第15-2课  任务4.2步进电动机伺服驱动系统

主要内容：

1.讲解课前的2个案例，认识步进电动机；

案例1步进电动机工作原理英文视频(5: 39) .mp4

案例2混合式步进电动机转子结构视频(1 : 28 ) .mp4

2.观看视频,教师在线答疑；

 4.2步进电动机驱动控制(38:36) .mp4

3. 指导学生：

    4.2【任务实施】  步进电动机及其驱动器接线 

4.完成课后作业

【任务描述】

步进电动机驱动系统一般构成典型的开环系统，其结构原理如图4.12所示。在开环系统中，执行元件是步进电动机，它能将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。

步进电动机驱动系统中无位置、速度检测环节，其精度主要取决于步进电动机的步距角以及与之相连的传动链的精度。

步进电动机的最高转速通常要比直流伺服电动机和交流伺服电动机低，且在低速时容易产生振动，影响加工精度。

步进电动机驱动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。本任务介绍步进电动机的结构、工作原理、分类、特点以及驱动控制等。完成本任务，可实现以下任务目标。  

【任务目标】

  技能目标

     会步进电动机驱动控制接线。

  知识目标

    （1）了解步进电动机的结构、分类；

    （2）掌握步进电动机的工作原理、特点及驱动控制方式。

建议学时：1个学时

在开始学习本节知识之前，同学们观看以下视频，认识什么是步进电动机。

（注：本部分所有视频只用于辅助教学，不产生任何经济效益，如有侵权，请告知）

观看视频： 案例1 步进电动机原理英文视频（5：39）

观看视频： 案例2 混合式步进电动机转子结构视频（1：28）

观看完视频，大家都看懂了吗？如有疑问，咱们到“知识要点”部分找答案吧。

4.2.1步进电动机的结构

以单定子、径向分相、反应式步进电动机为例介绍步进电动机的结构。单定子径向分相反应式步进电动机结构图如图4.13 所示。

步进电动机在结构上分定子和转子两部分。

4.2.2步进电动机的分类

（1）反应式步进电动机

反应式转子为软磁材料，无绕组，定转子开小齿，步距角小，无自锁力矩，不能断电保持；

（2） 永磁式步进电动机

   永磁式步进电动机转子为永磁材料，转子的极数与每相定子极数相同，不开小齿，步距角较大，力矩较大，有自锁力矩，断电可保持；

（3）混合式步进电动机

 混合式步进电动机转子是反应式和永磁式转子的合体，内部为永磁体、外面是软磁材料，轴向分为两段，在软磁材料表面开小齿，转矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂，成本较高。有自锁力矩，断电可保持。

 4.2.3 步进电动机的工作原理

以三相反应式步进电动机为例介绍步进电动机的工作原理，如图4.17所示。步进电动机定子上有A、B、C 三对磁极，在相应磁极上有A、B、C三相绕组，假设转子上有四个齿，相邻两齿所对应的空间角度为齿距角，齿距角为90°。当步进电动机的某相定子绕组通电励磁后，吸引转子转动，使转子的齿与该相定子磁极上的齿对齐。

假设先将电脉冲加到A相励磁绕组，B、C相不加电脉冲，A相磁极便产生磁场，在磁场力矩作用下，转子1、3两个齿与定子A相磁极对齐；如果将电脉冲加到B相励磁绕组，A、C相不加电脉冲，B相磁极便产生磁场，这时转子2、4两个齿与定子B相磁极靠得最近，转子便沿逆时针方向转过30°，如果控制线路不停地按A→B→C→A…的顺序控制步进电动机绕组的通断电，步进电动机的转子便不停地逆时针转动。若通电顺序改为A→C→B→A…，步进电动机的转子将反向转动。

“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；

从一相通电换接到另一相通电称为一拍，“三拍”指通过通电换接三次完成一个通电周期

步距角与定子绕组相数m、转子齿数z、通电方式k有关，可用表示：

4.2.4 步进电动机的特点

概括起来主要有如下特点：

（1）步进电动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）改变步进电动机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变；

（3）步进电动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（即步进电动机少走或多走）；

（4）步进电动机定子绕组所加电源要求是脉冲电流形式，故也称之为脉冲电动机；

（5）步进电动机有脉冲就走，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；

4.2.5 步进电动机的驱动控制

步进电动机驱动控制装置主要有环形脉冲分配器和功率放大驱动电路两部分组成，如图4.20所示。

（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。

（2）脉冲分配器

脉冲分配器完成步进电动机绕组中电流的通断顺序控制，即控制插补输出脉冲，按步进电动机所要求的通断电顺序规律分配给步进电动机驱动电路的各相输入端

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。

（3）速度控制

通过控制步进电动机相邻两种励磁状态之间的时间间隔即可实现步进电动机速度的控制。

对于硬件环形分配器来讲，只要控制CP的频率就可控制步进电动机的速度。

对于软件环形分配器来讲，只要控制相邻两次输出状态之间的时间间隔，也就是控制相邻两节拍之间延时时间的长短。

4.2.6 步进电动机驱动系统的优点

步进电动机是由数字脉冲控制的。不需要D/A转换，I/O接口简单，特别适合单片机、PLC及计算机的控制，为构成开环控制系统提供了方便条件，这就是由步进电动机构成的开环控制系统仍有生命力的原因。

由于系统简单、价格便宜、控制精度能满足一般机电一体化设备的要求，因而在机器人、经济型数控机床、办公设备、雕铣机等设备中得到了广泛应用

为改善步进电动机的综合使用性能，采用细分驱动技术。将“电动机固有步距角”细分成若干小步的驱动方法，称为细分驱动。

观看视频：4.2 步进电动机驱动控制（38：36）

【任务实施】  步进电动机及其驱动器接线

阅读步进电动机及其驱动器说明书，认识步进电动机及其驱动器接口及功能。连接步进电动机及其驱动器。

一、雷赛智能57步进电动机及其驱动器套装如图4.24所示。基本参数如表4.4所示。

          表4.4 雷赛智能57步进电动机及其驱动器基本参数表

二、驱动器接口介绍

（1）控制信号接口，其名称与功能如表4.5所示。

       表4.5步进驱动器控制信号接口名称与功能表

（2）控制信号接口电路

M 542C（V2.0）驱动器采用差分式接口电路可适用差分信号，单端共阴及共阳等接口，内置高速光电耦合器，允许接收长线驱动器，集电极开路和PNP输出电路的信号。在环境恶劣的场合，用长线驱动器电路，抗干扰能力强。现在以集电极开路和PNP输出为例，接口电路示意图如图4.25所示.

注意:

VCC值为5V时，R短接；

VCC值为12V时，R为1K，大于等于1/4W电阻；

VCC值为24V时，R为2K，大于等于1/4W电阻；

（3）细分设定

M542C（V2.0）驱动器采用八位拨码开关设定细分精度、动态电流、静止半流以及实现电动机参数和内部调节参数的自整定。详细描述如图4.26所示。

动态电流与细分设定如图4.27所示。

（4）强电接口，其名称与功能如表4.6所示。

     表4.6强电接口名称与功能表

（5）供电电源选择

电源电压在DC20V-50V之间都可以正常工作，M542C（V2.0）驱动器采用非稳压型直流电源供电，或者采用变压器降压+桥式整流+电容滤波。使用24V-48V直流供电，避免电网波动超过驱动器电压工作范围。

如果使用稳压型开关电源供电，应注意开关电源的输出电流范围需设成最大。

需要注意以下几点：

①　接线时要注意电源正负极切勿反接;

②　最好用非稳压型电源;

③　采用非稳压电源时,电源电流输出能力应大于驱动器设定电流的60%即可;

④　采用稳压开关电源时，电源的输出电流应大于或等于驱动器的工作电流;

⑤　为降低成本，两三个驱动器可共用一个电源， 但应保证电源功率足够大。

参考接线视频:案例3 步进电动机驱动器接线视频（4：25）

（视频只用于教学，不产生其他经济效益）

简答题

1.叙述步进电动机的结构分类、工作原理。

2.叙述步进电动机的脉冲分配有哪两种方式? 

3.叙述步进电动机的特点。

4.叙述步进电动机驱动控制细分的意义。

教师根据学生阅读记录结果及接线情况给予评价，见表4.7。

               表4.7  任务评价表

“理论项目”参考答案 

1.叙述步进电动机的结构分类工作原理。

（1）反应式步进电动机、永磁式步进电动机、混合式式步进电动机

（2）当步进电动机的某相定子绕组通电励磁后，吸引转子转动，使转子的齿与该相定子磁极上的齿对齐。

2.叙述步进电动机的脉冲分配有哪两种方式? 

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。

3.叙述步进电动机的特点。

（1）步进电动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）改变步进电动机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变；

（3）步进电动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（即步进电动机少走或多走）；

（4）步进电动机定子绕组所加电源要求是脉冲电流形式，故也称之为脉冲电动机；

（5）步进电动机有脉冲就走，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； 

4.叙述步进电动机驱动控制细分的意义。

将“电动机固有步距角”细分成若干小步的驱动方法，称为细分驱动。

步进电动机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术，其主要目的是减弱或消除步进电动机的低频振动，提高电动机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。细分后电动机运转时对每一个脉冲的分辨率提高了，但运转精度能否达到或接近脉冲分辨率还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。