三相混合式步进电机驱动器的设计原理和控制详解
1．前言
步进电机是一种开环伺服运动系统执行元件，以脉冲方式进行控制，输出角位移。与交流伺服电机及直流伺服电机相比，其突出优点就是价格低廉，并且无积累误差。但是，步进电机运行存在许多不足之处，如低频振荡、噪声大、分辨率不高等，又严重制约了步进电机的应用范围。步进电机的运行性能与它的驱动器有密切的联系，可以通过驱动技术的改进来克服步进电机的缺点。相对于其他的驱动方式，细分驱动方式不仅可以减小步进电机的步距角，提高分辨率，而且可以减少或消除低频振动，使电机运行更加平稳均匀。总体来说，细分驱动的控制效果最好。因为常用低端步进电机伺服系统没有编码器反馈，所以随着电机速度的升高其内部控制电流相应减小，从而造成丢步现象。所以在速度和精度要求不高的领域，其应用非常广泛。
因为三相混合式步进电机比二相步进电机有更好的低速平稳性及输出力矩，所以三相混合式步进电机比二相步进电机有更好应用前景。传统的三相混合式步进电机控制方法都是以硬件比较器完成，本文主要讲述使用DSP及空间矢量算法SVPWM来实现三相混合式步进电机控制。
2．细分原理
步进电机的细分控制从本质上讲是通过对步进电机的定子绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场按某种要求变化，从而实现步进电机步距角的细分。最佳的细分方式是恒转矩等步距角的细分。一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量的之间的夹角大小决定了步距角的大小。在电机内产生接近均匀的圆形旋转磁场，各相绕组的合成磁场矢量，即各相绕组电流的合成矢量应在空间作幅值恒定的旋转运动，这就需要在各相绕相中通以正弦电流。
三相混合式步进电机的工作原理十分类似于交流永磁同步伺服电机。其转子上所用永磁磁铁同样是具有高磁密特性的稀土永磁材料，所以在转子上产生的感应电流对转子磁场的影响可忽略不计。在结构上，它相当于一种多极对数的交流永磁同步电机。由于输入是三相正弦电流，因此产生的空间磁场呈圆形分布，而且可以用永磁式同步电机的结构模型（图1）分析三相混合式步进电机的转矩特性。为便于分析，可做如下假设：
a.电机定子三相绕组完全对称；
b.磁饱和、涡流及铁心损耗忽略不计；
c.激磁电流无动态响应过程。
图1 三相永磁同步电机的简单结构模型
U、V、W 为定子上的3 个线圈绕组，3 个线圈绕组的轴线成120°。电机单相绕组通电的时候，稳态转矩可以表达为：T=f（i,theta）。其中，i为绕组中通过的电流；theta为电机转子偏离参考点的角度。由于磁饱和效应可以忽略不计，并且转子结构是圆形，其矩角特性为严格的正弦，
即：T=k *I*sin（theta），k 为转矩常数
若理想的电流源以恒幅值为I 的三相平衡电流iU、iV、iW 供给电机绕组，即：iU=I*sin（wt）
iV=I*sin（wt+2*PI/3）
iW =I*sin（wt+4*PI/3）
则电机各相电流产生的稳态转矩为：
TU=k*I*sin（wt）*sin（theta）
TV=k*I*sin（wt+2*PI/3）*sin（theta+2*PI/3）
TW=k*I*sin（wt+4*PI/3）*sin（theta+4*PI/3）
稳态运行时，theta=wt，则三相绕组产生的合成转矩为：
T=TU+TV+TW=3/2*k*I*sin（PI/2-wt+theta）=3/2*k*I
以上分析表明，对于三相永磁同步电机，当三相绕组输入相差120°的正弦电流时，由于在内部产生圆形旋转磁场，电机的输出转矩为恒值。因此，将交流伺服控制原理应用到三相混合式步进电机驱动系统中，输入的220V 交流，经整流后变为直流，再经脉宽调制技术变为三路阶梯式正弦波形电流，它们按固定时序分别流过三路绕组，其每个阶梯对应电机转动一步。
通过改变驱动器输出正弦电流的频率来改变电机转速，而输出的阶梯数确定了每步转过的角度，当角度越小的时候，那么其阶梯数就越多，即细分就越大，从理论上说此角度可以设得足够的小，所以细分数可以是很大，而交流伺服控制的每步角度与反馈的编码器的精度有很大的关系，一般使用的为2500线，所以每一步转过的角度仅为0.144度，而此方法控制的步进电机，比如其细分数为10000，则每一步转过的角度为0.036度，所以比一般的伺服控制精度高很多。当然，步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势，频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降，通过恒流方式可以使在电机低频和高频时保持同样的相电流从
而使高频的力矩特性有所改善，这只能是在低速时，所以其综合性能（高低速噪声，高速力矩，高速平稳性等）很难赶超交流伺服控制系统。
图2 给出相差120°的三相阶梯式正弦电流
三相混合式步进电机一般把三相绕组连接成星形或者三角形，按照电路基本定理，三相电流之和为零。即IU+IV+IW =0。所以通常只需产生两相绕组的给定信号，第三相绕组的给定信号可由其它两相求得。同样，只需要对相应两相绕组的实际电流进行采样，第三相绕组的实际电流可根据式求得。
3．三相混合式步进电机驱动器的系统构成
驱动器的总体方案如图3 所示，主要包括单片机电路、电流追踪型SPWM 电路和功率驱动电路组成。
图3 驱动器的整体框图
3.1 DSP模块设计
在这里，我们选择了TI公司的DSP作为CPU芯片，DSP（Digital Signal Processor）实际上也是一种单片机，它同样是将中央处理单元、控控制单元和外围设备集成到一块芯片上。但它又有自身鲜明的特点——因为采用了多组总线技术实现并行运行的机机制，从而大大提高了运算速度，具有更强的运算能力和更好的实时性。本文选用的DSP（TMS320LF2407A）是一款电机控制专用芯片，144引脚，具有丰富的IO资源，含有四个通用定时器，具有两路专用于控制三相电机的PWM发生器（可产生六路PWM信号），另外还有专用接收外部脉冲和方向的I/O口，从而简化了电路设计和程序开发。
DSP输入信号包括步进脉冲信号CP、方向控制信号、脱机信号，过流保护信号。这几种信号均通过高速光耦连接到DSP的引脚上，另外还有细分步数及电流选择信号。当脱机信号为有效时，驱动器输出到电机的电流被切断，电机转子处于自由状态（脱机状态）。反馈电流通过DSP自带的的10 位模数转换器（AD）采样，反馈的电流通过一定的算法后，由DSP自带的PWM口输出控制电机。
3.2 电流追踪型回路
这种传输方式以模拟电压的幅值代表采样电流或者电压的大小，其主要用来采样a，b两相电流及母线电压检测，实现电机电流控制以及过压、欠压、过流保护。驱动器通过采样电阻检测步进电机绕组的实际电流，与设定电流相比较后经过滞环比较器调节器，调节器输出信号由20KHz 频率的三角波载波输出，形成脉宽调制信号（PWM），通过功率驱动接口电路来控制大功率半导体器件的导通与关断，使步进电机的绕组实际电流跟踪给定参考信号，按给定的正弦规律变化。3.3 功率驱动电路
驱动器的主回路采用交-直-交电压型逆变器形式，由整流滤波电路、三相逆变器以及步进电机等组成。整流滤波电路构成直流电压源，完成220V、50Hz 交流电源到直流电源的变换。逆变器实现从直流电到变频变压交流电的转换，为三相混合式步进电机的定子绕组提供要求的交流电流。逆变器由仙童公司生产的六只
G30N60B3DMOS管组成，构成三相逆变桥。驱动器采用两只电阻检测步进电机相电流的瞬时值。
功率驱动电路的核心是功率模块（MOS管）。MOS管与电流追踪型PWM 输出之间必须通过专用高速光耦连接。根据MOS管的过流值和电机峰值线电流来选用合适的MOS管，即电机的线电流的峰值小于MOS管的最大电流值。本设计中电机最大相电流为8.1A，该电流是相电流的有效值，峰值相电流为8.1* sqrt（2）= 11.312A 。此外，电机绕组在三角形接法时，线电流是相电流的3 倍，所以线电流峰值为19.6A。由G30N60B3DPDF文档知，其最大流值为30A,故可以保证正常使用，正常工作要求适当的散热设计保证内部结温永远小于150摄氏度，因此要外加散热器并强制风冷，以保证MOS管正常工作。
3.4 并口通讯
为了避免在控制过程中停电或者其它特别原因掉电时造成损失，使用带电RAM
存储电机位置，保证来电后工件可继续完成加工。并口RAM比传统使用的E2ROM 速度传输更快更可靠，可更有效的记录电机运行状态，但占用CPU的I/O口较多，这里CPU有足够的资源可以使用。
3.5 控制软件流程
图4 主程序流程图
图5 中断部分的流程图
为减少功耗和保护电机，设置了自动半流功能，它由滞环比较器自动进行调节。4．结论
实践证明本文所讲的驱动方法其适应性很强，基本上可以适应所有的三相混合式步进电机。特别对三相绕组星形接法，低频时运行平稳，无振荡，有效地抑制了振荡、噪声。另外，驱动器内部设计多种保护电路，使整个驱动器的可靠性大大提高。
一、三相混合式步进电动机驱动原理1.工作原理根据三相混合式步进电动机的转动原理可知,在平面转矩的矢量表示方法中,用T_U表示相绕组正向通电时产生的电磁转矩,当U相绕组反向通电时,产生的转矩与上述情况相反,用(?)_U,表示:则
T_V、(?)_V和T_W、(?)_W分别表示V相和W相绕组正、反相通电时所产生的电磁转矩,T_U、T_V、T_W三个转矩矢量之间相互差120度电角度。即T_U、T_V、T_W、(?)_U、(?)_V、(?)_W六个转矩矢量之间相互差60度电角度。..
步进电动机的工作原理及特点随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。 1 步进电机概述 步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor、Pulse motor或Stepper servo，其应用发展已有约80年的历史。步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机，其位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正比。步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。步进电机每转一周的步数相同，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高，步进电动机可以在宽广的频率围通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点[1]。 正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。 2国外的研究概况 步进电机是国外发明的。中国在文化大革命中已经生产和应用，例如、、、、都生产，而且都在各行业使用，驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。国外在大功率的工业设备驱动上，目前基本不使用大扭矩步进电动机，因为从驱动电路的成本，效率，噪音，加速度，绝对速度，系统惯量与最大扭矩比来比较，比较不划算，还是用直流电动机，加电动机编码器整体技术和经济指标高。一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流电机。国外在小功率的场合，还使用步进电机，例如一些工业器材，工业生产装备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。国外用许多现代的手段将步进电机排挤出驱动应用，除了前面提到的旋转编码器，打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动机，实现闭环直线位移控制。国过去是用大力矩步进电动机实现机床数控，有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床，在驱动设备的主要差距，是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强，先进的控制理论作为软件，写在控制器部。 总的来说，步进电机是一种简易的开环控制，对运用者的要求低，不适合在大功率的场合使用。 在卫星、雷达等应用场合，中国在文化大革命后期，就生产了力矩电机，就生产了环形
D306三相混合式步进电机驱动器使用说明 ！阅读 请详细阅读本说明书后，再进行安装连接！ ！！！安全事项 ★严禁带电对驱动器进行任何拔码设置或进行测量！ ★必须在断电三分钟后，接线，安装和拔码设置！ ★二次开关机之间须有三分钟间隔，以免发生故障报警！ ★驱动器的输入电压需满足技术要求！ ★通电前，确定电源电缆，电机动力电缆，信号电缆连接正确，且连接紧固！ ★通电前，电缆连接完毕后，用万用表电阻档测量驱动器A、B、C端子与接地端子之间的电阻应为无穷大。用万用表最小电阻档测量驱动器A、B、C端子每两相电阻值应相等，避免电机相间短路，或电机缺相引起驱动器损坏。 一．性能简介 D306型号三相伺服混合式步进电机驱动器，具有以下特点： 1．采用交流伺服控制原理，在控制方式上增加了全数字式电流环控制，三相正弦电流驱动输出，使三相混合式电机低速无爬行，无共振区，噪音小。 2．驱动器功放级的电压达到DC325伏，步进电机高速运转时仍然有高转矩输出。 3．具备短路、过压、欠压、过热等完善保护功能，可靠性高。 4．具有细分和半流功能。有多种细分选择，最小步距角可设为0.036°。 5．适用面广，通过设置不同相电流可配置各种电机。
三．外观尺寸
2 3。 接口信号说明：CP+/CP-（脉冲信号）：每个脉冲上升沿使电机转动一步，最小脉宽≥2.5μS,最高接收频率200KHz 。 CW+/CW-（方向信号）：单脉冲控制方式时为方向控制信号输入接口，若CW 为低电平，电机顺时针旋转，CW 为高电平，电机逆时针旋转。双脉冲控制方式时为反转步进脉冲信号输入接口。方向信号切换时间≥10μS 。改变电机旋转方向可通过互换电机任意两相接线。 FREE+/FREE-（脱机信号）脱机信号输入接口，脱机+与脱机-之间分别加高低电平，电机无相电流，电机转子处于不稳定的自由状态（脱机状态）；反之脱机+与脱机-之间分别加相同电平和不接，电机处于锁定状态。 Vin 外部电源输入端（仅需接ERR 和FINE 时所需） ERR 报警信号输出接口。 FINE 当FINE 为高电平时，细分功能有效，当FINE 为低电平时，细分功能无效。 当细分功能为无效时，电机每转的脉冲数为细分功能有效时的1/10。 五.拔码开关设置 D306驱动器有一个拔码开关，如图示： 1 2437865 1． 相电流设置 步进电机内部线圈必须接成三角形，驱动器的相电流设置值必须小于或等于电机铭牌上的额定相电注：若电机额定电流标称值是“Y ”接法的电流值时，设定电流值等于额定值的1.7倍。 2. 半流功能设置 半流功能是指输入脉冲频率<800Hz 时输出相电流减小到额定值的60%，可防止电机发热，减小低频振动。通常拔码DIP4设置为OFF ，半流功能有效，当设置为ON 时，半流功能无效。
一、型号说明 ：12=，13=，24= 二、性能简介 混合式步进电机采用稀土永磁材料制造，与反应式步进电机相比具有电磁损耗小、转换效率高、动态特性好等优点。混合步进电机的电磁静力短为电机阻尼。取消了反应式电机的机械阻尼盘，无需人工调整，运行平稳、噪音小、不易失步。混合式步进电机取代反应式电机是经济型数控系统的发展趋势。 我厂研制的DY3系列三相混合式步进电机驱动电源，具有以下特点： *技术新： 应用微电子技术，将单片机嵌入驱动器内，使控制性能提高，电路简化；功放采用三菱公司智能模块（I P M），具备过载、短路、过压、欠压、过热等完善保护功能，可靠性极高；驱动器内低压直流电源应用开关电源技术，使电源电路体积小，稳定可靠。 *微步距： 运用矢量细分技术，可控制步进电机转过的最小角度为电机步距角的1/20（°）。微步距控制可使步进电机低速运行平稳，其运行效果接近
交流伺服。微步距驱动器与μm（）级CN C控制系配套.可使数控机床的最小移动量控制接近μm,对加工弧面、锥面、螺纹等工件，能明显提高工件表面的精细效果。 *高转矩 步进电机输出转矩与注入电流成正比，高速运转时注入电流大小与驱动器功放级使用的电压成正比，目前大部分步进电机驱动器功放级。由于技术限制，所使用的电压在DC150伏以下，而DY3步进电机驱动器功放级的电压达到DC310V，因而驱动步进电机高速运转时仍然有高转矩输出。 *高可靠性 控制部分集成度高、功放级采用三菱公司的智能模块，整机结构紧凑、电路简练、接插件少、机外风冷散热设计可减少粉尘侵入机内，设有超温、过压、欠压、保护、报警信号输出。 三、技术参数
一、前言 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给用户在产品选型、使用中造成许多麻烦。签于上述情况，我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。 二、感应子式步进电机工作原理 （一）反应式步进电机原理 由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。 1、结构： 电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图： 2、旋转：
如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C 偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C 对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。如A相通电，B，C相 不通 电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电 顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A 这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移 1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。 3、力矩： 电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量Ф）当转子与定子错开一定角度产生力F 与（dФ/dθ）成正比 S 其磁通量Ф=Br*S Br为磁密，S为导磁面积，F与L*D*Br成正比L为铁芯有效长度，D 为转子直径Br=N·I/R N·I为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。 力矩=力*半径
一、型号说明 ：12=1.2A，13=1.3A，24=2.4A 二、性能简介 混合式步进电机采用稀土永磁材料制造，与反应式步进电机相比具有电磁损耗小、转换效率高、动态特性好等优点。混合步进电机的电磁静力短为电机阻尼。取消了反应式电机的机械阻尼盘，无需人工调整，运行平稳、噪音小、不易失步。混合式步进电机取代反应式电机是经济型数控系统的发展趋势。 我厂研制的DY3系列三相混合式步进电机驱动电源，具有以下特点： *技术新： 应用微电子技术，将单片机嵌入驱动器，使控制性能提高，电路简化；功放采用三菱公司智能模块（I PM），具备过载、短路、过压、欠压、过热等完善保护功能，可靠性极高；驱动器低压直流电源应用开关电源技术，使电源电路体积小，稳定可靠。 *微步距： 运用矢量细分技术，可控制步进电机转过的最小角度为电机步距角的1/20（0.003°）。微步距控制可使步进电机低速运行平稳，其运行效果接近交流伺服。微步距驱动器与μm（0.001mm）级CN C控制系配套.可使数控机床的最小移动量控制接近μm,对加工弧面、锥面、螺纹等工件，能明显提高工件表面的精细效果。 *高转矩 步进电机输出转矩与注入电流成正比，高速运转时注入电流大小与驱动器功放级使用的电压成正比，目前大部分步进电机驱动器功放级。由于技术限制，所使用的电压在DC150伏以下，而DY3步进电机驱动器功放级的电压达到DC310V，因而驱动步进电机高速运转时仍然有高转矩
输出。 *高可靠性 控制部分集成度高、功放级采用三菱公司的智能模块，整机结构紧凑、电路简练、接插件少、机外风冷散热设计可减少粉尘侵入机，设有超温、过压、欠压、保护、报警信号输出。 三、技术参数
南华大学电气工程学院 《电子技术课程设计》任务书 设计题目：步进电机控制电路 专业：本10电力02班 学生姓名: 邓鹏学号: 20104450226 起迄日期: 2012年9月28日—2012年12月28日指导教师:刘原欧阳宏志 教研室主任：苏泽光
目录 1 设计任务和要求 (2) 2电路原理分析 (3) 3 矩形波产生电路（含555电路） (4) 4 三相三拍脉冲分配器 (5) 5三相六拍脉冲分配器 (5) 6功放电路部分 (7) 7电路总原理图 (7) 8三相三拍脉冲分配器仿真图及PCB (8) 9三相六拍脉冲分配器部分仿真图及PCB图 (9) 10元件清单 (11) 11心得体会 (12)
步进电动机的控制电路 一、设计任务和要求 1、设计任务 设计制作步进电机的控制电路。 2、设计要求 (1)使用D触发器或主从JK触发器设计一个兼有三相六拍、三相三拍两 种工作方式的脉冲分配器。 (2)能控制步进电机作正向和反向运动。 (3)设计电路工作的时钟信号频率为10-100Hz。 (4)设计驱动步进电机的脉冲放大电路，使之能驱动一个相电压为24V， 相电流为0.2A的电机工作。 二．电路原理分析 1.设计要求分析 图1 三相步进电机原理图 步进电动机是一种用脉冲控制的电动机，它能将脉冲信号转换成相应的角位移。下面以反应式步迸电动机为例，说明它的结构和工作原理。 如图是三相步进电动机的结构图。从图中可以看出，电动机的定子上有六个等分的磁极，AA'、BB'、CC'，每两个相对的齿构成一相。每相上绕有一组线圈。转子有四个齿，上边不绕线圈。当A相通电，B、C相都不通电时，那么由于AA'
步进电动机的结构与工作原理 步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。 步进电动机 步进机将脉冲信号转换为角位移或线位移。主要要求：动作灵敏、准确、重量轻、体积小、运行可靠、耗电少等。 步进电动机的特点： (1)来一个脉冲，转一个步距角。 (2)控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序，改变方向。 步进电动机的种类 根据励磁式方式的不同分为：反应式、永磁式和混合式（又叫感应子式）三种。反应式步进电机的应用较多。 下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。 图7-20 （a）三相反应式步进电动机工作原理图 A 相通电，A 方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。
A 相通电使转子1、3齿和AA' 对齐。 图7-20 （b）三相反应式步进电动机工作原理图 同理，B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电位置转30； 图7-20 （c）三相反应式步进电动机工作原理图 最后，C相通电，转子1、3齿和C相轴线对齐，相对B相通电比较，转子再次转动30。 步进电动机的结构 步进机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成，以三相为例其定子和转子上分别有六个、四个磁极。
步进电动机结构简图 定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。 注意：这里的相和交流电中的“相”的概念不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图的联接和组数的区别。
三相混合式步进电机驱动器设计 胡静1 丰宋波 2 （1.武汉理工大学自动化学院，湖北 武汉 430070；2.深圳纽科利核电工程有限公司，广东 深圳518124） 摘 要：为了提高三相混合式步进电机低频运行的稳定性、降低系统噪声和振动，设计了采用功率器件和细分技术的驱动器。通过合理选择步进电机相绕组细分电流波形，增加步进电机运行的平稳性，具体的分析了控制电路的设计：电流指令发生器、电流闭环控制器以及故障保护电路。 关键词：混合式步进电动机；驱动器；细分技术 中图分类号：TM383.6 文献标识码：A 文章编号：1672-4801（2010）02-070-04 早期的三相混合式步进电机驱动器是完全由模拟电路实现，硬件电路复杂。随着电机驱动朝着数字化的方向发展，后来出现了数字与模拟 相结合的三相混合式步进电机驱动 器[1] ，随着 高速DSP 的出现，电机控制朝着全数字控制[2] 的方向发展。一方面，由于采用全数字控制，硬件电路相当简单，成本低廉；另一方面，可以利用DSP 运算速度快、精度高和软件编程灵活的特点，采用合适的控制策略，提高驱动器的性能。目前，步进电机驱动系统存在的主要问题之一是低频振荡。步进电机在低速运行时易出现低频振动现象，振动频率与负载情况和驱动器性能有关，低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。本文主要是针对步进电机低频整荡的问题，设计了采用功率器件和细分技术的驱动器。 1 驱动器设计 三相混合式步进电机驱动器系统分为两大部分，一是主回路部分，二是控制回路部分。驱动器结构框图如图1 所示。 图1驱动器结构框图 1.1主回路部分 驱动器的主回路部分采用交直交电压型逆变器形式。由不控整流桥、滤波器、逆变器以及三相混合式步进电动机等组成。不控整流桥和滤波电容器一起构成直流电压源，完成恒频恒压(CFCV)交流电源到直流电源的变换。不控整流桥由功率二极管完成，其中输入为220V、50Hz 交流电，输出直流电压为300V。逆变器实现从直流到变频变压(VFVV)交流的转换，提供所要求的电流给三相混合式步进电机。逆变器由三菱公司生产的20A、1200V 功率模块组成。该模块内部集成了6只IGBT，构成三相全控逆变桥。驱动器采用两只霍尔电流传感器检测步进电动机相电流的瞬时值。 1.2 控制回路部分 驱动器的控制回路部分主要包括电流指令发生器、电流闭环控制器以及故障保护电路三部分。电流指令发生器的输入信号包括脉冲输入信号SP、正反转控制信号U／D、使能控制信号EN 和细分控制信号MIC。另外还有步数选择开关和相电流幅值选择开关，其中，脉冲输入信号可以由CNC 系统或其他控制系统给出，接口采用RS422差动输入方式，这具有传输距离远、抗干扰能力强的优点。电流指令发生器结构图如图2 所示。 图2 电流指令发生器结构图 实际运行中，当三相正弦电流流过步进电动机绕组时，若对正弦电流进行正弦量化控制(如图
步进电机的种类、结构及工作原理 步进式伺服驱动系统是典型的开环控制系统。在此系统中，执行元件是步进电机。它受驱动控制线路的控制，将代表进给脉冲的电平信号直接变换为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。由于该系统没有反馈检测环节，它的精度较差，速度也受到步进电机性能的限制。但它的结构和控制简单、容易调整，故在速度和精度要求不太高的场合具有一定的使用价值。 1.步进电机的种类 步进电机的分类方式很多，常见的分类方式有按产生力矩的原理、按输出力矩的大小以及按定子和转子的数量进行分类等。根据不同的分类方式，可将步进电机分为多种类型，如表5-1所示。 表5-1 步进电机的分类 2.步进电机的结构
目前，我国使用的步进电机多为反应式步进电机。在反应式步进电机中，有轴向分相和径向分相两种，如表5--1所述。 图5--2是一典型的单定子、径向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图。它与普通电机一样，分为定子和转子两部分，其中定子又分为定子铁心和定子绕组。定子铁心由电工钢片叠压而成，其形状如图中所示。定子绕组是绕置在定子铁心6个均匀分布的齿上的线圈，在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5--2所示的步进电机可构成三相控制绕组，故也称三相步进电机。若任一相绕组通电，便形成一组定子磁极，其方向即图中所示的NS极。在定子的每个磁极上，即定子铁心上的每个齿上又开了5个小齿，齿槽等宽，齿间夹角为9°，转子上没有绕组，只有均匀分布的40个小齿，齿槽也是等宽的，齿间夹角也是9°，与磁极上的小齿一致。此外，三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1/3齿距，如图5--3所示。当A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，B相磁极上的齿刚好超前(或滞后)转子齿1/3齿距角，C相磁极齿超前(或滞后)转子齿2/3齿距角。 图5-2 单定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理图
目录 一、性能简介 (2) 二、电气技术参数 (3) 三、外观尺寸 (4) 四、接口信号说明 (5) 五、操作说明 (7) 六、功率接口 (9) 七、驱动器使用注意事项 (9) 八、200T系列数控系统与SD306驱动器的连接 (10)
一、 性能简介 混合式步进电机采用稀土永磁材料制造，具有电磁损耗小，转换频率高，动态特性好等优点。混合式电机运行时相对平稳、噪音小、输出力矩大，是经济型数控系统在小型仪表机床应用领域的首选。 SD306三相混合式步进电机驱动器，具有以下特点： 1. 采用交流伺服控制原理，全数字式电流控制环，三相正弦电流输出， 基本消除了步进电机低速振动的现象。 2. 驱动器功放级的电压达到DC325伏，这样步进电机在高速运转时仍有高转矩输出。 3. 具备短路、过压、欠压、过热等保护功能，可靠性高。 4. 有细分和半流功能。32种细分选择，最小步距角可设为0.001o。 5. 适用面广，通过设置不同相电流可配置90~150各种三相混合式步进电机。 ！阅读 请详细阅读本说明书后，再进行安装连接！ ！！！安全事项 ★必须在断电三分钟后，接线，安装！ ★二次开关机之间须有三分钟间隔，以免发生故障报警！ ★驱动器的输入电压需满足技术要求！ ★通电前，确定电源电缆，电机动力电缆，信号电缆连接正确，且连接紧固！尤其是电源线不能接错，否则会烧坏驱动器！ ★通电前，电缆连接完毕后，用万用表电阻档测量驱动器A、B、C端子与接地端子之间的电阻应为无穷大。用万用表最小电阻档测量驱动器A、 B、C端子每两相电阻值应相等，避免电机相间短路，或电机缺相引起驱 动器损坏。
电气工程学院课程设计说明书 设计题目： 系别： 年级专业： 学号： 学生姓名：
指导教师： 电气工程学院《课程设计》任务书课程名称：电气控制与PLC课程设计 基层教学单位：电气工程及自动化系指导教师：
2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。 电气工程学院教务科 摘要 PLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。本设计是用PLC做三相六拍步进电机的控制核心，用按钮开关来实现对步进电机正、反转运行控制，而且正、反转切换无须经过停车步骤。其次可以通过对按钮的控制来实现对高、低速度的切换控制。 关键词：PLC控制三相六拍正反转运行高低速运行
目录 封皮 (1) 任务书 (2) 摘要 (3) 目录 (4) 第一章三相六拍步进电机的PLC控制及要求 (5) 1.1步进电机的工作原理 (5) 1.2三相六拍步进电机控制要求 (5) 1.3 步进电机的驱动 (6) 第二章参数选择 (7) 2.1 三相六拍步进电机的参数选择 (7) 2.2 PLC的选择 (7) 2.3 功率放大电路参数选择 (7) 第三章整体设计 (7)
3.1 PLC的I/O端口分配表 (7) 3.2 硬件接线图 (8) 3.3 程序流程图 (8) 3.4 状态转移图 (9) 3.5 步进梯形图 (10) 3.6 时序图 (12) 总结 (13) 参考文献 (14) 评审意见表 (15) 第一章三相六拍步进电机的PLC控制及要求 1．1步进电机的工作原理 电机的定子上有六个均布的磁极，其夹角是60o。各磁极上套有线圈，连成A、B、C三相绕组。转子上均布40个小齿。所以每个齿的齿距为θE=360o/40=9o，而定子每个磁极的极弧上也有5个小齿，且定子和转子的齿距和齿宽均相同。由于定子和转子的小齿数目分别是30和40，其比值是一分数，这就产生了所谓的齿错位的情况。若以A相磁极小齿和转子的小齿对齐，那么B相和C相磁极的齿就会分别和转子齿相错三分之一的齿距，即3o。因此，B、C极下的磁阻比A磁极下的磁阻大。若给B相通电，B相绕组产生定子磁场，其磁力线穿越B相磁极，并力图按磁阻最小的路径闭合，这就使转子受到反应转矩（磁阻转矩）的作用而转动，直到B磁极上的齿与转子齿对齐，恰好转子转过3o；此时A、C磁极下的齿又分别与转子齿错开三分之一齿距。接着停止对B相绕组通电，而改为C相绕组通电，同理受反应转矩的作用，
随着现代科学技术的发展，信息产业的发达，电子产品的更新换代日渐频繁，市场上步进电机的种类层出不穷。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。目前，市场上比较常用的步进电动机包括反应式步进电动机(VR)、永磁式步进电动机(PM)、混合式步进电动机(HB)和单相式步进电动机等。 混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相、三相和五相:两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度，步进电机随着相数(通电绕组数)的增加，步进角减小，精度提高，这种步进电机的应用最为广泛。 步电机系统解决方案
混合式步进电机工作原理： 混合式步进电机与磁阻式步进电机一样，混合式电机也由定子和 转子两部分组成。常见的定子有8个极或4个极，极面上均布一定数量的小齿，极上线圈能以两个方向通电，形成A相和A相，B相和B 相。它的转子也由圆周上均布一定数量小齿的两块齿片等组成。这两块齿片相互错开半个齿距。两块齿片中间夹有一只轴向充磁的环形永久磁钢。很明显，同一段转子片上的所有齿都具有相同极性，而两块不同段的转子片的极性相反。 混合式电机产生的转矩比磁阻式电机大;加上混合式电机的步距角常做得较小，因此，在工作空间受到限制而需要小步距角和大转矩的应用中，常常可选用混合式步进电机。 深圳市维科特机电有限公司成立于2005年，是步进电机产品的销售、系统集成和应用方案提供商。我们和全球产品性价比高的生产厂家合作，结合本公司专家团队多年的客户服务经验，给客户提供有市场竞争力的步进电机系统解决方案。我们的主要产品有信浓 (SHINANO KENSHI)混合式步进电机、日本脉冲(NPM)永磁式步进电机、 步电机系统解决方案
步进电机原理及使用说明 一、前言 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的一种开环线性执行元件，具有无累积误差、成本低、控制简单特点。产品从相数上分有二、三、四、五相，从步距角上分有0.9°/1.8°、0.36°/0.72°，从规格上分有口42~φ130，从静力矩上分有0.1N?M~40N?M。 签于上述情况，我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。 二、感应子式步进电机工作原理 （一）反应式步进电机原理 由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。 1、结构： 电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。 0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A…与齿5相对齐，（A…就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图： 2、旋转： 如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。 如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。 如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て 这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。
步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化设备中。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步进角)。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。 不同类型的步进电机有着不同的特点和功能，下面维科特主要和大家讲解混合式步进电机和反应式步进电机的区别。 混合式步进电机是综合了永磁式和反应式的优点而设计的步进电机。它又分为两相、三相和五相，两相步进角一般为1.8度，三相步进角一般为 1.2度，而五相步进角一般为0.72度。 混合式步进电机的转子本身具有磁性，因此在同样的定子电流下产生的转矩要大于反应式步进电机，且其步距角通常也较小，因此，经济型数控机床一般需用混合式步进电机驱动。但混合转子的结构较复杂、转子惯量大，其快速性要低于反应式步进电机。 混合式步进电机特性： 1、输出转矩大，高转速。
2、电机发热小，噪音低，效率高。 3、高速停止平稳快速，无零速振荡运行平稳，振动噪声小。 4、响应速度快，适合频繁启停的场合。 反应式步进电机，是一种传统的步进电机，由磁性转子铁芯通过与由定子产生的脉冲电磁场相互作用而产生转动。 应用领域： 反应式步进电机主要应用于计算机外部设备、摄影系统、光电组合装置、阀门控制、核反应堆、银行终端、数控机床、自动绕线机、电子钟表及医疗设备等领域中。 混合式步进电机和反应式步进电机的区别 1、在结构和材料上不同，混合式电机内部具有永久磁性材料，故混合式电机有自阻(即在电机未加电的情况下有一定的自锁力)，而反应式电机没有自阻。 2、在运行性能上有差别，混合式电机运行时相对较平稳，输出力矩相对较大，运行声音小。
电机招聘专家何为步进电机 步进电机是一种专门用于位置和速度精确控制的特种电机。步进电机的最大特点是其“数字性”，对于控制器发过来的每一个脉冲信号，步进电机在其驱动器的推动下运转一个固定角度(简称一步)，如下图所示。如接收到一串脉冲步进电机将连续运转一段相应距离。同时可通过控制脉冲频率，直接对电机转速进行控制。由于步进电机工作原理易学易用，成本低(相对于伺服)、电机和驱动器不易损坏，非常适合于微电脑和单片机控制，因此近年来在各行各业的控制设备中获得了越来越广泛的应用。 步进电机的种类和特点 步进电机在构造上有三种主要类型：反应式(Variable Reluctance，VR)、永磁式(Permanent Magnet,PM)和混合式(Hybrid Stepping,HS)。 反应式 定子上有绕组、转子由软磁材料组成。结构简单、成本低、步距角小，可达1.2°、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。 永磁式 永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大(一般为7.5°或15°)。 混合式 混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。 按定子上绕组来分，共有二相、三相和五相等系列。最受欢迎的是两相混合式步进电机，约占97%以上的市场份额，其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好。该种电机的基本步距角为1.8°/步，配上半步驱动器后，步距角减少为0.9°，配上细分驱动器后其步距角可细分达256倍(0.007°/微步)。由于摩擦力和制造精度等原因，实际控制精度略低。同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果。
步进电动机的结构与工作原 理 -标准化文件发布号：（9556-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
步进电动机的结构与工作原理 步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。 步进电动机 步进机将脉冲信号转换为角位移或线位移。主要要求：动作灵敏、准确、重量轻、体积小、运行可靠、耗电少等。 步进电动机的特点： (1)来一个脉冲，转一个步距角。 (2)控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序，改变方向。 步进电动机的种类 根据励磁式方式的不同分为：反应式、永磁式和混合式（又叫感应子式）三种。反应式步进电机的应用较多。 下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。 图7-20 （a）三相反应式步进电动机工作原理图 A 相通电，A 方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。 A 相通电使转子1、3齿和 AA' 对齐。
图7-20 （b）三相反应式步进电动机工作原理图 同理，B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电位置转30； 图7-20 （c）三相反应式步进电动机工作原理图 最后，C相通电，转子1、3齿和C相轴线对齐，相对B相通电比较，转子再次转动30。 步进电动机的结构 步进机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成，以三相为例其定子和转子上分别有六个、四个磁极。
步进电动机结构简图 定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。 注意：这里的相和交流电中的“相”的概念不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图的联接 和组数的区别。 图7-22 三相反应式步进电动机结构原理图 步进电动机工作方式 (以三相步进电机为例)步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相六拍、三相双三拍等。
步进电机工作原理及功能运用 双击自动滚屏发布者：admin 发布时间：2012-02-18 03:06:33 阅读：495次【字体：大中小】步进电机的概术： 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制组件，是目前行业设备的主要配件，如剥线机设备就需要用到此步进电机。 在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。 这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 单相步进电机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相步进电机有多相方波脉冲驱动，用途很广。使用多相步进电机时，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号，在经功率放大后分别送入步进电机各项绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配器，电机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度（称为步距角）。正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转
过一个步距角。 步进电机按旋转结构分两大类：1是圆型旋转电机如下图A 2直线型电机，结构就象一个圆型旋转电机被展开一样，如下图B 步进电机的别称 步进电机(stepping motor),步进电机(step motor)，或者是脉冲电机(pulse motor)，其它的如(stepper motor)等……有着各式各样的称呼方式，这些用日本话来表示的时候，就成为阶动电动机，还有，阶动就是一步一步阶段动作的意思，这各用另外一种语言来表示时，就是成为步进驱动的意思，总之，就是输入一个脉冲就会有一定的转角，分配转轴变位的电动机。 一、步进电机的特点
本模块由45BC340C型步进电机及其驱动电路组成。 (一步进电机: 一般电动机都是连续旋转,而步进电动却是一步一步转动的,故叫步进电动机。每输入一个脉冲信号,该电动机就转过一定的角度(有的步进电动机可以直接输出线位移,称为直线电动机。因此步进电动机是一种把脉冲变为角度位移(或直线位移的执行元件。 步进电动机的转子为多极分布,定子上嵌有多相星形连接的控制绕组,由专门电源输入电脉冲信号,每输入一个脉冲信号,步进电动机的转子就前进一步。由于输入的是脉冲信号,输出的角位移是断续的,所以又称为脉冲电动机。 随着数字控制系统的发展,步进电动机的应用将逐渐扩大。 步进电动机的种类很多,按结构可分为反应式和激励式两种;按相数分则可分为单相、两相和多相三种。 图1 反应式步进电动机的结构示意图 图1是反应式步进电动机结构示意图,它的定子具有均匀分布的六个磁极,磁极上绕有绕组。两个相对的磁极组成一组,联法如图所示。
模块中用到的45BC340型步进电机为三相反应式步进电机,下面介绍它单三拍、六拍及双三拍通电方式的基本原理。 1、单三拍通电方式的基本原理 设A相首先通电(B、C两相不通电,产生A-A′轴线方向的磁通,并通过转子形成闭合回路。这时A、A′极就成为电磁铁的N、S极。在磁场的作用下,转子总是力图转到磁阻最小的位置,也就是要转到转子的齿对齐A、A′极的位置(图2a;接着B相通电(A、C 两相不通电,转了便顺时针方向转过30°,它的齿和C、C′极对齐(图2c。不难理解,当脉冲信号一个一个发来时,如果按A→C→B→A→…的顺序通电,则电机转子便逆时针方向转动。这种通电方式称为单三拍方式。 图2 单三拍通电方式时转子的位置 2、六拍通电方式的基本原理 设A相首先通电,转子齿与定子A、A′对齐(图3a。然后在A相继续通电的情况下接通B相。这时定子B、B′极对转子齿2、4产生磁拉力,使转子顺时针方向转动,但是A、A′极继续拉住齿1、3,因此,转子转到两个磁拉力平衡为止。这时转子的位置如图3b所示,即转子从图(a位置顺时针转过了15°。接着A相断电,B相继续通电。这时转子齿2、4和定子B、B′极对齐(图c,转子从图(b的位置又转过了15°。
上海昀研自动化科技有限公司自2004年起致力于三相混合式步进电机及驱动器的开发，42系列低压三相混合式步进电机，57系列低压、高压三相混合式步进电机，86系列低压、高压三相混合式步进电机，110、130系列高压三相混合式步进电机，YK3605MA，TK3411MA，YK3822MA，YKA3722MA等多款产品已成功应用于市场。 上海昀研自动化科技有限公司生产的三相混合式步进电机采用交流伺服原理工作，转子和定子的直径比高达50%，高速时工作扭矩大，低速时运行极其平稳，几乎无共振区。其配套驱动器YK3822MA具有单相220V/50Hz输入，三相正弦输出，输出电流可设置，具有十细分和半流额定值60%功能；控制方式灵活，有“脉冲+方向控制”，也有“正转脉冲+反转脉冲”控制方式；有过热保护功能，因此使用起来十分的方便。 1．前言 步进电机是一种开环伺服运动系统执行元件，以脉冲方式进行控制，输出角位移。与交流伺服电机及直流伺服电机相比，其突出优点就是价格低廉，并且无积累误差。但是，步进电机运行存在许多不足之处，如低频振荡、噪声大、分辨率不高等，又严重制约了步进电机的应用范围。步进电机的运行性能与它的驱动器有密切的联系，可以通过驱动技术的改进来克服步进电机的缺点。相对于其他的驱动方式，细分驱动方式不仅可以减小步进电机的步距角，提高分辨率，而且可以减少或消除低频振动，使电机运行更加平稳均匀。总体来说，细分驱动的控制效果最好。因为常用低端步进电机伺服系统没有编码器反馈，所以随着电机速度的升高其内部控制电流相应减小，从而造成丢步现象。所以在速度和精度要求不高的领域，其应用非常广泛。 因为三相混合式步进电机比二相步进电机有更好的低速平稳性及输出力矩，所以三相混合式步进电机比二相步进电机有更好应用前景。传统的三相混合式步进电机控制方法都是以硬件比较器完成，本文主要讲述使用DSP及空间矢量算法SVPWM来实现三相混合式步进电机控制。 2．细分原理 步进电机的细分控制从本质上讲是通过对步进电机的定子绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场按某种要求变化，从而实现步进电机步距角的细分。最佳的细分方式是恒转矩等步距角的细分。一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量的之间的夹角大小决定了步距角的大小。在电机内产生接近均匀的圆形旋转磁场，各相绕组的合成磁场矢量，即各相绕组电流的合成矢量应在空间作幅值恒定的旋转运动，这就需要在各相绕相中通以正弦电流。 三相混合式步进电机的工作原理十分类似于交流永磁同步伺服电机。其转子上所用永磁磁铁同样是具有高磁密特性的稀土永磁材料，所以在转子上产生的感应电流对转子磁场的影响可忽略不计。在结构上，它相当于一种多极对数的交流永磁同步电机。由于输入是三相正弦电流，因此产生的空间磁场呈圆形分布，而且可以用永磁式同步电机的结构模型（图1）分析三相混合式步进电机的转矩特性。为便于分析，可做如下假设： a.电机定子三相绕组完全对称； b.磁饱和、涡流及铁心损耗忽略不计； c.激磁电流无动态响应过程。