优化步进电动机进给驱动系统

步进电动机伺服系统（步进电动驱动的进给驱动系统）是一种用脉冲信号进行控制，并将脉冲信号转换成相应角位移的控制系统。对步进电动机施加一个电脉冲信号时，它就旋转一个固定的角度，这称为一步，每一步所转过的角度叫作步距角。常用步进电动机的步距角有0.36°/0.72°、0.75°/1.5°、0.9°/1.8°等，斜线前面的角度表示半步距角度，斜线后面的角度表示全步距角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格地成正比例，在时间上与输入脉冲同步。转速与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率可调节电动机的转速。因此，只需控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电相序，便可获得所需要的转角、转速及旋转方向。没有脉冲输入时，在绕组电源激励下，气隙磁场能使转子保持原有位置而处于定位状态。由于步进电动机所用电源是脉冲电源，所以其也称为脉冲电动机。

1.步进电动机的分类

（1）按步进电动机输出转矩的大小，步进电动机可分为快速步进电动机和功率步进电动机。快速步进电动机连续工作频率高，而输出转矩小，只能驱动较小的负载，要与液压扭矩放大器配用，才能驱动数控机床工作台等较大的负载。功率步进电动机的输出转矩比较大，一般在5 N·m～50 N·m以上，可以直接驱动数控机床工作台等较大的负载。数控机床一般采用功率步进电动机。

（2）按转矩产生的工作原理分类，步进电动机分为可变磁阻式步进电动机、永磁式步进电动机和混合式步进电动机三种基本类型。可变磁阻式步进电动机又称为反应式步进电动机，它的工作原理是通过改变电动机定子和转子软钢齿之间的电磁引力来改变定子和转子的相对位置，这种电动机结构简单、步距角小。永磁式步进电动机的转子铁芯上装有多条永久磁铁，转子的转动与定位是由定、转子之间的电磁引力与磁铁磁力共同作用的。与反应式步进电动机相比，相同体积的永磁式步进电动机转矩大，步距角也大。混合式步进电动机结合了反应式步进电动机和永磁式步进电动机的优点，采用永久磁铁提高电动机的转矩，采用细密的极齿来减小步距角，是目前数控机床上应用最多的步进电动机。

（3）按励磁组数分类，步进电动机可分为两相、三相、四相、五相、六相甚至八相步进电动机。

（4）从电流的极性上分类，步进电动机可分为单极性和双极性步进电动机。

（5）从运动的型式上分类，步进电动机可分为旋转、直线、平面步进电动机。

2.步进电动机工作原理及特性

1）步进电动机的组成和工作原理

步进电动机主要由转子和定子组成，其中转子上有绕组，根据绕组的数量，其可分为两相、三相和五相等步进电动机。各绕组按一定的顺序通以直流电，则电动机按预定的方向旋转。转子和定上均布有齿，绕组中的电流每变化一个周期，转子和定子的相对位置变化一个齿。

以三相反应式步进电动机为例，按控制其绕组通电的方式，可分为三相三拍（通电顺序为A，B，C，A，…）和三相六拍（通电顺序为A，AB，B，BC，C，CA，A，…）两种。若定子齿数为24，则每一拍电动机转过的角度（步距角）为

式中，β——步距角；

Z2——转子齿数；

m——周期的拍数。

实际使用的步进电动机，一般都要求有较小的步距角。因此，步距角越小，它所达到的位置精度越高。步进电动机转速计算公式为

式中，n——转速，单位为r/min；

f——控制脉冲频率，即每秒输入步进电动机的脉冲数；

θ——用度数表示的步距角。

图7-5所示为两相混合式步进电动机结构原理图。定子与反应式步进电动机的相似，均布8个磁极，A1、A2、A3、A4为A相，B1、B2、B3、B4为B相。同相磁极的线圈串联构成一相控制绕组，并使A1、A3与A2、A4极性相反，B1、B3与B2、B4极性相反。每个定子磁极上均有三个齿，齿间夹角12°。转子上没有绕组，均布30个齿，齿间夹角也为12°，转子铁芯分成两段，中间夹有环形永磁体，充磁方向为轴向。两段转子铁芯长度相同，它们的相对位置沿圆周方向相互错开1/2齿距（6°），即两段铁芯的齿与槽相对。

图7-5　两相混合式步进电机结构原理

若以转子左段铁芯作参考，当A1、A3极上的齿与转子齿对齐时，则有A2、A4极上的齿与转子槽相对，B1、B3极上的齿沿顺时针方向超前转子齿1/4齿距，B2、B4极上的齿沿顺时针方向超前转子齿3/4齿距；在转子右段铁芯，则A1、A3极上的齿与转子槽相对，A2、A4极上的齿与转子齿对齐，B1、B3极上的齿沿顺时针方向超前转子3/4齿距，B2、B4极上的齿沿顺时针方向超前转子齿1/4齿距，如图7-6所示。

图7-6　磁极上的齿与左、右段转子齿的相对位置

由于永磁体的作用，左段转子齿为N极性，右段转子齿为S极性。若A相通以正向电流。假定A1、A3极为S极性，A2、A4极为N极性，则A1、A3极的齿与左段转子齿相吸引，A2、A4极的齿与左段转子齿相排斥。同理，A1、A3极的齿与右段转子齿相斥，而A2、A4极的齿与右段转子齿相吸引，最后转子停留在左段转子齿与A1、A3极的齿相对齐的位置上。磁路的走向如图7-5中箭头所示，即从永磁体N极出发，沿轴向穿过转子左段，径向从转子齿经气隙至右段转子齿，沿右段转至轴向至永磁体的S极。若B相能通以正向电流，断开A相，B1、B3极为S极性，B2、B4极为N极性，此时B1、B3极的定子齿与左段转子齿相吸引，B2、B4极的定子齿与左段转子齿排斥，转子将沿顺时针方向转过1/4齿距（即3°）；断开B相，A相通以负电流，A2、A4极为S极性，A1、A3极为N极性，转子将顺时针方向转过1/4齿距，停留在A2、A4磁极的定子齿与左段转子齿对齐的位置；再断开A相，B相通以负电流，B2、B4为S极性，B1、B3为N极性，转子将顺时针方向转过1/4齿距，达到B2、B4极的定子齿与左段转子齿对齐的位置。若以+A→-B→-A→+B→+A电流顺序通电，步进电动机将变成逆时针方向旋转。上述步进电动机的通电循环周期为4拍，故可获得步距角为

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式中，β——步距角；

Z2——转子齿数；

m——周期的拍数。

若以-B+A→+A+B→-A+B→-A-B→-B+A（4拍通电方式）或-B+A→+A→+A+B→+B→-A+B→-A→-A-B→-B→-B+A（8拍通电方式）均可使混合式步进电动机正确运行，只是在性能上有所不同。

若A、B两相电流分成40等份的余弦函数和正弦函数采样点给定A相和B相电流（见图7-7），即一个电流周期的循环拍数将成为40，故步进电动机的步距角为

这种以改变步进电动机控制电流波形，获得更小步距角的方法，称为步距角细分。

图7-7　混合式步进电动机细分时的控制电流波形

改变上述两相电流的采样点数，可以在一个驱动器上实现多种细分数，即获得多种不同的步距角。在三相、五相步进电动机中，定子极数随之增加，相应地增加了通电循环的拍数，在一定的转子齿数下，可获得更小的步距角。其结构原理与二相步进电动机相似。

因为混合式步进电动机转子上有永磁钢，所以产生同样大小的转矩，需要的励磁电流大大减小。它的励磁绕组只需要单一电源供电，不像反应式需要高、低压电源。同时，它还具有步距角小、启动和运行频率较高、不通电时有定位转矩等优点，所以现在混合式步进电动机已在数控机床、计算机外围设备等领域内得到日益广泛的应用。

2）步进电动机的主要特性

（1）步距角的步距误差。步进电动机每走一步，转子实际的角位移与设计的步距角存在有步距误差。连续走若干步以后，上述步距误差形成累积值，因为转子转过一圈后，回至上一转的稳定位置，所以步进电动机的步距误差不会无限累积，在一转的范围内存在一个最大累积误差。步进电动机步距的角累积误差将以一圈为周期重复出现，转一周的累积误差为零。步距误差和累积误差通常用度、分或者步距角百分比表示。通常步进电动机的静态步距误差在10′以内。影响步距误差的主要因素有转子齿的分度精度，定子磁极与齿的分度精度，铁芯迭压及装配精度，气隙的不均匀程度，各相激磁电流的不对称度。

（2）静态矩角特性。所谓静态是指通过步进电动机的直流电为常数，转子不产生步进运动时的工作状态。步进电动机某相通以直流电流时，空载下该相对应的定、转子齿对齐，这时转子输出转矩为零。如果在电动机轴上外加一顺时针方向的负载转矩ML，步进电动机转子则按顺时针方向转过一个小角度θ，并重新稳定，这时转子电磁转矩Mm和负载转矩ML相等，称Mm为静态转矩，称θ角度为失调角。描述步进电动机稳态时，电磁转矩Mm，与失调角θ之间的曲线称为矩角特性或静转矩特性。

（3）启动惯频特性。在负载转矩ML=0的条件下，步进电动机由静止状态突然启动，并进入不失步地正常运行状态所允许的最高启动频率，称为启动频率或突跳频率。它是衡量步进电动机快速性能的重要数据。如果加给步进电动机的指令脉冲大于启动频率，步进电动机就不能够正常工作。启动频率不仅与电动机本身的参数（包括最大静态转矩、步距角及转子惯量等）有关，而且还与负载转矩有关。步进电动机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率比空载时要低，且随着负载的加重，启动频率会进一步降低。

启动时的惯频特性是指电动机带动纯惯性负载时突跳频率和负载转动惯量之间的关系。图7-8所示为启动频率与负载转动惯量之间的关系（启动惯频特性）。一般来说，随着负载惯量的增加，启动频率下降。若同时存在负载转矩ML，则启动频率将进一步降低。在实际应用中，由于ML的存在，可采用的启动频率要比惯频特性还要低。

（4）连续运行频率。步进电动机启动后，其运行速度能跟踪指令脉冲频率连续工作而不失步的最高频率，称为连续运行频率或最高工作频率。转动惯量主要影响运行频率连续升降的速度，而步进电动机的绕组电感和驱动电源的电压对运行频率高低影响很大。在实际应用中，由于启动频率比运行频率低得多，通常采用自动升降频的方式，先在低频下使步进电动机启动，然后逐渐升至运行频率。当需要步进电动机停转时，先将脉冲信号的频率逐渐降低至启动频率以下，再停止输入脉冲，步进电动机才能不失步地准确停止。

图7-8　启动惯频特性

（5）矩频特性。矩频特性是描述步进电动机在负载惯量一定且稳态运行时的最大输出转矩与脉冲重复频率的关系曲线，如图7-9所示。步进电动机的最大输出转矩随脉冲重复频率的升高而下降，这是因为步进电动机的绕组是感性负载，在绕组通电时，电流上升减缓，使有效转矩变小；绕组断电时，电流逐渐下降，产生与转动方向相反的转矩，使输出转矩变小。随着脉冲重复频率的升高，电流波形的前后沿所占通电时间的比例越来越大，输出转矩也就越来越小。当驱动脉冲频率高到一定的程度，步进电动机的输出转矩已不足以克服自身的摩擦转矩和负载转矩时，步进电动机的转子会在原位置振荡而不能做旋转运动，这称作电动机产生堵转或失步现象。步进电动机的绕组电感和驱动电源的电压对矩频特性影响很大，低电感或高电压，将获得下降缓慢的矩频特性。

由图还可以看出，在低频区，矩频曲线比较平坦，电动机保持额定转矩。在高频区，矩频曲线急剧下降，这表明步进电动机的高频特性差。因此，步进电动机作为进给运动控制，从静止状态到高速旋转需要有一个加速过程。同样，步进电动机从高速旋转状态到静止也要有一个减速过程。没有加速过程或者加减速不当，步进电动机会出现失步现象。

3.步进电动机驱动器的控制原理

图7-9　连续运行矩频特性

步进电动机各励磁绕组是按一定节拍，依次轮流通电工作的，为此需将CNC发出的控制脉冲按步进电动机规定的通电顺序分配到定子各励磁绕组中。完成脉冲分配的功能元件称环形脉冲分配器。环形脉冲分配器可由硬件实现，也可以用软件完成；环形脉冲分配器发出的脉冲功率很小，不能直接驱动步进电动机，必须经驱动电路将信号电流放大，才能驱动电动机。因此，步进电动机驱动器通常由环形脉冲分配器及功率放大器组成，加到环形脉冲分配器输入端的指令脉冲是CNC插补器输出的分配脉冲，经过加减速控制，使脉冲频率平滑上升或下降，以适应步进电动机的驱动特性。环形脉冲分配器将脉冲信号按一定顺序分配，然后送到驱动电路中进行功率放大，驱动步进电动机工作。

环形脉冲分配器的功能可以由硬件完成（如D触发器组成的电路），也可由软件产生，将每相绕组的控制信号定义为I/O输出口，其状态输出可以用逻辑表达式或查表等方式来实现，比逻辑电路要简单得多。

功率放大器的作用是将环形脉冲分配器输出的通电状态信号经过若干级功率放大，控制步进电动机各相绕组电流按一定顺序切换。晶体管、场效应管、晶闸管、IGBT等功率开关器件都可用作步进电动机的功率放大器。