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步进电机结构原理特性驱动控制选用原则步进电动机是一种把电脉冲信号转换成机械角位移的控制电机，常作为数字控制系玩。的执行元件。由于其输入信号是脉冲电压，输出角位移是断续的，即每输入一个电脉冲信号转子就前进一步，因此叫做步进电机，也称为脉冲电动机。 步进电动机的主要特点有如下几点： (1)转速和步距值不受电压波动、负载变化和温度变化的影响，只与脉冲频率同步，转子运动的总位移量只取决于总的脉冲信号数。 (2)开环控制，无需反馈，系统结构大为简化，工作更加可靠，维护更加方便，在一般定位驱动装置中具有足够高的精度。 (3)控制性能好，可以在很宽的范围内通过改变脉冲的频率来调节电机的转速，起动制动、反向及其他任何运行方式的改变，都在少数脉冲内完成。 (4)误差不积累。步进电动机每走一步所转过的角度与理论值之间总有一定的误差但它每转一圈都有固定的步数，所以在不失步的情况下，其步距误差是不会积累的。 由于步进电动机具有上述优点而广泛应用于许多需要精确定位控制的场合，如计算机的软盘驱动、打印机的进纸、电脑绣花机和绘图仪的x-y轴驱动、自动移靶机的移位等。步进电动机在数控机床上的应用，可以说是最典型的例子。由于步进电动机系统实现开环控制，使得控制方便、工作可靠、成本较低的数控机床成为当前机床发展的主流方向之一，这样步进电动机成为经济型数控机床的核心。 步进电动机在近十几年中发展很快好地解决了步进电动机的驱动电源问题了许多自动控制系统的要求。这是由于电力电子技术和计算机控制技术而步进电动机能将数字信号转换成角位移第一节步进电动机的基本结构步进电动机从转子结构上来说，主要包括反应式、永磁式和混合式三种。反应式步进电动机的工作原理与磁阻式同步电动机相似，都是利用磁力线力图通过磁阻最小路径的原理来产生磁阻转矩，因此又称为磁阻式步进电动机，图71(a)所示为反应式步进电动机的基本结构；永磁式步进电动机依靠转子永磁体和定子绕组磁动势之间所产生的电磁转矩工作图71(b)所示为 水磁式步进电动机的基本结构；混合式进电动机则是反应式和永磁式的结合构较为复杂。 步进电动机的定子通常采用成对的大齿状结构，如图7一l所示。径向相对的两个齿极组成一组(一相)，每个齿极上都装有集中控制绕组。同一相的控制绕组可以串联也可以并联，只要它们产生的磁场极性相反。这样定子齿极的极对数就等于定子绕组的相数，即p=m。步进电动机的定子相数一般有三相、四相和五相。 步进电动机不同于普通的交、直流电动机，它必须与驱动控制器、直流电源组成系统方能正常运行如图7 2所示。在实际系统中，步进电动机和驱动控制器是两个不可分割的组成部分，这是因为给步进电动机定子控制绕组所加的电源既不是正弦交流，也不是恒定直流，而是脉冲电压，步进电动机系统的性能不仅与电动机本体有关，而且与驱动控制器的性能也密切相关。因此，应用中所说的步进电动机均指步进电动机本体和驱动控制器的成套装置。 目前结构简单且应用较多的是三相反应式步进电动机，所以下面就以三相反应式步进电动机为例说明其工作原理和运行特性。 图7 3所示为步进电动机的通电方式(三个齿极，而转子类似于凸极同步电动机的转子相单三拍)，三相反应式步进电动机定子有六这里讨论有四个齿极的情况。 一、通电方式的分析 三相反应式步进电动机主要有以下通电方式： 1三相单三拍通电方式 当a相绕组通入直流电流时。由于磁力线力图通过磁阻最小的路径，转子将受到磁阻转矩的作用而转动。当转子转到l 3轴线与a相绕组轴线相重合的位置时，磁阻转矩为零，转子停留在该位置如图7 3(a)所示。如果a相绕组不断电，转子将一直停留在这个平衡位置，称为“自锁”。要使转子继续转动。可以将a相绕组断电，而使b相绕组通电。这样转子就会逆时针旋转30，转到2 4轴线与b相绕组轴线相重合的位置，如图7 3(b)所示。继续改变通电状态，即使b相绕组断电，c相绕组通电，转子将继续逆时针旋转30。，转到1 3轴线与c相绕组轴线相重合的位置，如图73(c)所示。如果三相定子绕组按照a-c-b顺序通电则转子将按顺时针方向旋转。上述定子绕组的通电状态每切换一次称为“一拍”，其特点是每次只有一相绕组通电。每通入一个脉冲信号，转子转过一个角度，这个角度称为步距角。每经过三拍完成一次通电循环，所以称为“三相单三拍”通电方式。 2三相双三拍通电方式 三相步进电动机采用单三拍通电方式时，在绕组断、通电的间隙转子有可能失去自锁能力出现失步现象。另外，在转子频繁起动、加速、减速的步进过程中，由于受惯性的影响，转子在平衡位置附近有可能出现振荡现象。因此，三相步进电动机单三拍运行方式容易出现失步和振荡，常采用双三拍通电方式。 三相双三拍通电方式的通电顺序是ab bc caab。由于每拍都有两相绕组同时通电，如a、b两相通电时-转子齿极1、3受到定子磁极a、x的吸引，而2、4受到b、y的吸引，转子在两者吸力相平衡的位置停止转动，如图74(a)所示。下一拍b、c相通电时，转子将逆时针转过30。达到新的平衡位置如图74(b)所示。再下一拍(：、a相通电时，转子将再逆时针转过30。达到新的平衡位置，如图7 4(c)所示。可见这种通电方式的步距角也是30。 采用三相双三拍通电方式时，在切换过程中总有一相绕组处于通电状态，转子齿极受到定子磁场控制，不易失步和振荡。 3三相六拍通电方式 这是一种将一相通电和两相通电结合起来的运行方式，其通电顺序依次为aab bbc c ca a，即一相通电和两相通电间隔轮流进行，六种不同的通电状态组成一个循环。当a相单独通电时，相应状态与单三相a相通电的情况完全一样，磁阻转矩将使转子齿1、3定位于a相绕组轴线方向，如图73(a)和图75(a)所示。当a、b通电时，相应状态与双三相a、b通电的情况完全一样，如图7 4(a)和图7 5(b)所示。显然从a相通电到a、b相通电，转子按逆时针方向转过15。 其余四个通电状态依此类推，相应的步距角都是15，如图75所示。二、多齿结构的分析 对于图73和图7 4所示的步进电动机，其步距角都太大不能满足精密控制的要求。为了减小步距角可以将定、转子加工成多齿结构转子上开有数目较多的齿极，而定子每个大齿极上又开有若干个小齿极，图76所示为步进电动机的多齿结构。下面进一步分析这种多齿结构步进电动机的工作原理。 图7-6所示的步进电动机定子有六个大齿极每个大齿极上又有三个小齿极；转子沿圆周有50个小齿极(图7 6中仅画出部分)，并且定子上的小齿极和转子上的小齿极齿距相等。 设通电方式为三相单三拍。当a相绕组通电时，产生沿a相绕组轴线方向的磁通，由于磁通力图通过磁阻最小的路径使转子受到磁阻转矩的作用而转动，直到转子齿的轴线与0定子齿极ax的轴线对齐为止。因为转子共有50个齿，所以齿距角。，而定子一个大齿极所对应的转子齿数为不是整数，这样当齿极a下定、转子齿的轴线对齐时齿极b和齿极c下定、转子齿的轴线必然分别错开三分之一和三分之二齿距角，即如图7 7(a)所示。 如果将a相绕组断电，而使b相绕组通电，则产生沿b相绕组轴线方向的磁通，同样的道理，转子将逆时针转过三分之一的齿距角，使转子齿的轴线与定子齿极b-y的轴线对齐，如图77(b)所示。继续改变通电状态，即使b相绕组断电，c相绕组通电，转子将继续逆时针旋转寺的齿距角，转到转子齿的轴线与定子齿极c z的轴线对齐的位置，如图7-7(c)所示。如果三相定子绕组按照a c b的顺序通电，则转子将按顺时针方向旋转。可见，这种情况下步距角为24。 如果通电方式为三相双三拍，相当于有三对等效的定子齿极在轮流产生相应方向的磁通(见图74)，因此步距角还是24。如果通电方式为三相六拍，就相当于有六对等效的定子齿极在轮流产生相应方向的磁通(见图7-5)，而定子一个等效大齿极所对应的转子齿数为也不是整数，这样相邻两对等效大齿极下的定子齿和转子齿必然分别错开六分之一的齿距角，即因此步距角将是12。 三、步距角和转速的计算 根据以上分析可知步进电动机工作时，每相绕组不是恒定地通电，而是脉冲式地通电。通电状态每循环一次，转子就转过一个转子齿距。若转子齿数为zr则转子相邻两齿间的夹角，即齿距角为转子每一步转过的空间角度，即步距角为 式中：n为转子转过一个齿距需要的通电状态数即拍数。对于三相步进电动机，当通电方式为单三拍或双三拍时，nm；当通电方式为六拍时，n一2m。 可见，步进电动机的步距角和定子相数和转子齿数成反比。定子相数越多，则步距角越小，精度越高，但供电电源和电机结构也越复杂。所以，一般步进电动机的相数不超过六相，而且主要是通过增加转子齿数来提高系统精度。 由式(7 2)可知，每输入一个电压脉冲，转子转过的角度是整个圆周角的也就是转过转。若脉冲电源的频率为f，则转子每分钟转过的圆周数，即转子转速为 可见步进电动机的转速取决于脉冲电源的频率、转子齿数和拍数而与电压、负载和温度等因素无关。当转子齿数一定时转子转速与脉冲电源的频率成正比，即电视转速与脉冲频率同步。这样，步进电动机可以直接采用开环控制，并进行较宽范围的无级调速。 反应式步进电动机有静止、单步运行和连续运行三种运行状态，分别对应不同的运行特性，下面分别予以介绍。 一、步进电动机的静特性 步进电动机的静止状态是指当控制脉冲停止送入，如果某些定子绕组仍通以恒定不变的电流时，转子将固定于某一位置保持不动的情况。步进电动机的静特性可以用静态电磁转矩te与转子失调角e之间的关系te=f(e)来描述，称为矩角特性。 根据前面通电方式的分析可以知道。多相步进电动机的定子绕组可以是一相通电，也可以是几相同时通电，下面分别进行讨论。 1单相通电时 失调角e是指转子偏离平衡位置的电角度，即通电相的定、转子齿中心线问用电角度表示的夹角，如图7-8所示。 如果将转子齿数看作转子的极对数，电角度就等于空间机械角度乘以转子齿数，即一个齿距就对应2电角度，用电角度表示的齿距角为相应的步距角为 所以，当拍数一定时无论转子齿数是多少，用电角度表示的步距角是一定值。对于三相步进电动机，通电方式为单三拍或双三拍时，步距角为23电角度；通电方式为六拍时，步距角为3电角度。在单相通电时，通电相的定子齿和转子齿对齐，失调角e=0，转子处于零位。此时，定、转子齿之间虽有较大的吸力，但这个吸力是垂直于转轴的。转子上没有切向的磁拉力，转矩te=0，转子处于平衡位置，如图7-8(a)所示 。 若转子齿相对于定子齿向右错开一个角度，这时就出现了切向磁拉力，产生转矩te,其作用是阻碍转子齿的错开，故为负值。显然，当e2时，e越大te就越大如图78(b)所示。 当e2时，由于气隙段磁路的加长，磁阻显著增加，进入转子齿顶的磁通量大为减少。切向磁拉力以及相应的转矩te将减小。直到e=时，转子齿处于两个定子齿的正中，两个定子齿对转子齿的磁拉力互相抵消，转矩te=0,如图7 8(c)所示 如果e继续增大，即e则转子齿将受到另外一个定子齿磁拉力的作用，出现与e 通过以上分析可以知道，步进电动机的静态电磁转矩te随失调角e作周期性的变化，变化周期是一个齿距，即2电角度。严格来说，矩角特性te=(e)的形状是比较复杂的，它与气隙的长度、定转子齿的形状以及磁路饱和的程度都有关系。对于反应式步进电动机，其单相通电时的矩角特性可近似为正弦函数曲线。如图7 9所示，相应的表达式为式中：tem静态电磁转矩的最大值，它表示步进电动机承受负载的能力，与步进电动机很多特性的优劣直接相关。所以，静态转矩最大值tem步进电动机最主要的性能指标之一，通常在技术数据中都会指明。 由图7-9可见，e=o是理想的稳定平衡点，因为若有外力干扰，使转子偏离初始稳定平衡位置，只要偏离的角度在之间，即没有超过12齿距范围，一旦干扰消失，转子在电磁转矩作用下将恢复在e=0这一位置。当e=时，虽然电磁转矩也等于零，但是如果有外力干扰使转子偏离该位置，当干扰消失后，转子将不能再回到e=的位置，而是在电磁转矩的作用下，稳定于e=o或e=2的位置。因此，e=为不稳定平衡点。 总之，e0,图7-11中阴影线所示)转子将向前转动到达新的稳定平衡点b，对应的转子失调角为eb。这样，电动机就前进了一个步距角be=eb-ea. 由图7一n可见，要保证电动机能够步进式转动，负载转矩不能大于相邻两拍矩角特性的交点所对应的电磁转矩。即相邻两拍矩角特性交点所对应的转矩是步进电动机单步运行时能够带动的极限负载，称为极限起动转矩(或最大负载转矩)tst其表达式为 在规定的电源条件下，静态转矩最大值tem是一定的，要提高步进电动机的负载能力，应增大运行拍数n，如三相电机由单三拍或双三拍运行改为六拍运行。 如果是两相步进电动机。则由于nm一2(即两矩角特性相差电角度)tst=o因此反应式步进电动机的相数应满足m3相数越多，极限起动转矩tst接近静态转矩最大值t。，负载能力就强。由于实际负载可能发生变化，tem的计算电不严密，因此选用电机时应留有足够的余量。 另外还要注意，在步进电动机的单步运行过程中转子在由一个稳定平衡点a达到另一个新的稳平衡点b的过程中，所积累的动能和惯性会使转子冲过新的平衡位置，而此后te-tl0(见图7 11)，又使电动机减速，进而反向运行。由于能量消耗和阻尼的结果，转子将在新的平衡位置附近作衰减的振荡。 这种振荡现象对于步进电动机的正常运行是不利的它影响了系统的精度，并产生一定的振动和噪声，严重时甚至可能使转子失步，所以应设法增大阻尼加以削弱。 三、步进电动机的连续运行和动特性 随着外加脉冲频率的提高，步进电动机进入连续运行状态。在伺服系统中，步进电动机经常做起动、制动、正转、反转和调速等动作，并在各种频率下运行。这就要求步进电动机的步数与脉冲数严格相等，既不失步也不越步，而且转子的转动应是平稳的。否则，步进电动机系统的“步进”精度就失去了意义。因此，在伺服系统中步进电动机必须具有良好的动特性。 步进电动机连续运行时所产生的转矩称为动态电磁转矩，步进电动机的动特性可以用动态电磁转矩te与电源脉冲频率，之间的关系来描述f称为矩频特性。 图7 12所示为反应式步进电动机的矩频特性曲线，该特性表明随着电源频率，的升高，步进电动机的最大输出转矩要下降，这主要是由于定子控制绕组电感的影响而造成的。因为控制回路总有一定的电感，控制绕组通、断电后，电流均需一定的上升或下降的时间。当电源频率较低时，绕组通电和断电的周期较长，电流的波形比较接近于理想矩形波电机负载能力较强如图7 13(a)所示。当电源频率升高后周期缩短，电流来不及上升到稳定值就开始下降，因而产生的转矩就要减小。电机的负载能力也就下降，如图7 13(b)所示。 此外当频率增加时，电机铁心中的涡流损耗随之增大，使输出功率和转矩下降。当输入脉冲频率增加到一定值时，步进电动机已无法带动任何负载，而且只要受到很小的扰动，就会振荡、失步，甚至停转。 从图712所示的矩频特性可知，对于一定的供电方式，负载转矩越大，步进电动机允许的工作频率就越低。当te=0时所对应的频率即为极限频率，称为最大连续运行频率fmax动机的工作频率绝对不能超过fmax 值得注意的是,在步进电动机起动时所能施加的最高频率(称为起动频率fst)比连续运行频率低多，如图7-12中的虚线所示。这是因为在起动过程中，电动机除了要克服负载转矩tl还要克服加速度力矩。 提高步进电动机连续运行频率的途径除了提高电磁转矩的基本方法外，还包括增加电机运行的拍数、减小电机的时间常数、减小转动惯量、采用机械阻尼装置等措施。 步进电动机不同于普通的控制电机，给步进电动机定子控制绕组所加的电源既不是正弦交流，也不是恒定直流，而是脉冲电压，它必须由特定的脉冲电源供电。因此步进电动机的控制相对比较复杂。 一、驱动控制器 步进电动机和元刷直流电动机一样都是典型的机电一体化产品，电动机本体与其驱动控制器构成一个不可分割的有机整体，步进电动机的运行性能在很大程度上取决于所使用的驱动控制器的质量。 1驱动控制器的组成 图7 14所示为步进电动机驱动控制器的组成示意图，步进电动机的驱动控制器主要由脉冲发生器、脉冲分配器(环形分配器)和功率放大器组成。脉冲发生器产生频率从几赫兹到几卜千赫兹连续变化的脉冲信号，脉冲分配器根据指令把脉冲按一定的逻辑关系加到定子各相绕组的功率放大器上使步进电动机按照一定的通电方式运行。因为脉冲分配器输出的电流只有几毫安，所以必须进行功率放大由功率放大器来驱动步进电动机。2.对驱动控制器的要求 (1)驱动控制器的相数、电压、电流和通电方式都要满足步进电动机的要求。 (2)驱动控制器的频率要满足步进电动机起动频率和连续运行频率的要求。 (3)能最大限度地抑制步进电动机的振荡提高系统稳定性。 (4)工作可靠，抗干扰能力强。 (5)成本低，效率高，安装和维护方便。 3驱动控制系统的分类 (1)步进电动机简单的控制过程可以通过各种逻辑电路来实现，如由门电路和触发器组成脉冲分配器。这种控制方法线路较复杂，成本高，而且一旦成型很难改变控制方案缺少灵活性。 (z)由于步进电动机能直接接受数字量输入，因此特别适合于微机控制。随着计算机控制技术的飞速发展，基于微机控制的步进电动机驱动系统的应用日益广泛。在这种控制系统中，脉冲发生和脉冲分配功能可由微机软件来实现，电动机的转速也由微机来控制。采用计算机控制，不仅可以用很低的成本实现复杂的控制过程。而且具有很高的灵活性便于控制功能的升级和扩充。 (3)步进电动机的驱动控制系统还可以采用专用集成电路来构成。这种控制系统具有结构简单、性价比高的优点，在系列化产品中应该优先采用。 二、功率驱动电路 步进电动机功率放大电路的种类很多按照电流流过定子控制绕组的方向是单向的还是双向的，可以分为单极性驱动电路和双极性驱动电路。单极性驱动电路适用于反应式步进电动机，双极性驱动电路适用于永磁式和混合式步进电动机。这里仅介绍单极性驱动电路。 1单电压驱动电路 单电压驱动电路的原理如图7 15所示。来自脉冲分配器的信号电压经过电流放大后加到功率开关管vt的基极，控制vt的导通和关断，即控制步进电动机定子相绕组的通电和断电。二极管vd则在vt关断期间起续流作用。 由于绕组电感的影响，相绕组的通电和断电不能瞬时完成。由于电流上升缓慢会导致电机动态电磁转矩下降，因此应设法减小电流变化的时间常数。使电流前沿变陡(见图7-13)。通常在相绕组回路中串人电阻rs，使绕组回路的时间常数减小。为了达到同样的稳态电流值，直流电源的电压就要相应地提高。 单电压驱动电路结构简单，开关器件少、成本低，但串联电阻rs会产生一定的损耗，效率较低只适用于驱动小功率步进电机或用于性能指标要求不高的场合。 2双电压驱动电路 用提高直流电源电压的方法可以使定子相绕组中的电流迅速上升。这样就产生了双电压驱动。双电压驱动有两种方式，即双电压法和高低电压法。 (1)双电压法。双电压法的基本思路是在低频段使用较低的直流电压，而在高频段使用较高的直流电压，其驱动电路的原理如图7 16(a)所示。当电动机工作在低频段时，给开关管vti基极加低电平使vti关断。这时相绕组由低压电源ul供电控制脉冲通过vt2使绕组得到低压脉冲；当电动机工作在高频段时，给开关管vtl基极加高电平，使vtl导通。这时，二极管vd2反向截止切断低压电源ul，而相绕组由高压电源uh供电，控制脉冲通过开关管vt2使绕组得到高压脉冲。 这种驱动电路在低频段与单电压驱动相同在高频段通过转换电源电压提高电流响应速度，但仍需要在绕组回路中串联电阻rs并没有摆脱单电压驱动的弱点。另外，将频率划分为高、低两段，使特性不连续，有突变。 (2)高低电压法。高低电压法的基本思路是不论电动机工作的频率如何在相绕组开始通电的时候用较高的直流电压，使绕组电流迅速上升然后用较低的直流电压来维持绕组中的电流-其驱动电路的原理如图7- 16(b)所示。 当要求某相绕组通电时，开关管vtl和开关管vt2的基极都有信号电压输入，高压控制脉冲ul和低压控制脉冲ul。同频率并同时起步但脉冲宽度要窄很多，图7 17所示为高低电压驱动的电压、电流波形。两个控制脉冲使开关管vtl和vt2同时导通，于是高电压uh为相绕组供电。这时，二极管vd2承受反向电压而处于截止状态，使得低电压ul不起作用。在高电压uh作用下绕组电流快速上升。当高压控制脉冲“。降为低电平时。vtl关断，高电压uh被切断而低电压则通过二极管vd2为绕组继续供电。由于绕组电阻小，回路中又没有串联电阻，因此低电压只需要数伏即可为相绕组提供较大的电流。 当要求绕组断电时，vt2基极上的信号电压消失。于是vt2截止，绕组中的电流经二极管vdl、高压电源uh、电源地、低压电源ul和二极管vd2放电，电流迅速下降，如图7- 17所示。 这种高低压切换型驱动电路能够保证相绕组在很宽的频段内具有较大的平均电流，在关断时电流又能迅速下降，因此改善了电机的动态转矩和动态性能。另外由于相绕组回路不需要串联电阻，因此功率损耗比较小。但是，这种驱动电路在低频时绕组通电时间长，电流有较大的过冲，所以低频时电机的振动和噪声较大，存在低频共振现象。 3斩波恒流驱动电路 斩波恒流驱动的基本思路是，无论电机是在锁定状态还是在低频段或高频段运行，均使导通相绕组的电流保持额定值，其电路的原理如图7 18所示。相绕组的通断由开关管vtl和vt2共同控制vt2的发射极接一个采样电阻r，该电阻上的压降与相绕组电流i成正比。 当控制脉冲“ui为高电平时，开关管vtl和vt2均导通直流电源向绕组供电。由于绕组电感的影晌，采样电阻r上的电压逐渐升高，当超过给定电压ua时，比较器输出低电平，使其后面的与门也输出低电平vtl被截止直流电源被切断，绕组电流i经vt2、_r、vd2续流而衰减，采样电阻r上的电压随之下降。当采样电阻r上的电压小于给定电压“ua时，比较器输出高电平，其后的与门也输出高电平，vtl重新导通，直流电源又开始向绕组供电。如此反复相绕组的电流就稳定在由给定电压“ua所决定的数值上。 当控制脉冲“ui，变为低电平时，开关管vtl和vt2均截止。绕组中的电流经二极管vi)1、直流电源u、电源地和二极管vd2放电迅速下降，图7 -19所示为斩波恒流驱动的电压、电流波形(其中ub1是开关管vtl的基极电位)。 可见，在控制脉冲“为高电平期间，直流电源以脉冲方式供电，保证了相绕组电流的基本恒定使电机的输出转矩较为均衡，电机运行平稳。这种驱动电路的另一个优点是，能够有效地抑制振荡，因为步进电机振荡的根本原因是能量过剩，而斩波恒流驱动的输入能量是随着绕组电流的变化自动调节的，可以有效地防止能量积聚。但是，由于电流波形为锯齿波，这种驱动方式会产生较大的电磁噪声。 4调频调压驱动电路 从根本上说，步进电动机的运行性能是由定子相绕组中的电流决定的。一般希望低速运行时绕组电流上升缓慢一些，使转子向新的稳定平衡位置移动时不要有严重的过冲，以避免产生剧烈的振荡；而在高速运行时电流波形的前沿较陡，能够迅速建立绕组电流，提高负载能力。然而。前面三种驱动电路都不能很好满足这一要求，为此可采用调频调压驱动方式。 调频调压驱动电路的原理如图7-20所示。积分器对脉冲信号进行积分其输出电压与锯齿波发生器产生的锯齿波在比较器中进行比较，产生脉宽随频率变化的控制信号，并用以控制电压调整器。电压调整器采用脉宽调制(pwm)实现调压，其输出电压u2与控制信号的脉宽成正比即随脉冲频率的上升而上升。这样，就达到了按照输入脉冲信号频率的变化自动调整相绕组电压，进而自动调整相绕组电流的目的。调频调压驱动的电流波形如图7 21所示。 这种调频调压驱动方式类似于双电压驱动电路其优点是相绕组电压可以自动调节，控制效果较好。但是这种驱动电路需要的器件较多。线路较复杂而且在实际运行时针对不同参数的电机，还要相应调整电压u2随脉冲频率变化的特性，因此也存在一定的局限性。 5细分驱动电路 细分驱动控制又称为微步距控制，是步进电动机开环控制的新技术之一，可以达到极高的控制精度。所谓细分驱动控制，就是指把步进电动机的步距角进一步减小把原来的一步再细分成若干微步(如100步)。这样步进电动机的转动就近似为匀速运动，并能在任何位置准确停步。 为了达到上述目的，可以设法将定子相绕组中原来的矩形波电流改为阶梯波电流，如图7 22所示。这样，在相绕组电流的每个阶梯电机转动一步，步距角大为减小。电机运行更加平稳，同时负载能力也得到显著提高。 实现阶梯波电流的方法有两种。具体介绍如下： (1)第一种是通过顺序脉冲发生器形成若干等幅又等宽的脉冲用相应数量的完全相同的脉冲放大器分别进行功率放大最后在电机的相绕组中将这些脉冲电流进行叠加，合成阶梯波电流，如图723(a)所示。这种方法使用的功放元件很多，但元件的容量较小且结构简单，容易调整适用于中、大功率步进电动机的驱动。 (2)第二种是对顺序脉冲发生器所形成的等幅又等宽的脉冲，先用加法器合成阶梯波，再对阶梯波信号进行功率放大，如图723(b)所示。这种方法所用功放元件少，但元件的容量较大，适用于微、小型步进电动机的驱动。 细分驱动控制可以使步进电动机的步距角成数量级地减小，大大提高执行机构的控制精度，同时也可以减小或消除振荡降低噪声，并抑制转矩脉动，提高系统运行的稳定性，因而值得推广应用。 一、步进电动机的主要技术数据 (1)步距角。指每给一个脉冲信号电机转子所转过的角度通常用电角度来表示，常用的步距角有036、06、0 72、075、o9、12、15、18、225、36、45等。与之配套的驱动控制器均具有整步、半步驱动功能(半步驱动的步距角是整步驱动的12)。当用户有特殊要求时，还可对上述步距角进行细分处理，即可进行5细分(15步距角)、10细分(110步距角)或更高精度的细分。 (2)精度。通常指的是最大步距误差。从使用者的角度看，多数情况使用累积误差比较方便。步进电动机每转一圈的累积误差是零。所以步进电动机产品样本上一般不给出精度指标。 (3)定位转矩。指绕组不通电时电磁转矩的最大值，或转角不超过一定值时的转矩。通常反应式步进电动机的定位转矩为零，除非具有特殊的产生定位转矩的装置。永磁式和混合式步进电动机具有一定的定位转矩。 (4)静转矩。指不改变控制绕组通电状态即转子不转情况下的电磁转矩。它是相绕组电流及失调角的函数。对应于某一失调角时，静转矩的最大值称为最大静转矩它取决于通电状态及绕组内电流的值。 (5)动转矩。指转子转动情况下的最大输出转矩。它与运行频率有关。当然对于在一定频率情况下，最大静转矩越大其动转矩也就越大。 (6)起动频率。指电动机空载起动和停止均元失步的最高频率又称为最高起动频率或空载起动频率。负载时，对于一定的电动机及一定的驱动器，起动频率值与负载转矩的大小和负载转动惯量有关，即负载越大，起动频率越低。 (7）运行频率。指频率连续上升时，电动机能不失步运行的最高频率，又称为连续频率。 另外，一般产品样本中还会给出相电流指标，该指标只在配套整机系统中有电流限止时需要参考。至于产品样本中给出的相数指标，大多数用户可以不必考虑，只有自配驱动控制器的用户需要参考。 二、步进电动机的选用原则 步进电动机系统是典型的机电一体化装置选用时需要考虑机械、电气和驱动控制等诸多因素。对于终端用户-最好是选择一个生产商的配套产品这样能够保证配置合理品质优良。 1步进电动机的选用 步进电动机的选择首先要考虑的是外形尺寸(机座号)、转矩和步距角。最大静转矩是主要参考指标同时还要考虑实际工作点的动转矩(需查看矩频特性曲线)。一般动转矩小于最大静转矩。步进电动机的性能很大程度上取决于矩频特性。一个矩频特性好的步进电动机可在高的步进频率下带动负载从而以最少的时问对负载定位。另外，转动惯量大的负载应选择大机座号电机。 步进电动机在较高速或大惯量负载时一般不在工作频率起动而是采用逐渐升频提速，这样可确保电机不失步同时可以减少噪声。 在使用步进电动机时，还要注意自振荡现象。当反应式步进电动机的控制脉冲频率连续升高达到一定值时-开始出现显著的振荡现象频率继续提高时，振荡越来越大，直到不能运转。在有些情况下，也有可能越过振荡区这时可以继续提高频率运行。 2驱动控制器的选用 步进电动机的性能在很大程度上取决于矩频特性而矩频特性又与驱动控制器密切相关。常用的驱动控制方式有单电压驱动、双电压驱动、斩波恒流驱动、调压调频驱动和细分驱动等。 斩波恒流驱动方式通过pwm斩波法使相绕组电流无论在低频段还是在高频段都基本保持额定值，其优点是高频响应大大提高，输出转矩均匀，共振现象减弱。但缺点是线路较复杂成本相对较高。这种方式是目前的主流驱动方式。 细分驱动方式是将步进电动机的一个步距角细分成多个小步距角，使步进电动机的精度大大提高同时减小了步进电动机的噪声和振动。细分驱动器多用于要求小步距角和低噪声、小振动的场合。另外需要注意的是同一个步进电动机使用不同的驱动控制器运行特性将有相当大的差异。除了注意驱动方式和矩频特性外，在选择步进电动机驱动控制器时，还应注意以下几点 (1)使用的电源是交流的还是直流的； (2)驱动方式是定电压驱动还是定电流驱动； (3)输入信号的电平逻辑、脉冲宽度； (4)输出信号的电压、电流序列。 三、步进电动机的应用实例 步进电动机虽然出现得较早但真正得到发展还是近几十年的事，特别是计算机控制技术、电力电子技术和微电子技术的迅速发展。为步进电动机的广泛应用奠定了良好的基础。下面简单介绍步进电动机的几个比较典型的应用实例。 1软磁盘驱动 软磁盘存储器是一种十分简便的计算机外部信息存储装置。当软磁盘插入驱动器后，伺服电动机带动主轴旋转，使盘片在盘套内转动。磁头安装在磁头小车上，步进电动机通过传动机构驱动磁头小车将步距角变换成磁头的位移。从而读写磁盘数据。步进电动机每行进一步，磁头移动一个磁道。 2针式打印机驱动 针式打印机是利用机械和电路驱动原理，使打印针撞击色带和打印介质，进而打印出点阵，再由点阵组成字符或图形来完成打印任务的。从结构上看，针式打印机由打印机械装置和驱动控制电路两大部分组成在打印过程中共有三种机械运动：打印头横向运动、打印纸纵向运动和打印针的击针运动。这些运动都是由软件控制驱动系统通过一些精密机械来执行的，其中打印头驱动机构(又称为字车机构)就是利用步进电动机及齿轮减速装置，由同步齿形带驱动字车横向运动，其步进速度由一个单元时间内的驱动脉冲数来决定-改变步进速度即可改变打印字距。 3电脑绣花机驱动 电脑绣花机是在电脑缝纫机的基础上发展起来的。多年来一直由机械技术占统治地位的缝纫机领域，自20世纪70年代引入电子技术后开始进入微机控制的机电一体化时代。电脑缝纫机是以微处理器进行四轴数控。数控系统控制xy方向的两个步进电动机带动工作台作平面运动，同时监视带动绣花针进行上、下运动的主轴电机的回转，从而对x-y工作台及绣花针的间断性运动进行控制。在此基础上电脑缝纫机还加入了断线检测、数据存储等功能模块使其工作稳定、便捷。