步进电机：驱动系统优化方案

步进电机是开环伺服系统（亦叫步进式伺服系统）的驱动元件。功率步进电机盛行于20世纪70年代，且其控制系统的结构简单、控制容易、维修方便，控制为全数字化（即数字化的输入指令脉冲对应着数字化的位置输出）。随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其他硬件电路均可由软件实现，从而简化了系统结构，降低了成本，提高了系统的可靠性。

步进电机是一种用电脉冲信号进行控制、并将电脉冲信号转换成相应的角位移的执行器，也称脉冲电机。每给步进电机输入一个电脉冲信号，其转轴就转过一个角度，这个角度称为步距角。步进电机的角位移量与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲信号输入的频率成正比，通过改变频率就可以调节步进电机的转速。如果步进电机的各相绕组保持某种通电状态，则其具有自锁能力。步进电机每转一周都有固定的步数，从理论上说其步距误差不会累积。步进电机的最大缺点在于其容易失步，特别是在大负载和速度较高的情况下失步更容易发生。此外，步进电机的耗能太多，速度也不高。目前的步进电机在脉冲当量为1 μm 时，最高移动速度仅有2 mm/min，且功率越大，移动速度越低，故主要用于速度与精度要求不高的经济型数控机床及旧机床设备的改造。但是，近年来发展起来的恒流斩波驱动、PWM（Pulse Width Modulation）驱动、细分驱动及它们的综合运用，使得步进电机的高频出力得到很大提高，低频振荡得到显著改善，特别是随着智能超微步驱动技术的发展，步进电机的性能将提高到一个新的水平，将以极高的性价比获得更为广泛的应用。

1.步进电机的工作原理

步进电机是按电磁吸引的原理来工作的，现以反应式步进电机为例说明其工作原理。反应式步进电机的定子上有磁极，每个磁极上有励磁绕组，转子上虽无绕组，但有周向均布的齿，依靠碰极对齿的吸合来工作。图2-7-1为三相步进电机，定子上有三对磁极，分成A、B、C 三相。为简化分析，假设转子只有4 个齿。

图2-7-1　三相反应式步进电机三相三拍工作原理示意

（1）三相三拍工作方式

在图2-7-1 中，设A 相通电，A 相绕组的磁力线为保持磁阻最小，给转子施加电磁转矩，使磁极A 与相邻的转子的1、3 齿对齐；接下来若B 相通电，A 相断电，磁极B 又将距它最近的2、4 齿吸引过来与之对齐，使转子按逆时针方向旋转30°；下一步C 相通电，B 相断电，磁极C 又将吸引转子的1、3 齿与之对齐，使转子又按逆时针方向旋转30°，依此类推。若定子绕组按A→B→C→A→…的顺序通电，转子就一步步地按逆时针方向转动，每步30°。若定子绕组按A→C→B→A→…的顺序通电，则转子就一步步地按顺时针方向转动，每步仍然30°。这种控制方式叫三相三拍方式，又称三相单三拍方式。

（2）三相六拍工作方式

如果定子绕组按A→AB→B→BC→C→CA→A… （逆时针转动）或A→AC→C→BC→B→CA→A… （顺时针转动）的顺序通电，步进电机就工作在三相六拍工作方式，每步转过15°，其步距角是三相三拍工作方式步距角的一半，如图2-7-2 所示。因为电机运转中始终有一相定子绕组通电，故电机运转比较平稳。

图2-7-2　三相反应式步进电机三相六拍工作原理示意

（3）双三拍工作方式

由于前述的三相单三拍工作方式每次定子绕组只有一相通电，且在切换瞬间失去自锁转矩，容易产生失步，而且，只有一相绕组产生力矩吸引转子，在平衡位置易产生振荡，故在实际工作过程中多采用双三拍工作方式，即定子绕组的通电顺序为AB→BC→CA→AB…或AC→BC→CA→…，前一种通电顺序转子按逆时针旋转，后一种通电顺序转子按顺时针旋转，此时有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，每步仍然旋转30°。由于在步进电机工作过程中始终保持有两相定子绕组通电，所以工作比较平稳。

实际上步进电机转子的齿数很多，齿数越多步距角越小。为了改善运行性能，定子磁极上也有齿，这些齿的齿距与转子的齿距相同，但各极的齿依次与转子的齿错开齿距的1 /m（m为电机定子相数）。这样，每次定子绕组通电状态改变时，转子只转过齿距的1/m （如三相三拍）或1／ （2m）（如三相六拍）即达到新的平衡位置。

如图2-7-3 所示，转子有40 个齿，则齿距为360°/40 =9°，若通电为三相三拍，当转子齿与A 相定子齿对齐时，转子齿与B 相定子齿相差1/3 齿距，即3°，与C 相定子齿相差2/3 齿距，即6°。

图2-7-3　三相反应式步进电机的结构示意和展开后的步进电机齿距

2.步进电机的主要特性

（1）步距角α

步距角指每给一个脉冲信号，电机转子应转过角度的理论值。它取决于电机结构和控制方式。步距角可按下式计算

式中：m为电机定子相数；

z为转子齿数；

k为通电系数，若连续两次通电相数相同为1，若不同则为2。

数控机床所采用步进电机的步距角一般都很小，如3°/1.5°，1.5°/0.75°，0.72°/0.36°等，是步进电机的重要指标。步进电机空载且单脉冲输入时，其实际步距角与理论步距角之差称为静态步距角误差，一般控制在±（10′～30′）的范围内。

（2）矩角特性、最大静态转矩Mjmax和启动转矩Mq

当步进电机处于通电状态时，转子处在不动状态，即静态。如果在电机轴上施加一个负载转矩M，转子会在载荷方向上转过一个角度θ，转子因而受到一个电磁转矩Mj的作用与负载平衡，该电磁转矩Mj称为静态转矩，该角度θ 称为失调角。步进电机单相通电的静态转矩Mj随失调角θ 的变化曲线称为矩角特性，如图2-7-4 所示为三相步进电机按A→B→C→A→…方式通电时A、B、C 各相的矩角特性。各相矩角特性差异不宜过大，否则会影响步距精度，引起低频振荡。当外加负载转矩取消后，转子在电磁转矩作用下仍能回到稳定平衡点（θ =0）。矩角特性曲线上的电磁转矩的最大值称为最大静转矩Mjmax，Mjmax是代表电机承载能力的重要指标，Mjmax越大，电机带负载的能力越强，运行的快速性和稳定性越好。

图2-7-4　三相步进电机的各相矩角特性

由图2-7-4 可见，相邻两条曲线的交点所对应的静态转矩是电机运行状态的最大启动转矩Mq，当负载力矩小于Mq时，步进电机才能正常启动运行，否则将会造成失步。一般地，电机相数的增加会使矩角特性曲线变密，相邻两条曲线的交点上移，使Mq加大；采用多相通电方式，即变m 相m 拍通电方式为m 相2m 拍通电方式，也会使Mq加大。

（3）启动频率fq和启动时的惯频特性

空载时，步进电机由静止突然启动、并进入不丢步的正常运行状态所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率fq，是反映步进电机快速性能的重要指标。空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该启动频率。原因是频率越高，电机绕组的感抗（XL=2πfL）越大，而感抗会使绕组中的电流脉冲变尖，幅值下降，从而造成电机输出力矩下降。

启动时的惯频特性是指电机带动纯惯性负载时启动频率和负载转动惯量之间的关系。一般来说，随着负载惯量的增加，启动频率会下降。如果除了惯性负载外还有转矩负载，则启动频率将进一步下降。

（4）运行矩频特性

步进电机启动后，其运行速度能跟踪指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率，其值远大于启动频率。运行矩频特性是描述步进电机在连续运行时，输出转矩与连续运行频率之间的关系，它是衡量步进电机运转时承载能力的动态指标，如图2-7-5 所示，图中每一频率所对应的转矩称为动态转矩。从图2-7-5 中可以看出，随着运行频率的上升，输出转矩下降，承载能力下降。当运行频率超过最高频率时，步进电机便无法工作。

图2-7-5　步进电机的运行矩频特性

（5）加、减速特性

步进电机的加、减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加、减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。当要求步进电机启动到大于启动频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升；同样，从最高工作频率或高于启动频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和逐渐下降的加速时间、减速时间不能过小，否则会出现失步或超步。目前，主要通过软件实现步进电机的加/减速控制。常用的加/减速控制实现方法有指数规律和直线规律加/减速控制，其中，指数规律加/减速控制一般适用跟踪响应要求较高的切削加工中；直线规律加/减速控制一般适用速度变化范围较大的快速定位方式中。

3.步进电机的分类

为了提高步进电机的性能和结构工艺性，步进电机有许多的结构类型，主要是根据相数、产生力矩的原理、输出力矩的大小和结构进行分类。(www.xing528.com)

（1）根据相数分类

我国数控机床中采用的步进电机有三、四、五、六相等几种，因为相数越多，步距角越小，而且还可采用多相通电，提高步进电机的输出转矩。根据前面分析，步进电机的通电方式一般采用m 相m 拍、双m 拍和m 相2 m 拍通电方式，在m 相m 拍和m 相2 m 拍通电方式中，除采用一/二相转换通电外，还可采用二/三相转换通电，如五相步进电机，各相用A、B、C、D、E 表示，其五相十拍的二／三相转换通电方式为：AB→ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB。

（2）根据产生力矩的原理分类

步进电机是采用定子与转子间电磁吸合原理工作，根据磁场建立方式主要可分为反应式和永磁反应式（也称混合式）两类。

反应式步进电机的定子有多相磁极，其上有励磁绕组，而转子无绕组，用软磁材料制成，由被励磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行。永磁反应式步进电机的定子结构与反应式相似，但转子用永磁材料制成或有励磁绕组、由电磁转矩实现步进运行。这样可提高电机的输出转矩，减少定子绕组的电流。我国的永磁反应式步进电机多为五相，具有输出转矩大、步距角小、额定电流小等优点，缺点是转子容易失磁，导致电磁转矩下降。

（3）根据输出力矩的大小分类

根据输出力矩的大小可将步进电机分为两类：伺服步进电机和功率步进电机。伺服步进电机又称为快速步进电机，输出力矩在几十到数百N·m，只能带动小负载，加上液压扭矩放大器可驱动工作台。功率步进电机输出力矩在5～50 N·m 以上，能直接驱动工作台。

（4）根据结构分类

步进电机可制成轴向分相式和径向分相式，轴向分相式又称多段式，径向分相式又称为单段式。前面介绍的反应式步进电机是按径向分相的，也称为单段反应式步进电机，它是目前步进电机中使用最多的一种结构形式。除此之外，还有一种反应式步进电机是按轴向分相的，这种步进电机也称为多段反应式步进电机。多段反应式步进电机沿着它的轴向长度分成磁性能上独立的几段，每一段都用一组绕组励磁，形成一相，因此，三相电机有三段。电机的每一段都有一个定子，它们固定在外壳上。转子制成一体，由电机两端的轴承支承。每段定子上都有许多磁极，绕组绕在这些磁极上。沿电机的轴向长度看，转子齿与每段定子齿之间有不同的相对位置。如图2-7-6 所示，设某三相多段反应式步进电机的三相分别为A、B、C，则A段里的定子齿和转子齿是对齐的，B段和C段里的定子齿和转子齿则不对齐，一般错开齿距的l/m（m为定子相数），齿距为360°/转子齿数。若从A相通电变化到B相通电，则使B段里的定子齿和转子齿对齐，转子转动一步；使B相断电，C相通电，则电机以同一方向再走一步；再使A相单独通电，则再走一步，A段里的定子齿和转子齿再一次完全对齐。不断按顺序改变通电状态，电机就可连续旋转。若通电方式为A→B→C→A→…，则通电状态的三次变化使转子转动一个齿距；若通电方式为A→AB→B→BC→C→CA→A…，则通电状态的六次变化使转子转动一个齿距。

图2-7-6　三段反应式步进电机结构示意

4.步进电机的环形分配器

步进电机的驱动控制由环形分配器和功率放大器组成。环形分配器的主要功能是将数控装置送来的一串指令脉冲，按步进电机所要求的通电顺序分配给步进电机的驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的通断，实现步进电机的运行及换向。当步进电机在一个方向上连续运行时，其各相通/断的脉冲分配是一个循环，因此称为环形分配器。环形分配器的输出不仅是周期性的，又是可逆的。

环形分配的功能可由硬件或软件的方法来实现，分别称为硬件环形分配器和软件环形分配器。

（1）硬件环形分配器

硬件环形分配器的种类很多，它可由D触发器或J-K触发器构成，亦可采用专用集成芯片或通用可编程逻辑器件。目前市场上有许多专用的集成电路环形分配器出售，集成度高，可靠性好，有的还有可编程功能。如国产的PM 系列步进电机专用集成电路有PM03、PM04、PM05 和PM06，分别用于三相、四相、五相和六相步进电机的控制。进口的步进电机专用集成芯片PMM8713、PM8714 可分别用于四相（或三相）、五相步进电机的控制。而PPM101B 则是可编程的专用步进电机控制芯片，通过编程可用于三相、四相、五相步进电机的控制。

以三相步进电机为例，硬件环形分配器与数控装置的连接如图2-7-7 所示，环形分配器的输入/输出信号一般均为TTL 电平信号，输出信号A、B、C 变为高电平信号则表示相应的绕组通电，低电平信号则表示相应的绕组失电。CLK为数控装置所发脉冲信号，每一个脉冲信号的上升或下降沿到来时，环形分配器的输出则改变一次绕组的通电状态。DIR为数控装置所发的方向信号，其电平信号的高低对应电机绕组通电顺序的改变，即步进电机的正、反转，FULL/HALF 电平信号用于控制电机的整步（对三相步进电机即为三拍运行）或半步（对三相步进电机即为六拍运行），一般情况下，根据需要将其接在固定的电平信号上即可。

图2-7-7　硬件环形分配器与数控装置的连接

CH250 是国产的三相反应式步进电机环形分配器的专用集成电路芯片，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工作方式，CH250 的外形和三相六拍接线图如图2-7-8 所示。

图2-7-8　CH250 的外形和三相六拍接线图

CH250 主要管脚的作用如下。

A、B、C——环形分配器三个输出端，经功率放大后接到电机的三相绕组上。

R、R*——复位端，R为三相双三拍复位端，R*为三相六拍复位端，先将对应的复位端接入高电平信号，使其进入工作状态，若为“10”，则为三相双三拍工作方式；若为“01”，则为三相六拍工作方式（图2-7-8）。

CL、EN——进给脉冲输入端和允许端；进给脉冲由CL 输入，只有当EN = “1”时，脉冲信号上升沿使环形分配器工作；CH250 也允许以EN 端作脉冲输入端，此时，只有当CL= “0”时，脉冲信号下降沿使环形分配器工作。不符合上述规定则为环形分配器状态锁定（保持）。

J3r、J3L、J6r、J6L——分别为三相双三拍、三相六拍工作方式时步进电机正、反转的控制端。

UD、US——电源端。

（2）软件环形分配器

软件环形分配指由数控装置中的计算机软件完成环形分配的任务，直接驱动步进电机各绕组的通、断电。用软件环形分配器只需编制不同的环形分配程序，将其存入数控装置的EPROM 中即可。用软件环形分配器可以使线路简化、成本下降，并可灵活地改变步进电机的控制方案。

软件环形分配器的设计方法有多种，如查表法、比较法、移位寄存器法等，最常用的是查表法。下面以三相反应式步进电机的软件环形分配器为例，说明查表法软件环形分配器的工作原理。

图2-7-9 所示为两坐标步进电机伺服进给系统框图。X 轴方向和Z 轴方向的三相定子绕组分别为A、B、C 相和a、b、c 相，分别经各自的功率放大器、光电耦合器与计算机的PIO （并行输入/输出接口）的PA0～PA5相连。首先结合驱动电源线路，根据PIO 接口的接线方式，按步进电机运转时绕组励磁状态转换方式得出环形分配器。

图2-7-9　两坐标步进电机伺服进给系统框图

输出状态表如表2-7-1 所示。将表示X 轴方向、Z 轴方向步进电机各个绕组励磁状态的二进制数分别存入存储单元地址2A00H～2A05H、2A10H～2A15H （存储单元地址由用户设定）中。然后编写X 轴方向和Z 轴方向正、反方向进给的子程序，步进电机运行时，都要调用该子程序。根据步进电机的运转方向按表地址的正向或反向顺序依次取出存储单元地址的内容并输出，即依次输出表示步进电机各个绕组励磁状态的二进制数，则电机就正转或反转运行。

表2-7-1　步进电机环形分配器的输出状态表

5.功率放大电路

从环形分配器输出的进给控制信号的电流只有几毫安，而步进电机的定子绕组需要几安培的电流，功率放大电路的作用就是对从环形分配器输出的信号进行功率放大并送至步进电机的各绕组。功率放大电路的控制方式很多，最早采用单电压驱动电路，后来出现了高低电压切换驱动电路、恒流斩波电路、调频调压和细分电路等。图2-7-10 所示为一种采用脉冲变压器T1 组成的高低压功率放大器电路。当输入端信号为低电平信号时，晶体管VT1、VT2、VT3、VT4均截止，电动机绕组W 无电流通过。输入脉冲到来时，输入端变为高电平，晶体管VT1、VT2、VT3、VT4饱和导通。在VT2由截止到饱和导通期间，其集电极电流，即脉冲变压器TI 的一次电流急剧增加，在变压器T1 二次侧感生一个电压，使VT3饱和导通，80 V 的高压经晶体管VT3加到绕组W 上，使流过绕组W 的电流迅速上升。当VT2进入稳定状态后，变压器T1 一次侧电流恒定，无磁通量变化，二次侧的感应电压为0，VT3截止，12 V低压电源经VD1加到绕组W 上，并维持绕组W 中的电流。输入脉冲结束后，晶体管VT1、VT2、VT3、VT4又都截止，储存在W 中的能量通过18 Ω 的电阻和VD2放电，18 Ω 电阻的作用是减小放电回路的时间常数，改善电流波形的后沿。该电路由于采用高压驱动，电流增长加快，脉冲电流的前沿变陡，电动机的动态转矩和运行频率都得到了提高。

图2-7-10　高低压功率放大器电路