【正文】 步進電動機的控制 第 3章 內(nèi)容提要 第 1節(jié) 步進電動機的工作原理及驅(qū)動方法 第 2節(jié) 步進電動機的開、閉環(huán)控制 第 3節(jié) 步進電動機的最佳點 位控制 第 4節(jié) 步進電動機控制的程序設(shè)計 引 言 ? 步進電動機 主要用于開環(huán)控制系統(tǒng) ，也可以用于閉環(huán)控制系統(tǒng)。 ? 由于它可以 直接接收計算機輸出的數(shù)字信號，而不需要進行數(shù) /模轉(zhuǎn)換，所以廣泛應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)。 ? 步進電機 角位移與控制脈沖間精確同步 ，若將角位移的改變轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性位移、位置、體積、流量等物理量的變化，便可實現(xiàn)對它們的控制。（例如，在機械結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)電壓和電流，實現(xiàn)對執(zhí)行機構(gòu)的控制。） ? 步進電動機具有 快速啟停 、 精確步進 的特點，使其在定位場合中得到了廣泛的應(yīng)用。 (如繪圖機、打印機及光學(xué)儀器中，采用步進電動機來定位繪圖筆、印字頭或光學(xué)鏡頭。在工業(yè)過程控制的位置控制系統(tǒng)中應(yīng)用也越來越廣泛。 ) 第 1節(jié) 步進電動機的工作原理及驅(qū)動方法 ? 步進電動機是一種將 電脈沖 信號變換成相應(yīng)的 角位移或直線位移 的機電執(zhí)行元件。相當(dāng)于一個數(shù)字 /角度轉(zhuǎn)換器，也是一個串行的數(shù) /模轉(zhuǎn)換器。輸入一個電脈沖，電動機就轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為 “ 一步 ” ，這個固定的角度稱為步距角。 ? 控制信號是脈沖電壓、電流，所以有時也稱為 脈沖電動機或 電脈沖馬達(dá) 。 1. 電機輸出軸的 角位移與輸入脈沖數(shù)成正比 ； 轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比；轉(zhuǎn)向與通電相序有關(guān) 。沒有累積誤差，具有良好的跟隨性。 2. 由步進電機與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既簡單、廉價，又非常可靠。同時，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 3. 步進電機的動態(tài)響應(yīng)快，易于起停、正反轉(zhuǎn)、變速。 4. 步進電機存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對控制系統(tǒng)和機械負(fù)載采取相應(yīng)的措施。 5. 步進電機自身的噪聲和振動較大，帶慣性負(fù)載的能力較差。 步進電動機有如下特點： ： 分為旋轉(zhuǎn)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。 ： 分為反應(yīng)式 (磁阻式 )、電磁式、永磁式、永磁感應(yīng)式（混合式）步進電機。 ： 分為功率式和伺服式。前者輸出轉(zhuǎn)矩較大，能直接帶動較大的負(fù)載；后者輸出轉(zhuǎn)矩較小，只能帶動較小的負(fù)載，對于大負(fù)載需通過液壓放大元件來傳動。 ： 分為單段式（徑向式）、多段式（軸向式）、印刷繞組式。 ： 分為三相、四相、五相、六相等。 ： 分為高頻步進電機和低頻步進電機。 不同類型步進電機其工作原理、驅(qū)動裝置也不完全一樣，但其工作過程基本是相同的。 一、步進電動機的種類 ? 步進電動機的工作原理是基于電磁感應(yīng)原理。 ? 步進電動機和一般旋轉(zhuǎn)電動機一樣，分為定子和轉(zhuǎn)子兩大部分。 定子 由硅鋼片疊成，配以一定相數(shù)的控制繞組，輸入電脈沖對多相定子繞組輪流進行勵磁； 轉(zhuǎn)子 用硅鋼片疊成或用軟磁性材料做成凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子本身沒有勵磁繞組的稱為“ 反應(yīng)式 ”步進電動機；用永久磁鐵做轉(zhuǎn)子的稱為“ 永磁式 ”步進電動機； 兼有永磁式和反應(yīng)式兩種步進電機的特點，稱為混合式步進電機。目前以反應(yīng)式步進電動機用得較多。 二、步進電動機的工作原理 （一）反應(yīng)式步進電機的結(jié)構(gòu) （徑向式）三相反應(yīng)式步進電機的結(jié)構(gòu)原理圖 主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。 ? 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。定子繞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齒上的線圈串聯(lián)在一起，構(gòu)成一相控制繞組。圖中所示的步進電機為 A、 B、 C三相控制繞組，故稱為三相步進電機。當(dāng)任一相繞組通電時，便形成一對定子磁極，即形成 N、 S極。 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，齒槽等寬，齒間夾角為 9176。 ，在空間位置上依次錯開1/3齒距其展開圖如圖所示。 圖 31 單段式反應(yīng)式步進電動機 結(jié)構(gòu)原理圖 ? 轉(zhuǎn)子 是一個帶齒的鐵芯，轉(zhuǎn)子上沒有繞組，轉(zhuǎn)子上均勻分布了 40個小齒，齒槽等寬，齒間夾角也是 9176。 ，與定子磁極上的小齒一致。當(dāng)定子 A相磁極上的小齒與轉(zhuǎn)子上的小齒對齊時，定子 B相磁極上的小齒剛好超前 (或滯后 )轉(zhuǎn)子小齒 1/3齒距角，定子 C相磁極上的小齒超前 (或滯后 )轉(zhuǎn)子小齒 2/3齒距角。 11 步進電機 A相通電狀態(tài) （ 近似于電磁鐵的工作原理） 三相單三拍工作方式： 如圖轉(zhuǎn)子上有四個均勻分布的齒 4。當(dāng) A相通電 ，B、 C都不通電，因磁通總是要沿著磁阻最少的路徑閉合，將使轉(zhuǎn)子齒 3吸引到定子磁極 A、 A’下，并對齊，圖 (a),因轉(zhuǎn)子只受到徑向力而無切向力，故轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子被自鎖在這個位置 ； 當(dāng) B相繞組通電 ， A、 C相不通電，將使轉(zhuǎn)子齒 4和定子磁極 B、 B’對齊，在電磁力矩的作用下使轉(zhuǎn)子沿逆時針方向轉(zhuǎn)過30176。 ，圖 (b)； C相通電 ， A、 B相斷電，又使轉(zhuǎn)子齒 3和定子磁極 C、 C39。對齊，在電磁力矩的作用下使轉(zhuǎn)子再沿著逆時針方向轉(zhuǎn)過 30176。 ，圖 (C)。若使定子繞組按 ABCA…… 的順序通電，則步進電機轉(zhuǎn)子便不停地沿逆時針方向轉(zhuǎn)動。如果定子繞組的通電順序為 ACBA…… 則步進電機轉(zhuǎn)子沿順時針方向轉(zhuǎn)動。 要點：磁力線力圖走磁阻最小的路徑，從而產(chǎn)生反應(yīng)力矩； 各相定子齒之間彼此錯開 1/m齒距， m為相數(shù)，這里 m=3。 磁力線：外邊是從 N極指向 S極。 三相單三拍工作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，磁場的消失或建立均需一定時間，因此， 切換期間容易使電機產(chǎn)生失步 。 此外， 由單一繞組通電吸引轉(zhuǎn)子，也容易使轉(zhuǎn)子在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩， 運行的穩(wěn)定性較差，所以很少采用。 ? 三相雙三拍工作方式： 為了克服以上不足，通常將其改為三相 雙 三拍通電方式，即按 ABBCCAAB…… 方式通電，可使電機正轉(zhuǎn)；反之按 ABACBCAB…… 方式通電，可使電機反轉(zhuǎn)。這種工作方式每個通電狀態(tài)均為兩相繞組同時通電，且相鄰的兩個工作節(jié)拍中總有一相保持通電的狀態(tài)不變，因此，可避免三相單三拍工作方式的失步和低頻振蕩等現(xiàn)象。三相雙三拍工作方式下，每改變一次通電狀態(tài)可使步進電機旋轉(zhuǎn) 30176。 。 ? 三相六拍工作方式： 為減小每改變一次通電狀態(tài)使步進電機所轉(zhuǎn)過的角度，而采用三相六拍通電方式。即按 AABBBCCCAA… 方式通電，使電機正轉(zhuǎn)；反之，按 AACCBCBABA…… 方式通電，使電機反轉(zhuǎn)。三相六拍工作方式除具有三相雙三拍的特點外，還可使步進電機每改變一次通電狀態(tài)僅旋轉(zhuǎn) 15176。 。 通電方式 : 從一相通電改換成另一相通電，即通電方式改變一次叫“ 一拍 ” 。步進電動機有 單相輪流通電 、 雙相輪流通電 和 單雙相輪流通電 的方式。 圖 32 三段三相反應(yīng)式步進電動機結(jié)構(gòu)原理圖 ? 前面介紹的 單段 反應(yīng)式步進電機是按徑向分相的，此外，還有一種反應(yīng)式步進電機是按 軸向分相 ，這種步進電機又稱為 多段 反應(yīng)式步進電機。 ? 多段反應(yīng)式步進電機是沿軸向分成磁性相對獨立的幾段，每一段都有一組勵磁繞組，形成一相，因此，三相電動機有三段，其結(jié)構(gòu)如圖 32所示。 這種反應(yīng)式步進電動機的步距角較大，不適合一般用途的要求。 圖 31所示為三相反應(yīng)式步進電動機。設(shè) m為相數(shù) ， z為轉(zhuǎn)子的齒數(shù) 則 齒距 ： 因為每通電一次（即運行一拍），轉(zhuǎn)子就走一步，各相繞組輪流通電一次，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個齒距。故 步距角 ： z360tb??z360KmKmb???? 齒距拍數(shù)齒距? K定子繞組通電方式系數(shù)。相鄰兩次通電的相數(shù)一樣，取 K=l，如三相單三拍、三相雙三拍工作方式；反之，取 K=2，如三相單雙六拍工作方式。（拍數(shù) /相數(shù)） ? 若步進電動機的轉(zhuǎn)子齒數(shù) z=40，按三相單三拍運行時， K=1， m=3： ? 若按五相十拍運行時，則 K=2， m=5， z=40： ? 可見，步進電動機的相數(shù)和轉(zhuǎn)子齒數(shù)越多，步距角就越小，控制越精確。故步進電動機可以做成三相，也可以做成 二相、四相、五相、六相或更多相數(shù)。 ???? ?? 34031 360b????? ?? 360b?? 若步進電動機通電的脈沖頻率為 ?(脈沖數(shù) /秒 )，步距角用弧度表示，則 步進電動機的轉(zhuǎn)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(shù)和轉(zhuǎn)子齒數(shù)越多，轉(zhuǎn)速就越低。 而且相數(shù)越