步进电动机的控制(I)

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1、步进电动机的控制第3章1内容提要第1节步进电动机的工作原理及驱动方法第2节步进电动机的开、闭环控制第3节步进电动机的最佳点-位控制第4节步进电动机控制的程序设计2引言步进电动机主要用于开环控制系统，也可以用于闭环控制系统。由于它可以直接接收计算机输出的数字信号，而不需要进行数/模转换，所以广泛应用于数字控制系统。步进电机角位移与控制脉冲间精确同步，若将角位移的改变转变为线性位移、位置、体积、流量等物理量的变化，便可实现对它们的控制。（例如，在机械结构中，可以用丝杠把角度变成直线位移，也可以用它带动螺旋定位器，调节电压和电流，实现对执行机构的控制。）步进电动机具有快速启停、精确步进的特点

2、，使其在定位场合中得到了广泛的应用。(如绘图机、打印机及光学仪器中，采用步进电动机来定位绘图笔、印字头或光学镜头。在工业过程控制的位置控制系统中应用也越来越广泛。)3第1节步进电动机的工作原理及驱动方法步进电动机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件。相当于一个数字/角度转换器，也是一个串行的数/模转换器。输入一个电脉冲，电动机就转动一个固定的角度，称为“一步”，这个固定的角度称为步距角。控制信号是脉冲电压、电流，所以有时也称为脉冲电动机或电脉冲马达。41.电机输出轴的角位移与输入脉冲数成正比；转速与脉冲频率成正比；转向与通电相序有关。没有累积误差，具有良好的跟随

3、性。2.由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既简单、廉价，又非常可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。3.步进电机的动态响应快，易于起停、正反转、变速。4.步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。5.步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。步进电动机有如下特点：51.按运动方式来分：分为旋转运动、直线运动、平面运动（印刷绕组式）和滚切运动式步进电机。2.按工作原理来分：分为反应式(磁阻式)、电磁式、永磁式、永磁感应式（混合式）步进电机。3.按其工作方式来分：分为功率式和伺服式。前者输出转矩较大，能直接带动较大的负载；后者

4、输出转矩较小，只能带动较小的负载，对于大负载需通过液压放大元件来传动。4.按结构来分：分为单段式（径向式）、多段式（轴向式）、印刷绕组式。5.按相数来分：分为三相、四相、五相、六相等。6.按使用频率来分：分为高频步进电机和低频步进电机。不同类型步进电机其工作原理、驱动装置也不完全一样，但其工作过程基本是相同的。一、步进电动机的种类6步进电动机的工作原理是基于电磁感应原理。步进电动机和一般旋转电动机一样，分为定子和转子两大部分。定子由硅钢片叠成，配以一定相数的控制绕组，输入电脉冲对多相定子绕组轮流进行励磁；转子用硅钢片叠成或用软磁性材料做成凸极结构，转子本身没有励磁绕组的称为“反应式”步

5、进电动机；用永久磁铁做转子的称为“永磁式”步进电动机；兼有永磁式和反应式两种步进电机的特点，称为混合式步进电机。目前以反应式步进电动机用得较多。二、步进电动机的工作原理7（一）反应式步进电机的结构1.单段（径向式）三相反应式步进电机的结构原理图主要由定子和转子两部分组成。定子铁芯由硅钢片叠压而成，定子上有六个均匀分布的极，每两个为一对。定子绕组是绕置在定子上的六个均匀分布铁芯齿上的线圈，它把沿直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。图中所示的步进电机为A、B、C三相控制绕组，故称为三相步进电机。当任一相绕组通电时，便形成一对定子磁极，即形成N、S极。在定子的每个磁极

6、上，即定子铁芯的每个齿上又开了五个小齿，齿槽等宽，齿间夹角为9°，在空间位置上依次错开1/3齿距其展开图如图所示。8图3-1单段式反应式步进电动机结构原理图9转子是一个带齿的铁芯，转子上没有绕组，转子上均匀分布了40个小齿，齿槽等宽，齿间夹角也是9°，与定子磁极上的小齿一致。当定子A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，定子B相磁极上的小齿刚好超前(或滞后)转子小齿1/3齿距角，定子C相磁极上的小齿超前(或滞后)转子小齿2/3齿距角。10步进电机A相通电状态112.单段三相反应式步进电机的工作原理（近似于电磁铁的工作原理）三相单三拍工作方式：如图转子上有四个均匀分布的齿1、2、3、4。当

7、A相通电，B、C都不通电，因磁通总是要沿着磁阻最少的路径闭合，将使转子齿1、3吸引到定子磁极A、A’下，并对齐，图(a),因转子只受到径向力而无切向力，故转矩为零，转子被自锁在这个位置；当B相绕组通电，A、C相不通电，将使转子齿2、4和定子磁极B、B’对齐，在电磁力矩的作用下使转子沿逆时针方向转过30°，图(b)；C相通电，A、B相断电，又使转子齿1、3和定子磁极C、C'对齐，在电磁力矩的作用下使转子再沿着逆时针方向转过30°，图(C)。若使定