【文章內容簡介】 就可以省掉專用的步進電機驅動器，降低硬件成本。但由于 PLC的掃描周期一般為但由于 PLC 的掃描周期一般為幾毫秒到幾十毫秒，相應的頻率只能達到幾百赫茲，因此，受到 PLC 工作方式的限制及其掃描周期的影響，步進電機不能在高頻下工作，無法實 現高速控制。并且在速度較高時，由于受到掃描周期的影響，相應的控制精度就降低了。 步進電機驅動技術基本類型 步進電動機上個世紀就出現了，它的組成、工作原理和今天的反應式步進電動機沒有什么本質區(qū)別，也是依靠氣隙間的磁導變化來產生電磁轉矩。上世紀 80年代以后，由于廉價的微型計算機以多功能的姿態(tài)出現，步進電動機的控制方式變得更加靈活多樣。步進電機驅動技術指的是用步進電機驅動器的驅動級來實現對步進電機各相繞組的通電和斷電，同時也是對繞組承受的電壓和電流進行控制的技術。到目前為止，步進電機驅動技術通常分為單 電壓驅動、單電壓串電阻驅動、高低壓驅動、斬波恒流驅動、升頻升壓驅動和細分驅動等。 單電壓驅動是通過改變電路的時間常數以提高電機的高頻特性。該驅動方式早在六十年代初期國外就已大量使用，它的優(yōu)點是結構簡單、成本低 。缺點是串接 電阻器的做法將產生大量的能量損耗，尤其是在高頻工作時更加嚴重，因而它適用于小功率或對性能指標要求不高的步進電機驅動。單電壓串電阻驅動是在單電壓驅動技術的基礎上為電樞繞組回路串入電阻，用以改善電路的時間常數以提高電機的高頻特性。它提高了步進電機的高頻響應、減少了電動機的共振，也帶來了損耗 大、效率低的缺點。這種驅動方式目前主要用于小功率或啟動、運行頻率要求不高的場合。 高低壓驅動是指不論電動機的工作頻率是多少，在導通相的前沿用高電壓供電來提高電流的上升沿斜率，而在前沿過后采用低電壓來維持繞組的電流，即采用加大繞組電流的注入量以提高出力，而不是通過改善電路的時間常數來使矩頻性能得 以提高。但是使用這種驅動方式的電機，其繞組的電流波形在高壓工作 束和低壓工作開始的銜接處呈凹形，致使電機的輸出力矩有所下降。這種驅動方式目前在實際應用中還比較常見。 為了彌補高低壓電路中電流波形的下凹，提高輸出轉矩，七十 年代中期研制出斬波電路，該電路由于采用斬波技術，使繞組電流在額定值上下成鋸齒形波動，流過繞組的有效電流相應增加，故電機的輸出轉矩增大，而且不需外接電阻，整個系統(tǒng)的功耗下降，效率較高，因而恒流斬波電路得到了廣泛應用，本文正是應用恒流斬波技術實現了驅動控制。 為改善恒流驅動方式的低頻特性，設計一個低速時低電壓驅動，高速時高電壓驅動的電路，使其成為一個由脈沖頻率控制的可變輸出電壓的開關穩(wěn)壓驅動電源。在低速運行時，電子控制器調節(jié)功率開關管的導通角，使線路輸出的平均電壓較低，電動機不會像在恒流斬波驅動下那樣在低速容易 出現過沖或共振現象，從而避免產生明顯的振蕩。當運行速度逐漸變快時，平均電壓漸漸提高以提供給繞組足夠的電流。調頻調壓線路性能優(yōu)于恒電壓和恒電流線路，但實際運行中需要針對不同參數的電機，相應調整其輸出電壓與輸入頻率的特性。 細分驅動是指在每次脈沖切換時，不是將繞組的全部電流通入或切除，而是只改變相應繞組中電流的一部分，電動機的合成磁勢也只旋轉步距角的一部分。細分驅動時，繞組電流不是一個方波而是階梯波，額定電流是臺階式的投入或切除?？梢哉f細分驅動技術是步進電動機驅動與控制技術的一個 飛躍 。 第二章 基于單片機的步進 電機控制系統(tǒng)的硬件設計 步進電機控制原理 步進電機的特點 目前，隨著電子技術、控制技術以及電動機本體的發(fā)展和變化，傳統(tǒng)電機分類間的界面越來越模糊。就傳統(tǒng)的步進電機來說，步進電機可以簡單地定義為 :根據輸入的脈沖信號，每改變一次勵磁狀態(tài)就前進一定角度或長度，若不改變勵磁狀態(tài)則保持一定位置而靜止的電動機。從廣義上講，步進電機是一種受電脈沖信號控制的無刷直流電動機，也可看作是在一定頻率范圍內轉速與脈沖頻率同步的同步電動機。步進電機具有其自身的特色，歸納起來有 : ，整個系統(tǒng)簡單廉價 。 ，不必進行數模轉換，使用方便。 ，步距誤差不長期積累，可以組成結構較為簡單而又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，也可以要求更高精度時組成閉環(huán)控制系統(tǒng) 。 ，電動機本體部件少，可靠性高 。 、停止、正反轉及變速，響應性也好 。 ，可有自鎖功能 。 ，可在幾十角分至 180 度大范圍內選擇。在小步距情況下，通?？梢栽诔退傧乱愿咿D矩運行，因而可以不經減速器直接驅動負載工作 。 。 同時用一臺控制器控制幾臺步進電機可使它們完全同步運行 。 步進電機的分類 步進電動機的種類很多，從廣義上講，步進電機的類型分為機械式、電磁式和組合式三大類型。按結構特點電磁式步進電機可分為反應式 (VR)、永磁式 (PM)和混合式 (HB)三大類 。按相數分則可分為單相、兩相和多相三種。目前使用最為廣泛的為反應式和混合式步進電機。 (l)反應式步進電機（ Variable Reluctance,簡稱 VR）反應式步進電機的轉子是 由軟磁材料制成的，轉子中沒有繞組。它的結構 簡單，成本低，步距角可以做得很小，但動態(tài)性能較差。反應式步進電機有單段式和多段式兩種類型 。 (2)永磁式步進電機（ Permanent Mag,簡稱 PM）永磁式步進電機的轉子是用永磁材料制成的，轉子本身就是一個磁源。轉子的極數和定子的極數相同，所以一般步距角比較大。它輸出轉矩大，動態(tài)性能好，消耗功率小 (相比反應式 )，但啟動運行頻率較低，還需要正負脈沖供電 。 (3)混合式步進電機 (Hybrid，簡稱 HB)混合式步進電機綜合了反應式和永磁式兩者的優(yōu)點?；旌鲜脚c傳統(tǒng)的反應式相比，結構上轉子加有永磁體，以提供軟 磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉過程中比較平穩(wěn)、噪聲低、低頻振動小。這種電動機最初是作為一種低速驅動用的交流同步機設計的，后來發(fā)現如果各相繞組通以脈沖電流，這種電動機也能做步進增量運動。由于能夠開環(huán)運行以及控制系統(tǒng)比較簡單，因此這種電機在工業(yè)領域中得到廣泛應用。 由于本設計的設計目的更注重整個系統(tǒng)的有機結合，所以只采用反應式步進電機。 反應式步進電機 的工作原理 圖 反應式步進電機的結構示意圖 圖 是反應式步進電動機結構示意圖，它的定子具有均勻分布的六個磁極，磁極上有繞組。兩個相對的磁極組成一組，連法如圖所示。 下面介紹反應式步進電動機單 、 雙六拍通電方式的基本原理。反應式步進電動機的工作原理是利用物理上的“磁通總是力圖使自己所通過的路徑的磁阻最小”所產生的磁阻轉矩，使電機一步 一 步轉動的。以三相反應式步進電動機為例。 圖 單、雙六拍通電時轉子位置 單、雙六拍通電方式的基本原理如下： 設 A 相首先通電，轉子齒與定子 A、 A39。 對齊（圖 （ a））。然后再 A 相繼續(xù)通電的情況下接通 B 相。這時定子 B、 B39。 極對轉子齒 4 產生磁拉力，使轉子順時針方向轉動，但是 A、 A39。 極繼續(xù)拉住齒 3，因此，轉子轉到兩個磁拉力平衡為止。這時轉子的位置如圖（ b）所示，即轉子從圖 （ a）位置順時針轉過了 15176。接著 A 相斷電， B 相繼續(xù)通電。這時轉子 齒 4 和定子 B、 B39。 極對齊，（圖 （ c）），轉子從圖 （ b）又轉過了 15176。其位置如圖 （ d）所示。這樣，如果按 A A、 B B B、 C C C、 A A??的順序輪流通電，則轉子遍順時針方向一步一步地轉動，步距角為 15176。 電流換接六次，磁場旋轉一 周，轉子前進了一個齒距角。如果按 A A、 C C C、 B B B、 A A??的順序通電，則電機轉子逆時針轉動。這種通電方式稱為單、雙六拍方式。 步進電 機的主要特性 1）步距角 步距角 ? 是決定步進式伺服系統(tǒng)脈沖當量的重要參數。步距角越小，脈沖量越小，控制精度就越高。步距角 ? ： 360mzk? ?? 式中： m —— 定子繞組的相數 z —— 轉子的齒數 k—— 步進電機的通電方式，為 m 相 m 拍時， k =1；為 m 相 2m 拍時， k =2；依此類推。 2） 每一齒距的空間角（也稱齒間夾角）為： 360zrZ??? 式中 rZ 為轉子齒數。 3） 每一極距的空間角（也稱極間夾角）為： 3602m?? ?? 式中 m 為步進電機相數。 4） 每一極距所占的齒數為 2rZm 5） 轉子齒數 rZ 應符合以下條件， 2 ( 1 )rZ p K m?? 式中 K —— 正 整數； 2p —— 反應式步進電動機的定子磁極數； m —— 定子相數。 圖 步進電機各相定子與轉子的齒距對應關系 實際步進電機的定子磁極與轉子圓周上都有齒，如圖 所示。定子磁極的齒距與轉子的齒距相同，只是定子磁極的齒依次