步进电动机的控制.ppt

《步进电动机的控制.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《步进电动机的控制.ppt（77页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、步进电动机的控制,第3章,内容提要,第1节 步进电动机的工作原理及驱动方法 第2节 步进电动机的开、闭环控制 第3节 步进电动机的最佳点-位控制 第4节 步进电动机控制的程序设计,引 言,步进电动机主要用于开环控制系统，也可以用于闭环控制系统。由于它可以直接接收计算机输出的数字信号，而不需要进行数/模转换，所以广泛应用于数字控制系统。步进电机角位移与控制脉冲间精确同步，若将角位移的改变转变为线性位移、位置、体积、流量等物理量的变化，便可实现对它们的控制。（例如，在机械结构中，可以用丝杠把角度变成直线位移，也可以用它带动螺旋定位器，调节电压和电流，实现对执行机构的控制。）步进电动机具有快速启停、

2、精确步进的特点，使其在定位场合中得到了广泛的应用。(如绘图机、打印机及光学仪器中，采用步进电动机来定位绘图笔、印字头或光学镜头。在工业过程控制的位置控制系统中应用也越来越广泛。),第1节 步进电动机的工作原理及驱动方法,步进电动机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件。相当于一个数字/角度转换器，也是一个串行的数/模转换器。输入一个电脉冲，电动机就转动一个固定的角度，称为“一步”，这个固定的角度称为步距角。控制信号是脉冲电压、电流，所以有时也称为脉冲电动机或电脉冲马达。,1.电机输出轴的角位移与输入脉冲数成正比；转速与脉冲频率成正比；转向与通电相序有关。没有累积误差，具有

3、良好的跟随性。2.由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既简单、廉价，又非常可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。3.步进电机的动态响应快，易于起停、正反转、变速。4.步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。5.步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。,步进电动机有如下特点：,1.按运动方式来分：分为旋转运动、直线运动、平面运动（印刷绕组式）和滚切运动式步进电机。2.按工作原理来分：分为反应式(磁阻式)、电磁式、永磁式、永磁感应式（混合式）步进电机。3.按其工作方式来分：分为功率式和伺服式。前者输出转矩较大，能直接带动较大的负载；

4、后者输出转矩较小，只能带动较小的负载，对于大负载需通过液压放大元件来传动。4.按结构来分：分为单段式（径向式）、多段式（轴向式）、印刷绕组式。5.按相数来分：分为三相、四相、五相、六相等。6.按使用频率来分：分为高频步进电机和低频步进电机。不同类型步进电机其工作原理、驱动装置也不完全一样，但其工作过程基本是相同的。,一、步进电动机的种类,步进电动机的工作原理是基于电磁感应原理。步进电动机和一般旋转电动机一样，分为定子和转子两大部分。定子由硅钢片叠成，配以一定相数的控制绕组，输入电脉冲对多相定子绕组轮流进行励磁；转子用硅钢片叠成或用软磁性材料做成凸极结构，转子本身没有励磁绕组的称为“反应式”步进

5、电动机；用永久磁铁做转子的称为“永磁式”步进电动机；兼有永磁式和反应式两种步进电机的特点，称为混合式步进电机。目前以反应式步进电动机用得较多。,二、步进电动机的工作原理,（一）反应式步进电机的结构,1.单段（径向式）三相反应式步进电机的结构原理图,主要由定子和转子两部分组成。,定子铁芯由硅钢片叠压而成，定子上有六个均匀分布的极，每两个为一对。定子绕组是绕置在定子上的六个均匀分布铁芯齿上的线圈，它把沿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。图中所示的步进电机为A、B、C三相控制绕组，故称为三相步进电机。当任一相绕组通电时，便形成一对定子磁极，即形成N、S极。在定子的每个磁极上

6、，即定子铁芯的每个齿上又开了五个小齿，齿槽等宽，齿间夹角为9，在空间位置上依次错开1/3齿距其展开图如图所示。,图3-1 单段式反应式步进电动机结构原理图,转子是一个带齿的铁芯，转子上没有绕组，转子上均匀分布了40个小齿，齿槽等宽，齿间夹角也是9，与定子磁极上的小齿一致。当定子A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，定子B相磁极上的小齿刚好超前(或滞后)转子小齿1/3齿距角，定子C相磁极上的小齿超前(或滞后)转子小齿2/3齿距角。,11,步进电机A相通电状态,2.单段三相反应式步进电机的工作原理（近似于电磁铁的工作原理）,三相单三拍工作方式：如图转子上有四个均匀分布的齿1、2、3、4。当A相通电

7、，B、C都不通电，因磁通总是要沿着磁阻最少的路径闭合，将使转子齿1、3吸引到定子磁极A、A下，并对齐，图(a),因转子只受到径向力而无切向力，故转矩为零，转子被自锁在这个位置；当B相绕组通电，A、C相不通电，将使转子齿2、4和定子磁极B、B对齐，在电磁力矩的作用下使转子沿逆时针方向转过30，图(b)；C相通电，A、B相断电，又使转子齿1、3和定子磁极C、C对齐，在电磁力矩的作用下使转子再沿着逆时针方向转过30，图(C)。若使定子绕组按A-B-C-A的顺序通电，则步进电机转子便不停地沿逆时针方向转动。如果定子绕组的通电顺序为A-C-B-A则步进电机转子沿顺时针方向转动。,要点：磁力线力图走磁阻最

8、小的路径，从而产生反应力矩；各相定子齿之间彼此错开1/m齿距，m为相数，这里m=3。,磁力线：外边是从N极指向S极。,三相单三拍工作方式从一相绕组的通电或断电切换到另一相绕组的断电或通电时，由于电机绕组是电感性元件，磁场的消失或建立均需一定时间，因此，切换期间容易使电机产生失步。此外，由单一绕组通电吸引转子，也容易使转子在平衡位置附近产生振荡，运行的稳定性较差，所以很少采用。,三相双三拍工作方式：为了克服以上不足，通常将其改为三相双三拍通电方式，即按AB-BC-CA-AB方式通电，可使电机正转；反之按AB-AC-BC-AB方式通电，可使电机反转。这种工作方式每个通电状态均为两相绕组同时通电，且

9、相邻的两个工作节拍中总有一相保持通电的状态不变，因此，可避免三相单三拍工作方式的失步和低频振荡等现象。三相双三拍工作方式下，每改变一次通电状态可使步进电机旋转30。,三相六拍工作方式：为减小每改变一次通电状态使步进电机所转过的角度，而采用三相六拍通电方式。即按A-AB-B-BC-C-CA-A方式通电，使电机正转；反之，按A-AC-C-BC-B-AB-A方式通电，使电机反转。三相六拍工作方式除具有三相双三拍的特点外，还可使步进电机每改变一次通电状态仅旋转15。,通电方式:从一相通电改换成另一相通电，即通电方式改变一次叫“一拍”。步进电动机有单相轮流通电、双相轮流通电和单双相轮流通电的方式。,图3

10、-2 三段三相反应式步进电动机结构原理图,3.多段反应式步进电机结构及工作原理,前面介绍的单段反应式步进电机是按径向分相的，此外，还有一种反应式步进电机是按轴向分相，这种步进电机又称为多段反应式步进电机。多段反应式步进电机是沿轴向分成磁性相对独立的几段，每一段都有一组励磁绕组，形成一相，因此，三相电动机有三段，其结构如图3-2所示。,这种反应式步进电动机的步距角较大，不适合一般用途的要求。,4.小步距角步进电动机 图3-1所示为三相反应式步进电动机。设m为相数，z为转子的齿数则齿距：因为每通电一次（即运行一拍），转子就走一步，各相绕组轮流通电一次，转子就转过一个齿距。故步距角：,K-定子绕组通

11、电方式系数。相邻两次通电的相数一样，取K=l，如三相单三拍、三相双三拍工作方式；反之，取K=2，如三相单双六拍工作方式。（拍数/相数）,若步进电动机的转子齿数z=40，按三相单三拍运行时，K=1，m=3：若按五相十拍运行时，则K=2，m=5，z=40：可见，步进电动机的相数和转子齿数越多，步距角就越小，控制越精确。故步进电动机可以做成三相，也可以做成二相、四相、五相、六相或更多相数。,若步进电动机通电的脉冲频率为(脉冲数/秒)，步距角用弧度表示，则步进电动机的转速：由上式可知，步进电动机在一定脉冲频率下，电动机的相数和转子齿数越多，转速就越低。而且相数越多，驱动电源也越复杂，成本也就越高。,步

12、进电动机应用在机床上一般是通过减速器和丝杆螺母副带动工作台移动。所以，步距角对应工作台的移动量便是工作台的最小运动单位，也称脉冲当量（mm/脉冲）：式中 t：丝杆导程（mm），丝杆的导程就是丝杠旋转一周所走的行程，也有人叫螺距。b：步距角（）i：减速装置传动比 工作台的进给速度v(mm/min)：v=60,解：脉冲分配方式有两种：根据，其中K=2,m=3,Z=40.b=360/(4023)=1.5 根据 n=,其中=600HZ n=1.5*600*60/360=150r/min,例3-1.一台三相反应式步进电动机，采用三相六拍分配方式，转子有40个齿，脉冲频率为600Hz，求：写出一个循环的通

13、电顺序；求步进电动机步距角；求步进电动机转速。,反应式步进电动机具有控制方便、步距小、价格低廉的优点；具有带负载能力差、高速时易失步、断电后无定位转矩的缺点。,21,22,23,（1）主要技术指标与运行特性 1）步距角和静态步距误差a.步距角 步距角:也称为步距。它的大小由下式（3-2）决定。目前我国步进电动机的步距角为0.36至90。常用的为7.5/15、3/6、1.5/3、0.9/1.8、0.75/1.5、0.6/1.2、0.36/0.72等几种。若通电方式和系统的传动比已初步确定，则步距角应满足:bimin,5.步进电动机的主要技术指标与运行特性,i 传动比min负载轴要求的最小位移增量

14、（即每个脉冲对应的最小角位移增量）,（3-2）,例如，所用丝杠螺距为12.7mm(t),线性增量为0.529mm/每步()（取决于运动精度），所需电动机步距为角：,步距脚b也可用分辨率bs来表示：bs=360/b（步/转）,当步进电机拖动的机械作直线运动时，用丝杠作运动转换器，步进电机的步距角可按以下公式计算：,直线增量运动当量（mm/每步）t丝杠螺距（mm/周）,可知，360/15=24，需要一台每转24步的步进电机。,设传动比为1,b.静态步距误差 静态步距角误差:从理论上讲，每一个脉冲信号应使电动机转子转过相同的步距角。但实际上，由于定、转子的齿距分布不均匀，定、转子之间的气隙不均匀或铁

15、心分段时的错位误差等，实际步距角与理论步距角之间会存在偏差，这个偏差称为静态步距角误差。步距精度b应满足:,L丝杠传动精度,步进电动机的静特性，是指步进电动机在稳定状态（即步进电动机不改变通电情况的运行状态）时的特性，包括静转矩、矩角特性及静态稳定区。静转矩：指步进电动机处于稳定状态下的电磁转矩。它是绕组电流和失调角的函数。在稳定状态下，如果在转子轴上加一负载转矩使转子转过一个角度，并能稳定下来，这时转子受到的电磁转矩与负载转矩相等，该电磁转矩即为静转矩，而角度即为失调角（或：电机定子齿与转子齿中心线之间的夹角叫做失调角）。对应于某个失调角时，静转矩最大，称为最大静转矩Tjmax。可从矩角特性

16、上反映Tjmax，如图3-4所示，当失调角=90时，将有最大静转矩。,2）最大静转矩,静转矩和失调角之间的特性曲线，叫做矩角特性：T=-C sin,由此我们可以发现步进电动机的工作过程就是实现失调角为零的过程。,多相通电时的矩角特性和最大静态转矩：按照叠加原理，根据各相通电时的矩角特性叠加起来求出。例如三相步进电动机常用单-双相通电的方式。当两相通电时，由于正弦量可以用相量相加的方法求和，因此两相通电时的最大静态转矩可用相量图求取。用相量TA和TB分别表示A相和B相单独通电时的最大静态转矩，两相通电时的最大静态转矩TAB为：,式中，Tmax=TA=TB,从上式可知，对于三相步进电动机，TAB=

17、TA=TB，即两相通电时的最大静态转矩值与单相通电时的最大静态转矩值相等。此时三相步进电动机不能靠提高通电相数来提高转矩。五相步进电动机三相通电时的最大静态转矩:由于采用了2-3相通电方式，最大静态转矩提高了，而且矩角特性形状相同，对步进电动机运行稳定性有利。,使用步进电机时，一般电动机轴上的负载转矩TL=(0.30.5)Tmax，启动转矩Ts总是小于最大静态转矩Tjmax。,当步进电动机的控制绕组的电脉冲时间间隔小于电机机电过渡过程所需的时间时，步进电动机进入连续运行状态，这时电动机产生的转矩称为动态转矩。步进电动机的最大动态转矩和脉冲频率的关系，即Tdm=F()，称为矩频特性，如图3-5所

18、示。即，步进电动机的动态转矩随着脉冲频率的升高而降低。,3）矩频特性,什么是矩频特性？,步进电动机的控制绕组是感性元件，其电流按指数函数增长。当电脉冲频率低时，电流可以达到稳定值，如图3-6a所示。随着频率升高，达到稳定值的时间缩短，如图3-6b所示。当频率高到一定值时，电流就达不到稳定值，如图3-6c所示，故电动机的最大动态转矩小于最大静转矩，而且脉冲频率越高，动态转矩也就越小。对于某一频率。只有当负载转矩小于它在该频率时的最大动态转矩，电动机才能正常运转。,矩频特性有什么特点？,为了提高步进电动机的矩频特性，必须设法减小控制绕组的电气时间常数（=L/R），为此要：尽量减小它的电感，使控制绕

19、组匝数减少，所以步进电动机控制绕组的电流一般都比较大。有时也在控制绕组回路中串接一个较大的附加电阻，以降低回路电气时间常数，但这样就增加了在附加电阻上功率损耗，导致步进电动机及系统效率降低。也可以采用双电源供电，即在控制绕组电流的上升阶段由高压电源供电，以缩短达到稳定值的时间，然后再改为低压电源供电以维持其电流值，这样可大大提高步进电动机的矩频特性。,怎样提高矩频特性？,步进电动机的工作频率一般包括启动频率、制动频率和连续运行频率。（对同样的负载转矩来说，正、反向的启动频率和制动频率是一样的，所以一般技术数据中只给出启动频率和连续运行频率。）步进电动机的启动频率st是指在一定负载转矩下能够不失

20、步地启动的最高脉冲频率。st的大小与驱动电路和负载大小有关。步距角b越小，负载（包括负载转矩与转动惯量）越小，则启动频率越高。,4）启动频率和连续运行频率,步进电动机的连续运行频率c：是指步进电动机启动后，当控制脉冲频率连续上升时，能不失步运行的最高频率。它的值也与负载有关。步进电动机的运行频率比启动频率高得多，这是因为在启动时除了要克服负载转矩外，还要克服轴上的惯性转矩。启动时转子的角加速度大，它的负担要比连续运转时重。所以启动时，脉冲频率不宜过高。启动以后，再逐渐升高脉冲频率。,步进电动机的型号表示方法举例如下（不同生产厂家其表示方法也有所不同）反应式步进电动机:（如150BF/BC003

21、）混合式步进电动机:（如42BYG008：四相永磁感应式步进电动机）永磁式步进电动机:,5）步进电动机技术指标实例,90-BYG-2-50-A机座号 混合式 相数 转子齿数 派生代号（外径）mm 步进电动机,混合式步进电机（兼有永磁式和反应式两种步进电机的特点）。转子由圆周上均匀分布一定数量小齿的两段齿片组成，这两段齿片相互错开半个齿距，两块齿片之间夹有一个轴向充磁的环形永久磁钢(如图3-4所示)。这样，与N极磁钢相连的那段转子整个呈N极，另一端与S极磁钢相连，呈S极，产生的合成转矩使转子转动。一般为两相或三相；须供给正负脉冲信号；输出转矩较永磁式大（消耗功率相对较小）；步距角较永磁式小（一般

22、为1.8度）；断电时无定位转矩；启动和运行频率较高；是目前发展较快的一种步进电机。,39,步进电动机的振荡和失步是一种普遍存在的现象，它影响系统的正常运行，因此要尽力避免。失步包括丢步和越步。丢步时指转子前进的步距数小于脉冲数；越步是指转子前进的步距数多于脉冲数。丢步严重时，转子将停留在一个位置上或围绕一个位置振动。（a）振荡 步进电动机的振荡现象主要发生于：,（2）步进电动机的振荡、失步及解决方法,步进电动机工作在低频区；步进电动机工作在共振区；步进电机突然停车时。,当步进电机工作在低频区时，由于励磁脉冲间隔的时间较长，步进电机表现为单步运行。当励磁开始时，转子在电磁力的作用下加速转动。在到

23、达平衡点时，电磁驱动转矩为零，但转子的转速最大，由于惯性，转子冲过平衡点。这时电磁力产生负转矩，转子在负转矩的作用下，转速逐渐为零，并开始反向转动。当转子反转过平衡点后，电磁力又产生正转矩，迫使转子又正向转动，形成转子围绕平衡点的振荡。由于有机械摩擦和电磁阻尼的作用，这个振荡表现为衰减振荡，最终稳定在平衡点。,当步进电机工作在共振区时，步进电机的控制脉冲频率接近步进电机的固有频率(振荡频率)或固有频率的分频或倍频，这会使振荡加剧，严重时造成失步。步进电动机的固有频率(振荡频率)可由下式求出：振荡失步的过程可描述如下：在第一个脉冲到来后，转子经历了一次振荡。当转子回摆到最大幅值时，恰好第二个脉冲

24、到来，转子受到的电磁转矩为负值，使转子继续回摆。接着第三个脉冲到来，转子受正电磁转矩的作用回到平衡点。这样，转子经过三个脉冲仍然回到原来位置，也就是丢了三步。,J转动惯量；Z转子齿数；Tmax最大转矩。,当步进电机工作在高频区时，由于换相周期短，转子来不及反冲。同时绕组中的电流尚未上升到稳定值，转子没有获得足够的能量，所以在这个工作区中不会产生振荡。减小步距角可以减小振荡幅值，以达到削弱振荡的目的。（b）失步步进电动机的失步原因有两种：第一种是转子的转速慢于换相速度。例如，步进电动机在启动时，如果脉冲的频率较高，由于电动机来不及获得足够的能量，使其无法令转子跟上旋转磁场的速度，所以引起失步。因

25、此步进电动机有一个启动频率，超过启动频率启动时，肯定会产生失步。（注意，启动频率不是一个固定值，提高电动机的转矩、减小电动机转动惯量、减小步距角都可以提高步进电动机的启动频率）第二种是转子的平均速度大于旋转磁场的速度。这主要发生在制动和突然换相时，转子获得过多的能量，产生严重的过冲，引起失步。,消除振荡是通过增加阻尼的方法来实现的，主要有机械阻尼法和电子阻尼法两大类。机械阻尼法比较单一，就是在电动机轴上加阻尼器；电子阻尼法有多种，主要有：多相励磁法、变频变压法、细分步法、反相阻尼法等。,（c）阻尼方法,步进电动机的运行特性，不仅与步进电动机本身的特性和负载有关，而且与配套使用的驱动电源（即驱动

26、电路）有着十分密切的关系。驱动电源按供电方式分类，有：单电压供电、双电压供电、调频调压供电；按功率驱动部分所用元件分类，有大功率晶体管驱动、快速晶闸管驱动、可关断晶闸管驱动、混合驱动。图3-7为步进电动机驱动系统原理图。,三、步进电动机的驱动方法,驱动器：德国百格拉WD3-007,信号接口：PULSE+电机输入控制脉冲信号；DIR+电机转动方向控制信号；RESET+复位信号，用于封锁输入信号；READY+报警信号；PULSE-、DIR-、RESET-和READY-短接公共地；状态指示：RDY 灯亮表示驱动器正常工作；TEMP 灯亮表示驱动器超温；FLT 灯亮表示驱动器故障；功能选择：MOT.C

27、URR 设置电机相电流；STEP1、STEP2 设置电机每转的步数；CURR.RED 设定半流功能 PULSE.SYS 可设置成“脉冲和方向”控制方式；也可以设置成“正转和反转”控制方式；功率接口：DC+和DC-接制动电容；U、V、W 接电机动力线，PE是地；L、N、PE 接驱动器电源，电源电压是220VAC输入时，最大电流是3A。电源线横截面1.5平方毫米，尽量短。驱动器的L端和N端接供电电源，同时要串接一个6.3A保险丝；PE为接地。,PULSE：脉冲信号输入端，每一个脉冲的上升沿使电机转动一步。DIR：方向信号输入端，如“DIR”为低电平，电机按顺时针方向旋转；“DIR”为高电平电机按逆

28、时针方向旋转。CW：正转信号，每个脉冲使电机正向转动一步。CCW：反转信号，每个脉冲使电机反向转动一步。RESET：复位信号，如复位信号为低电平时,输入脉冲信号起作用，如果复位信号为高电平时就禁止任何有效的脉冲，输入信号无效，电机无保持扭矩。READY:输入报警信号：READY是继电器开关，当驱动器正常工作时继电器闭合，当驱动器工作异常时继电器断开。继电器允许最高输入电压和电流是：35VDC，10mAI200mA，电阻性负载。如用该继电器，要把他串联到CNC的某输入端。当驱动器正常工作时继电器闭合，外部24VDC通过继电器输入到CNC输入端，否则外部24VDC无法输入到CNC输入端。注意：PU

29、LSE与CW，PULSE与CW，DIR与CCW，DIR与CCW对应同一个接口，按控制方式不同给出两种定义名称；可以用两相脉冲输出（CW/CCW）方式进行控制，也可以用（PULSE+DIR）方式控制。,脉冲、方向信号时序图,上位机的控制信号可以高电平有效，也可以低电平有效。高有效时，把所有控制信号的负端连在一起作为信号地，低有效时，把所有控制信号的正端连在一起作为信号公共端。,MOT.CURR：设置输出相电流,STEP1、STEP2：设置电机每转步数驱动器WD3-007可将电机的步数分别设置为500、1000、5000、10000步。用户可以通过驱动器正面板上的两个拨码开关STEP1、STEP2

30、设置电机的步数如下表：,CURR.RED：设定半流功能 半流功能是指电机带电静止100ms后，驱动器输出电流降为额定输出电流的60%，用来防止电机发热。当拨码开关CURR.RED设置为“OFF”时，有半流功能；当设置成“ON”时，无半流功能。PULSE.SYS：控制方式选择 拨码开关（PULSE.SYS）可设置成两种控制方式：当设置成“OFF”时，为“脉冲和方向”控制方式；当设置成“ON”时，为“正转和反转”控制方式。,“PULSE.SYS”为控制方式选择开关,第一、按预定的工作方式分配各个绕组的通电脉冲；第二、控制步进电机的速度，使它始终遵循加速-匀速-减速的运动规律工作。,步进电机的控制方

31、法可归纳为两点：,驱动电源主要包括脉冲发生器（变频信号源）、环形分配器（又称脉冲分配器）和功率放大器几个基本部分。变频信号源是一个频率可从几十Hz到几十kHz连续变化的脉冲发生器。经济型数控系统中，脉冲的产生和分配均由微机来完成。下面主要介绍环形分配器和功率放大器。,四、步进电动机驱动电源设计,步进电动机的每相绕组不是恒定的通电，而是按照一定的规律轮流通电，环形分配器的作用是将控制脉冲按规定方式分配到各相绕组上。环形分配器有硬件环形分配器、软件环形分配器。1.硬件环形分配器 硬件环形分配器由门电路、触发器等基本逻辑功能元件组成，按一定的顺序导通和截止功率放大器，使相应的绕组通电或断电。硬件环形

32、分配器可分为分立元件的、集成触发器的、单块MOS集成块的和可编程EPROM、FPGA等。集成元器件的使用，使环形分配器的体积大大缩小，可靠性和抗干扰能力提高，并具有较好的响应速度。,（一）环形分配器,环形分配器种类很多，可以由D触发器或J-K触发器所组成。图3-8是一个由3只J-K触发器及12个与非门组成的三相六拍的环形分配器。,（1）触发器型环形分配器,目前市场上有很多可靠性高、尺寸小、使用方便的集成脉冲分配器供选择。按其电路结构不同可分为TTL集成电路和CMOS集成电路。国产TTL脉冲分配器有：三相（YBO13）、四相（YBO14）、五相（YBO15）和六相（YBO16），均为18个管脚的

33、直插式封装。CMOS集成脉冲分配器有：CH250型是专为三相反应式步进电动机设计的环形分配器。封装形式为16脚直插式。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，三相六拍的不同工作方式。图7所示为三相双三拍工作时的接线图，图8所示为三相六拍工作时的接线图。,（2）环形分配器集成芯片,CH250环形脉冲分配器的功能关系如上表1所示。,步进电动机按类型、相数等划分，种类繁多，相应的就需要不同的环形分配器，而用EPROM设计的环形分配器，用一种线路可实现多种通电方式的分配-硬件电路不变动，只需改变软件内存储器的地址。图3-10为含有EPROM

34、的环形分配器。根据驱动要求，求出环形分配器的输出状态表，以二进制码的形式依次存入EPROM中，在线路中只要依照地址的正向或反向顺序依次取出地址的内容，即可实现正、反向通电的顺序。对不同通电方式，状态表也不同，可将存储器地址划分为若干区域，每个区域储存一个状态表，运行时，用EPROM的高位地址线选通这些不同区域。,（3）EPROM可编程式,图3-10 含有EPROM的环形分配器,8713有几种型号，如三洋公司的PMM8713，富士通公司的MB8713，国产的5G8713等，他们的功能一样，可以互换。8713是属于单极性控制，用于控制三相和四相步进电机，可以选择以下不同的工作方式。三相步进电动机：

35、单三拍、双三拍、六拍；四相步进电动机：单四拍、双四拍、八拍。8713可以选择单时钟输入或双时钟输入；具有正反转控制、初始化复位、工作方式和输入脉冲状态监视等功能；所有输入端内部都设有斯密特整形电路，提高抗干扰能力，使用418V直流电源，输出电流为20mA。8713有16个引脚。,这里介绍一种8713集成电路芯片,8713引角功能如p57表3-2所示,目前市场上出售的环形分配器的种类很多，有的还具有其它许多功能，如斩波控制等。用于两相步进电机控制的如：L297（L297A）（产生4相控制信号，可用于两相双极和四相单极步进电机）和PMM8713；用于五相步进电动机控制的如PMM8714等。,（4）

36、多功能环形分配器,8713脉冲分配器与单片机的接口例子如图3-11所示。本例选用单时钟（单脉冲）输入方式：8713的3脚为步进脉冲输入端，4脚为转向控制端，这两个引脚的输入均由单片机提供和控制。选用对四相步进电动机进行八拍方式控制，所以5、6、7均接高电平。,图3-11 8713脉冲分配器与单片机接口,由于采用了脉冲分配器，单片机只需提供步进脉冲，进行速度控制和转向控制，脉冲分配的工作交给脉冲分配器来自动完成。因此，CPU的负担减轻许多。,有两种脉冲输入方法,双脉冲输入法：、分别接控制步进电机正反转的输入脉冲；单脉冲输入法：为脉冲输入,步进电机的正反转方向由的电位高低决定;,是完全用软件的方式

37、进行脉冲分配，按照给定的通电换相顺序，通过单片机的I/O口向驱动电路发出控制脉冲。图3-12是控制五相步进电动机的硬件接口例子。利用8051系列单片机的P1.0P1.4这5条I/O线，向五相步进电动机传送控制信号。,.软件环形分配器,ULN2003 是高耐压、大电流、内部由七个硅NPN 达林顿管组成的驱动芯片。,下面以五相步进电动机工作在十拍方式为例，说明如何设计软件。五相十拍工作方式的正序为：AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB，共有10个通电状态。如果P1口输出的控制信号中，0代表使绕组通电，1代表使绕组断电，则可用10个控制字来对应这10个通电状态。这10

38、个控制字如表3-3所列。,在程序中，只要依次将这10个控制字送到P1口，每送一个控制字，就完成一拍，步进电动机转过一个步距角。程序就是根据这个原理设计的。用R0作为状态计数器，来指示第几拍，按正转时加1，反转时减1的操作规律，则正转程序为：CW：INC R0；正转加1 CJNE R0，#0AH，ZZ；如果计数器等于10修正为0 MOV R0，#00HZZ：MOV A，R0；计数器值送A MOV DPTR，#ABC；指向数据存放首地址 MOVC A，A+DPTR；取控制字 MOV P1，A；送控制字到P1口 RET ABC：DB 0FCH，0F8H，0F9H，0F1H，0F3H；10个控制字 D

39、B 0E3H，0E7H，0E6H，0EEH，0ECH反转程序为：CCW：DEC R0；反转减1(反序)CJNE R0，#0FFH，FZ；如果计数器等于FFH修正为9 MOV R0，#09H FZ：MOV A，R0 MOV DPTR，#ABC；指向数据存放首地址 MOVC A，A+DPTR；取控制字 MOV P1，A；送P1口 RET,软件法在电动机运行中，要不停地产生控制脉冲，占用了大量的CPU时间，可能使单片机无法同时进行其他工作（如监测等），所以，人们更喜欢用硬件法，或软、硬件相结合的方法。,功率放大器的输出直接驱动电动机的控制绕组，因此功率放大电路的性能对步进电动机的运行状态有很大影响。

40、对驱动电路要求的核心问题是如何提高电动机的快速性和平稳性。目前国内步进电动机的驱动电路主要有以下几种。1.单电压恒流功放电路 图3-13所示的是步进电动机单相的功放电路。,（二）功率放大器,图3-13 单电压功率放大电路,L、RL是步进电机的绕组电感和绕组电阻；由于电机绕组存在电感L，当晶体管VT突然接通后，绕组电流按指数规律上升。其时间常数为：晶体管VT可以看成一个无触点开关；二极管V和电阻Rd组成放电回路，以防止晶体管VT关断瞬间绕组反电势造成管子击穿。R为限流电阻，保证通电后电流稳态值为额定值,同时还可以起到减小过渡时间的作用。电容C为加速电容，动态时，利用它的旁路作用（电压不发生跃变）

41、，使电机绕组电流上升加快，改善电流波形的前沿。,常用于驱动电流较小的伺服步进电动机。,图3-14所示是步进电动机单相的双电压功放电路。这种线路的特点是：绕组通电开始时接通高压以保证电机绕组中有较大的冲击电流流过。然后再截断高压，由低压维持绕组中的电流，以保证电机绕组中的稳定电流等于额定值。高压U1大约为80150V，低压U2大约为520V左右。,2.高低压（双电压）功率放大电路,图3-14 高低压驱动原理图,高低压功放电路比单电压功放电路的波形好，有十分明显的高速率上升和下降沿，所以高频特性好，电源效率也高。不足之处是：高压产生的电流上冲作用在低频时会使输入能量过大，引起电动机的低频振荡加重。

42、,常用于驱动中功率和大功率伺服步进电动机。,前面介绍的双电压功放能使流入电动机的电流有较好的上升沿和幅值，提高了电动机的高频工作能力。但在低频时，则低频振荡较高。采用调频调压的控制方法，即：低频时工作在低压状态，减少能量的流入，从而抑制了振荡；在高频时工作在高压状态，电动机将有足够的驱动能力。,3调频调压功放电路,调频调压的控制方式很多，简单的方式是分频段调压。一般把步进电机的工作频率分成几段，每段的工作电压不同，即调频调压方法。在理想条件下，保持步进电动机力矩不变，则电源电压应随工作频率的升高而升高，随工作频率的下降而下降。,图3-15 调频调压功放电路,图3-15为调频调压功放电路，整个电

43、路分成三部分：开关调压、调频调压控制和功率放大。,I/O1输出步进电机控制信号；I/O2输出调压信号到开关调压部分。,U2作为绕组功放电路的电源，其大小取决于tON长短。单片机控制从I/O1输出的步进信号的频率，以及从I/O2输出的脉冲时间，步进信号频率高，tON加大，U2也随着增大，从而起到调频调压的作用。,由于步进电动机的驱动电流比较大，所以微型机与步进电机的连接都需要专门的接口电路及驱动电路。接口电路可以用缓冲器和锁存器组成，也可以选用并行I/O接口芯片，如8255、8155等。其中A口接步进电机驱动器，向步进电机提供各相的励磁电流；B口用来检测步进电机的类型及工作方式选择，开关的状态可根据需要来设置。如图3-16所示。,五、步进电动机与微机的接口技术,驱动器可用大功率复合管，也可以是专门的驱动器。为了抗干扰，或避免一旦驱动电路发生故障，造成功率放大器中的高电平信号进入微型机而烧坏器件，在驱动器与微型机之间加一级光电隔离器，其原理接口电路如图3-17、图3-18所示。,图3-18 步进电机与微机 接口电路之二,图3-17 步进电机与微机 接口电路之一,