可以設(shè)計一種電路，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)分步法是將步進電機繞組中 的穩(wěn)定電流分成若干階段，每進一步時，電流升一級。同時，也相對地提高步進頻率，使步進過程平穩(wěn)進行。 4. 反相阻尼法 ：這種方法用于步進 電機制動，在步進電機轉(zhuǎn)子要過平衡點之前，加一個反向作用力去平衡慣性力，使轉(zhuǎn)子到達平衡點時速度為零，實現(xiàn)準(zhǔn)確制動。 第 三 章 步進電機的驅(qū)動 步進電動機 不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進電動機 驅(qū)動器，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動單元、保護單元等組成。驅(qū)動單元與 步進電動機 直接耦合，也可理解成 步進電動機 微機控制器的功率接口， 這里予以簡單介紹。 單電壓功率驅(qū)動接口 單電壓驅(qū)動是指電動機繞組在工作時，只用一個電壓電源對繞組供電，它的特點是電路最簡單。 步進電機使用脈沖電源工作，脈沖電源的獲得可通過下圖說明，開關(guān)管 T是按照控制脈沖的規(guī)律 “開 ”和 “關(guān) ”，使直流電源以脈沖方式向繞組 L 供電，這一過程我們稱為步進電機的驅(qū)動。 實用電路如下圖所示。在電機繞組回路中串有電阻 Rs，使電機回路時間常數(shù)減小，高頻時電機能產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩，還能緩解電機的低頻共振現(xiàn)象，但它引起附加的損耗。一般情況下，簡單單電壓驅(qū)動線路中， Rs 是不可缺 少的。Rs 對 步進電動機 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)動接口 電路圖 在 圖 中 ，電路中只有一個電源 V，電路中的限流電阻 R1 決定了時間常數(shù)，但 R1 太大會使繞組供電電流減小。這一矛盾不能解決時，會使電動機的高頻性能下降，可在 R1 兩端并聯(lián)一個電容，以使電流的上升波形變陡，來改善高頻特性，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 個電路損耗大，效率低，一般只用于小功率步進電機的驅(qū)動。 雙電壓功率驅(qū)動接口 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。雙電壓驅(qū)動有兩種工作方式：雙電壓法和高低壓法。 雙電壓驅(qū)動的基本思路是在較低（低頻段）用較低的電壓 UL 驅(qū)動，而在高速（高頻段）時用較高的電壓 UH 驅(qū)動。這種功率接口需要兩個控制信號，Uh 為高壓有效控制信號， U 為脈沖調(diào)寬驅(qū)動控制信號。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 對繞組供電。反之 Uh 高電平， TH 導(dǎo)通， DL 反偏，高電壓 UH 對繞組供電。這種電路可使電機在高頻段也有較大出力，而靜止鎖定時功耗減小。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)動的特點，在高頻段具有良好的高頻特性，但仍沒有擺脫單電壓驅(qū)動的弱點，在限流電阻 R 上仍然會產(chǎn)生損耗和發(fā)熱。 高低壓功率驅(qū)動接口 高低壓驅(qū)動的設(shè)計思想是，不論電機工作頻率如何，均利用高電壓 UH 供電來提高導(dǎo)通相繞組的電流前沿，而在前沿過后，用低電壓 UL 來維持繞組的電流。這一作用同樣改善了驅(qū)動器的高 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)動功率接口也有兩個輸入控制信號 Uh 和 Ul，它們應(yīng)保持同步，且前沿在同一時刻跳變，高壓管 VTH 的導(dǎo)通時間 tl 不能太大，也不能太小，太大時，電機電流過載；太小時，動態(tài)性能改善不明顯。一般可取 1~3ms。（當(dāng)這個數(shù)值與電機的電氣時間常數(shù)相當(dāng)時比較合適）。 高低壓驅(qū)動電路如下圖所示： 圖 高低 壓驅(qū)動接口 電路圖 高低壓驅(qū)動法是目前普遍應(yīng)用的一種方法，由于這種驅(qū)動在低頻時電流有較大的上沖，電動機低頻噪聲較大，低頻共振現(xiàn)象存在，使用時要注意。 畢業(yè)論文 10 第 四 章 步進電機的單片機控制 步進電機控制系統(tǒng)組成 圖 用微型機控制步進電機原理系統(tǒng)圖 與傳統(tǒng)步進控制器相比較有以下優(yōu)點： 1. 用微型機代替了步進控制器把并行二進制碼轉(zhuǎn)換成串行脈沖序列，并實現(xiàn)方向控制。 2. 只要負(fù)載是在步進電機允許的范圍之內(nèi)，每個脈沖將使電機轉(zhuǎn)動一個固定的步距角度。 3. 根據(jù)步距角的大小及實際走的步數(shù)，只要知道初始位置，便可知道步進電機的最終位置。 步進電機控制系統(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 接通和斷開時間可用延時的辦法控制。要求：確保步進到位。 方向控制 步進電機旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)部繞組的通電順序相關(guān)。 三相六拍，通電順序為 : 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電機的轉(zhuǎn)向 脈沖分配 實現(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 通過軟件實現(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，通過單片機的 IO向驅(qū)動電路發(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為 AABBBCCCAA,，反序為 AACCCBBBAA 圖 用軟件實現(xiàn) 脈沖分配的接口示意圖 注： ： A 相驅(qū)動 ： B 相驅(qū)動 ： C 相驅(qū)動 三相六拍控制字如下表所示： 表 三