步进电机及其驱动电路

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。