发布时间 : 星期六 文章高精度步进电机控制系统毕业设计更新完毕开始阅读
***大学毕业设计（论文）
当A相通电时，在静转矩的作用下转子稳定在A相的稳定平衡点a，显然失调角θ = 0，静转矩T= 0。当A相断电，B相通电时，矩角特性转为曲线B，曲线B落后曲线A一个步距角θb=2?/3，转子处在B相的静稳定区内，为矩角特性曲线B上的b1点，此处T> 0，转子继续转动，停在稳定平衡点b处，此处T又为0。同理，当C相通电时，又由b转到c1点，然后停在曲线C的稳定平衡点c处。接下来A相通电，又由c转到a?并停在了a?处，一个循环过程即为a?b1?b?c1?a1??a?。A相通电时，??????为静稳定区，当A相绕组断电转到B相绕组通电时，新的稳定平衡点为b，对应于它的静稳定区为
????b??????b (图2-7中?b?2?/3)，在换相的瞬间，转子的位置只要停留在此区
域内，就能趋向新的稳定平衡点，所以区域(????b，???b)称为动稳定区，显而易见，相数增加或拍数增加，步距角越小，动稳定区越接近静稳定区，即静、动稳定区重叠越多，步进电机的稳定性越好。
当步进电机带上负载运行时情况有所不同。带上负载TL后，转子每走一步不再停留在稳定平衡点，而是停留在静转矩T等于负载转矩的点上，如图2-8中a1,b1,c1,a?处，T?TL，转子停止不动。具体分析如下：当A相通电，转子转到a1时电机静转矩T等于负载转距，两转矩平衡，转子停止转动，A相断电B相通电，改变通电状态的瞬间，因为惯性转子位置来不及变化，于是转到曲线B上的b2点，由于b2点的静转矩T?TL，故转子继续转到b1点，在b1点T?TL 转子停止接下来C相通电的运转情况类似。一个循环??a?。 的过程为a1?b2?b1?c2?c1?a2ATBCb2c2?a2ATmT??L??3a1a0b1c1b?c2?a??静稳定区动稳定区图2-8 步进电机步进负载运行 Figure 2-8 Run stepper motor step load
13 高精度步进电机控制系统设计
如果负载较大，转子未转到曲线A，B的交点就有T?TL，转子停转，当A相断电B相通电，转到曲线B后T?TL，电机不能作步进运动。显而易见，步进电机能够带负载作步进运行的最大值TM即是两相矩角曲线交点处的电机静转矩。若增加相数或拍数，那么静动稳定区重叠增加，两相曲线交点升高，最大电机静转矩增加，步进运行能带动的负载越大。
2.4.3 连续运转状态
当脉冲频率较高时，电机转子未停止而下一个脉冲己经到来，步进电机已经不是一步一步的转动，而是呈连续运转状态。在改变各相通电状态的瞬间，只要失调角在动态稳定区内，转子就会不失步的继续向前转动。步进电机在带负载情况下启动时，不但要克服负载转矩，还要克服惯性转矩。如果输入的脉冲频率过高，在下一个脉冲到来时，失调角还未进入动态稳定区，电机就不能起步。启动频率与负载转矩的关系称为起动矩频特性，又称牵入特性。当电机起动以后，惯性转矩的影响减少，电机就能以比起动频率高的脉冲频率连续运转。运行频率与负载转矩之间的关系称为运行矩频特性，又称牵出特性。步进电机相数越多或拍数越多，步距角越小，进入稳定区域越容易，起动频率就越高。
脉冲频率升高，电机转速增加，步进电机所能带动的负载转矩将减小。主要是因为频率升高时，脉冲间隔时间小，由于定子绕组电感有延缓电流变化的作用，控制绕组的电流来不及上升到稳态值。频率越高，电流上升所能到达的数值也就越小，因而电机的电磁转矩也越小。另外，随着频率的提高，步进电机运行中产生的反电势增加，使绕组电流减小，也使电机的输出转矩下降。总之，步进电机的输出转矩随着脉冲频率的升高而减小。
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3 步进电机驱动系统
3.1 步进电机驱动系统简介
步进电机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备一步进电机驱动器。步进电机驱动系统的性能，除与电机本身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的优劣。典型的步进电机驱动系统是由步进电机控制器、步进电机驱动器和步进电机本体三部分组成。步进电机控制器发出步进脉冲和方向信号，每发一个脉冲，步进电机驱动器驱动步进电机转子旋转一个步距角，即步进一步。步进电机转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取决于脉冲的有无或频率的高低。控制器的方向信号决定步进电机的顺时针或逆时针旋转。通常，步进电机驱动器由逻辑控制电路、功率驱动电路、保护电路和电源组成。步进电机驱动器一旦接收到来自控制器的方向信号和步进脉冲，控制电路就按预先设定的电机通电方式产生步进电机各相励磁绕组导通或截止信号。控制电路输出的信号功率很低，不能提供步进电机所需的输出功率，必须进行功率放大，这就是步进电机驱动器的功率驱动部分。功率驱动电路向步进电机控制绕组输入电流，使其励磁形成空间旋转磁场，驱动转子运动。保护电路在出现短路、过载、过热等故障时迅速停止驱动器和电机的运行。
3.2 步进电机驱动器的特点
步进电机的驱动特点主要体现在以下几个方面[7][8]。
1 ) 各相绕组都是开关工作。多数电机绕组都是连续的交流或直流供电，而步进电机各相绕组都是脉冲式供电，所以绕组电流不是连续的而是断续的。
2 ) 步进电机各相绕组都是在铁心上的线圈，所以都有比较大的电感。绕组通电时，电流上升受到限制，因此影响电机绕组电流的大小。
3 ) 绕组断电时，电感中磁场的储能将维持绕组中已有的电流不能突变，结果使应该电流截止的相不能立即截止。为使电流尽快衰减，必须设计适当的续流回路。绕组导通和截止过程都会产生较大的反电势，而截止时的反电势将对驱动器功率器件的安全产生十分有害的影响，使整个系统的使用受到影响。
4 ) 电机运行时在各相绕组中将产生旋转电势，这些电势的方向和大小将对绕组电流产生很大的影响。由于旋转电势基本上与电机转速成正比，转速越高，电势越大，绕组电流越小，从而使电机输出转矩随着转速升高而下降。
5 ) 电机绕组中有电感电势、互感电势、旋转电势。这些电势与外加电压共同作用于
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高精度步进电机控制系统设计
功率器件。当其叠加结果使电机绕组两端的电压大大超过电源电压时，使驱动器工作条件更为恶化。
6 ) 混合式步进电机的绕组必须用双极性电源供电，也就是说，绕组有时需通正向电流，有时需通反向电流。
所以，根据以上的特点，步进电机的驱动器必须要保证步进电机绕组有足够的电压、电流和正确的波形，而且同时要保证驱动器功率放大器件安全运行，还应有较高的效率、较小的功耗、较低的成本，这就要求选用合适的功率器件合理设计线路。
3.3 步进电机相绕组的电气特性
步进电机各相绕组都是在铁心上的铜线圈，电阻和电感是电机相绕组的两个固有属性，电机的性能和这两个因素密切相关。绕组通电时，电感使绕组电流上升速度受到限制，因此影响电机绕组电流的大小。绕组线圈的电阻是电机温升和电能损耗的主要因素。
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图3-1 电感—电阻串联电路的电流波形
Figure 3-1 Inductor - Resistor series circuit of the current waveform
步进电机的相绕组可以等效为一个电感—电阻串联电路。图3-1表明了一个电感—电
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