步进电机与步进驱动系统

步进电机伺服系统结构原理如图7-3所示。在开环伺服系统中，执行元件是步进电机，它将CNC装置输出的进给脉冲转换成机械角位移运动，并通过齿轮、丝杠带动工作台直线移动。步进电机伺服系统中无位置、速度检测环节，其精度主要取决于步进电机的步距角以及与之相连传动链的精度。步进电机的最高转速通常要比直流伺服电机和交流伺服电机低，且在低速时容易产生振动，影响加工精度。但步进电机伺服系统的制造与控制比较容易，在速度和精度要求不太高的场合有一定的使用价值，特别适合于中、低精度的经济型数控机床和普通机床的数控化改造。

图7-3 开环伺服系统控制结构原理

一、步进电机的工作原理

步进电机是一种能将数字脉冲信号输入转换成物体的旋转增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲信号，步进电机转轴步进一个步距角增量。因此，步进电机能方便地将脉冲信号转换为角位移，具有定位精度好、无漂移和无累积定位误差等优点。它还能跟踪一定频率范围的脉冲序列，可作为同步电机使用，广泛应用于各种小型自动化设备及仪器中。

1． 步进电机的结构

我国使用的反应式步进电机较多，图7-4所示是一典型的单定子、径向分相、反应式步进电机的结构。它与普通电动机一样，也是由定子和转子构成，其中定子又分为定子铁芯和定子绕组。定子铁芯由硅钢片叠压而成，定子绕组是绕置在定子铁芯6个均匀分布的齿上的线圈，在径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7-5为步进电机的定子、转子展开后齿距的示意图。

图7-4 单定子、径向分相、反应式步进电机结构

1—绕组; 2—定子铁芯; 3—转子铁芯

图7-5 步进电机的齿距

2． 步进电机工作原理

步进电机的工作原理与电磁铁相似: 当定子绕组按顺序轮流通电时，定子上各对磁极就依次产生磁场，每次对转子的某一对齿产生电磁转矩，使它一步步转动。每当转子某一对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时，磁阻最小，转矩为零，每次就在此时按一定方向切换定子绕组各相电流，使转子按一定方向一步步转动。

下面以图7-6所示的反应式三相步进电机为例来说明步进电机的工作原理。该电动机定子上有A、B、C三对磁极，在相应磁极上绕有励磁绕组，分成A、B、C三相，按串联 (或并联) 方式联接，使电流产生的磁场方向一致; 转子是由带齿的铁芯做成的，转子上无绕组。现在假设转子上有4个齿，相邻两齿所对应的空间角度为齿距角，即齿距角为90°。

如图7-6 (a)，当A相通电时，B相和C相都不通电，由于磁通总是沿着磁阻最小的路径通过，使转子的1、3齿与定子A相的两个磁极齿对齐，此时，因转子只受到径向力而无切向力，故转矩为零，转子被锁定在该位置上; 随后将A相断电，B相通电，转子受电磁力的作用，逆时针旋转30°，使2、4齿与B相磁极齿对齐，如图7-6 (b) 所示; 若再使B相断电，C相通电，转子再逆时针转30°，使1、3齿与C相磁极齿对齐，如图7-6 (c) 所示; 当C相断电，A相再次通电时，2、4齿又会与A相磁极齿对齐，转子又转过30°。依此类推，形成步进式旋转。

三相反应式步进电机的工作方式有三种: 三相单三拍、三相双三拍、三相单双六拍。“三相”是指定子绕组数有A、B、C三相; “单”是指每次只有一相绕组通电( “双”是指每次有两相绕组同时通电); “拍”是指定子绕组的通电状态改变一次，例如“三拍”是指经过三次通电状态的改变，又重复以上通电变化规律。

图7-6 步进电机工作原理示意

3． 步进电机的特点

步进电机是一种可将电脉冲信号转换为机械角位移的控制电动机，利用它可以组成一个简单实用的全数字化伺服系统，并且不需要反馈环节。概括起来它主要有如下特点:

(1) 步进电机定子绕组每接收一个脉冲信号，控制其通电状态改变一次，它的转子便转过一定角度，即步距角;

(2) 改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变;

(3) 步进电机定子绕组通电状态的变化频率越高，转子的转速越高，但脉冲频率变化过快，会引起失步或过冲 (即步进电机少走或多走);

(4) 定子绕组所加电源要求是脉冲电流形式，故也称之为脉冲电机;

(5) 有脉冲就走，无脉冲就停，角位移随脉冲数的增加而增加;

(6) 输出转角精度较高，一般只有相邻误差，但无累积误差;

(7) 步距角与定子绕组相数m、转子齿数z、通电方式k有关，可用式 (7-1) 表示:

a=360°/ (mzk)　(7-1)

式中，m相m拍时，k=1; m相2m拍时，k=2。

4． 步进电机的分类

根据不同的分类方式，可将步进电机分为多种类型。

(1) 按力矩产生的原理来分。

反应式: 定子、转子均由软磁性材料制成，转子无绕组且做成齿形，由被激磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行，其控制简单，步距角小，效率低，断电后无锁定力矩。

永磁式: 定子或转子的某一方具有永久磁钢，另一方由软磁性材料制成，由电磁力矩实现步进运行，其步距角大，效率高，断电后有锁定力矩。

永磁反应式 (混合式): 定子、转子均由软磁性材料制成，且其中一方具有永久磁钢，它综合了反应式和永磁式的优点，其步距角小，效率高，断电后有锁定力矩。

(2) 按输出力矩大小来分。

伺服式: 输出力矩在百分之几到十分之几 (N·m)，只能驱动较小的负载，要与液压扭矩放大器配用，才能驱动机床工作台等较大的负载。

功率式: 输出力矩在5～50N·m，可以直接驱动机床工作台等较大的设备。

5． 步进电机的性能指标和选用

(1) 步进电机的性能指标。

①步距角及步距误差。

步进电机的步距角α反映的是步进电机定子绕组每改变一次通电状态，转子转过的角度，它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数。数控机床中常见的反应式步进电机的步距角一般为0．5°～3°。步距角越小，数控机床的加工精度越高。

步距误差是指理论步距角和实际步距角之间的误差，即在转子一转内各步误差的最大值。由于步进电机每转一转又恢复到原来位置，因此误差不会累积。它的大小主要由齿距的制造误差、定子和转子气隙不均匀、各相电磁转矩不均匀等因素决定。

②矩角特性、最大静态转矩Mjmax和启动转矩Mq。

矩角特性是步进电机的一个重要特性，它是指步进电机产生的静态转矩Mj与失调角θ的变化规律。空载时，若步进电机某相绕组通电，根据步进电机的工作原理，电磁力矩会使得转子齿槽与该相定子齿槽相对齐，这时，转子上没有力矩输出。如果在电动机轴上加一逆时针方向的负载转矩M，则步进电机转子就要逆时针方向转过一个角度θ才能重新稳定下来，这时转子上受到的电磁转矩Mj和负载转矩M相等。我们称Mj为静态转矩，θ为失调角。不断改变M值，对应的就有Mj值及θ角，得到Mj与θ的函数曲线，如图7-7所示。我们称Mj=f (θ) 曲线为转矩-失调角特性曲线，或称为矩角特性。

图7-7 步进电机矩角特性

③启动频率fq。

空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不失步的正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。若启动时频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动。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突跳频率。

④连续运行的最高工作频率fmax。

步进电机连续运行时，它所能接受的，即保证不失步运行的极限频率fmax，称为最高工作频率。它是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数，它决定了步进电机的最高转速。一般来说，连续运行的最高工作频率fmax远大于启动频率fq。

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突跳频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升; 同样，从最高工作频率或高于突跳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。我们用加速时间常数Ta和减速时间常数Td来描述步进电机的升速和降速特性，如图7-8所示。

图7-8 步进电机加减速特性

(2) 步进电机的选用。

步进电机的性能直接影响了开环伺服系统的性能，所以合理选用步进电机是相当重要的。步进电机的选择必须在满足系统指标的前提下，综合考虑各方面的因素，进行最优选择。有关步进电机的性能指标和参数很多，例如步距角、最大静态转矩、启动频率、连续运行最高频率等，在前面已经介绍过，下面主要介绍一下步进电机的选用方法。

①首先根据负载性质、最高进给速度等条件选定步进电机的类型。数控机床上大多使用功率式步进电机、反应式步进电机，其价格低于永磁反应式步进电机，但性能上不如永磁反应式步进电机，故应选择性价比较高的型号。

②根据系统的精度、机床行程等要求，选择进给轴的脉冲当量δ和丝杠螺距h等机械传动参数。一般选择脉冲当量值小于精度要求，例如某车床加工精度要求0．015mm，可选Z轴脉冲当量0．01mm，X轴脉冲当量0．005mm。在脉冲当量δ和丝杠螺距h确定后，可以初选步进电机的步距角α，当δ、α、h三个参数仍满足不了式 (7-2) 的约束时，最后还要在步进电机和丝杠之间增加减速齿轮传动，以达到互相协调的目的。通过式 (7-2) 可以计算出齿轮减速比:

式中: δ——脉冲当量 (mm);

h——丝杠螺距 (mm);

a——步进电机的步距角 (°);

i——减速齿轮的减速比，i=Z从/Z主。

二、步进式伺服系统的控制原理及驱动控制

1． 步进电机的控制原理

对步进电机的控制最终是为了实现对工作台的控制，下面分别从位移量、进给速度、进给方向等方面说明其控制过程。

(1) 工作台位移量的控制。

数控机床控制系统发出的N个进给脉冲，经驱动线路之后，变成控制步进电机定子绕组通电、断电的电平信号变化次数N，使步进电机定子绕组的通电状态变化次数N。由步进电机工作原理可知，定子绕组通电状态的变化次数N决定了步进电机的角位移φ，该角位移经丝杠螺母副之后转变为工作台的位移量L，即进给脉冲的数量N→定子绕组通电状态变化次数N→步进电机的转角φ→工作台位移量L。

(2) 工作台进给速度的控制。

机床控制系统发出的进给脉冲的频率f，经驱动控制线路之后，表现为控制步进电机定子绕组通电、断电的电平信号变化频率，也就是定子绕组通电状态变化频率。而定子绕组通电状态的变化频率f决定了步进电机转子的转速ω。该转子转速ω经丝杠螺母转换之后，体现为工作台的进给速度v，即进给脉冲的频率f→定子绕组通电状态的变化频率f→步进电机的转速ω→工作台的进给速度v。

(3) 工作台运动方向的控制。

当控制系统发出的进给脉冲是正向时，经驱动控制线路，使步进电机的定子各绕组按一定的顺序依次通电、断电; 当进给脉冲是负向时，驱动控制线路则使定子各绕组按与进给脉冲正向时相反的顺序通电、断电。由步进电机的工作原理可知，通过步进电机定子绕组通电顺序的改变，可以实现对步进电机正转或反转的控制，从而实现对工作台的进给方向的控制。

2． 步进电机的驱动控制

步进电机的运行性能，不仅与步进电机本身和负载有关，而且和与其配套的驱动控制装置有着十分密切的关系。步进电机驱动控制装置主要由环形脉冲分配器和功率放大驱动电路两大部分组成，如图7-9所示。

图7-9 步进电机驱动控制装置

(1) 功率放大驱动电路。

功率放大驱动电路完成由弱电到强电信号的转换和放大，也就是将逻辑电平信号变换成电动机绕组所需的具有一定功率的电流脉冲信号。

一般情况下，步进电机对驱动电路的要求主要有: 能提供足够幅值、前后沿较好的励磁电流; 功耗小，变换效率高; 能长时间稳定可靠运行; 成本低且易于维护。

目前，常见的步进电机驱动电路形式主要有如下几种:

①单电源串电阻型驱动电路;

②高低电压双电源型驱动电路;

③恒流斩波型驱动电路;

④分频段调压驱动电路;

⑤细分控制驱动电路。

(2) 脉冲分配器。

脉冲分配器完成步进电机绕组中电流的通断顺序控制，即控制插补输出脉冲，按步进电机所要求的通断电顺序规律分配给步进电机驱动电路的各相输入端，例如三相单三拍驱动方式，供给脉冲的顺序为A→B→C→A或A→C→B→A，由于电动机有正反转要求，因此脉冲分配器的输出既是周期性的，又是可逆性的，因此也称为环形脉冲分配。

脉冲分配有两种方式: 一种是硬件脉冲分配 (或称为脉冲分配器); 另一种是软件脉冲分配，通过计算机编程控制。