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步进电动机及其细分驱动技术 步进电动机及其细分驱动技术 理论＆知识EA 产品与技术 通过分析步进电动机的转矩、功率、阻尼、谐振等重要参数和比较各种驱动类型来说明在工程应用中如何选择步进电动机及其驱动器；并分析设计一个步进式运动控制系统。 步进电动机及其细分驱动技术 □南京工业大学自动化学院　　陈先锋　　舒志兵 进电动机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件，与其他类型电动机相比具有易 →…；逆时针转动为Ａ→ＡＣ→Ｃ→ＣＢ→Ｂ→ＢＡ→Ａ→…。 若以三相六拍通电方式工作，当Ａ相通电转为Ａ、Ｂ相同时通电时，转子的磁极将同时受到Ａ相磁极和Ｂ相磁极的吸引力，因此，转子的磁极只好停在Ａ、Ｂ两相磁极之间，这时它的步距角等于３０°。当由Ａ、Ｂ相同时通电转为Ｂ相通电时，转子磁极再沿顺时针方向转３０°与Ｂ相磁极对齐。 （２）步进电动机细分驱动原理 步进电动机的驱动是靠给步进电动机的各相励磁绕组轮流通以电流，实现机内部磁场合成方向的变化来使步进电动机转动的。一般情况下，当步进电动机的内部磁场变化一周时，电动机的转子转过一个齿距。设两相邻稳定磁场之间的夹角为θＭ，步进电动机以三相三拍运行，θＭ＝６０°；若以三相六拍运行，θＭ＝３０°，这样相当于实现了二细分。但在通常的步进电动机驱动线路中，由于通过各相绕组的电流是个开关量，单凭通过各相通电组合来达到的细分数是极其有限的。要达到较大的细分数，就必须控制步进电动机各相励磁绕组中的电流，使其阶梯上升或下降，即在零到最大相电流之间能有多个稳定的中间状态，相应的磁场矢量幅值也就存在多个中间状态。这样相邻两相或多相的合成磁场方向也就有多个稳定的中间状态。图２是三相反应式步进电动机８细分时各相绕组电流状态图。细分驱动器主要目的是减弱或消除步进电动机的低频振动，提高其运转精度只是细分技术的一个附带功能。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大，细分数越大精度越难控制。 于开环精确控制、无积累误差等优点，在众多领域中获得了广泛的应用。步进电动机细分驱动技术首先是由美国学者Ｔ．Ｒ．Ｆｒｅｄｒｉｋｓｅｎ在美国增量运动控制系统及器件年会上提出。２０世纪７０年代中期步进电动机细分驱动技术开始发展起来，它在改善步进电动机综合使用性能上有广泛的应用价值。国内步进电动机细分驱动技术在２０世纪９０年代中期得到较大的发展，广泛地应用于运动控制领域，如数控机床、机器人等。本文介绍步进电动机及其细分驱动技术在运动控制中的应用。 步进电动机及其细分驱动原理（１）步进电动机的工作原理 以三相反应式步进电动机（见图１）为例，当某相定子励磁后，它吸引转子，使转子的齿与该定子磁极上的齿对齐。因此步进电动机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。步进电动机有Ａ、Ｂ、Ｃ三相，每相有两个磁极，转子也有两个磁极（两个齿）。当Ａ相绕组通以直流电流时，转子的两极与Ａ相的两个磁极齿对齐，使该相磁路的磁通最大。磁通回路如虚线所示。若Ａ相断电，Ｂ相通电，电磁力又使转子的两极与Ｂ相磁极齿对齐，即电磁力使转子沿顺时针方向转过６０°。如果控制线路能不停地按Ａ→Ｂ→Ｃ→Ａ…的顺序送入电流脉冲，步进电动机的转子便不停地沿顺时针方向转动。如果通 电顺序为Ａ→Ｃ→Ｂ→ Ａ…，同理，步进电动机的转子就不停地沿逆时针方向转动。这种通电方式称为三相三拍。还有一种三相 六拍的通电方式，它 的通电顺序是，顺时针转动为Ａ→ＡＢ→Ｂ→ＢＣ→Ｃ→ＣＡ→Ａ 图２　　　　三相反应式步进电动机８细分时各相绕组电流状态图 图１　　　　三相反应式步进电动机 电气时代２００５年第１期　｜　１３７ EA 产品与技术理论＆知识 步进电动机及其细分驱动器的选择 在各种领域广泛地应用步进电动机，要设计一个步进式运动控制系统，很难具体地阐述一般性的选择设计流程。文中从系统的性能出发，阐述电动机及其驱动器的选择。 （１）限制系统性能的因素 １）转矩和输出功率　　　　步进电动机的输出转矩、功率与电动机的尺寸、电动机热耗、占空比、电动机绕组和驱动器类型成函数关系。厂家提供的数据中会直接给出各种类型的步进电动机和驱动器组合时电动机的起动转矩和牵出转矩。起动转矩是步进速度的函数，它表明了电动机在不同步进速度下不失步起动时的最大摩擦转矩。实际应用中可以根据起动转矩的曲线计算负载惯量。根据牵出转矩可以计算出电动机在给定频率恒速运行时的有效转矩。在实际应用中可以利用牵出转矩来克服负载摩擦转矩，提高加速载荷与电动机惯量。由于步进电动机的输出转矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为衡量步进电动机最