第4章步进电动机运动控制课件

第第4 4章章 步进电动机运动控制步进电动机运动控制 2024/6/161Tianjin University of Technology第4章 步进电动机运动控制 2023/8/91Tianjin本章主要内容安排如下本章主要内容安排如下：矩角特性及动态特性矩角特性及动态特性 步进电动机的控制电路步进电动机的控制电路 典型步进电动机运动控制系统的硬件和软件典型步进电动机运动控制系统的硬件和软件 步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理2024/6/162Tianjin University of Technology本章主要内容安排如下：矩角特性及动态特性 步进电动机的控制 概念概念 步进电动机是一种步进电动机是一种将脉冲信号变换成相将脉冲信号变换成相应的角位移应的角位移(或线位移或线位移)的电磁装置的电磁装置，是一，是一种特殊的电动机。一般电动机都是连续转种特殊的电动机。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。就转过一定的角度。2024/6/163Tianjin University of Technology 概念 步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应优点优点缺点缺点结构简单、价格便宜、工作可靠，能将数字的电结构简单、价格便宜、工作可靠，能将数字的电脉冲输入直接转换为模拟的输出轴运动。脉冲输入直接转换为模拟的输出轴运动。具有较强的非线性，高性能的闭环控制比较困难。具有较强的非线性，高性能的闭环控制比较困难。2024/6/164Tianjin University of Technology优点缺点结构简单、价格便宜、工作可靠，能将数字的电脉冲输入直4 41 1 步进电动机工作原理步进电动机工作原理 永磁式步进电动机永磁式步进电动机 永磁感应式步进电动机永磁感应式步进电动机 根据工作原理，步进电动机可以分为根据工作原理，步进电动机可以分为 反应式步进电动机反应式步进电动机2024/6/165Tianjin University of Technology41 步进电动机工作原理 永磁式步进电动机 永磁感应式步4 41 11 1 反应式步进电动机反应式步进电动机 定子和转子均由硅钢片定子和转子均由硅钢片铁芯组成铁芯组成,定子上有若干对定子上有若干对磁极，磁极上有控制绕组。磁极，磁极上有控制绕组。在转子的圆柱面上有均匀分在转子的圆柱面上有均匀分布的小齿。依靠定子与转子布的小齿。依靠定子与转子之间的气隙磁场吸力的作之间的气隙磁场吸力的作用，产生电磁矩，使转子向用，产生电磁矩，使转子向气隙磁阻减小的位置方向转气隙磁阻减小的位置方向转动。动。图图4-1 4-1 反应式步进电动机反应式步进电动机 2024/6/166Tianjin University of Technology411 反应式步进电动机 定子和转子均由硅钢l首先有一相线圈首先有一相线圈(设为设为A A相相)通电，则转子通电，则转子1 1、3 3两齿被磁极两齿被磁极A A吸住，转子就停留在图吸住，转子就停留在图a a的位的位置上置上;l然后，然后，A A相断电，相断电，B B相通电，则磁极相通电，则磁极A A的磁场消失磁极的磁场消失磁极B B产生了磁场，磁极产生了磁场，磁极B B的磁场把离它的磁场把离它最近的最近的2 2、4 4两齿吸引过去，停止在图两齿吸引过去，停止在图b b的位置上，这时转子逆时针转了的位置上，这时转子逆时针转了30;30;l再接下去再接下去B B相断电，相断电，C C相通电。根据同样道理，转子又逆时针转了相通电。根据同样道理，转子又逆时针转了3030，停止在图，停止在图c c的位的位置上。置上。2024/6/167Tianjin University of Technology首先有一相线圈(设为A相)通电，则转子1、3两齿被磁极A吸住优点优点 结构简单，启动和运行时频率较高，步距角一结构简单，启动和运行时频率较高，步距角一般为般为1.5-151.5-15。缺点缺点 消耗功率较大，断电时无定位转矩。消耗功率较大，断电时无定位转矩。2024/6/168Tianjin University of Technology优点2023/8/98Tianjin University 4 41 12 2 永磁式步进电动机永磁式步进电动机 永磁式步进电动机的永磁式步进电动机的定子极上有两相或多相控定子极上有两相或多相控制绕组，转子为一对或多制绕组，转子为一对或多对极的星形对极的星形永久磁钢永久磁钢。转。转子的极数与定子每相的极子的极数与定子每相的极数相同。一个典型的四相数相同。一个典型的四相永磁式步进电动机的原理永磁式步进电动机的原理如图如图4-34-3所示。所示。图图4-3 4-3 永磁式步进电动机永磁式步进电动机 2024/6/169Tianjin University of Technology412 永磁式步进电动机 永磁式步进电动机的图优点优点 由于转子为永久磁钢，永磁式步进电动机断由于转子为永久磁钢，永磁式步进电动机断电时有定位转矩，消耗功率较小；电时有定位转矩，消耗功率较小；缺点缺点 步进电动机步距角较大步进电动机步距角较大(一般为一般为7.5-18)7.5-18)，启动和运行频率较低，并需要正、负脉冲供，启动和运行频率较低，并需要正、负脉冲供电。电。2024/6/1610Tianjin University of Technology优点2023/8/910Tianjin University4 41 13 3 永磁感应式步进电动机永磁感应式步进电动机 永磁感应式步进永磁感应式步进电动机定子结构与反电动机定子结构与反应式步进电动机类似，应式步进电动机类似，而转子由环形磁钢且而转子由环形磁钢且两端罩上两段帽式铁两端罩上两段帽式铁芯组成。这两段转子芯组成。这两段转子铁芯的外圆周上有均铁芯的外圆周上有均布的齿槽，二者的装布的齿槽，二者的装配位置从轴向看上去配位置从轴向看上去错开半个齿距。错开半个齿距。图图4-4 4-4 混合式步进电动机混合式步进电动机 2024/6/1611Tianjin University of Technology413 永磁感应式步进电动机 永磁感应式步进 图图4-54-5所表示的磁路，所表示的磁路，磁通沿着如下路径：由永磁通沿着如下路径：由永久磁铁的久磁铁的N N极进入极进入A A段转子，段转子，然后由极然后由极1 1和和5 5离开离开(极极l l和和5 5由由I Il l磁化，这时磁路的磁磁化，这时磁路的磁阻为最小阻为最小)，经过定子机壳，经过定子机壳，再由定子极再由定子极3 3和和7 7进入进入B B段转段转子子(注意，注意，I I1 1磁化极磁化极3 3和和7 7，磁通进人磁通进人B B段转子的磁阻为段转子的磁阻为最小最小)，从而在永久磁铁的，从而在永久磁铁的S S端完成闭路。端完成闭路。图图4-5 4-5 混合式步进电动机磁路混合式步进电动机磁路 2024/6/1612Tianjin University of Technology 图4-5所表示的磁路，磁通沿着如下路径：由永久磁铁优点优点 步距角可做得较小步距角可做得较小(一般为一般为0.9-3.6)0.9-3.6)，启，启动和运行频率较高，消耗功率较小，断电时有动和运行频率较高，消耗功率较小，断电时有定位转矩，兼有反应式和永磁式的优点；定位转矩，兼有反应式和永磁式的优点；缺点缺点 需要正、负脉冲供电，制造工艺较复杂。需要正、负脉冲供电，制造工艺较复杂。2024/6/1613Tianjin University of Technology优点2023/8/913Tianjin University三种步进电动机的比较三种步进电动机的比较永磁式步进电动机永磁式步进电动机 永磁感应式步进电动机永磁感应式步进电动机 结构简单，启动和运行时频率较高，步距角一般结构简单，启动和运行时频率较高，步距角一般1.5 15。但是，消耗功率较大，断电时无定位转矩。但是，消耗功率较大，断电时无定位转矩。断电时有定位转矩，消耗功率较小。但是，这种步进电断电时有定位转矩，消耗功率较小。但是，这种步进电动机步距角较大动机步距角较大(一般为一般为7.57.5 18)18)，启动和运行频率较，启动和运行频率较低，并需要正、负脉冲供电。低，并需要正、负脉冲供电。步距角可做得较小步距角可做得较小(一般为一般为0.9 3.6)，启动和运行频率启动和运行频率较高，消耗功率较小，断电时有定位转矩，兼有反应式和永较高，消耗功率较小，断电时有定位转矩，兼有反应式和永磁式的优点，但需要正、负脉冲供电，制造工艺较复杂磁式的优点，但需要正、负脉冲供电，制造工艺较复杂。反应式步进电动机反应式步进电动机2024/6/1614Tianjin University of Technology三种步进电动机的比较永磁式步进电动机 永磁感应式步进电动机 4 42 2 特性及主要技术指标特性及主要技术指标 步距角和转速步距角和转速 单脉冲运行特性单脉冲运行特性 连续脉冲运行特性连续脉冲运行特性 静态运行特性静态运行特性2024/6/1615Tianjin University of Technology42 特性及主要技术指标 步距角和转速 单脉冲运行特性 4 42 21 1 静态运行特性静态运行特性 静态运行特性静态运行特性主要指矩角特性。主要指矩角特性。矩角特性矩角特性是在不改是在不改变控制绕组通电状变控制绕组通电状态的情况下，电磁态的情况下，电磁转矩与转子转角的转矩与转子转角的关系曲线关系曲线。图图4-6 4-6 矩角特性矩角特性2024/6/1616Tianjin University of Technology421 静态运行特性 静态运行特性主要指矩 步进电动机的电磁转矩是由于磁路磁阻步进电动机的电磁转矩是由于磁路磁阻(从而磁从而磁链链)随转子位置变化而产生的。随转子位置变化而产生的。（4-1）步进电动机的电磁转矩步进电动机的电磁转矩 2024/6/1617Tianjin University of Technology 步进电动机的电磁转矩是由于磁路磁阻(从而磁链)随转子位4 42 22 2 步距角和转速步距角和转速 步进电动机的通电方式步进电动机的通电方式单拍制：单拍制：在同一瞬间只有一相绕组通电。在同一瞬间只有一相绕组通电。双拍制：双拍制：双相绕组依次顺序通电。双相绕组依次顺序通电。单双拍制：单双拍制：单、双拍相间依次顺序通电。单、双拍相间依次顺序通电。2024/6/1618Tianjin University of Technology422 步距角和转速 步进电动机的通电方式单拍制：在同三相反应式步进电动机这三种通电方式的矩角特性三相反应式步进电动机这三种通电方式的矩角特性 (a)三相单三拍三相单三拍(b)三相双三拍三相双三拍 (c)三相六拍三相六拍 2024/6/1619Tianjin University of Technology三相反应式步进电动机这三种通电方式的矩角特性(a)三相单三 式中，式中，PrPr为转子齿距为转子齿距 ，ZrZr为转子齿数，为转子齿数，m m为控制绕为控制绕组相数组相数 ，c c为通电方式系数，单拍或双拍时取为通电方式系数，单拍或双拍时取1 1，单、双，单、双拍交替时取拍交替时取2 2。（4-2）转速转速（4-3）步距角步距角:把步进电动机每步转过的角度称之为步距角。把步进电动机每步转过的角度称之为步距角。2024/6/1620Tianjin University of Technology 式中，Pr为转子齿距，Zr为转子齿数，m为控制绕4 42 23 3 单脉冲运行特性单脉冲运行特性 当步进电动机输入单脉冲时，电动机从一种当步进电动机输入单脉冲时，电动机从一种通电状态切换到另一种通电状态不引起失步的区通电状态切换到另一种通电状态不引起失步的区域，称为动稳定区，如图域，称为动稳定区，如图4-84-8所示。所示。图图4-8 4-8 步进电动机稳定区步进电动机稳定区 2024/6/1621Tianjin University of Technology423 单脉冲运行特性 当步进电动机输入单裕量角：动稳定区的边界动稳定区的边界a a点到初始稳定平衡位置点到初始稳定平衡位置O Oo o点的区域点的区域r r 自由振荡频率（4-4）（4-5）（4-6）最大负载转矩：又称为启动转矩又称为启动转矩式中：式中：J-J-电动机轴上的总转动惯量电动机轴上的总转动惯量 2024/6/1622Tianjin University of Technology裕量角：动稳定区的边界a点到初始稳定平衡位置Oo点的区域r4 42 24 4 连续脉冲运行特性连续脉冲运行特性 连续运行频率连续运行频率 在负载转矩小于启动转矩的条件下，步进在负载转矩小于启动转矩的条件下，步进电动机不失步启动的最高脉冲频率。电动机不失步启动的最高脉冲频率。启动后，步进电动机不失步运行的最高输启动后，步进电动机不失步运行的最高输入脉冲频率。入脉冲频率。启动频率启动频率2024/6/1623Tianjin University of Technology424 连续脉冲运行特性 连续运行频率 在负载 图图4-94-9表表示示了了步步进进电电动动机机的的启启动动停停止止和和连连续续运运行行的的转转矩矩-转转速速特特性性。图图中中阴阴影影区区是是单单向向变变速速区区域域。连连续续运运行行和和启启动动停停止止转转矩矩-转转速速曲曲线线之之间的差值是电动机转子惯量引起的转矩损失。间的差值是电动机转子惯量引起的转矩损失。图图4-9 4-9 步进电动机转矩步进电动机转矩-转速特性转速特性 2024/6/1624Tianjin University of Technology 图4-9表示了步进电动机的启动停止和连续运行的转矩4 43 3 驱动电路驱动电路 对步进电动机驱动电路的要求：对步进电动机驱动电路的要求：能够提供快速上升和快速下降的电流，使电流波能够提供快速上升和快速下降的电流，使电流波 形尽量接近矩形形尽量接近矩形 ；具有供截止期间释放电流的回路，以降低相绕组具有供截止期间释放电流的回路，以降低相绕组 两端的反电动势，加快电流衰减两端的反电动势，加快电流衰减 ；功耗低，效率高功耗低，效率高 ；具有细分功能。具有细分功能。2024/6/1625Tianjin University of Technology43 驱动电路 对步进电动机驱动电路的要求：能够提供快速4 43 31 1 单极性驱动电路单极性驱动电路 l限流电阻限流电阻R R的作用：减小相绕组的电气时间常数。的作用：减小相绕组的电气时间常数。l续流二极管续流二极管VDVD和电阻和电阻R Rf f的作用是，在开关晶体管关断时，为相的作用是，在开关晶体管关断时，为相绕组电流提供一条续流回路，沿图中虚线流动，把相绕组电感绕组电流提供一条续流回路，沿图中虚线流动，把相绕组电感中储存的磁能消耗在中储存的磁能消耗在R R和和R Rf f上，让相电流尽快衰减至零。上，让相电流尽快衰减至零。图图4-10 4-10 单极性驱动电路单极性驱动电路2024/6/1626Tianjin University of Technology431 单极性驱动电路 限流电阻R的作用：减小相绕组的4 43 32 2 双极性驱动电路双极性驱动电路 工作时，工作时，VTVTl lVTVT4 4成对开关，即成对开关，即VTVT1 1，VTVT4 4同时导通或截止，同时导通或截止，VTVT2 2，VTVT3 3同时导通或截止。当同时导通或截止。当VTVT1 1，VTVT4 4导通时，导通时，VTVT2 2，VTVT3 3则截止，则截止，电流从电流从a a流向流向b b；反之，反之，VTVT1 1，VTVT4 4截止时，截止时，VTVT2 2，VTVT3 3导通，电流从导通，电流从b b流向流向a a。VTVTl lVTVT4 4全部截止时，则无电流通过相绕组。全部截止时，则无电流通过相绕组。图图4-11 4-11 桥式双极性驱动电路桥式双极性驱动电路 2024/6/1627Tianjin University of Technology432 双极性驱动电路 工作时，VTlV 4 43 33 3 高低压驱动电路高低压驱动电路 图图4-12 4-12 高低压驱动电路高低压驱动电路 2024/6/1628Tianjin University of Technology 433 高低压驱动电路 图4-12 高低压驱动电路该电路的工作过程如下：该电路的工作过程如下：当输入脉冲刚转为高电位时，晶体管当输入脉冲刚转为高电位时，晶体管VTVT1 1，VTVT2 2均均导通，电流沿图导通，电流沿图4-12(4-12(a)a)所示的回路流动，高压电源所示的回路流动，高压电源U UH H和低压电源和低压电源U UL L全部加在相绕组上，因此相电流迅速上全部加在相绕组上，因此相电流迅速上升升;经过一段很短的时间，经过一段很短的时间，VTVT2 2截止，电流沿图截止，电流沿图4-12(4-12(b)b)所示路径流动，电流仅由所示路径流动，电流仅由U UL L提供。提供。若选择合适的若选择合适的U UL L值，使值，使U UL L/r/r等于额定相电流等于额定相电流(r r为相为相绕组内阻绕组内阻)，并维持相绕组电流，那么当输入脉冲为，并维持相绕组电流，那么当输入脉冲为零时，零时，VTVT1 1也截止，则相电流沿图也截止，则相电流沿图4-12(4-12(c)c)所示路径续所示路径续流。由于回路中包含流。由于回路中包含U UH H，故电流衰减速度很快。故电流衰减速度很快。2024/6/1629Tianjin University of Technology该电路的工作过程如下：2023/8/929Tianjin U4 43 34 4 斩波驱动电路斩波驱动电路 图图4-13 4-13 斩波驱动电路斩波驱动电路 在在斩斩波波驱驱动动电电路路中中，晶晶体体管管VTVT1 1受受脉脉冲冲分分配配器器产产生生的的激激励励信信号号控控制制，VTVT2 2则则根根据据相相绕绕组组中中的的电电流流开开或或关关，以以维维持持相相绕绕组中的电流大小。组中的电流大小。2024/6/1630Tianjin University of Technology434 斩波驱动电路 图4-13 4 43 35 5 细分细分(微步微步)驱动电路驱动电路 细分驱动细分驱动亦称亦称微步驱动微步驱动。细分电路是建立。细分电路是建立在步进电动机的各相绕组理想对称和矩角特性在步进电动机的各相绕组理想对称和矩角特性严格正弦的基础上的。它通过控制电动机各相严格正弦的基础上的。它通过控制电动机各相绕组中电流的大小和比例，使步距角减小到原绕组中电流的大小和比例，使步距角减小到原来的几分之一至几十分之一。实际上，加工误来的几分之一至几十分之一。实际上，加工误差致使细分后的步距角精度并不高。但是，细差致使细分后的步距角精度并不高。但是，细分驱动能极大地改善步进电动机运行的平稳性，分驱动能极大地改善步进电动机运行的平稳性，提高匀速性，减弱甚至消除振荡。提高匀速性，减弱甚至消除振荡。2024/6/1631Tianjin University of Technology 435 细分(微步)驱动电路 细分驱动亦细分驱动原理细分驱动原理 实现细分驱动，就是要在每一个步距角实现细分驱动，就是要在每一个步距角s s之内产生若干个合力矩为零的平衡点。之内产生若干个合力矩为零的平衡点。细分驱动可以通过改变相电流的大小和通电细分驱动可以通过改变相电流的大小和通电相数、相序来实现。相数、相序来实现。细分数可以定义为电动机以细分步距角细分数可以定义为电动机以细分步距角运行一个状态周期所需要的步数，因此它与运行一个状态周期所需要的步数，因此它与电动机的相数有关。电动机的相数有关。2024/6/1632Tianjin University of Technology细分驱动原理 实现细分驱动，就是要在每一个步距角 三三、四四、五五相相步步进进电电动动机机与与两两相相步步进进电电动动机机的的微微步步运运行行原原理理是是一一致致的的。下下面面，以以三三相相反反应应式式步步进进电电动动机为例，说明其具体实现原理。机为例，说明其具体实现原理。两相双极性和四相单极性步进电动机两相双极性和四相单极性步进电动机三相单极性步进电动机三相单极性步进电动机 N :细分数细分数；s:步距角步距角；c:细分步距角细分步距角；2024/6/1633Tianjin University of Technology 三、四、五相步进电动机与两相步进电动机的微步运行原理l三相的三相的T Temem曲线可分别表示如下：曲线可分别表示如下：若若采采用用相相邻邻两两相相同同时时通通电电来来产产生生所所需需的的细细分分位位置置矩矩角角特特性性T Temem曲曲线线，并并假假设设负负载载转转矩矩为为零，则平衡位置处于零，则平衡位置处于0 0 ss间，且下式成立：间，且下式成立：（4-7）（4-8）2024/6/1634Tianjin University of Technology三相的Tem曲线可分别表示如下：若采用相邻两可得两相电流的比值可得两相电流的比值:假设假设1 1相和相和2 2相的相电流为相的相电流为:2024/6/1635Tianjin University of Technology可得两相电流的比值:假设1相和2相的相电流为:2023/8 那么，合成的矩角特性可表示为那么，合成的矩角特性可表示为 则则 同理，可以推出同理，可以推出s2s，2s3s之间的各之间的各相电流的计算公式。相电流的计算公式。（4-9）（4-10）（4-11）2024/6/1636Tianjin University of Technology 那么，合成的矩角特性可表示为 则 同理，可 细分驱动电路细分驱动电路 根据上面的推导结果，可以得出每一个细分位置与各根据上面的推导结果，可以得出每一个细分位置与各相电流的对应关系。如相电流的对应关系。如N N4 4，则可用表则可用表4-14-1。表表4-1 4-1 位置与各相电流对应关系位置与各相电流对应关系(N N4)4)2024/6/1637Tianjin University of Technology 细分驱动电路 根据上面的推导结果，可以得出每一个细 根根据据表表中中的的电电流流数数值值，可可以以画画出出细细分分后后三三相相绕组电流变化波形，如图绕组电流变化波形，如图4-144-14所示。所示。图图4-14 4-14 三相绕组细分电流变化波形三相绕组细分电流变化波形 2024/6/1638Tianjin University of Technology 根据表中的电流数值，可以画出细分后三相绕组电流变化波 细分驱动电路原理如图细分驱动电路原理如图4-154-15所示。其中所示。其中EPROMEPROM中储存中储存的就是表的就是表4-14-1中对应的各相电流值。中对应的各相电流值。EPROMEPROM的地址由可逆的地址由可逆计数器产生。计数器产生。EPROMEPROM输出相应的相电流数据，经输出相应的相电流数据，经D DA A转换转换为相应的模拟电压，该电压控制恒流电路，使相绕组中为相应的模拟电压，该电压控制恒流电路，使相绕组中产生相应的电流。这样，便可以控制各相电流的大小，产生相应的电流。这样，便可以控制各相电流的大小，实现细分驱动。实现细分驱动。图图4-15 4-15 细分驱动电路原理图细分驱动电路原理图2024/6/1639Tianjin University of Technology 细分驱动电路原理如图4-15所示。其中EPROM中储4 43 36 6 各种驱动电路的性能比较各种驱动电路的性能比较 表表4-2 4-2 各种驱动电路性能比较各种驱动电路性能比较 2024/6/1640Tianjin University of Technology436 各种驱动电路的性能比较 表4-2 各种驱动电4 44 4脉冲分配器脉冲分配器 脉脉冲冲分分配配器器是是步步进进电电动动机机运运动动控控制制系系统统的的重重要要组组成成部部分分。它它的的作作用用是是把把输输入入脉脉冲冲按按一一定定的的逻逻辑辑关关系系转转换换为为合合适适的的脉脉冲冲序序列列，然然后后通通过过驱驱动动电电路路加加到到步步进进电电动动机机的的相相绕绕组组上上，使使电电动动机机按按一一定定的的方方式式工工作作。脉脉冲冲分分配配器器可可以以由由逻逻辑辑电电路路硬硬件件实实现现，也也可可以以通通过过逻逻辑辑代代数运算由软件实现。数运算由软件实现。2024/6/1641Tianjin University of Technology44脉冲分配器 脉冲分配器是步进电动机运动控制4 44 41 1 硬件脉冲分配器硬件脉冲分配器 三相六拍脉冲分配器三相六拍脉冲分配器 图图4-164-16三相六拍脉冲分配器电路三相六拍脉冲分配器电路 2024/6/1642Tianjin University of Technology441 硬件脉冲分配器 三相六拍脉冲分配器 反转反转（4-12）（4-13）正转正转 2024/6/1643Tianjin University of Technology反转（4-12）（4-13）正转 2023/8/943Ti表表4-3 4-3 三相双三拍脉冲分配器真值表三相双三拍脉冲分配器真值表 由真值表可知：正转时，相电流依次接通顺序为由真值表可知：正转时，相电流依次接通顺序为C-CA-A-C-CA-A-AB-B-BC-CAB-B-BC-C；反转时，依次接通顺序为反转时，依次接通顺序为C-CB-B-BA-A-AC-CC-CB-B-BA-A-AC-C。这这正是三相步进电动机三相双三拍通电方式所需要的脉冲序列。正是三相步进电动机三相双三拍通电方式所需要的脉冲序列。2024/6/1644Tianjin University of Technology表4-3 三相双三拍脉冲分配器真值表 由真值表可知l四相脉冲分配器四相脉冲分配器图图4-4-l7 l7 四相脉冲分配器的电路四相脉冲分配器的电路 2024/6/1645Tianjin University of Technology四相脉冲分配器图4-l7 四相脉冲分配器的电路 2023/表表4-4 4-4 四相脉冲分配器真值表四相脉冲分配器真值表 由由真真值值表表4-44-4可可知知，正正转转时时，脉脉冲冲分分配配器器输输出出脉脉冲冲序序列列依依次次为为Y Y4 4Y Y2 2Y Y3 3Y Y1 1Y Y4 4；而而反反转转时时，依依次次为为Y Y3 3Y Y2 2Y Y4 4Y Yl lY Y3 3。这就是我们所要求的四相步进电动机相电流脉冲序列。这就是我们所要求的四相步进电动机相电流脉冲序列。2024/6/1646Tianjin University of Technology 表4-4 四相脉冲分配器真值表 由真值表4-44 44 42 2 软件脉冲分配器软件脉冲分配器 下下面面，以以控控制制三三相相步步进进电电动动机机为为例例，说说明明软软件件脉脉冲冲分分配器的编程原理。配器的编程原理。三相步进电动机可以采三相步进电动机可以采用三相单三拍、三相双三拍及用三相单三拍、三相双三拍及单双拍单双拍(六拍六拍)等三种通电方式。等三种通电方式。图图4-184-18表示了六拍通电方式、表示了六拍通电方式、三相脉冲序列为三相脉冲序列为A AABABB BBCBCC CCACAA A的波形图。的波形图。图图4-18 4-18 三相脉冲分配器的脉冲序列波形图三相脉冲分配器的脉冲序列波形图 由图由图4-184-18可以看出：在一个循环周期内，可以看出：在一个循环周期内，A A，B B，C C三相脉冲三相脉冲电平分别是电平分别是1 11 10 00 00 01 1，0 01 11 11 10 00 0以及以及0 00 00 01 1l l1 1。2024/6/1647Tianjin University of Technology442 软件脉冲分配器 下面，以控制三相步 MCS-96MCS-96系列单片机系列单片机80988098单片机的三个高速输出口单片机的三个高速输出口HSOHSO0 0，HSOHSO1 1，HSOHSO2 2，用来输出步进电动机的用来输出步进电动机的A A，B B，C C三相脉冲。对照脉三相脉冲。对照脉冲序列波形图冲序列波形图4-224-22，HSOHSO0 0，HSOHSO1 1，HSOHSO2 2应输出相应的高电平和应输出相应的高电平和低电平。正转时，三相电流脉冲电平变化顺序为低电平。正转时，三相电流脉冲电平变化顺序为l00l00110110010010011011001001l01l01；反转时，顺序为反转时，顺序为001001011011010010110110100100101101。为了完成软件脉冲分配器，需利用定时器。为了完成软件脉冲分配器，需利用定时器T T1 1及相互及相互依存的命令寄存器依存的命令寄存器HSO_COMMAND(8HSO_COMMAND(8位位)和时间寄存器和时间寄存器HSO_TIME(16HSO_TIME(16位位)。命令寄存器。命令寄存器HSO_COMMANDHSO_COMMAND决定触发事件，时决定触发事件，时间寄存器间寄存器HSO_TIMEHSO_TIME决定事件触发时间。决定事件触发时间。HSO_COMMANDHSO_COMMAND的命令格的命令格式如下式如下(其中的通道约定由表其中的通道约定由表4-54-5列出列出)：2024/6/1648Tianjin University of Technology MCS-96系列单片机8098单片机的三个高速输出口表表4-5 4-5 HS0HS0通道号约定表通道号约定表 T T0 0，D D1 1，J J00 例如，下列语句：例如，下列语句：HSO_COMMAND HSO_COMMAND00H00H HSO_TIME HSO_TIMETIMETIME1 1十十00200020H H第一语句等号右边的第一语句等号右边的0000H H表示十六进制表示十六进制0000一个表示一个表示“T T0 0，D DO O以及以及I I0”0”，后一个后一个0 0表示表示“触发触发HSOHSO0 0”，这里，这里，D D0 0规定通规定通道电位为低电平。第二语句表示在以定时器道电位为低电平。第二语句表示在以定时器T T1 1为基准的条件下，为基准的条件下，经过经过00200020H H时间延时时间延时(2162(2162ss64s)64s)，触发事件发生。触发事件发生。这两个语句连起来的意思，就是这两个语句连起来的意思，就是“将将HSOHSO0 0口置为低电平口置为低电平”。2024/6/1649Tianjin University of Technology表4-5 HS0通道号约定表T0，D1，J0 4 45 5 步进电动机闭环控制系统步进电动机闭环控制系统 步步进进电电动动机机闭闭环环控控制制系系统统由由速速度度环环和和位位置置环环双双环环路组成，其原理方框图如图路组成，其原理方框图如图4-194-19所示。所示。图图4-19 4-19 步进电动机闭环控制原理图步进电动机闭环控制原理图2024/6/1650Tianjin University of Technology45 步进电动机闭环控制系统 步进电动机闭环控制4 45 51 1 变速控制原理变速控制原理 图图(a)a)为步进电动机参考脉冲为步进电动机参考脉冲生成原理。它由速度寄存器生成原理。它由速度寄存器v v和位置寄存器和位置寄存器P P组成，时钟脉组成，时钟脉冲每出现一次，冲每出现一次，v v寄存器中的寄存器中的内容向内容向p p寄存器中累加一次。寄存器中累加一次。当当p p寄存器溢出时，便产生一寄存器溢出时，便产生一个溢出脉冲作为参考脉冲控制个溢出脉冲作为参考脉冲控制步进电动机前进一个步距角。步进电动机前进一个步距角。v v寄存器中的内容由速度控制寄存器中的内容由速度控制器的输出值决定。如果器的输出值决定。如果v v寄存寄存器中内容不改变，则步进电动器中内容不改变，则步进电动机产生等速运动。机产生等速运动。(a)a)参考脉冲生成参考脉冲生成2024/6/1651Tianjin University of Technology451 变速控制原理 图(a)为步进电动机参考脉冲(b)b)速度曲线速度曲线 经过采样后，连续变化的速度曲线被量化为经过采样后，连续变化的速度曲线被量化为阶梯型折线，如图阶梯型折线，如图(b)b)所示。图中，所示。图中，tt为采样周为采样周期期(一般比时钟频率低一般比时钟频率低)。如果采样周期足够高，。如果采样周期足够高，则阶梯型折线逼近连续变化的曲线。则阶梯型折线逼近连续变化的曲线。2024/6/1652Tianjin University of Technology(b)速度曲线 经过采样后，连续变化的速度曲线被量化4 45 52 2 受控对象传递函数受控对象传递函数 脉冲控制的步进电动机具有脉冲控制的步进电动机具有时间延迟和振时间延迟和振动特性动特性。传动装置采用同步齿形带时是一种具。传动装置采用同步齿形带时是一种具有弹性的传动，它与受控机械相结合组成弹簧有弹性的传动，它与受控机械相结合组成弹簧-质量系统。对于这样一个脉冲控制的受控对质量系统。对于这样一个脉冲控制的受控对象，通常可以把步进电动机受控对象等价为象，通常可以把步进电动机受控对象等价为惯惯性环节与振荡环节的串联性环节与振荡环节的串联，并且采用实验方法，并且采用实验方法辨识出其等价的数学模型。辨识出其等价的数学模型。下面，考虑一个卫星电视接收天线稳定下面，考虑一个卫星电视接收天线稳定跟踪系统，如图跟踪系统，如图4-214-21所示。所示。2024/6/1653Tianjin University of Technology452 受控对象传递函数 脉冲控制的步进电图图4-21 4-21 卫星电视天线稳定跟踪系统卫星电视天线稳定跟踪系统 2024/6/1654Tianjin University of Technology图4-21 卫星电视天线稳定跟踪系统 2023/8/95 图图4-22 4-22 步进电动机受控对象频率特性步进电动机受控对象频率特性 (a)a)对数幅频特性；对数幅频特性；(b)b)对数相频特性对数相频特性 2024/6/1655Tianjin University of Technology 图4-22 步进电动机受控对象频率特性2023/8 对数相频特性可以分解为两条曲线：一条为对数相频特性可以分解为两条曲线：一条为点划线，另一条为双点划线，如图点划线，另一条为双点划线，如图4-22(4-22(b)b)所示。所示。点划线是相应于二阶振荡环节的相频特性，双点点划线是相应于二阶振荡环节的相频特性，双点划线相应于一阶惯性环节的相频特性。因此，受划线相应于一阶惯性环节的相频特性。因此，受控对象传递函数可以等价地表示为控对象传递函数可以等价地表示为（4-14）2024/6/1656Tianjin University of Technology 对数相频特性可以分解为两条曲线：一条为点划线，另一条4 45 53 3 速度环速度环 为为了了能能够够获获得得较较好好的的控控制制效效果果，步步进进电电动动机机伺伺服服系系统统需需要要采采用用位位置置环环和和速速度度环环的的双双环环路路控控制制。其其中中，速速度度环环由由速速度度控控制制器器、受受控控对对象象以以及及速速度度负负反反馈组成，用来改善闭环系统的控制特性。馈组成，用来改善闭环系统的控制特性。根据受控对象传递函数式根据受控对象传递函数式(4-14)(4-14)，为了消除速，为了消除速度环的振荡特性，速度控制器必须采用比例度环的振荡特性，速度控制器必须采用比例-积分积分-微分控制器，其传递函数选择如下：微分控制器，其传递函数选择如下：（4-15）2024/6/1657Tianjin University of Technology453 速度环 为了能够获得较好的控制效果，开环传递函数开环传递函数 闭环传递函数闭环传递函数 （4-16）（4-17）定义速度负反馈系数为定义速度负反馈系数为K Kf f，于是，于是2024/6/1658Tianjin University of Technology开环传递函数 闭环传递函数（4-16）（4-17）定义速度选择最佳阻尼比选择最佳阻尼比 ，代入上式，并利用实，代入上式，并利用实测参数值，可得速度环自然角频率测参数值，可得速度环自然角频率以及速度控制器参数以及速度控制器参数 （4-18）（4-19）（4-20）（4-21）2024/6/1659Tianjin University of Technology选择最佳阻尼比 ，代入上式，并利4 45 54 4 位置环位置环 根据速度环设计结果，位置环的固有部分根据速度环设计结果，位置环的固有部分就是速度环，其传递函数由式就是速度环，其传递函数由式(4-17)(4-17)附加一阶附加一阶纯积分组成，即纯积分组成，即 （4-22）若采用近似对数频率特性表示，则如图若采用近似对数频率特性表示，则如图4-4-2323中粗实线所示。中粗实线所示。2024/6/1660Tianjin University of Technology454 位置环 根据速度环设计结果，位置环图图4 423 23 闭环系统近似对数频率特性闭环系统近似对数频率特性 2024/6/1661Tianjin University of Technology图423 闭环系统近似对数频率特性 2023/8/961 如果采用比例控制器，开环增益大于如果采用比例控制器，开环增益大于1212，则闭，则闭环系统是不稳定的，而且通频带不够宽。因此，必环系统是不稳定的，而且通频带不够宽。因此，必须附加相位超前校正，采用比例须附加相位超前校正，采用比例-微分控制器，但为微分控制器，但为了限制微分对高频噪声的放大作用，实际使用下列了限制微分对高频噪声的放大作用，实际使用下列形式的相位超前控制器：形式的相位超前控制器：（4-23）若若取取1 110102 20.1s0.1s，则则可可得得其其近近似似对对数数频频率率特特性如图性如图4-234-23中虚线所示。中虚线所示。这样，校正后的开环传递函数为这样，校正后的开环传递函数为 （4-24）其近似对数频率特性如图其近似对数频率特性如图4-234-23中细实线所示。中细实线所示。2024/6/1662Tianjin University of Technology 如果采用比例控制器，开环增益大于12，则闭环系统是不