选用步进电动机通常希望步进电动机输出转矩大，起动和运行频率高，步距误差小，性价比高，但是这些要求往往是矛盾的，需要综合考虑。在脉冲当量确定后，可据此选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比。步进电动机的步距角理论上是固定的，实际上存在误差，一般应将步进电动机的步距误差、负载引起的定位误差和传动机构的误差等都全部考虑在内，使总的误差小于机械允许的定位误差。......
2023-06-19
步进电动机控制系统简介
【摘要】：步进电动机采用直流电源供电。上述分析中的步进电动机步距角为30°。步进电动机驱动控制系统结构如图4－15所示。步进驱动控制面板包含步进电动机的驱动信号，与运动控制器的接口、方向和脉冲等控制信号接口。步进电动机一般用于开环伺服系统，由于没有位置反馈环节，故位置控制的精度由步进电机和进给丝杠等来决定。开环步进电动机控制系统框图如图4－16所示。
（1）步进电动机的结构与工作原理
步进电动机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电动机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电动机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
步进电动机按其工作原理主要可分为磁电式和反应式两大类，我们就以常用的反应式步进电动机为例做个简单介绍。
三相反应式步进电动机的工作原理如图4－14所示，其中步进电动机的定子上有6个齿，其上分别缠有U、V、W三相绕组，构成三对磁极，而转子上均匀分布着4个齿。步进电动机采用直流电源供电。当U、V、W三相绕组轮流通电时，通过电磁力的吸引，步进电动机转子一步一步地旋转。
假设U相绕组首先通电，则转子上、下两齿被磁场吸住，转子就停留在U相通电的位置上。然后U相断电，V相通电，则磁极U的磁场消失，磁极V产生了磁场，磁极V的磁场把离它最近的另外两齿吸引过去，停止在V相通电的位置上，这时转子逆时针转了30°。随后V相断电，W相通电，根据同样的道理，转子又逆时针转了30°，停止在W相通电的位置上。若U相通电，W相断电，那么转子再逆转30°。定子各相轮流通电一次，转子转一个齿。步进电动机绕组按U→V→W→U→V→W→U……依次轮流通电，步进电动机转子就一步步地按逆时针方向旋转。反之，如果步进电动机按倒序依次使绕组通电，即U→W→V→U→W→V→U……则步进电动机将按顺时针方向旋转。
步进电动机绕组每次通断电使转子转过的角度称为步距角。上述分析中的步进电动机步距角为30°。对于一个真实的步进电动机，为了减少每通电一次的转角，在转子和定子上开有很多定分的小齿。其中定子的三相绕组铁芯间有一定角度的齿差，当U相定子小齿与转子小齿对正时，V相和W相定子上的齿则处于错开状态，如图4－14（b）所示。真实步进电动机的工作原理与上同，只是步距角是小齿距夹角的1／3。
步进电动机驱动控制系统结构如图4－15所示。通过单片机或是计算机等发送控制命令给电机驱动器，电机驱动器将控制命令转化为驱动信号给执行电机。
步进驱动控制面板包含步进电动机的驱动信号，与运动控制器的接口、方向和脉冲等控制信号接口。
图中的＋A，－A，＋B，－B，AC，BC信号为步进电机的电源线，用于驱动电机的运动。＋5 V，PUL＋，DIR＋为与控制器相连的控制信号。其含义分别为：
＋5 V为电源。
PUL＋为脉冲信号，用于位置模式下的电机控制。
DIR＋为方向信号，用于位置模式下的电机控制。
步进电动机一般用于开环伺服系统，由于没有位置反馈环节，故位置控制的精度由步进电机和进给丝杠等来决定。虽档次低，但是结构简单价格较低。在要求不高的场合仍有广泛应用。在数控机床领域中大功率的步进电机一般用在进给运动（工作台）控制上，但是就控制性能来说其特性不如交流伺服电动机。振动、噪声也比较大。尤其是在过载情况下，步进电机会产生失步，严重影响加工精度，但其便宜的价格，方便使用的特点，在工业中得到了广泛的应用。
图4－14 三相反应式步进电动机的工作原理
（2）环形分配器
步进电动机的各绕组必须按一定的顺序通电才能正确工作，这种使电动机绕组的通电顺序按输入脉冲的控制而循环变化的装置称为脉冲分配器，又称为环形分配器。
图4－14 三相反应式步进电动机的工作原理
（2）环形分配器
步进电动机的各绕组必须按一定的顺序通电才能正确工作，这种使电动机绕组的通电顺序按输入脉冲的控制而循环变化的装置称为脉冲分配器，又称为环形分配器。
图4－15 步进电动机驱动控制系统结构
实现环形分配的方法有以下3种：
①采用计算机软件分配，采用查表或计算的方法来产生相应的通电顺序；
②采用小规模集成电路搭接一个硬件分配器；
③采用专用的环形分配器。
（3）功率驱动器
功率驱动器实际上是一个功率开关电路，其功能是将环形分配器的输出信号进行功率放大，得到步进电动机控制绕组所需要的脉冲电流及所需要的脉冲波形。开环步进电动机控制系统框图如图4－16所示。
图4－15 步进电动机驱动控制系统结构
实现环形分配的方法有以下3种：
①采用计算机软件分配，采用查表或计算的方法来产生相应的通电顺序；
②采用小规模集成电路搭接一个硬件分配器；
③采用专用的环形分配器。
（3）功率驱动器
功率驱动器实际上是一个功率开关电路，其功能是将环形分配器的输出信号进行功率放大，得到步进电动机控制绕组所需要的脉冲电流及所需要的脉冲波形。开环步进电动机控制系统框图如图4－16所示。
图4－16 开环步进电动机控制系统框图
步进电动机驱动电路的种类很多，按其主电路结构如下。
①单电源驱动电路，如图4－17所示。
图4－16 开环步进电动机控制系统框图
步进电动机驱动电路的种类很多，按其主电路结构如下。
①单电源驱动电路，如图4－17所示。
图4－17 单电源驱动电路
②双电源驱动电路（高、低压驱动电路），如图4－18所示。
图4－17 单电源驱动电路
②双电源驱动电路（高、低压驱动电路），如图4－18所示。
图4－18 高、低压驱动电路
图4－18 高、低压驱动电路
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