【正文】 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制 第 3章 內(nèi)容提要 第 1節(jié) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法 第 2節(jié) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)、閉環(huán)控制 第 3節(jié) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最佳點(diǎn) 位控制 第 4節(jié) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制的程序設(shè)計(jì) 引 言 ? 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 主要用于開(kāi)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(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)，而不需要進(jìn)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(jìn)電機(jī) 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(shí)現(xiàn)對(duì)它們的控制。（例如，在機(jī)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(dòng)螺旋定位器，調(diào)節(jié)電壓和電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。） ? 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有 快速啟停 、 精確步進(jìn) 的特點(diǎn)，使其在定位場(chǎng)合中得到了廣泛的應(yīng)用。 (如繪圖機(jī)、打印機(jī)及光學(xué)儀器中，采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)定位繪圖筆、印字頭或光學(xué)鏡頭。在工業(yè)過(guò)程控制的位置控制系統(tǒng)中應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。 ) 第 1節(jié) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法 ? 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將 電脈沖 信號(hào)變換成相應(yīng)的 角位移或直線位移 的機(jī)電執(zhí)行元件。相當(dāng)于一個(gè)數(shù)字 /角度轉(zhuǎn)換器，也是一個(gè)串行的數(shù) /模轉(zhuǎn)換器。輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱(chēng)為 “ 一步 ” ，這個(gè)固定的角度稱(chēng)為步距角。 ? 控制信號(hào)是脈沖電壓、電流，所以有時(shí)也稱(chēng)為 脈沖電動(dòng)機(jī)或 電脈沖馬達(dá) 。 1. 電機(jī)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(méi)有累積誤差，具有良好的跟隨性。 2. 由步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既簡(jiǎn)單、廉價(jià)，又非?？煽俊Ｍ瑫r(shí)，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(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于起停、正反轉(zhuǎn)、變速。 4. 步進(jìn)電機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對(duì)控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)的措施。 5. 步進(jìn)電機(jī)自身的噪聲和振動(dòng)較大，帶慣性負(fù)載的能力較差。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有如下特點(diǎn)： ： 分為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)、平面運(yùn)動(dòng)（印刷繞組式）和滾切運(yùn)動(dòng)式步進(jìn)電機(jī)。 ： 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(jìn)電機(jī)。 ： 分為功率式和伺服式。前者輸出轉(zhuǎn)矩較大，能直接帶動(dòng)較大的負(fù)載；后者輸出轉(zhuǎn)矩較小，只能帶動(dòng)較小的負(fù)載，對(duì)于大負(fù)載需通過(guò)液壓放大元件來(lái)傳動(dòng)。 ： 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(jìn)電機(jī)和低頻步進(jìn)電機(jī)。 不同類(lèi)型步進(jìn)電機(jī)其工作原理、驅(qū)動(dòng)裝置也不完全一樣，但其工作過(guò)程基本是相同的。 一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類(lèi) ? 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理是基于電磁感應(yīng)原理。 ? 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和一般旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)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(duì)多相定子繞組輪流進(jìn)行勵(lì)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(méi)有勵(lì)磁繞組的稱(chēng)為“ 反應(yīng)式 ”步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；用永久磁鐵做轉(zhuǎn)子的稱(chēng)為“ 永磁式 ”步進(jìn)電動(dòng)機(jī)； 兼有永磁式和反應(yīng)式兩種步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)，稱(chēng)為混合式步進(jìn)電機(jī)。目前以反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)用得較多。 二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 （一）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu) （徑向式）三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)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(gè)均勻分布的極，每?jī)蓚€(gè)為一對(duì)。定子繞組是繞置在定子上的六個(gè)均勻分布鐵芯齒上的線圈，它把沿直徑方向上相對(duì)的兩個(gè)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(jìn)電機(jī)為 A、 B、 C三相控制繞組，故稱(chēng)為三相步進(jìn)電機(jī)。當(dāng)任一相繞組通電時(shí)，便形成一對(duì)定子磁極，即形成 N、 S極。 在定子的每個(gè)磁極上，即定子鐵芯的每個(gè)齒上又開(kāi)了五個(gè)小齒，齒槽等寬，齒間夾角為 9176。 ，在空間位置上依次錯(cuò)開(kāi)1/3齒距其展開(kāi)圖如圖所示。 圖 31 單段式反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 結(jié)構(gòu)原理圖 ? 轉(zhuǎn)子 是一個(gè)帶齒的鐵芯，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組，轉(zhuǎn)子上均勻分布了 40個(gè)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(duì)齊時(shí)，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(jìn)電機(jī) 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(gè)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(duì)齊，圖 (a),因轉(zhuǎn)子只受到徑向力而無(wú)切向力，故轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子被自鎖在這個(gè)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(duì)齊，在電磁力矩的作用下使轉(zhuǎn)子沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)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(duì)齊，在電磁力矩的作用下使轉(zhuǎn)子再沿著逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò) 30176。 ，圖 (C)。若使定子繞組按 ABCA…… 的順序通電，則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子便不停地沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。如果定子繞組的通電順序?yàn)?ACBA…… 則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。 要點(diǎn)：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(cuò)開(kāi) 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(shí)，由于電機(jī)繞組是電感性元件，磁場(chǎng)的消失或建立均需一定時(shí)間，因此， 切換期間容易使電機(jī)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(yùn)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(jī)正轉(zhuǎn)；反之按 ABACBCAB…… 方式通電，可使電機(jī)反轉(zhuǎn)。這種工作方式每個(gè)通電狀態(tài)均為兩相繞組同時(shí)通電，且相鄰的兩個(gè)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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)所轉(zhuǎn)過(guò)的角度，而采用三相六拍通電方式。即按 AABBBCCCAA… 方式通電，使電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之，按 AACCBCBABA…… 方式通電，使電機(jī)反轉(zhuǎn)。三相六拍工作方式除具有三相雙三拍的特點(diǎn)外，還可使步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖 ? 前面介紹的 單段 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)是按徑向分相的，此外，還有一種反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)是按 軸向分相 ，這種步進(jìn)電機(jī)又稱(chēng)為 多段 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。 ? 多段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)是沿軸向分成磁性相對(duì)獨(dú)立的幾段，每一段都有一組勵(lì)磁繞組，形成一相，因此，三相電動(dòng)機(jī)有三段，其結(jié)構(gòu)如圖 32所示。 這種反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jìn)電動(dòng)機(jī)。設(shè) m為相數(shù) ， z為轉(zhuǎn)子的齒數(shù) 則 齒距 ： 因?yàn)槊客娨淮危催\(yùn)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(guò)一個(gè)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(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù) z=40，按三相單三拍運(yùn)行時(shí)， K=1， m=3： ? 若按五相十拍運(yùn)行時(shí)，則 K=2， m=5， z=40： ? 可見(jiàn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jìn)電動(dòng)機(jī)通電的脈沖頻率為 ?(脈沖數(shù) /秒 )，步距角用弧度表示，則 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 ： ? 由上式可知， 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在一定脈沖頻率下，電動(dòng)機(jī)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