步进电动机的控制

步进电动机1.工作原理2.接线3.控制方式4.其他一、步进电动机的简介步进电动机（steppingmotor)是将电脉冲激励信号转换成相应的角位移或线位移的离散值控制电动机，这种电动机每当输入一个电脉冲就动一步，所以又称脉冲电动机。Stepintothemotoristoencouragethesignalfortheelectricpulsestothedisplacementorthedisplacementofdiscretevaluescontrolmotors,motorwhenenteringaelectricpulseswillmoveastep,alsocalledapulsethemotor.步进电动机的种类目前常用的有三种步进电动机：(1)反应式步进电动机(VR)。反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。(2)永磁式步进电动机(PM)。永磁式步进电动机出力大，动态性能好；但步距角大;一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。(3)混合式步进电动机(HB)。混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。二、步进电动机的工作原理图1三相反应式步进电动机的结构示意图1——定子2——转子3——定子绕组图1是最常见的三相反应式步进电动机的剖面示意图。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，按图1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，如图1，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，转子按顺时针方向再转过3º。依次类推，当三相绕组按A→B→C→A顺序循环通电时，转子会按顺时针方向，以每个通电脉冲转动3º的规律步进式转动起来。若改变通电顺序，按A→C→B→A顺序循环通电，则转子就按逆时针方向以每个通电脉冲转动3º的规律转动。因为每一瞬间只有一相绕组通电，并且按三种通电状态循环通电，故称为单三拍运行方式。单三拍运行时的步矩角θb为30º。三相步进电动机还有两种通电方式，它们分别是双三拍运行，即按AB→BC→CA→AB顺序循环通电的方式，以及单、双六拍运行，即按A→AB→B→BC→C→CA→A顺序循环通电的方式。六拍运行时的步矩角将减小一半。反应式步进电动机的步距角可按下式计算：θb=360º/NEr(1)式中Er——转子齿数；N——运行拍数，N=km，m为步进电动机的绕组相数，k=1或2。三、步进电机接线步进电机接线方法是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。Stepintotheelectricalwiringsystemisanumberofinputpulsescanbeconvertedtorotateorlineoftheincrementalelectromagneticelements.eachinputpulsethemotorturnedintoastepbystepfromtheangleofincrement.电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。步进电机接线方法是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。Themotorofthecornerandinputpulsesproportionaltothenumbercase,theappropriatespeedonthepulserate.stepintotheelectricalwiringisthekeycomponentsoftheelectromechanicalintegrationofproducts,oftenusedasalocationforconstantspeedcontrol.步进电机接线方法广泛应用于机电一体化产品中，如：数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。Stepintothequantityandusedtolocatetheprecisionandanerror,controlsimple.stepintotheelectricalcharacteristicsofthewayitiswidelyusedintheintegrationofmachineryproducts,suchas：machinetools,packagingmachines,computerperipherals,copiers,faxmachine,etc.。四、步进电机程序控制1、三相单三拍工作方式在这种工作方式下,A、B、C三相轮流通电,电流切换三次,磁场旋转一周,转子向前转过一个齿距角。因此这种通电方式叫做三相单三拍工作方式。这时步距角θb(度)为θb=360/mz(°)(2-1)式中:m──定子相数;z──转子齿数2、三相六拍工作方式在这种工作方式下,首先A相通电,转子齿与A相定子齿对齐。第二拍,A相继续通电,同时接通B相,A、B各自建立的磁场形成一个合成磁场,这时转子齿既不对准A相也不对准B相,而是对准A、B两极轴线的角等分线,使转子齿相对于A相定子齿转过1/6齿距,即1.5°。第三拍,A相切断,仅B相保持接通。这时,由B相建立的磁场与单三拍时B相通电的情况一样。依次类推,绕组以A—AB—B—BC—C—CA—A时序(或反时序)转换6次,磁场旋转一周,转子前进一个齿距,每次切换均使转子转动1.5°,故这种通电方式称为三相六柏工作方式。其步距角θb为:θb=360/2mz=180/mz3、双三拍工作方式这种工作方式每次都是有两相导通,两相绕组处在相同电压之下,以AB─BC─CA─AB(或反之)方式通电,故称为双三拍工作方式。以这种方式通电,转子齿所处的位置相当于六拍控制方式中去掉单三拍后的三个位置。它的步距角计算公式与单三拍时的公式相同。由上述分析可知,要使磁阻式步进电机具有工作能力,最起码的条件是定子极分度角不能被齿距角整除,且应满足下列方程:极分度角/齿距角=R+k·1/m进一步化简得齿数z:z=q(mR+k)(2-3)式中:m──相数;q──每相的极数;k──≤(m-1)的正整数;R──正整数,为0、1、2、3……。按选定的相数和不同的极数,由上式就可推算出转子齿数。因为三相双三拍步进电机不易失步,控制精度比较高,所以本文对三相双三拍步进电机进行控制,定子有三对磁极,运行时两相同时通电,循环带动转子转动。4、转速控制控制步进电机的运行速度,实际上是控制系统发出时钟脉冲的频率或换相的周期,即在升速过程中,使脉冲的输出频率逐渐增加;在减速过程中,使脉冲的输出频率逐渐减少。脉冲信号的频率可以用软件延时和硬件中断两种方法来确定。采用软件延时,一般是根据所需的时间常数来设计一个子程序,该程序包含一定的指令,设计者要对这些指令的执行时间进行严密的计算或者精确的测试,以便确定延时时间是否符合要求。每当延时子程序结束后,可以执行下面的操作,也可用输出指令输出一个信号作为定时输出。采用软件定时,CPU一直被占用,因此CPU利用率低。可编程的硬件定时器直接对系统时钟脉冲或某一固定频率的时钟脉冲进行计数,计数值则由编程决定。当计数到预定的脉冲数时,产生中断信号,得到所需的延时时间或定时间隔。由于计数的初始值由编程决定,因而在不改动硬件的情况下,只通过程序变化即可满足不同的定时和计数要求,因此使用很方便。5、旋转方向控制步进电机的旋转方向和内部绕组的通电顺序及通电方式有密切关系。对于三相双三拍工作方式:正相旋转:AB→BC→CA→AB反相旋转:AB→CA→BC→AB三相双三拍控制模型如下表所示总结与展望步进电机是机电一体化产品中的关键组件之一,是一种性能良好的数字化执行元件。随着计算机应用技术、电子技术和自动控制技术在国民经济各个领域中的普及与深入,步进电机的需要量越来越大。有资料说明,世界上步进电机的年产量以10%以上的速度增长。国内对步进电机的需求同样也与日俱增。实际工作中,很多工程技术人员和技术工人都希望比较全面地了解步进电机及其控制技术。Stepintotheelectromechanicalintegrationofproductsisthekeycomponentsofagoodperformanceofdigitalimplementationdetails.ascomputerapplicationtechnologies,electronicstechniqueandtechnologyisautomaticallycontrolthedomainofthepopularizationand,thestepintotheneedformoreinformation.thereis,theworldstepintotheoutputofover10%intherateofgrowth.domesticdemandtostepintothesameheightened.actually,manyengineersandtechnicalworkers