第三节步进电动机及其驱动
一、步进电机的特点与种类
1.步进电机的特点
步进电机又称脉冲电机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。每当输入一个电脉冲时，转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步。只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。
步进电动机具有以下特点：
?工作状态不易受各种干扰因素(如电压波动、电流大小与波形变化、温度等)的影响；
?步进电动机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差变为“零” ；
?由于可以直接用数字信号控制，与微机接口比较容易；
?控制性能好,在起动、停止、反转时不易“丢步”；
?不需要传感器进行反馈，可以进行开环控制；
?缺点是能量效率较低。
就常用的旋转式步进电动机的转子结构来说，可将其分为以下三种：
（1）可变磁阻(VR-Variable Reluctance),也叫反应式步进电动机
（2）永磁(PM-Permanent Magnet)型
（3）混合(HB-Hybrid)型
（1）可变磁阻(VR-Variable Reluctance)
结构原理：该类电动机由定子绕组产生的反应电磁力吸引用软磁钢制成的齿形转子作步进驱动，故又称作反应式步进电动机。其结构原理如图3.5定子1
上嵌有线圈，转子2朝定子与转子之间磁阻最小方向转动，并由此而得名可变磁阻型。
图3.6 可变式阻步进电机
可变磁阻步进电机的特点：
?反应式电动机的定子与转子均不含永久磁铁，故无励磁时没有保持力；
?需要将气隙作得尽可能小，例如几个微米；
?结构简单，运行频率高，可产生中等转矩，步距角小（0.09~9°）
?制造材料费用低；
?有些数控机床及工业机器人上使用。
（3）混合(HB-Hybrid)型
结构原理
这类电机是PM式和VR式的复合形式。其定子与VR类似，表面制有小齿，转子由永磁铁和铁心构成，同样切有小齿，为了减小步距角可以在结构上增加转子和定子的齿数。其结构如图3.7所示。
混合式步进电机特点:
HB兼有PM和VR式步进电机的特点：
步距角可以做得较小(0.9~3.6°)；
无励磁时具有保持力；
可以产生较大转矩，应用较广。
拍:从一相通电换接到另一相通电称为一拍。
三相单三拍：通电方式A-B-C-A →… ，步距角为30度
三相双三拍：通电方式AB→BC→CA→AB →… ，步距角为30°
三相六拍：通电方式A→AB→B→BC→C→CA→A→…，步距角为l5°（见图3.9）。
二、步进电机的工作原理
步进电动机的步距角越小，意味着它所能达到的位置精度越高。通常的步矩角是1.5o或0.75o。为此需要将转子做成多极式的，并在定子磁极上制成小齿，定子磁极上的小齿和转子磁极上的小齿大小、齿宽和齿距一样。当一相定子磁极的小
齿与转子的齿对齐时，其它两相磁极的小齿都与转子的齿错过一个角度。按着相序，后一相比前一相错开的角度要大。
步距角的大小与通电方式和转子齿数有关，用下式计算：
α＝360o/(Zm)
式中,Z—转子齿数；m—运行拍数，通常等于相数或相数整数倍，即m=KN(N 为电动机的相数，单拍时K＝1，双拍时K＝2)。
三、步进电动机的性能指标及运行特性
1. 步距角α（分辨力）
0.6/1.2，0.75/1.5，0.9/1.8，1/2，1.5/3
步距角为α与系统脉冲当量为δ和丝杠基本导程为l0的条件下，减速比的匹配关系：
δ={[α/(3600)]/i}l0
所以，
i＝αl0／(3600)δ
2. 静态特性：步进电动机的静态特性是指它在稳定状态时的特性，包括矩-角特性、静转矩等。
在空载状态下，给步进电动机某相通以直流电流时，转子齿的中心线与定子齿的中心线相重合，转子上没有转矩输出。如果在电动机转于轴上加一负载转矩TL，定子与转子之间将有一角位移θe(见图3.11)，称为失调角。此时转子上的电磁转矩与负载转矩相等，称为静态转矩T j。
T j-θe的关系曲线为矩-角特性曲线（图3.12 ）。
3动态特性
1）动态稳定区
2）启动转矩
在某一通电方式下，各相的矩-角特性总和为矩-角特性曲线族，每一曲线依次错开的电角度为θe＝2π/3m，m为运行拍数。A相与B相矩-角特性曲线之交点所对应的转矩T q被称为起动转矩。
3）空载启动频率与惯-频特性：在空（负）载条件下，步进电机转子从静止状态不失步地起动的最大控制频率称为空载起动频率 (fq)。
当带负载起动时，所允许的起动控制频率会大大下降，它反映了电机跟踪的快速性，且随负载惯量的增加而下降。步进电动机带动惯性负载时的起跳频率与负载转动惯量之间的关系为惯-频特性。
除惯性负载之外，还有外负载转矩，则起跳频率将会进一步下降。
90BF002型步进电动机的启动矩频特性曲线和运行矩频特性。
4）最高连续运行频率及矩-频特性：步进电机在连续运行时所能接受的最高控制频率被称为最高运行频率（f max）。电动机在连续运行状态下，其电磁转矩随控制频率的升高而逐步下降。这种转矩与控制频率之间的变化关系称为矩-频特性。
四、步进电机的型号表示方法
不同生产厂家的步进电机型号表示方法也不尽相同，举例如下：
步进电机的尺寸
实物的步进电机及驱动器
五、步进电机的驱动与控制
1.步进电机的驱动
步进电机的驱动包括脉冲分配器和功率放大器等
微机或数控装置等送来的脉冲信号及方向信号应按要求的配电方式自动循环地供给电动机各相绕组，以驱动电动机转子正反向旋转。只要控制输入电脉冲的数量及频率就可精确控制步进电动机的转角及转速。
（1）脉冲分配器
步进电机的各相绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作，（环形）脉冲分配器就是实现该功能的。
实现方法有三种：
①软环分：利用查表或计算方法来进行脉冲的环形分配。以下图所示的微机控制三相步进电机为例，对其软环分状态进行详细介绍。
可将表中状态代码0lH、03H、02H、06H、04H、05H列入程序数据表中，通过软件可顺次在数据表中提取数据并通过输出接口输出即可，通过正向顺序读取和反向顺序读取可控制电动机进行正反转。通过控制读取一次数据的时间间隔可控制电动机的转速。
该方法能充分利用计算机软件资源以降低硬件成本，尤其是对多相的脉冲分配具有更大的优点。但由于软环分占用计算机的运行时间，故会使插补一次的时间增加，易影响步进电动机的运行速度。
②采用小规模集成电路搭接
图3.15为用双稳态触发器C1、C2、C3搭接而成的三相六拍环形脉冲分配器，利用这种方式可搭接任意相任意通电顺序的环形分配器，同时在工作时不占用计算机的工作时间，但柔性较差，硬件一旦完成就不易修改。
③采用专用环形分配器器件
图为市售的CH250即为一种三相步进电动机专用环形分配器。它可以实现三相步进电动机的各种环形分配（双三拍，单六拍等），使用方便、接口简单。图3.16为CH250的管脚图，图b为三相六拍接线图。
③采用专用环形分配器器件管脚A、B、C为相输出端;管脚R、R*用于确定初始励磁相:若为10，则为A相，若为01，则为A、B相，若为00，则为环形分配器工作状态;管脚CL、EN为进给脉冲输入端:若EN=1，进给脉冲接CL，脉冲上升沿使环形分配器工作，若CL=0，进给脉冲接EN，脉冲下降沿使环形分配器工作，否则环形分配器状态锁定;管脚J3r、J3L、J6r、J6L为三拍或六拍工作方式的控制端;管脚UD、US为电源端。
（2）功率放大器
从计算机输出口或从环形分配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安，须采用功率放大器将脉冲电流进行放大才能驱动步进电动机运转。电动机各相绕组都是感性负载，通电时，电流上升率受到限制；断电时，又会产生反电动势，为使电流尽快衰减，增加适当的续流回路。
仅仅介绍简单的单电压功率放大电路。
单电压功率放大电路优点：是线路简单；缺点是电流上升慢，高频时负载能力低。
实用驱动系统
KT350步进电动机驱动器的外形及接口图。其中接线端子排A、A、B、B、C、C、D、D、E、E接至电动机的各相;AC为电源进线，用于接50Hz、80V的交流电源，端子G用于接地;连接器CN1为一个9芯连接器，可与控制装置连接。RPW、
CP为两个LED指示灯;SW是一个四位拨动开关，用于设置步进电动机的控制方式。其中第
1位用于脉冲控制模式的选择，OFF位置为单脉冲控制方式，ON位置为双脉冲控制方式;第2位用于运行方向的选择（仅在单脉冲方式时有效），OFF位置为标准运行，ON位置为单方向运行;第3位用于整.半步运行模式选择，OFF位置时，电动机以半步方式运行，ON位置时，电动机以整步方式运行;第4位用于运行状态控制，OFF位置时，驱动器接受外部脉冲控制运行，ON位置时，自动试机运行（不需外部脉冲）。
图示为混合式步进电动机驱动器的典型接线图。
图混合式步进电动机驱动器的典型接线图
步进电机控制系统
2.步进电机的控制
（1）控制方式：使用微机对步进电动机进行控制有串行和并行两种方式。
①串行控制：将微机送出的脉冲串和方向信号送入驱动电源，由驱动电源进行脉冲分配和功率放大，并驱动步进电机转动（图3.24a）。
特点是使用的信号线少；可进行远距离传输；但驱动电源中必须含有环形分配器。
②并行控制：由微机对脉冲串进行分配，并同时经并行端口送入驱动电源驱动步进电机转动（图3.24b）。
特点是使用的信号线多；传输速度快；一般由微机进行软环分，所以驱动电源只需进行功率放大。
（2）速度控制
控制步进电动机的运行速度，实际上就是控制系统发出步进脉冲的频率或者换相的周期。系统可用两种办法来确定步进脉冲的周期：
①软件延时通过调用延时子程序的方法来实现，占有CPU时间。
②用定时器通过设置定时器时间常数的方法来实现，需硬件支持。
①软件延时
②用定时器
加减速规律一般有①按照直线规律升速②按指数规律升速两种。其实现也可以由软件延时和定时器两种方法。当利用定时器方式时，实质就是不断改变定时器装载值的大小。为了减少每步计算装载值的时间，可用阶梯曲线来逼近理想升降曲线。这样，每次装载，软件系统可通过查表的方法，查出所需要的装载值。
下面以最简单的等加速、等减速的加减速过程对直线加减速规律进行介绍：加速和减速的速度曲线有图3.25所示两种。
2.步进电机的控制
图中，f q为起跳频率，f n为正常运行频率，起始频率f q=0 时(图 a)，直线加速的斜率为：K= f n /(t n -t0)= f n /(t n)。则电机的回转角速度为：ω=Kαt，α为步距角。在如下图所示的步进电机速度—时间曲线中（加减速过程是线性且对称的），A、B、C…各相当于一个步距角对应的面积，假设电机起动频率为0HZ，稳定运行频率为4500HZ，电机从零时刻起动，加减速时间为0.5s。试据此推导加速段脉冲时刻t1,t2,t3的数值。
设A、B、C…各相当于一个步距角α对应的面积，即在每个脉冲内回转角速度对时间的积分。则下式成立：