(整理)常用电机与控制—步进电机_物理_自然科学_专业资料。------------- 常用电机与控制—步进电机 步进电动机 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。每输入一个冲信号，该电动机就转过一定的角度（有 的步进电动
------------- 常用电机与控制—步进电机 步进电动机 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。 下面介绍反应式步进电动机单三拍、六拍及双三拍通电方式的基 本原理。 一、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 二、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°。其位置如图 3d 所示。这样，如果按 A→A、B→B→B、 C→C→C、A→A…的顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步 地转动，步距角 15°。电流换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一 个齿距角。如果按 A→A、C→C→C、B→B→B、A→A…的顺序通电， 则电机转子逆时针方向转动。这种通电方式称为六拍方式。 ------------- ------------- a.A 相通电 b.A、B 相通电 c.B 相通电 d.B、C 相通电 图 3 六拍通电时转子位置 三、双三拍通电方式的基本原理 如果每次都是两相通电，即按 A、B→B、C→C、A→A、B→… 的顺序通电，则称为双三拍方式，从图 3b，和图 3d 可见，步距角也 是 30°。因此，采用单三拍和双三拍方式时转子走三步前进了一个齿 距角，每走一步前进了三分之一齿距角；采用六拍方式时，转子走六 步前进了一个齿距角，每走一步前进了六分之一齿距角。因此步距角 θ 可用下式计算： ------------- ------------- θ＝360°/Zr×m 式中 Zr 是转子齿数；m 是运行拍数。 一般步进电动机常见的步距角是 3°或 1．5°。由上式可知，转 子上不只 4 个齿（齿距角 90°），而有 40 个齿（齿距角为 9°）。为 了使转子齿与定子齿对齐，两者的齿宽和齿距必须相等。因此，定子 上除了 6 个极以外，在每个极面上还有 5 个和转子齿一样的小齿。步 进电动机的结构图如图 4 所示。 图 4 三相反应式步进电动机的结构图 由上面介绍可知，步进电动机具有结构简单、维护方便、度 高、起动灵敏、停车准确等性能。此外，步进电动机的转速决定于电 脉冲频率，并与频率同步。 ------------- ------------- 四、步进电动机的驱动电源 步进电动机需配置一个专用的电源供电，电源的作用是让电动机 的控制绕组按照特定的顺序通电，即受输入的电脉冲控制而动作，这 个专用电源称为驱动电源。步进电动机及其驱动电源是一个互相联系 的整体，步进电动机的运行性能是由电动机和驱动电源两者配合所形 成的综合效果。 1、对驱动电源的基本要求 （1）驱动电源的相数、通电方式和电压、电流都工满足步进电动机 的需要； （2）要满足步进电动机的起动频率和运行频率的要求； （3）能限度地抑制步进电动机的振荡； （4）工作可靠，抗干扰能力强； （5）成本低、效率高、安装和维护方便。 2、驱动电源的组成 步进电动机的驱动电源基本上由脉冲发生器、脉冲分配器和脉冲 放大器（也称功率放大器）三部分组成，如图 5 所示。 ------------- ------------- 图 5 步进电动机驱动电源的方框图 （1）脉冲发生器 脉冲发生器是一个脉冲频率由几赫到几十千赫可连续变化 的脉冲信号发生器。脉冲发生器可以采用多种线路，常见的有多谐 振荡器和单结晶体管构成的张弛振荡器两种，它们都是通过调节电阻 R 和电容 C 的大小来改变电容器充放电的时间常数，以达到改变脉冲 信号频率的目的。图 6 是两种实用的多谐振荡电路，它们分别由反相 器和非门构成，振荡频率由 RC 决定，改变 R 值即可改变脉冲频率。 图 6 脉冲发生器实用电器（点击看大图） （2）脉冲分配器 脉冲分配器中由门电路和双稳态触发器组成的逻辑电路，它 根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加在脉冲放大器上，使步进电 动机按确定的运行方式工作。下面着重介绍 CH250 环形脉冲分配器。 CH250 环形脉冲分配器是三相步进电动机的理想脉冲分配 器，通过其控制端的不同接法可以组成三相双三拍和三相六拍的不同 工作方式，如图 7、图 8 所示。 ------------- ------------- 图 7 CH250 三相双三拍接法 图 8 CH250 三相六拍接法 J3r、J3L 两端子是三相双三拍的控制端，J6r、J6L 是三相六 拍的控制端，三相双三拍工作时，若 J3r＝“1”，而 J3L＝“0”，则电机 正转；若 J3r＝“0”，J3L＝“1”，则电机反转；三相六拍供电时，若 J6r ＝“1”，J6L＝“0”，则电机正转；若 J6r＝“0”，J6L＝“1”，电机反转。 R2 是双三拍的复位端，R1 是六拍的复位端，使用时，首先将其对应 复位端接入高电平，使其进入工作状态，然后换接到工作位置。CL ------------- ------------- 端是时钟脉冲输入端，EN 是时钟脉冲允许端，用以控制时钟脉冲的 允许与否。当脉冲 CP 由 CL 端输入，只有 EN 端为高电平时，时钟 脉冲的上升沿才起作用。CH250 也允许以 EN 端作脉冲 CP 的输入端， 此时，只有 CL 为低电平时，时钟脉冲的下降沿才起作用。A0、B0、 C0 为环形分配器的三个输出端，经过脉冲放大器（功率放大器）后 分别接到步进电动机的三相线 环形脉冲分配器的功能关系如表 1 所列。 工作方式 CL 六拍 正转 反转 0 0 双三拍 正转 反转 0 0 六拍 正转 反转 双三拍 正转 反转 EN J3r J3L J3r J3L 0010 0001 1000 0100 1 0010 1 0001 1 1000 1 0100 （3）脉冲放大器（功率放大器） 由于脉冲分配器输出端 A0、B0、C0 的输出电流很小，如 CH250 脉冲分配器的输出电流大约为 200-μA，而步进电动机的驱 动电流较大，如 75BF001 型步进电动机每相静态电流为 3A，为了满 足驱动要求，脉冲分配器输出的脉冲需经脉冲放大器（即功率放大器） 后才能驱动步进电机。图 9 是一个实用的脉冲放大电路，图中使用三 级晶体管放大，级用 3DG6 小功率管，第二级用 3DK4 中功率管， ------------- ------------- 第三级用 3DD15 大功率管，R6 为步进电动机限流电阻，随所配电机 不同而异。 图 9 脉冲放大器实用电路 图 10 高低压切换驱动电源的原理图 图 9 所示电路是单电压型驱动电源，它的特点是：线 与控制绕组串联后，可以减小回路的时间常数；但是由于 R6 上要消耗功率，使电源的效率降低，用这种电源供电的步进电动机的 起动和运行频率都不会太高。为了提高电源效率及工作频率，可采用 高、低压切换型电源，其原理如图 10 所示。高压供电是用来加速电 流的增长速度，而低压是用来维持稳定的电流值。低压电源中串联一 ------------- ------------- 个数值较小的电阻，其目的是为了调节控制绕组的电流，使各相电流 平衡。 -------------
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